未来的计算机

人类发明的第一代计算机

以摩尔速度发展的微处理器使全世界的微电子技术专家面临着新的挑战。尽管传统的、基于集成电路的计算机短期内还不会退出历史舞台，但旨在超越它的超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA计算机和量子计算机正在跃跃欲试。

当电子开关元件的速度达到纳秒级时，整个计算机必须容纳在边长小于3厘米的立体中，才不会因信号传输而降低整机速度。可是，芯片的集成度越高，计算机的体积越小，机器发热的后果就越严重。解决问题的出路是研制超导计算机。

所谓超导，是指在接近绝对零度的温度下，电流在某些介质中传输时所受阻力为零的现象。1962年，英国物理学家约瑟夫逊提出了“超导隧道效应，即由超导体——绝缘体——超导体组成的器件（约瑟夫逊元件），当对其两端加电压时，电子就会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘介质中穿过，形成微小电流，而该器件的两端电压为零。与传统的半导体计算机相比，使用约瑟夫逊器件的超导计算机的耗电量仅为其几千分之一，而执行一条指令所需时间却要快上100倍。

1999年11月，日本超导技术研究所与企业合作，在超导集成电路芯片上密布了1万个约瑟夫逊元件。此项成果使日本朝着制造超导计算机的方向迈进了一大步。据悉，这家研究所定于2003年生产这种超导集成电路，在2010年前后制造出使用这种集成电路的超导计算机。

科学家发现，当晶体管的尺寸缩小到0.1微米（100纳米）以下时，半导体晶体管赖以工作的基本原理将受到很大限制。研究人员需另辟蹊径，才能突破0.1微米界，实现纳米级器件。现代商品化大规模集成电路上元器件的尺寸约在0.35微米（即350纳米），而纳米计算机的基本元器件尺寸只有几到几十纳米。

目前，在以不同原理实现纳米级计算方面，科学家提出四种工作机制：电子式纳米计算技术，基于生物化学物质与DNA的纳米计算机，机械式纳米计算机，量子波相干计算。它们有可能发展成为未来纳米计算机技术的基础。

像硅微电子计算技术一样，电子式纳米计算技术仍然利用电子运动对信息进行处理。不同的是：前者利用固体材料的整体特性，根据大量电子参与工作时所呈现的统计平均规律；后者利用的是在一个很小的空间（纳米尺度）内，有限电子运动所表现出来的量子效应。

与传统硅芯片计算机不同，光计算机用光束代替电子进行运算和存储：它以不同波长的光代表不同的数据，以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。

研制光计算机的设想早在20世纪50年代后期就已提出。1986年，贝尔实验室的戴维·米勒研制出小型光开关，为同实验室的艾伦·黄研制光处理器提供了必要的元件。1990年1月，黄的实验室开始用光计算机工作。

从采用的元器件看，光计算机有全光学型和光电混合型。1990年贝尔实验室研制成功的那台机器就采用了混合型结构。相比之下，全光学型计算机可以达到更高的运算速度。

然而，要想研制出光计算机，需要开发出可用一条光束控制另一条光束变化的光学“晶体管。现有的光学“晶体管庞大而笨拙，若用它们造成台式计算机将有一辆汽车那么大。因此，要想短期内使光计算机实用化还很困难。

1994年11月，美国南加州大学的阿德勒曼博士提出一个奇思妙想，即以DNA碱基对序列作为信息编码的载体，利用现代分子生物技术，在试管内控制酶的作用下，使DNA碱基对序列发生反应，以此实现数据运算。阿德勒曼在《科学》上公布了DNA计算机的理论，引起了各国学者的广泛关注。

在过去的半个世纪里，计算机的意义几乎完全等同于物理芯片。然而，阿德勒曼提出的DNA计算机拓宽了人们对计算现象的理解，从此，计算不再只是简单的物理性质的加减操作，而又增添了化学性质的切割、复制、粘贴、插入和删除等种种方式。

DNA计算机的最大优点在于其惊人的存贮容量和运算速度：1立方厘米的DNA存储的信息比1万亿张光盘存储的还多；十几个小时的DNA计算，就相当于所有电脑问世以来的总运算量。更重要的是，它的能耗非常低，只有电子计算机的一百亿分之一。

不过，与传统的“看得见、摸得着，并有着精致外型的硅电子计算机不同，目前的DNA计算机都还是躺在试管里的液体。科学家预计，10到20年后，DNA计算机将进入实用阶段。当然，也有不少科学家对此提出质疑。毕竟，要想看清可能对未来产生重大影响的技术的前途，9年的时间实在太短！

量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，利用原子的量子特性进行信息处理。由于原子具有在同一时间处于两个不同位置的奇妙特性，即处于量子位的原子既可以代表0或1，也能同时代表0和1以及0和1之间的中间值，故无论从数据存储还是处理的角度，量子位的能力都是晶体管电子位的两倍。对此，有人曾经作过这样一个比喻：假设一只老鼠准备绕过一只猫，根据经典物理学理论，它要么从左边过，要么从右边过，而根据量子理论，它却可以同时从猫的左边和右边绕过。

量子计算机与传统计算机在外形上有较大差异：它没有传统计算机的盒式外壳，看起来像是一个被其他物质包围的巨大磁场；它不能利用硬盘实现信息的长期存储……但高效的运算能力使量子计算机具有广阔的应用前景，这使得众多国家和科技实体乐此不疲。尽管目前量子计算机的研究仍处于实验室阶段，但不可否认，终有一天它会取代传统计算机进入寻常百姓家。

显然，以上这些新思想和新设计都还不够完美，而且，即使有了工作样机，离真正的商业化应用也还有相当差距，根本无法与硅电子计算机的便利性与有效性相比。但是，谁又能保证，我们未来的生活不会因为它们而发生翻天覆地的变化？