◎ 上?？茖W技術情報研究所 陳 騫

信息科學技術是全球高新技術競爭焦點，也是各國發(fā)展新興產業(yè)的戰(zhàn)略必爭領域，對社會和經濟的發(fā)展具有革命性影響。近一年多，該領域的前沿研發(fā)活動在計算機技術、信息存儲、通信技術與芯片技術等方向的表現與進步較為突出。

一、新型計算機系統

計算機技術研究重點方向是超高速、超小型、智能化，功能愈發(fā)豐富，融合性也更強。在對超級計算機、微型計算機等傳統計算機系統持續(xù)性研究投入的同時，量子計算機受重視程度進一步提升，拓撲容錯量子計算機、量子比特等技術脫穎而出，同時，尺寸更小的毫米級計算系統、具有自我功能修復的計算機系統、參照人類視覺系統的超級計算機也得以問世。

（一）量子計算機

目前，世界上不少國家在致力于開發(fā)超大規(guī)模高性能計算機，但它需要消耗大量電力，而量子計算機在解決同樣問題時有可能比它們使用更少的時間和存儲空間，能量消耗也更少。美國和歐洲科學家正在使用不同的技術路線研制計算能力更強、效率更高的量子計算機。

2010年11月,倫敦帝國學院和澳大利亞昆士蘭大學的聯合研究小組宣布設計出一種拓撲容錯量子計算機方案，具有高達24.9%的容錯閾值和極強的抗損能力，讓其在信息損失和計算錯誤同時存在的情況下，仍保持良好的工作能力。加拿大D-Wave系統公司于2011年5月成功開發(fā)世界上第一臺量子計算機工作模型機，該計算機處理器測試包含了128超導磁量子比特和2.4萬個約瑟夫森結裝置，使其成為目前世界上最復雜的超導電路。

傳統計算機用電位高低表示0和1以進行運算，量子計算機則用原子的自旋等粒子的量子力學狀態(tài)來表示0和1，稱為量子比特。隨著量子比特數目的增加，其運算能力也呈指數級增加。如何進一步高效地擴展糾纏的量子比特數目并讓其維持這種糾纏狀態(tài)，是當前量子信息研究領域面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

耶魯大學正在研發(fā)一種量子比特，其工作方式與集成電路的方式一樣，能夠同時讓多個量子比特處于糾纏狀態(tài)。盡管量子比特的數量增加的很慢，但研究人員控制量子交互作用的精確度已經提高了1000倍。加州大學圣巴巴拉分校的研究人員正在設計一個具有4個量子比特、5個諧振器的設備，并計劃用這個標準的微電子組件來迫使量子發(fā)生糾纏，未來該系統將增加到8個量子比特和9個諧振器。

（二）毫米級計算系統

毫米級計算系統被認為是計算機科學研究領域的前沿，也是 “普適計算”的開端。2011年2月美國密歇根大學研究人員制造出世界首個完整毫米級計算系統，這種新計算機體積只有1立方毫米，由微處理器、壓力傳感器、存儲器、薄膜電池、太陽能電池和帶天線的無線接收裝置等多個部件組成。雖然這一毫米級計算系統已經完備，但它還不具備與其他類似計算系統“通話”的能力，為此，研究人員正在開發(fā)帶有一體天線的無線電接收裝置，可以通過精確控制天線形狀與大小來控制它對電子信號的反應，從而避免使用目前兩個孤立的設備之間“通話”時必須依賴的粗重的外置平衡線，進一步縮減了系統的尺寸。

（三）具有自我功能修復的計算機系統

在計算機使用過程中，經常會因為處理器出現問題致使系統陷于崩潰的狀況。為使計算機系統可以運行得更為可靠和穩(wěn)定，丹麥技術大學研究小組受到人體自我修復能力的啟發(fā)，于2010年10月研制出具有無需人工干預便可自行修復功能的計算機系統“埃德娜”。與普通計算機擁有一個中央處理器不同，“埃德娜”有數目眾多的小處理器，一部分正常運轉，另外一部分則作為備份。一旦某個運轉的小處理器出現問題，無法正常工作，就自動激活“備份”處理器中的一個，代替其執(zhí)行任務。

