張 瑞

ZHANG Rui

（駐馬店教育學(xué)院 計算機(jī)系，駐馬店 463000）

0 引言

自從1946年第一臺計算機(jī)的出現(xiàn)，它的發(fā)展己經(jīng)經(jīng)歷了60多年來的變遷。計算機(jī)在運(yùn)算速度、增進(jìn)性能、縮小性強(qiáng)、降低成本以及開發(fā)應(yīng)用等方面得到了空前發(fā)展。隨著知識經(jīng)濟(jì)的不斷深入，計算機(jī)的發(fā)展趨勢不僅繼續(xù)深化，而且節(jié)奏加快。在計算機(jī)本身發(fā)展的同時，它的應(yīng)用領(lǐng)域從過去的單一化走向了多元化。在日常生活中，計算機(jī)的應(yīng)用已無處不在，無論是軍事領(lǐng)域、教育領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域還是其他商業(yè)領(lǐng)域，它已滲透到國民經(jīng)濟(jì)各個部門及社會生活的各個方面。

1 計算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速的原因

1.1 經(jīng)常性的、連續(xù)性的創(chuàng)造活動的出現(xiàn)

計算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的原因之一就是創(chuàng)造活動經(jīng)常的、連續(xù)性的出現(xiàn)?，F(xiàn)實需求的驅(qū)動、關(guān)于計算機(jī)技術(shù)認(rèn)識部分或者說是計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展、信息的共享可以用來解釋這種經(jīng)常性的創(chuàng)造活動。

1.1.1 持續(xù)不斷的創(chuàng)新是在需求的驅(qū)動下發(fā)生的

正是二戰(zhàn)對信息的緊迫需求減少了創(chuàng)造的障礙，使得資源可以運(yùn)用于基本的技術(shù)試驗，促進(jìn)了計算機(jī)的出現(xiàn)。早期階段各研究所、大公司、大學(xué)和政府部門對科學(xué)運(yùn)算的需求導(dǎo)致了計算機(jī)迅速地轉(zhuǎn)為民用、轉(zhuǎn)為工業(yè)產(chǎn)品，促進(jìn)了計算機(jī)工業(yè)的發(fā)展。隨著計算機(jī)在尖端科學(xué)技術(shù)和其他科學(xué)技術(shù)與工程設(shè)計方面(如數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)、化學(xué)天文、晶體結(jié)構(gòu)分析、石油勘探與開發(fā)、橋梁設(shè)計、大地測量等)的普遍應(yīng)用，對計算機(jī)的性能、容量也提出了更高的要求，使創(chuàng)造活動經(jīng)常性、連續(xù)性的出現(xiàn)。在計算機(jī)行業(yè)，按照技術(shù)軌道領(lǐng)先一步推出新計算機(jī)技術(shù)產(chǎn)品意味著可能提前占有市場。競爭的壓力和對利潤最大化的要求往往在技術(shù)的發(fā)展上表現(xiàn)為：計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步比市場實際需求發(fā)展的更快。這無疑給創(chuàng)造活動的速度、時間快慢提出了更高的要求。

1.1.2 關(guān)于計算機(jī)技術(shù)的認(rèn)識部分經(jīng)常提供計算機(jī)技術(shù)如何改進(jìn)的相對有力的指導(dǎo)

