許彩芳 查道貴

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

超小型體積、超高速運算能力及高安全性是未來計算機發(fā)展趨勢，而智能化與并行處理功能則是未來計算機技術(shù)的高端走向。 自1946 年誕生第一臺應(yīng)用電子運算的計算機起，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)次的升級換代后，今天計算機技術(shù)已經(jīng)實現(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)的計算機性能再次迎來時代挑戰(zhàn)。 挑戰(zhàn)面前，不甘寂寞的開發(fā)者開始從計算機原理上找尋再發(fā)展的新突破口，一系列符合時代發(fā)展需求的新機種應(yīng)運而生。 未來的計算機將開辟全新的人工智能時代， 全面推動新一輪的技術(shù)革命，必將對社會發(fā)展產(chǎn)生積極的影響，成為人類社會進步的有力推手。

一、計算機智能化綜述

為獲得超高速計算能力， 改進了計算機結(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，都以提高運算速度為目的， 同時也揭開了計算機技術(shù)革新的新一頁。超級計算機的超級計算能力，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)計算機難以望其項背。 超高速新型計算機的最大特點在于平行性處理技術(shù)改進與采用，亮點在于能夠保證計算機系統(tǒng)運行的同時，兼顧多條指令的執(zhí)行與多個數(shù)據(jù)的并行處理，對計算機的運行速度是一種里程碑式的跨越與提高。 計算機的超級智能化是通過成百上千甚至數(shù)以萬計以上的處理器綜合實現(xiàn)的，能夠完成當(dāng)今普通計算機與服務(wù)器無法實現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)。 正因為具有了超級運算能力，讓此類計算機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)， 從而實現(xiàn)各高端領(lǐng)域的項目集成研究與全面開發(fā)。 就目前而言，世界上超級巨型計算機已具備了相當(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畫片中，那些令人悅目的特技效果大都是通過超級計算機來完成的，隨著計算機智能化的進一步發(fā)展，運作成本將微乎其微，一切均會變得輕而易舉。目前，擁有萬億次/秒超級運算計算機，除我國之外，世界上還有日本與以色列、美國與印度，其他西方國家與發(fā)展中國家也競相研發(fā)，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)形成超級計算機開發(fā)與創(chuàng)新的時代新浪潮，未來計算機超級智能化指日可待。

二、新型計算機的技術(shù)前沿解析

（一）蓄勢待發(fā)的量子型計算機

量子計算機源自于可逆計算的理論研究，是基于量子力學(xué)原理通過數(shù)學(xué)邏輯與高速運算、量子信息存儲與處理的一類物理裝置。 受量子效應(yīng)啟發(fā)，科學(xué)家才有了量子計算機的開發(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到鏈狀移動，從而完成運算的目的，數(shù)據(jù)的存儲是通過量子位和基于量子的疊加效應(yīng)來實現(xiàn)。 另外，量子計算機存儲量是當(dāng)下傳統(tǒng)計算機無法比擬的，其運算速度同樣超乎想象，要比當(dāng)前計算機快出10 億倍之多；正如大家所熟知的那樣，量子技術(shù)對網(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)有的國家安全保密體系，成為推促國家安全技術(shù)革命的推動者。 概括而言，無論量子模擬運算還是量子并行運算，量子相干性的充分應(yīng)用為其本質(zhì)特征。 多少個日日夜夜，世界五湖四海的開發(fā)者們都有這樣的夢想，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，我國從國家層面上重視和發(fā)展量子科技，也取得了一些比較前沿的重大成果，特別是在量子計算突破方面；同時在量子計算、量子器件、材料方面有很多優(yōu)勢，很多研究走在了世界前列。 未來的“十四五”規(guī)劃，將堅定科技創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，也會更加重視量子科技發(fā)展，將會在頂層設(shè)計上“下好先手棋”。 我們有理由相信，量子計算機將會以嶄新的風(fēng)采破土而出，讓計算的傳統(tǒng)概念舊貌換新顏。

