王麟

1936年，英國數(shù)學家阿蘭·圖靈提出“圖靈機”的構想，為現(xiàn)代人工智能奠定了基礎；到了1946年，美籍匈牙利數(shù)學家馮·諾依曼確定了計算機的體系結構，一直沿用至今。阿蘭·圖靈和馮·諾依曼因為上述貢獻被譽為“計算機之父”。經(jīng)過60多年的發(fā)展，電腦技術一日千里，摩爾定律驅(qū)使著芯片不斷更新?lián)Q代，大規(guī)模集成電路的蝕刻尺寸已經(jīng)接近極限，在不遠的將來，傳統(tǒng)計算機技術必定會撞到天花板。在危機來臨之前，科學家們也在想方設法另辟蹊徑，從不同的層面研發(fā)全新的計算機技術，以期獲得突破，開創(chuàng)更多嶄新的計算之路。因此，我們很有必要盤點一下，在傳統(tǒng)計算機之外，還有哪些“非主流”的計算機，具備未來發(fā)展的潛力。

類腦計算機：模擬人類大腦的運算模式

·馮·諾依曼計算機架構的局限·

傳統(tǒng)的計算機采用馮·諾依曼架構模式，微處理器以極快的速度執(zhí)行一長串的0和1編程指令，這些指令信息單獨存放在內(nèi)存、處理器以及磁盤驅(qū)動器之中，電腦的中央處理器與存儲器通過總線連接。當電腦運行之時，大量的數(shù)據(jù)流在處理器和存儲器之間進行中轉(zhuǎn)，消耗掉很多能量，同時總線的帶寬有限，隨著數(shù)據(jù)流的不斷增加，總線作為繁忙的干線卻變成了瓶頸，限制了計算速度的進一步提高。那么，有沒有一種辦法，將電腦的耗能降低，同時避開總線帶寬不夠的瓶頸呢？答案是肯定的，美國計算機芯片業(yè)巨頭IBM公司研發(fā)成功一種類腦芯片，提供了解決問題的方案。

·類腦芯片的巨大優(yōu)勢·

IBM公司研發(fā)成功的這種芯片名叫“TrueNorth”，是完全基于對人類大腦的仿真模擬，也是世界上第一枚耗能極低的神經(jīng)突觸電腦芯片，大小與一張郵票相仿，上面卻集成了54億個晶體管，這是IBM公司在一枚芯片上集成晶體管最多的一次，同時，它還包括100萬可編程的神經(jīng)元和2.56億可編程的神經(jīng)突觸。雖然類腦芯片與包含1 000億個神經(jīng)元以及多達100萬億至150萬億神經(jīng)突觸的人類大腦沒法相比，但畢竟計算機技術走出了劃時代的關鍵一步，意義可謂重大。

這種類腦芯片可以做很多事情，諸如用于對石油泄漏進行監(jiān)控、預告海嘯臺風等等。千萬別小看類腦芯片，普通的計算機執(zhí)行類似的任務耗能極高，而類腦芯片只需消耗70毫瓦的電量，與一個助聽器的耗能相當。除了耗能低之外，類腦芯片還具有認知功能，它可以輕易地從一大堆不同的物品中找出正確的目標，而這種認知能力是傳統(tǒng)計算機望塵莫及的。

擬態(tài)計算機：解決電腦高耗能的一種辦法

·快速運算需要付出高昂代價·

傳統(tǒng)的計算機架構模式，決定了電腦在數(shù)據(jù)存儲和調(diào)用過程中要消耗很多能量，對于世界上運算速度最快的計算機——中國的“天河二號”而言，每小時耗電量高達17.8兆瓦，相當于發(fā)達地區(qū)三線城市全市一小時的照明用電，每天計算機的運行費用高達40萬元人民幣，真是不折不扣的耗電大戶。而美國搜索引擎谷歌公司將全世界最大的數(shù)據(jù)中心建在了達拉斯水電站附近，可以就近保證能源供應。而這個數(shù)據(jù)中心投入使用后，據(jù)說每天會消耗103兆瓦電量，與整個日內(nèi)瓦的城市用電量相同。可見，計算速度提高的最大代價，就是高昂的耗能成本。

