未來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)展望
1、前言
計(jì)算機(jī)的發(fā)展將趨向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化多媒體化和智能化。自從1944年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能受到挑戰(zhàn)，開(kāi)始從基本原理上尋找計(jì)算機(jī)發(fā)展的突破口，新型計(jì)算機(jī)的研發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。未來(lái)量子、光子、分子和納米計(jì)算機(jī)將具有感知、思考、判斷、學(xué)習(xí)以及一定的自然語(yǔ)言能力，使計(jì)算機(jī)進(jìn)人人工智能時(shí)代。這種新型計(jì)算機(jī)將推動(dòng)新一輪計(jì)算技術(shù)革命，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展產(chǎn) 生深遠(yuǎn)的影響。
2、未來(lái)計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向
2.1．未來(lái)計(jì)算機(jī)將向巨型化方向發(fā)展
首先，未來(lái)計(jì)算機(jī)將向巨型化方向發(fā)展。那么，什么叫做巨型化呢？巨型化的計(jì)算機(jī)在未來(lái)有什么用處呢？
所謂的巨型機(jī)是一種高速度，高精度，內(nèi)存容量大和功能強(qiáng)的計(jì)算機(jī)，其運(yùn)行速度一般在每秒一億次以上，現(xiàn)在人們已經(jīng)研制出來(lái)每秒運(yùn)行速度達(dá)上百億次的巨型計(jì)算機(jī)，這類的計(jì)算機(jī)主要用于核工業(yè)，航天，軍事等尖端科技領(lǐng)域，是一個(gè)國(guó)家計(jì)算機(jī)技術(shù)水平和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的標(biāo)志。
目前，能夠擁有并制造機(jī)型計(jì)算機(jī)的國(guó)家不多，我國(guó)在這方面處于世界領(lǐng)先地位。2017年6月17日，在德國(guó)萊比錫開(kāi)幕的2017年國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)大會(huì)上，TOP500組織公布了最新全球超級(jí)計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜榜單，中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)研制的天河二號(hào)超級(jí)計(jì)算機(jī)，以每秒33.86千萬(wàn)億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度奪得頭籌，中國(guó)“天河二號(hào)”成為全球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)。
2.2．微型化將是未來(lái)計(jì)算機(jī)的又一特點(diǎn)
上海第二工業(yè)大學(xué)本科期末設(shè)計(jì)（論文）
20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展起來(lái)。微型計(jì)算機(jī)具有體積小，價(jià)格便宜，功能強(qiáng)等特點(diǎn)，并且具有豐富的應(yīng)用軟件和外部設(shè)備，尤其是在未來(lái)多媒體技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中，微型計(jì)算機(jī)將更加普及。
2.3．網(wǎng)絡(luò)化是計(jì)算機(jī)發(fā)展的主導(dǎo)方向
使用現(xiàn)代通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以將分布在不同地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)互聯(lián)起來(lái)，組成一個(gè)規(guī)模大，功能強(qiáng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)軟件，硬 件，數(shù)據(jù)資源的.共享和網(wǎng)絡(luò)通信，提高了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率，因而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和普及非常迅速，因特網(wǎng)的迅速發(fā)展，縮小了世界，縮短了人們之間的距離，使 得人們可以方便的使用網(wǎng)上遍及各個(gè)領(lǐng)域的豐富的信息資源。
2.4．多媒體化將會(huì)使人機(jī)之間關(guān)系更加親近友好：
隨著計(jì)算機(jī)，微電子通信，數(shù)字化聲緣技術(shù)的飛速發(fā)展，多媒體技術(shù)日趨成熟，并投入了實(shí)際的應(yīng)用，并已成為電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢(shì)，它通過(guò)計(jì)算機(jī)將各種媒體以數(shù)字形式出現(xiàn)，大大的增加了信息來(lái)源，使人和計(jì)算機(jī)之間的關(guān)系更加親近友好，從而拓展計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.5.未來(lái)真正的“電腦”智能化是必不可少的：
智能化是使計(jì)算機(jī)具有人的感覺(jué)和思維推理能力，成為真正的“電腦”。其主要內(nèi)容有：圖形的識(shí)別，自然語(yǔ)言的生成與理解，專家系統(tǒng)，只能機(jī)器 人，自動(dòng)程序設(shè)計(jì)，自動(dòng)定理證明和問(wèn)題求解等。目前，能識(shí)別單詞，分析語(yǔ)言的語(yǔ)言翻譯系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)。某些有識(shí)別聲音，辨別理解人的表情和手勢(shì)等功能的計(jì)算 機(jī)也已經(jīng)研制出現(xiàn)。
3、新型高性能計(jì)算機(jī)問(wèn)世
硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，也意味看硅技術(shù)越來(lái)越接近其物理極限。為此，世界各國(guó)的研究人員正在加緊研究開(kāi)發(fā)新型計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)都將產(chǎn) 生一次量與質(zhì)的飛躍。新型的量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等，將會(huì)在二十一世紀(jì)走進(jìn)我們的生活，遍布各個(gè)領(lǐng)域。
3.1.量子計(jì)算機(jī)
