計(jì)算機(jī)發(fā)展前景展望

摘要：計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展速度是其它科學(xué)行業(yè)不可比擬的，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是采用先進(jìn)的電子技術(shù)來(lái)代替陳舊落后的機(jī)械或繼電器技術(shù)，隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，應(yīng)用到計(jì)算機(jī)上，使計(jì)算機(jī)的體積越來(lái)越小，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越來(lái)越快，價(jià)格越來(lái)越低。但要想大幅度提高計(jì)算機(jī)的性能必將遇到難以逾越的障礙，科學(xué)家們把目光投向了最基本的物理原理上，未來(lái)光子、量子和分子計(jì)算機(jī)為代表的新技術(shù)將推動(dòng)新一輪超級(jí)計(jì)算技術(shù)革命。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)發(fā)展；原理；新技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP301文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)14-20857-02

隨著21世紀(jì)的到來(lái)，信息化時(shí)代已經(jīng)向我們走來(lái)，這個(gè)時(shí)代的最重要的標(biāo)志就是計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用。如今社會(huì)上計(jì)算機(jī)應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到非常普及的程度，隨處都可以見(jiàn)到計(jì)算機(jī)的身影。我們也熟悉了在社會(huì)各處遇見(jiàn)它們的環(huán)境，家庭娛樂(lè)，學(xué)校的機(jī)房，金融場(chǎng)所，以及到處可見(jiàn)的網(wǎng)吧，計(jì)算機(jī)如水銀般無(wú)孔不入。我們甚至?xí)岩捎?jì)算機(jī)還將向哪里深入，還將控制哪個(gè)地方。當(dāng)然這前景依然是樂(lè)觀的。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程：現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)是由早期的電動(dòng)計(jì)算器發(fā)展而來(lái)的。1945年，世界上出現(xiàn)了第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)“ENIAC”，用于計(jì)算彈道。是由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電工學(xué)院制造的，但它的體積龐大，占地面積170多平方米，重量約30噸，消耗近100千瓦的電力。顯然，這樣的計(jì)算機(jī)成本很高，使用不便。1956年，晶體管電子計(jì)算機(jī)誕生了，這是第二代電子計(jì)算機(jī)。只要幾個(gè)大一點(diǎn)的柜子就可將它容下，運(yùn)算速度也大大地提高了。1959年出現(xiàn)的是第三代集成電路計(jì)算機(jī)。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，這是電腦發(fā)展的最新階段。到1976年，由大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路制成的“克雷一號(hào)”，使電腦進(jìn)入了第四代。超大規(guī)模集成電路的發(fā)明，使電子計(jì)算機(jī)不斷向著 小型化、微型化、低功耗、智能化、系統(tǒng)化的方向更新?lián)Q代。20世紀(jì)90年代，電腦向“智能”方向發(fā)展，制造出與人腦相似的電腦，可以進(jìn)行思維、學(xué)習(xí)、記憶、網(wǎng)絡(luò)通信等工作。 進(jìn)入21世紀(jì)，電腦更是筆記本化、微型化和專業(yè)化，每秒運(yùn)算速度超過(guò)100萬(wàn)次，不但操作簡(jiǎn)易、價(jià)格便宜，而且可以代替人們的部分腦力勞動(dòng)，甚至在某些方面擴(kuò)展了人的智能。于是，今天的微型電子計(jì)算機(jī)就被形象地稱做電腦了。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本原理：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是指采用先進(jìn)的電子技術(shù)來(lái)代替陳舊落后的機(jī)械或繼電器技術(shù)。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，這一時(shí)期的杰出代表人物是英國(guó)科學(xué)家圖靈和美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所使用的電子線路和物理設(shè)備，是看得見(jiàn)、摸得著的實(shí)體，如中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、外部設(shè)備（輸入輸出設(shè)備、I/O設(shè)備）及總線等。

