全球信息科学技术前沿动向

◎ 上海科学技术情报研究所 陈 骞

信息科学技术是全球高新技术竞争焦点，也是各国发展新兴产业的战略必争领域，对社会和经济的发展具有革命性影响。近一年多，该领域的前沿研发活动在计算机技术、信息存储、通信技术与芯片技术等方向的表现与进步较为突出。

一、新型计算机系统

计算机技术研究重点方向是超高速、超小型、智能化，功能愈发丰富，融合性也更强。在对超级计算机、微型计算机等传统计算机系统持续性研究投入的同时，量子计算机受重视程度进一步提升，拓扑容错量子计算机、量子比特等技术脱颖而出，同时，尺寸更小的毫米级计算系统、具有自我功能修复的计算机系统、参照人类视觉系统的超级计算机也得以问世。

（一）量子计算机

目前，世界上不少国家在致力于开发超大规模高性能计算机，但它需要消耗大量电力，而量子计算机在解决同样问题时有可能比它们使用更少的时间和存储空间，能量消耗也更少。美国和欧洲科学家正在使用不同的技术路线研制计算能力更强、效率更高的量子计算机。

2010年11月,伦敦帝国学院和澳大利亚昆士兰大学的联合研究小组宣布设计出一种拓扑容错量子计算机方案，具有高达24.9%的容错阈值和极强的抗损能力，让其在信息损失和计算错误同时存在的情况下，仍保持良好的工作能力。加拿大D-Wave系统公司于2011年5月成功开发世界上第一台量子计算机工作模型机，该计算机处理器测试包含了128超导磁量子比特和2.4万个约瑟夫森结装置，使其成为目前世界上最复杂的超导电路。

传统计算机用电位高低表示0和1以进行运算，量子计算机则用原子的自旋等粒子的量子力学状态来表示0和1，称为量子比特。随着量子比特数目的增加，其运算能力也呈指数级增加。如何进一步高效地扩展纠缠的量子比特数目并让其维持这种纠缠状态，是当前量子信息研究领域面临的严峻挑战。

耶鲁大学正在研发一种量子比特，其工作方式与集成电路的方式一样，能够同时让多个量子比特处于纠缠状态。尽管量子比特的数量增加的很慢，但研究人员控制量子交互作用的精确度已经提高了1000倍。加州大学圣巴巴拉分校的研究人员正在设计一个具有4个量子比特、5个谐振器的设备，并计划用这个标准的微电子组件来迫使量子发生纠缠，未来该系统将增加到8个量子比特和9个谐振器。

（二）毫米级计算系统

毫米级计算系统被认为是计算机科学研究领域的前沿，也是 “普适计算”的开端。2011年2月美国密歇根大学研究人员制造出世界首个完整毫米级计算系统，这种新计算机体积只有1立方毫米，由微处理器、压力传感器、存储器、薄膜电池、太阳能电池和带天线的无线接收装置等多个部件组成。虽然这一毫米级计算系统已经完备，但它还不具备与其他类似计算系统“通话”的能力，为此，研究人员正在开发带有一体天线的无线电接收装置，可以通过精确控制天线形状与大小来控制它对电子信号的反应，从而避免使用目前两个孤立的设备之间“通话”时必须依赖的粗重的外置平衡线，进一步缩减了系统的尺寸。

（三）具有自我功能修复的计算机系统

在计算机使用过程中，经常会因为处理器出现问题致使系统陷于崩溃的状况。为使计算机系统可以运行得更为可靠和稳定，丹麦技术大学研究小组受到人体自我修复能力的启发，于2010年10月研制出具有无需人工干预便可自行修复功能的计算机系统“埃德娜”。与普通计算机拥有一个中央处理器不同，“埃德娜”有数目众多的小处理器，一部分正常运转，另外一部分则作为备份。一旦某个运转的小处理器出现问题，无法正常工作，就自动激活“备份”处理器中的一个，代替其执行任务。

