微型計算機原理及應(yīng)用

微型計算機原理及應(yīng)用第一頁，共六十一頁，2022年，8月28日目錄

序言第一章

概論第二章

微型計算機體系結(jié)構(gòu)第三章

指令系統(tǒng)第四章

匯編語言程序設(shè)計第五章

輸入/輸出接口(并行接口和DMA接口)

第二頁，共六十一頁，2022年，8月28日第六章

中斷第七章

計數(shù)/定時技術(shù)第八章

串行通信第九章

微型計算機存儲器第十章

總線第十一章

高性能微處理機及其相關(guān)技術(shù)第十二章模擬接口（視時間定）第三頁，共六十一頁，2022年，8月28日序言

腦科學的結(jié)論告訴我們：人的左腦主司數(shù)學運算、邏輯思維及語言表達；右腦主司整體感覺、綜合判斷及直覺頓悟。制造計算機就是為了把我們左腦的重復性勞動及程序性工作交出去，以便更好地創(chuàng)新。第四頁，共六十一頁，2022年，8月28日

計算機發(fā)展歷史簡介：中國：古人用算籌計算，算盤法國人帕斯卡和德國人萊布尼茲：機械式加法器對數(shù)計算尺19世紀英國人：機械式計算機美國人霍勒里斯：數(shù)據(jù)處理器1924年霍勒里斯創(chuàng)辦制表機器公司，后與其他公司合并，改為IBM20世紀初（1906年）發(fā)明電子三極管40年代：繼電器計算機1945年：ENIAC第一臺電子管計算機1946年：馮·諾依曼計算機結(jié)構(gòu)1949：英國劍橋大學制成世界上第一臺程序內(nèi)存的電子計算機，叫EDSAC第五頁，共六十一頁，2022年，8月28日第一代：1945年電子管計算機，ENIAC第二代：1959年晶體管計算機，IBM1403第三代：1962年，集成電路計算機，IBM360第四代：1972年，大規(guī)模集成電路計算機，

IBM370。計算機微型化1971年

INTEL公司第一個微處理器4004第五代：20世紀80年代，超大規(guī)模集成電路計算機；微機進一步發(fā)展，從8080到

80486第六代：20世紀90年代，超大型機和智能計算機；微機從586到P2、P3、P4第六頁，共六十一頁，2022年，8月28日

1945年世界上第一臺計算機ENIAC誕生，至今已有59年，發(fā)展速度非常快。一、電子數(shù)字計算機

電子計算機總體上分為兩類：電子模擬計算機和電子數(shù)字計算機。兩者比較如下：

比較內(nèi)容數(shù)字計算機模擬計算機數(shù)據(jù)表示方式數(shù)字0和1電壓計算方式數(shù)字計數(shù)電壓組合和測量值控制方式程序控制盤上連線精度高低數(shù)據(jù)存儲量大小邏輯判斷能力強無第七頁，共六十一頁，2022年，8月28日

本書只講電子數(shù)字計算機。數(shù)字計算機又可分為專用計算機和通用計算機。我們主要介紹通用計算機，它又可分低單片機高體積功耗微型機

性能數(shù)據(jù)存儲量小型機簡易性指令系統(tǒng)價格中型機

大型機高巨型機低第八頁，共六十一頁，2022年，8月28日為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機（超級微電腦）和單片機六大類，它們的區(qū)別在于體積、簡易性、功耗、性能指標、數(shù)據(jù)存儲量、指令系統(tǒng)規(guī)模和價格，如上圖所示。1、巨型機（超級計算機）1996年美國Intel公司首次突破萬億次/秒大關(guān)，達到1.4萬億次/秒；美國RS6000，2萬億次/秒；“白色ASCI”（2000年）12.3萬億次/秒。我國1992年銀河-Ⅱ為10億次/秒，1996年銀河-Ⅲ為100億/秒1999年中國神威Ⅰ號已達3840億次/秒。2002年8月聯(lián)想集團推出深騰1800每秒1.027萬億次浮點運算超級計算機，在2002年11月全球超級計算機中排名第43位。第九頁，共六十一頁，2022年，8月28日

2003年聯(lián)想集團將推出4萬億次/秒超級計算機。目前全球最快的計算機是日本NEC的用于“地球模擬”的超級計算機，35.86萬億次/秒，排在第一位。排在第二位和第三的是美國HP公司造的兩臺超級計算機，運算速度均為每秒7.73萬億次（到2002年底）。最新報道，世界上超級計算機正在開始王中王的角逐。Cray公司將推出最新的X1超級計算機，速度52萬億次/秒。

