21世纪的计算机什么样?

tengizxi · 发表于 2011-6-4 12:42

21世纪的计算机可能是什么样的呢？本文将展示21世纪几项可行的计算机革命性技术——超导计算机、光计算机、生物计算机、量子计算机的发展和应用前景，目的并非要推断21世纪的计算机究竟是哪种技术占主导地位,而是想使人们认识到，一场新的计算机技术革命即将到来了，谁能抓住这一机遇,谁就将是下个世纪的赢家!

21世纪的计算机什么样?

---- 20世纪中期,人们虽然预见到了工业机器人的大量应用和太空飞行的出现，但却很少有人深刻地预见到计算机技术对人类的巨大的潜在影响。然而计算机技术的发展却大大出乎人们的预料，PC机的诞生和网络的迅速拓展使许多有先见之明的人迅速暴富起来，一批崭新的高技术公司如Microsoft、Intel等迅速崛起，美国也借助信息技术的迅猛发展而获得了二战后最辉煌的经济繁荣。因此，科学地预测21世纪计算机技术的发展趋势将是一件极为令人兴奋和有意义的事情。

---- 计算机中最重要的核心部件是芯片，芯片制造技术的革新是50年来推动计算机技术发展的最根本的驱动力。然而，原有发展起来的以硅为基础的芯片制造技术的发展不是无限的，由于存在磁场效应、热效应、量子效应以及制作上的困难，当线宽低于0.1mm以后，就必须开拓新的制造技术。那么，哪些即将到来的技术有可能引发下一次的计算机技术革命呢?

---- 这样的技术现在看来至少有4种：纳米计算机、光计算机、生物计算机和量子计算机。这些技术从目前来看达到实用的可能性很小，但是由于目前的技术不久将达到极限，而它们具有引发革命的潜力，因此是值得进行研究的。

电子计算机

---- 目前的计算机技术主要基于电子计算机芯片的制造技术，这项技术50年来已取得了巨大的进展，并极有力地支持了“摩尔定律”的理论。据估计现在全球每天有2亿亿个晶体管在使用，平均每人4000万个，每年芯片制造商制造的晶体管差不多与地球上的蚂蚁一样多(1017个)。

---- 目前的芯片主要采用光蚀刻技术制造，即让光线透过刻有线路图的掩膜照射在硅片表面以进行线路蚀刻的技术。当前主要是用紫外光进行光刻操作，随着紫外光波长的缩短，芯片上的线宽将会继续大幅度缩小，同样大小的芯片上可以容纳更多的晶体管，从而推动半导体工业继续前进。但当紫外光波长缩短到小于193nm时(蚀刻线宽0.18mm)，传统的石英透镜组会吸收光线而不是将其折射或弯曲。附图显示了今后10年内在光蚀刻技术方面的发展趋势。

---- 为此研究人员正在研究下一代光刻技术NGL（Next Generation Lithography）。包括极紫外（EUV）光刻、离子束投影光刻技术（Ion Projection Lithography, IPL）、SCALPEL（角度限制投影电子束光刻技术）以及X射线光刻技术。

---- 目前所进行的这些改进技术，除技术本身的障碍外，还面临着巨大的经济成本问题。因此大多数研究人员一致认为在传统的光刻技术被榨出它的全部价值之前，新的平版印刷技术是不大可能在市场上出现的。但是可以相信，早晚这些改进技术中的成功部分将会应用于未来计算机的制造，并且将成为21世纪初计算机的标志技术。

光计算机

---- 10年前，计算机巨擘们曾向世人宣布，计算机革命业已临近，下一件大事就是光计算机。但是，他们的预测没有言中。实践证明，光处理困难重重，研制光计算机的早期热忱已烟消云散。

---- 随着计算机芯片的处理速度愈来愈快，数据的传送速度而非处理速度成为主要问题。目前计算机使用的金属引线已无法满足大量信息传输的需要。因此，未来的计算机可能是混合型的，即把极细的激光束与快速的芯片相结合。那时，计算机将不采用金属引线，而是以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。这种传送方式称为自由空间光学技术。