計算機(jī)領(lǐng)域的工程師和科學(xué)家們的實踐是往復(fù)的，科學(xué)知識暗含在數(shù)量和種類極為可觀的設(shè)計中而這些設(shè)計又體現(xiàn)在計算機(jī)產(chǎn)品中，不但在理論上是可行的還必須經(jīng)過真實世界的約束檢驗。試錯、偶然的運(yùn)氣，甚至有時是錯誤的原理，也極有可能導(dǎo)致行之有效的新的計算機(jī)技術(shù)。集成電路中的鋁—硅觸面，雖然理論上沒有問題，但在實際應(yīng)用時卻經(jīng)常出差錯，經(jīng)過反復(fù)的試錯，終于發(fā)現(xiàn)了“鋁—硅—氧化物”觸面控制，極大地促進(jìn)了后來超大型集成電路的發(fā)展。這些蘊(yùn)含在新技術(shù)中的知識又被往復(fù)地用以產(chǎn)生新的知識，如“鋁—硅—氧化物”觸面控制的發(fā)現(xiàn)有利于攻破鋁—硅肖特基勢壘。新知識成為成功實踐的基礎(chǔ)，往復(fù)地使用將產(chǎn)生更進(jìn)一步的創(chuàng)新，有時候這種往復(fù)過程能夠激發(fā)出全新的技術(shù)創(chuàng)造。計算機(jī)技術(shù)中大量的創(chuàng)造活動，是從試錯法進(jìn)行的經(jīng)驗學(xué)習(xí)，到精心開發(fā)的程序“RDD&D”(研究、開發(fā)、設(shè)計和演化的簡稱)的變化，這種在科學(xué)知識的指導(dǎo)下進(jìn)行的精心策劃、性能和解釋方面的煞費(fèi)苦心的推理和往復(fù)的實踐，不斷地使關(guān)于新技術(shù)的信息涌現(xiàn)出來，進(jìn)而指導(dǎo)創(chuàng)造活動的經(jīng)常性的發(fā)生。此外，計算機(jī)中的新技術(shù)迅速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品首先運(yùn)用于開發(fā)研制下一代的新技術(shù)，如計算機(jī)輔助設(shè)計在芯片制作、軟件開發(fā)中的運(yùn)用，極大地縮短了研發(fā)周期，加快了創(chuàng)新活動的步伐。

1.1.3 計算機(jī)技術(shù)(準(zhǔn)確說是自PC機(jī)以后)越來越建立在共享信息的基礎(chǔ)上

如同恩格爾巴特所認(rèn)為的那樣，這種信息共享思想是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵，這使得創(chuàng)造活動可以建立在最新信息的平臺上，極大的縮短研制時間、提高了研發(fā)的質(zhì)量。

1.2 穩(wěn)定的、明顯的和迅速的選擇機(jī)制

在對相互競爭的技術(shù)價值做出一個共識性判斷之前需要一段時間，這段時間內(nèi)不確定因素可能影響到最后的選擇機(jī)制。大多數(shù)情況下，圍繞計算機(jī)技術(shù)的若干選擇判據(jù)和機(jī)制及其影響要素在同時發(fā)揮作用，選擇的環(huán)境常常是非常敏銳和穩(wěn)定的，這是計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的一個重要原因。

在實踐方面，用戶和市場同時對新計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行選擇，在市場判據(jù)一定的情況下，優(yōu)于他者的技術(shù)取勝，這樣經(jīng)濟(jì)之間的競爭轉(zhuǎn)化為技術(shù)競爭。但由于選擇是復(fù)雜的，不僅是物性上技術(shù)先進(jìn)性，還包括了社會的認(rèn)同和接受。RISC相對于CISC是更高一數(shù)量級的技術(shù)和架構(gòu)，可以使微處理器的工作變得單純，速度也隨之增快，但最終由于各種原因沒有得到市場的認(rèn)同。這種關(guān)于實踐上的理論自然地把對選擇的分析指向如何很好地滿足用戶的需求。然而計算機(jī)技術(shù)不僅被看成是實踐的，而且是認(rèn)識的，這使得選擇過程的實質(zhì)就變得更加復(fù)雜了，當(dāng)前一方面的選擇判據(jù)非?！斑m合”計算機(jī)用戶的需求時，后一方面的判據(jù)似乎“能夠解釋所觀察到的相關(guān)事實并能使問題得到解決和發(fā)展得以進(jìn)行”。選擇過程以及控制創(chuàng)新的過程可能截然不同，對實踐而言，過程最終在用戶的控制之下，對認(rèn)識而言，過程由計算機(jī)技術(shù)專家共同體來控制。在實踐中，從最早的IBM用戶聯(lián)盟到霍姆布魯計算機(jī)俱樂部為代表的各種計算機(jī)俱樂部和用戶群體，關(guān)于計算機(jī)的用戶團(tuán)體是多種多樣的，而且他們建立在信息共享的基礎(chǔ)上不斷地采用新技術(shù)或新方法，為選擇機(jī)制提供了有效的支持，使計算機(jī)技術(shù)在應(yīng)用中繁榮發(fā)展。