IBM公司將為美國政府提供兩臺超級計算機，一臺名為ASCIPurple，速度為100萬億次/秒；另一臺名為BlueGene/L，將達到360萬億次/秒，預計2005年交付使用。主要用于武器、生物技術(shù)和高能爆炸的模擬計算。全球500臺超級計算機中91%由美國制造，其中惠普占137臺；IBM占131臺，SUN公司占88臺（到2002年底）。第十頁，共六十一頁，2022年，8月28日

我國計算機發(fā)展簡介：

1957年，哈爾濱工業(yè)大學研制成功我國第一臺模擬式電子計算機。

1958年，中國第一臺計算機—103型通用數(shù)字電子計算機研制成功，運行速度每秒1500次。

1973年，中國第一臺百萬次集成電路計算機研制成功。

1977年，中國第一臺微型計算機DJS—050機研制成功。

1983年，銀河Ⅰ號巨型計算機研制成功，運行速度每秒1億次。

1986年，中華學習機投入生產(chǎn)。

1987年，第一臺國產(chǎn)的286微機—長城286正式推出。

1990年，長城486機問世。

1992年11月，中國第一臺10億次巨型銀河計算機Ⅱ型通過鑒定。第十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日

1995年，曙光1000大型機通過鑒定，其峰值可達每秒25億次。

1996年，國產(chǎn)聯(lián)想電腦在國內(nèi)微機市場銷售量第一。

1997年6月，130億次巨型銀河計算機3型通過鑒定。

1998年，中國微機銷量達到408萬臺，國產(chǎn)占有率高達71.9%。

1999年8月，神威計算機達到3840億次

2000年，曙光2000-Ⅱ，速度達到1170億次/秒

2002年8月，聯(lián)想深騰1800超級計算機每秒1.027萬億次。

2003年11月17日消息：美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室16日公布了最新的全球超級計算機500強，中國聯(lián)想集團為中科院建造的“深騰6800”以每秒4.183億第十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日次的運算速度位居第14位。這也是迄今為止中國超級計算機在這一排名中取得的最好成績。全球超級計算機500強評比一年兩次，1993年發(fā)起至今已經(jīng)進行了22屆。評選由美國能源部的勞倫斯·伯克利國家實驗室、田納西大學和德國的曼海姆大學共同完成...

2003年7月23日，新華網(wǎng)報道，國家曙光信息產(chǎn)業(yè)集團宣布，2004年將建造一臺每秒10萬億次的超級計算機，代號為“曙光4000A”，將采用2000多個64位AMDOpteron處理器。

第十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日

2003年11月26日，北京晚報報道：清華大學研制出萬億次超級計算機“深超-21C”，最高速度到達15000億次/秒，在全球排在第78位。

2003年12月15日報道，曙光信息產(chǎn)業(yè)集團在北京宣布，將為上海超級計算中心建造一臺運算速度每秒十萬億次的高性能計算機，用于航天、航空、汽車制造和精確天氣預報。使我國成為繼美國和日本后，第三個擁有制造十萬億次超級計算機能力的國家。第十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日

2、微型機（微處理器）第一代：4位機，4040

第二代：8位機，8080，6800，Z80

第三代：16位機，8086，68000，Z8000

第四代：32位機，80386，68020，Z80000

第五代：64位機，Pentium,P2、P3、P4

半導體技術(shù)從1μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm0.18μm、0.15μm、0.13μm、0.1μm

80X86系列，奔4已達2.2GHZ(0.13微米）至3.4GHZ。微型機的核心部件是微處理器，也稱為CPU。我國的計算機產(chǎn)業(yè)就是要有自主知識產(chǎn)權(quán)的CPU。科學院：2002年9月龍芯1號（主頻300MHz）第十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日

