浅析计算机科学与技术发展

曾耀辉

摘要：随着中国的开放，科学技术的国际交流日益深入，现代化意义上的计算机产品与技术被不断介绍并引入到国内，在短时间内取得了迅猛的发展。作为一名计算机工作者深切地感受到：计算机是一种多学科共同研究和推动的科研成果，哲学、数学、物理学、人工智能等都对其发展起到巨大的推动作用，当下的学习者受到各种客观与主观因素的影响，主要是对计算机产品的一种自我环境下的适应性使用。

关键词：计算机发展；新型计算机；研究策略

一、摩尔定律”与“计算的极限”

人类是否可以将电子计算机的运算速度永无止境地提升？传统计算机计算能力的提高有没有极限？对此问题，学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。如果电子计算机的计算能力无限提高，最终地球上所有的能量将转换为计算的结果—造成熵的降低，这种向低熵方向无限发展的运动被哲学界认为是禁止的，因此，传统电子计算机的计算能力必有上限。而以IBM研究中心朗道（R．Landauer）为代表的理论科学家认为到21世纪30年代，芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度，此时，导线内运动的电子将不再遵循经典物理规律—牛顿力学沿导线运行，而是按照量子力学的规律表现出奇特的“电子乱窜”的现象，从而导致芯片无法正常工作；同样，芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸后，晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。

哲学家和科学家对此问题的看法十分一致：摩尔定律不久将不再适用。也就是说，电子计算机计算能力飞速发展的可喜景象很可能在21世纪前30年内终止。著名科学家，哈佛大学终身教授威尔逊（EdwardO．Wilson）指出：“科学代表着一个时代最为大胆的猜想。它纯粹是人为的。但我们相信，通过追寻“梦想—发现—解释—梦想”的不断循环，我们可以开拓一个个新领域，世界最终会变得越来越清晰，我们最终会了解宇宙的奥妙。所有的美妙都是彼此联系和有意义的。”

二、各种新型计算机

硅芯片技术高速发展的同时，也意味看硅技术越来越接近其物理极限。为此，世界各国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机，计算机的体系结构与技术都将产生一次量与质的飞跃。新型的量子计算机、光子计算机、分子计算机、纳米计算机等，将会在二十一世纪走进我们的生活，遍布各个领域。

1．量子计算机

量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。量子计算机(quantum computer)是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机是通过量子分裂式、量子修补式来进行一系列的大规模高精确度的运算的。其浮点运算性能是普通家用电脑的CPU所无法比拟的。量子计算机大规模运算的方式其实就类似于普通电脑的批处理程序，其运算方式简单来说就是通过大量的量子分裂，再进行高速的量子修补，但是其精确度和速度是普通电脑望尘莫及的。

2．光子计算机

现有的计算机是由电子来传递和处理信息。电场在导线中传播的速度虽然比我们看到的任何运载工具运动的速度都快。但是，从发展高速率计算机來说，采用电子做输运信息载体还不能满足快的要求，提高计算机运算速度也明显表现出能力有限了。而光子计算机以光子作为传递信息的载体，光互连代替导线互连，以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，利用激光来传送信号，并由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路，从而进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高，计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。

3．分子计算机

分子计算计划就是尝试利用分子计算的能力进行信息的处理。分子计算机的运行靠的是分子晶体可以吸收以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列。凭借着分子纳米级的尺寸，分子计算机的体积将剧减。此外，分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。我们相信，新型计算机与相关技术的研发和应用，是二十一世纪科技领域的重大创新。必将推进全球经济社会高速发展，实现人类发展史上的重大突破。科学在发展，人类在进步历史上的新生事物都要经过一个从无到有的艰难历程，随着一代又一代科学家们的不断努力，未来的计算机一定会是更加方便人们的工作、学习、生活的好伙伴。

三、探究研究策略的依据

笔者认为开展计算机发展史研究的一种思路是：本着实用主义的态度，分阶段提取计算机发展过程中的关键问题。围绕这些问题展开研究，尤其要着力于问题解决过程中碰到的困难，以及问题解决后发现的新问题。

1．“实用主义”无褒贬之分

弥补对计算机发展的历史认知，不宜再去重做实验，推倒人类已有的技术规范重来：只能进一步的学习和研究，在研究和学习中发现问题，找出规律。同时，“实用”也是发挥后发优势的应有之义。

2．紧紧围绕“问题”

在科学发展的历史进程中，问题要比问题的解决更重要，“一个好的问题堪比一所好的大学”计算机的发展也是在不断地提出问题、解决问题中发展进步，每一次问题的提炼和解决都促进了计算机水平得到一次升华和提高。

3．事物的发展是动态的，已有问题的解决必然带来新的问题

新的问题是对已有问题解决方法的挑战与审视，抑或是新科学新技术寻找用武之地发挥作用的要求，尝试主动提出可预见的问题并设法解决是现代思维方式的一个显著特征，爱冈斯坦曾说：提出一个问题往往比解决一个问题更重要，正是这个意思。提新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，这一切需要有创造性的想象力。往往是获得认识突破的契机，这种习惯或者素养是极其宝贵的。

4．分阶段

事物的发展不是一蹴而就的，在时间轴上是一种动态的螺旋的进化过程。每一个阶段都是提高，每一个阶段都将被否定。计算机的发展也必然遵守人造物发展的一般规律，也有其自身的萌芽期、发展期、普及期、成熟期。后期对前期的关照、否定或肯定。每一个时期都呈现出其特定的标志性历史事件或文化符号，正是在对每一个时期的阶段性标志事件和符号的研究和把握中，了解计算机发展史的基本面貌，启迪和教育后来的研究者。

结束语

计算机是20世纪人类最伟大的发明之一。在这个世纪之交，知识经济时代呼啸而来，作为知识和信息的处理、传输和存储之载体的计算机。在即将来临的21世纪，将会不断地开发出新的品种。而这些新颖的计算机的发展将趋向超高速、超小型 并行处理和智能化。为达到预想的目的各种新型材料将被运用到新型计算机的开发当中，如量子、光子 分子等。未来量子、光子和分子计算机将具有感知、思考、判断、学习以及一定的自然语言能力，使计算机进人人工智能时代。这种新型计算机将推动新一轮计算技术革命，对人类社会的发展产生深远的影响。

参考文献

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[2]王延汀．谈谈光子计算机．现代物理知识，2004，(16)．

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[4]谌谦．难以忘却的—计算机发展史UI．中国中医药现代远程教育．2004(7)：45—47