计算机的未来展望 北京大学出版社 郭佑民 1994-10-07 然而，以往的传统计算机基本上都是电子计算机。实践证明，电子计算机由于多种因素的制约，其运算速度不可能无限制地提高，要想在电子计算机的基础上实现计算机的智能化几乎是不可能的。因此，科学家们不得不跳出传统的电子计算机的结构模式，去寻找新的途径，研制开发新型的计算机。本文介绍的就是在发达国家中目前正在研制开发中的几种新型计算机。 一、光计算机 光计算机又叫光学计算机。它是用光电集成电路(即由光学器件和电子器件相集成的新型器件，主要由激光器、光纤和开关等组成)代替传统的电子型集成电路制成的计算机。它的工作原理不是利用电子，而是利用光子束处理信息和存储程序。由于光速大于电子传输速度，所以其运算速度可以大为提高；又由于光计算机采用并行传输原理，故其传输的信息量也大大提高；此外，由于光空间传输的平行性好，所以光计算机中不需要布线，这既简化了工艺，又避免了在电子计算机中由于相邻布线之间存在的电磁干扰。在技术上，光计算机可以看作是数字系统和模拟系统的综合体。 总之，光计算机的运算速度可以远大于电子计算机。据科学家估算，其处理信号的能力将是电子计算机的成千上万倍。这种计算机可以具有人脑样的联想能力及自学能力。这种复杂多变的联想能力是电子计算机无法实现的；而这正是光计算机施展本领的机会。今后，光计算机的应用主要包括语音和图像的识别，交换大量的电话信号，以及通常的工作量极大的计算工作。据说，它对于破译现在无法破译的代码和设计超级核武器，也将起到重要作用。 另据最近报道，美国的科罗拉多大学的科学家最近已研制出了世界上第一台光计算机。尽管当前它的体积还较大，运算能力还不够理想，但它的全部原理却是采用的光存贮处理指令和信息，使光计算机真正从设计变成了产品；可以看作是计算机发展史上的又一次飞跃。 研制这种计算机的科学家们称，他们利用现代科学技术，不久的将来可以使这种光计算机缩小到人的手掌大小，运算速度也可相应地提高400倍，比世界上现在运算速度最快的电子计算机还要快数百倍，届时光计算机就可以发挥其智能化的“光脑”作用了。 二、神经元计算机 神经元计算机是一种仿真人脑神经网原理的一种新型计算机。生物学家研究表明，人脑之所以能在瞬间完成学习、逻辑推理等复杂的信息处理，是因为人脑和担任信息处理基本要素的神经细胞以并行方式传输信息的原故。而传统的电子计算机则采用逐次处理信息的方式，所以信息处理速度慢，难以实现仿人脑的功能。正是基于这种机理，神经元计算机的设计方案则设想利用多个处理器并行连接方式，来加速计算机的信息处理能力，使之接近于人脑的功能。实践证明，这种设想是可行的。 在神经元计算机的研究和开发方面，日本是处于领先地位的。日本自从1987年6月召开了第一届IEEE神经网络会议以来，一直在围绕神经网络和模糊逻辑方面进行积极的研究工作。1988年5月，日本通产省公布，从1989年4月开始实施为期9年的神经元计算机计划。该计划将开发神经网络系统、大型并行处理技术、语言翻译等，试图模仿人脑和神经系统来开发神经网络系统。该系统能处理不完整的图形和模糊信息，并具有推理和学习功能。该计划分五个阶段进行，即大型优质程序、算法、神经网络装置、试验性神经系统和实际应用。据报道，日本目前已经取得了可喜的成果。例如日本三菱电机公司中央研究所试制成功的光神经元神经芯片，集成了32个神经元细胞，可作为未来光神经元计算机中信息处理的基本要素。在此基础上，该公司还将开发大规模神经元芯片和话音识别神经元芯片。又如，日立公司已推出的神经元芯片集成了576个神经元。利用8块这样的神经元芯片制成了小型化神经元个人计算机。该公司已开发成功的通用神经元计算机，每秒最多可做学习动作23亿次，成为世界之最。此外，日本的NEC公司研制成功的第一台被命名的NEURO-07的计算机是仿照人脑设计的，其最突出的特点就是学习功能。如果将某个印刷符重复20次，则该机就能识别这个印刷符号。 