淺析計算機科學與技術發展

曾耀輝

摘要：隨著中國的開放，科學技術的國際交流日益深入，現代化意義上的計算機產品與技術被不斷介紹并引入到國內，在短時間內取得了迅猛的發展。作為一名計算機工作者深切地感受到：計算機是一種多學科共同研究和推動的科研成果，哲學、數學、物理學、人工智能等都對其發展起到巨大的推動作用，當下的學習者受到各種客觀與主觀因素的影響，主要是對計算機產品的一種自我環境下的適應性使用。

關鍵詞：計算機發展；新型計算機；研究策略

一、摩爾定律”與“計算的極限”

人類是否可以將電子計算機的運算速度永無止境地提升？傳統計算機計算能力的提高有沒有極限？對此問題，學者們在進行嚴密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機的計算能力無限提高，最終地球上所有的能量將轉換為計算的結果—造成熵的降低，這種向低熵方向無限發展的運動被哲學界認為是禁止的，因此，傳統電子計算機的計算能力必有上限。而以IBM研究中心朗道（R．Landauer）為代表的理論科學家認為到21世紀30年代，芯片內導線的寬度將窄到納米尺度，此時，導線內運動的電子將不再遵循經典物理規律—牛頓力學沿導線運行，而是按照量子力學的規律表現出奇特的“電子亂竄”的現象，從而導致芯片無法正常工作；同樣，芯片中晶體管的體積小到一定臨界尺寸后，晶體管也將受到量子效應干擾而呈現出奇特的反常效應。

哲學家和科學家對此問題的看法十分一致：摩爾定律不久將不再適用。也就是說，電子計算機計算能力飛速發展的可喜景象很可能在21世紀前30年內終止。著名科學家，哈佛大學終身教授威爾遜（EdwardO．Wilson）指出：“科學代表著一個時代最為大膽的猜想。它純粹是人為的。但我們相信，通過追尋“夢想—發現—解釋—夢想”的不斷循環，我們可以開拓一個個新領域，世界最終會變得越來越清晰，我們最終會了解宇宙的奧妙。所有的美妙都是彼此聯系和有意義的。”

二、各種新型計算機

硅芯片技術高速發展的同時，也意味看硅技術越來越接近其物理極限。為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發新型計算機，計算機的體系結構與技術都將產生一次量與質的飛躍。新型的量子計算機、光子計算機、分子計算機、納米計算機等，將會在二十一世紀走進我們的生活，遍布各個領域。

1．量子計算機

量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究。量子計算機(quantum computer)是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機是通過量子分裂式、量子修補式來進行一系列的大規模高精確度的運算的。其浮點運算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的。量子計算機大規模運算的方式其實就類似于普通電腦的批處理程序，其運算方式簡單來說就是通過大量的量子分裂，再進行高速的量子修補，但是其精確度和速度是普通電腦望塵莫及的。

2．光子計算機

現有的計算機是由電子來傳遞和處理信息。電場在導線中傳播的速度雖然比我們看到的任何運載工具運動的速度都快。但是，從發展高速率計算機來說，采用電子做輸運信息載體還不能滿足快的要求，提高計算機運算速度也明顯表現出能力有限了。而光子計算機以光子作為傳遞信息的載體，光互連代替導線互連，以光硬件代替電子硬件，以光運算代替電運算，利用激光來傳送信號，并由光導纖維與各種光學元件等構成集成光路，從而進行數據運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長、頻率、偏振態及相位的光代表不同的數據，這遠勝于電子計算機中通過電子狀態變化進行的二進制運算，可以對復雜度高，計算量大的任務實現快速的并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎上呈指數上升。

3．分子計算機

分子計算計劃就是嘗試利用分子計算的能力進行信息的處理。分子計算機的運行靠的是分子晶體可以吸收以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進行組織排列。憑借著分子納米級的尺寸，分子計算機的體積將劇減。此外，分子計算機耗電可大大減少并能更長期地存儲大量數據。我們相信，新型計算機與相關技術的研發和應用，是二十一世紀科技領域的重大創新。必將推進全球經濟社會高速發展，實現人類發展史上的重大突破。科學在發展，人類在進步歷史上的新生事物都要經過一個從無到有的艱難歷程，隨著一代又一代科學家們的不斷努力，未來的計算機一定會是更加方便人們的工作、學習、生活的好伙伴。

三、探究研究策略的依據

筆者認為開展計算機發展史研究的一種思路是：本著實用主義的態度，分階段提取計算機發展過程中的關鍵問題。圍繞這些問題展開研究，尤其要著力于問題解決過程中碰到的困難，以及問題解決后發現的新問題。

1．“實用主義”無褒貶之分

彌補對計算機發展的歷史認知，不宜再去重做實驗，推倒人類已有的技術規范重來：只能進一步的學習和研究，在研究和學習中發現問題，找出規律。同時，“實用”也是發揮后發優勢的應有之義。

2．緊緊圍繞“問題”

在科學發展的歷史進程中，問題要比問題的解決更重要，“一個好的問題堪比一所好的大學”計算機的發展也是在不斷地提出問題、解決問題中發展進步，每一次問題的提煉和解決都促進了計算機水平得到一次升華和提高。

3．事物的發展是動態的，已有問題的解決必然帶來新的問題

新的問題是對已有問題解決方法的挑戰與審視，抑或是新科學新技術尋找用武之地發揮作用的要求，嘗試主動提出可預見的問題并設法解決是現代思維方式的一個顯著特征，愛岡斯坦曾說：提出一個問題往往比解決一個問題更重要，正是這個意思。提新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，這一切需要有創造性的想象力。往往是獲得認識突破的契機，這種習慣或者素養是極其寶貴的。

4．分階段

事物的發展不是一蹴而就的，在時間軸上是一種動態的螺旋的進化過程。每一個階段都是提高，每一個階段都將被否定。計算機的發展也必然遵守人造物發展的一般規律，也有其自身的萌芽期、發展期、普及期、成熟期。后期對前期的關照、否定或肯定。每一個時期都呈現出其特定的標志性歷史事件或文化符號，正是在對每一個時期的階段性標志事件和符號的研究和把握中，了解計算機發展史的基本面貌，啟迪和教育后來的研究者。

結束語

計算機是20世紀人類最偉大的發明之一。在這個世紀之交，知識經濟時代呼嘯而來，作為知識和信息的處理、傳輸和存儲之載體的計算機。在即將來臨的21世紀，將會不斷地開發出新的品種。而這些新穎的計算機的發展將趨向超高速、超小型 并行處理和智能化。為達到預想的目的各種新型材料將被運用到新型計算機的開發當中，如量子、光子 分子等。未來量子、光子和分子計算機將具有感知、思考、判斷、學習以及一定的自然語言能力，使計算機進人人工智能時代。這種新型計算機將推動新一輪計算技術革命，對人類社會的發展產生深遠的影響。

參考文獻

[1]劉科偉等.量子計算與量子計算機．計算機工程與應用，2002(38)

[2]王延汀．談談光子計算機．現代物理知識，2004，(16)．

[3]陳連水，袁鳳輝，鄧放．分子計算機．分子信．E-學，2005(3)

[4]諶謙．難以忘卻的—計算機發展史UI．中國中醫藥現代遠程教育．2004(7)：45—47