2003年12月龍芯2號（主頻500MHz）上海交大：2003年2月漢芯1號（16位DSP）漢芯2號（24位DSP）

2003年12月漢芯3號（32位DSP）北京大學：眾志，1999年12月16位CPU2000年12月16/32位CPU2003年12月眾志-863CPU（用于網(wǎng)絡(luò)計算機）同濟大學：神芯1號、神芯2號（用于手機）中星微電子公司：星光1號、星光2號、星光3號北京中芯微系統(tǒng)公司：方舟1號、方舟2號、方舟3號復旦大學：神威1號（嵌入式32位CPU）哈工大：S698處理器（系統(tǒng)級設(shè)計平臺）3、超級微電腦比藥片還小的電腦進入人體。探索電腦與人腦的連接，將記憶芯片裝入大腦，使電腦直接接受人腦的意念。第十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日微處理器首批生產(chǎn)時間性能(MIPS)首批CPU頻率MHz集成度(百萬)寄存器寬度外部數(shù)據(jù)總線寬度最大尋址空間內(nèi)含高速緩存大小808619780.880.12916161MB無8028619822.712.50.134161616MB無80386DX19856.0200.27532324GB無80486DX198920251.232324GB8KBL1Pentium1993100603.132644GB16KBL1PentiumPro19954402005.5326464GB16KBL1256KB或512KBL2PentiumII19974662667326464GB32KBL1256KB或512KBL2PentiumIII199910005008.2326464GB32KBL1512KBL2PentiumIV2000

1000

100以上

32

64

64GB

L1、L2注:MIPS每秒百萬條指令微處理器地址與數(shù)據(jù)接口總線寬度第十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日二、光子計算機

光子計算機中信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)是光。電子在固體中最大運動速度是593公里/秒，而光速是30萬公里/秒。光子計算機利用光子取代電子進行數(shù)據(jù)運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠勝于電子計算機中通過電子“0”、“1”狀態(tài)變化進行的二進制運算，可以對復雜度高、計算量大的任務(wù)實現(xiàn)快速的并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

第十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日美國貝爾實驗室宣布研制出世界上第一臺光子計算機。它采用砷化鎵光學開關(guān)，運算速度達每秒10億次。盡管這臺光子計算機與理論上的光子計算機還有一定距離，但已顯示出強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，用光信號來存儲信息的光盤技術(shù)也已廣泛應(yīng)用。然而要想制造出真正的光子計算機，需要開發(fā)出可以用一條光束來控制另一條光束變化的光學晶體管這一基礎(chǔ)元件。一般說來，科學家們雖然可以實現(xiàn)這樣的裝置，但是所需要的條件如溫度等仍較為苛刻，尚難于進入使用階段。第十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日

美國馬薩褚塞州的一家光學技術(shù)公司-光導發(fā)光元件系統(tǒng)公司目前正與美國航空航天局馬歇爾航天中心合作開發(fā)用來制造光子計算機的：“光”路板，實現(xiàn)對光子移動的控制，并有望在今年（2000年）取得突破。1999年5月，在美國西北大學工作的新加坡科學家何盛中領(lǐng)導的一個有20多人的研究小組利用納米級的半導體激光器研出世界上最小的光子定耦合器，可以在寬度僅0.2至0.4微米的半導體層中對光進行分解和控制。

下面推薦幾片文章：第二十頁，共六十一頁，2022年，8月28日1、突破摩爾法則分子、dna、量子光子計算機展望_大眾科技科技時代_新浪網(wǎng)

摘要：

...突破摩爾法則分子、dna、量子光子計算機展望_大眾科技科技時代_新浪網(wǎng).首頁.●...聊天.●導航.新浪首頁.&科技時代.&大眾科技.&正文.突破摩爾法則分子、dna、量子光子計算機展望....據(jù)稱基于單個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。.

光子計算機.........第二十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日2、分子、dna、量子光子計算機展望/kjqy/file/0302.htm

2001/11/27

摘要：

...分子、dna、量子光子計算機展望.基礎(chǔ)研究.-....更多內(nèi)容.前沿搜索.首頁.&科技前沿.&高新技術(shù).&具體內(nèi)容.分子、dna、量子光子計算機展望...據(jù)稱基于單個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。.

光子計算機.........第二十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日

3、fjirsm

/kpsc/dnj.htm

[GB]

5117字節(jié)

2001/10/31

摘要：

...計算機的智能將超過人類，并根據(jù)計算機的發(fā)展歷史和人、機思維每秒運行的速度比較，預測，其時就在不久的將來——2050年。.未來的計算機：dna計算機、光子計算機、三維計算機、生物計算機和量子計算機。....其實，每個生物細胞里都在進行著極為復雜的信息流動。早在1994年科學家就已經(jīng)開始利用專門的dna微序列完成最簡單的數(shù)學計算。.二、光子計算機.光子運載信息的速度遠比電子來得快......第二十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日4、網(wǎng)易電腦頻道-21世紀的10大技術(shù)趨勢（下）58:8404/scienceimport/0802/010120_39798_32448.html