三、四维计算机 四维计算机是指具有人的直观能力和图像识别能力的新型信息处理机。这里“四维”的意义在于，我们生活的世界是三维的，即上下、左右、前后。而在这一世界上出现的复杂现象往往是需要一定的“时间”才能解决的。正是从这个意义上说可以叫做“四维”。由于这个名称不甚科学，所以日本(它首先提出)在对外交往时多使用“现实世界信息技术”的说法，或者叫做“柔软的信息处理”。研制这种计算机的计划叫做四维计算机计划，它是日本研制第五代计算机计划的后续内容，从1992年7月份开始执行。预计10年完成。准备头五年建立基础技术，并进行中间评价：后五年将建立新的计算机概念。现在这个计划的正式名称定为“新信息处理技术开发计划”，已经变成了国际共同研究的项目。它的具体研究课题现已确定，主要包括超并行处理机的设计，处理光信号的信息处理无件的设计和试制，利用不完整的信息进行“直观”解答的计算机基础理论研究等共37个课题。今后的研究工作将以新信息处理开发机构(RWCP)为中心进行。参加这项工作的研究人员将集中到RWCP的筑波研究中心，除进行1.6万个运算装置的超并行计算机设计外，还进行综合处理图像和声音等不同信息系统的设计。筑波研究中心负责“ 信息综合对话系统”、“超并行计算模型”等5个课题的研究。实现新计算机所必需的光元件等的研究则由各公司分别进行。此外，还有部分的分散研究课题，如具有学习功能的机器人的应用、遗传算法、适用于超并行处理的程序、光信号和电气信号的过渡处理方法及元件等。总之，四维计算机的研制成功必将使计算机的智能化程度有一个大的飞跃；它将会成为一种真正接近人的“灵活的信息处理系统”。 四、生物计算机 生物计算机是用有机材料制成的计算机，故也称为有机计算机。由于人脑是由有机材料构成的，所以，它是更趋近于模拟人脑结构和功能的计算机。 生物计算机与传统的电子计算机的主要区别是它不用电，而是依靠遗传工程的方法，用超功能的生物化学反应模拟人脑的功能，以转化处理大量的复杂信息。生物计算机的关键部件是生物芯片，它的体积只有零点几个立方毫米，一个存储点只有一个分子大小，而其记忆能力则可达电子计算机的10亿倍。 生物芯片是由蛋白质和其他有机物质的分子组成的。在生物界大约存在着一百亿种不同的蛋白质；但真正满足生物芯片制作要求的蛋白质材料则不多。因此，科学家们除了直接利用自然界提供的不同类型的蛋白质来制作生物芯片外，还在研究适合于生物计算机装配所需要的新型人工合成蛋白质。据报道，80年代以来，主要是美国在这方面已有了极大的进展，分子生物学家和有机化学家共同研究合成了几种人造蛋白质；它们在导电性能方面有导体和半导体的作用，因而被称作生物导体和生物半导体。科学家们可以利用它们制造开关转换器、存储器等元件，以此组成生物芯片。 生物计算机的主要特点：1.它的工作速度极快，其开关时间可达10×10-12秒，因而具有高速处理信息的能力，为计算机的智能化提供了可能性。2.体积小型化：由于血红蛋白分子比硅芯片上的电子元件小得多，所以用它制成的芯片每平方毫米可以装上十亿多个门电路；每立方毫米可含有一百亿个门电路的立体生物芯片可以实现，因而生物芯片具有超高密度，这就为计算机的小型化提供了可能。3.具有自愈能力：因为生物芯片一旦出现故障，可以进行自我修复。4.由于生物计算机具有生物活性，能够和人体的组织有机地结合起来，尤其是能够与大脑和神经系统相连。这样，生物计算机就可直接受大脑的综合指挥，成为人脑的辅助装置或扩充部分；并能由人体细胞吸收营养补充能量，因而不需要外界能源。这既节约了能源。使用也十分方便。5.由于一个蛋白质分子就可作为一个存储单元，而且蛋白质分子的阻抗低、能耗小，所以生物计算机也能较好地解决散热问题。 总之，生物计算机是人类更为理想的一种智能化机器，它的研制成功将有赖于生物、化学、计算机技术等多学科的发展。从当前科学技术的总体发展来看，生物计算机的研制成功也并非遥远的事情。(北京大学出版社 郭佑民)