（二）光子型計算機大有可為

通過光子取代傳統(tǒng)電子形成光子計算機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)光子式運算、光子傳遞與光子存儲是光子型計算機的一大特點。 進一步來說，就是全光子形式數(shù)字的計算機，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)計算機電子硬件模式也被光子式硬件替代，最終以光子運算方式替代傳統(tǒng)電子運算方式。

相對于傳統(tǒng)計算機而言，光子計算機是以不同波長的光子分別代表不同的計算數(shù)據(jù)，在復(fù)雜度更高及計算量更大的任務(wù)上有更好的表現(xiàn)，通過并行處理實現(xiàn)快速高效的運作機制。 所以說，光子計算機即全光數(shù)字計算機，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，光運算代替電運算。

與傳統(tǒng)計算機相比， 光子計算機徹底實現(xiàn)了“無導(dǎo)線”式計算，無論信息傳遞速度，還是平行密度通道，均實現(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)中帶給光計算機并行處理的天賦，這樣，實現(xiàn)超高速運算就成為可能了。 比較而言，電子式超高速計算機存在僅限低溫工作的弊端，而對這樣的運算，通常室溫下光計算機便可以完成。 同時，光計算機還與人的大腦類似，也一樣具有容錯功能，如果系統(tǒng)的某個元件出錯或者損壞，并不能對計算最終結(jié)果造成影響。 當(dāng)前，第一臺這樣的光計算機出自英法德等70 余位科學(xué)家之手，綜合運算速度快出傳統(tǒng)電子式計算機千倍以上。 在科學(xué)家眼里，21 世紀將是光計算機時代，這種高科技課題必將掀起一場新的計算機技術(shù)革命。

（三）分子型計算機前景廣闊

分子型計算機具有體積小卻存儲大、運算快卻耗電少的特點。 它的運算過程就是蛋白質(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算機優(yōu)勢明顯， 具備較強的生命力，甚至可以在生物的有機體當(dāng)中靈活運行，并在運行當(dāng)中能以分子的形式實現(xiàn)與外部環(huán)境的交換。針對這一特點，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、仿生算法與自動機式模型以及化學(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。 如二進制數(shù)萬億數(shù)據(jù)只相當(dāng)于1 立方米DNA 溶液存儲能力。

而單論消耗， 分子計算機能量損耗卻微乎其微，相當(dāng)于普通電子計算機的十億分之一。 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， 又可實現(xiàn)與分子其它活體的直接相聯(lián)。如果能對這樣反應(yīng)過程進行控制， 那么成功研制DNA 式計算機就不再是遙不可及的夢想。 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，這樣的生物計算機便能進行周密運算， 以百萬倍的速比遠超人類的思維反應(yīng)。 因為生物DNA 芯片是以蛋白質(zhì)作原材料的，所以又賦予了生物計算機自我修復(fù)功能；同時與活體直接相聯(lián)，使其具備超強的反應(yīng)能力。 科學(xué)家們預(yù)計， 在不久的未來，DNA 生物計算機將正式走進我們中間，全面介入人類的學(xué)習(xí)、工作與生活。

（四）納米型計算機的潛力無限

納米計算機是指通過納米技術(shù)全新研發(fā)的一種高性能新型計算機。 它的納米管型元件尺寸大小只有幾至十幾納米，并且質(zhì)地異常堅固，超強導(dǎo)電性為其最大亮點，替代硅芯片來制造計算機，成本將會極大地降低。 上世紀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械式系統(tǒng)的初步啟動， 將處理器、傳感器以及電動機置于同一塊硅芯片，組合構(gòu)建成一個全新的納米系統(tǒng)。