（四）基于人類視覺系統的超級計算機

科學家們近來年一直在尋求通過模仿人體視覺系統神經網的計算機來完成交通狀況監(jiān)視和應對突發(fā)事件的導航能力。2010年9月，美國耶魯大學工程和應用科學學院的研究小組開發(fā)出了基于人類視覺系統的超級計算機，與過去所研制的同類計算機相比，其在速度和節(jié)能上均有很大提高。這款被命名“神經流”的超級計算機系統每秒能完成超過千億次的操作任務，采用了紐約大學的復雜視覺算法，能模仿人體視覺系統的神經網快速地識別自己周圍的世界，以運行適合于人造視覺應用的大型神經網絡。值得一提的是，其能耗卻十分低，甚至少于手機的用電量。

二、高效信息存儲

信息存儲技術特征正在發(fā)生轉變，應用領域出現了多元化局面，并對傳統的存儲器技術和設計方式提出了挑戰(zhàn)，近期研究目標主要集中在體積更小、讀寫速度更快、記憶量更大、功耗更低。以原子核自旋為代表的新興存儲技術、非易失性存儲技術、相變存儲器技術、內容可尋址存儲器技術在體積、讀寫速度、容量、功耗等方面取得令人刮目相看的成績。

（一）超微型、高密度存儲

原子核自旋有可能成為全球最小的計算機存儲器，可被廣泛用于量子計算機。2010年年底美國猶他大學研究人員實現了在原子核磁自旋中存儲信息，數據存儲時長達112秒，從而制造出目前最持久的自旋電子器件，研究人員嘗試在壽命相對較長的原子核里存儲數據，并研究了環(huán)繞其軌道運行的自旋電子信息，使用百億赫茲的電磁波使電子發(fā)生特定的自旋，用調頻范圍的無線波將自旋寫在磷原子核上，由于原子核不易受到溫度變化和其他電子的干擾，它的自旋也不會被原子核周圍電子云的狀態(tài)干擾。

信息電子產品的輕薄短小化有了進一步無限發(fā)揮的可能性。2010年12月，中國臺灣地區(qū)“國研院”納米組件實驗室開發(fā)出全球最小的9納米功能性電阻式內存（R-RAM）數組晶胞，容量比現在的閃存增大20倍，電量卻降低了200倍，應用該器件在1平方厘米面積下，可以儲存1個圖書館的文字數據，而且可再借立體堆棧設計，進一步提升容量。

鐵電存儲器最大的優(yōu)點在于讀寫速度快，與現在使用廣泛的閃存硬盤以毫秒為單位的運轉速度相比，鐵電存儲器可以達到幾十納秒，快了106倍，可廣泛應用于高性能移動數字設備和電腦中，大大提升了讀寫數據的效率。2011年復旦大學信息科學與工程學院微電子學系在高密度鐵電阻變存儲器（Ferro-RRAM）的研究中取得重大進展，證明了一種鐵電自發(fā)極化方向調制的p-n結電流，可運用于高密度信息的非揮發(fā)存儲。

（二）非易失性存儲

非易失性存儲器（NVMM）在斷電后仍能存儲數據，具有高存取速度、高容量、非易失性等主要優(yōu)勢，可以取代目前計算機主存內使用的動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM），擁有巨大的應用潛力。

針對非易失性主存儲器面臨信息被盜取或者泄密，需要經常不斷地對數據進行加密和解密，使系統的運行速度變慢的現象， 2011年5月美國北卡羅萊納州立大學研究小組宣布研發(fā)出了名為i-NVMM的硬件加密系統，可以加密所有數據，并設計出一種新算法，可以探測出處理器可能不需要的數據，每次操作只加密約78%的主存數據，剩下22%的主存會在計算機關閉時被加密，這樣系統的運行速度只減少了3.7%。2011年年初美國北卡羅萊納州立大學研究人員開發(fā)出一種雙懸浮柵極場效應晶體管，該器件可同時執(zhí)行易失性和非易失性器件的功能，并可用于主存儲器中，該研究團隊已對該技術的可靠性進行了研究，結果表明該器件在易失性模式存儲數據時具有非常長的使用壽命。

