基于發(fā)展視角的計(jì)算機(jī)前沿技術(shù)思考

許彩芳 查道貴

（宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)信息系 安徽·宿州 234101）

超小型體積、超高速運(yùn)算能力及高安全性是未來計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)，而智能化與并行處理功能則是未來計(jì)算機(jī)技術(shù)的高端走向。 自1946 年誕生第一臺(tái)應(yīng)用電子運(yùn)算的計(jì)算機(jī)起，世界便到處閃亮這樣光彩奪目的身影，在歷經(jīng)一次次的技術(shù)創(chuàng)新，歷經(jīng)無數(shù)次的升級(jí)換代后，今天計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。 然而，創(chuàng)新無止境，伴隨各行各業(yè)尖端技術(shù)的海量需求，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)性能再次迎來時(shí)代挑戰(zhàn)。 挑戰(zhàn)面前，不甘寂寞的開發(fā)者開始從計(jì)算機(jī)原理上找尋再發(fā)展的新突破口，一系列符合時(shí)代發(fā)展需求的新機(jī)種應(yīng)運(yùn)而生。 未來的計(jì)算機(jī)將開辟全新的人工智能時(shí)代， 全面推動(dòng)新一輪的技術(shù)革命，必將對(duì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響，成為人類社會(huì)進(jìn)步的有力推手。

一、計(jì)算機(jī)智能化綜述

為獲得超高速計(jì)算能力， 改進(jìn)了計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，而平行處理尖端技術(shù)的應(yīng)用將這種能力送達(dá)頂峰。將多條指令一并執(zhí)行以及同步執(zhí)行眾多指令是其超高速運(yùn)算特色，而作為平行數(shù)據(jù)處理技術(shù)的主要手段，不論技術(shù)如何復(fù)雜高端，都以提高運(yùn)算速度為目的， 同時(shí)也揭開了計(jì)算機(jī)技術(shù)革新的新一頁(yè)。超級(jí)計(jì)算機(jī)的超級(jí)計(jì)算能力，離不開成百上千乃至過萬的處理器的平行協(xié)作，其海量數(shù)量處理能力讓傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以望其項(xiàng)背。 超高速新型計(jì)算機(jī)的最大特點(diǎn)在于平行性處理技術(shù)改進(jìn)與采用，亮點(diǎn)在于能夠保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)，兼顧多條指令的執(zhí)行與多個(gè)數(shù)據(jù)的并行處理，對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度是一種里程碑式的跨越與提高。 計(jì)算機(jī)的超級(jí)智能化是通過成百上千甚至數(shù)以萬計(jì)以上的處理器綜合實(shí)現(xiàn)的，能夠完成當(dāng)今普通計(jì)算機(jī)與服務(wù)器無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)。 正因?yàn)榫哂辛顺?jí)運(yùn)算能力，讓此類計(jì)算機(jī)能輕松勝任大型的數(shù)據(jù)分析與綜合式VR 模擬等任務(wù)， 從而實(shí)現(xiàn)各高端領(lǐng)域的項(xiàng)目集成研究與全面開發(fā)。 就目前而言，世界上超級(jí)巨型計(jì)算機(jī)已具備了相當(dāng)?shù)闹悄芑煞?，基本具備人類大腦的復(fù)制能力，逐步成為替代人們工作、服務(wù)人們學(xué)習(xí)生活必不可少的工具。 正如當(dāng)下的許多影視劇和動(dòng)畫片中，那些令人悅目的特技效果大都是通過超級(jí)計(jì)算機(jī)來完成的，隨著計(jì)算機(jī)智能化的進(jìn)一步發(fā)展，運(yùn)作成本將微乎其微，一切均會(huì)變得輕而易舉。目前，擁有萬億次/秒超級(jí)運(yùn)算計(jì)算機(jī)，除我國(guó)之外，世界上還有日本與以色列、美國(guó)與印度，其他西方國(guó)家與發(fā)展中國(guó)家也競(jìng)相研發(fā)，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)形成超級(jí)計(jì)算機(jī)開發(fā)與創(chuàng)新的時(shí)代新浪潮，未來計(jì)算機(jī)超級(jí)智能化指日可待。

