牛文生

摩爾定律將繼續(xù)有效

多年來雖然摩爾定律已走到極限的說法不絕于耳，但是半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步卻從來沒有停止。目前特征尺寸32nm的半導(dǎo)體工藝已成熟，大量用于高端芯片的制造。在不斷縮小工藝尺寸的同時(shí)，結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)也在進(jìn)行。2011年5月4日，Intel宣布經(jīng)過近十年的研究，在半導(dǎo)體技術(shù)上取得革命性突破，將推出被稱為三柵極（Tri-Gate）的全新3D架構(gòu)晶體管設(shè)計(jì)，并將在年內(nèi)開始批量制造。傳統(tǒng)的二位平面柵極結(jié)構(gòu)被豎起的3D硅鰭狀物代替，實(shí)現(xiàn)在晶體管在“關(guān)”狀態(tài)下的低功耗，并可實(shí)現(xiàn)“開”、“關(guān)”狀態(tài)的快速切換，從而可以實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗的電子器件。

多核處理器的成熟

2006年出現(xiàn)的雙核處理器標(biāo)志著以主頻論英雄的年代正式結(jié)束開始，處理器領(lǐng)域已進(jìn)入一個(gè)多核時(shí)代，無論是業(yè)界巨 擘Intel還是AMD都已經(jīng)明確表示，今后CPU將會(huì)是雙核乃至多核的世界。多核設(shè)計(jì)為摩爾定律帶來了新的生命力，在保持較低的時(shí)鐘頻率的同時(shí)，提高并行處理能力和計(jì)算密度，大大減少了散熱和功耗。多核處理器提供了高性價(jià)比和高效節(jié)能的新途徑，可以緩解當(dāng)今處理器設(shè)計(jì)所面臨的各種挑戰(zhàn)。多核處理器是已成為主流處理器的發(fā)展趨勢(shì)。

由于多核技術(shù)仍然是基于傳統(tǒng)的“馮·諾依曼”結(jié)構(gòu)，處理器內(nèi)核數(shù)量的增加并沒有緩解并行處理技術(shù)中算法并行化、并行編程的難題，多核的性能并不能充分發(fā)揮。因此近年來內(nèi)核數(shù)量增加的速度有所減緩，集成多種功能電路的混合異構(gòu)多核成為流行的結(jié)構(gòu)，目前Intel的酷睿二代處理器采用四核結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成顯示芯片。

超級(jí)計(jì)算機(jī)從高性能到高效能轉(zhuǎn)變

國外歷來強(qiáng)調(diào)高性能計(jì)算器在國家安全關(guān)鍵領(lǐng)域的戰(zhàn)略作用。美國早年提出的“加速戰(zhàn)略計(jì)算創(chuàng)新”（ASCI）計(jì)劃，其目的就是在全球全面禁止核試驗(yàn)的情況下，美國能夠繼續(xù)保持它的核威懾能力和核壟斷地位。主要的手段是利用數(shù)學(xué)方程和三維建模仿真核武器的爆炸效果，確?，F(xiàn)有庫存核武器的性能、安全和可靠性。從1997年到2007年，為ASCI計(jì)劃專門研制的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，已經(jīng)經(jīng)歷了五代，2004年達(dá)到100萬億次，2010年達(dá)到1000萬億次量級(jí)的高性能計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì)2015年達(dá)到萬萬億次以上量級(jí)。我國的“天河一號(hào)”目前名列超級(jí)計(jì)算機(jī)TOP500榜首，速度高達(dá)4700萬億次。

除了性能的不斷提高，計(jì)算機(jī)處理的效能也在軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域逐步得到重視。據(jù)估算，一臺(tái)持續(xù)千萬億次計(jì)算的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可能需要消耗20兆瓦或更高的功耗，需要專門建設(shè)發(fā)電站，每年的電費(fèi)開銷可能高達(dá)1億元以上。根據(jù)超級(jí)計(jì)算機(jī)世界500強(qiáng)排行榜重新排序的綠色500強(qiáng)排行榜中，IBM的超級(jí)計(jì)算機(jī)排名榜首，功耗效率達(dá)到1684Mflops/瓦，“天河一號(hào)”排在第十位，為635 Mflops/瓦。

不斷探索采用新器件、新原理的計(jì)算機(jī)

