清揚(yáng)

2014年11月20日，在世界超級(jí)計(jì)算機(jī)大會(huì)上傳出喜訊：中國(guó)“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)在國(guó)際TOP500組織首次發(fā)布的高性能共軛梯度基準(zhǔn)測(cè)試排行榜上，位居世界第一。

作為世界上運(yùn)算速度最快的計(jì)算機(jī)，“天河二號(hào)”每秒的浮點(diǎn)運(yùn)算速度高達(dá)33.86千萬(wàn)億次，它運(yùn)算1小時(shí)，就相當(dāng)于13億人同時(shí)用計(jì)算器算1000年。但功能如此強(qiáng)大的“天河二號(hào)”，采用的仍是傳統(tǒng)硅芯片技術(shù)。而據(jù)專家預(yù)測(cè)，今后10年內(nèi)，隨著硅芯片上集成的晶體管數(shù)量越來(lái)越接近極限，其性能將越來(lái)越不穩(wěn)定。因此，目前世界各國(guó)對(duì)新型計(jì)算機(jī)的研究正方興未艾。未來(lái)，隨著具有感知、思考、判斷、學(xué)習(xí)及一定的自然語(yǔ)言能力的納米、量子、光子、生物計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，計(jì)算機(jī)將迎來(lái)全新的時(shí)代。

超導(dǎo)計(jì)算機(jī)：運(yùn)算速度快百倍

超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，是使用超導(dǎo)體元器件的高速計(jì)算機(jī)。所謂超導(dǎo)，是指有些物質(zhì)在接近絕對(duì)零度（0K，即-273.15℃）時(shí)電流流動(dòng)是無(wú)阻力的。1962年，英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫遜提出超導(dǎo)隧道效應(yīng)原理并因此獲得1973年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1999年11月，日本成功研發(fā)出超導(dǎo)集成電路芯片。目前，日本正在加速推進(jìn)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)研發(fā)，一旦研發(fā)成功，它的耗電量將只有傳統(tǒng)半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)的幾千分之一，而執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間卻要快100倍。與此同時(shí)，歐洲、中國(guó)和美國(guó)也都在搶灘新一代百億億次級(jí)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的研發(fā)。

但是，目前的超導(dǎo)體元器件都只能在低溫下工作。若果將來(lái)能成功發(fā)明出常溫超導(dǎo)材料，必將改寫(xiě)未來(lái)計(jì)算機(jī)的格局。

納米計(jì)算機(jī)：有望走入尋常百姓家

當(dāng)晶體管的尺寸縮小到0.1微米（100納米）以下時(shí)，半導(dǎo)體晶體管賴以工作的基本原理將受到很大限制。因此，研究人員需另辟蹊徑，突破0.1微米界限，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)器件。

納米計(jì)算機(jī)，就是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)。其納米管元件尺寸僅為幾到幾十納米，質(zhì)地堅(jiān)固，有極強(qiáng)的導(dǎo)電性。應(yīng)用納米技術(shù)研制的芯片，其體積只有數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人頭發(fā)絲直徑的千分之一。而且它只需在實(shí)驗(yàn)室里將設(shè)計(jì)好的分子合在一起，就可以造出來(lái)，因此將節(jié)省數(shù)百萬(wàn)美元的生產(chǎn)成本。

2013年9月26日，第一臺(tái)基于碳納米晶體管技術(shù)的計(jì)算機(jī)在美國(guó)斯坦福大學(xué)成功研發(fā)并測(cè)試運(yùn)行。這種計(jì)算機(jī)體積小、造價(jià)低、存儲(chǔ)量大、性能好，未來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，有望取代芯片計(jì)算機(jī)，走入尋常百姓家。

量子計(jì)算機(jī)：存儲(chǔ)量超過(guò)宇宙原子數(shù)量總和

量子計(jì)算機(jī)以處于量子狀態(tài)的原子作為中央處理器和內(nèi)存，利用原子的量子特性進(jìn)行信息處理。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)，由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是0或1，也可以既存儲(chǔ)0又存儲(chǔ)1。有人曾形象地比喻：假設(shè)一只老鼠準(zhǔn)備繞過(guò)一只貓，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)理論，它要么從左邊過(guò)，要么從右邊過(guò)，而根據(jù)量子理論，它卻可以同時(shí)從貓的左邊和右邊繞過(guò)。

