“非主流”計算機大盤點

王麟

1936年，英國數學家阿蘭·圖靈提出“圖靈機”的構想，為現代人工智能奠定了基礎；到了1946年，美籍匈牙利數學家馮·諾依曼確定了計算機的體系結構，一直沿用至今。阿蘭·圖靈和馮·諾依曼因為上述貢獻被譽為“計算機之父”。經過60多年的發展，電腦技術一日千里，摩爾定律驅使著芯片不斷更新換代，大規模集成電路的蝕刻尺寸已經接近極限，在不遠的將來，傳統計算機技術必定會撞到天花板。在危機來臨之前，科學家們也在想方設法另辟蹊徑，從不同的層面研發全新的計算機技術，以期獲得突破，開創更多嶄新的計算之路。因此，我們很有必要盤點一下，在傳統計算機之外，還有哪些“非主流”的計算機，具備未來發展的潛力。

類腦計算機：模擬人類大腦的運算模式

·馮·諾依曼計算機架構的局限·

傳統的計算機采用馮·諾依曼架構模式，微處理器以極快的速度執行一長串的0和1編程指令，這些指令信息單獨存放在內存、處理器以及磁盤驅動器之中，電腦的中央處理器與存儲器通過總線連接。當電腦運行之時，大量的數據流在處理器和存儲器之間進行中轉，消耗掉很多能量，同時總線的帶寬有限，隨著數據流的不斷增加，總線作為繁忙的干線卻變成了瓶頸，限制了計算速度的進一步提高。那么，有沒有一種辦法，將電腦的耗能降低，同時避開總線帶寬不夠的瓶頸呢？答案是肯定的，美國計算機芯片業巨頭IBM公司研發成功一種類腦芯片，提供了解決問題的方案。

·類腦芯片的巨大優勢·

IBM公司研發成功的這種芯片名叫“TrueNorth”，是完全基于對人類大腦的仿真模擬，也是世界上第一枚耗能極低的神經突觸電腦芯片，大小與一張郵票相仿，上面卻集成了54億個晶體管，這是IBM公司在一枚芯片上集成晶體管最多的一次，同時，它還包括100萬可編程的神經元和2.56億可編程的神經突觸。雖然類腦芯片與包含1 000億個神經元以及多達100萬億至150萬億神經突觸的人類大腦沒法相比，但畢竟計算機技術走出了劃時代的關鍵一步，意義可謂重大。

這種類腦芯片可以做很多事情，諸如用于對石油泄漏進行監控、預告海嘯臺風等等。千萬別小看類腦芯片，普通的計算機執行類似的任務耗能極高，而類腦芯片只需消耗70毫瓦的電量，與一個助聽器的耗能相當。除了耗能低之外，類腦芯片還具有認知功能，它可以輕易地從一大堆不同的物品中找出正確的目標，而這種認知能力是傳統計算機望塵莫及的。

擬態計算機：解決電腦高耗能的一種辦法

·快速運算需要付出高昂代價·

傳統的計算機架構模式，決定了電腦在數據存儲和調用過程中要消耗很多能量，對于世界上運算速度最快的計算機——中國的“天河二號”而言，每小時耗電量高達17.8兆瓦，相當于發達地區三線城市全市一小時的照明用電，每天計算機的運行費用高達40萬元人民幣，真是不折不扣的耗電大戶。而美國搜索引擎谷歌公司將全世界最大的數據中心建在了達拉斯水電站附近，可以就近保證能源供應。而這個數據中心投入使用后，據說每天會消耗103兆瓦電量，與整個日內瓦的城市用電量相同。可見，計算速度提高的最大代價，就是高昂的耗能成本。

·擬態計算機提供了降低能耗的辦法·

面對計算機高耗能的難題，科學家們也在孜孜不倦地努力尋找解決辦法，而中國科學家研究的擬態計算機就是一種可行的措施。所謂“擬態計算機”，指的是“基于擬態計算的主動認知可重構計算體系結構”的計算機。

專業術語比較拗口，簡單而言就是，計算機不再僵硬和機械地按照馮·諾依曼架構安排執行任務，而是根據所面對的任務、資源、服務質量、安全要求和時效性等不同，自動感知判斷計算資源的忙閑程度，隨之變換成合適的結構形態，以獲取最高的處理能力，同時降低耗能。根據測算，擬態計算機在執行某類典型工作之時，比傳統計算機的效率要提高十幾倍到上百倍。同時，科學家們還提出了“擬態安全”的理念，可以有效降低計算機運行風險。

DNA計算機：計算機的另一種發展方向

·DNA計算機的設計原理·

生物計算機是計算機科學與分子生物學交叉融合的產物，DNA，即脫氧核糖核酸，是生物遺傳的物質基礎，呈雙螺旋結構，由A、G、C、T 4種堿基組成，堿基的排列組合存儲著遺傳信息，同時DNA鏈可以通過堿基互補配對形成雙鏈，這種配對具有高度的特異性。而科學家們就是利用堿基特異性配對來研發DNA計算機的，將運算信息排列于DNA上面，利用DNA特異性配對原理來構建不可或缺的“邏輯門”，通過特定DNA片段的互相作用，進而獲得計算結果。

·DNA計算機的過人之處·

DNA計算機芯片以分子為單位，在1平方毫米的面積上，可容納幾億個電路，遠遠超過傳統的電腦芯片容量；DNA計算機可以通過設置編碼，使其具備再生和復制功能，因此不存在損壞和報廢一說，理論上可以永久使用下去；DNA計算機的元件是由有機分子組成的生物化學元件，只需很少的能量就能進行化學反應，耗能是傳統計算機的十億分之一，而速度可提高10萬倍以上；DNA 作為儲存信息的媒介，占用空間有限，是傳統計算機的百億億分之一；DNA計算機的主要原材料是蛋白質分子，具有生物活性，能夠和人體的大腦以及神經系統相連，直接接受大腦的指揮，通過人體細胞吸收營養補充能量，因而不需要外界能源。

量子計算機：最具科幻色彩的超能工具

與類腦計算機、擬態計算機和DNA計算機相比，量子計算機才是最具科幻和未來色彩的技術，當然，它的計算速度之快、建造難度之高，也是前無古人后無來者。傳統的計算機通過兩種邏輯狀態“0和1”作為運算基礎，而在量子計算機中，最小的存儲單位是量子比特，它除了具備傳統計算機的0和1的兩種邏輯狀態外，還有量子力學特有的疊加態，這種疊加態是任意線性的疊加，它既可以是0態又可以是1態，0態和1態各以一定的概率同時存在。

量子計算機除了特有的疊加性，還有量子并行、量子糾纏以及量子相干性和退相干等特性，這些獨特的性質，使其可以展開大規模的并行計算，具備超高速的運算能力。那么，量子計算機運算速度高到何種地步呢？它可以在幾秒鐘之內將一個250位的數字分解成兩個質數的乘積，而傳統計算機完成這項工作需要花100萬年！