9713字節(jié)

2002/12/12

摘要：

....微光子技術(shù)是在精細范圍內(nèi)導光的技術(shù)，如同微電子技術(shù)可以制造電子集成電路、電子設(shè)備和電子計算機，微光子技術(shù)同樣可用于制造光子集成電路、光子設(shè)備和光子計算機。微光子學的前沿技術(shù)取得最新成果...目前，科學家正在研究光子晶體的理論極限，開發(fā)光子集成電路的關(guān)鍵技術(shù)和構(gòu)筑件。展望將來，微光子技術(shù)發(fā)展前景無限，它不僅僅給電訊技術(shù)造成巨大沖擊，誰又能預測超高速的光子計算機何時問世呢？.微流體技術(shù).........第二十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日

光子計算機研究取得的新進展

2002年08月22日

導語：據(jù)8月號《光譜》雜志封面文章載文指出，計算機內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸與城市交通正好相反。在微處理器的“鬧市區(qū)”，即其內(nèi)核，數(shù)據(jù)以驚人的速率傳輸。但在遠離“鬧市”的地方

，也就是將微處理器與微處理器、電路板與電路板連接起來的導線所形成的“寬闊道路”上，相比之下，數(shù)據(jù)傳輸速度可以用“爬行”來形容。英特爾的奔騰4處理器工作主頻高達2.4GHz，但是系統(tǒng)總線卻只有400MHz。數(shù)據(jù)離開計算機進入全球高速光纖電信網(wǎng)絡(luò)之后，傳輸速度再次提

第二十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日升。消除計算機內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，是擺在科技人員面前的一大課題。不少科技人員提出，以高速率的光連接技術(shù)取代目前計算機中所采用的銅導線，以光子而不是電子為媒介，在電路板、芯片甚至芯片的各個部分之間傳輸數(shù)據(jù)。他們設(shè)想，微處理器產(chǎn)生的電信號作用于激光發(fā)生器，激光束直接或通過波導管傳輸?shù)焦怆娞綔y器，探測器再將信號傳輸?shù)狡淠康牡?。科學家們已經(jīng)研制出可將距離不超過300米的計算機系統(tǒng)相互連接起來的光學裝置；第二十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日以提高計算機內(nèi)不同部件數(shù)據(jù)傳輸率為目標的光學裝置也正在研究開發(fā)之中。下一步，他們還將研究出能夠提高芯片之間或大規(guī)模平行計算所需要的芯片堆棧數(shù)據(jù)傳輸帶寬的裝置。開發(fā)這類裝置所需要的基本材料已經(jīng)具備，如廉價的激光發(fā)生器、靈敏度很高的探測器和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。只要解決好了光學傳輸裝置運行穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本降低到可接受程度這兩大問題，用它們?nèi)〈~導線的日子就為期不遠了。第二十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日以波導管為主的光傳輸裝置占主流目前世界上許多研究機構(gòu)都采用波導管設(shè)計，比較典型的有德國戴姆勒-克萊斯勒研究所開發(fā)的計算機光傳輸板。該裝置的激光二極管產(chǎn)生的激光穿過一組透鏡經(jīng)微反射鏡反射，到達聚合物波導管，然后再逆行經(jīng)過上述過程，傳導至光電二極管，再恢復成電信號。原型機的數(shù)據(jù)傳輸率達1Gb/秒。目前該研究所正在開發(fā)數(shù)據(jù)帶寬達10Gb/秒的裝置。美國一家成立才兩年的公司—普利馬里安公司正在開發(fā)的裝置全部采用光纖作為導線，芯片產(chǎn)生的電信號通過電路板傳至激光驅(qū)動芯片，后者對信號進行處理并發(fā)送出去。第二十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日連接激光驅(qū)動芯片的模塊可產(chǎn)生一組12束VCSEL激光，光束通過光纖傳送至另外一塊電路板上相同裝置，光電探測器拾取信號并傳送至接收芯片進行處理和恢復成電信號。

專家指出，不出兩到三年的時間，就將出現(xiàn)使用光學I/O設(shè)備的計算機；最終，采用光纖傳導的主板將取代今天的銅導線主板。以光纖作為傳導的產(chǎn)品已經(jīng)在市面上展露身影，不過不是應(yīng)用于計算機。2000年底，安捷倫科技公司就開始銷售一種可將距離300米遠的計算機相互連接起來的光學聯(lián)網(wǎng)裝置，數(shù)據(jù)傳輸率可達10GB/秒。該裝置由4個發(fā)射器和接收器組成，通過4條光纖(4通道)相連。12通道的產(chǎn)第二十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日品數(shù)據(jù)傳輸率最高可達40GB/秒，不過一次只能進行一個方向的傳輸。

