跨越计算机从而创造计算机

南 锐

计算机的产生是科学技术发展史的里程碑,也是人类迈入信息化时代的重要标志。如今计算机已经超越了其最初应用的领域,在军事,医疗,科学计算等方面都扮演着重要的角色。随着计算机硬件和计算机技术的发展,计算机已经广泛的普及,成为了生活,生产以及研究中不可或缺的工具。在一定程度上,计算机的发展直接推动了人类社会的发展,那么,在计算机技术日臻成熟,高速发展的今天,我们是否能窥测未来的计算机发展趋势!

回顾电子计算机的发展历史:

第一代电子计算机1946年诞生于美国的陆军阿贝丁炮击场。它是一个庞然大物,占地面积170平方米,重最达30多吨,运算速度为每秒5,000次。它使当时的一切运算工具相形见绌。人工需要一个星期才能完成的弹道轨迹计算,它仅用3秒钟就完成了。

1948年,美国研制成功第一只晶体管。1956年,美国用晶体管代替电子管制成了晶体管电子计算机,这就是第二代电子计算机。

1958年,美国的电子科学工作者把晶体管、二极管、电阻、电容和电感等分立的电子元件做在一块硅片上,制成了世界上第一块集成电路。1964年,美国生产出第一批由集成电路组装成的计算机。它体积小,价格低,可靠性高,从而受到普遍欢迎,迅速得到推广。

1971年,美国的科学家把2,250个晶体管集成到一块只有几平方毫来大小的硅片上,制出了世界上第一块大规模集成电路。随着大规棋集成电路的向世,1975年,第四代电子计算机先后在美国和日本研制出来。第四代电子计算机朝着“巨型机”和“微型机”两个方向发展。“巨型机”容量大,速度快。“微型机”则以体积小,价格低廉为突出优点。

计算机技术在今日可以说是日新月异,一日千里,同时也印证了摩尔定律。所谓摩尔定律(Moores Law),Intel公司创建人之一戈登摩尔的经验法则,他在1960年左右预言微处理器的处理能力每18个月到24个月将增加一倍。

但是,这种预言是否能在现有大规模集成电路计算机原理上永无止境的应验,似乎这一点令人怀疑。因为有限空间内无限的集成晶体管,这一举措似乎与人类微尺度技术的发展速度格格不入。另外,由于电子本身的物理性态,其易于利用电磁场的控制的优势,在一定限度外也就成了限制其发展应用的绊脚石。它的内禀性决定了基于它的运算速度总是有阀值的,而这一阀值并不能满足人类对于计算机的要求。那么,如何跨越我们现有的计算机理论,从而创造出更快,更准,更智能化的计算机呢?解决这一问题不单单是硬件技术的发展,更深层次的应该是技术理念的创新!

目前比较前沿的未来计算机的形式:

1. 光子计算机

光子计算机是用光学器件构成的一种高速计算机,其运算速度可提高1000倍。光子计算机用光子代替电子传递信息,光子没有质量,不带电荷、传播速度快而不互相干扰,不需要导线,可自由在空间传播,易于互联和并行处理。以光子代替电子、光互联代替导线互联、光硬件代替电子硬件,光运算代替电运算的全光计算机将在21世纪大为流行。

光子计算机的实现相对较难,是因为光子的控制不如用电磁场控制电子那样简便易行,但光子的速度是迄今为止人类所认知的最快的速度,也是公认的不可逾越的速度,因此实现光子计算机的构想亦是人类向具有终极速度的计算机设计所迈出的一大步。

2. 生物计算机

目前,电子计算机的核心元件——集成电路的制造工艺,已经达到理论的极限,半导体芯片的电路密集、散热问题难以解决,故运算速度和存储能力难以提高,因此,许多国家竞相开发生物计算机。生物计算机的主要器件是用生物工程技术生产的蛋白质分子制成的生物芯片。生物芯片的集成度是半导体集成电路的108~1013倍,存储能力大、阻抗低、能耗小、运算速度快。

生物计算机不仅能解决目前电子计算机发展中存在的散热等难题,还由于蛋白质分子能够自我组合,再生新的微型电路表现出很强的“活性”,使得生物计算机具有生物体的一些特点,它能够发挥生物本身的固有的调节机制。因此生物计算机最有可能实现人类追寻的“智能”解放。

3. 量子计算机

量子计算机是用量子力学原理设计、量子器件组成的新一代计算机。量子器件是利用量子效应而工作的器件,它是用毫微技术加工而成的毫微米级器件,与目前的电子器件相比,工作速度约可提高1000倍,能耗大大降低,尺寸大大缩小,使电路大为简化。量子器件可构成高密度的存储器,其存储密度比目前的磁盘要高出1亿倍。所以,量子器件的使用和量子计算机的研制成功,将导致新一轮电子信息革命的到来。

量子计算机可置入一种“超态”,这种状态下,计算机既在运行也不再运行,这就像是由薛定猫去控制“运行”按钮一样。于是,有了这样一个理论,在正确的设计下,量子计算机可以在没有运行程序的情况下就得出答案,同时避免了更少的错误。

计算机技术的发展,实际上就是人类对自然和自身认识的发展。计算,不再是局限于我们狭义上对于数字的理解,而应该是对于自然界乃至宇宙本质联系的感悟。譬如,研究人员提出黑洞乃至宇宙都是计算机。诚然,我们人类个体亦是一台精密的计算机。因此,为计算机技术发展开辟新的纪元,我们首先要做的就是如何跨越我们对计算机技术和原理的故有的认识,如何深刻领会各领域技术的本质和关联,如何解开思想的束缚追求人类探索的最终目标。