（四）基于人类视觉系统的超级计算机

科学家们近来年一直在寻求通过模仿人体视觉系统神经网的计算机来完成交通状况监视和应对突发事件的导航能力。2010年9月，美国耶鲁大学工程和应用科学学院的研究小组开发出了基于人类视觉系统的超级计算机，与过去所研制的同类计算机相比，其在速度和节能上均有很大提高。这款被命名“神经流”的超级计算机系统每秒能完成超过千亿次的操作任务，采用了纽约大学的复杂视觉算法，能模仿人体视觉系统的神经网快速地识别自己周围的世界，以运行适合于人造视觉应用的大型神经网络。值得一提的是，其能耗却十分低，甚至少于手机的用电量。

二、高效信息存储

信息存储技术特征正在发生转变，应用领域出现了多元化局面，并对传统的存储器技术和设计方式提出了挑战，近期研究目标主要集中在体积更小、读写速度更快、记忆量更大、功耗更低。以原子核自旋为代表的新兴存储技术、非易失性存储技术、相变存储器技术、内容可寻址存储器技术在体积、读写速度、容量、功耗等方面取得令人刮目相看的成绩。

（一）超微型、高密度存储

原子核自旋有可能成为全球最小的计算机存储器，可被广泛用于量子计算机。2010年年底美国犹他大学研究人员实现了在原子核磁自旋中存储信息，数据存储时长达112秒，从而制造出目前最持久的自旋电子器件，研究人员尝试在寿命相对较长的原子核里存储数据，并研究了环绕其轨道运行的自旋电子信息，使用百亿赫兹的电磁波使电子发生特定的自旋，用调频范围的无线波将自旋写在磷原子核上，由于原子核不易受到温度变化和其他电子的干扰，它的自旋也不会被原子核周围电子云的状态干扰。

信息电子产品的轻薄短小化有了进一步无限发挥的可能性。2010年12月，中国台湾地区“国研院”纳米组件实验室开发出全球最小的9纳米功能性电阻式内存（R-RAM）数组晶胞，容量比现在的闪存增大20倍，电量却降低了200倍，应用该器件在1平方厘米面积下，可以储存1个图书馆的文字数据，而且可再借立体堆栈设计，进一步提升容量。

铁电存储器最大的优点在于读写速度快，与现在使用广泛的闪存硬盘以毫秒为单位的运转速度相比，铁电存储器可以达到几十纳秒，快了106倍，可广泛应用于高性能移动数字设备和电脑中，大大提升了读写数据的效率。2011年复旦大学信息科学与工程学院微电子学系在高密度铁电阻变存储器（Ferro-RRAM）的研究中取得重大进展，证明了一种铁电自发极化方向调制的p-n结电流，可运用于高密度信息的非挥发存储。

（二）非易失性存储

非易失性存储器（NVMM）在断电后仍能存储数据，具有高存取速度、高容量、非易失性等主要优势，可以取代目前计算机主存内使用的动态随机存取存储器（DRAM），拥有巨大的应用潜力。

针对非易失性主存储器面临信息被盗取或者泄密，需要经常不断地对数据进行加密和解密，使系统的运行速度变慢的现象， 2011年5月美国北卡罗莱纳州立大学研究小组宣布研发出了名为i-NVMM的硬件加密系统，可以加密所有数据，并设计出一种新算法，可以探测出处理器可能不需要的数据，每次操作只加密约78%的主存数据，剩下22%的主存会在计算机关闭时被加密，这样系统的运行速度只减少了3.7%。2011年年初美国北卡罗莱纳州立大学研究人员开发出一种双悬浮栅极场效应晶体管，该器件可同时执行易失性和非易失性器件的功能，并可用于主存储器中，该研究团队已对该技术的可靠性进行了研究，结果表明该器件在易失性模式存储数据时具有非常长的使用寿命。