二、新型計(jì)算機(jī)的技術(shù)前沿解析

（一）蓄勢(shì)待發(fā)的量子型計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)源自于可逆計(jì)算的理論研究，是基于量子力學(xué)原理通過數(shù)學(xué)邏輯與高速運(yùn)算、量子信息存儲(chǔ)與處理的一類物理裝置。 受量子效應(yīng)啟發(fā)，科學(xué)家才有了量子計(jì)算機(jī)的開發(fā)理念。 它通過分子的一種鏈狀聚合特性表現(xiàn)開合兩種狀態(tài)；在脈沖激光的作用下來改變狀態(tài)，并且信息能夠沿循聚合物達(dá)到鏈狀移動(dòng)，從而完成運(yùn)算的目的，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是通過量子位和基于量子的疊加效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。 另外，量子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量是當(dāng)下傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法比擬的，其運(yùn)算速度同樣超乎想象，要比當(dāng)前計(jì)算機(jī)快出10 億倍之多；正如大家所熟知的那樣，量子技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全同樣影響重大，它的出現(xiàn)還將深刻影響到現(xiàn)有的國(guó)家安全保密體系，成為推促國(guó)家安全技術(shù)革命的推動(dòng)者。 概括而言，無論量子模擬運(yùn)算還是量子并行運(yùn)算，量子相干性的充分應(yīng)用為其本質(zhì)特征。 多少個(gè)日日夜夜，世界五湖四海的開發(fā)者們都有這樣的夢(mèng)想，不遺余力地推敲著技術(shù)創(chuàng)新的大門，稍有發(fā)現(xiàn)便會(huì)欣喜若狂。 量子科技經(jīng)過近百年的發(fā)展，迎來了“第二次量子技術(shù)革命”。 最近幾年，我國(guó)從國(guó)家層面上重視和發(fā)展量子科技，也取得了一些比較前沿的重大成果，特別是在量子計(jì)算突破方面；同時(shí)在量子計(jì)算、量子器件、材料方面有很多優(yōu)勢(shì)，很多研究走在了世界前列。 未來的“十四五”規(guī)劃，將堅(jiān)定科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，也會(huì)更加重視量子科技發(fā)展，將會(huì)在頂層設(shè)計(jì)上“下好先手棋”。 我們有理由相信，量子計(jì)算機(jī)將會(huì)以嶄新的風(fēng)采破土而出，讓計(jì)算的傳統(tǒng)概念舊貌換新顏。

（二）光子型計(jì)算機(jī)大有可為

通過光子取代傳統(tǒng)電子形成光子計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)光子式運(yùn)算、光子傳遞與光子存儲(chǔ)是光子型計(jì)算機(jī)的一大特點(diǎn)。 進(jìn)一步來說，就是全光子形式數(shù)字的計(jì)算機(jī)，舍棄傳統(tǒng)電子形式，改由光子全面替代，傳統(tǒng)導(dǎo)線式連接形式被光互式連接替代，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)電子硬件模式也被光子式硬件替代，最終以光子運(yùn)算方式替代傳統(tǒng)電子運(yùn)算方式。

相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)而言，光子計(jì)算機(jī)是以不同波長(zhǎng)的光子分別代表不同的計(jì)算數(shù)據(jù)，在復(fù)雜度更高及計(jì)算量更大的任務(wù)上有更好的表現(xiàn)，通過并行處理實(shí)現(xiàn)快速高效的運(yùn)作機(jī)制。 所以說，光子計(jì)算機(jī)即全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，它是以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。

與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比， 光子計(jì)算機(jī)徹底實(shí)現(xiàn)了“無導(dǎo)線”式計(jì)算，無論信息傳遞速度，還是平行密度通道，均實(shí)現(xiàn)了歷史性的跨躍。 五分錢硬幣直徑大小的一枚透視棱鏡，光透的能力無可限量，遠(yuǎn)超現(xiàn)有世界電話電纜數(shù)量百倍之多。 光的高超并行能力是天然而成的，光通過技術(shù)的應(yīng)用無形當(dāng)中帶給光計(jì)算機(jī)并行處理的天賦，這樣，實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)算就成為可能了。 比較而言，電子式超高速計(jì)算機(jī)存在僅限低溫工作的弊端，而對(duì)這樣的運(yùn)算，通常室溫下光計(jì)算機(jī)便可以完成。 同時(shí)，光計(jì)算機(jī)還與人的大腦類似，也一樣具有容錯(cuò)功能，如果系統(tǒng)的某個(gè)元件出錯(cuò)或者損壞，并不能對(duì)計(jì)算最終結(jié)果造成影響。 當(dāng)前，第一臺(tái)這樣的光計(jì)算機(jī)出自英法德等70 余位科學(xué)家之手，綜合運(yùn)算速度快出傳統(tǒng)電子式計(jì)算機(jī)千倍以上。 在科學(xué)家眼里，21 世紀(jì)將是光計(jì)算機(jī)時(shí)代，這種高科技課題必將掀起一場(chǎng)新的計(jì)算機(jī)技術(shù)革命。