·擬態(tài)計算機提供了降低能耗的辦法·

面對計算機高耗能的難題，科學家們也在孜孜不倦地努力尋找解決辦法，而中國科學家研究的擬態(tài)計算機就是一種可行的措施。所謂“擬態(tài)計算機”，指的是“基于擬態(tài)計算的主動認知可重構計算體系結構”的計算機。

專業(yè)術語比較拗口，簡單而言就是，計算機不再僵硬和機械地按照馮·諾依曼架構安排執(zhí)行任務，而是根據(jù)所面對的任務、資源、服務質(zhì)量、安全要求和時效性等不同，自動感知判斷計算資源的忙閑程度，隨之變換成合適的結構形態(tài)，以獲取最高的處理能力，同時降低耗能。根據(jù)測算，擬態(tài)計算機在執(zhí)行某類典型工作之時，比傳統(tǒng)計算機的效率要提高十幾倍到上百倍。同時，科學家們還提出了“擬態(tài)安全”的理念，可以有效降低計算機運行風險。

DNA計算機：計算機的另一種發(fā)展方向

·DNA計算機的設計原理·

生物計算機是計算機科學與分子生物學交叉融合的產(chǎn)物，DNA，即脫氧核糖核酸，是生物遺傳的物質(zhì)基礎，呈雙螺旋結構，由A、G、C、T 4種堿基組成，堿基的排列組合存儲著遺傳信息，同時DNA鏈可以通過堿基互補配對形成雙鏈，這種配對具有高度的特異性。而科學家們就是利用堿基特異性配對來研發(fā)DNA計算機的，將運算信息排列于DNA上面，利用DNA特異性配對原理來構建不可或缺的“邏輯門”，通過特定DNA片段的互相作用，進而獲得計算結果。

·DNA計算機的過人之處·

DNA計算機芯片以分子為單位，在1平方毫米的面積上，可容納幾億個電路，遠遠超過傳統(tǒng)的電腦芯片容量；DNA計算機可以通過設置編碼，使其具備再生和復制功能，因此不存在損壞和報廢一說，理論上可以永久使用下去；DNA計算機的元件是由有機分子組成的生物化學元件，只需很少的能量就能進行化學反應，耗能是傳統(tǒng)計算機的十億分之一，而速度可提高10萬倍以上；DNA 作為儲存信息的媒介，占用空間有限，是傳統(tǒng)計算機的百億億分之一；DNA計算機的主要原材料是蛋白質(zhì)分子，具有生物活性，能夠和人體的大腦以及神經(jīng)系統(tǒng)相連，直接接受大腦的指揮，通過人體細胞吸收營養(yǎng)補充能量，因而不需要外界能源。

量子計算機：最具科幻色彩的超能工具

與類腦計算機、擬態(tài)計算機和DNA計算機相比，量子計算機才是最具科幻和未來色彩的技術，當然，它的計算速度之快、建造難度之高，也是前無古人后無來者。傳統(tǒng)的計算機通過兩種邏輯狀態(tài)“0和1”作為運算基礎，而在量子計算機中，最小的存儲單位是量子比特，它除了具備傳統(tǒng)計算機的0和1的兩種邏輯狀態(tài)外，還有量子力學特有的疊加態(tài)，這種疊加態(tài)是任意線性的疊加，它既可以是0態(tài)又可以是1態(tài)，0態(tài)和1態(tài)各以一定的概率同時存在。

量子計算機除了特有的疊加性，還有量子并行、量子糾纏以及量子相干性和退相干等特性，這些獨特的性質(zhì)，使其可以展開大規(guī)模的并行計算，具備超高速的運算能力。那么，量子計算機運算速度高到何種地步呢？它可以在幾秒鐘之內(nèi)將一個250位的數(shù)字分解成兩個質(zhì)數(shù)的乘積，而傳統(tǒng)計算機完成這項工作需要花100萬年！