基于发展视角的计算机前沿技术思考

许彩芳 查道贵

（宿州职业技术学院计算机信息系 安徽·宿州 234101）

超小型体积、超高速运算能力及高安全性是未来计算机发展趋势，而智能化与并行处理功能则是未来计算机技术的高端走向。 自1946 年诞生第一台应用电子运算的计算机起，世界便到处闪亮这样光彩夺目的身影，在历经一次次的技术创新，历经无数次的升级换代后，今天计算机技术已经实现了质的飞跃。 然而，创新无止境，伴随各行各业尖端技术的海量需求，传统的计算机性能再次迎来时代挑战。 挑战面前，不甘寂寞的开发者开始从计算机原理上找寻再发展的新突破口，一系列符合时代发展需求的新机种应运而生。 未来的计算机将开辟全新的人工智能时代， 全面推动新一轮的技术革命，必将对社会发展产生积极的影响，成为人类社会进步的有力推手。

一、计算机智能化综述

为获得超高速计算能力， 改进了计算机结构，而平行处理尖端技术的应用将这种能力送达顶峰。将多条指令一并执行以及同步执行众多指令是其超高速运算特色，而作为平行数据处理技术的主要手段，不论技术如何复杂高端，都以提高运算速度为目的， 同时也揭开了计算机技术革新的新一页。超级计算机的超级计算能力，离不开成百上千乃至过万的处理器的平行协作，其海量数量处理能力让传统计算机难以望其项背。 超高速新型计算机的最大特点在于平行性处理技术改进与采用，亮点在于能够保证计算机系统运行的同时，兼顾多条指令的执行与多个数据的并行处理，对计算机的运行速度是一种里程碑式的跨越与提高。 计算机的超级智能化是通过成百上千甚至数以万计以上的处理器综合实现的，能够完成当今普通计算机与服务器无法实现的复杂任务。 正因为具有了超级运算能力，让此类计算机能轻松胜任大型的数据分析与综合式VR 模拟等任务， 从而实现各高端领域的项目集成研究与全面开发。 就目前而言，世界上超级巨型计算机已具备了相当的智能化成份，基本具备人类大脑的复制能力，逐步成为替代人们工作、服务人们学习生活必不可少的工具。 正如当下的许多影视剧和动画片中，那些令人悦目的特技效果大都是通过超级计算机来完成的，随着计算机智能化的进一步发展，运作成本将微乎其微，一切均会变得轻而易举。目前，拥有万亿次/秒超级运算计算机，除我国之外，世界上还有日本与以色列、美国与印度，其他西方国家与发展中国家也竞相研发，在世界范围内已经形成超级计算机开发与创新的时代新浪潮，未来计算机超级智能化指日可待。

二、新型计算机的技术前沿解析

（一）蓄势待发的量子型计算机

量子计算机源自于可逆计算的理论研究，是基于量子力学原理通过数学逻辑与高速运算、量子信息存储与处理的一类物理装置。 受量子效应启发，科学家才有了量子计算机的开发理念。 它通过分子的一种链状聚合特性表现开合两种状态；在脉冲激光的作用下来改变状态，并且信息能够沿循聚合物达到链状移动，从而完成运算的目的，数据的存储是通过量子位和基于量子的叠加效应来实现。 另外，量子计算机存储量是当下传统计算机无法比拟的，其运算速度同样超乎想象，要比当前计算机快出10 亿倍之多；正如大家所熟知的那样，量子技术对网络安全同样影响重大，它的出现还将深刻影响到现有的国家安全保密体系，成为推促国家安全技术革命的推动者。 概括而言，无论量子模拟运算还是量子并行运算，量子相干性的充分应用为其本质特征。 多少个日日夜夜，世界五湖四海的开发者们都有这样的梦想，不遗余力地推敲着技术创新的大门，稍有发现便会欣喜若狂。 量子科技经过近百年的发展，迎来了“第二次量子技术革命”。 最近几年，我国从国家层面上重视和发展量子科技，也取得了一些比较前沿的重大成果，特别是在量子计算突破方面；同时在量子计算、量子器件、材料方面有很多优势，很多研究走在了世界前列。 未来的“十四五”规划，将坚定科技创新驱动发展，也会更加重视量子科技发展，将会在顶层设计上“下好先手棋”。 我们有理由相信，量子计算机将会以崭新的风采破土而出，让计算的传统概念旧貌换新颜。

（二）光子型计算机大有可为

通过光子取代传统电子形成光子计算机，实现数据光子式运算、光子传递与光子存储是光子型计算机的一大特点。 进一步来说，就是全光子形式数字的计算机，舍弃传统电子形式，改由光子全面替代，传统导线式连接形式被光互式连接替代，传统计算机电子硬件模式也被光子式硬件替代，最终以光子运算方式替代传统电子运算方式。

