探討未來(lái)計算機與計算機技術(shù)

未來(lái)的計算機技術(shù)將向超高速、超小型、平行處理、智能化的方向發(fā)展。盡管受到物理極限的約束，采用硅芯片的計算機的核心部件CPU的性能還會(huì )持續增長(cháng)。作為Moore定律驅動(dòng)下成功企業(yè)的典范Inter預計2001年推出1億個(gè)晶體管的微處理器，并預計在2010年推出集成10億個(gè)晶體管的微處理器，其性能為10萬(wàn)MIPS（1000億條指令／秒）。而每秒100萬(wàn)億次的超級計算機將出現在本世紀初出現。超高速計算機將采用平行處理技術(shù)，使計算機系統同時(shí)執行多條指令或同時(shí)對多個(gè)數據進(jìn)行處理，這是改進(jìn)計算機結構、提高計算機運行速度的關(guān)鍵技術(shù)。

同時(shí)計算機將具備更多的智能成分，它將具有多種感知能力、一定的思考與判斷能力及一定的自然語(yǔ)言能力。除了提供自然的輸入手段（如語(yǔ)音輸入、手寫(xiě)輸入）外，讓人能產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的各種交互設備已經(jīng)出現，虛擬現實(shí)技術(shù)是這一領(lǐng)域發(fā)展的集中體現。

傳統的磁存儲、光盤(pán)存儲容量繼續攀升，新的海量存儲技術(shù)趨于成熟，新型的存儲器每立方厘米存儲容量可達10TB（以一本書(shū)30萬(wàn)字計，它可存儲約1500萬(wàn)本書(shū)）。信息的永久存儲也將成為現實(shí)，千年存儲器正在研制中，這樣的存儲器可以抗干擾、抗高溫、防震、防水、防腐蝕。如是，今日的大量文獻可以原汁原味保存、并流芳百世。

新型計算機系統不斷涌現

硅芯片技術(shù)的高速發(fā)展同時(shí)也意味著(zhù)硅技術(shù)越來(lái)越近其物理極限，為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開(kāi)發(fā)新型計算機，計算機從體系結構的變革到器件與技術(shù)革命都要產(chǎn)生一次量的乃至質(zhì)的飛躍。新型的量子計算機、光子計算機、生物計算機、納米計算機等將會(huì )在21世紀走進(jìn)我們的生活，遍布各個(gè)領(lǐng)域。

量子計算機

量子計算機是基于量子效應基礎上開(kāi)發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來(lái)表示開(kāi)與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來(lái)改變分子的狀態(tài)，使信息沿著(zhù)聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行運算。

量子計算機中數據用量子位存儲。由于量子疊加效應，一個(gè)量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此一個(gè)量子位可以存儲2個(gè)數據，同樣數量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時(shí)量子計算機能夠實(shí)行量子并行計算，其運算速度可能比目前個(gè)人計算機的PentiumⅢ晶片快10億倍。目前正在開(kāi)發(fā)中的量子計算機有3種類(lèi)型：核磁共振(NMR)量子計算機、硅基半導體量子計算機、離子阱量子計算機。預計2030年將普及量子計算機。

光子計算機

光子計算機即全光數字計算機，以光子代替電子，光互連代替導線(xiàn)互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。

與電子計算機相比，光計算機的“無(wú)導線(xiàn)計算機”信息傳遞平行通道密度極大。一枚直徑5分硬幣大小的棱鏡，它的通過(guò)能力超過(guò)全世界現有電話(huà)電纜的許多倍。光的并行、高速，天然地決定了光計算機的并行處理能力很強，具有超高速運算速度。超高速電子計算機只能在低溫下工作，而光計算機在室溫下即可開(kāi)展工作。光計算機還具有與人腦相似的容錯性。系統中某一元件損壞或出錯時(shí)，并不影響最終的計算結果。

目前，世界上第一臺光計算機已由歐共體的英國、法國、比利時(shí)、德國、意大利的70多名科學(xué)家研制成功，其運算速度比電子計算機快1000倍?？茖W(xué)家們預計，光計算機的進(jìn)一步研制將成為21世紀高科技課題之一。

