淺談新型計算技術

崔倩

摘 要：近年來，采用新器件、新結構、新設計系統和新制造方法實現低成本、快速可靠的計算、存儲和通信成為重要的研究方向。本文重點介紹了量子計算、光計算以及生物計算方面的新型計算技術。

關鍵詞：量子計算;光計算;生物計算

引言：

現有的芯片制造技術是建立在硅材料基礎上的，由于熱效應、電磁場效應和量子效應，其集成度的提高具有局限性，因而單一處理器的運算速度的提升存在物理方面的限制。關于未來哪些新技術將推動計算機的技術革命，研究人員提出了很多設想，其中可能的技術包括光技術、生物技術、量子技術、超導技術和納米技術等。這些非傳統計算機技術正處在初步的研究階段，離實際應用還有很長的距離。但是，這些研究中只要有一種取得突破性實際成果，將促成計算機技術巨大的、甚至革命性的發展。

一、量子計算

量子計算（Quantum Computing）指按照量子物理規律完成計算任務的計算技術。量子計算技術的研究包括量子計算機實現技術、量子計算理論、量子算法、量子計算機程序設計語言等，是目前國際上非常傳統計算技術中最活躍的前沿研究方向之一。量子計算機（Quantum Computer）就是實現量子計算的機器，一般指按照量子力學原理設計和制造的處理量子信息的物理裝置。量子計算機的計算模式不同于現代電子計算機。現在電子計算機以晶體管作為信息存儲和處理的主要元器件，晶體管的開與關兩種狀態代表二進制的0和1。而設想中的量子計算機的最小信息單位是量子比特（Quantum Bit，qubit）。不同于經典比特只能表示0和1，一個量子比特能夠表示0、1的任意量子疊加態，該量子疊加態等效于同時表示了0和1兩個數。相應地，n個經典比特只能表示2ⁿ個數中的一個，而n個量子比特能夠同時表示2ⁿ個數。對n個量子比特進行一次操作，等效于同時對2ⁿ個數進行一次操作。這種信息表示方法，非常有利于并行處理，給量子計算帶來了超常的運算能力。

研究表明，量子計算具有經典計算不可比擬的計算優勢。例如，理論上，量子計算能夠在多項式時間復雜度內破譯現在金融、國防等關鍵領域廣泛使用的密碼體系，而目前基于傳統計算機的破解方法具有指數時間復雜度。近年來，國際上某些特殊領域的量子模擬計算技術已經取得了一些進展。例如，加拿大DWave公司研制的用于模擬退火算法的量子計算機，與經典計算機相比，計算性能提升了一個數量級以上。

二、光計算

光計算是一種采用光學方法來實現運算處理和數據傳輸的技術。其主要思想是以激光或二極管產生的光子代替傳統電子作為載體來進行信息的采集、傳輸、存儲和處理。相比傳統電子計算機中使用的電子，光子傳輸速度更快，抗電磁干擾能力更強，能提供更高的帶寬。由于光子不帶電荷，因而它不受電磁場的干擾，傳播速度可達到光速同等量級。光子和光子的相互作用要在十分苛刻的條件下才能實現。一般情況下，不同波長、不同偏振態、不同波型的光即使相遇、交叉、同路都各自獨立、互不干擾，因此光計算具有天然的并行性，即可以多路同時計算，結果互不干擾。這種特征使得光路可用于實現高速互連和通信，其密集程度幾乎不受空間尺寸的限制。而這一點電路難以做到。此外，光子可在自由空間傳播，甚至可在真空中傳播，而不像電子那樣只能在導線中傳播，并且光子在傳播中能量損耗很小。總體來說，光計算具有速度快、并行程度高、抗干擾能力強、功耗低、信道密度高、空間互連靈活、存儲容量大、容錯性好等優點。正是因為這些優點，光計算機可以彌補傳統電子計算機的局限性，成為下一代超并行、超高速、新型“非硅”計算機的重要研究方向之一。

光計算一般分為模擬光計算和數學光計算兩種。模擬光計算以傅里葉光學為基礎，隨著20世界60年代激光的出現而受到關注。數字光計算采用光開關作為基本器件，以光學手段實現數字運算。20世紀70年代，光學傳輸和非線性光學材料取得重大進展，存進了數字光計算的研究。目前，數字光計算是光計算的主要研究方向。數字光計算的研究主要集中在4個方面：一是光雙穩器件、光邏輯器件、各種非線性器件等光計算器件的研究;二是適合光學特點的計算機體系結構方面的研究，包括基本器件、專用子系統、整機等的結構;三是光通信互連的研究，包括自由空間互連、導波互連、全息動態可變互連等;四是光計算相關算法的研究，如光學矩陣運算等。由于全光計算的器件在技術上尚不成熟，目前還沒有公認的全光數字處理器體系結構。

三、生物計算

生物計算是指一種利用生物工程和生物學來實現計算的技術。生物計算機是以核酸分子作為“數據”，以生物酶及生物操作作為信息處理工具的一種新穎的計算機模型。它利用蛋白質有開關特性，用生物工程技術產生的蛋白質分子作元件從而制成生物芯片以替代半導體硅片，利用有機化合物存儲數據。其性能由元件與元件之間電流啟閉的開關速度來決定。信息以波的形式傳播，當波沿著蛋白質分子鏈傳播時，會引起蛋白質分子鏈中單鍵、雙鍵結構順序的變化。生物計算機具有多種潛在優點。首先，由蛋白質構成的集成電路，其大小只相當于硅片集成電路的十萬分之一，而且運行速度非常快，具有很強的抗電磁干擾能力，并能徹底消除電路間的干擾。其次，生物計算能量消耗小，量級僅相當于普通計算機的十億分之一。用蛋白質制成的計算機芯片中，一個存儲點只有一個分子大小，所以芯片的存儲容量可以達到普通計算機的十億倍，具有巨大的存儲能力。

目前，生物計算模型主要有生物分子或超分子芯片、自動機模型、仿生算法、生物化學反應算法等幾種類型。生物分子或超分子芯片模型，主要立足于傳統計算機模擬、從尋找高效、體微的電子信息載體及信息傳遞入手，對生物體內的小分子、大分子、超分子生物芯片的結構與功能開展研究。“生物化學電路”就屬于此類模型。自動機模型，以自動理論為基礎，致力于尋找新的計算機模式，特別是具有特殊用途的非述職計算機模式。不同自動機模型間的區別主要在于網絡內部連接的差異。該模型在非數值計算、模擬、識別等方面有極大的潛力。目前研究的熱點集中在基本生物現象的類比，如神經網絡、免疫網絡、細胞自動機等。仿生算法模型以生物智能為基礎，用仿生的觀念致力于尋找新的算法模式，雖然思想類似于自動機模型，但主要關注算法層面，而不追求硬件上的變化。