相对于传统计算机而言，光子计算机是以不同波长的光子分别代表不同的计算数据，在复杂度更高及计算量更大的任务上有更好的表现，通过并行处理实现快速高效的运作机制。 所以说，光子计算机即全光数字计算机，它是以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替电子硬件，光运算代替电运算。

与传统计算机相比， 光子计算机彻底实现了“无导线”式计算，无论信息传递速度，还是平行密度通道，均实现了历史性的跨跃。 五分钱硬币直径大小的一枚透视棱镜，光透的能力无可限量，远超现有世界电话电缆数量百倍之多。 光的高超并行能力是天然而成的，光通过技术的应用无形当中带给光计算机并行处理的天赋，这样，实现超高速运算就成为可能了。 比较而言，电子式超高速计算机存在仅限低温工作的弊端，而对这样的运算，通常室温下光计算机便可以完成。 同时，光计算机还与人的大脑类似，也一样具有容错功能，如果系统的某个元件出错或者损坏，并不能对计算最终结果造成影响。 当前，第一台这样的光计算机出自英法德等70 余位科学家之手，综合运算速度快出传统电子式计算机千倍以上。 在科学家眼里，21 世纪将是光计算机时代，这种高科技课题必将掀起一场新的计算机技术革命。

（三）分子型计算机前景广阔

分子型计算机具有体积小却存储大、运算快却耗电少的特点。 它的运算过程就是蛋白质分子同周边物理性、 化学性介质的互相促进作用的系统过程。 我们通常所讲的酶，就是其转换开关，而其程序则是在酶合成的系统本身与蛋白质构建过程中极其鲜明地展现出来。 在通常的生化环境下，由生物分子所组成的计算机优势明显， 具备较强的生命力，甚至可以在生物的有机体当中灵活运行，并在运行当中能以分子的形式实现与外部环境的交换。针对这一特点，可广泛应用于遗传追踪、医疗诊治与仿生工程领域当中。 目前主要涉及到生物分子与超分子式芯片、仿生算法与自动机式模型以及化学分子反应算法等相关类型的研究。 就体积而言，分子式芯片可比以前通用芯片大为减小。 如二进制数万亿数据只相当于1 立方米DNA 溶液存储能力。

而单论消耗， 分子计算机能量损耗却微乎其微，相当于普通电子计算机的十亿分之一。 并且，因分子芯片原材料为蛋白质分子，便带来自我修复的特有功能， 又可实现与分子其它活体的直接相联。如果能对这样反应过程进行控制， 那么成功研制DNA 式计算机就不再是遥不可及的梦想。 可以想象，蛋白质分子小到只能借助显微镜来观看，相比位于硅晶片的电子元件而言要小太多，是其万分之一，而且距离更加紧密，这样的生物计算机便能进行周密运算， 以百万倍的速比远超人类的思维反应。 因为生物DNA 芯片是以蛋白质作原材料的，所以又赋予了生物计算机自我修复功能；同时与活体直接相联，使其具备超强的反应能力。 科学家们预计， 在不久的未来，DNA 生物计算机将正式走进我们中间，全面介入人类的学习、工作与生活。

（四）纳米型计算机的潜力无限

纳米计算机是指通过纳米技术全新研发的一种高性能新型计算机。 它的纳米管型元件尺寸大小只有几至十几纳米，并且质地异常坚固，超强导电性为其最大亮点，替代硅芯片来制造计算机，成本将会极大地降低。 上世纪80 年代纳米技术诞生后，已广泛应用于众多领域。 目前纳米前沿技术正是基于微电子类机械式系统的初步启动， 将处理器、传感器以及电动机置于同一块硅芯片，组合构建成一个全新的纳米系统。

计算机纳米内存芯片，如果就大小而言，其体积也不过是数百个原子尺寸，形象展示也不过相当于头发丝的千分之一。 而能源消耗，纳米计算机几乎可以忽略不计，但是它的性能要超出目前计算机许多倍。 我们可不妨设想一下，“纳米”作为一个微乎其微的计量单位，大约10 倍于氢原子直径。 纳米技术最早始于上世纪80 年代， 是科研领城迅速研发而来的前沿技术，此项技术的应用，可以让人类按照意愿对某单个原子进行直接操控，从而完成具备特定功用的产品制造。 当今的纳米技术起步MEMS 系统，是将电动机、传感器及各类处理器整合起来，并植入一个特定硅芯片内，从而达到系统运作的目的。 纳米计算机，不仅能源消耗几乎为零，而且相比现有的电子计算机性能要强大更多，根本不属于同一技术段位。 当前，鼓舞人心的喜讯不断传来，研制纳米计算机已经步入实质性阶段，惠普公司的科研人员已有了成功的尝试，对芯片研制工作开始应用纳米技术，一旦研发成功，必将续写计算机技术革命辉煌的一页。

