“非主流”計(jì)算機(jī)大盤點(diǎn)

王麟

1936年，英國(guó)數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈提出“圖靈機(jī)”的構(gòu)想，為現(xiàn)代人工智能奠定了基礎(chǔ)；到了1946年，美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼確定了計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，一直沿用至今。阿蘭·圖靈和馮·諾依曼因?yàn)樯鲜鲐暙I(xiàn)被譽(yù)為“計(jì)算機(jī)之父”。經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，電腦技術(shù)一日千里，摩爾定律驅(qū)使著芯片不斷更新?lián)Q代，大規(guī)模集成電路的蝕刻尺寸已經(jīng)接近極限，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)必定會(huì)撞到天花板。在危機(jī)來(lái)臨之前，科學(xué)家們也在想方設(shè)法另辟蹊徑，從不同的層面研發(fā)全新的計(jì)算機(jī)技術(shù)，以期獲得突破，開(kāi)創(chuàng)更多嶄新的計(jì)算之路。因此，我們很有必要盤點(diǎn)一下，在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)之外，還有哪些“非主流”的計(jì)算機(jī)，具備未來(lái)發(fā)展的潛力。

類腦計(jì)算機(jī)：模擬人類大腦的運(yùn)算模式

·馮·諾依曼計(jì)算機(jī)架構(gòu)的局限·

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)采用馮·諾依曼架構(gòu)模式，微處理器以極快的速度執(zhí)行一長(zhǎng)串的0和1編程指令，這些指令信息單獨(dú)存放在內(nèi)存、處理器以及磁盤驅(qū)動(dòng)器之中，電腦的中央處理器與存儲(chǔ)器通過(guò)總線連接。當(dāng)電腦運(yùn)行之時(shí)，大量的數(shù)據(jù)流在處理器和存儲(chǔ)器之間進(jìn)行中轉(zhuǎn)，消耗掉很多能量，同時(shí)總線的帶寬有限，隨著數(shù)據(jù)流的不斷增加，總線作為繁忙的干線卻變成了瓶頸，限制了計(jì)算速度的進(jìn)一步提高。那么，有沒(méi)有一種辦法，將電腦的耗能降低，同時(shí)避開(kāi)總線帶寬不夠的瓶頸呢？答案是肯定的，美國(guó)計(jì)算機(jī)芯片業(yè)巨頭IBM公司研發(fā)成功一種類腦芯片，提供了解決問(wèn)題的方案。

·類腦芯片的巨大優(yōu)勢(shì)·

IBM公司研發(fā)成功的這種芯片名叫“TrueNorth”，是完全基于對(duì)人類大腦的仿真模擬，也是世界上第一枚耗能極低的神經(jīng)突觸電腦芯片，大小與一張郵票相仿，上面卻集成了54億個(gè)晶體管，這是IBM公司在一枚芯片上集成晶體管最多的一次，同時(shí)，它還包括100萬(wàn)可編程的神經(jīng)元和2.56億可編程的神經(jīng)突觸。雖然類腦芯片與包含1 000億個(gè)神經(jīng)元以及多達(dá)100萬(wàn)億至150萬(wàn)億神經(jīng)突觸的人類大腦沒(méi)法相比，但畢竟計(jì)算機(jī)技術(shù)走出了劃時(shí)代的關(guān)鍵一步，意義可謂重大。

這種類腦芯片可以做很多事情，諸如用于對(duì)石油泄漏進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)告海嘯臺(tái)風(fēng)等等。千萬(wàn)別小看類腦芯片，普通的計(jì)算機(jī)執(zhí)行類似的任務(wù)耗能極高，而類腦芯片只需消耗70毫瓦的電量，與一個(gè)助聽(tīng)器的耗能相當(dāng)。除了耗能低之外，類腦芯片還具有認(rèn)知功能，它可以輕易地從一大堆不同的物品中找出正確的目標(biāo)，而這種認(rèn)知能力是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)望塵莫及的。

擬態(tài)計(jì)算機(jī)：解決電腦高耗能的一種辦法

·快速運(yùn)算需要付出高昂代價(jià)·

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)架構(gòu)模式，決定了電腦在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和調(diào)用過(guò)程中要消耗很多能量，對(duì)于世界上運(yùn)算速度最快的計(jì)算機(jī)——中國(guó)的“天河二號(hào)”而言，每小時(shí)耗電量高達(dá)17.8兆瓦，相當(dāng)于發(fā)達(dá)地區(qū)三線城市全市一小時(shí)的照明用電，每天計(jì)算機(jī)的運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)40萬(wàn)元人民幣，真是不折不扣的耗電大戶。而美國(guó)搜索引擎谷歌公司將全世界最大的數(shù)據(jù)中心建在了達(dá)拉斯水電站附近，可以就近保證能源供應(yīng)。而這個(gè)數(shù)據(jù)中心投入使用后，據(jù)說(shuō)每天會(huì)消耗103兆瓦電量，與整個(gè)日內(nèi)瓦的城市用電量相同?？梢?jiàn)，計(jì)算速度提高的最大代價(jià)，就是高昂的耗能成本。

