浅析现代计算机技术的发展方向与趋势

姚浩斯拉

摘 要：作为一种高新科技技术，计算机的发展受到人们广泛的关注与研究。随着现代科学与技术的发展，科学理论与现代能源材料的丰富，计算机得到了很大的进步与发展，相继研究出一些新型的计算机。在该文中，我简要介绍了计算机的发展历程，重点讲述了一些新型计算机的发展与特点，如生物计算机、量子计算机、光子计算机和纳米计算机等。最后，对未来计算机的发展进行了展望。

关键词：发展历程 生物计算机 量子计算机 光子计算机 纳米计算机

中图分类号：TN911 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（c）-0041-02

计算机俗称电脑，是一种用于高速数据与逻辑计算和具有存储与修改功能的现代化智能电子设备。计算机一般是由硬件系统和软件系统所组成。随着现代科技的发展，计算机作为一种集计算、多媒体、网络等于一体的工具，受到人们的广泛关注与研究。就目前来讲，计算机发展进入到了全新的变革与广泛的应用中。但人们往往对计算机的一些应用，如电子邮件、QQ聊天和网上购物过分关注，而忽略了现代计算机的发展历程和最新进展等，根本不知所为何云。所以，在该文中我重点介绍了计算机的新发展和新趋势，希望能够对大家有所帮助。

1 计算机的发展历程

1946年2月，在美国宾夕法尼亚大学，埃克特、莫克利等研发出了世界上第一台电子计算机，虽然这台计算机的大小有几间房子那么大，且计算速度远远比不算现在普通一台电脑的速度，但它开启了一个崭新的时代，带领人类进入了一个全新的时代—— 信息革命时代。当然，计算机的发明是一群科研人员的共同努力，由于冯·诺依曼，在计算机的设计思想中起了关键作用，被称为“现代计算机之父”。从此以后，计算机研究受到广大科学家的研究，开启计算机的世界和它带领的全新世界。随着计算机的发展，大约可以分为四代，分别如下。

1.1 电子计算机（1946-1957）

电子计算机与第一台计算机一样，主要器件是电子元件，因此称为电子计算机。但由于电子管的体积较大且存储容量小，导致计算机的体积相对较大、耗电量快、速度很慢、存储量小、可靠性差等特点，大都用于科学计算与科学研究中。在这个阶段，计算机还没有系统软件，通常使用机器语言或汇编语言。

1.2 晶体管计算机（1958-1964）

随着量子力学和固体物理能带论等理论的建立，为半导体器件的发展提供了理论和实践基础。20世纪50年代左右，巴丁和布拉顿成功研制了点接触晶体管。随后，肖克莱成功发明了结型晶体管，晶体管的研究逐渐走向成熟，也被应用到计算机中，使计算机的发展进入到第二个阶段—— 晶体管计算机。

1959年，第一台晶体管计算机在美国贝尔实验室诞生。晶体管计算机采用了晶体管作为基本电子元件，用磁芯或磁鼓作为存储器，因此在性能上比电子计算机有了很大提高。晶体管不仅具有尺寸小、质量轻、效率高、发热少、损耗低等优点，还实现了电子管作为计算机基本元件的一般功能，所以二代计算机的体积大大减小，寿命也大大延长，为计算机的广泛应用提供了基础。此外，晶体管计算机还增加了浮点算法，使计算机的运算能力实现了一次飞跃，使计算机可以应用于数据处理与工业控制等方面。

1.3 中小规模集成电路计算机（1964-1971）

晶体管的出现为集成电路提供了可能，随后人们开始利用晶体管和其他电学元件设计复杂而精巧的集成电路。1959年，罗伯特罗伊斯用平面工艺生产出了能够运用到商业领域的复杂集成电路。随后，计算机也开始使用中小規模集成电路作为计算机的主要元件，开启了计算机的第三个时代—— 中小规模集成电路计算机时代。

相对于前两代计算机，中小规模集成电路计算机仍然以存储器为中心，但计算机的体积和功耗进一步减小，可靠性和运算速度也相应提高，外部设备和功能也不断增加，除了原有的数据处理功能，还可用于企业管理、自动控制、辅助设计和辅助制造等领域。

1.4 大规模和超大规模集成电路计算机

随着制造工艺与工艺的不断发展，集成电路也在飞速发展。又根据摩尔定律，当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，计算机进入到大规模和超大规模集成电路计算机时代。

从1970年以后采用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）为主要电子器件制成的计算机，就是第四代计算机。第四代计算机的存储量明显提高，如可以在硬币大小的芯片上容纳几十万甚至几百万的电子元件。随着第四代计算机的发展，也随之出现了一个重要分支——大规模、超大规模集成电路为基础发展起来的微处理器和微型计算机。微型计算机也大致经历了四个阶段：（1）1971年-1973年，微处理器有4004、4040、8008.（2）1973年-1977年，微型计算机的发展和改进阶段。（3）1978年-1983年，十六位微型计算机发展阶段。（4）1983-，32位微型计算机发展阶段。