量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究，量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn) 行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來(lái)表示開(kāi)與關(guān)的狀態(tài)，利用 激光脈沖來(lái)改變分子的狀態(tài).使信息沿著聚合物移動(dòng).從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)。由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是0或1，也可以既 存儲(chǔ)0又存儲(chǔ)1。因此，一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲(chǔ)位，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量比通常計(jì)算機(jī)大許多。同時(shí)量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)?2
行量子并行計(jì)算，其 運(yùn)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的Pentium DI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計(jì)算機(jī)還將對(duì)現(xiàn)有的保密體系、國(guó)家安全意識(shí)產(chǎn)生重大的沖擊。
無(wú)論是量子并行計(jì)算 還是量子模擬計(jì)算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)夢(mèng)想。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作 用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯(cuò)、避錯(cuò)和防錯(cuò)等。量子計(jì)算機(jī)使計(jì)算的概念煥然一新。
3.2.光子計(jì)算機(jī)
光子計(jì)算機(jī)是利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳翰和存儲(chǔ)。光子計(jì)算機(jī)即全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計(jì)算機(jī)中的電子 硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速地并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目 前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。
3.3.分子計(jì)算機(jī)
分子計(jì)算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算快、存儲(chǔ) 量大。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過(guò)程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的 相互作用過(guò)程。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為酶，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來(lái)。生物分子組成的計(jì)算機(jī)具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機(jī)體 中運(yùn)行，并能以其它分子形式與外部環(huán)境交換。因此它將在醫(yī)療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發(fā)揮無(wú)法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、 自動(dòng)機(jī)模型、仿生算法、分子化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類型。分子芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高，分子計(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算，所需的時(shí)間僅為10 微微秒，比人的思維速度快100萬(wàn)倍。分子計(jì)算機(jī)具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲(chǔ)1萬(wàn)億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計(jì)算機(jī)消耗的能量非常小，只 有電子計(jì)算機(jī)的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。美國(guó)已研制出分子計(jì)算機(jī)分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬(wàn)分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。以色列科學(xué)家已經(jīng)研制出一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型分子計(jì)算機(jī)。預(yù)計(jì)20年后，分子計(jì)算機(jī)將進(jìn)人實(shí)用階段。
3.4.納米計(jì)算機(jī)
納米計(jì)算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅(jiān)固，有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計(jì)算機(jī)�！凹{米”是一個(gè)計(jì)量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初迅速發(fā)展起 來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。現(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子機(jī)械系統(tǒng)
起步，把傳感器、電動(dòng) 機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米 計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。美國(guó)正在研制一種連接納米管的方法，用這種方法連接的納米管可用作芯片元件， 發(fā)揮電子開(kāi)關(guān)、放大和晶體管的功能。專家預(yù)測(cè)，10年后納米技術(shù)將會(huì)走出實(shí)驗(yàn)室，成為科技應(yīng)用的一部分。納米計(jì)算機(jī)體積小、造價(jià)低、存量大、性能好，將逐 漸取代芯片計(jì)算機(jī)，推動(dòng)計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。
4、結(jié)語(yǔ)
我們相信，新型計(jì)算機(jī)與相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，是二十一世紀(jì)科技領(lǐng)域的重大創(chuàng)新，必將推進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人類發(fā)展史上的重大突破�？茖W(xué)在發(fā)展，人類在進(jìn)步，歷史上的新生事物都要經(jīng)過(guò)一個(gè)從無(wú)到有的艱難歷程，隨著一代又一代科學(xué)家們的不斷努力，未來(lái)的計(jì)算機(jī)一定會(huì)是更加方便人們的工作、學(xué)習(xí)、生活的好伴侶。
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