直接光互連：開發(fā)高性能計算機的絕妙方法通過波導管傳輸激光信號的設(shè)計相對不那么復雜，可在短期內(nèi)達到推廣要求，但要開發(fā)高性能計算機，還必須另想辦法。讓芯片與芯片通過空中直接實現(xiàn)光互連，就是科技專家想出的一個絕妙辦法。

美國加利福尼亞大學專家開發(fā)出一種試驗裝置，高2厘米，成功實現(xiàn)了CMOS芯片堆棧的光互連。每塊芯片堆棧上覆蓋一塊由256枚激光發(fā)生器和光電二極管組成的光學芯片。激光發(fā)射后，垂直向上，在傳輸至第三十頁，共六十一頁，2022年，8月28日另一塊芯片堆棧時，同樣是以垂直方式。在兩塊芯片之間，激光經(jīng)過衍射柵、透鏡和調(diào)整反射鏡進行導向。該裝置的256枚激光發(fā)生器的數(shù)據(jù)傳輸率均為1GB/秒。雖然多數(shù)研究人員認為這種空間連接方式需要很長時間研究，才能形成成熟產(chǎn)品，但是在北美、日本和歐洲等地，越來越多開發(fā)高性能計算機系統(tǒng)的學者積極投身這種研究。其原因很簡單：在傳統(tǒng)方式下，超級計算機被設(shè)定用于某種任務(wù)之后，如果想讓它來完成另外一種任務(wù)，它當前的配置就不是最理想的了。而采用空間光學連接方式之后，只要將激光導向不同的光電探測器，就可改變芯片之間的交流方式，達到輕松更改系統(tǒng)配置的目的。(王倫編譯)第三十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日三、量子計算機將量子力學原理用于計算機。去年7月4日，德國慕尼黑技術(shù)大學和美國哈佛大學等機構(gòu)的科學家宣布，他們已研制出了五量子位的核磁共振量子計算機，并成功地通過試驗計算。傳統(tǒng)計算機用電位的高低表示０和１，進行二進制運算；而量子計算機則基于“量子位”。二進制位只能用“0”和“1”兩個狀態(tài)表示信息，目前傳統(tǒng)半導體制造技術(shù)已經(jīng)接近發(fā)展極限，而“量子位”可用粒子的量子力學狀態(tài)來表示信息，第三十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日利用粒子自旋的特殊性質(zhì)，快速處理大量的信息。由于量子世界的不確定性，“量子位”可以包含所有可能數(shù)值的不確定狀態(tài)。因此，量子計算機可以實現(xiàn)電子計算機無法進行的復雜計算。量子計算的關(guān)鍵是要在原子水平上實現(xiàn)對量子的控制。對此目前有數(shù)種方案。核磁共振量子計算機的機理是通過核磁共振效應(yīng)來控制量子。德美科學家新研制出的量子計算機使用了一種由五個核自旋對組成的特殊化合物，并以射頻脈沖序列發(fā)生器來控制原子核自旋對，另外還使用了多通道核磁共振頻道儀。第三十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日

其中，由四種元素組成的特殊化合物是該量子計算、機的關(guān)鍵。這一化合物由慕尼黑技術(shù)大學有機化學教授格拉澤設(shè)計合成。格拉澤認為，五量子位量子計算機的計算能力與目前的電子計算機相比還有較大差距，但它是量子計算機的新發(fā)展。它的機理是研制更大量子位量子計算機的基礎(chǔ)。據(jù)《日本經(jīng)濟新聞》報道，量子計算機利用了“量、子效應(yīng)”原理，與現(xiàn)有的超級計算機相比，它的運算速度要快一億倍，是今后高速解析基因、準確進行氣象預報和經(jīng)濟預測等所必需的工具。人民日報網(wǎng)絡(luò)版8月21日訊

近日，世界上最先進的量子計算機在第三十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日IBM阿蒙德（Almaden）研究中心研制成功。科學家宣稱量子計算機能夠解決傳統(tǒng)計算機難以完成的計算問題。

