1、计算机导论主 编 ： 丁跃潮第 10章 计算机前沿研究及发展趋势10.1新型计算机系统 10.2 计算理论发展 计算机科学与技术是科技领域最活跃、发展最快的科学，也是现代生产力中最活跃的部分。从电子产品的换代到软件和相关书刊的更新，从计算机的在日常事务中的作用到计算机在尖端科技的上的应用，无不体现出日新月异的景象。这些给世界带来了灿烂的文明 信息时代和网络经济，而计算机在经济和社会各领域的应用促进了计算机科学的发展，计算机的研究永无止境。210.1 新型计算机系统 现代计算机理论的奠基人是图灵，他提出了通用机的概念，描述了计算步骤的数学模型。美国数学家冯 诺伊曼提出计算机可以使用二进制，计算机
2、的指令和数据都可以存储在机内，这奠定了计算机软件的理论基础。在冯 诺伊曼的主持下， 1949年诞生了第一台存储程序的计算机，又称第一代机，这台计算机为后来的计算机发展奠定了基础。半个多世纪以来，虽然计算机的系统结构发生了翻天覆地的变化，电子学及其相关科学的发展，使计算机的总线、 CPU、存储器、外部设备都改进到了接近巅峰的状态，但仍然是在原来的系统结构框架之下，现有芯片制造方法将在未来 10多年内即 2020年左右达到极限。如果人们想要极大地扩展电子元件的能力，使之克服摩尔定律的限制，那么很可能需要在目前的计算设计上做根本改变，采用全新计算机系统结构。为此，世界各国研究人员正在加紧开发新型计算
3、机。随着生物学、物理学和化学的发展，多种新型计算机系统结构已见雏形。哪种结构类型将主导第六代计算机，尚待今后的研究成果确定。 310.1.1 生物计算机以生物界处理问题的方式为模型的计算机都属于生物计算机，而狭义的生物计算机主要是指利用生物化学反应算法或具有生物分子、超分子芯片的计算机。广义的生物计算机还包括自动机模型、仿生算法等类型。生物计算机目前主要有以下几类： (1) 生物分子或超分子芯片生物分子或超分子芯片立足于传统计算机模式，从寻找高效、体微的电子信息载体及信息传递体入手，目前已对生物体内的小分子、大分子、超分子生物芯片的结构与功能做了大量的研究与开发。生物分子计算机中的生物分子，在
4、电流的作用下同样可以产生 “开 ”和 “关 ”的两种状态 ,并能贮存、输出 “0”和 “1”这样的二进制信息。因此 ,可以像电子计算机一样进行运算和信息处理。组成生物计算机的蛋白质分子 ,直径只有头发丝的五千分之一，体积仅手指头粗细的一只生物计算机 , 其贮存信息的容量可以比现在的普通电子计算机大 1千万倍 。而且由于生物分子非常微小、彼此之间的距离又非常近 ,所以传递信息和计算速度非常快。 410.1.1 生物计算机 (续 1)(2) 自动机模型和仿生算法以自动理论为基础，致力与寻找新的计算机模式，特别是特殊用途的非数值计算机模式。目前研究的热点集中在基本生物现象的类比，如神经网络、免疫网络
5、、细胞自动机等。不同自动机的区别主要是网络内部连接的差异，其基本特征是集体计算，又称集体主义，在非数值计算、模拟、识别方面有极大的潜力。 以生物智能为基础，用仿生的观念致力于寻找新的算法模式，虽然类似于自动机思想，但立足点在算法上，不追求硬件上的变化。人工智能的 “结构模拟 ”学派 (或称为 “联结主义 ”学派 )对计算神经网络的研究取得了突出的成果，主张从结构方面模拟、延伸、扩展人的智能，用 “电脑”模拟 “人脑 ”神经系统的联结机制。神经网络就是由许多神经元互连在一起所组成的神经结构。把神经元之间相互作用的关系进行数学模型化就可以得到神经网络模型。目前应用较多的代表性模型有： M-P神经细
6、胞模型、 BP神经网络模型、 Hopfield神经网络模型。 510.1.1 生物计算机 (续 2)(3) 生物化学反应算法立足于可控的生物化学反应或反应系统，利用小容积内同类分子高拷贝数的优势，追求运算的高度并行化，从而提供运算的效率。 DNA计算机属于此类，将在下文介绍分子计算机时予以介绍。上海交通大学 2004年在试管中完成了 DNA计算机的雏形研制工作。由于生物具有自我修复功能，生物芯片一旦出现故障，不需要人工修理也可以进行自我修复。所以，生物计算机具有 “半永久性 ”和很高的可靠性。再者，生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件，它们是利用化学反应工作的，所以，只需要很少的能量
