計算機的發展與研究探析

【摘要】傳統計算機經過數十年突飛猛進的發展技術日趨成熟，其局限性也日益凸顯，科學家們正著手研究發展新型的計算機系統。

【關鍵詞】傳統計算機；發展；量子；納米；新型計算機

自1946年第一臺電子傳統計算機問世以來，傳統計算機技術在元件器件、硬件系統結構、軟件系統、應用等方面，均有驚人進步。現代傳統計算機系統小到微型傳統計算機和個人傳統計算機，大到巨型傳統計算機及其網絡，形態、特性多種多樣，已廣泛用于科學計算、事務處理和過程控制，日益深入社會各個領域，對社會的進步產生深刻影響。

一、對傳統計算機的認識

傳統計算機是人類腦力的延伸和擴充，是近代科學的重大成就之一。它按人的要求接收和存儲信息，自動進行數據處理和計算，并輸出結果信息。

1.系統組成

傳統計算機系統的層次結構：內核是硬件系統，是進行信息處理的實際物理裝置。最外層是使用傳統計算機的人，即用戶。人與硬件系統之間的接口界面是軟件系統，它大致可分為系統軟件、支援軟件和應用軟件三層。

硬件硬件系統主要由中央處理器、存儲器、輸入輸出控制系統和各種外部設備組成。中央處理器是對信息進行高速運算處理的主要部件，其處理速度可達每秒幾億次以上操作。存儲器用于存儲程序、數據和文件，常由快速的主存儲器（容量可達數百兆字節，甚至數G字節）和慢速海量輔助存儲器（容量可達數十G或數百G以上）組成。各種輸入輸出外部設備是人機間的信息轉換器，由輸入-輸出控制系統管理外部設備與主存儲器（中央處理器）之間的信息交換。

軟件系統的最內層是系統軟件，它由操作系統、實用程序、編譯程序等組成。操作系統實施對各種軟硬件資源的管理控制。實用程序是為方便用戶所設，如文本編輯等。編譯程序的功能是把用戶用匯編語言或某種高級語言所編寫的程序，翻譯成機器可執行的機器語言程序。支撐軟件有接口軟件、工具軟件、環境數據庫等，它能支持用機的環境，提供軟件研制工具。支援軟件也可認為是系統軟件的一部分。應用軟件是用戶按其需要自行編寫。

2.系統特點

傳統計算機系統的特點是能進行精確、快速的計算和判斷，而且通用性好，使用容易，還能聯成網絡。①計算：一切復雜的計算，幾乎都可用傳統計算機通過算術運算和邏輯運算來實現。②判斷：傳統計算機有判別不同情況、選擇作不同處理的能力，故可用于管理、控制、對抗、決策、推理等領域。③存儲：傳統計算機能存儲巨量信息。④精確：只要字長足夠，計算精度理論上不受限制。⑤快速：傳統計算機一次操作所需時間已小到以納秒計。⑥通用：傳統計算機是可編程的，不同程序可實現不同的應用。⑦易用：豐富的高性能軟件及智能化的人-機接口，大大方便了使用。⑧聯網：多個傳統計算機系統能超越地理界限，借助通信網絡，共享遠程信息與軟件資源。

3.系統局限

傳統計算機，它的心臟依賴的是硅芯片，但是一個芯片的面積總有限。如果繼續使用現在的芯片，15年以后，傳統計算機的發展將走到盡頭。在由上海中國工程院院士中心召開的院士沙龍上，院士們曾預言，10-15年后將是傳統傳統計算機發展的“死限”，院士呼吁我國應加快研制新型計算機。

二、新型高性能計算機

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。量子計算機是基于量子效應基礎上開發的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態.使信息沿著聚合物移動，從而進行運算。量子計算機中的數據用量子位存儲，由于量子疊加效應，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此，一個量子位可以存儲2個數據，同樣數量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠實行量子并行計算，其運算速度可能比目前計算機的Pentium DI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數據的能力外，量子計算機還將對現有的保密體系、國家安全意識產生重大的沖擊。

無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。目前已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。量子編碼采用糾錯、避錯和防錯等。量子計算機使計算的概念煥然一新。

2.光子計算機

光子計算機是利用光子取代電子進行數據運算、傳翰和存儲。光子計算機即全光數字計算機，以光子代替電子，光互連代替導線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。在光子計算機中，不同波長的光代表不同的數據，可以對復雜度高、計算量大的任務實現快速地并行處理。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

分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進行組織排列。分子計算機的運算過程就是蛋白質分子與周圍物理化學介質的相互作用過程。轉換開關為酶，而程序則在酶合成系統本身和蛋白質的結構中極其明顯地表示出來。生物分子組成的計算機具備能在生化環境下，甚至在生物有機體中運行，并能以其它分子形式與外部環境交換。因此它將在醫療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發揮無法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自動機模型、仿生算法、分子化學反應算法等幾種類型。分子芯片體積可比現在的芯片大大減小，而效率大大提高，分子計算機完成一項運算，所需的時間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲1萬億億的二進制數據。分子計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質分子，所以分子計算機既有自我修復的功能，又可直接與分子活體相聯。美國已研制出分子計算機分子電路的基礎元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內產生感應電流。以色列科學家已經研制出一種由DNA分子和酶分子構成的微型分子計算機。預計20年后，分子計算機將進人實用階段。

4.納米計算機

納米計算機是用納米技術研發的新型高性能計算機。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質地堅固，有著極強的導電性，能代替硅芯片制造計算機。“納米”是一個計量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術是從20世紀80年代初迅速發展來的新的前沿科研領域，最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產品。現在納米技術正從微電子機械系統起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積只有數百個原子大小，相當于人的頭發絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。美國正在研制一種連接納米管的方法，用這種方法連接的納米管可用作芯片元件，發揮電子開關、放大和晶體管的功能。專家預測，10年后納米技術將會走出實驗室，成為科技應用的一部分。納米計算機體積小、造價低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計算機，推動計算機行業的快速發展。

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，我們相信，新型計算機與相關技術的研發和應用，必將推進全球經濟社會高速發展，成為二十一世紀科技領域的重大創新，實現人類發展史上的重大突破。人類未來的生活必將在新型計算機的推動下越來越奇妙，越來越優越。

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作者簡介：程常喜，河南省南陽農業學校計算機系教師，主要從事計算機教學工作。