1.1.3　计算机的发展趋势

当前的冯·诺依曼计算机正向着巨型化、微型化、网络化、多媒体化、智能化的方向发展。巨型化主要为了满足尖端科学技术的研究需要，提供更高速度、大存储容量和强功能的超大型计算机；微型化体现了当前微机相关领域的技术水平和生产工艺；计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物，当前全球互联网用户已达20多亿，计算机功能及应用的网络化是一个必然的发展趋势；多媒体技术是指采用计算机综合处理数据、文字、图形图像、声音等多媒体信息，同时具有集成性和交互性。多媒体技术的目标是无论在什么地方，只需要简单的设备就能自由自在地以交互和对话方式收发所需要的信息。多媒体化的实质就是让人们利用计算机以更接近自然的方式交换信息；智能化就是让计算机具有人工智能，它是建立在现代科学技术基础之上、综合性很强的边缘学科。智能化的目的是研究人的感觉、行为、思维过程的机理，让计算机来进行模拟，使计算机具备“视觉”“听觉”“语言”“行为”“思维”“逻辑推理”“学习”“证明”等能力，形成智能型、超智能型计算机。人工智能的研究从本质上拓宽了计算机的能力，在某些方面可以越来越多地代替甚至超越人类的脑力劳动。

迄今为止，计算机都是按照冯·诺依曼的体系结构（即存储程序计算机）进行设计的。计算机工业飞速发展的速度令人瞠目，然而硅芯片技术的高速发展也意味着硅技术越来越接近其物理极限。为此，世界各国的研究人员提出了新型计算机的构想，并加紧研究开发新型计算机。从目前的研究状况来看，未来的计算机有可能在光子计算机、生物计算机、量子计算机、纳米计算机和神经网络计算机上实现质的飞越。

提示

Intel公司创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）于1975年提出了摩尔定律，认为芯片上集成的晶体管数量将每18个月翻一番，性能也将提升一倍。当前，计算机的发展均验证了摩尔定律的正确性。但是考虑到硅晶体管的特性和高集成度芯片的散热，如果替代晶体管的材料永远找不到，摩尔定律便会失效。如果替代材料出现了，那么类似摩尔定律的规律将仍然适用。

1.光子计算机

光子计算机是指利用光子代替半导体芯片中的电子，以光互连代替导线而制成的数字计算机，使用不同波长的光表示不同的数据。光的并行、高速的本质决定了光子计算机的并行处理能力很强，具有超高速运算速度。光子计算机还具有与人脑相似的容错性。1990年初，美国贝尔实验室研制出世界上第一台光子计算机，其运算速度比电子计算机快1000倍。当前，许多国家都投入巨资进行光子计算机的研究。随着现代光学与计算机技术、微电子技术相结合，在不久的将来，光子计算机可能会成为人类普遍的工具。

2.生物计算机

生物计算机又称分子计算机，它使用生物芯片为主要原材料制造芯片。生物芯片是由生物工程技术产生的蛋白质分子构成。生物芯片具有巨大的存储能力，如1m3的脱氧核糖核酸（DNA）溶液，可存储1万亿的二进制数据，而且能以波的形式传送信息。数据处理的速度比当今最快的巨型机的速度还要快百万倍以上，而能量的消耗仅为普通计算机的十亿分之一。另外，由于蛋白质分子具有自我组合的能力，从而使生物计算机具有自我调节能力、自我修复能力和再生能力，更易于模拟人类大脑的功能。1983年，美国公布了研制生物计算机的设想之后，立即激起了发达国家的研制热潮。目前，在生物元件，特别是在生物传感器的研制方面已取得不少实际成果，这将会促使计算机、电子工程和生物工程这3个学科的专家通力合作，加快研究开发生物芯片。生物计算机一旦研制成功，将会在计算机领域内引起一场划时代的革命。

3.量子计算机

量子计算机是由美国阿贡国家实验室提出来的。量子计算机是基于量子效应基础开发的，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，从而进行运算。量子计算机中的数据用量子位存储。由于量子的叠加效应，一个量子位可以是0或1，也可以既存储0又存储1。与传统的电子计算机相比，量子计算机具有运算速度更快、存储容量更大、搜索功能更强和安全性能更高等优点。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机（如光计算机和生物计算机等）的不同之处。量子计算机的研究已经取得很大的进展。2013年6月，中国科学技术大学潘建伟院士领衔的量子光学和量子信息团队的陆朝阳、刘乃乐研究小组，在国际上首次成功实现用量子计算机求解线性方程组的实验，标志着我国在光学量子计算领域保持着国际领先地位。

4.纳米计算机

“纳米”是一个计量单位，1nm等于10-9m，大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域，最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造出具有特定功能的产品。现在纳米技术从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，其体积只不过如数百个原子大小，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。2013年9月26日斯坦福大学宣布，人类首台基于碳纳米晶体管技术的计算机已成功测试运行。该项实验的成功证明了人类有望在不远的将来，摆脱当前硅晶体技术以生产新型计算机设备。

5.神经网络计算机

神经网络计算机用简单的数据处理单元模拟人脑的神经元，从而模拟人脑的逻辑思维、记忆、推理、设计和分析等智能行为。神经网络计算机具有模仿人的大脑判断能力和适应能力、可并行处理多种数据功能的神经网络计算机，可以判断对象的性质与状态，并能采取相应的行动，而且可同时并行处理实时变化的大量数据，并引出结论。神经网络计算机除有许多处理器外，还有类似神经的结点，每个结点与许多点相连。若把每一步运算分配给每台微处理器，它们同时运算，其信息处理速度和智能会大大提高。神经电子计算机的信息不是存在存储器中，而是存储在神经元之间的联络网中。若有结点断裂，计算机仍有重建资料的能力，它还具有联想记忆、视觉和声音识别能力。科学家们对新型计算机的研制还有很多构想，无论哪一种实现方法，都还要面对漫长艰苦的研究工作。不过，我们相信，科学在发展，人类在进步，随着一代又一代科学家们的不断努力，新型计算机与相关技术的研发和应用，必将推进全球经济社会高速发展，实现人类发展史上的重大突破。