量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量是傳統(tǒng)電子計(jì)算機(jī)所無(wú)法比擬的，理論上，300個(gè)量子位可承載的數(shù)據(jù)是2的300次方，超過(guò)了整個(gè)宇宙原子數(shù)量的總和。此外，由于能實(shí)行量子并行計(jì)算，其運(yùn)算速度要比目前的計(jì)算機(jī)快10億倍。在它面前，即使是目前世界上最復(fù)雜的密碼，也會(huì)變得不堪一擊。

盡管量子計(jì)算機(jī)的研究目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，但專家預(yù)測(cè)，它將在2030年實(shí)現(xiàn)普及，進(jìn)入尋常百姓家。

光子計(jì)算機(jī)：光學(xué)“晶體管”瓶頸待突破

光子計(jì)算機(jī)的基本組成部件是集成光路，它用不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，以大量透鏡、棱鏡和反射鏡將數(shù)據(jù)從一個(gè)芯片傳送到另一個(gè)芯片。由于光子比電子速度快，光子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度高達(dá)1萬(wàn)億次，存貯量是電子計(jì)算機(jī)的幾萬(wàn)倍，還可對(duì)語(yǔ)言、圖形、手勢(shì)等進(jìn)行識(shí)別與合成。

研制光子計(jì)算機(jī)的設(shè)想早在20世紀(jì)50年代后期就已提出。1986年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的戴維·米勒研制出小型光開(kāi)關(guān)，為同實(shí)驗(yàn)室的艾倫·黃研制光處理器提供了必要元件。1990年1月，艾倫·黃的實(shí)驗(yàn)室宣布研制出世界上第一臺(tái)光子計(jì)算機(jī)。

但光子計(jì)算機(jī)需要開(kāi)發(fā)出可用一條光束控制另一條光束變化的光學(xué)“晶體管”。而現(xiàn)有的光學(xué)“晶體管”龐大而笨拙，若用它們?cè)斐膳_(tái)式計(jì)算機(jī)，將有汽車那么大。因此，短期內(nèi)光子計(jì)算機(jī)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

生物計(jì)算機(jī)：神奇的DNA堿基對(duì)序列

1994年11月，美國(guó)南加州大學(xué)的阿德勒曼博士提出一個(gè)奇思妙想，以DNA堿基對(duì)序列作為信息編碼的載體，利用現(xiàn)代分子生物技術(shù)，在試管內(nèi)控制酶的作用下，使DNA堿基對(duì)序列發(fā)生反應(yīng)，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算。

生物計(jì)算機(jī)使用蛋白質(zhì)分子制成的生物芯片，這種芯片比現(xiàn)在的硅芯片小得多，但存儲(chǔ)量是普通計(jì)算機(jī)的10億倍，1立方米的DNA溶液可存儲(chǔ)1萬(wàn)億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；它具有并行處理功能，運(yùn)算速度比人腦快100萬(wàn)倍，比目前的計(jì)算機(jī)快10萬(wàn)倍；但它的能量消耗僅為普通計(jì)算機(jī)的10億分之一。由于芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以生物計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。

目前，美國(guó)已研制出生物計(jì)算機(jī)分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照的幾萬(wàn)分之一秒內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。以色列已研制出一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型分子計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度達(dá)每秒10億次。

但生物計(jì)算機(jī)也有自身難以克服的瓶頸。研究顯示，一臺(tái)生物計(jì)算機(jī)24小時(shí)就完成了人類迄今為止全部的計(jì)算量，但從中提取一個(gè)信息卻花費(fèi)了1周，此外，也很難對(duì)其運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)。這是目前生物計(jì)算機(jī)沒(méi)有普及的最主要原因，但專家預(yù)測(cè)，這些瓶頸將在20年內(nèi)突破，屆時(shí)，它將在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)引起一場(chǎng)劃時(shí)代的變革。（責(zé)任編輯/余風(fēng)）endprint