未來(lái)的世界怎么樣?

　　摘要：展望了未來(lái)的計算世界，計算機的應用包括計算模擬、嵌入融合以及網(wǎng)絡(luò )通信三大方面。

　　“從一定程度上說(shuō)，整個(gè)人類(lèi)的發(fā)展史可以總結為一場(chǎng)腦力勞動(dòng)日益替代體力勞動(dòng)的漸進(jìn)革命”。處理器芯片使計算機從“科學(xué)殿堂”走進(jìn)了“百姓人家”，實(shí)現了計算機應用的民主化(大眾化)，已使人類(lèi)的9億人口從工業(yè)社會(huì )進(jìn)入了知識社會(huì )。人們估計，機器人設計的人性化，到2036年發(fā)達國家的機器人的數目將超過(guò)人的數目，很多工作將是由機器人完成的。有人認為，計算機的下一件大事就是要使電子設備真正的小型化, 硅芯片制造的三維化，將使半導體產(chǎn)業(yè)換發(fā)青春。

　　中國科學(xué)院院士沈緒榜

　　計算機的應用包括計算模擬、嵌入融合以及網(wǎng)絡(luò )通信三大方面

　　世界上的第一臺計算機，就是為縮短計算彈道的時(shí)間而研制，是作為計算模擬(Simulation)工具使用的。串行計算機上的計算模擬是一種從點(diǎn)開(kāi)始的串行“分層處理”的計算技術(shù)?，F在的并行計算機上的計算模擬(天氣預報等)，是一種從面開(kāi)始的并行 “分層處理”的計算技術(shù)，正在使計算能力無(wú)限大(千萬(wàn)億次等)。這種分層技術(shù)也正在使制造技術(shù)大眾化。 1985年化學(xué)家查克•赫爾在開(kāi)發(fā)室外油漆能干得快些的過(guò)程中，發(fā)現如果油漆的層數足夠多，說(shuō)不定能夠分層制造出三維的物體。如今，“分層處理”的制造技術(shù)正在走出實(shí)驗室，有可能使每個(gè)村莊都可以小規模地生產(chǎn)自己所需要的產(chǎn)品，發(fā)展成為知識社會(huì )的一種新的工業(yè)模式，使工業(yè)生產(chǎn)更容易。石墨烯的“電路布”可能取代“電路板”，使電子設備成為可穿著(zhù)的，更深入地介入日常生活。

　　工業(yè)革命的機器設備都是由人來(lái)操作控制的，只是延伸了人的體力、眼力和聽(tīng)力等。芯片技術(shù)問(wèn)世之后，首先是用于火箭的控制計算機中的，但這只是少數人的事。計算機與工程科學(xué)更加緊密的嵌入融合(embodiment)的應用則仿真了人的思維、 視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、感覺(jué)(電子皮膚)與四肢等能力。微電子技術(shù)正在使計算設備無(wú)限小，促進(jìn)其應用的嵌入融合的大眾化。

　　1969年計算機網(wǎng)絡(luò )ARPANET(阿帕網(wǎng))問(wèn)世，開(kāi)創(chuàng )了計算機的網(wǎng)絡(luò )通信(communication)應用。網(wǎng)絡(luò )通信的應用正在使計算距離無(wú)限遠(火星探測)。1995年美國國防部的有24 顆衛星的全球定位系統(GPS，Global Position System)的投入使用，基于位置服務(wù)(LBS， Location Based Service)成了網(wǎng)絡(luò )通信的大眾化技術(shù)。據2007年統計，有30多個(gè)國家發(fā)射了8000多顆衛星，每天有2000多顆衛星在軌道上工作。美軍的銥星電話(huà)系統，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫作用。在歐洲啟動(dòng)的名為RoboEarth(機器人地球)的網(wǎng)絡(luò )數據庫系統中，使網(wǎng)站從搜索引擎發(fā)展成回答引擎，網(wǎng)絡(luò )變得更聰明。網(wǎng)絡(luò )的集合作用把大型計算(mainframe)和個(gè)人計算機(personal computer)集合在一起，使數據中心能起到“數據電廠(chǎng)”和“數據銀行”的作用，計算技術(shù)成了電一樣的普及技術(shù)。

　　機器人的設計使計算機從邏輯化計算走向了人性化計算

　　計算機嵌入融合的應用催生了非人形機器人、人形(仿真)機器人。工程人員正在研究一種能根據隨時(shí)需要改變自身形狀和能力的變形機器人。相對于光速來(lái)說(shuō)，人類(lèi)與探索整個(gè)太陽(yáng)系的機器人的通信時(shí)間太長(cháng)了，地面控制難以做出“即時(shí)決定”。因此，發(fā)明了自主機器人。人腦是一種模擬計算機。數字計算機的邏輯化方法，不僅模仿了人腦的邏輯思維能力，部分地模仿人腦的形象思維能力，而且也在研究數字計算機用它模仿人腦的創(chuàng )新思維能力。機器人和所有機器一樣，都是人腦發(fā)明的，是生物學(xué)的人工制品，不同的是機器人催生了許多具有各種不同人類(lèi)特征的人性化新應用，促進(jìn)了神經(jīng)計算機、生物計算機和“數字生命”的人工智能研究。