以硅晶體管為基本單元的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在小型化的過程中將逐步接近其物理極限。研究表明，計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的快慢與芯片之間信號(hào)傳輸?shù)乃俣戎苯酉嚓P(guān)，然而，目前普遍使用的硅二氧化物在傳輸信號(hào)的過程中會(huì)吸收掉一部分信號(hào)，從而延長了信息傳輸?shù)臅r(shí)間。

據(jù)報(bào)道，美國紐約倫斯雷爾·保利技術(shù)公司的科學(xué)家發(fā)明了一種利用空氣的絕緣性能來成倍地提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的新技術(shù)：芯片或晶體管之間由膠滯體包裹的導(dǎo)線連接，“空氣膠滯體”導(dǎo)線幾乎不吸收任何信號(hào)，因而能夠更迅速地傳輸各種信息，可以成倍地提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。

將納米技術(shù)與計(jì)算機(jī)制造技術(shù)相結(jié)合的納米計(jì)算機(jī)（Nanometer Computer）也是很有發(fā)展前景?，F(xiàn)在納米技術(shù)正從MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）起步，把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積不過數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。專家預(yù)測(cè)，10年后納米技術(shù)將會(huì)走出實(shí)驗(yàn)室，成為科技應(yīng)用的一部分。納米計(jì)算機(jī)體積小、造價(jià)低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計(jì)算機(jī)，推動(dòng)計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。

此外，以生物計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)為代表的新概念計(jì)算機(jī)研究也非常引人注目。

生物計(jì)算機(jī)（Biology computer）

生物采用了生物芯片，由生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子構(gòu)成（所以又稱分子計(jì)算機(jī)）。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，運(yùn)算速度比當(dāng)今最新一代計(jì)算機(jī)快10萬倍，能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的十分之一，并且擁有巨大的存儲(chǔ)能力。由于蛋白質(zhì)分子能夠自我組合，再生新的微型電路，使得生物計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn)，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能自動(dòng)修復(fù)芯片發(fā)生的故障，還能模仿人腦的思考機(jī)制。

美國已研制出生物計(jì)算機(jī)分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。以色列科學(xué)家已經(jīng)研制出一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型分子計(jì)算機(jī)。預(yù)計(jì)20年后，分子計(jì)算機(jī)將進(jìn)入實(shí)用階段。

光子計(jì)算機(jī)（Optical Computer）

光子計(jì)算機(jī)利用光作為信息的傳輸媒體。由于光子具有電子所不具備的頻率及偏振特征，從而大大提高了傳載信息的能力。此外，光信號(hào)傳輸根本不需要導(dǎo)線，即使在光線交匯時(shí)也不會(huì)互相干擾、互相影響。一塊直徑僅2厘米的光棱鏡可通過的信息比特率可以超過全世界現(xiàn)有全部電纜總和的300多倍。光腦還具有與人腦相似的容錯(cuò)性，如果系統(tǒng)中某一元件遭到損壞或運(yùn)算出現(xiàn)局部錯(cuò)誤時(shí)，并不影響最終的計(jì)算結(jié)果。目前光腦的許多關(guān)鍵技術(shù)，如光存儲(chǔ)技術(shù)、光存儲(chǔ)器、光電子集成電路（OIC）等都已取得突破?？茖W(xué)家們預(yù)計(jì)，光子計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步研制將是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的重大課題。

量子計(jì)算機(jī)（Quantum Computer）

量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。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(dòng)，從而進(jìn)行計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算, 其運(yùn)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的PentiumⅢ晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計(jì)算機(jī)還將對(duì)現(xiàn)有的保密體系、國家安全意識(shí)產(chǎn)生重大的沖擊。

目前，量子計(jì)算機(jī)正在開發(fā)研制階段，隨著毫微技術(shù)的進(jìn)步和毫微米級(jí)加工技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們認(rèn)為，第一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)有望在10年后誕生。我國量子信息專家宣稱，將在5年內(nèi)研制出實(shí)用化的量子密碼來服務(wù)于社會(huì)。美國、英國、以色列等國家都先后開展了有關(guān)量子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)研究，正在開發(fā)中的量子計(jì)算機(jī)有三種類型： 核磁共振量子計(jì)算機(jī)、硅基半導(dǎo)體量子計(jì)算機(jī)和離子阱量子計(jì)算機(jī)，預(yù)計(jì) 2030 年量子計(jì)算機(jī)有可能進(jìn)入實(shí)用。

（作者單位：中航工業(yè)計(jì)算所）