三、计算机未来发展的多样化选项

未来的计算机概念， 将不再以电脑的面目出现，而是以光脑形象闪亮登场。 顾名思义，所谓电脑不过一种电子传输工具，同样也可以理解为数据承载的一种代码。 而光脑将是未来采用的一种光子传输技术，所谓光子，也就是时刻照耀我们的可见光，时速可达到三十万公里之多。 而光子之所以得到科学家的青睐，关键在于其无可比拟的安全性能。 因这样的特性所致，通过光传输的数据只能与既定用户对接， 而彻底将黑客等杜绝于网络大门之外，因为光子出自于光脑，在运行互联网的时候，可以将其传输的代码与内容不断做出改变，让黑客束手无策，无法窃取网络机密。 另外，单就运算速度而言，光子绝对提升了一个档次。 可以设想一下，未来计算机不再以显示器的面目出现，而是以光脑、以光的形象出现于任何地方。 可以说，光无处不在，光脑可以随时出现在任何人类需要的场所。

(一)无处不在的无线化

未来计算机的设计初衷在于网络与设备之间实现无线连接，这意味着使用台式机将比使用笔记本更便捷。 主机与显示器之间通过无线形式连接，完成这种设想的技术被称之为UWB 技术， 它有别于其它相近技术，表面可以为WLAN 无线局域网和PAN 个人局域网提供无线形式连接，而重点在于接口卡连接技术所带来的低功耗与高带宽，高功效是依据简单的USB 接式。 因此便有INTEL 公司将其连接形式形象称为“无线的USB”，实现不同计算机之间，或者电子消费产品与计算机之间的高频式宽带无线连接。在15 英尺相对较短的区城内，UWB 传输速度可达400 到50O 间Mbps 兆宽（甚至更高）。

(二)无所不能的专业化

高性能计算势必带来热量高发与能源高耗的负面效应。 未来的专用设备将逐步取代目前通用的PC 机， 以专一对话提高某种工作形式的具体效率。诸如销售彩票终端、银行使用终端与商场收银机等等，多是基于单项工作效率与使用成本考虑，由PC通用状态逐步演变而产生的。 将来“调控式家庭型计算机”将实现专用，成为家电设备控制的综合中心，帮我们规范控制家中照明、食品储藏、厨房电器与传媒电器等等，将我们的居所变成智能化的生活空间。

(三)鼎力而为的环保化

为避免计算机变成家用电器用电量陡增的始作俑者，科技人员采用“光子”与“量子”以及“DNA”酶方式替代时下的硅构架模式计算机，以求计算机能耗的大幅度降低。 显示系统作为第二大耗电环节，也会因LCD 与OLED 显示器的全面介入，能源消耗方面已经大有改观。 计算机环保性能另一个突出特点PC 机如同像当今报纸杂志一样， 在失去其使用价值之后，仍可回收再利用，加工制造成新的计算机。

(四)风靡全球的人性化

人们操控计算机不仅体现于股掌指尖之间，也可以采取语言控制， 一声口令同样可以操控计算机，甚至一个眼神便可让计算机心领神会，享受到贴心式服务。 现在智能化最成功的应用体现在航天发展技术方面，勇气号与机遇号在火星的成功登陆不仅昭示着人类在探索外太空方面跨跃了一大步，最直接的成功就是人工智能质的极度跨跃。 地球与火星相距大约5600 万公里，即便采用无线电通信，如此遥远的距离一个来回信号便需要6 分多钟，难以对置身火星千万里之外的机器人形成实时操控。这便要求机器人首先必须具备相当的人工智能，在无人操控的条件下智能化自主应对各类突发事件。同时，伴随云计算的能力增强，民用性计算机也初步具备一定程度的人工智能化，帮助人们协调处理生活中的日常琐碎事务， 成为专门的家务机器人，让更多的人们腾出充裕时间进行学工作娱乐、学习交际等。

结 语

计算机经过七十多年发展，随着科学技术以及半导体技术、 电子元器件的更新速度越来越快，计算机硬件更新换代的摩尔定律也被打破； 同时，近十几年出现的新技术（云计算技术、大数据技术、云存储技术、5G、人工智能等），使得计算机的软件也有长足的发展，计算机正在并将持续加强对人类的学习和生活方方面面的影响。 在可预见的未来，计算机将会在架构、安全、成本及能源方面有较大发展；计算机也将会更高速、更小型化、更安全；计算机将会让人们的学习、 生活和工作变得更便捷、更“智慧”。