淺談新型計(jì)算技術(shù)

崔倩

摘 要：近年來(lái)，采用新器件、新結(jié)構(gòu)、新設(shè)計(jì)系統(tǒng)和新制造方法實(shí)現(xiàn)低成本、快速可靠的計(jì)算、存儲(chǔ)和通信成為重要的研究方向。本文重點(diǎn)介紹了量子計(jì)算、光計(jì)算以及生物計(jì)算方面的新型計(jì)算技術(shù)。

關(guān)鍵詞：量子計(jì)算;光計(jì)算;生物計(jì)算

引言：

現(xiàn)有的芯片制造技術(shù)是建立在硅材料基礎(chǔ)上的，由于熱效應(yīng)、電磁場(chǎng)效應(yīng)和量子效應(yīng)，其集成度的提高具有局限性，因而單一處理器的運(yùn)算速度的提升存在物理方面的限制。關(guān)于未來(lái)哪些新技術(shù)將推動(dòng)計(jì)算機(jī)的技術(shù)革命，研究人員提出了很多設(shè)想，其中可能的技術(shù)包括光技術(shù)、生物技術(shù)、量子技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和納米技術(shù)等。這些非傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)正處在初步的研究階段，離實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的距離。但是，這些研究中只要有一種取得突破性實(shí)際成果，將促成計(jì)算機(jī)技術(shù)巨大的、甚至革命性的發(fā)展。

一、量子計(jì)算

量子計(jì)算（Quantum Computing）指按照量子物理規(guī)律完成計(jì)算任務(wù)的計(jì)算技術(shù)。量子計(jì)算技術(shù)的研究包括量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、量子計(jì)算理論、量子算法、量子計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言等，是目前國(guó)際上非常傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù)中最活躍的前沿研究方向之一。量子計(jì)算機(jī)（Quantum Computer）就是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器，一般指按照量子力學(xué)原理設(shè)計(jì)和制造的處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算模式不同于現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)在電子計(jì)算機(jī)以晶體管作為信息存儲(chǔ)和處理的主要元器件，晶體管的開(kāi)與關(guān)兩種狀態(tài)代表二進(jìn)制的0和1。而設(shè)想中的量子計(jì)算機(jī)的最小信息單位是量子比特（Quantum Bit，qubit）。不同于經(jīng)典比特只能表示0和1，一個(gè)量子比特能夠表示0、1的任意量子疊加態(tài)，該量子疊加態(tài)等效于同時(shí)表示了0和1兩個(gè)數(shù)。相應(yīng)地，n個(gè)經(jīng)典比特只能表示2ⁿ個(gè)數(shù)中的一個(gè)，而n個(gè)量子比特能夠同時(shí)表示2ⁿ個(gè)數(shù)。對(duì)n個(gè)量子比特進(jìn)行一次操作，等效于同時(shí)對(duì)2ⁿ個(gè)數(shù)進(jìn)行一次操作。這種信息表示方法，非常有利于并行處理，給量子計(jì)算帶來(lái)了超常的運(yùn)算能力。

研究表明，量子計(jì)算具有經(jīng)典計(jì)算不可比擬的計(jì)算優(yōu)勢(shì)。例如，理論上，量子計(jì)算能夠在多項(xiàng)式時(shí)間復(fù)雜度內(nèi)破譯現(xiàn)在金融、國(guó)防等關(guān)鍵領(lǐng)域廣泛使用的密碼體系，而目前基于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的破解方法具有指數(shù)時(shí)間復(fù)雜度。近年來(lái)，國(guó)際上某些特殊領(lǐng)域的量子模擬計(jì)算技術(shù)已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。例如，加拿大DWave公司研制的用于模擬退火算法的量子計(jì)算機(jī)，與經(jīng)典計(jì)算機(jī)相比，計(jì)算性能提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

二、光計(jì)算

光計(jì)算是一種采用光學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。其主要思想是以激光或二極管產(chǎn)生的光子代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子作為載體來(lái)進(jìn)行信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)和處理。相比傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)中使用的電子，光子傳輸速度更快，抗電磁干擾能力更強(qiáng)，能提供更高的帶寬。由于光子不帶電荷，因而它不受電磁場(chǎng)的干擾，傳播速度可達(dá)到光速同等量級(jí)。光子和光子的相互作用要在十分苛刻的條件下才能實(shí)現(xiàn)。一般情況下，不同波長(zhǎng)、不同偏振態(tài)、不同波型的光即使相遇、交叉、同路都各自獨(dú)立、互不干擾，因此光計(jì)算具有天然的并行性，即可以多路同時(shí)計(jì)算，結(jié)果互不干擾。這種特征使得光路可用于實(shí)現(xiàn)高速互連和通信，其密集程度幾乎不受空間尺寸的限制。而這一點(diǎn)電路難以做到。此外，光子可在自由空間傳播，甚至可在真空中傳播，而不像電子那樣只能在導(dǎo)線中傳播，并且光子在傳播中能量損耗很小。總體來(lái)說(shuō)，光計(jì)算具有速度快、并行程度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、信道密度高、空間互連靈活、存儲(chǔ)容量大、容錯(cuò)性好等優(yōu)點(diǎn)。正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，光計(jì)算機(jī)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)的局限性，成為下一代超并行、超高速、新型“非硅”計(jì)算機(jī)的重要研究方向之一。