另一方面，作為技術(shù)專家共同體的認(rèn)識也是統(tǒng)一的，如帕洛阿爾托研究中心可以與外界共享技術(shù)知識，對計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向和最新技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展相互反饋的良好進(jìn)程。研究新的、更好的計算機(jī)產(chǎn)品和實用技術(shù)嘗試，幾乎總涉及到技術(shù)的不確定性或用戶反應(yīng)不確定性的情形，既然技術(shù)共同體和用戶團(tuán)體之間的認(rèn)識是一致的，那么計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展也是可以預(yù)見的，選擇機(jī)制的論據(jù)也就變得穩(wěn)定、迅速和明顯的了。

此外，認(rèn)識和實踐的相互轉(zhuǎn)換是選擇機(jī)制穩(wěn)定化、迅速化的另一論據(jù)。計算機(jī)技術(shù)的大多數(shù)領(lǐng)域以應(yīng)用學(xué)科和工程學(xué)科的出現(xiàn)為標(biāo)志，這些學(xué)科的職責(zé)是促進(jìn)與實踐有關(guān)的認(rèn)識的發(fā)展，這些學(xué)科常吸收更為基礎(chǔ)的學(xué)科，其本身也是當(dāng)之無愧的認(rèn)識部分。傳統(tǒng)認(rèn)為，有認(rèn)識的提高就能有實踐的進(jìn)步，在對計算機(jī)技術(shù)研究中，發(fā)現(xiàn)常有另外一條路徑，這個過程存在著強(qiáng)烈的相互作用，在肖克利及其同事制造出一個運(yùn)行的晶體管后，作為一個科學(xué)領(lǐng)域的熱力學(xué)建立起來，有關(guān)半導(dǎo)體是如何運(yùn)行的理論也建立了起來，這是用來證明認(rèn)識隨著實踐的提高而提高的經(jīng)典實例。在工程學(xué)科和應(yīng)用學(xué)科中，與實踐的密切聯(lián)系給我們這樣的啟發(fā)，認(rèn)識的提高可以讓選擇判據(jù)更加明顯，它們能夠使計算機(jī)技術(shù)的實踐中普遍存在的問題得到解決，或者說是促進(jìn)實踐的發(fā)展。如果沒有所說的認(rèn)識的幫助，這一切會變的不可能實現(xiàn)或更困難一些。顯然，選擇機(jī)制在計算機(jī)技術(shù)的實踐進(jìn)化和認(rèn)識進(jìn)化之間明顯地提供了一種雙向的連接，推動計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。

2 計算機(jī)科學(xué)計算發(fā)展趨勢

2.1 智能化的超級計算機(jī)

超高速計算機(jī)采用平行處理技術(shù)改進(jìn)計算機(jī)結(jié)構(gòu)，使計算機(jī)系統(tǒng)同時執(zhí)行多條指令或同時對多個數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高計算機(jī)運(yùn)行速度。超級計算機(jī)通常是由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器(機(jī))組成，能完成普通計算機(jī)和服務(wù)器不能計算的大型復(fù)雜任務(wù)。從超級計算機(jī)獲得數(shù)據(jù)分析和模擬成果，能推動各個領(lǐng)域高精尖項目的研究與開發(fā)，為我們的日常生活帶來各種各樣的好處。最大的超級計算機(jī)接近于復(fù)制人類大腦的能力，具備更多的智能成份。方便人們的生活、學(xué)習(xí)和工作。世界上最受歡迎的動畫片、很多耗巨資拍攝的電影中，使用的特技效果都是在超級計算機(jī)上完成的。日本、美國、以色列、中國和印度首先成為世界上擁有每秒運(yùn)算1萬億次的超級計算機(jī)的國家，超級計算機(jī)已在科技界內(nèi)引起開發(fā)與創(chuàng)新狂潮。

2.2 新型高性能計算機(jī)問世

硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時，也意味看硅技術(shù)越來越接近其物理極限。為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發(fā)新型計算機(jī)，計算機(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。新型的量子計算機(jī)、光子計算機(jī)、分子計算機(jī)、納米計算機(jī)等，將會在二十一世紀(jì)走進(jìn)我們的生活，遍布各個領(lǐng)域。

2.2.1 量子計算機(jī)

