是時候給電腦換個思路了

李棟

電腦發展遇到瓶頸

如果你是個電腦迷，將會發現一個有趣的現象，無論電腦怎么變，速度變快也好，身材變苗條也好，自從第一臺電腦被制造出來，依舊換湯不換藥，它的構造基本上70年從來沒有變過。

不過，這一條電腦打造黃金定律馬上就要遇到挑戰，根據摩爾定律的預測，電腦必須變革了。

摩爾預言，集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一番。自從1960年以來，這條理論一直被證明是正確的，但過去的進展沒法保證未來的成功。電路的數目變多，也就要求晶體管變得越來越小，小到一定程度，它們將沒法再用傳統的硅材料制成。在未來10年里，這個問題將會成為現實。

那么，未來電腦將要如何變化才會突破這個瓶頸呢？我們不妨首先將電腦的運行模式簡化一下，借助一個這樣的公式，電腦=輸入+處理+輸出，比如你打入“大科技”，然后按enter鍵，電腦就會開始處理這個輸入的信息，向你輸出計算的結果。簡化后，我們就可以做出合適的聯想，因為在自然界中，飛鳥會啟發人類制造飛機，蝙蝠的回聲定位系統啟發人類制造了雷達，那么，哪些事物會啟發科學家們改變現在的電腦形態呢？

化學電腦

化學反應似乎是計算機可以借鑒的完美模式。因為化學反應過程中，也有類似的輸入和輸出模式。在反應過程中，也會有處理環節。更關鍵的是，化學計算通常是并行的，在一個反應面的每個位置，反應通常同時發生，它能很好地適應一些更復雜的計算問題，比如計算通過迷宮和街道的最短路線。用傳統的計算機解決這一問題必須要窮盡所有的路徑，然后再進行比較，這需要耗費大量的時間。而利用化學反應則不同。由于反應波在傳播和擴散時，總是走最短的路徑。只要利用照相機，記錄下波的運動軌跡，就可以解決這一難題。

不過，這個化學反應有自己的問題。許多反應都是單向的，制約了它們成為電腦的潛力，因為電腦一般需要重復運行程序。上世紀五六十年代，俄羅斯的科學家在一系列反應中發現了B-Z（貝洛索夫-恰鮑廷斯基）反應，這種新的反應形式改變了這種狀況。它是由3個不同的反應組成的化學振蕩反應。每個反應都有不同的分子和離子，而且三個反應會互相觸發生成，由此循環往復。這樣，B-Z反應就有變成電腦計算新方式的潛力。

現在，英國布里斯多大學計算機專家安德魯正在利用B-Z反應，研究著到底怎么用果凍一樣的化學物質替代硅芯片和電路板，來制造一臺化學電腦。如果他成功了，未來的電腦可能就變成一團軟綿綿、滑溜溜的果凍一樣的物質。

濕件計算

計算機似乎和“濕”搭不上邊，但人類開始在硅片里雕刻電路之前，濕件在自然界計算中已經存在了幾億年。濕件是生物有機體構成的硬件和軟件。比如，我們不妨把細胞看作是一種濕件電腦，DNA在細胞里提供信息儲存方式，RNA代表著輸入，核糖體負責處理，蛋白質負責輸出。濕件經過幾億年的進化，產生了神經元——這種細胞可把化學信號當做輸入，轉換為電信號傳輸出去，最終輸出處理后的化學信號。而我們搭建計算機時，卻沒有考慮采用大自然已經建好的生物有機體，反而采用了全新的無機物。

但細胞幾乎很難編程。1999年，生物醫學家邁出了一個關鍵的一步，他們通過用內置的探針控制神經元的電子狀態，通過水蛭的神經元制造了一個簡單的電腦，能夠將兩個數字相加。

盡管取得了成果，但比起電路來，細胞還是很不容易操縱，因為它們不易存活，而且濕件得規模化才能支撐起整個計算機的電路。

最近，科學家們的思路又跳出了活體細胞，他們開始進行模仿細胞的電路研究，細胞和基因網絡的一個優勢是它們是非線性的或者是無秩序的系統，意味著它們對于細小的輸入變化可以做出不同的反應，運用到計算機時，會使計算結果更精確。

三元計算

無論是濕件計算，還是化學計算，這些都是跟改變計算機的硬件有關，三元計算則是徹底改變信息的編碼方式。

現在，我們電腦用的是二元邏輯的0和1編碼，二元邏輯代表著兩種狀態，即是或者不是。

但現實生活中，我們還會遇到除了是，或者不是這兩種狀態外的第三個狀況：可能是或者可能不是。

在電腦最初發展的階段，電阻器還沒有強大到對電流的控制提供第三種“可能是或不是”的情況。所以，電路中通過開關控制電流，只有兩種情況：有電流用1表示，無電流用0表示。隨著電子元器件的革新，一個可控電流變壓器，可以調控電壓為三種狀態：正電壓（1）、零電壓（0）和負電壓（-1）。這也為三進制邏輯計算實現可能，在三進制邏輯中，符號1代表真；符號-1代表假；符號0代表未知。

早在20世紀60年代，莫斯科國力大學研究院就設計出了第一批三進制計算機，在頭兩年測試期里，這些計算機幾乎不需要任何調試就運行得非常順利，它甚至能執行一些現有的程序，而且非常穩定。更關鍵的是，三進制的計算機的生產和維護也比同期其它計算機要容易得多，而且應用面廣，所以，三進制計算機的訂單如雪片般從各方飛來。但很可惜的是，前蘇聯對這個經濟計劃外的科幻產物，持否定的態度且勒令其停產。三元計算的研究也就停滯不前。

現在，即使在最優條件下，三元邏輯要能與二元邏輯相抗衡還有很大的障礙要克服，這一部分原因是尚未有人發現用三元邏輯來完成基本運算的有效方法。而且更重要的是，當三元計算機的生產被蘇聯勒令停產后，二元邏輯現在已經根植于我們價值數千億美元的計算設施里了，如果要將所有這些設施過渡為三元計算，我們幾乎需要重新從零開始，這樣的成本太大了。

不過，三進制邏輯表達方式將更多可能性考慮了進來，也將更符合現實情況，未來，三進制仍將是新型計算機的出路。所以，無論是谷歌還是IBM公司都在積極研發三進制計算，為實現真正的人工智能提供可能。