下面推薦幾片文章：1、量子計算機:計算機時代的新革命

2001年07月04日來源:硅谷動力楊建民

/Archive/2001/7/4-10784.html

2、量子信息講座，第一講

量子計算機中國科學技術(shù)大學物理系段路明

郭光燦

3、計算機技術(shù)發(fā)展的一個新方向—量子計算機量子信息與測量教育部重點實驗室，清華大學物理系龍桂魯教授

第三十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日4、從數(shù)字時代到量子時代：美國著名科學家KAKU談量子計算機

5、印度科學家預言量子計算機將在5年內(nèi)問世

2000/01/12

11:08科技日報6、量子計算機

7、德科學家研制出五量子位量子計算機

8、科技文萃—美研制出量子計算機

第三十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日量子計算機:計算機時代的新革命

2001年07月04日來源:硅谷動力楊建民對于那些研制量子計算機的人員來說，速度是非常重要的，因為量子數(shù)據(jù)從出現(xiàn)到消失的時間只有十億分之一秒，這樣的短的時間對于想把握和處理它的科學家來說實在是太短了。但是在今天這個時代，有新的報告說已經(jīng)有了處理這種超高速數(shù)據(jù)的手段。這個發(fā)現(xiàn)雖然很小但是卻非常重要。它的運算速度將會使目前的超級計算機成為歷史。在傳統(tǒng)計算機和量子計算機里，資料表現(xiàn)為字節(jié)，以0和1兩種形態(tài)存儲在計算機里，但是量子計算機卻另有一個驚人的存儲形式，它具有量子計算機一種模糊存儲的概念，其優(yōu)勢在于第三十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日大家所熟知的“狀態(tài)疊加”，也就是說一個電子旋轉(zhuǎn)的方向同時反復存在于某種狀態(tài)，這就有條件去對它進行測量和觀察。舉例來說，作為普通計算機存儲形式0和1的替代，量子計算機中的字節(jié)（或者叫做qubit）可以是三分之一個一或者是三分之二個零，也可以是其它任意的組合。這種模糊數(shù)據(jù)被邏輯糸統(tǒng)處理，計算機同時計算各種可能的結(jié)果。問題在于，量子計算機中的字節(jié)里存儲的數(shù)據(jù)是研究人員希望去進行全面而徹底的運算的——但是它們在裝進量子計算機后卻會極快的消失。第三十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日為了促進量子信息的快速發(fā)展，物理學家維·奧斯坎勒和他在加利弗尼亞大學，賓夕法尼亞州立大學圣巴巴拉和其它一些大學的同事們開始用一種叫做硒鋅合金的半導體材料（ZnCdSe）和激光設(shè)備，促使電子圍繞這種材料進行旋轉(zhuǎn)。在(ZnCdSe)材料中，量子運動中還有一個外加磁場，在通常狀況下，ZnCdSe合金中的電子流散亂而無方向性。但是在100飛秒（毫微微秒）藍色激光脈沖的循環(huán)沖擊下，研究人員成功地將一組電子驅(qū)入了同步旋轉(zhuǎn)的軌道。為了控制這種旋轉(zhuǎn)，研究人員激發(fā)出二次100飛秒的脈沖——一種含有量子的藍綠色光譜。在個別情況下，這種量子的能量較低而易被半導體合金中的電子所吸收。奧第三十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日斯坎勒解釋說，當這些低能量電子經(jīng)由半導體合金時，電子組群會有效地制造出一個磁場，這個磁場會將在原來軌道上旋轉(zhuǎn)的電子改變方向而使其處于一種新的狀態(tài)。從理論上講，技術(shù)上可以允許研究人員在量子信息消失之前完成一百萬次這樣的操作，雖然研究小組到現(xiàn)在為止還沒有表明這種機器的計算能力。量子信息技術(shù)的發(fā)展是非常迅速的，量子力學專家斯多特·沃爾夫說：“這是個非常重要的里程碑?！钡谒氖摚擦豁?，2022年，8月28日

Isaac

L.

Chuang是研究小組領(lǐng)導人，領(lǐng)導著來自IBM研究院、斯坦福大學以及Calgary大學的科學家，他說：“預計2020年將是量子計算機的時代，摩爾定律不再實用，集成電路將由分子和原子直接構(gòu)成。事實上，構(gòu)成量子計算機的基本元素就是分子和原子?！?/p>