（三）相变存储

相变存储器(可缩略表示为PCM、PRAM或PCRAM)是一种新型非易失性计算机存储器，相比于传统存储器利用电荷形式进行存储，它主要利用可逆相变材料晶态和非晶态的导电性差异实现存储，被称为是“操纵原子排列而实现存储”的新型存储器。

IBM公司研究人员利用电极之间有一些材料会根据电压大小的不同发生相变，从而直接影响存储器单元的电阻，于2011年研制出多位相变存储器，其每个存储格都能长时间存储多个字节的数据。为了达到一定的可靠程度，研究人员利用迭代“写入”方法克服了存储器单元和相变材料本身的多变性所导致的阻值偏移。使用迭代方法，最差情况下的写入延迟只有10微秒，其性能是目前市场上最先进闪存的100倍。另外，为了可靠地读取数据，科学家还使用先进的调制编码技术解决了由于非结晶态下原子的结构松散，相变后，电阻值会随时间的流逝而增加，导致读取数据出现错误的问题。

（四）内容可寻址存储

内容可寻址存储器（CAM）是一个特定类型的计算机内存，用在一个特定的高速搜索应用程序中。日本NEC公司和日本东北大学的研究人员在存储器与逻辑电路融为一体的内容可寻址存储器上取得重大突破，于2011年7月底宣布在全球范围内首次开发出了与原有CAM保持同等处理速度、切断电源后仍能保存数据的非易失化技术。它采用了自旋电子逻辑集成电路技术，通过注入自旋极化电流的方式来实现扭转磁矩，以磁畴壁中的垂直布洛赫线为信息载体，采用这种新型的自旋电子技术后使得存储密度更大、运行速度更快。同时具有非易失性的功能，即在没有电流的情况下仍能保存数据,不但能够以用户的输入为触发条件来工作，还能实现从待机状态下瞬间启动。这种存储器的电路面积比传统电路要小一半，可以让未来的电子设备更轻、更薄、更小巧。此外，由于新存储器根据内容而非地址来进行存取，与传统技术相比其数据检索速度也更快。

三、极限通信传输

通信技术是当今发展速度最快、覆盖范围最广、渗透性最强、应用最广泛的信息技术领域之一，其泛在化、移动化、宽带化的技术特征越来越明显。光通信、无线通信技术在进一步扩大网络容量、提高传输速率、丰富传输介质上有了亮点之作。

（一）光通信

光纤网络是构建高容量数据通信系统的基础。线性光纤通信系统是当前最主要的光信息传输方式，但它在传输距离和容量方面受限于光纤损耗和色散的影响。要实现更先进的网络服务和高清视频传输等业务，必须在扩大光纤网络线路容量、进一步提高传输速率上取得突破。

德国弗朗霍夫学会海因里希-赫兹研究所与丹麦技术大学研究人员共同在长度为29公里的单一玻璃光纤线路上创造了每秒10.2Tb的光纤传输速率世界新纪录，其每秒传输的数据量相当于240张DVD光盘，并在2011年3月进行了演示。德国卡尔斯鲁厄技术研究学院（KIT）的科学家于2011年成功完成了一秒钟编码26Tb数据、输出50公里，再成功解码的实验，这是有史以来用一个激光束传输的最大数据量。

世界范围内全光网仍处在研究阶段，尚未形成一整套统一的标准，现阶段由于器件等方面的限制，具有高非线性光学波导和超高速性能的全光处理是全光网络研究热点。在全光网络中，硅基技术被认为是适合制造各种不同的被动线性光学器件，但是硅中有害的非线性效应，致使超高速主动硅基功能的开发如全光开关仍然是一大挑战。这方面，德国Karlsruhe大学、比利时大学校际微电子研究中心、美国Lehigh大学的研究人员通过将深紫外光刻、标准CMOS工艺和有机分子束沉积等技术结合起来，制造了一种由硅-有机杂化物（silicon-organic hybrid，SOH）构成的光学波导，实现了全光超高速通信信号处理。这种SOH波导信号传输速率超越了硅波导固有的极限40Gb/s，而达到了100Gb/s以上。