---- 自由空间光学技术的原理非常简单。首先，将硅片内的电子脉冲转换为极细的闪烁光束，“接通”表示“1”，“断开”表示“0”。然后，将数据流通过反射镜和棱镜网络投射到需要数据的地方。在接收端，透镜将每根光束聚焦到微型光电池上，由光电池将闪光重又转换成一系列电子脉冲。

---- 光计算机有三大优势。光子的传播速度无与伦比，电子在导线中的运行速度与其相比就像蜗牛爬行那样。今天电子计算机的传送速度最高为每秒109个字节，而采用硅－光混合技术后，其传送速度就可达到每秒万亿字节。更重要的是光子不像带电的电子那样相互作用，因此经过同样窄小的空间通道可以传送更多数据。尤其值得一提的是光无须物理连接。如能将普通的透镜和激光器做得很小，足以装在微芯片的背面，那么明天的计算机就可以通过稀薄的空气传送信号了。

---- 光计算机发展的关键是要制作出能耗少、体积小、价廉、易于制造的光电子转换器，研究者曾尝试了许多方案，包括发光二级管，其中最佳选择当属多量子阱(MQW)器件——一种电开关快门和一种称为“垂直空腔表面发射激光器”(VCSEL)的微型激光器。这两种器件由砷化镓等半导体化合物制成。其优点是可像硅芯片那样大量制作在大晶片上。MQW器件由贝尔实验室首先推出，并且有效解决了MQW的激光光源问题。

---- 其次是要研制光计算机的自动定位系统。这个系统中的传感器应监测每个通道，及时发现光束偏离目标的情况，一旦偏离，由微型马达调整反射镜的斜度使之重新恢复到准确位置。

生物计算机

---- 与光计算机相比，大规模生物计算机技术实现起来更为困难，不过其潜力也更大。生物系统的信息处理过程是基于生物分子的计算和通信过程，因此生物计算又常称为生物分子计算，其主要特点是极大规模并行处理及分布式存储。基于这一认识，Conrad在80年代就提出了自组织的分子器件模型，通过大量生物分子的识别与自组织可以解决宏观的模式识别与判定问题。近两年受人关注的DNA计算也是基于这一思路。

---- 但是迄今提出的DNA计算模型只较适合做组合判定问题，直接进行加减乘除计算还不方便。电子计算机的蓬勃发展基于图灵机的坚实基础，同样，生物计算机作为一种通用计算机，必须先建立与图灵机类似的计算模型。如果下一世纪解决了计算模型问题，生物计算机将展现出令人难以置信的运算速度和存储容量。

---- 除了DNA计算外，生物计算还有另一个发展方向，即在半导体芯片上加入生物分子芯片，将硅基与碳基结合起来的混合技术。例如，硅片上长出排列特殊的神经元的“生物芯片”已被生产出来。尽管这些生物计算实验离实用还很遥远，但鉴于1958年我们对集成电路的看法，所以现在生物计算机的前景不容小觑。

分子计算机

---- 最近分子级电子元件领域中取得了进展，该领域的出现有一个前提，即有可能制造出单个的分子，其功能与三极管、二极管及今天的微电路的其他重要部件完全相同或相似。化学家、物理学家和工程师已经在一系列出色的示范试验中显示: 单个的分子能传导和转换电流，并存储信息。

---- 1999年7月，媒体广泛报道了这样一个进展——惠普公司和加州大学洛杉矶分校的研究人员宣布，他们已经制造了一种电子开关，由一层达几百万个之多的有机物（轮烷）分子构成。研究人员通过把若干个开关连接起来的方法，制造出初级的“与”门——这是一种执行基本逻辑操作的元件。由于每个分子开关中的分子远远超出了百万数，因此它们的体积比本来要求的大得多，并且这些开关只转换一次就不能操作了。但是，它们组装成逻辑门具有至关重要的意义。在这项成果发表后一个月左右，耶鲁和里斯两所大学又发表了另一类具有可逆性分子开关的成果。继而又成功地研制出一种能够作为存储器用的分子，它可以通过对电子的存储来改变分子的电导率。

---- 虽然有了以上所说的种种进步，前进的道路上仍然是遍地荆棘。制造出单个器件固然是非常重要的一步，但是在制造出完整的可用的电路之前，还必须解决一系列的重要问题，例如怎样把上百万甚至上亿个各式各样的分子器件牢固地连接在某种基体的表面上，同时按照电路图所要求的图形把它们准确无误地连接起来。遗憾的是，目前还没有能够满足这种要求的技术。