存儲(chǔ)器：主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)，程序是計(jì)算機(jī)操作的依據(jù)，數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)操作的對(duì)象。存儲(chǔ)器是由存儲(chǔ)體、地址譯碼器、讀寫(xiě)控制電路、地址總線和數(shù)據(jù)總線組成。能由中央處理器直接隨機(jī)存取指令和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器稱為主存儲(chǔ)器，磁盤、磁帶、光盤等大容量存儲(chǔ)器稱為外存儲(chǔ)器（或輔助存儲(chǔ)器）。由主存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器和相應(yīng)的軟件，組成計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

中央處理器：主要功能是按存在存儲(chǔ)器內(nèi)的程序，逐條地執(zhí)行程序所指定的操作。中央處理器的主要組成部分是：數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、算術(shù)邏輯部件、操作控制器、程序計(jì)數(shù)器（指令地址計(jì)數(shù)器）、地址寄存器等。

外部設(shè)備：是用戶與機(jī)器之間的橋梁。輸入設(shè)備的任務(wù)是把用戶要求計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)、字符、文字、圖形和程序等各種形式的信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能接受的編碼形式存入到計(jì)算機(jī)內(nèi)。輸出設(shè)備的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果以用戶需要的形式（如屏幕顯示、文字打印、圖形圖表、語(yǔ)言音響等）輸出。輸入輸出接口是外部設(shè)備與中央處理器之間的緩沖裝置，負(fù)責(zé)電氣性能的匹配和信息格式的轉(zhuǎn)換。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向：自從1945年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，CPU的速度越來(lái)越快，體積越來(lái)越小，價(jià)格越來(lái)越低。計(jì)算機(jī)界據(jù)此總結(jié)出了“摩爾法則”，該法則認(rèn)為每18個(gè)月左右計(jì)算機(jī)性能就會(huì)提高一倍。

越來(lái)越多的專家認(rèn)識(shí)到，在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上大幅度提高計(jì)算機(jī)的性能必將遇到難以逾越的障礙，從基本原理上尋找計(jì)算機(jī)發(fā)展的突破口才是正確的道路。很多專家探討利用生物芯片、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片等來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)發(fā)展的突破，但也有很多專家把目光投向了最基本的物理原理上，因?yàn)檫^(guò)去幾百年，物理學(xué)原理的應(yīng)用導(dǎo)致了一系列應(yīng)用技術(shù)的革命，他們認(rèn)為未來(lái)光子、量子和分子計(jì)算機(jī)為代表的新技術(shù)將推動(dòng)新一輪超級(jí)計(jì)算技術(shù)革命。

分子計(jì)算機(jī)：分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行靠的是分子晶體可以吸收以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。憑借著分子納米級(jí)的尺寸，分子計(jì)算機(jī)的體積將劇減。此外，分子計(jì)算機(jī)耗電可大大減少并能更長(zhǎng)期地存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。1998年，最先提出計(jì)算化學(xué)概念的約翰.A.波普爾教授被授予該年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，美國(guó)《福布斯》雜志將此事和美國(guó)政府實(shí)施的“加速戰(zhàn)略計(jì)算計(jì)劃”實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)萬(wàn)億次的運(yùn)算能力并稱為兩個(gè)令人矚目的里程碑。洛杉磯加州大學(xué)和惠普公司研究小組曾在英國(guó)《科學(xué)》雜志上撰文，稱他們能通過(guò)把能生成晶體結(jié)構(gòu)的輪烷分子夾在金屬電極之間，制作出分子“邏輯門”這種分子電路的基礎(chǔ)元件。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)所則采用把菠菜中的一種微小蛋白質(zhì)分子附著于金箔表面并控制分子排列方向的辦法制造出邏輯門。這種蛋白質(zhì)可在光照幾萬(wàn)分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。據(jù)稱基于單個(gè)分子的芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高。

