未來的電腦什么樣？

清揚

2014年11月20日，在世界超級計算機大會上傳出喜訊：中國“天河二號”超級計算機在國際TOP500組織首次發布的高性能共軛梯度基準測試排行榜上，位居世界第一。

作為世界上運算速度最快的計算機，“天河二號”每秒的浮點運算速度高達33.86千萬億次，它運算1小時，就相當于13億人同時用計算器算1000年。但功能如此強大的“天河二號”，采用的仍是傳統硅芯片技術。而據專家預測，今后10年內，隨著硅芯片上集成的晶體管數量越來越接近極限，其性能將越來越不穩定。因此，目前世界各國對新型計算機的研究正方興未艾。未來，隨著具有感知、思考、判斷、學習及一定的自然語言能力的納米、量子、光子、生物計算機的問世，計算機將迎來全新的時代。

超導計算機：運算速度快百倍

超導計算機，是使用超導體元器件的高速計算機。所謂超導，是指有些物質在接近絕對零度（0K，即-273.15℃）時電流流動是無阻力的。1962年，英國物理學家約瑟夫遜提出超導隧道效應原理并因此獲得1973年諾貝爾物理學獎。

1999年11月，日本成功研發出超導集成電路芯片。目前，日本正在加速推進超導計算機研發，一旦研發成功，它的耗電量將只有傳統半導體計算機的幾千分之一，而執行一條指令所需的時間卻要快100倍。與此同時，歐洲、中國和美國也都在搶灘新一代百億億次級超導計算機的研發。

但是，目前的超導體元器件都只能在低溫下工作。若果將來能成功發明出常溫超導材料，必將改寫未來計算機的格局。

納米計算機：有望走入尋常百姓家

當晶體管的尺寸縮小到0.1微米（100納米）以下時，半導體晶體管賴以工作的基本原理將受到很大限制。因此，研究人員需另辟蹊徑，突破0.1微米界限，實現納米級器件。

納米計算機，就是用納米技術研發的新型高性能計算機。其納米管元件尺寸僅為幾到幾十納米，質地堅固，有極強的導電性。應用納米技術研制的芯片，其體積只有數百個原子大小，相當于人頭發絲直徑的千分之一。而且它只需在實驗室里將設計好的分子合在一起，就可以造出來，因此將節省數百萬美元的生產成本。

2013年9月26日，第一臺基于碳納米晶體管技術的計算機在美國斯坦福大學成功研發并測試運行。這種計算機體積小、造價低、存儲量大、性能好，未來實現產業化后，有望取代芯片計算機，走入尋常百姓家。

量子計算機：存儲量超過宇宙原子數量總和

量子計算機以處于量子狀態的原子作為中央處理器和內存，利用原子的量子特性進行信息處理。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。有人曾形象地比喻：假設一只老鼠準備繞過一只貓，根據經典物理學理論，它要么從左邊過，要么從右邊過，而根據量子理論，它卻可以同時從貓的左邊和右邊繞過。

量子計算機的存儲量是傳統電子計算機所無法比擬的，理論上，300個量子位可承載的數據是2的300次方，超過了整個宇宙原子數量的總和。此外，由于能實行量子并行計算，其運算速度要比目前的計算機快10億倍。在它面前，即使是目前世界上最復雜的密碼，也會變得不堪一擊。

盡管量子計算機的研究目前仍處于實驗室階段，但專家預測，它將在2030年實現普及，進入尋常百姓家。

光子計算機：光學“晶體管”瓶頸待突破

光子計算機的基本組成部件是集成光路，它用不同波長的光代表不同的數據，以大量透鏡、棱鏡和反射鏡將數據從一個芯片傳送到另一個芯片。由于光子比電子速度快，光子計算機的運行速度高達1萬億次，存貯量是電子計算機的幾萬倍，還可對語言、圖形、手勢等進行識別與合成。

研制光子計算機的設想早在20世紀50年代后期就已提出。1986年，貝爾實驗室的戴維·米勒研制出小型光開關，為同實驗室的艾倫·黃研制光處理器提供了必要元件。1990年1月，艾倫·黃的實驗室宣布研制出世界上第一臺光子計算機。

但光子計算機需要開發出可用一條光束控制另一條光束變化的光學“晶體管”。而現有的光學“晶體管”龐大而笨拙，若用它們造成臺式計算機，將有汽車那么大。因此，短期內光子計算機還無法實現商業化生產。

生物計算機：神奇的DNA堿基對序列

1994年11月，美國南加州大學的阿德勒曼博士提出一個奇思妙想，以DNA堿基對序列作為信息編碼的載體，利用現代分子生物技術，在試管內控制酶的作用下，使DNA堿基對序列發生反應，以此實現數據運算。

生物計算機使用蛋白質分子制成的生物芯片，這種芯片比現在的硅芯片小得多，但存儲量是普通計算機的10億倍，1立方米的DNA溶液可存儲1萬億億的二進制數據；它具有并行處理功能，運算速度比人腦快100萬倍，比目前的計算機快10萬倍；但它的能量消耗僅為普通計算機的10億分之一。由于芯片的原材料是蛋白質分子，所以生物計算機既有自我修復的功能，又可直接與分子活體相聯。

目前，美國已研制出生物計算機分子電路的基礎元器件，可在光照的幾萬分之一秒內產生感應電流。以色列已研制出一種由DNA分子和酶分子構成的微型分子計算機，運算速度達每秒10億次。

但生物計算機也有自身難以克服的瓶頸。研究顯示，一臺生物計算機24小時就完成了人類迄今為止全部的計算量，但從中提取一個信息卻花費了1周，此外，也很難對其運算結果進行檢測。這是目前生物計算機沒有普及的最主要原因，但專家預測，這些瓶頸將在20年內突破，屆時，它將在計算機領域內引起一場劃時代的變革。（責任編輯/余風）endprint