生物計算機（分子計算機）

生物計算機的運算過(guò)程就是蛋白質(zhì)分子與周?chē)锢砘瘜W(xué)介質(zhì)的相互作用過(guò)程。計算機的轉換開(kāi)關(guān)由酶來(lái)充當，而程序則在酶合成系統本身和蛋白質(zhì)的結構中極其明顯地表示出來(lái)。

20世紀70年代，人們發(fā)現脫氧核糖核酸(DNA)處于不同狀態(tài)時(shí)可以代表信息的有或無(wú)。DNA分子中的遺傳密碼相當于存儲的數據，DNA分子間通過(guò)生化反應，從一種基因代瑪轉變?yōu)榱硪环N基因代碼。反應前的基因代碼相當于輸入數據，反應后的基因代碼相當于輸出數據。如果能控制這一反應過(guò)程，那么就可以制作成功DNA計算機。

蛋白質(zhì)分子比硅晶片上電子元件要小得多，彼此相距甚近，生物計算機完成一項運算，所需的時(shí)間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬(wàn)倍。DNA分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液，可存儲1萬(wàn)億億的二進(jìn)制數據。DNA計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于生物芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以生物計算機既有自我修復的功能，又可直接與生物活體相聯(lián)。預計10～20年后，DNA計算機將進(jìn)入實(shí)用階段。

納米計算機

“納米”是一個(gè)計量單位，一個(gè)納米等于10[-9]米，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從80年代初迅速發(fā)展起來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標是人類(lèi)按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。

現在納米技術(shù)正從MEMS（微電子機械系統）起步，把傳感器、電動(dòng)機和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構成一個(gè)系統。應用納米技術(shù)研制的計算機內存芯片，其體積不過(guò)數百個(gè)原子大小，相當于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。

目前，納米計算機的成功研制已有一些鼓舞人心的消息，惠普實(shí)驗室的科研人員已開(kāi)始應用納米技術(shù)研制芯片，一旦他們的研究獲得成功，將為其他縮微計算機元件的研制和生產(chǎn)鋪平道路。

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )繼續蔓延與提升

今天人們談到計算機必然地和網(wǎng)絡(luò )聯(lián)系起來(lái)，一方面孤立的未加入網(wǎng)絡(luò )的計算機越來(lái)越難以見(jiàn)到，另一方面計算機的概念也被網(wǎng)絡(luò )所擴展。二十世紀九十年代興起的Internet在過(guò)去如火如荼地發(fā)展，其影響之廣、普及之快是前所未有的。從沒(méi)有一種技術(shù)能像Internet一樣，劇烈地改變著(zhù)我們的學(xué)習、生活和習慣方式。全世界幾乎所有國家都有計算機網(wǎng)絡(luò )直接或間接地與Internet相連，使之成為一個(gè)全球范圍的計算機互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )。人們可以通過(guò)Internet與世界各地的其它用戶(hù)自由地進(jìn)行通信，可從Internet中獲得各種信息。

回顧一下我國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，就可以感受到互聯(lián)網(wǎng)普及之快。近三年中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )信息中心(CNNIC)對我國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )狀況的調查表明我國的Internet發(fā)展呈現爆炸式增長(cháng)，2000年1月我國上網(wǎng)計算機數為350萬(wàn)臺，2001年的統計數為892萬(wàn)臺，翻一番多；2000年1月我國上網(wǎng)用戶(hù)人數890萬(wàn)；2001年1月的統計數為2250萬(wàn)人，接近于3倍；2000年1月CN下注冊的域名數為48575，2001年1月的統計數為122099個(gè)，接近于3倍；國際線(xiàn)路的總容量目前達2799M，8倍于2000年1月的351M。

人們已充分領(lǐng)略到網(wǎng)絡(luò )的魅力，Internet大大縮小了時(shí)空界限，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )人們可以共享計算機硬件資源、軟件資源和信息資源。“網(wǎng)絡(luò )就是計算機”的概念被事實(shí)一再證明，被世人逐步接受。

在未來(lái)10年內，建立透明的全光網(wǎng)絡(luò )勢在必行，互聯(lián)網(wǎng)的傳輸速率將提高100倍。在Internet上進(jìn)行醫療診斷、遠程教學(xué)、電子商務(wù)、視頻會(huì )議、視頻圖書(shū)館等將得以普及。同時(shí)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的構建將成為眾多公司競爭的主戰場(chǎng)，未來(lái)我們可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)接入隨時(shí)隨地連接到Internet上，進(jìn)行交流、獲取信息、觀(guān)看電視節目。

