1.1.3　計算機的發展趨勢

當前的馮·諾依曼計算機正向著巨型化、微型化、網絡化、多媒體化、智能化的方向發展。巨型化主要為了滿足尖端科學技術的研究需要，提供更高速度、大存儲容量和強功能的超大型計算機；微型化體現了當前微機相關領域的技術水平和生產工藝；計算機網絡是現代通信技術與計算機技術相結合的產物，當前全球互聯網用戶已達20多億，計算機功能及應用的網絡化是一個必然的發展趨勢；多媒體技術是指采用計算機綜合處理數據、文字、圖形圖像、聲音等多媒體信息，同時具有集成性和交互性。多媒體技術的目標是無論在什么地方，只需要簡單的設備就能自由自在地以交互和對話方式收發所需要的信息。多媒體化的實質就是讓人們利用計算機以更接近自然的方式交換信息；智能化就是讓計算機具有人工智能，它是建立在現代科學技術基礎之上、綜合性很強的邊緣學科。智能化的目的是研究人的感覺、行為、思維過程的機理，讓計算機來進行模擬，使計算機具備“視覺”“聽覺”“語言”“行為”“思維”“邏輯推理”“學習”“證明”等能力，形成智能型、超智能型計算機。人工智能的研究從本質上拓寬了計算機的能力，在某些方面可以越來越多地代替甚至超越人類的腦力勞動。

迄今為止，計算機都是按照馮·諾依曼的體系結構（即存儲程序計算機）進行設計的。計算機工業飛速發展的速度令人瞠目，然而硅芯片技術的高速發展也意味著硅技術越來越接近其物理極限。為此，世界各國的研究人員提出了新型計算機的構想，并加緊研究開發新型計算機。從目前的研究狀況來看，未來的計算機有可能在光子計算機、生物計算機、量子計算機、納米計算機和神經網絡計算機上實現質的飛越。

提示

Intel公司創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）于1975年提出了摩爾定律，認為芯片上集成的晶體管數量將每18個月翻一番，性能也將提升一倍。當前，計算機的發展均驗證了摩爾定律的正確性。但是考慮到硅晶體管的特性和高集成度芯片的散熱，如果替代晶體管的材料永遠找不到，摩爾定律便會失效。如果替代材料出現了，那么類似摩爾定律的規律將仍然適用。

1.光子計算機

光子計算機是指利用光子代替半導體芯片中的電子，以光互連代替導線而制成的數字計算機，使用不同波長的光表示不同的數據。光的并行、高速的本質決定了光子計算機的并行處理能力很強，具有超高速運算速度。光子計算機還具有與人腦相似的容錯性。1990年初，美國貝爾實驗室研制出世界上第一臺光子計算機，其運算速度比電子計算機快1000倍。當前，許多國家都投入巨資進行光子計算機的研究。隨著現代光學與計算機技術、微電子技術相結合，在不久的將來，光子計算機可能會成為人類普遍的工具。

2.生物計算機

生物計算機又稱分子計算機，它使用生物芯片為主要原材料制造芯片。生物芯片是由生物工程技術產生的蛋白質分子構成。生物芯片具有巨大的存儲能力，如1m3的脫氧核糖核酸（DNA）溶液，可存儲1萬億的二進制數據，而且能以波的形式傳送信息。數據處理的速度比當今最快的巨型機的速度還要快百萬倍以上，而能量的消耗僅為普通計算機的十億分之一。另外，由于蛋白質分子具有自我組合的能力，從而使生物計算機具有自我調節能力、自我修復能力和再生能力，更易于模擬人類大腦的功能。1983年，美國公布了研制生物計算機的設想之后，立即激起了發達國家的研制熱潮。目前，在生物元件，特別是在生物傳感器的研制方面已取得不少實際成果，這將會促使計算機、電子工程和生物工程這3個學科的專家通力合作，加快研究開發生物芯片。生物計算機一旦研制成功，將會在計算機領域內引起一場劃時代的革命。

3.量子計算機

量子計算機是由美國阿貢國家實驗室提出來的。量子計算機是基于量子效應基礎開發的，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，從而進行運算。量子計算機中的數據用量子位存儲。由于量子的疊加效應，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。與傳統的電子計算機相比，量子計算機具有運算速度更快、存儲容量更大、搜索功能更強和安全性能更高等優點。量子計算機使計算的概念煥然一新，這是量子計算機與其他計算機（如光計算機和生物計算機等）的不同之處。量子計算機的研究已經取得很大的進展。2013年6月，中國科學技術大學潘建偉院士領銜的量子光學和量子信息團隊的陸朝陽、劉乃樂研究小組，在國際上首次成功實現用量子計算機求解線性方程組的實驗，標志著我國在光學量子計算領域保持著國際領先地位。

4.納米計算機

“納米”是一個計量單位，1nm等于10-9m，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術是從20世紀80年代初迅速發展起來的新的前沿科研領域，最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產品。現在納米技術從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，其體積只不過如數百個原子大小，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。2013年9月26日斯坦福大學宣布，人類首臺基于碳納米晶體管技術的計算機已成功測試運行。該項實驗的成功證明了人類有望在不遠的將來，擺脫當前硅晶體技術以生產新型計算機設備。

5.神經網絡計算機

神經網絡計算機用簡單的數據處理單元模擬人腦的神經元，從而模擬人腦的邏輯思維、記憶、推理、設計和分析等智能行為。神經網絡計算機具有模仿人的大腦判斷能力和適應能力、可并行處理多種數據功能的神經網絡計算機，可以判斷對象的性質與狀態，并能采取相應的行動，而且可同時并行處理實時變化的大量數據，并引出結論。神經網絡計算機除有許多處理器外，還有類似神經的結點，每個結點與許多點相連。若把每一步運算分配給每臺微處理器，它們同時運算，其信息處理速度和智能會大大提高。神經電子計算機的信息不是存在存儲器中，而是存儲在神經元之間的聯絡網中。若有結點斷裂，計算機仍有重建資料的能力，它還具有聯想記憶、視覺和聲音識別能力。科學家們對新型計算機的研制還有很多構想，無論哪一種實現方法，都還要面對漫長艱苦的研究工作。不過，我們相信，科學在發展，人類在進步，隨著一代又一代科學家們的不斷努力，新型計算機與相關技術的研發和應用，必將推進全球經濟社會高速發展，實現人類發展史上的重大突破。