探討未來計算機與計算機技術(shù)

未來的計算機技術(shù)將向超高速、超小型、平行處理、智能化的方向發(fā)展。盡管受到物理極限的約束，采用硅芯片的計算機的核心部件CPU的性能還會持續(xù)增長。作為Moore定律驅(qū)動下成功企業(yè)的典范Inter預(yù)計2001年推出1億個晶體管的微處理器，并預(yù)計在2010年推出集成10億個晶體管的微處理器，其性能為10萬MIPS（1000億條指令／秒）。而每秒100萬億次的超級計算機將出現(xiàn)在本世紀(jì)初出現(xiàn)。超高速計算機將采用平行處理技術(shù)，使計算機系統(tǒng)同時執(zhí)行多條指令或同時對多個數(shù)據(jù)進行處理，這是改進計算機結(jié)構(gòu)、提高計算機運行速度的關(guān)鍵技術(shù)。

同時計算機將具備更多的智能成分，它將具有多種感知能力、一定的思考與判斷能力及一定的自然語言能力。除了提供自然的輸入手段（如語音輸入、手寫輸入）外，讓人能產(chǎn)生身臨其境感覺的各種交互設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是這一領(lǐng)域發(fā)展的集中體現(xiàn)。

傳統(tǒng)的磁存儲、光盤存儲容量繼續(xù)攀升，新的海量存儲技術(shù)趨于成熟，新型的存儲器每立方厘米存儲容量可達10TB（以一本書30萬字計，它可存儲約1500萬本書）。信息的永久存儲也將成為現(xiàn)實，千年存儲器正在研制中，這樣的存儲器可以抗干擾、抗高溫、防震、防水、防腐蝕。如是，今日的大量文獻可以原汁原味保存、并流芳百世。

新型計算機系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)

硅芯片技術(shù)的高速發(fā)展同時也意味著硅技術(shù)越來越近其物理極限，為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發(fā)新型計算機，計算機從體系結(jié)構(gòu)的變革到器件與技術(shù)革命都要產(chǎn)生一次量的乃至質(zhì)的飛躍。新型的量子計算機、光子計算機、生物計算機、納米計算機等將會在21世紀(jì)走進我們的生活，遍布各個領(lǐng)域。

量子計算機

量子計算機是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動，從而進行運算。

量子計算機中數(shù)據(jù)用量子位存儲。由于量子疊加效應(yīng)，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏嬎?，其運算速度可能比目前個人計算機的PentiumⅢ晶片快10億倍。目前正在開發(fā)中的量子計算機有3種類型：核磁共振(NMR)量子計算機、硅基半導(dǎo)體量子計算機、離子阱量子計算機。預(yù)計2030年將普及量子計算機。

光子計算機

光子計算機即全光數(shù)字計算機，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。

與電子計算機相比，光計算機的“無導(dǎo)線計算機”信息傳遞平行通道密度極大。一枚直徑5分硬幣大小的棱鏡，它的通過能力超過全世界現(xiàn)有電話電纜的許多倍。光的并行、高速，天然地決定了光計算機的并行處理能力很強，具有超高速運算速度。超高速電子計算機只能在低溫下工作，而光計算機在室溫下即可開展工作。光計算機還具有與人腦相似的容錯性。系統(tǒng)中某一元件損壞或出錯時，并不影響最終的計算結(jié)果。

目前，世界上第一臺光計算機已由歐共體的英國、法國、比利時、德國、意大利的70多名科學(xué)家研制成功，其運算速度比電子計算機快1000倍?？茖W(xué)家們預(yù)計，光計算機的進一步研制將成為21世紀(jì)高科技課題之一。

生物計算機（分子計算機）

生物計算機的運算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。計算機的轉(zhuǎn)換開關(guān)由酶來充當(dāng)，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來。

20世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸(DNA)處于不同狀態(tài)時可以代表信息的有或無。DNA分子中的遺傳密碼相當(dāng)于存儲的數(shù)據(jù)，DNA分子間通過生化反應(yīng)，從一種基因代瑪轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N基因代碼。反應(yīng)前的基因代碼相當(dāng)于輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因代碼相當(dāng)于輸出數(shù)據(jù)。如果能控制這一反應(yīng)過程，那么就可以制作成功DNA計算機。

蛋白質(zhì)分子比硅晶片上電子元件要小得多，彼此相距甚近，生物計算機完成一項運算，所需的時間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。DNA分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液，可存儲1萬億億的二進制數(shù)據(jù)。DNA計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于生物芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以生物計算機既有自我修復(fù)的功能，又可直接與生物活體相聯(lián)。預(yù)計10～20年后，DNA計算機將進入實用階段。

納米計算機

“納米”是一個計量單位，一個納米等于10[-9]米，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從80年代初迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。

現(xiàn)在納米技術(shù)正從MEMS（微電子機械系統(tǒng)）起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構(gòu)成一個系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計算機內(nèi)存芯片，其體積不過數(shù)百個原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。

目前，納米計算機的成功研制已有一些鼓舞人心的消息，惠普實驗室的科研人員已開始應(yīng)用納米技術(shù)研制芯片，一旦他們的研究獲得成功，將為其他縮微計算機元件的研制和生產(chǎn)鋪平道路。