第四十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日

量子計算機量子計算機是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。

20世紀60年代至70年代，人們發(fā)現(xiàn)能耗會導致計算機中的芯片發(fā)熱，極大地影響了芯片的集成度，從而限制了計算機的運行速度。研究發(fā)現(xiàn)，能耗來源于計算過程中的不可逆操作。那么，是否計算過程必須要用不可逆操作才能完成呢？問題的答案是：所有經(jīng)典計算機都可以找到一種對應(yīng)的可逆計算機，而且不影響運算能力。既然計算機中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那么在量子力學中，它就可以用一個幺正變換來表示。早期量子計算機，實際上是用量子力學語言描述的經(jīng)典計算機，并沒有用到量子力學的本質(zhì)特性：第四十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日如量子態(tài)的疊加性和相干性。在經(jīng)典計算機中，基本信息單位為比特，運算對象是各種比特序列。與此類似，在量子計算機中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上。這些特殊的量子態(tài)，不僅提供了量子并行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質(zhì)。與經(jīng)典計算機不同，量子計算機可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進行測量得出計算結(jié)果。因此，量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充，在數(shù)學形式上，經(jīng)典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計算稱作量子并行計算。除了進行并行計算外，量子計算機的另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項工作是經(jīng)典計算機無法勝任的。

第四十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。遺憾的是，在實際系統(tǒng)中量子相干性很難保持。在量子計算機中，量子比特不是一個孤立的系統(tǒng)，它會與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，導致量子相干性的衰減，即消相干。因此，要使量子計算成為現(xiàn)實，一個核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發(fā)現(xiàn)的克服消相干最有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經(jīng)典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優(yōu)點為適用范圍廣，缺點是效率不高。

迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。但是世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現(xiàn)量子計算，方案并不少，問題是在實驗上實現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實太困難了。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原第四十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等?，F(xiàn)在還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。將來也許現(xiàn)有的方案都派不上用場，最后脫穎而出的是一種全新的設(shè)計，而這種新設(shè)計又是以某種新材料為基礎(chǔ)，就像半導體材料對于電子計算機一樣。研究量子計算機的目的不是要用它來取代現(xiàn)有的計算機。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。量子計算機的作用遠不止是解決一些經(jīng)典計算機無法解決的問題。摘自《科技日報》第四十五頁，共六十一頁，2022年，8月28日

四、生物計算機

美國普林斯頓大學的研究人員新近開發(fā)出一種使用ＲＮＡ（核糖核酸）來解決計算問題的簡單的生物計算機，這是分子計算領(lǐng)域取得的新突破?？茖W家研制的RNA計算機實際上是一個含有1024種不同RNA鏈的試管。研究者指出，用分子計算來處理某些問題比傳統(tǒng)的計算方法更為有效。將生命活動的指令進行編碼的遺傳分子DNA和RNA里可儲存比常規(guī)存儲芯片更多的數(shù)據(jù)，試管狀的第四十六頁，共六十一頁，2022年，8月28日生物計算機中含有大量遺傳物質(zhì)片段，每一個片段就是一個微型計算工具，因此生物計算機能夠同時進行數(shù)千次甚至上百萬次計算。蘭德韋貝指出，ＲＮＡ計算機在研制方面比ＤＮＡ計算機有優(yōu)越性，因為研究人員不能隨心所欲地剪切ＤＮA分子，但只需一把“全球通剪刀”即一種切割酶就能隨意剪切ＲＮＡ分子。自１９９４年美國南加州大學的科學家首次提出ＤＮＡ計算機理論以來，生物計算機日益引起關(guān)注，美國現(xiàn)有十多個研究小組從事此類研究。第四十七頁，共六十一頁，2022年，8月28日下面推薦幾片文章：1、生物計算機——日本的下一代計算機/html/29/10110599.htm

2、以色列研制出微型生物計算機

33/jkzx/qy/new/200111/2623177.html

3、熱點透視:計算機＋生物技術(shù)＝？

/cyzx4010.htm

4、美正在研發(fā)dna生物計算機大量復雜問題輕松搞定_硬件科技時代_新浪網(wǎng)2002/10/7

/h/n/2002-03-30/109222.shtml

第四十八頁，共六十一頁，2022年，8月28日

5、dna計算機1/zhangxw/tsg/tsg26.htm

2002/1/13

摘要：

...這些計算機使用的生物操作只有合成、剪接（切割一連接）和抽取。.理論上dna計算機具有現(xiàn)代電子計算機同樣的計算能力，但它具有的巨大潛力（功能）卻是電子計算機不可比擬的：dna計算機運算速度極快，其幾天的運算量就相當于計算機問世以來世界上所有計算機的總運算量；它的貯存容量非常大，1立方分米的dna溶液可以存儲1萬億億位二進制的數(shù)據(jù)，超過目前所有計算機的存儲容量；它的能量消耗只有一臺普通計算機的十億分之一。如此優(yōu)越的分子計算機當然是激動人心的。第四十九頁，共六十一頁，2022年，8月28日