　　1950年代以來(lái)的生命科學(xué)則發(fā)現了人的生命是一個(gè)與計算機非常相似的中央控制過(guò)程進(jìn)行控制的化學(xué)機器。設計具有生命組織特征的計算機，就成了人工智能研究者的夢(mèng)想。2011年IBM開(kāi)發(fā)了兩款“神經(jīng)元芯片”，叫做SyNAPSE系統。打算通過(guò)“逆向設計大腦”重現思維的一些方面，包括情感、感知、感覺(jué)和認知。

　　英國科學(xué)家使用細菌和基因手段制造出了“生物邏輯門(mén)”，能用蛋白質(zhì)作輸入信息和輸出信息，完成邏輯運算，具有當前計算機所用電路邏輯門(mén)類(lèi)似的信息處理能力的人工智能技術(shù)。這些生物邏輯門(mén)有望成為微型生物計算機的基礎元件，有助于研發(fā)新一代的生物處理器。例如，研制出能在人的關(guān)節處游蕩的傳感器，探測和破壞身體內癌細胞的傳感器以及能置于環(huán)境中的污染檢測器。

　　“數字生命”是人工智能的一種新突破。它把生命進(jìn)化的概念引進(jìn)了計算機領(lǐng)域，繁殖時(shí)復制的不是DNA，而是計算機編碼。美國密歇根大學(xué)的Robert Pennock的“數字生命”叫“Avidians”，經(jīng)過(guò)數千代以后，它就進(jìn)化出了驚人的初級記憶能力：能向食物源運動(dòng)。密歇根大學(xué)的Jeff Clune的“數字生命”叫“HyperNEAT”，每個(gè)模擬細胞的功能和人腦中相同位置的神經(jīng)細胞相同。從簡(jiǎn)單的指令開(kāi)始，逐步建立復雜的大腦，然后改變那些指令，得到一個(gè)不同的人工大腦。而加入容錯指令，能使人工大腦得到自我進(jìn)化。

　　硅芯片的制造技術(shù)包括一次集成技術(shù)和二次集成技術(shù)

　　早期的計算機就是以制造技術(shù)命名的。有電子管計算機、晶體管計算機。晶體管把我們從電子管中解放出來(lái)，硅芯片制造技術(shù)發(fā)明之后，計算機就是按摩爾預言發(fā)展的。到2017年左右，微電子學(xué)的硅芯片制造技術(shù)特征尺寸將達到它的物理極限，但計算機的小型化除了芯片內的集成技術(shù)之外，還取決于芯片間的互連技術(shù)。芯片內的集成技術(shù)有晶體管和互連線(xiàn)技術(shù);芯片間的互連線(xiàn)技術(shù)是從PCB(印制電路板)開(kāi)始的。

　　1947年12月23日晶體管問(wèn)世。 Intel于2003年推出應變硅;2007年推出高-K金屬柵極;2009年發(fā)明了三柵極(Tri-Gate)3-D晶體管，是一種真正革命性的突破。2011年5月4日宣布將投產(chǎn)此技術(shù)的代號為Ivy Bridge的22納米Intel芯片。瑞士科學(xué)家表示，隧道場(chǎng)效應晶體管可為計算機節能99%，2017年將進(jìn)入大規模制造階段。最終設計出超級小型化的零能耗的個(gè)人電子助手。

　　芯片內的互連技術(shù)開(kāi)始是穩定性好的鋁互連線(xiàn)技術(shù)，它的電遷移問(wèn)題使線(xiàn)寬的物理極限只有0.18mm。1997年IBM的銅互連線(xiàn)開(kāi)發(fā)成功，是芯片互連線(xiàn)技術(shù)的突破性的變革?，F在，IBM等公司又開(kāi)發(fā)成功了硅直通(TSV，Through Silicon Via)3-D集成的互連線(xiàn)技術(shù)。

　　早期的芯片是單個(gè)組裝的，采用的是PCB板/底板/機箱(柜)的互連線(xiàn)技術(shù)?，F在的芯片是SIP(單封裝系統)組裝的，芯片之間采用的也是PCB板/底板/機箱(柜)的互連線(xiàn)技術(shù)?，F在已有100多個(gè)機架的千萬(wàn)億次計算機，是占地幾百平米的龐然大物。計劃2018問(wèn)世的100萬(wàn)萬(wàn)億次計算機將只能是低功耗SoC芯片的硅直通的互連線(xiàn)技術(shù)。

　　總之，計算機應用的民主化，將加速人類(lèi)從工業(yè)社會(huì )進(jìn)入知識社會(huì )。機器人設計的人性化，體力勞動(dòng)將更多地由機器人完成;人則“以智慧安身立命”。硅芯片制造三維化，微電子技術(shù)將仍然是知識社會(huì )電子設備小型化的主要技術(shù)基礎。

　　參考文獻：

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　　[5]量子隧道場(chǎng)效應晶體管可為計算機節能99%[R/OL].(2011-11-26). http://www.cnbeta.com/articles/163485.htm