計算機納米內(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，納米計算機幾乎可以忽略不計，但是它的性能要超出目前計算機許多倍。 我們可不妨設(shè)想一下，“納米”作為一個微乎其微的計量單位，大約10 倍于氫原子直徑。 納米技術(shù)最早始于上世紀80 年代， 是科研領(lǐng)城迅速研發(fā)而來的前沿技術(shù)，此項技術(shù)的應(yīng)用，可以讓人類按照意愿對某單個原子進行直接操控，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)，是將電動機、傳感器及各類處理器整合起來，并植入一個特定硅芯片內(nèi)，從而達到系統(tǒng)運作的目的。 納米計算機，不僅能源消耗幾乎為零，而且相比現(xiàn)有的電子計算機性能要強大更多，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，研制納米計算機已經(jīng)步入實質(zhì)性階段，惠普公司的科研人員已有了成功的嘗試，對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)寫計算機技術(shù)革命輝煌的一頁。

三、計算機未來發(fā)展的多樣化選項

未來的計算機概念， 將不再以電腦的面目出現(xiàn)，而是以光腦形象閃亮登場。 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，也就是時刻照耀我們的可見光，時速可達到三十萬公里之多。 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)只能與既定用戶對接， 而徹底將黑客等杜絕于網(wǎng)絡(luò)大門之外，因為光子出自于光腦，在運行互聯(lián)網(wǎng)的時候，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)機密。 另外，單就運算速度而言，光子絕對提升了一個檔次。 可以設(shè)想一下，未來計算機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，光腦可以隨時出現(xiàn)在任何人類需要的場所。

(一)無處不在的無線化

未來計算機的設(shè)計初衷在于網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備之間實現(xiàn)無線連接，這意味著使用臺式機將比使用筆記本更便捷。 主機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 個人局域網(wǎng)提供無線形式連接，而重點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”，實現(xiàn)不同計算機之間，或者電子消費產(chǎn)品與計算機之間的高頻式寬帶無線連接。在15 英尺相對較短的區(qū)城內(nèi)，UWB 傳輸速度可達400 到50O 間Mbps 兆寬（甚至更高）。

(二)無所不能的專業(yè)化

高性能計算勢必帶來熱量高發(fā)與能源高耗的負面效應(yīng)。 未來的專用設(shè)備將逐步取代目前通用的PC 機， 以專一對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收銀機等等，多是基于單項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)控式家庭型計算機”將實現(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)?；?/h3>

為避免計算機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”酶方式替代時下的硅構(gòu)架模式計算機，以求計算機能耗的大幅度降低。 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。 計算機環(huán)保性能另一個突出特點PC 機如同像當(dāng)今報紙雜志一樣， 在失去其使用價值之后，仍可回收再利用，加工制造成新的計算機。

(四)風(fēng)靡全球的人性化

人們操控計算機不僅體現(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算機，甚至一個眼神便可讓計算機心領(lǐng)神會，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，勇氣號與機遇號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，如此遙遠的距離一個來回信號便需要6 分多鐘，難以對置身火星千萬里之外的機器人形成實時操控。這便要求機器人首先必須具備相當(dāng)?shù)娜斯ぶ悄?，在無人操控的條件下智能化自主應(yīng)對各類突發(fā)事件。同時，伴隨云計算的能力增強，民用性計算機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?，嵥槭聞?wù)， 成為專門的家務(wù)機器人，讓更多的人們騰出充裕時間進行學(xué)工作娛樂、學(xué)習(xí)交際等。

結(jié) 語

計算機經(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，計算機硬件更新?lián)Q代的摩爾定律也被打破； 同時，近十幾年出現(xiàn)的新技術(shù)（云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云存儲技術(shù)、5G、人工智能等），使得計算機的軟件也有長足的發(fā)展，計算機正在并將持續(xù)加強對人類的學(xué)習(xí)和生活方方面面的影響。 在可預(yù)見的未來，計算機將會在架構(gòu)、安全、成本及能源方面有較大發(fā)展；計算機也將會更高速、更小型化、更安全；計算機將會讓人們的學(xué)習(xí)、 生活和工作變得更便捷、更“智慧”。