計算機史話之計算機未來發(fā)展趨勢

二十算機史話?計算機未來發(fā)展趨勢

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，PC將成為我們工作上的

工具，生活中的控制中心是必然的事情。計算機的未來

充滿了變數(shù)。性能的大幅度提高是不可置疑的，而實現(xiàn)

性能的飛躍卻有多種途徑。不過性能的大幅提升并不是

計算機發(fā)展的唯一路線，計算機的發(fā)展，還應(yīng)當(dāng)變得越

來越人性化，同時也要注重環(huán)保等等。

基于集成電路的計算機短期內(nèi)還不會退出歷史舞

臺。但一些新的計算機正在躍躍欲試地加緊研究，這些

計算機是：超導(dǎo)計算機、納米計算機、光計算機、DNA

計算機和量子計算機等。

超導(dǎo)計算機

芯片的集成度越高，計算機的體積越小，這樣才不致因信號傳輸而

降低整機速度。但這樣一來就使機器發(fā)熱嚴重。解決問題的出路是研

制超導(dǎo)計算機。電流在超導(dǎo)體中流過時，電阻為零，介質(zhì)不發(fā)熱。

1962年，英國物理學(xué)家約瑟夫遜提出了“超導(dǎo)隧道效應(yīng)”，即由超導(dǎo)

體一絕緣體一超導(dǎo)體組成的器件（約瑟夫遜元件），當(dāng)對其兩端加電

壓時，電子就會像通過隧道一樣無阻擋地從絕緣介質(zhì)穿過，形成微小

電流，而該器件兩端的壓降幾乎為零。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體計算機相比，

使用約瑟夫遜器件的超導(dǎo)計算機的耗電量僅為其幾千分之一，而執(zhí)行

一條指令所需的時間卻要快100倍。1999年11月，日本超導(dǎo)技術(shù)研究

所與企業(yè)合作，制作了由1萬個約瑟夫遜元件組成的超導(dǎo)集成電路芯

片。據(jù)悉，該所定于2003年生產(chǎn)這種超導(dǎo)芯片，2010年前后制造出這

種超導(dǎo)計算機。，二，—二

納米計算機

在納米尺度下，由于有量子效應(yīng)，硅微電子芯片便不能工

作。其原因是這種芯片的工作，依據(jù)的是固體材料的整體

特性，即大量電子參與工作時所呈現(xiàn)的統(tǒng)計平均規(guī)律。如

果在納米尺度下，利用有限電子運動所表現(xiàn)出來的量子效

應(yīng)，可能就能克服上述困難。可以用不同的原理實現(xiàn)納米

級計算，目前已提出了四種工作機制：

(1)電子式納米計算技術(shù)；

(2)基于生物化學(xué)物質(zhì)與DNA的納米計算機；

(3)機械式納米計算機；

(4)量子波相干計算。它們有可能發(fā)展成為未來納米計算

機技術(shù)的基礎(chǔ)。

光子計算機

與傳統(tǒng)硅芯片計算機不同，光計算機用光束代替電子進

行計算和存儲：它以不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，以大

量的透鏡、棱鏡和反射鏡將數(shù)據(jù)從一個芯片傳送到另一個

芯片。研制光計算機的設(shè)想早在20世紀50年代后期就已提

出。1986年，貝爾實驗室的戴維?米勒研制成功小型光開

關(guān)，為同實驗室的艾倫.黃研制光處理器提供了必要的元

件。1990年1月，黃的實驗室開始用光計算機工作。光計

算機有全光學(xué)型和光電混合型。上述貝爾實驗室的光計算

機就采用了混合型結(jié)構(gòu)。相比之下，全光學(xué)型計算機可以

達到更高的運算速度。研制光計算機，需要開發(fā)出可用一

條光束控制另一條光束變化的光學(xué)“晶體管”?，F(xiàn)有的光

學(xué)“晶體管”龐大而笨拙，若用它們造成臺式計算機將有

輛汽車那么大。因此，要想短期內(nèi)使光學(xué)計算機實用化還

很困難。

DNA計算機

1994年n月，美國南加州大學(xué)的阿德勒曼博士用DNA堿基對

序列作為信息編碼的載體，在試管內(nèi)控制酶的作用下，使DNA堿

基對序列發(fā)生反應(yīng)，以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)運算。阿德勒曼在《科學(xué)》