6、.以色列科學家設(shè)計出dna計算機，等3條新聞/jrxw/015.htm

2001/12/31

摘要：

...以色列科學家已經(jīng)設(shè)計了一種dna計算機，這種計算機如此之小，以至于萬億個這樣的計算機都可以放在同一個試管中，每秒進行十億次運算，精確度可達99.8%。這種計算機的輸入、輸出和軟件不是使用數(shù)字和規(guī)則，而是由dna分子組成，這些分子進行編碼信息的有機存儲和處理。.科學家認為這種dna計算機未來將成為傳統(tǒng)計算機的強大競爭者。因為dna在速度上有更大的發(fā)展?jié)摿?。以色列威斯曼學院的教授夏皮羅表示：“我們已經(jīng)設(shè)計了生物分子計算機。當萬億個這樣的計算機一起運行時......第五十頁，共六十一頁，2022年，8月28日

生物計算機70年代就有人發(fā)現(xiàn)，脫氧核糖核酸處在不同狀

態(tài)下，可產(chǎn)生有信息和無信息。聯(lián)想到晶體管的通導

或截止電壓的高或低、脈沖信號的有或無等等，激發(fā)

了科學家們?nèi)パ兄粕镫娮釉撵`感。脫氧核糖核酸即DNA，由于生物電子元件比硅

芯片上的電子元件要小很多，甚至可小到幾十億分

之一米。而且，生物芯片本身具有天然獨特的立體化

結(jié)構(gòu)，其密度要比平面型硅集成電路高5個數(shù)量

級。如果讓幾萬億個DHA分子在某種酶的作用下進

行化學反應(yīng)，就能使DNA計算機同時運行幾十億

次，這就意味著運算速度要比當今最新一代超級計

算機快十萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的十億分之一，第五十一頁，共六十一頁，2022年，8月28日且具有巨大的存儲能力。如體積為一立方米的液體DNA計算機，存儲的信息比世界上所有計算機存儲的信息總和還要多。美國科學家首創(chuàng)的DNA計算法，就是利用核苷酸A與T、G與C各自的

結(jié)合方式，成功地求解了復雜的數(shù)學難題，他們還計

劃繼續(xù)求解更多的數(shù)學難題。預計有可能在今后5年內(nèi)將實用的生物計算機推向世界。許多科學家認

為，21世紀將是生物計算機的時代。第五十二頁，共六十一頁，2022年，8月28日

世界最小生物計算機問世:靠DNA運行

2003-02-27

日前，以色列科學家研制出一“臺”速度達每秒330萬億次運算的生物計算機。這種計算機的運算速度比現(xiàn)在普通計算機快10萬倍。它的運算速度何以如此之快？其中的奧秘是：它依靠DNA運行。

美國《國家地理》雜志報道稱，一年前，以色列維茨曼科學研究所的研究人員開發(fā)出一種由DNA和生物酶分子制成的可運行程序的分子計算機?，F(xiàn)在，該研究所的研究人員又研制出一種速度更快的計算機。這種計算機中的DNA既可以為整個計算機提供輸入信息，又可以為計算機提供運行所必須的能量。

這種計算第五十三頁，共六十一頁，2022年，8月28日機可以算得上生物計算機上的一個巨大進步。上周，吉尼斯世界紀錄宣布這臺計算機是世界上迄今為止最小的生物計算

目前，生物計算機僅處于起步階段，要想真正了解更多的奧秘還需學應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)它將發(fā)揮更為重要的作用。這種計算機內(nèi)部有一個叫FokI的生物酶，F(xiàn)okI生物酶打破DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中的連接鍵，DNA就可以為計算機提供足夠的能量。利用DNA來儲存和處理信息的創(chuàng)意始于1994年，當時一位加州科學家首次使用試管中的DNA來解一道簡單的數(shù)學題。其實，這種創(chuàng)意最終還是來自于大自然。大自然中早就存在生物納米計算機，幾乎所有的生物中都含有這樣的計算裝置。但是，第五十四頁，共六十一頁，2022年，8月28日這些天然的計算裝置不是由人類控制的。比如，我們就無法讓一棵樹計算出圓周率小數(shù)點后面的數(shù)字。因此，科學家就想研制出一臺