（三）分子型計(jì)算機(jī)前景廣闊

分子型計(jì)算機(jī)具有體積小卻存儲(chǔ)大、運(yùn)算快卻耗電少的特點(diǎn)。 它的運(yùn)算過程就是蛋白質(zhì)分子同周邊物理性、 化學(xué)性介質(zhì)的互相促進(jìn)作用的系統(tǒng)過程。 我們通常所講的酶，就是其轉(zhuǎn)換開關(guān)，而其程序則是在酶合成的系統(tǒng)本身與蛋白質(zhì)構(gòu)建過程中極其鮮明地展現(xiàn)出來。 在通常的生化環(huán)境下，由生物分子所組成的計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯， 具備較強(qiáng)的生命力，甚至可以在生物的有機(jī)體當(dāng)中靈活運(yùn)行，并在運(yùn)行當(dāng)中能以分子的形式實(shí)現(xiàn)與外部環(huán)境的交換。針對(duì)這一特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于遺傳追蹤、醫(yī)療診治與仿生工程領(lǐng)域當(dāng)中。 目前主要涉及到生物分子與超分子式芯片、仿生算法與自動(dòng)機(jī)式模型以及化學(xué)分子反應(yīng)算法等相關(guān)類型的研究。 就體積而言，分子式芯片可比以前通用芯片大為減小。 如二進(jìn)制數(shù)萬億數(shù)據(jù)只相當(dāng)于1 立方米DNA 溶液存儲(chǔ)能力。

而單論消耗， 分子計(jì)算機(jī)能量損耗卻微乎其微，相當(dāng)于普通電子計(jì)算機(jī)的十億分之一。 并且，因分子芯片原材料為蛋白質(zhì)分子，便帶來自我修復(fù)的特有功能， 又可實(shí)現(xiàn)與分子其它活體的直接相聯(lián)。如果能對(duì)這樣反應(yīng)過程進(jìn)行控制， 那么成功研制DNA 式計(jì)算機(jī)就不再是遙不可及的夢(mèng)想。 可以想象，蛋白質(zhì)分子小到只能借助顯微鏡來觀看，相比位于硅晶片的電子元件而言要小太多，是其萬分之一，而且距離更加緊密，這樣的生物計(jì)算機(jī)便能進(jìn)行周密運(yùn)算， 以百萬倍的速比遠(yuǎn)超人類的思維反應(yīng)。 因?yàn)樯顳NA 芯片是以蛋白質(zhì)作原材料的，所以又賦予了生物計(jì)算機(jī)自我修復(fù)功能；同時(shí)與活體直接相聯(lián)，使其具備超強(qiáng)的反應(yīng)能力。 科學(xué)家們預(yù)計(jì)， 在不久的未來，DNA 生物計(jì)算機(jī)將正式走進(jìn)我們中間，全面介入人類的學(xué)習(xí)、工作與生活。