---- 从现在起的几十年中，如果人们想要极大地扩展电子元件的能力，使之克服摩尔定律的限制，那么很可能需要在目前的计算设计上做根本改变，以全面探索分子计算系统。尽管面临的挑战可能非常棘手，然而解决问题所得的回报也可能是令人瞠目的。

量子计算机

---- 目前，量子计算机尚处于理论与现实之间。大多数专家认为量子计算机会在今后的几十年间出现。

---- 什么是量子计算机呢?这是一种采用基于量子力量的深层次的计算模式的计算机。这一模式只由物质世界中一个原子的行为所决定，而不是像传统的二进制计算机那样将信息分为0和1，用晶体管的开与关来处理这些信息。在量子计算机中最小的信息单元是一个量子比特(quantum bit)。量子比特不只是开、关两种状态，而是以多种状态同时出现。这种数据结构对使用并行结构计算机来处理信息是非常有利的。

---- 从理论上讲，量子计算机等价于可逆的图灵机。量子计算机具有一些近乎神奇的性质：信息传输可以不需要时间(超距作用)，信息处理所需能量可以接近零。

---- 近年来，基于量子力学效应(如量子相干、量子隧穿、库仑阻塞效应等)的固态纳米电子器件研究也取得很大进展。美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员目前证实，直径为人头发的1/50000的中空纯碳纳米管上存在着原子大小的电子器件。纳米管器件理论上早有预言，但这是首次证实这种器件确实存在。

---- 目前，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个小组正在研究量子计算机的原型机。他们使用了一种“量子阱”激光器。这种激光器是用一层超薄的半导体材料夹在另外两层物质中构成。中间层的电子被圈闭在一个量子平面上，所以只能作二维的运动。贝尔实验室进一步发展了一维的量子导线激光器。科学家们希望进一步从量子导线激光器发展到量子点激光器以获得更好的效果。

---- 量子计算机的另一难点还在于如何连接这些量子器件。印第安纳州圣母玛丽娅大学的伦特及其同僚理论家波罗提出了一个设计方案，其基础构件是1个有4个量子点的方块。当加进2个电子时，它们便返回到相反的角落。所以这种方块有两种可能的构形：电子或是在它的左上角和右下角，或是在它的右上角和左下角。这正是一个开关所需要的情况——通过邻近方块上电子的运动可以使它迅速地翻转。这样的方块排列起来可以成为量子计算机内部的“电线”，而且能够实现计算所必须具备的所有逻辑功能。迄今为止，伦特小组只设法制出了几对供测试物理现象的量子点。尽管离应用还很遥远，但初步结果是令人鼓舞的。

---- 不管哪种技术最终被证明是制造量子芯片的最好技术，都还要面对多年艰苦的研究工作。不过，科学家们仍然预见终究将有一天，几兆的量子点会叠放在原来是硅片的层面。这个前景意味着有可能实现针尖上的超级计算机，它已使这种奇特的结构成为量子前沿最火的新兴领域的一部分。可以肯定，到21世纪量子化计算机技术将会给我们的世界带来巨大的变化。

谁将是未来的赢家?

---- 超导、光子、生物与量子计算是实现高性能计算的新途径，在21世纪内，这些新技术可能导致一场新的计算机技术革命，但是，这些新技术的成熟还有一个过程。而电子计算机仍有强大的生命力。在近半个世纪内，其他计算技术还不大可能完全取代电子计算机。我们不应强调研制纯而又纯的超导、光学、生物和量子计算机，而应发挥各自的长处，在优势互补、系统集成上多下功夫。事实上，各种混合技术，如光电技术、超导—电子混合技术，光学生物混合技术等都取得了较大进展。因此，可以预见，21世纪的计算机将是电子、超导、分子、光学、生物与量子计算机相互融合、取长补短的“混合型计算机”，它将具有极快的运算速度和惊人的存储容量，它的进展将在经历一段平缓期后获得巨大的技术飞跃甚至定义新的“摩尔定律”。而且，21世纪计算机的存在形式也会更加多种多样，它可能比针尖还小，甚至存在于人的大脑里，全球网络及数字通讯也将因此更加发达。