未来的电脑什么样？

清扬

2014年11月20日，在世界超级计算机大会上传出喜讯：中国“天河二号”超级计算机在国际TOP500组织首次发布的高性能共轭梯度基准测试排行榜上，位居世界第一。

作为世界上运算速度最快的计算机，“天河二号”每秒的浮点运算速度高达33.86千万亿次，它运算1小时，就相当于13亿人同时用计算器算1000年。但功能如此强大的“天河二号”，采用的仍是传统硅芯片技术。而据专家预测，今后10年内，随着硅芯片上集成的晶体管数量越来越接近极限，其性能将越来越不稳定。因此，目前世界各国对新型计算机的研究正方兴未艾。未来，随着具有感知、思考、判断、学习及一定的自然语言能力的纳米、量子、光子、生物计算机的问世，计算机将迎来全新的时代。

超导计算机：运算速度快百倍

超导计算机，是使用超导体元器件的高速计算机。所谓超导，是指有些物质在接近绝对零度（0K，即-273.15℃）时电流流动是无阻力的。1962年，英国物理学家约瑟夫逊提出超导隧道效应原理并因此获得1973年诺贝尔物理学奖。

1999年11月，日本成功研发出超导集成电路芯片。目前，日本正在加速推进超导计算机研发，一旦研发成功，它的耗电量将只有传统半导体计算机的几千分之一，而执行一条指令所需的时间却要快100倍。与此同时，欧洲、中国和美国也都在抢滩新一代百亿亿次级超导计算机的研发。

但是，目前的超导体元器件都只能在低温下工作。若果将来能成功发明出常温超导材料，必将改写未来计算机的格局。

纳米计算机：有望走入寻常百姓家

当晶体管的尺寸缩小到0.1微米（100纳米）以下时，半导体晶体管赖以工作的基本原理将受到很大限制。因此，研究人员需另辟蹊径，突破0.1微米界限，实现纳米级器件。

纳米计算机，就是用纳米技术研发的新型高性能计算机。其纳米管元件尺寸仅为几到几十纳米，质地坚固，有极强的导电性。应用纳米技术研制的芯片，其体积只有数百个原子大小，相当于人头发丝直径的千分之一。而且它只需在实验室里将设计好的分子合在一起，就可以造出来，因此将节省数百万美元的生产成本。

2013年9月26日，第一台基于碳纳米晶体管技术的计算机在美国斯坦福大学成功研发并测试运行。这种计算机体积小、造价低、存储量大、性能好，未来实现产业化后，有望取代芯片计算机，走入寻常百姓家。

量子计算机：存储量超过宇宙原子数量总和

量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，利用原子的量子特性进行信息处理。量子计算机中的数据用量子位存储，由于量子叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。有人曾形象地比喻：假设一只老鼠准备绕过一只猫，根据经典物理学理论，它要么从左边过，要么从右边过，而根据量子理论，它却可以同时从猫的左边和右边绕过。

量子计算机的存储量是传统电子计算机所无法比拟的，理论上，300个量子位可承载的数据是2的300次方，超过了整个宇宙原子数量的总和。此外，由于能实行量子并行计算，其运算速度要比目前的计算机快10亿倍。在它面前，即使是目前世界上最复杂的密码，也会变得不堪一击。

尽管量子计算机的研究目前仍处于实验室阶段，但专家预测，它将在2030年实现普及，进入寻常百姓家。

光子计算机：光学“晶体管”瓶颈待突破

光子计算机的基本组成部件是集成光路，它用不同波长的光代表不同的数据，以大量透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。由于光子比电子速度快，光子计算机的运行速度高达1万亿次，存贮量是电子计算机的几万倍，还可对语言、图形、手势等进行识别与合成。

研制光子计算机的设想早在20世纪50年代后期就已提出。1986年，贝尔实验室的戴维·米勒研制出小型光开关，为同实验室的艾伦·黄研制光处理器提供了必要元件。1990年1月，艾伦·黄的实验室宣布研制出世界上第一台光子计算机。

但光子计算机需要开发出可用一条光束控制另一条光束变化的光学“晶体管”。而现有的光学“晶体管”庞大而笨拙，若用它们造成台式计算机，将有汽车那么大。因此，短期内光子计算机还无法实现商业化生产。

生物计算机：神奇的DNA碱基对序列

1994年11月，美国南加州大学的阿德勒曼博士提出一个奇思妙想，以DNA碱基对序列作为信息编码的载体，利用现代分子生物技术，在试管内控制酶的作用下，使DNA碱基对序列发生反应，以此实现数据运算。

生物计算机使用蛋白质分子制成的生物芯片，这种芯片比现在的硅芯片小得多，但存储量是普通计算机的10亿倍，1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿的二进制数据；它具有并行处理功能，运算速度比人脑快100万倍，比目前的计算机快10万倍；但它的能量消耗仅为普通计算机的10亿分之一。由于芯片的原材料是蛋白质分子，所以生物计算机既有自我修复的功能，又可直接与分子活体相联。

目前，美国已研制出生物计算机分子电路的基础元器件，可在光照的几万分之一秒内产生感应电流。以色列已研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型分子计算机，运算速度达每秒10亿次。

但生物计算机也有自身难以克服的瓶颈。研究显示，一台生物计算机24小时就完成了人类迄今为止全部的计算量，但从中提取一个信息却花费了1周，此外，也很难对其运算结果进行检测。这是目前生物计算机没有普及的最主要原因，但专家预测，这些瓶颈将在20年内突破，届时，它将在计算机领域内引起一场划时代的变革。（责任编辑/余风）endprint