未來計算機(jī)技術(shù)展望

1、前言

計算機(jī)的發(fā)展將趨向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化多媒體化和智能化。自從1944年世界上第一臺電子計算機(jī)誕生以來，計算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)計算機(jī)的性能受到挑戰(zhàn)，開始從基本原理上尋找計算機(jī)發(fā)展的突破口，新型計算機(jī)的研發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。未來量子、光子、分子和納米計算機(jī)將具有感知、思考、判斷、學(xué)習(xí)以及一定的自然語言能力，使計算機(jī)進(jìn)人人工智能時代。這種新型計算機(jī)將推動新一輪計算技術(shù)革命，對人類社會的發(fā)展產(chǎn) 生深遠(yuǎn)的影響。

2、未來計算機(jī)的發(fā)展方向

2.1．未來計算機(jī)將向巨型化方向發(fā)展

首先，未來計算機(jī)將向巨型化方向發(fā)展。那么，什么叫做巨型化呢？巨型化的計算機(jī)在未來有什么用處呢？

所謂的巨型機(jī)是一種高速度，高精度，內(nèi)存容量大和功能強(qiáng)的計算機(jī)，其運(yùn)行速度一般在每秒一億次以上，現(xiàn)在人們已經(jīng)研制出來每秒運(yùn)行速度達(dá)上百億次的巨型計算機(jī)，這類的計算機(jī)主要用于核工業(yè)，航天，軍事等尖端科技領(lǐng)域，是一個國家計算機(jī)技術(shù)水平和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的標(biāo)志。

目前，能夠擁有并制造機(jī)型計算機(jī)的國家不多，我國在這方面處于世界領(lǐng)先地位。2017年6月17日，在德國萊比錫開幕的2017年國際超級計算機(jī)大會上，TOP500組織公布了最新全球超級計算機(jī)500強(qiáng)排行榜榜單，中國國防科技大學(xué)研制的天河二號超級計算機(jī)，以每秒33.86千萬億次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度奪得頭籌，中國“天河二號”成為全球最快超級計算機(jī)。

2.2．微型化將是未來計算機(jī)的又一特點(diǎn)

上海第二工業(yè)大學(xué)本科期末設(shè)計(論文)

20世紀(jì)70年代以來，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，微型計算機(jī)迅速發(fā)展起來。微型計算機(jī)具有體積小，價格便宜，功能強(qiáng)等特點(diǎn)，并且具有豐富的應(yīng)用軟件和外部設(shè)備，尤其是在未來多媒體技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展中，微型計算機(jī)將更加普及。

2.3．網(wǎng)絡(luò)化是計算機(jī)發(fā)展的主導(dǎo)方向

使用現(xiàn)代通信和計算機(jī)技術(shù)，可以將分布在不同地點(diǎn)的計算機(jī)互聯(lián)起來，組成一個規(guī)模大，功能強(qiáng)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)軟件，硬 件，數(shù)據(jù)資源的共享和網(wǎng)絡(luò)通信，提高了計算機(jī)系統(tǒng)的效率，因而計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和普及非常迅速，因特網(wǎng)的迅速發(fā)展，縮小了世界，縮短了人們之間的距離，使 得人們可以方便的使用網(wǎng)上遍及各個領(lǐng)域的豐富的'信息資源。

2.4．多媒體化將會使人機(jī)之間關(guān)系更加親近友好：

隨著計算機(jī)，微電子通信，數(shù)字化聲緣技術(shù)的飛速發(fā)展，多媒體技術(shù)日趨成熟，并投入了實際的應(yīng)用，并已成為電子計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢，它通過計算機(jī)將各種媒體以數(shù)字形式出現(xiàn)，大大的增加了信息來源，使人和計算機(jī)之間的關(guān)系更加親近友好，從而拓展計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.5.未來真正的“電腦”智能化是必不可少的：

智能化是使計算機(jī)具有人的感覺和思維推理能力，成為真正的“電腦”。其主要內(nèi)容有：圖形的識別，自然語言的生成與理解，專家系統(tǒng)，只能機(jī)器 人，自動程序設(shè)計，自動定理證明和問題求解等。目前，能識別單詞，分析語言的語言翻譯系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)。某些有識別聲音，辨別理解人的表情和手勢等功能的計算 機(jī)也已經(jīng)研制出現(xiàn)。

