淺談?dòng)?jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢

陳世雷

【摘 要】計(jì)算機(jī)的發(fā)展將趨向超高速、超小型、平行處理和智能化，量子、光子、分子和納米計(jì)算機(jī)將具有感知、思考、判斷、學(xué)習(xí)及一定的自然語言能力，使計(jì)算機(jī)進(jìn)入人工智能時(shí)代。

【關(guān)鏈詞】計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢；智能化計(jì)算機(jī)

一、前言

計(jì)算機(jī)的發(fā)展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。自從1946年世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)誕生以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能受到挑戰(zhàn)，開始從基本原理上尋找計(jì)算機(jī)發(fā)展的突破口，新型計(jì)算機(jī)的研發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。主要表現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的性能越來越高，速度越來越快、主要表現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的主頻越來越高；其次計(jì)算機(jī)的發(fā)展無處不在，網(wǎng)絡(luò)化向各個(gè)領(lǐng)域的滲透；最后是向深度發(fā)展，信息的智能化方向發(fā)展，人機(jī)界面的友好。

二、智能化的超級計(jì)算機(jī)

1.高速電腦

美國最近發(fā)明了一種利用空氣的絕緣性能來成倍地提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的新技術(shù)。美國紐約倫斯雷爾·保利技術(shù)公司的科學(xué)家已經(jīng)生產(chǎn)出一套新型電腦微電路，該電路的芯片或晶體管之間由膠滯體包裹的導(dǎo)線連接，這種膠滯體90% 的物質(zhì)是空氣，而空氣是不導(dǎo)電出的，是一種非常優(yōu)良的絕緣體。研究表明，計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的快慢與芯片之間信號傳輸?shù)乃俣戎苯酉嚓P(guān)，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在傳輸信號的過程中會(huì)吸收耗掉一部分信號，從而延長了信息傳輸?shù)臅r(shí)間。為了解決這個(gè)問題，保利技術(shù)公司的科研小組研究出電腦芯片冷卻技術(shù)，它在電腦電路里內(nèi)置了許多裝著液體的微型小管，用來吸收電路散發(fā)出的熱量。當(dāng)電路發(fā)熱時(shí)，熱量將微型管內(nèi)的液體汽化，當(dāng)這些汽化物擴(kuò)散到管子的另一端之后，又重新凝結(jié)，流到管子底部。

2.生物計(jì)算機(jī)興起

生物計(jì)算機(jī)最大的特點(diǎn)是采用了生物芯片，它由生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子構(gòu)成。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，運(yùn)算速度比當(dāng)今最新一代計(jì)算機(jī)快10 萬倍，能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的十分之一，并且擁有巨大的存儲能力。

目前，科學(xué)家們已經(jīng)在超微技術(shù)領(lǐng)域取得了某些突破，制造出了微型機(jī)器人?？茖W(xué)家們的長遠(yuǎn)目標(biāo)是讓這種微型機(jī)器人成為一部微小的生物計(jì)算機(jī)，它們不僅小巧玲瓏，而且可以像微生物那樣自我復(fù)制和繁殖，可以鉆進(jìn)人體里殺死病毒，修復(fù)血管、心臟、腎臟等內(nèi)部器官的損傷，或者使引起癌變的DNA 突變發(fā)生逆轉(zhuǎn)，從而使人們延年益壽。

超高速計(jì)算機(jī)采用平行處理技術(shù)改進(jìn)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行多條指令或同時(shí)對多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度。超級計(jì)算機(jī)通常是由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器（機(jī)）組成，能完成普通計(jì)算機(jī)和服務(wù)器不能計(jì)算的大型復(fù)雜任務(wù)。從超級計(jì)算機(jī)獲得數(shù)據(jù)分析和模擬成果，能推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域高精尖項(xiàng)目的研究與開發(fā)，為我們的日常生活帶來各種各樣的好處。最大的超級計(jì)算機(jī)接近于復(fù)制人類大腦的能力，具備更多的智能成份，方便人們的生活、學(xué)習(xí)和工作。世界上最受歡迎的動(dòng)畫片、很多耗巨資拍攝的電影中，使用的特技效果都是在超級計(jì)算機(jī)上完成的。美國、日本、以色列、中國和印度首先成為世界上擁有每秒運(yùn)算1萬億次的超級計(jì)算機(jī)的國家，超級計(jì)算機(jī)已在科技界內(nèi)引起開發(fā)與創(chuàng)新狂潮。

三、高性能計(jì)算機(jī)

1.量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)的概念源于對可逆計(jì)算機(jī)的研究，量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲。由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此，一個(gè)量子位可以存儲2個(gè)數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲位，量子計(jì)算機(jī)的存儲量比通常計(jì)算機(jī)大許多。同時(shí)量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算，其運(yùn)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的Pentium DI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計(jì)算機(jī)還將對現(xiàn)有的保密體系、國家安全意識產(chǎn)生重大的沖擊。無論是量子并行計(jì)算還是量子模擬計(jì)算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。目前已經(jīng)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(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯(cuò)、避錯(cuò)和防錯(cuò)等。量子計(jì)算機(jī)使計(jì)算的概念煥然一新。

2.光子計(jì)算機(jī)

光子計(jì)算機(jī)是利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲。光子計(jì)算機(jī)即全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計(jì)算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速地并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

3.納米計(jì)算機(jī)

納米計(jì)算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅(jiān)固，有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計(jì)算機(jī)?！凹{米”是一個(gè)計(jì)量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品?，F(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子機(jī)械系統(tǒng)起步，把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)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(fā)揮電子開關(guān)、放大和晶體管的功能。納米計(jì)算機(jī)體積小、造價(jià)低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計(jì)算機(jī)，推動(dòng)計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。

智能化、高性能化的計(jì)算機(jī)與相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，現(xiàn)在科技領(lǐng)域的重大創(chuàng)新，必將推進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人類發(fā)展史上的重大突破。隨著新型產(chǎn)品的不斷研發(fā)將會(huì)有更多的產(chǎn)品出來，更加方便人們的生活和學(xué)習(xí)，進(jìn)一步改變我們的生活質(zhì)量，計(jì)算機(jī)的最終目的是達(dá)到較好人機(jī)交互界面，更好的為人類服務(wù)。

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