上公布了DNA計算機的理論，引起了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。阿德

勒曼的計算機的計算與傳統(tǒng)的計算機不同，計算不再只是簡單

的物理性質(zhì)的加減操作，而又增添了化學(xué)性質(zhì)的切割、復(fù)制、

粘貼、插入和刪除等種種方式。DNA計算機的最大優(yōu)點在于其

驚人的存儲容量和運算速度：1立方厘米的DNA存儲的信息比一

萬億張光盤存儲的還多；十幾人小時的DNA計算，就相當(dāng)于所有

電腦問世以來的總運算量。更重要的是，它的能耗非常低，只

有電子計算機的一百億分之一。與傳統(tǒng)的“看得見、摸得著”

計算機不同，目前的DNA計算機還是躺在試管里的液體。它離開

發(fā)、實際應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x，尚有許多現(xiàn)實的技術(shù)性問題需

要去解決。如生物操作的困難，有時輕微的振蕩就會使DNA斷

裂；有些DNA會粘在試管壁、抽筒尖上，從而就在計算中丟失了

預(yù)計，10到20年后，DNA計算機才可能進入實用階段。

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IRI^LOOI機

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量子計算機

量子計算機以處于量子狀態(tài)的原子作為中央處理器和內(nèi)存，

利用原子的量子特性進行信息處理。由于原子具有在同一時間

處于兩個不同位置的奇妙特性，即處于量子位的原子既可以代

表0或1,也能同時代表0和1以及0和1之間的中間值，故無論從

數(shù)據(jù)存儲還是處理的角度，量子位的能力都是晶體管電子位的

兩倍。對此，有人曾經(jīng)作過這樣的比喻：假設(shè)一只老鼠準備繞

過一只貓，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)理論，它要么從左邊過，要么從右

邊過，而根據(jù)量子理論，它卻可以同時從貓的左邊和右邊繞過

量子計算機在外形上有較大差異，它沒有盒式外殼；看起來像

是一個被其它物質(zhì)包圍的巨大磁場；它不能利用硬盤實現(xiàn)信息

的長期存儲；但高效的運算能力使量子計算機具有廣闊的應(yīng)用

前景。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。這些計算機機異常敏

感，哪怕是最小的干擾一比如一束從旁邊經(jīng)過的宇宙射線一也

會改變機器內(nèi)計算原子的方向，從而導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。目前，

量子計算機只能利用大約5個原子做最簡單的計算。要想做任

何有意義的工作都必須使用數(shù)百萬個原子

-Orion量子計算機

一用于將量子計算機冷卻在5K

溫度下的散熱裝置

集成了16個量子

比特的計算機一

人工智的發(fā)展前景

邏輯學(xué)、認知科學(xué)交叉形成的一門

科學(xué)。其基本目標就是使機器表現(xiàn)

出類似人類的智慧,使機器具有類

似人類的智能行為，使機器思維

(MakingMachine“Think")矢口臺b

接接口口技技術(shù)術(shù)是是研研究如何使人人們能夠方

便自然地與計算機交流。為了實現(xiàn)

這一目標，要求計算機能夠看懂文

字、聽懂語表口、說話表達，甚至能

夠進行不同語言之間的翻譯，而這

些功能的實現(xiàn)又依賴于知識表示方

法的研究。

因此，智能接口技術(shù)的研究既有巨大的應(yīng)用價值，又有基礎(chǔ)的理論意義。目前，

智能接口技術(shù)已經(jīng)取得了顯著成果，文字識別、語音識別、語音合成、圖像識別、

機器翻譯以及自然語言理解等技術(shù)已經(jīng)開始實用化。

未來計算機的發(fā)展方向

隨著計算機信息技術(shù)滲透到經(jīng)濟社會生活的各個領(lǐng)域，世界正逐步進

入到以信息產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的新經(jīng)濟時代，互聯(lián)網(wǎng)、移動電話、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