·擬態(tài)計(jì)算機(jī)提供了降低能耗的辦法·

面對(duì)計(jì)算機(jī)高耗能的難題，科學(xué)家們也在孜孜不倦地努力尋找解決辦法，而中國(guó)科學(xué)家研究的擬態(tài)計(jì)算機(jī)就是一種可行的措施。所謂“擬態(tài)計(jì)算機(jī)”，指的是“基于擬態(tài)計(jì)算的主動(dòng)認(rèn)知可重構(gòu)計(jì)算體系結(jié)構(gòu)”的計(jì)算機(jī)。

專業(yè)術(shù)語(yǔ)比較拗口，簡(jiǎn)單而言就是，計(jì)算機(jī)不再僵硬和機(jī)械地按照馮·諾依曼架構(gòu)安排執(zhí)行任務(wù)，而是根據(jù)所面對(duì)的任務(wù)、資源、服務(wù)質(zhì)量、安全要求和時(shí)效性等不同，自動(dòng)感知判斷計(jì)算資源的忙閑程度，隨之變換成合適的結(jié)構(gòu)形態(tài)，以獲取最高的處理能力，同時(shí)降低耗能。根據(jù)測(cè)算，擬態(tài)計(jì)算機(jī)在執(zhí)行某類典型工作之時(shí)，比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的效率要提高十幾倍到上百倍。同時(shí)，科學(xué)家們還提出了“擬態(tài)安全”的理念，可以有效降低計(jì)算機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

DNA計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)的另一種發(fā)展方向

·DNA計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)原理·

生物計(jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與分子生物學(xué)交叉融合的產(chǎn)物，DNA，即脫氧核糖核酸，是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，呈雙螺旋結(jié)構(gòu)，由A、G、C、T 4種堿基組成，堿基的排列組合存儲(chǔ)著遺傳信息，同時(shí)DNA鏈可以通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)形成雙鏈，這種配對(duì)具有高度的特異性。而科學(xué)家們就是利用堿基特異性配對(duì)來(lái)研發(fā)DNA計(jì)算機(jī)的，將運(yùn)算信息排列于DNA上面，利用DNA特異性配對(duì)原理來(lái)構(gòu)建不可或缺的“邏輯門”，通過(guò)特定DNA片段的互相作用，進(jìn)而獲得計(jì)算結(jié)果。

·DNA計(jì)算機(jī)的過(guò)人之處·

DNA計(jì)算機(jī)芯片以分子為單位，在1平方毫米的面積上，可容納幾億個(gè)電路，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的電腦芯片容量；DNA計(jì)算機(jī)可以通過(guò)設(shè)置編碼，使其具備再生和復(fù)制功能，因此不存在損壞和報(bào)廢一說(shuō)，理論上可以永久使用下去；DNA計(jì)算機(jī)的元件是由有機(jī)分子組成的生物化學(xué)元件，只需很少的能量就能進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，耗能是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的十億分之一，而速度可提高10萬(wàn)倍以上；DNA 作為儲(chǔ)存信息的媒介，占用空間有限，是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的百億億分之一；DNA計(jì)算機(jī)的主要原材料是蛋白質(zhì)分子，具有生物活性，能夠和人體的大腦以及神經(jīng)系統(tǒng)相連，直接接受大腦的指揮，通過(guò)人體細(xì)胞吸收營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充能量，因而不需要外界能源。

量子計(jì)算機(jī)：最具科幻色彩的超能工具

與類腦計(jì)算機(jī)、擬態(tài)計(jì)算機(jī)和DNA計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)才是最具科幻和未來(lái)色彩的技術(shù)，當(dāng)然，它的計(jì)算速度之快、建造難度之高，也是前無(wú)古人后無(wú)來(lái)者。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)通過(guò)兩種邏輯狀態(tài)“0和1”作為運(yùn)算基礎(chǔ)，而在量子計(jì)算機(jī)中，最小的存儲(chǔ)單位是量子比特，它除了具備傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的0和1的兩種邏輯狀態(tài)外，還有量子力學(xué)特有的疊加態(tài)，這種疊加態(tài)是任意線性的疊加，它既可以是0態(tài)又可以是1態(tài)，0態(tài)和1態(tài)各以一定的概率同時(shí)存在。

量子計(jì)算機(jī)除了特有的疊加性，還有量子并行、量子糾纏以及量子相干性和退相干等特性，這些獨(dú)特的性質(zhì)，使其可以展開(kāi)大規(guī)模的并行計(jì)算，具備超高速的運(yùn)算能力。那么，量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度高到何種地步呢？它可以在幾秒鐘之內(nèi)將一個(gè)250位的數(shù)字分解成兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)完成這項(xiàng)工作需要花100萬(wàn)年！