计算机技术的一些新进展

牛文生

摩尔定律将继续有效

多年来虽然摩尔定律已走到极限的说法不绝于耳，但是半导体工艺的进步却从来没有停止。目前特征尺寸32nm的半导体工艺已成熟，大量用于高端芯片的制造。在不断缩小工艺尺寸的同时，结构上的改进也在进行。2011年5月4日，Intel宣布经过近十年的研究，在半导体技术上取得革命性突破，将推出被称为三栅极（Tri-Gate）的全新3D架构晶体管设计，并将在年内开始批量制造。传统的二位平面栅极结构被竖起的3D硅鳍状物代替，实现在晶体管在“关”状态下的低功耗，并可实现“开”、“关”状态的快速切换，从而可以实现高性能、低功耗的电子器件。

多核处理器的成熟

2006年出现的双核处理器标志着以主频论英雄的年代正式结束开始，处理器领域已进入一个多核时代，无论是业界巨 擘Intel还是AMD都已经明确表示，今后CPU将会是双核乃至多核的世界。多核设计为摩尔定律带来了新的生命力，在保持较低的时钟频率的同时，提高并行处理能力和计算密度，大大减少了散热和功耗。多核处理器提供了高性价比和高效节能的新途径，可以缓解当今处理器设计所面临的各种挑战。多核处理器是已成为主流处理器的发展趋势。

由于多核技术仍然是基于传统的“冯·诺依曼”结构，处理器内核数量的增加并没有缓解并行处理技术中算法并行化、并行编程的难题，多核的性能并不能充分发挥。因此近年来内核数量增加的速度有所减缓，集成多种功能电路的混合异构多核成为流行的结构，目前Intel的酷睿二代处理器采用四核结构，内部集成显示芯片。

超级计算机从高性能到高效能转变

国外历来强调高性能计算器在国家安全关键领域的战略作用。美国早年提出的“加速战略计算创新”（ASCI）计划，其目的就是在全球全面禁止核试验的情况下，美国能够继续保持它的核威慑能力和核垄断地位。主要的手段是利用数学方程和三维建模仿真核武器的爆炸效果，确保现有库存核武器的性能、安全和可靠性。从1997年到2007年，为ASCI计划专门研制的高性能计算机系统，已经经历了五代，2004年达到100万亿次，2010年达到1000万亿次量级的高性能计算机，预计2015年达到万万亿次以上量级。我国的“天河一号”目前名列超级计算机TOP500榜首，速度高达4700万亿次。

除了性能的不断提高，计算机处理的效能也在军事作战领域逐步得到重视。据估算，一台持续千万亿次计算的超级计算机系统可能需要消耗20兆瓦或更高的功耗，需要专门建设发电站，每年的电费开销可能高达1亿元以上。根据超级计算机世界500强排行榜重新排序的绿色500强排行榜中，IBM的超级计算机排名榜首，功耗效率达到1684Mflops/瓦，“天河一号”排在第十位，为635 Mflops/瓦。

不断探索采用新器件、新原理的计算机

以硅晶体管为基本单元的传统计算机在小型化的过程中将逐步接近其物理极限。研究表明，计算机运行速度的快慢与芯片之间信号传输的速度直接相关，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在传输信号的过程中会吸收掉一部分信号，从而延长了信息传输的时间。

据报道，美国纽约伦斯雷尔·保利技术公司的科学家发明了一种利用空气的绝缘性能来成倍地提高计算机运行速度的新技术：芯片或晶体管之间由胶滞体包裹的导线连接，“空气胶滞体”导线几乎不吸收任何信号，因而能够更迅速地传输各种信息，可以成倍地提高计算机的运行速度。

将纳米技术与计算机制造技术相结合的纳米计算机（Nanometer Computer）也是很有发展前景。现在纳米技术正从MEMS（微电子机械系统）起步，把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。专家预测，10年后纳米技术将会走出实验室，成为科技应用的一部分。纳米计算机体积小、造价低、存量大、性能好，将逐渐取代芯片计算机，推动计算机行业的快速发展。

此外，以生物计算机、光计算机和量子计算机为代表的新概念计算机研究也非常引人注目。

生物计算机（Biology computer）

生物采用了生物芯片，由生物工程技术产生的蛋白质分子构成（所以又称分子计算机）。在这种芯片中，信息以波的形式传播，运算速度比当今最新一代计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十分之一，并且拥有巨大的存储能力。由于蛋白质分子能够自我组合，再生新的微型电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能自动修复芯片发生的故障，还能模仿人脑的思考机制。

美国已研制出生物计算机分子电路的基础元器件，可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。以色列科学家已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型分子计算机。预计20年后，分子计算机将进入实用阶段。

光子计算机（Optical Computer）

光子计算机利用光作为信息的传输媒体。由于光子具有电子所不具备的频率及偏振特征，从而大大提高了传载信息的能力。此外，光信号传输根本不需要导线，即使在光线交汇时也不会互相干扰、互相影响。一块直径仅2厘米的光棱镜可通过的信息比特率可以超过全世界现有全部电缆总和的300多倍。光脑还具有与人脑相似的容错性，如果系统中某一元件遭到损坏或运算出现局部错误时，并不影响最终的计算结果。目前光脑的许多关键技术，如光存储技术、光存储器、光电子集成电路（OIC）等都已取得突破。科学家们预计，光子计算机的进一步研制将是21世纪高科技领域的重大课题。

量子计算机（Quantum Computer）

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行计算。量子计算机能够实行量子并行计算, 其运算速度可能比目前计算机的PentiumⅢ晶片快10亿倍。除具有高速并行处理数据的能力外，量子计算机还将对现有的保密体系、国家安全意识产生重大的冲击。

目前，量子计算机正在开发研制阶段，随着毫微技术的进步和毫微米级加工技术的发展，科学家们认为，第一台量子计算机有望在10年后诞生。我国量子信息专家宣称，将在5年内研制出实用化的量子密码来服务于社会。美国、英国、以色列等国家都先后开展了有关量子计算机的基础研究，正在开发中的量子计算机有三种类型： 核磁共振量子计算机、硅基半导体量子计算机和离子阱量子计算机，预计 2030 年量子计算机有可能进入实用。

（作者单位：中航工业计算所）