李棟

電腦發(fā)展遇到瓶頸

如果你是個(gè)電腦迷，將會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，無(wú)論電腦怎么變，速度變快也好，身材變苗條也好，自從第一臺(tái)電腦被制造出來(lái)，依舊換湯不換藥，它的構(gòu)造基本上70年從來(lái)沒(méi)有變過(guò)。

不過(guò)，這一條電腦打造黃金定律馬上就要遇到挑戰(zhàn)，根據(jù)摩爾定律的預(yù)測(cè)，電腦必須變革了。

摩爾預(yù)言，集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個(gè)月就翻一番。自從1960年以來(lái)，這條理論一直被證明是正確的，但過(guò)去的進(jìn)展沒(méi)法保證未來(lái)的成功。電路的數(shù)目變多，也就要求晶體管變得越來(lái)越小，小到一定程度，它們將沒(méi)法再用傳統(tǒng)的硅材料制成。在未來(lái)10年里，這個(gè)問(wèn)題將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

那么，未來(lái)電腦將要如何變化才會(huì)突破這個(gè)瓶頸呢？我們不妨首先將電腦的運(yùn)行模式簡(jiǎn)化一下，借助一個(gè)這樣的公式，電腦=輸入+處理+輸出，比如你打入“大科技”，然后按enter鍵，電腦就會(huì)開始處理這個(gè)輸入的信息，向你輸出計(jì)算的結(jié)果。簡(jiǎn)化后，我們就可以做出合適的聯(lián)想，因?yàn)樵谧匀唤缰校w鳥會(huì)啟發(fā)人類制造飛機(jī)，蝙蝠的回聲定位系統(tǒng)啟發(fā)人類制造了雷達(dá)，那么，哪些事物會(huì)啟發(fā)科學(xué)家們改變現(xiàn)在的電腦形態(tài)呢？

化學(xué)電腦

化學(xué)反應(yīng)似乎是計(jì)算機(jī)可以借鑒的完美模式。因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程中，也有類似的輸入和輸出模式。在反應(yīng)過(guò)程中，也會(huì)有處理環(huán)節(jié)。更關(guān)鍵的是，化學(xué)計(jì)算通常是并行的，在一個(gè)反應(yīng)面的每個(gè)位置，反應(yīng)通常同時(shí)發(fā)生，它能很好地適應(yīng)一些更復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題，比如計(jì)算通過(guò)迷宮和街道的最短路線。用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)解決這一問(wèn)題必須要窮盡所有的路徑，然后再進(jìn)行比較，這需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。而利用化學(xué)反應(yīng)則不同。由于反應(yīng)波在傳播和擴(kuò)散時(shí)，總是走最短的路徑。只要利用照相機(jī)，記錄下波的運(yùn)動(dòng)軌跡，就可以解決這一難題。

不過(guò)，這個(gè)化學(xué)反應(yīng)有自己的問(wèn)題。許多反應(yīng)都是單向的，制約了它們成為電腦的潛力，因?yàn)殡娔X一般需要重復(fù)運(yùn)行程序。上世紀(jì)五六十年代，俄羅斯的科學(xué)家在一系列反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)了B-Z（貝洛索夫-恰鮑廷斯基）反應(yīng)，這種新的反應(yīng)形式改變了這種狀況。它是由3個(gè)不同的反應(yīng)組成的化學(xué)振蕩反應(yīng)。每個(gè)反應(yīng)都有不同的分子和離子，而且三個(gè)反應(yīng)會(huì)互相觸發(fā)生成，由此循環(huán)往復(fù)。這樣，B-Z反應(yīng)就有變成電腦計(jì)算新方式的潛力。

現(xiàn)在，英國(guó)布里斯多大學(xué)計(jì)算機(jī)專家安德魯正在利用B-Z反應(yīng)，研究著到底怎么用果凍一樣的化學(xué)物質(zhì)替代硅芯片和電路板，來(lái)制造一臺(tái)化學(xué)電腦。如果他成功了，未來(lái)的電腦可能就變成一團(tuán)軟綿綿、滑溜溜的果凍一樣的物質(zhì)。

濕件計(jì)算

計(jì)算機(jī)似乎和“濕”搭不上邊，但人類開始在硅片里雕刻電路之前，濕件在自然界計(jì)算中已經(jīng)存在了幾億年。濕件是生物有機(jī)體構(gòu)成的硬件和軟件。比如，我們不妨把細(xì)胞看作是一種濕件電腦，DNA在細(xì)胞里提供信息儲(chǔ)存方式，RNA代表著輸入，核糖體負(fù)責(zé)處理，蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)輸出。濕件經(jīng)過(guò)幾億年的進(jìn)化，產(chǎn)生了神經(jīng)元——這種細(xì)胞可把化學(xué)信號(hào)當(dāng)做輸入，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸出去，最終輸出處理后的化學(xué)信號(hào)。而我們搭建計(jì)算機(jī)時(shí)，卻沒(méi)有考慮采用大自然已經(jīng)建好的生物有機(jī)體，反而采用了全新的無(wú)機(jī)物。