（三）相變存儲

相變存儲器(可縮略表示為PCM、PRAM或PCRAM)是一種新型非易失性計算機存儲器，相比于傳統存儲器利用電荷形式進行存儲，它主要利用可逆相變材料晶態(tài)和非晶態(tài)的導電性差異實現存儲，被稱為是“操縱原子排列而實現存儲”的新型存儲器。

IBM公司研究人員利用電極之間有一些材料會根據電壓大小的不同發(fā)生相變，從而直接影響存儲器單元的電阻，于2011年研制出多位相變存儲器，其每個存儲格都能長時間存儲多個字節(jié)的數據。為了達到一定的可靠程度，研究人員利用迭代“寫入”方法克服了存儲器單元和相變材料本身的多變性所導致的阻值偏移。使用迭代方法，最差情況下的寫入延遲只有10微秒，其性能是目前市場上最先進閃存的100倍。另外，為了可靠地讀取數據，科學家還使用先進的調制編碼技術解決了由于非結晶態(tài)下原子的結構松散，相變后，電阻值會隨時間的流逝而增加，導致讀取數據出現錯誤的問題。

（四）內容可尋址存儲

內容可尋址存儲器（CAM）是一個特定類型的計算機內存，用在一個特定的高速搜索應用程序中。日本NEC公司和日本東北大學的研究人員在存儲器與邏輯電路融為一體的內容可尋址存儲器上取得重大突破，于2011年7月底宣布在全球范圍內首次開發(fā)出了與原有CAM保持同等處理速度、切斷電源后仍能保存數據的非易失化技術。它采用了自旋電子邏輯集成電路技術，通過注入自旋極化電流的方式來實現扭轉磁矩，以磁疇壁中的垂直布洛赫線為信息載體，采用這種新型的自旋電子技術后使得存儲密度更大、運行速度更快。同時具有非易失性的功能，即在沒有電流的情況下仍能保存數據,不但能夠以用戶的輸入為觸發(fā)條件來工作，還能實現從待機狀態(tài)下瞬間啟動。這種存儲器的電路面積比傳統電路要小一半，可以讓未來的電子設備更輕、更薄、更小巧。此外，由于新存儲器根據內容而非地址來進行存取，與傳統技術相比其數據檢索速度也更快。

三、極限通信傳輸

通信技術是當今發(fā)展速度最快、覆蓋范圍最廣、滲透性最強、應用最廣泛的信息技術領域之一，其泛在化、移動化、寬帶化的技術特征越來越明顯。光通信、無線通信技術在進一步擴大網絡容量、提高傳輸速率、豐富傳輸介質上有了亮點之作。

（一）光通信

光纖網絡是構建高容量數據通信系統的基礎。線性光纖通信系統是當前最主要的光信息傳輸方式，但它在傳輸距離和容量方面受限于光纖損耗和色散的影響。要實現更先進的網絡服務和高清視頻傳輸等業(yè)務，必須在擴大光纖網絡線路容量、進一步提高傳輸速率上取得突破。

德國弗朗霍夫學會海因里希-赫茲研究所與丹麥技術大學研究人員共同在長度為29公里的單一玻璃光纖線路上創(chuàng)造了每秒10.2Tb的光纖傳輸速率世界新紀錄，其每秒傳輸的數據量相當于240張DVD光盤，并在2011年3月進行了演示。德國卡爾斯魯厄技術研究學院（KIT）的科學家于2011年成功完成了一秒鐘編碼26Tb數據、輸出50公里，再成功解碼的實驗，這是有史以來用一個激光束傳輸的最大數據量。

世界范圍內全光網仍處在研究階段，尚未形成一整套統一的標準，現階段由于器件等方面的限制，具有高非線性光學波導和超高速性能的全光處理是全光網絡研究熱點。在全光網絡中，硅基技術被認為是適合制造各種不同的被動線性光學器件，但是硅中有害的非線性效應，致使超高速主動硅基功能的開發(fā)如全光開關仍然是一大挑戰(zhàn)。這方面，德國Karlsruhe大學、比利時大學校際微電子研究中心、美國Lehigh大學的研究人員通過將深紫外光刻、標準CMOS工藝和有機分子束沉積等技術結合起來，制造了一種由硅-有機雜化物（silicon-organic hybrid，SOH）構成的光學波導，實現了全光超高速通信信號處理。這種SOH波導信號傳輸速率超越了硅波導固有的極限40Gb/s，而達到了100Gb/s以上。

