計算機技術的一些新進展

牛文生

摩爾定律將繼續有效

多年來雖然摩爾定律已走到極限的說法不絕于耳，但是半導體工藝的進步卻從來沒有停止。目前特征尺寸32nm的半導體工藝已成熟，大量用于高端芯片的制造。在不斷縮小工藝尺寸的同時，結構上的改進也在進行。2011年5月4日，Intel宣布經過近十年的研究，在半導體技術上取得革命性突破，將推出被稱為三柵極（Tri-Gate）的全新3D架構晶體管設計，并將在年內開始批量制造。傳統的二位平面柵極結構被豎起的3D硅鰭狀物代替，實現在晶體管在“關”狀態下的低功耗，并可實現“開”、“關”狀態的快速切換，從而可以實現高性能、低功耗的電子器件。

多核處理器的成熟

2006年出現的雙核處理器標志著以主頻論英雄的年代正式結束開始，處理器領域已進入一個多核時代，無論是業界巨 擘Intel還是AMD都已經明確表示，今后CPU將會是雙核乃至多核的世界。多核設計為摩爾定律帶來了新的生命力，在保持較低的時鐘頻率的同時，提高并行處理能力和計算密度，大大減少了散熱和功耗。多核處理器提供了高性價比和高效節能的新途徑，可以緩解當今處理器設計所面臨的各種挑戰。多核處理器是已成為主流處理器的發展趨勢。

由于多核技術仍然是基于傳統的“馮·諾依曼”結構，處理器內核數量的增加并沒有緩解并行處理技術中算法并行化、并行編程的難題，多核的性能并不能充分發揮。因此近年來內核數量增加的速度有所減緩，集成多種功能電路的混合異構多核成為流行的結構，目前Intel的酷睿二代處理器采用四核結構，內部集成顯示芯片。

超級計算機從高性能到高效能轉變

國外歷來強調高性能計算器在國家安全關鍵領域的戰略作用。美國早年提出的“加速戰略計算創新”（ASCI）計劃，其目的就是在全球全面禁止核試驗的情況下，美國能夠繼續保持它的核威懾能力和核壟斷地位。主要的手段是利用數學方程和三維建模仿真核武器的爆炸效果，確保現有庫存核武器的性能、安全和可靠性。從1997年到2007年，為ASCI計劃專門研制的高性能計算機系統，已經經歷了五代，2004年達到100萬億次，2010年達到1000萬億次量級的高性能計算機，預計2015年達到萬萬億次以上量級。我國的“天河一號”目前名列超級計算機TOP500榜首，速度高達4700萬億次。

除了性能的不斷提高，計算機處理的效能也在軍事作戰領域逐步得到重視。據估算，一臺持續千萬億次計算的超級計算機系統可能需要消耗20兆瓦或更高的功耗，需要專門建設發電站，每年的電費開銷可能高達1億元以上。根據超級計算機世界500強排行榜重新排序的綠色500強排行榜中，IBM的超級計算機排名榜首，功耗效率達到1684Mflops/瓦，“天河一號”排在第十位，為635 Mflops/瓦。

不斷探索采用新器件、新原理的計算機

以硅晶體管為基本單元的傳統計算機在小型化的過程中將逐步接近其物理極限。研究表明，計算機運行速度的快慢與芯片之間信號傳輸的速度直接相關，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在傳輸信號的過程中會吸收掉一部分信號，從而延長了信息傳輸的時間。

據報道，美國紐約倫斯雷爾·保利技術公司的科學家發明了一種利用空氣的絕緣性能來成倍地提高計算機運行速度的新技術：芯片或晶體管之間由膠滯體包裹的導線連接，“空氣膠滯體”導線幾乎不吸收任何信號，因而能夠更迅速地傳輸各種信息，可以成倍地提高計算機的運行速度。

將納米技術與計算機制造技術相結合的納米計算機（Nanometer Computer）也是很有發展前景。現在納米技術正從MEMS（微電子機械系統）起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積不過數百個原子大小，相當于人的頭發絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。專家預測，10年后納米技術將會走出實驗室，成為科技應用的一部分。納米計算機體積小、造價低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計算機，推動計算機行業的快速發展。

此外，以生物計算機、光計算機和量子計算機為代表的新概念計算機研究也非常引人注目。

生物計算機（Biology computer）

生物采用了生物芯片，由生物工程技術產生的蛋白質分子構成（所以又稱分子計算機）。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，運算速度比當今最新一代計算機快10萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的十分之一，并且擁有巨大的存儲能力。由于蛋白質分子能夠自我組合，再生新的微型電路，使得生物計算機具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能自動修復芯片發生的故障，還能模仿人腦的思考機制。

美國已研制出生物計算機分子電路的基礎元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內產生感應電流。以色列科學家已經研制出一種由DNA分子和酶分子構成的微型分子計算機。預計20年后，分子計算機將進入實用階段。

光子計算機（Optical Computer）

光子計算機利用光作為信息的傳輸媒體。由于光子具有電子所不具備的頻率及偏振特征，從而大大提高了傳載信息的能力。此外，光信號傳輸根本不需要導線，即使在光線交匯時也不會互相干擾、互相影響。一塊直徑僅2厘米的光棱鏡可通過的信息比特率可以超過全世界現有全部電纜總和的300多倍。光腦還具有與人腦相似的容錯性，如果系統中某一元件遭到損壞或運算出現局部錯誤時，并不影響最終的計算結果。目前光腦的許多關鍵技術，如光存儲技術、光存儲器、光電子集成電路（OIC）等都已取得突破。科學家們預計，光子計算機的進一步研制將是21世紀高科技領域的重大課題。

量子計算機（Quantum Computer）

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態，使信息沿著聚合物移動，從而進行計算。量子計算機能夠實行量子并行計算, 其運算速度可能比目前計算機的PentiumⅢ晶片快10億倍。除具有高速并行處理數據的能力外，量子計算機還將對現有的保密體系、國家安全意識產生重大的沖擊。

目前，量子計算機正在開發研制階段，隨著毫微技術的進步和毫微米級加工技術的發展，科學家們認為，第一臺量子計算機有望在10年后誕生。我國量子信息專家宣稱，將在5年內研制出實用化的量子密碼來服務于社會。美國、英國、以色列等國家都先后開展了有關量子計算機的基礎研究，正在開發中的量子計算機有三種類型： 核磁共振量子計算機、硅基半導體量子計算機和離子阱量子計算機，預計 2030 年量子計算機有可能進入實用。

（作者單位：中航工業計算所）