自1946年第一臺(tái)電子傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)問世以來，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)在元件器件、硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件系統(tǒng)、應(yīng)用等方面，均有驚人進(jìn)步。現(xiàn)代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)小到微型傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和個(gè)人傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，大到巨型傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)，形態(tài)、特性多種多樣，已廣泛用于科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理和過程控制，日益深入社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)社會(huì)的進(jìn)步產(chǎn)生深刻影響。

　　【摘要】傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)經(jīng)過數(shù)十年突飛猛進(jìn)的發(fā)展技術(shù)日趨成熟，其局限性也日益凸顯，科學(xué)家們正著手研究發(fā)展新型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　【關(guān)鍵詞】傳統(tǒng)計(jì)算機(jī),發(fā)展,量子,納米,新型計(jì)算機(jī)

　　一、對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的認(rèn)識(shí)

　　傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是人類腦力的延伸和擴(kuò)充，是近代科學(xué)的重大成就之一。它按人的要求接收和存儲(chǔ)信息，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，并輸出結(jié)果信息。

　　1.系統(tǒng)組成

　　傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)：內(nèi)核是硬件系統(tǒng)，是進(jìn)行信息處理的實(shí)際物理裝置。最外層是使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的人，即用戶。人與硬件系統(tǒng)之間的接口界面是軟件系統(tǒng)，它大致可分為系統(tǒng)軟件、支援軟件和應(yīng)用軟件三層。

　　硬件硬件系統(tǒng)主要由中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出控制系統(tǒng)和各種外部設(shè)備組成。中央處理器是對(duì)信息進(jìn)行高速運(yùn)算處理的主要部件，其處理速度可達(dá)每秒幾億次以上操作。存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)和文件，常由快速的主存儲(chǔ)器（容量可達(dá)數(shù)百兆字節(jié)，甚至數(shù)G字節(jié)）和慢速海量輔助存儲(chǔ)器（容量可達(dá)數(shù)十G或數(shù)百G以上）組成。各種輸入輸出外部設(shè)備是人機(jī)間的信息轉(zhuǎn)換器，由輸入-輸出控制系統(tǒng)管理外部設(shè)備與主存儲(chǔ)器（中央處理器）之間的信息交換。

　　軟件系統(tǒng)的最內(nèi)層是系統(tǒng)軟件，它由操作系統(tǒng)、實(shí)用程序、編譯程序等組成。操作系統(tǒng)實(shí)施對(duì)各種軟硬件資源的管理控制。實(shí)用程序是為方便用戶所設(shè)，如文本編輯等。編譯程序的功能是把用戶用匯編語言或某種高級(jí)語言所編寫的程序，翻譯成機(jī)器可執(zhí)行的機(jī)器語言程序。支撐軟件有接口軟件、工具軟件、環(huán)境數(shù)據(jù)庫等，它能支持用機(jī)的環(huán)境，提供軟件研制工具。支援軟件也可認(rèn)為是系統(tǒng)軟件的一部分。應(yīng)用軟件是用戶按其需要自行編寫。

　　2.系統(tǒng)特點(diǎn)

　　傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)是能進(jìn)行精確、快速的計(jì)算和判斷，而且通用性好，使用容易，還能聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。①計(jì)算：一切復(fù)雜的計(jì)算，幾乎都可用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。②判斷：傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有判別不同情況、選擇作不同處理的能力，故可用于管理、控制、對(duì)抗、決策、推理等領(lǐng)域。③存儲(chǔ)：傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)能存儲(chǔ)巨量信息。④精確：只要字長足夠，計(jì)算精度理論上不受限制。⑤快速：傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)一次操作所需時(shí)間已小到以納秒計(jì)。⑥通用：傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是可編程的，不同程序可實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用。⑦易用：豐富的高性能軟件及智能化的人-機(jī)接口，大大方便了使用。⑧聯(lián)網(wǎng)：多個(gè)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能超越地理界限，借助通信網(wǎng)絡(luò)，共享遠(yuǎn)程信息與軟件資源。

　　3.系統(tǒng)局限

　　傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，它的心臟依賴的是硅芯片，但是一個(gè)芯片的面積總有限。如果繼續(xù)使用現(xiàn)在的芯片，15年以后，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展將走到盡頭。在由上海中國工程院院士中心召開的院士沙龍上，院士們曾預(yù)言，10-15年后將是傳統(tǒng)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)展的“死限”，院士呼吁我國應(yīng)加快研制新型計(jì)算機(jī)。

　　二、新型高性能計(jì)算機(jī)

　　硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，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(jì)算機(jī)，計(jì)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(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等，將會(huì)在二十一世紀(jì)走進(jìn)我們的生活，遍布各個(gè)領(lǐng)域。

　　1.量子計(jì)算機(jī)

　　量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究，量子計(jì)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(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)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(dòng)，從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)，由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是0或1，也可以既存儲(chǔ)0又存儲(chǔ)1。因此，一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲(chǔ)位，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量比通常計(jì)算機(jī)大許多。同時(shí)量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算，其運(yùn)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的PentiumDI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(jì)算機(jī)還將對(duì)現(xiàn)有的保密體系、國家安全意識(shí)產(chǎn)生重大的沖擊。

　　無論是量子并行計(jì)算還是量子模擬計(jì)算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)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(cuò)、避錯(cuò)和防錯(cuò)等。量子計(jì)算機(jī)使計(jì)算的概念煥然一新。

　　2.光子計(jì)算機(jī)

　　光子計(jì)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(chǔ)。光子計(jì)算機(jī)即全光數(shù)字計(jì)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(jì)算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速地并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

　　3.分子計(jì)算機(jī)

　　分子計(jì)算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算快、存儲(chǔ)量大。分子計(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)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(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算，所需的時(shí)間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。分子計(jì)算機(jī)具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲(chǔ)1萬億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計(jì)算機(jī)消耗的能量非常小，只有電子計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(jì)算機(jī)。預(yù)計(jì)20年后，分子計(jì)算機(jī)將進(jìn)人實(shí)用階段。

　　4.納米計(jì)算機(jī)

　　納米計(jì)算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅(jiān)固，有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計(jì)算機(jī)。“納米”是一個(gè)計(jì)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(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品�，F(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(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)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(jì)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(huì)走出實(shí)驗(yàn)室，成為科技應(yīng)用的一部分。納米計(jì)算機(jī)體積小、造價(jià)低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計(jì)算機(jī)，推動(dòng)計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。

　　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(gè)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，我們相信，新型計(jì)算機(jī)與相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，必將推進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，成為二十一世紀(jì)科技領(lǐng)域的重大創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)人類發(fā)展史上的重大突破。人類未來的生活必將在新型計(jì)算機(jī)的推動(dòng)下越來越奇妙，越來越優(yōu)越。

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