在光纖中實現光速可調控傳輸在光信號處理、光信號存儲等領域具有重要的應用前景，基于光纖受激布里淵散射的快慢光被認為是當前最實用的方法，但因快光工作于吸收帶反常色散區(qū)，信號衰減強烈，加快量又受到增益飽和的限制，因此難以實現超光速的長距離傳輸。2011年，上海交通大學物理系在這方面取得了突破性的進展，該校研究組提出了基于光纖布里淵激光共振腔的超光速，甚至以負群速度傳輸的新方法，首次在光纖中實現了光信號的10m長距離超光速傳輸，并極大地提高了加快量，從而實現負群速度超光速的長距離低損耗傳輸。

開發(fā)復數內核(芯徑)的光纖，其關鍵技術是如何防止同光纖中各個內核中光信號泄漏所產生的光信號互相干擾問題以及在光纖連接時光纖中各內核偏離等技術問題。2011年3月日本信息通信研究機構(NICT)、OPTOQUEST株 式 會 社和住友電工株式會社共同宣布在1個多芯徑的光纖回路上，進行了傳輸速率高達109Tb/s、傳輸距離達16.8km的試驗，突破了現在一根多芯徑光纖上傳輸100Tb/s的物理極限。此次實驗，使用了光纖芯徑間光信號泄漏大幅削減的七芯徑光纖和光纖連接裝置，在技術上解決了光纖中七芯徑間泄漏的信號互相干涉和光纖芯徑連接時纖芯偏離等技術難題。

（二）無線通信

無線通信是當今信息通信中最為活躍的領域，無線技術在快速演進中不斷革新。目前，無線電波數據傳輸方式效率不高，無線電波存在很多局限性，它們較為稀有、成本昂貴并且只有確定的波段，這些問題使其無法滿足數據傳輸需求。針對這一狀況，英國愛丁堡大學工程學院于2011年8月宣布研發(fā)出一種全新的無線數據傳輸技術，可利用普通的電燈泡完成整個過程。研究人員將這種裝置稱之為“Light Fidelity”，可用于傳輸來自電視波段“白空間”的無線數據或者未被使用的衛(wèi)星信號，通過改變房間照明光線的頻率進行數據傳輸，每秒傳輸的數據超過10Mb，與典型的寬帶連接不相上下。

四、超級芯片

芯片技術已進入納米級時代，向著集成電路微細化的物理極限前行，發(fā)展重點由提高主頻向提高綜合性能轉變，向多核心、嵌入式方向發(fā)展的同時，運算速度快、體積超小化、能耗消費少亦受到關注，出現了可編程納米處理器、概率型芯片等技術。

（一）可編程納米處理器

過去十多年，科學家們一直在研究納米線、碳納米管以及其他納米結構，并幾乎組裝出所有設備，但由于單個納米結構性能的多樣性這一重大局限，最基本電路一直無法研制成功。

2011年伊始，美國哈佛大學和麥特公司攜手研發(fā)出世界上首塊可編程的納米處理器，在電路的復雜性和功能性方面取得重大突破。該納米線路不僅能夠進行電子編程，還能實現一些較基本的計算和邏輯推理功能，朝著復雜的用人工合成納米元件組裝計算機線路邁出了關鍵一步。新型電路與目前主流電路的構建方法完全不同，它是采用自下而上的方法構建而成的，研究人員利用最新技術設計并合成出全新納米線組件，這些納米線組件展示出了構建功能性電子線路所需的可重復性，而且完全可以升級，這就使得組裝更大型、功能更強大的納米處理器成為可能。同時，這些超薄納米電路可以采用電學方法進行編程，讓其執(zhí)行大量基本運算和邏輯功能。另外，該納米處理器中的電路在操作時耗能極少。由于納米線組件中包含的晶體管開關是“永久性的”，與傳統微型計算機電路中的晶體管不同，一旦該納米線晶體管被編程，它們不需要任何額外的電能來保存其記憶。