3、新型高性能計算機(jī)問世

硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時，也意味看硅技術(shù)越來越接近其物理極限。為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發(fā)新型計算機(jī)，計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)都將產(chǎn) 生一次量與質(zhì)的飛躍。新型的量子計算機(jī)、光子計算機(jī)、分子計算機(jī)、納米計算機(jī)等，將會在二十一世紀(jì)走進(jìn)我們的生活，遍布各個領(lǐng)域。

3.1.量子計算機(jī)

量子計算機(jī)的概念源于對可逆計算機(jī)的研究，量子計算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn) 行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用 激光脈沖來改變分子的狀態(tài).使信息沿著聚合物移動.從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲。由于量子疊加效應(yīng)，一個量子位可以是0或1，也可以既 存儲0又存儲1。因此，一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲位，量子計算機(jī)的存儲量比通常計算機(jī)大許多。同時量子計算機(jī)能夠?qū)?2

行量子并行計算，其 運(yùn)算速度可能比目前計算機(jī)的Pentium DI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計算機(jī)還將對現(xiàn)有的保密體系、國家安全意識產(chǎn)生重大的沖擊。

無論是量子并行計算 還是量子模擬計算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作 用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯、避錯和防錯等。量子計算機(jī)使計算的概念煥然一新。

3.2.光子計算機(jī)

光子計算機(jī)是利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳翰和存儲。光子計算機(jī)即全光數(shù)字計算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計算機(jī)中的電子 硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。在光子計算機(jī)中，不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對復(fù)雜度高、計算量大的任務(wù)實現(xiàn)快速地并行處理。光子計算機(jī)將使運(yùn)算速度在目 前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

3.3.分子計算機(jī)

分子計算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算快、存儲 量大。分子計算機(jī)的運(yùn)行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。分子計算機(jī)的運(yùn)算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的 相互作用過程。轉(zhuǎn)換開關(guān)為酶，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來。生物分子組成的計算機(jī)具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機(jī)體 中運(yùn)行，并能以其它分子形式與外部環(huán)境交換。因此它將在醫(yī)療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發(fā)揮無法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、 自動機(jī)模型、仿生算法、分子化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類型。分子芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高，分子計算機(jī)完成一項運(yùn)算，所需的時間僅為10 微微秒，比人的思維速度快100萬倍。分子計算機(jī)具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲1萬億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計算機(jī)消耗的能量非常小，只 有電子計算機(jī)的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。美國已研制出分子計算機(jī)分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。以色列科學(xué)家已經(jīng)研制出一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型分子計算機(jī)。預(yù)計20年后，分子計算機(jī)將進(jìn)人實用階段。

3.4.納米計算機(jī)

納米計算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計算機(jī)。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅固，有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計算機(jī)。“納米”是一個計量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初迅速發(fā)展起 來的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。現(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子機(jī)械系統(tǒng)

起步，把傳感器、電動 機(jī)和各種處理器都放在一個硅芯片上而構(gòu)成一個系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米 計算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計算機(jī)強(qiáng)大許多倍。美國正在研制一種連接納米管的方法，用這種方法連接的納米管可用作芯片元件， 發(fā)揮電子開關(guān)、放大和晶體管的功能。專家預(yù)測，10年后納米技術(shù)將會走出實驗室，成為科技應(yīng)用的一部分。納米計算機(jī)體積小、造價低、存量大、性能好，將逐 漸取代芯片計算機(jī)，推動計算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。

4、結(jié)語

我們相信，新型計算機(jī)與相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，是二十一世紀(jì)科技領(lǐng)域的重大創(chuàng)新，必將推進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)社會高速發(fā)展，實現(xiàn)人類發(fā)展史上的重大突破。科學(xué)在發(fā)展，人類在進(jìn)步，歷史上的新生事物都要經(jīng)過一個從無到有的艱難歷程，隨著一代又一代科學(xué)家們的不斷努力，未來的計算機(jī)一定會是更加方便人們的工作、學(xué)習(xí)、生活的好伴侶。

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總結(jié)

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