但細(xì)胞幾乎很難編程。1999年，生物醫(yī)學(xué)家邁出了一個(gè)關(guān)鍵的一步，他們通過(guò)用內(nèi)置的探針控制神經(jīng)元的電子狀態(tài)，通過(guò)水蛭的神經(jīng)元制造了一個(gè)簡(jiǎn)單的電腦，能夠?qū)蓚€(gè)數(shù)字相加。

盡管取得了成果，但比起電路來(lái)，細(xì)胞還是很不容易操縱，因?yàn)樗鼈儾灰状婊?，而且濕件得?guī)模化才能支撐起整個(gè)計(jì)算機(jī)的電路。

最近，科學(xué)家們的思路又跳出了活體細(xì)胞，他們開始進(jìn)行模仿細(xì)胞的電路研究，細(xì)胞和基因網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它們是非線性的或者是無(wú)秩序的系統(tǒng)，意味著它們對(duì)于細(xì)小的輸入變化可以做出不同的反應(yīng)，運(yùn)用到計(jì)算機(jī)時(shí)，會(huì)使計(jì)算結(jié)果更精確。

三元計(jì)算

無(wú)論是濕件計(jì)算，還是化學(xué)計(jì)算，這些都是跟改變計(jì)算機(jī)的硬件有關(guān)，三元計(jì)算則是徹底改變信息的編碼方式。

現(xiàn)在，我們電腦用的是二元邏輯的0和1編碼，二元邏輯代表著兩種狀態(tài)，即是或者不是。

但現(xiàn)實(shí)生活中，我們還會(huì)遇到除了是，或者不是這兩種狀態(tài)外的第三個(gè)狀況：可能是或者可能不是。

在電腦最初發(fā)展的階段，電阻器還沒(méi)有強(qiáng)大到對(duì)電流的控制提供第三種“可能是或不是”的情況。所以，電路中通過(guò)開關(guān)控制電流，只有兩種情況：有電流用1表示，無(wú)電流用0表示。隨著電子元器件的革新，一個(gè)可控電流變壓器，可以調(diào)控電壓為三種狀態(tài)：正電壓（1）、零電壓（0）和負(fù)電壓（-1）。這也為三進(jìn)制邏輯計(jì)算實(shí)現(xiàn)可能，在三進(jìn)制邏輯中，符號(hào)1代表真；符號(hào)-1代表假；符號(hào)0代表未知。

早在20世紀(jì)60年代，莫斯科國(guó)力大學(xué)研究院就設(shè)計(jì)出了第一批三進(jìn)制計(jì)算機(jī)，在頭兩年測(cè)試期里，這些計(jì)算機(jī)幾乎不需要任何調(diào)試就運(yùn)行得非常順利，它甚至能執(zhí)行一些現(xiàn)有的程序，而且非常穩(wěn)定。更關(guān)鍵的是，三進(jìn)制的計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)和維護(hù)也比同期其它計(jì)算機(jī)要容易得多，而且應(yīng)用面廣，所以，三進(jìn)制計(jì)算機(jī)的訂單如雪片般從各方飛來(lái)。但很可惜的是，前蘇聯(lián)對(duì)這個(gè)經(jīng)濟(jì)計(jì)劃外的科幻產(chǎn)物，持否定的態(tài)度且勒令其停產(chǎn)。三元計(jì)算的研究也就停滯不前。

現(xiàn)在，即使在最優(yōu)條件下，三元邏輯要能與二元邏輯相抗衡還有很大的障礙要克服，這一部分原因是尚未有人發(fā)現(xiàn)用三元邏輯來(lái)完成基本運(yùn)算的有效方法。而且更重要的是，當(dāng)三元計(jì)算機(jī)的生產(chǎn)被蘇聯(lián)勒令停產(chǎn)后，二元邏輯現(xiàn)在已經(jīng)根植于我們價(jià)值數(shù)千億美元的計(jì)算設(shè)施里了，如果要將所有這些設(shè)施過(guò)渡為三元計(jì)算，我們幾乎需要重新從零開始，這樣的成本太大了。

不過(guò)，三進(jìn)制邏輯表達(dá)方式將更多可能性考慮了進(jìn)來(lái)，也將更符合現(xiàn)實(shí)情況，未來(lái)，三進(jìn)制仍將是新型計(jì)算機(jī)的出路。所以，無(wú)論是谷歌還是IBM公司都在積極研發(fā)三進(jìn)制計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)真正的人工智能提供可能。