（二）高速芯片

雖然目前計算機的多核處理器能同時執(zhí)行不同任務，但由于必須訪問一個內存資源，這會拖慢系統的速度。

科學家新開發(fā)的千核處理器通過給每個內核分配一定數量的專用內存而提高了處理速度，2010年年末，英國格拉斯哥大學和美國馬薩諸塞大學盧維爾分校的科學家研制出一種“超速芯片”，可以在一個中央處理器上加載1000個內核，每秒鐘可以處理50億字節(jié)數據，比普通計算機速度快20倍，研究人員通過在一個FPGA（現場可編程門陣列）芯片上創(chuàng)建1000個以上的微型電路，有效地把這種芯片轉變?yōu)橐粋€1000個內核的處理器，而且每個內核按照自己的指令工作。

2010年9月，美國IBM公司發(fā)布了四核處理器“z196”，主頻高達5.2GHz。該處理器集成14億個晶體管，核心面積512平方毫米，使用45納米工藝制造，還使用了IBM專利嵌入式DRAM(eDRAM)技術，能在同一顆芯片上放置高密度DRAM緩存或者相關元件。“z196”還借助軟件對數據量工作負載的性能進行優(yōu)化，包括數據敏感型和Java工作負載性能提升60%，同時在相同耗電量下，“z196”的計算能力相比前一處理器“z10”提升了60%。

（三）超小型芯片技術

隨著集成電路技術的發(fā)展，電子元件的尺寸越來越小，由單電子晶體管組成的電路日益受到研究人員的關注。2011年4月，美國匹茲堡大學研究小組宣布制造出一種核心組件直徑只有1.5納米的超小型單電子晶體管，核心組件是一個直徑只有1.5納米的庫倫島，可用于研制具有超密存儲功能的量子處理器，其高靈敏度的特性和獨特的電氣性能使其成為制造下一代低功耗、高密度超大規(guī)模集成電路理想的基本器件。

單個芯片中包含了數十個對芯片性能至關重要的雜質原子，隨著芯片不斷小型化，每個原子的表現所起到的決定性作用也逐漸加大，這種能夠控制單個雜質原子新技術的重要性不言而喻。美國俄亥俄州立大學研究小組對半導體中雜質原子的屬性如何受到周圍其他原子排列的影響進行了研究，于2010年年末開發(fā)出一種技術，可通過重新排列半導體中的原子空穴，來調節(jié)摻雜其中的雜質屬性。

（四）概率型芯片技術

傳統芯片的晶體管主要用于搭建數字與非門，這是一種基本的邏輯電路，主要使用一系列“0”和“1”來執(zhí)行數字邏輯功能。而在概率處理器上，晶體管被用于搭建貝葉斯（Bayesian）與非門，也就是概率與非門。2010年8月美國Lyric半導體公司推出首款基于概率技術的閃存糾錯芯片，有助于緩解閃存芯片的糾錯問題，與傳統閃存芯片的糾錯電路相比，新的糾錯芯片尺寸小30倍，效能比高12倍，速度也更快。該芯片的運算主要基于概率而非傳統的二進制邏輯，仍由晶體管制成，但它輸入輸出的值是概率而非0或1。

（五）3-D結構晶體管技術

受晶體管尺寸縮小所面臨的極限，芯片能夠在基本結構層面上有所改變，是一種真正革命性的突破。2011年5月英特爾公司設計的三柵極（Tri-Gate）3-D晶體管成功實現了22納米制程技術的突破，代表著從2-D平面晶體管結構的根本性轉變，同時也為摩爾定律注入了新的活力。與之前的32納米平面晶體管相比，22納米3-D三柵極晶體管在低電壓下可將性能提高37%，在相同性能的情況下電量消耗將減少50%，而其造價僅提高2%～3%。更多的控制可以使晶體管在“開”的狀態(tài)下讓盡可能多的電流通過，而在“關”的狀態(tài)下盡可能讓電流接近零，同時還能在兩種狀態(tài)之間迅速切換。下一步，英特爾繼續(xù)采用3-D結構的設計，將著力突破14納米制程技術。

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