2 计算机的新发展与新趋势

虽然大规模和超大规模集成电路计算机依然在不断进步与创新，但随着现代生物、物理、材料等的发展，一些新的计算机也在不断研究中，如生物计算机、量子计算机、光子计算机、纳米计算机等。这些计算机虽然研究与应用或许还不够成熟，但也代表着现代计算机的最新发展与最新趋势。

2.1 生物计算机

生物计算机（biological computer）又称仿生计算机，是指用生物芯片替代在半导体上的大量晶体管而制造成的计算机。生物计算机大都采用生物工程技术产生的蛋白质分子作为主要原料和生物芯片，因此称为生物计算机。

由于脱氧核糖核苷酸（DNA）是一条带有大量遗传信息的双螺旋结构，它的资料存储和运算能力十分巨大，很可能比硅片等强得多，例如据了解1毫克DNA的存储功能大约相当于1万片的光碟片。此外，DNA还具有同时处理兆个运算指令的能力。这些都为生物计算机的发展创造了条件，使其具有不同于集成电路计算机的优点：（1）体积小。可同时容纳1万亿个此类计算机与一支试管中。（2）可靠性好。因为人体蛋白质在一定范围内具有自我修复功能，使生物计算机的内部芯片损害时也可以自我修复，因此生物计算机具有很强的可靠性。（3）存储量大。据悉1立方米的生物大分子溶液大约克存储1万亿亿的二进制数据。（4）运算快。这是DNA具有同时处理兆个指令所决定的。（5）并行性好。相对于一般计算机的顺序指令运算方式，生物计算机由于生物大分子在合成DNA与蛋白质时的同步合成使其具有并行功能。

作为新近发展的计算机，生物计算机以其独特的性能成为21世界人类期待的工程之一。目前生物计算机的研究方向大致为：（1）制造有机分子元件去代替半导体元件，从而研制出分子计算机；（2）通过深入研究人脑的结构与思维规律而构想生物计算机的结构，依此研制生物计算机。

2.2 量子计算机

量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律和基于量子效应和量子比特而进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的计算机装置。当这个装置处理和计算时利用的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。

不同于一般计算机的只能在二进制的系统上进行，量子计算机由于满足态叠加原理，使其内每个物体都可以使用所有不可思议状态的综合来描述，所以量子计算机不仅可以利用0和1存储还可以用粒子的量子叠加态存储大量信息。据研究发现，一個40位元的量子计算机就能解开1024位元的集成电路计算机花上数十年解决的问题。量子计算机的性能与运算速度的优异性和独特性可见一斑。

迄今为止，世界上还没有出现真正意义上的量子计算机，但世界各地的许多人员都在坚持不懈的研究着量子计算机，提出了量子计算机的各种构想与方案，如液态核磁共振量子计算机、（固态）硅晶体核磁共振量子计算机、离子陷阱、量子光学、腔室量子电动力学、超导体方案等等。也许这些方案或多或少的都有些不足与瓶颈，但我相信随着人类的不懈研究与现代科学技术的创新发展，量子计算机最终将成功研制，并走向我们的日常生活。

2.3 光子计算机

随着现代光学与光学工程的发展，人们渐渐开始用光子代替电子，光运算代替电运算，激光器、光学反射折射镜、滤波器等光学元件与设备代替相应的电子元件与设备，研究光子计算机。所谓光子计算机，就是利用光信号进行数字运算、逻辑操作、信息储存与处理等的新型计算机。相较于一般计算机，光子计算机具有如下优点：（1）强可靠性。光子不像电子那样带有电荷，因而不存在电磁相互作用，在自由空间中千万条光束可以同时穿过一个光学元件而不相互作用与影响，所以光子计算机的可靠性很强。（2）高运算速度。由于光子的并行性使其并行处理能力强，且光子的传播速度达到3 ×108，导致光子计算机的运算速度更高，甚至可达1000亿次。（3）高存储量。光子互联不受电磁干扰，互联的密度很高，几乎可达到每平方毫米面积上的光子线路连接量达5万条。

2.4 纳米计算机

所谓纳米科学与技术就是在物体的三维结构中有至少一维的尺度为1纳米至100纳米。根据摩尔定律，现代的计算机的硅芯片已经达到了物理极限，如果继续减小其尺寸，将导致严重的电流损耗。随着超高分辨率显微镜的发明和纳米技术的发展，人们逐渐将纳米材料引入计算机，如研究了薄膜晶体管来代替传统意义上的晶体管，研究了纳米计算机。

因为纳米材料独特的性质，如纳米材料的体积效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，纳米计算机解决了普通计算机的上述缺点。同时，利用纳米材料制造芯片只是将实验室设计好的分子合成在一起即可生产处芯片，极大地降低了生产成本。可见，纳米计算机有着广阔的发展前景。

3 结语

随着社会的发展与进步，计算机逐渐渗入到人们的日常生活，成为人们生活工作必不可少的一个工具。现代计算机将继续朝着巨型化、微小化、智能化和多功能化方向发展，使其更加便利人们的生活。生物计算机、量子计算机、光子计算机和纳米计算机等新型计算机作为21世纪计算机的发展方向与趋势也将继续受到人们的广泛研究，使其不断发展与成熟，最终走入寻常百姓家。相信，计算机的发展将更加美好，人们的生活也因此更加美妙。

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