7、就可以工作了。因此，不会像电子计算机那样，工作一段时间后，机体会发热，而且它的电路间也没有信号干扰。除了 DNA计算外，生物计算还有另一个发展方向，即在半导体芯片上加入生物分子芯片，将硅基与碳基结合起来的混合技术。例如，硅片上长出排列特殊的神经元的 “生物芯片 ”已被生产出来。尽管这些生物计算实验离实用还很遥远。 610.1.2 光计算机 光计算机是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。这种传送方式称为自由空间光学技术。自由空间光学技术的原理非常简单。首先，将硅片内的电子脉冲转换为极细的闪烁光束， “接通 ”表
8、示 “1”， “断开 ”表示 “0”。然后，将数据流通过反射镜和棱镜网络投射到需要数据的地方。在接收端，透镜将每根光束聚焦到微型光电池上，由光电池将闪光重新转换成一系列电子脉冲。 光计算机有三大优势。一是光子的传播速度无与伦比，电子在导线中的运行速度与其相比就像蜗牛爬行那样，而采用硅光混合技术后，其传送速度就可达到每秒万亿字节。二是光子不像带电的电子那样相互作用，因此经过同样窄小的空间通道可以传送更多数据。三是光无须物理连接。如能将普通的透镜和激光器做得很小，足以装在微芯片的背面，那么明天的计算机就可以通过稀薄的空气传送信号了。710.1.3 量子计算机 量子计算机是利用原子所具有的量子特性进
9、行高速数学和逻辑运算、存储及处理的一种物理装置。量子计算机是一种全新概念的计算机，基于量子的相干性，因而它具有高度的并行计算能力。与经典计算机相比，量子计算机在存储容量、运算速度上都会有指数数量级的提高。因此，量子计算机的研究在国际上引起高度关注。如对一个129位数的因子分解，用 1600台超级计算机与互连网进行运算要花 8个多月才能破译，而用一台量子计算机几秒钟就轻易解决了。据介绍，具有 5000个量子位的量子计算机，可以在秒内解决传统超级计算机要亿年才能解决的大数因子分解问题。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，最小的信息单元是一个量子比特 (quantum bit)。量子
10、比特不只是开、关两种状态，而是以多种状态同时出现。处于量子状态的粒子能够进入 “超态 ”，即同时沿上、下两个方向自旋。这一状态可代表 1、 0以及中间的所有可能数值。 810.1.4 分子计算机 分子计算机用单个分子或单个电子代替硅晶体管，起到类似逻辑门和电子开关的作用，从而进行运算。近年来，分子级电子元件领域中取得了进展，该领域的出现有一个前提，即有可能制造出单个的分子，其功能与三极管、二极管及今天的微电路的其他重要部件完全相同或相似。化学家、物理学家和工程师已经在一系列出色的示范试验中显示：单个的分子能传导和转换电流，并存储信息。DNA计算机将是分子计算机发展的方向之一。 20世纪 70年
11、代，人们发现脱氧核糖核酸（ DNA）分子是一条双螺 “长链 ”，链上布满了 “珍珠 ”即核苷酸， DNA分子计算机就是用这些 “珍珠 ”的排列来表示各种信息。 DNA处于不同状态时可以代表信息的有或无。 DNA分子中的遗传密码相当于存储的数据， DNA分子间通过生化反应，从一种基因代码转变为另一种基因代码。反应前的基因代码相当于输入数据，反应后的基因代码相当于输出数据。如果能控制这一反应过程，那么就可以制作成功 DNA计算机。当计算机计算时，几种生物酶则充当加、减、乘、除。 DNA计算机通过生物化学反应得出计算的结果。 910.2 计算理论的发展 10.2.1 人工智能智能是个体有目的的行为，合理的思维，以及有效的、适应环境的综合能力。智能是个体认识客观事物和运用知识解决问题的能力。人工智能（ Artificial Intelligence）简称 AI。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能（ Human Intelligence）的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能是由多学科渗透产生的综合性边缘学科。人工智能的研究目标就是探讨智能的基本机理，研究如何利用各种自动机来模拟人的某些思维过程和智能行为，用机器来代替人的部分脑力劳动，包括用计算机进行复杂推理、自动求解某些复杂问题。 10