的發(fā)展，對人類經(jīng)濟社會將產(chǎn)生巨大的影響。到2020年，計算機將具

備各種基本感覺功能，包括聽、說、看、嗅、觸等，這是我們目前正

在研究的方向。JL

對計算機未來的發(fā)展，能概括為三個方面:■一是向“高I的方向。性能越

來越高，速度越來越快。主要表現(xiàn)為計算機的主頻越來越高；二是向

并行處理發(fā)展。器件速度通過發(fā)明新器件，如量子器件，采用納米工

藝、片上系統(tǒng)等技術(shù)還可以提高幾個數(shù)量級。以大規(guī)模并行為標志的

體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新與進步，是提高計算機系統(tǒng)性能的另［重要途徑；第

三個方向便是“深”度發(fā)展，即向信息的智能化發(fā)展。例如，網(wǎng)上有大量

的信息，怎樣把這些浩如煙海的東西變成你想要的知識，這是計算科

學(xué)需要解決的重要課題，這不是簡單地點擊一個網(wǎng)站，里面就能搜索到

與其相匹配的內(nèi)容，而是需要計算機將收集到的知識系統(tǒng)化。人機界

面也將變得更加智能友好——未來你可以用你的自然語言與計算機打

交道，甚至可以用你的表情、手勢等各種方式同時與計算機進行溝通。

人機間的生理界限將消失

早在今年年初，微軟董事長比爾?蓋茨在接受英國廣播公司采訪時曾

預(yù)言，電腦鍵盤和鼠標將會被更新?lián)Q代，在未來5年內(nèi)逐步被更為自

然、更直觀性的科技手段代替，觸摸式、視覺型以及聲控界面會被廣

泛應(yīng)用。然而事物的發(fā)展是否真能如人所愿呢？

有多項計算機發(fā)明的發(fā)明人、留日學(xué)者邱波認為，常規(guī)媒介有很大的

局限性，例如鼠標外接于主機，在操作時由于鍵盤與鼠標（或手寫板）

分離，需要頻繁的移動前臂，工作效率低，同時攜帶也不方便。隨著

電腦、電視、手機、PDA等的融合趨勢越來越明顯，新一代人機交互

系統(tǒng)孕育而生，如觸摸式、視覺型以及聲控界面都將被廣泛應(yīng)用到計

算機領(lǐng)域。

因此，當(dāng)人機交互裝置從“鼠標鍵盤時代”走向“觸摸式”、“聲控界面”或

“視覺型”時，人機之間的生理界限將逐步消失，乃至徹底消失。到那

個時候，人類可以直接通過語言和機器進行控制和交流，甚至只需要

一個眼神、一個手勢，計算機就能很快做出反應(yīng)，見機行事。另外，

在未來，一些超微型的計算機系統(tǒng)將被植入人體，充當(dāng)人的感覺、生

=理器官，由此計算機與人會復(fù)合成一體，界限消失。

不用鍵盤，扔掉鼠標，能辨聲識像的未來電腦將帶

來一種新的人機交流模式。微軟最近的一項分析報告描繪

出了計算機新的未來之路——人與計算機之間的生理界限

將在10年后徹底消失。那么——未來十年，計算機將怎樣

與您親密接觸呢。

最近，美國微軟公司發(fā)布了一項題為《人類的本質(zhì)：2020

年的人機交互》的分析報告，稱人與計算機之間的生理界

限將在10年后徹底消失，與此同時，人類對技術(shù)的依賴將

有所增強，人們?nèi)粘Ｊ褂玫氖髽?、鍵盤和顯示器等常規(guī)媒

介將發(fā)生變化，變成更為直觀的媒介，例如觸摸屏輸入系

統(tǒng)和聲音識別系統(tǒng)。那么，至U了2020年，計算機將發(fā)展到

什么程度？人機之間的生理界限會真的消失嗎？

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