（四）納米型計(jì)算機(jī)的潛力無限

納米計(jì)算機(jī)是指通過納米技術(shù)全新研發(fā)的一種高性能新型計(jì)算機(jī)。 它的納米管型元件尺寸大小只有幾至十幾納米，并且質(zhì)地異常堅(jiān)固，超強(qiáng)導(dǎo)電性為其最大亮點(diǎn)，替代硅芯片來制造計(jì)算機(jī)，成本將會(huì)極大地降低。 上世紀(jì)80 年代納米技術(shù)誕生后，已廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。 目前納米前沿技術(shù)正是基于微電子類機(jī)械式系統(tǒng)的初步啟動(dòng)， 將處理器、傳感器以及電動(dòng)機(jī)置于同一塊硅芯片，組合構(gòu)建成一個(gè)全新的納米系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)納米內(nèi)存芯片，如果就大小而言，其體積也不過是數(shù)百個(gè)原子尺寸，形象展示也不過相當(dāng)于頭發(fā)絲的千分之一。 而能源消耗，納米計(jì)算機(jī)幾乎可以忽略不計(jì)，但是它的性能要超出目前計(jì)算機(jī)許多倍。 我們可不妨設(shè)想一下，“納米”作為一個(gè)微乎其微的計(jì)量單位，大約10 倍于氫原子直徑。 納米技術(shù)最早始于上世紀(jì)80 年代， 是科研領(lǐng)城迅速研發(fā)而來的前沿技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，可以讓人類按照意愿對(duì)某單個(gè)原子進(jìn)行直接操控，從而完成具備特定功用的產(chǎn)品制造。 當(dāng)今的納米技術(shù)起步MEMS 系統(tǒng)，是將電動(dòng)機(jī)、傳感器及各類處理器整合起來，并植入一個(gè)特定硅芯片內(nèi)，從而達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)作的目的。 納米計(jì)算機(jī)，不僅能源消耗幾乎為零，而且相比現(xiàn)有的電子計(jì)算機(jī)性能要強(qiáng)大更多，根本不屬于同一技術(shù)段位。 當(dāng)前，鼓舞人心的喜訊不斷傳來，研制納米計(jì)算機(jī)已經(jīng)步入實(shí)質(zhì)性階段，惠普公司的科研人員已有了成功的嘗試，對(duì)芯片研制工作開始應(yīng)用納米技術(shù)，一旦研發(fā)成功，必將續(xù)寫計(jì)算機(jī)技術(shù)革命輝煌的一頁(yè)。

三、計(jì)算機(jī)未來發(fā)展的多樣化選項(xiàng)

未來的計(jì)算機(jī)概念， 將不再以電腦的面目出現(xiàn)，而是以光腦形象閃亮登場(chǎng)。 顧名思義，所謂電腦不過一種電子傳輸工具，同樣也可以理解為數(shù)據(jù)承載的一種代碼。 而光腦將是未來采用的一種光子傳輸技術(shù)，所謂光子，也就是時(shí)刻照耀我們的可見光，時(shí)速可達(dá)到三十萬公里之多。 而光子之所以得到科學(xué)家的青睞，關(guān)鍵在于其無可比擬的安全性能。 因這樣的特性所致，通過光傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只能與既定用戶對(duì)接， 而徹底將黑客等杜絕于網(wǎng)絡(luò)大門之外，因?yàn)楣庾映鲎杂诠饽X，在運(yùn)行互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)候，可以將其傳輸?shù)拇a與內(nèi)容不斷做出改變，讓黑客束手無策，無法竊取網(wǎng)絡(luò)機(jī)密。 另外，單就運(yùn)算速度而言，光子絕對(duì)提升了一個(gè)檔次。 可以設(shè)想一下，未來計(jì)算機(jī)不再以顯示器的面目出現(xiàn)，而是以光腦、以光的形象出現(xiàn)于任何地方。 可以說，光無處不在，光腦可以隨時(shí)出現(xiàn)在任何人類需要的場(chǎng)所。

(一)無處不在的無線化

未來計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)初衷在于網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線連接，這意味著使用臺(tái)式機(jī)將比使用筆記本更便捷。 主機(jī)與顯示器之間通過無線形式連接，完成這種設(shè)想的技術(shù)被稱之為UWB 技術(shù)， 它有別于其它相近技術(shù)，表面可以為WLAN 無線局域網(wǎng)和PAN 個(gè)人局域網(wǎng)提供無線形式連接，而重點(diǎn)在于接口卡連接技術(shù)所帶來的低功耗與高帶寬，高功效是依據(jù)簡(jiǎn)單的USB 接式。 因此便有INTEL 公司將其連接形式形象稱為“無線的USB”，實(shí)現(xiàn)不同計(jì)算機(jī)之間，或者電子消費(fèi)產(chǎn)品與計(jì)算機(jī)之間的高頻式寬帶無線連接。在15 英尺相對(duì)較短的區(qū)城內(nèi)，UWB 傳輸速度可達(dá)400 到50O 間Mbps 兆寬（甚至更高）。