在光纤中实现光速可调控传输在光信号处理、光信号存储等领域具有重要的应用前景，基于光纤受激布里渊散射的快慢光被认为是当前最实用的方法，但因快光工作于吸收带反常色散区，信号衰减强烈，加快量又受到增益饱和的限制，因此难以实现超光速的长距离传输。2011年，上海交通大学物理系在这方面取得了突破性的进展，该校研究组提出了基于光纤布里渊激光共振腔的超光速，甚至以负群速度传输的新方法，首次在光纤中实现了光信号的10m长距离超光速传输，并极大地提高了加快量，从而实现负群速度超光速的长距离低损耗传输。

开发复数内核(芯径)的光纤，其关键技术是如何防止同光纤中各个内核中光信号泄漏所产生的光信号互相干扰问题以及在光纤连接时光纤中各内核偏离等技术问题。2011年3月日本信息通信研究机构(NICT)、OPTOQUEST株 式 会 社和住友电工株式会社共同宣布在1个多芯径的光纤回路上，进行了传输速率高达109Tb/s、传输距离达16.8km的试验，突破了现在一根多芯径光纤上传输100Tb/s的物理极限。此次实验，使用了光纤芯径间光信号泄漏大幅削减的七芯径光纤和光纤连接装置，在技术上解决了光纤中七芯径间泄漏的信号互相干涉和光纤芯径连接时纤芯偏离等技术难题。

（二）无线通信

无线通信是当今信息通信中最为活跃的领域，无线技术在快速演进中不断革新。目前，无线电波数据传输方式效率不高，无线电波存在很多局限性，它们较为稀有、成本昂贵并且只有确定的波段，这些问题使其无法满足数据传输需求。针对这一状况，英国爱丁堡大学工程学院于2011年8月宣布研发出一种全新的无线数据传输技术，可利用普通的电灯泡完成整个过程。研究人员将这种装置称之为“Light Fidelity”，可用于传输来自电视波段“白空间”的无线数据或者未被使用的卫星信号，通过改变房间照明光线的频率进行数据传输，每秒传输的数据超过10Mb，与典型的宽带连接不相上下。

四、超级芯片

芯片技术已进入纳米级时代，向着集成电路微细化的物理极限前行，发展重点由提高主频向提高综合性能转变，向多核心、嵌入式方向发展的同时，运算速度快、体积超小化、能耗消费少亦受到关注，出现了可编程纳米处理器、概率型芯片等技术。

（一）可编程纳米处理器

过去十多年，科学家们一直在研究纳米线、碳纳米管以及其他纳米结构，并几乎组装出所有设备，但由于单个纳米结构性能的多样性这一重大局限，最基本电路一直无法研制成功。

2011年伊始，美国哈佛大学和麦特公司携手研发出世界上首块可编程的纳米处理器，在电路的复杂性和功能性方面取得重大突破。该纳米线路不仅能够进行电子编程，还能实现一些较基本的计算和逻辑推理功能，朝着复杂的用人工合成纳米元件组装计算机线路迈出了关键一步。新型电路与目前主流电路的构建方法完全不同，它是采用自下而上的方法构建而成的，研究人员利用最新技术设计并合成出全新纳米线组件，这些纳米线组件展示出了构建功能性电子线路所需的可重复性，而且完全可以升级，这就使得组装更大型、功能更强大的纳米处理器成为可能。同时，这些超薄纳米电路可以采用电学方法进行编程，让其执行大量基本运算和逻辑功能。另外，该纳米处理器中的电路在操作时耗能极少。由于纳米线组件中包含的晶体管开关是“永久性的”，与传统微型计算机电路中的晶体管不同，一旦该纳米线晶体管被编程，它们不需要任何额外的电能来保存其记忆。