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)蔓延與提升

今天人們談到計算機必然地和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，一方面孤立的未加入網(wǎng)絡(luò)的計算機越來越難以見到，另一方面計算機的概念也被網(wǎng)絡(luò)所擴展。二十世紀(jì)九十年代興起的Internet在過去如火如荼地發(fā)展，其影響之廣、普及之快是前所未有的。從沒有一種技術(shù)能像Internet一樣，劇烈地改變著我們的學(xué)習(xí)、生活和習(xí)慣方式。全世界幾乎所有國家都有計算機網(wǎng)絡(luò)直接或間接地與Internet相連，使之成為一個全球范圍的計算機互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。人們可以通過Internet與世界各地的其它用戶自由地進行通信，可從Internet中獲得各種信息。

回顧一下我國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，就可以感受到互聯(lián)網(wǎng)普及之快。近三年中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心(CNNIC)對我國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)狀況的調(diào)查表明我國的Internet發(fā)展呈現(xiàn)爆炸式增長，2000年1月我國上網(wǎng)計算機數(shù)為350萬臺，2001年的統(tǒng)計數(shù)為892萬臺，翻一番多；2000年1月我國上網(wǎng)用戶人數(shù)890萬；2001年1月的統(tǒng)計數(shù)為2250萬人，接近于3倍；2000年1月CN下注冊的域名數(shù)為48575，2001年1月的統(tǒng)計數(shù)為122099個，接近于3倍；國際線路的總?cè)萘磕壳斑_2799M，8倍于2000年1月的351M。

人們已充分領(lǐng)略到網(wǎng)絡(luò)的魅力，Internet大大縮小了時空界限，通過網(wǎng)絡(luò)人們可以共享計算機硬件資源、軟件資源和信息資源。“網(wǎng)絡(luò)就是計算機”的概念被事實一再證明，被世人逐步接受。

在未來10年內(nèi)，建立透明的全光網(wǎng)絡(luò)勢在必行，互聯(lián)網(wǎng)的傳輸速率將提高100倍。在Internet上進行醫(yī)療診斷、遠程教學(xué)、電子商務(wù)、視頻會議、視頻圖書館等將得以普及。同時，無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建將成為眾多公司競爭的主戰(zhàn)場，未來我們可以通過無線接入隨時隨地連接到Internet上，進行交流、獲取信息、觀看電視節(jié)目。

移動計算技術(shù)與系統(tǒng)

隨著因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用、無線移動通信技術(shù)的成熟以及計算機處理能力的不斷提高，新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。移動計算正是為提高工作效率和隨時能夠交換和處理信息所提出，業(yè)已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

移動計算包括三個要素：通信、計算和移動。這三個方面既相互獨立又相互聯(lián)系。移動計算概念提出之前，人們對它們的研究已經(jīng)很長時間了，移動計算是第一次把它們結(jié)合起來進行研究。它們可以相互轉(zhuǎn)化，例如，通信系統(tǒng)的容量可以通過計算處理（信源壓縮，信道編碼，緩存，預(yù)?。┑玫教岣摺?/p>

移動性可以給計算和通信帶來新的應(yīng)用，但同時也帶來了許多問題。最大的問題就是如何面對無線移動環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)。在無線移動環(huán)境中，信號要受到各種各樣的干擾和衰落的影響，會有多徑和移動，給信號帶來時域和頻域彌散、頻帶資源受限、較大的傳輸時延等等問題。這樣一個環(huán)境下，引出了很多在移動通信網(wǎng)絡(luò)和計算機網(wǎng)絡(luò)中未遇到的問題。第一，信道可靠性問題和系統(tǒng)配置問題。有限的無線帶寬、惡劣的通信環(huán)境使各種應(yīng)用必須建立在一個不可靠的、可能斷開的物理連接上。在移動計算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，移動終端位置的移動要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r進行配置和更新。第二，為了真正實現(xiàn)在移動中進行各種計算，必須要對寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進行支持。第三，如何將現(xiàn)有的主要針對話音業(yè)務(wù)的移動管理技術(shù)拓展到寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。第四，如何把一些在固定計算網(wǎng)絡(luò)中的成熟技術(shù)移植到移動計算網(wǎng)絡(luò)中。

面向全球網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的各類新型微機和信息終端產(chǎn)品將成為主要產(chǎn)品。便攜計算機、數(shù)字基因計算機、移動手機和終端產(chǎn)品，以及各種手持式個人信息終端產(chǎn)品，將把移動計算與數(shù)字通信融合為一體，手機將被嵌入高性能芯片和軟件，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的無限通信協(xié)議（如藍牙）上網(wǎng)，觀看電視、收聽廣播。在Internet上成長起來的新一代自然不會把汽車僅作為代步工具，汽車將向用戶提供上網(wǎng)、辦公、家庭娛樂等功能，成為車輪上的信息平臺。

跨入新世紀(jì)的門檻，暢想未來之時，我們不妨回顧本世紀(jì)人們對計算機的認(rèn)識。1943年IBM總裁Thomas Wason說“我認(rèn)為全世界市場的計算機需求量約為五臺”。1957年美國PrenticeHall的編輯撰文“我走遍了這個國家并和許多最優(yōu)秀的人們交談過，我可以確信數(shù)據(jù)處理熱不會熱過今年”。1968年IBM的高級計算機系統(tǒng)工程師的微晶片上注解“但是……它究竟有什么用呢？”。1977年數(shù)字設(shè)備公司的創(chuàng)始人和總裁Ken Olson說“任何人都沒有理由在家里放一臺計算機”。愿我們的所言也將被證明是膚淺的、保守的。