光子計(jì)算機(jī)：光子計(jì)算機(jī)利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸和存儲(chǔ)。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠(yuǎn)勝于電子計(jì)算機(jī)中通過(guò)電子“0”、“1”狀態(tài)變化進(jìn)行的二進(jìn)制運(yùn)算，可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速的并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室宣布研制出世界上第一臺(tái)光學(xué)計(jì)算機(jī)。它采用砷化鎵光學(xué)開(kāi)關(guān)，運(yùn)算速度達(dá)每秒10億次。盡管這臺(tái)光學(xué)計(jì)算機(jī)與理論上的光學(xué)計(jì)算機(jī)還有一定距離，但已顯示出強(qiáng)大的生命力。人類利用光纜傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)有20多年的歷史了，用光信號(hào)來(lái)存儲(chǔ)信息的光盤技術(shù)也已廣泛應(yīng)用。然而要想制造真正的光子計(jì)算機(jī)，需要開(kāi)發(fā)出可以用一條光束來(lái)控制另一條光束變化的光學(xué)晶體管這一基礎(chǔ)元件。一般說(shuō)來(lái)，科學(xué)家們雖然可以實(shí)現(xiàn)這樣的裝置，但是所需的條件如溫度等仍較為苛刻，尚難以進(jìn)入實(shí)用階段。美國(guó)馬薩諸塞州的一家光學(xué)技術(shù)公司——光導(dǎo)發(fā)光元件系統(tǒng)公司，目前正與美國(guó)航空航天局馬歇爾航天中心合作開(kāi)發(fā)用來(lái)制造光學(xué)計(jì)算機(jī)的“光”路板，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子移動(dòng)的控制，并有望在不久將有大的突破。

量子計(jì)算機(jī)：把量子力學(xué)和計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)的可能性是在1982年由美國(guó)著名物理學(xué)家理查德.費(fèi)因曼首次提出的。隨后，英國(guó)牛津大學(xué)物理學(xué)家戴維.多伊奇于1985年初步闡述了量子計(jì)算機(jī)的概念，并指出量子并行處理技術(shù)會(huì)使量子計(jì)算機(jī)比傳統(tǒng)的圖靈計(jì)算機(jī)(英國(guó)數(shù)學(xué)家圖靈于1936年提出的計(jì)算數(shù)學(xué)模型)功能更強(qiáng)大。量子計(jì)算機(jī)是利用處于多現(xiàn)實(shí)態(tài)的原子作為數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。美國(guó)、英國(guó)、以色列等國(guó)家都先后開(kāi)展了有關(guān)量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)研究。

除了傳統(tǒng)的量子理論外，科學(xué)家認(rèn)為量子棘輪理論可能引發(fā)電子學(xué)等領(lǐng)域的革命。據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》周刊報(bào)道，量子棘輪(quantum ratchet)是一門嶄新的科學(xué)。通過(guò)一個(gè)振蕩信號(hào)或隨機(jī)變化信號(hào)，科學(xué)家可以從看似混亂無(wú)序的狀態(tài)中得到可以控制方向的有用運(yùn)動(dòng)。借助于讓電子從一個(gè)電器元件跳躍到另一個(gè)電器元件，可以制造出不用電線連接的電子設(shè)備。

雖然分子、光子和量子計(jì)算機(jī)的研究還處在實(shí)驗(yàn)初期階段。但由于它們具有很高的應(yīng)用價(jià)值，美國(guó)、歐洲和日本政府一直投入巨資資助相關(guān)研究，預(yù)計(jì)在未來(lái)一二十年內(nèi)，這幾種新型計(jì)算機(jī)可取得突破性進(jìn)展。

仿生的生物計(jì)算機(jī)：生物計(jì)算機(jī)的主要原材料是生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，并以此作為生物芯片，利用有機(jī)化合物存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，當(dāng)波沿著蛋白質(zhì)分子鏈傳播時(shí)，會(huì)引起蛋白質(zhì)分子鏈中單鍵、雙鍵結(jié)構(gòu)順序的變化，例如一列波傳播到分子鏈的某一部位，它們就像硅芯片集成電路中的載流子那樣傳遞信息。運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代計(jì)算機(jī)快10萬(wàn)倍，它具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，并能徹底消除電路間的干擾。能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的十億分之一，且具有巨大的存儲(chǔ)能力。由于蛋白質(zhì)分子能夠自我組合，再生新的微型電路，使得生物計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn)，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能，自動(dòng)修復(fù)芯片上發(fā)生的故障，還能模仿人腦的機(jī)制等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 信息技術(shù)應(yīng)用[M]. 蘇州大學(xué)出版.

[2] 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)[M]. 天津理工大學(xué)出版.