移動(dòng)計算技術(shù)與系統

隨著(zhù)因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展和廣泛應用、無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)的成熟以及計算機處理能力的不斷提高，新的業(yè)務(wù)和應用不斷涌現。移動(dòng)計算正是為提高工作效率和隨時(shí)能夠交換和處理信息所提出，業(yè)已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

移動(dòng)計算包括三個(gè)要素：通信、計算和移動(dòng)。這三個(gè)方面既相互獨立又相互聯(lián)系。移動(dòng)計算概念提出之前，人們對它們的研究已經(jīng)很長(cháng)時(shí)間了，移動(dòng)計算是第一次把它們結合起來(lái)進(jìn)行研究。它們可以相互轉化，例如，通信系統的容量可以通過(guò)計算處理（信源壓縮，信道編碼，緩存，預?。┑玫教岣?。

移動(dòng)性可以給計算和通信帶來(lái)新的應用，但同時(shí)也帶來(lái)了許多問(wèn)題。最大的問(wèn)題就是如何面對無(wú)線(xiàn)移動(dòng)環(huán)境帶來(lái)的挑戰。在無(wú)線(xiàn)移動(dòng)環(huán)境中，信號要受到各種各樣的干擾和衰落的影響，會(huì )有多徑和移動(dòng)，給信號帶來(lái)時(shí)域和頻域彌散、頻帶資源受限、較大的傳輸時(shí)延等等問(wèn)題。這樣一個(gè)環(huán)境下，引出了很多在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )和計算機網(wǎng)絡(luò )中未遇到的問(wèn)題。第一，信道可靠性問(wèn)題和系統配置問(wèn)題。有限的無(wú)線(xiàn)帶寬、惡劣的通信環(huán)境使各種應用必須建立在一個(gè)不可靠的、可能斷開(kāi)的物理連接上。在移動(dòng)計算網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下，移動(dòng)終端位置的移動(dòng)要求系統能夠實(shí)時(shí)進(jìn)行配置和更新。第二，為了真正實(shí)現在移動(dòng)中進(jìn)行各種計算，必須要對寬帶數據業(yè)務(wù)進(jìn)行支持。第三，如何將現有的主要針對話(huà)音業(yè)務(wù)的移動(dòng)管理技術(shù)拓展到寬帶數據業(yè)務(wù)。第四，如何把一些在固定計算網(wǎng)絡(luò )中的成熟技術(shù)移植到移動(dòng)計算網(wǎng)絡(luò )中。

面向全球網(wǎng)絡(luò )化應用的各類(lèi)新型微機和信息終端產(chǎn)品將成為主要產(chǎn)品。便攜計算機、數字基因計算機、移動(dòng)手機和終端產(chǎn)品，以及各種手持式個(gè)人信息終端產(chǎn)品，將把移動(dòng)計算與數字通信融合為一體，手機將被嵌入高性能芯片和軟件，依據標準的無(wú)限通信協(xié)議（如藍牙）上網(wǎng)，觀(guān)看電視、收聽(tīng)廣播。在Internet上成長(cháng)起來(lái)的新一代自然不會(huì )把汽車(chē)僅作為代步工具，汽車(chē)將向用戶(hù)提供上網(wǎng)、辦公、家庭娛樂(lè )等功能，成為車(chē)輪上的信息平臺。

跨入新世紀的門(mén)檻，暢想未來(lái)之時(shí)，我們不妨回顧本世紀人們對計算機的認識。1943年IBM總裁Thomas Wason說(shuō)“我認為全世界市場(chǎng)的計算機需求量約為五臺”。1957年美國PrenticeHall的編輯撰文“我走遍了這個(gè)國家并和許多最優(yōu)秀的人們交談過(guò)，我可以確信數據處理熱不會(huì )熱過(guò)今年”。1968年IBM的高級計算機系統工程師的微晶片上注解“但是……它究竟有什么用呢？”。1977年數字設備公司的創(chuàng )始人和總裁Ken Olson說(shuō)“任何人都沒(méi)有理由在家里放一臺計算機”。愿我們的所言也將被證明是膚淺的、保守的。