量子計算機(jī)的概念源于對可逆計算機(jī)的研究，量子計算機(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、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)。使信息沿著聚合物移動。從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲。由于量子疊加效應(yīng)，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此，一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲位，量子計算機(jī)的存儲量比通常計算機(jī)大許多。同時量子計算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏嬎?，其運(yùn)算速度可能比目前計算機(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，量子計算機(jī)還將對現(xiàn)有的保密體系、國家安全意識產(chǎn)生重大的沖擊。

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。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。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、量子點操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯、避錯和防錯等。量子計算機(jī)使計算的概念煥然一新。

2.2.2 光子計算機(jī)

光子計算機(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。光子計算機(jī)即全光數(shù)字計算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。在光子計算機(jī)中，不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對復(fù)雜度高、計算量大的任務(wù)實現(xiàn)快速地并行處理。光子計算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

2.2.3 分子計算機(jī)

分子計算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算快、存儲量大。分子計算機(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。分子計算機(jī)的運(yùn)算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。轉(zhuǎn)換開關(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。生物分子組成的計算機(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，分子計算機(jī)完成一項運(yùn)算，所需的時間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。分子計算機(jī)具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲1萬億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計算機(jī)消耗的能量非常小，只有電子計算機(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)。美國已研制出分子計算機(jī)分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內(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)成的微型分子計算機(jī)。預(yù)計20年后，分子計算機(jī)將進(jìn)人實用階段。

2.2.4 納米計算機(jī)

納米計算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計算機(jī)。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅固，有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計算機(jī)?！凹{米”是一個計量單位，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、電動機(jī)和各種處理器都放在一個硅芯片上而構(gòu)成一個系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計算機(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算機(jī)強(qiáng)大許多倍。美國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)揮電子開關(guān)、放大和晶體管的功能。專家預(yù)測，10年后納米技術(shù)將會走出實驗室，成為科技應(yīng)用的一部分。納米計算機(jī)體積小、造價低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計算機(jī)，推動計算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。

3 結(jié)束語

綜上所述，我們可以看到計算機(jī)技術(shù)主要朝著三個方向發(fā)展：

一是向“高”的方向。性能越來越高，速度越來越快，主要表現(xiàn)在計算機(jī)的主頻越來越高。Inter公司預(yù)計在2010年推出集成10億以上個晶體管的微處理器，一個計算機(jī)中可能不只用一個處理器，而是用幾百個幾千個處理器，這就是所謂并行處理，目前世界上性能最高的通用計算機(jī)已采用上萬臺計算機(jī)并行。專用計算機(jī)的并行程度比通用機(jī)更高，并行計算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是如何高效率地把大量計算機(jī)互相連接起來，即各處理機(jī)之間的高速通信，以及如何有效地管理成千上萬臺計算機(jī)使之協(xié)調(diào)工作，這就是并行計算機(jī)的系統(tǒng)軟件——操作系統(tǒng)的功能。

另一個方向就是向“廣”度方向發(fā)展，計算機(jī)發(fā)展的趨勢無處不在，以至于像“沒有計算機(jī)一樣”。近年來更明顯的趨勢是網(wǎng)絡(luò)化與向各個領(lǐng)域的滲透，即在廣度上的發(fā)展開拓。國外稱這種趨勢為普適計算或叫無處不在的計算。未來計算機(jī)也會像現(xiàn)在的馬達(dá)一樣，存在于家中的各種電器中，那時問你家里有多少計算機(jī)，你也數(shù)不清，你的筆記本，書籍都已電子化。再過十幾、二十幾年，可能學(xué)生們上課用的不再是教科書，而只是一個筆記本大小的計算機(jī)，不同的學(xué)生可以根據(jù)自己的需要方便地從中查到想要的資料。所以有人預(yù)言未來計算機(jī)可能像紙張一樣便宜，可以一次性使用，計算機(jī)將成為不被人注意的最常用的日用品。

第三個方向是向“深”度方向發(fā)展，即向信息的智能化發(fā)展。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)的重要課題，同時人機(jī)界面更加友好。計算機(jī)將具備更多的智能成分，它將具有多種感知能力、一定的思考能力，未來你可以用你的自然語言與計算機(jī)打交道，也可以用手寫的文字打交道，甚至可以用你的表情、手勢來與計算機(jī)溝通，使人機(jī)交流更加方便快捷。讓人能產(chǎn)生身臨其境感覺的各種交互設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是這一領(lǐng)域發(fā)展的集中體現(xiàn)。

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