(二)無所不能的專業(yè)化

高性能計(jì)算勢(shì)必帶來熱量高發(fā)與能源高耗的負(fù)面效應(yīng)。 未來的專用設(shè)備將逐步取代目前通用的PC 機(jī)， 以專一對(duì)話提高某種工作形式的具體效率。諸如銷售彩票終端、銀行使用終端與商場(chǎng)收銀機(jī)等等，多是基于單項(xiàng)工作效率與使用成本考慮，由PC通用狀態(tài)逐步演變而產(chǎn)生的。 將來“調(diào)控式家庭型計(jì)算機(jī)”將實(shí)現(xiàn)專用，成為家電設(shè)備控制的綜合中心，幫我們規(guī)范控制家中照明、食品儲(chǔ)藏、廚房電器與傳媒電器等等，將我們的居所變成智能化的生活空間。

(三)鼎力而為的環(huán)保化

為避免計(jì)算機(jī)變成家用電器用電量陡增的始作俑者，科技人員采用“光子”與“量子”以及“DNA”酶方式替代時(shí)下的硅構(gòu)架模式計(jì)算機(jī)，以求計(jì)算機(jī)能耗的大幅度降低。 顯示系統(tǒng)作為第二大耗電環(huán)節(jié)，也會(huì)因LCD 與OLED 顯示器的全面介入，能源消耗方面已經(jīng)大有改觀。 計(jì)算機(jī)環(huán)保性能另一個(gè)突出特點(diǎn)PC 機(jī)如同像當(dāng)今報(bào)紙雜志一樣， 在失去其使用價(jià)值之后，仍可回收再利用，加工制造成新的計(jì)算機(jī)。

(四)風(fēng)靡全球的人性化

人們操控計(jì)算機(jī)不僅體現(xiàn)于股掌指尖之間，也可以采取語言控制， 一聲口令同樣可以操控計(jì)算機(jī)，甚至一個(gè)眼神便可讓計(jì)算機(jī)心領(lǐng)神會(huì)，享受到貼心式服務(wù)。 現(xiàn)在智能化最成功的應(yīng)用體現(xiàn)在航天發(fā)展技術(shù)方面，勇氣號(hào)與機(jī)遇號(hào)在火星的成功登陸不僅昭示著人類在探索外太空方面跨躍了一大步，最直接的成功就是人工智能質(zhì)的極度跨躍。 地球與火星相距大約5600 萬公里，即便采用無線電通信，如此遙遠(yuǎn)的距離一個(gè)來回信號(hào)便需要6 分多鐘，難以對(duì)置身火星千萬里之外的機(jī)器人形成實(shí)時(shí)操控。這便要求機(jī)器人首先必須具備相當(dāng)?shù)娜斯ぶ悄埽跓o人操控的條件下智能化自主應(yīng)對(duì)各類突發(fā)事件。同時(shí)，伴隨云計(jì)算的能力增強(qiáng)，民用性計(jì)算機(jī)也初步具備一定程度的人工智能化，幫助人們協(xié)調(diào)處理生活中的日常瑣碎事務(wù)， 成為專門的家務(wù)機(jī)器人，讓更多的人們騰出充裕時(shí)間進(jìn)行學(xué)工作娛樂、學(xué)習(xí)交際等。

結(jié) 語

計(jì)算機(jī)經(jīng)過七十多年發(fā)展，隨著科學(xué)技術(shù)以及半導(dǎo)體技術(shù)、 電子元器件的更新速度越來越快，計(jì)算機(jī)硬件更新?lián)Q代的摩爾定律也被打破； 同時(shí)，近十幾年出現(xiàn)的新技術(shù)（云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云存儲(chǔ)技術(shù)、5G、人工智能等），使得計(jì)算機(jī)的軟件也有長(zhǎng)足的發(fā)展，計(jì)算機(jī)正在并將持續(xù)加強(qiáng)對(duì)人類的學(xué)習(xí)和生活方方面面的影響。 在可預(yù)見的未來，計(jì)算機(jī)將會(huì)在架構(gòu)、安全、成本及能源方面有較大發(fā)展；計(jì)算機(jī)也將會(huì)更高速、更小型化、更安全；計(jì)算機(jī)將會(huì)讓人們的學(xué)習(xí)、 生活和工作變得更便捷、更“智慧”。