（二）高速芯片

虽然目前计算机的多核处理器能同时执行不同任务，但由于必须访问一个内存资源，这会拖慢系统的速度。

科学家新开发的千核处理器通过给每个内核分配一定数量的专用内存而提高了处理速度，2010年年末，英国格拉斯哥大学和美国马萨诸塞大学卢维尔分校的科学家研制出一种“超速芯片”，可以在一个中央处理器上加载1000个内核，每秒钟可以处理50亿字节数据，比普通计算机速度快20倍，研究人员通过在一个FPGA（现场可编程门阵列）芯片上创建1000个以上的微型电路，有效地把这种芯片转变为一个1000个内核的处理器，而且每个内核按照自己的指令工作。

2010年9月，美国IBM公司发布了四核处理器“z196”，主频高达5.2GHz。该处理器集成14亿个晶体管，核心面积512平方毫米，使用45纳米工艺制造，还使用了IBM专利嵌入式DRAM(eDRAM)技术，能在同一颗芯片上放置高密度DRAM缓存或者相关元件。“z196”还借助软件对数据量工作负载的性能进行优化，包括数据敏感型和Java工作负载性能提升60%，同时在相同耗电量下，“z196”的计算能力相比前一处理器“z10”提升了60%。

（三）超小型芯片技术

随着集成电路技术的发展，电子元件的尺寸越来越小，由单电子晶体管组成的电路日益受到研究人员的关注。2011年4月，美国匹兹堡大学研究小组宣布制造出一种核心组件直径只有1.5纳米的超小型单电子晶体管，核心组件是一个直径只有1.5纳米的库伦岛，可用于研制具有超密存储功能的量子处理器，其高灵敏度的特性和独特的电气性能使其成为制造下一代低功耗、高密度超大规模集成电路理想的基本器件。

单个芯片中包含了数十个对芯片性能至关重要的杂质原子，随着芯片不断小型化，每个原子的表现所起到的决定性作用也逐渐加大，这种能够控制单个杂质原子新技术的重要性不言而喻。美国俄亥俄州立大学研究小组对半导体中杂质原子的属性如何受到周围其他原子排列的影响进行了研究，于2010年年末开发出一种技术，可通过重新排列半导体中的原子空穴，来调节掺杂其中的杂质属性。

（四）概率型芯片技术

传统芯片的晶体管主要用于搭建数字与非门，这是一种基本的逻辑电路，主要使用一系列“0”和“1”来执行数字逻辑功能。而在概率处理器上，晶体管被用于搭建贝叶斯（Bayesian）与非门，也就是概率与非门。2010年8月美国Lyric半导体公司推出首款基于概率技术的闪存纠错芯片，有助于缓解闪存芯片的纠错问题，与传统闪存芯片的纠错电路相比，新的纠错芯片尺寸小30倍，效能比高12倍，速度也更快。该芯片的运算主要基于概率而非传统的二进制逻辑，仍由晶体管制成，但它输入输出的值是概率而非0或1。

（五）3-D结构晶体管技术

受晶体管尺寸缩小所面临的极限，芯片能够在基本结构层面上有所改变，是一种真正革命性的突破。2011年5月英特尔公司设计的三栅极（Tri-Gate）3-D晶体管成功实现了22纳米制程技术的突破，代表着从2-D平面晶体管结构的根本性转变，同时也为摩尔定律注入了新的活力。与之前的32纳米平面晶体管相比，22纳米3-D三栅极晶体管在低电压下可将性能提高37%，在相同性能的情况下电量消耗将减少50%，而其造价仅提高2%～3%。更多的控制可以使晶体管在“开”的状态下让尽可能多的电流通过，而在“关”的状态下尽可能让电流接近零，同时还能在两种状态之间迅速切换。下一步，英特尔继续采用3-D结构的设计，将着力突破14纳米制程技术。

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