是时候给电脑换个思路了

李栋

电脑发展遇到瓶颈

如果你是个电脑迷，将会发现一个有趣的现象，无论电脑怎么变，速度变快也好，身材变苗条也好，自从第一台电脑被制造出来，依旧换汤不换药，它的构造基本上70年从来没有变过。

不过，这一条电脑打造黄金定律马上就要遇到挑战，根据摩尔定律的预测，电脑必须变革了。

摩尔预言，集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。自从1960年以来，这条理论一直被证明是正确的，但过去的进展没法保证未来的成功。电路的数目变多，也就要求晶体管变得越来越小，小到一定程度，它们将没法再用传统的硅材料制成。在未来10年里，这个问题将会成为现实。

那么，未来电脑将要如何变化才会突破这个瓶颈呢？我们不妨首先将电脑的运行模式简化一下，借助一个这样的公式，电脑=输入+处理+输出，比如你打入“大科技”，然后按enter键，电脑就会开始处理这个输入的信息，向你输出计算的结果。简化后，我们就可以做出合适的联想，因为在自然界中，飞鸟会启发人类制造飞机，蝙蝠的回声定位系统启发人类制造了雷达，那么，哪些事物会启发科学家们改变现在的电脑形态呢？

化学电脑

化学反应似乎是计算机可以借鉴的完美模式。因为化学反应过程中，也有类似的输入和输出模式。在反应过程中，也会有处理环节。更关键的是，化学计算通常是并行的，在一个反应面的每个位置，反应通常同时发生，它能很好地适应一些更复杂的计算问题，比如计算通过迷宫和街道的最短路线。用传统的计算机解决这一问题必须要穷尽所有的路径，然后再进行比较，这需要耗费大量的时间。而利用化学反应则不同。由于反应波在传播和扩散时，总是走最短的路径。只要利用照相机，记录下波的运动轨迹，就可以解决这一难题。

不过，这个化学反应有自己的问题。许多反应都是单向的，制约了它们成为电脑的潜力，因为电脑一般需要重复运行程序。上世纪五六十年代，俄罗斯的科学家在一系列反应中发现了B-Z（贝洛索夫-恰鲍廷斯基）反应，这种新的反应形式改变了这种状况。它是由3个不同的反应组成的化学振荡反应。每个反应都有不同的分子和离子，而且三个反应会互相触发生成，由此循环往复。这样，B-Z反应就有变成电脑计算新方式的潜力。

现在，英国布里斯多大学计算机专家安德鲁正在利用B-Z反应，研究着到底怎么用果冻一样的化学物质替代硅芯片和电路板，来制造一台化学电脑。如果他成功了，未来的电脑可能就变成一团软绵绵、滑溜溜的果冻一样的物质。

湿件计算

计算机似乎和“湿”搭不上边，但人类开始在硅片里雕刻电路之前，湿件在自然界计算中已经存在了几亿年。湿件是生物有机体构成的硬件和软件。比如，我们不妨把细胞看作是一种湿件电脑，DNA在细胞里提供信息储存方式，RNA代表着输入，核糖体负责处理，蛋白质负责输出。湿件经过几亿年的进化，产生了神经元——这种细胞可把化学信号当做输入，转换为电信号传输出去，最终输出处理后的化学信号。而我们搭建计算机时，却没有考虑采用大自然已经建好的生物有机体，反而采用了全新的无机物。

但细胞几乎很难编程。1999年，生物医学家迈出了一个关键的一步，他们通过用内置的探针控制神经元的电子状态，通过水蛭的神经元制造了一个简单的电脑，能够将两个数字相加。

尽管取得了成果，但比起电路来，细胞还是很不容易操纵，因为它们不易存活，而且湿件得规模化才能支撑起整个计算机的电路。

最近，科学家们的思路又跳出了活体细胞，他们开始进行模仿细胞的电路研究，细胞和基因网络的一个优势是它们是非线性的或者是无秩序的系统，意味着它们对于细小的输入变化可以做出不同的反应，运用到计算机时，会使计算结果更精确。

三元计算

无论是湿件计算，还是化学计算，这些都是跟改变计算机的硬件有关，三元计算则是彻底改变信息的编码方式。

现在，我们电脑用的是二元逻辑的0和1编码，二元逻辑代表着两种状态，即是或者不是。

但现实生活中，我们还会遇到除了是，或者不是这两种状态外的第三个状况：可能是或者可能不是。

在电脑最初发展的阶段，电阻器还没有强大到对电流的控制提供第三种“可能是或不是”的情况。所以，电路中通过开关控制电流，只有两种情况：有电流用1表示，无电流用0表示。随着电子元器件的革新，一个可控电流变压器，可以调控电压为三种状态：正电压（1）、零电压（0）和负电压（-1）。这也为三进制逻辑计算实现可能，在三进制逻辑中，符号1代表真；符号-1代表假；符号0代表未知。

早在20世纪60年代，莫斯科国力大学研究院就设计出了第一批三进制计算机，在头两年测试期里，这些计算机几乎不需要任何调试就运行得非常顺利，它甚至能执行一些现有的程序，而且非常稳定。更关键的是，三进制的计算机的生产和维护也比同期其它计算机要容易得多，而且应用面广，所以，三进制计算机的订单如雪片般从各方飞来。但很可惜的是，前苏联对这个经济计划外的科幻产物，持否定的态度且勒令其停产。三元计算的研究也就停滞不前。

现在，即使在最优条件下，三元逻辑要能与二元逻辑相抗衡还有很大的障碍要克服，这一部分原因是尚未有人发现用三元逻辑来完成基本运算的有效方法。而且更重要的是，当三元计算机的生产被苏联勒令停产后，二元逻辑现在已经根植于我们价值数千亿美元的计算设施里了，如果要将所有这些设施过渡为三元计算，我们几乎需要重新从零开始，这样的成本太大了。

不过，三进制逻辑表达方式将更多可能性考虑了进来，也将更符合现实情况，未来，三进制仍将是新型计算机的出路。所以，无论是谷歌还是IBM公司都在积极研发三进制计算，为实现真正的人工智能提供可能。