光計(jì)算一般分為模擬光計(jì)算和數(shù)學(xué)光計(jì)算兩種。模擬光計(jì)算以傅里葉光學(xué)為基礎(chǔ)，隨著20世界60年代激光的出現(xiàn)而受到關(guān)注。數(shù)字光計(jì)算采用光開(kāi)關(guān)作為基本器件，以光學(xué)手段實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算。20世紀(jì)70年代，光學(xué)傳輸和非線性光學(xué)材料取得重大進(jìn)展，存進(jìn)了數(shù)字光計(jì)算的研究。目前，數(shù)字光計(jì)算是光計(jì)算的主要研究方向。數(shù)字光計(jì)算的研究主要集中在4個(gè)方面：一是光雙穩(wěn)器件、光邏輯器件、各種非線性器件等光計(jì)算器件的研究;二是適合光學(xué)特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方面的研究，包括基本器件、專用子系統(tǒng)、整機(jī)等的結(jié)構(gòu);三是光通信互連的研究，包括自由空間互連、導(dǎo)波互連、全息動(dòng)態(tài)可變互連等;四是光計(jì)算相關(guān)算法的研究，如光學(xué)矩陣運(yùn)算等。由于全光計(jì)算的器件在技術(shù)上尚不成熟，目前還沒(méi)有公認(rèn)的全光數(shù)字處理器體系結(jié)構(gòu)。

三、生物計(jì)算

生物計(jì)算是指一種利用生物工程和生物學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算的技術(shù)。生物計(jì)算機(jī)是以核酸分子作為“數(shù)據(jù)”，以生物酶及生物操作作為信息處理工具的一種新穎的計(jì)算機(jī)模型。它利用蛋白質(zhì)有開(kāi)關(guān)特性，用生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子作元件從而制成生物芯片以替代半導(dǎo)體硅片，利用有機(jī)化合物存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。其性能由元件與元件之間電流啟閉的開(kāi)關(guān)速度來(lái)決定。信息以波的形式傳播，當(dāng)波沿著蛋白質(zhì)分子鏈傳播時(shí)，會(huì)引起蛋白質(zhì)分子鏈中單鍵、雙鍵結(jié)構(gòu)順序的變化。生物計(jì)算機(jī)具有多種潛在優(yōu)點(diǎn)。首先，由蛋白質(zhì)構(gòu)成的集成電路，其大小只相當(dāng)于硅片集成電路的十萬(wàn)分之一，而且運(yùn)行速度非?？欤哂泻軓?qiáng)的抗電磁干擾能力，并能徹底消除電路間的干擾。其次，生物計(jì)算能量消耗小，量級(jí)僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的十億分之一。用蛋白質(zhì)制成的計(jì)算機(jī)芯片中，一個(gè)存儲(chǔ)點(diǎn)只有一個(gè)分子大小，所以芯片的存儲(chǔ)容量可以達(dá)到普通計(jì)算機(jī)的十億倍，具有巨大的存儲(chǔ)能力。

目前，生物計(jì)算模型主要有生物分子或超分子芯片、自動(dòng)機(jī)模型、仿生算法、生物化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類型。生物分子或超分子芯片模型，主要立足于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬、從尋找高效、體微的電子信息載體及信息傳遞入手，對(duì)生物體內(nèi)的小分子、大分子、超分子生物芯片的結(jié)構(gòu)與功能開(kāi)展研究?！吧锘瘜W(xué)電路”就屬于此類模型。自動(dòng)機(jī)模型，以自動(dòng)理論為基礎(chǔ)，致力于尋找新的計(jì)算機(jī)模式，特別是具有特殊用途的非述職計(jì)算機(jī)模式。不同自動(dòng)機(jī)模型間的區(qū)別主要在于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部連接的差異。該模型在非數(shù)值計(jì)算、模擬、識(shí)別等方面有極大的潛力。目前研究的熱點(diǎn)集中在基本生物現(xiàn)象的類比，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、免疫網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞自動(dòng)機(jī)等。仿生算法模型以生物智能為基礎(chǔ)，用仿生的觀念致力于尋找新的算法模式，雖然思想類似于自動(dòng)機(jī)模型，但主要關(guān)注算法層面，而不追求硬件上的變化。