计算机前沿研究及发展趋势

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神经细胞模
型、BP神经网络模型、Hopfield神经网络模型。
4
10.1.1 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
计算机前沿研究及发展趋势
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。
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源自文库经元互
2
10.1.1 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。
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
✓10.1新型计算机系统 ✓10.2 计算理论发展
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。
10.1.1 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、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
6
10.1.3 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３０秒内解决传统超级计算机要１００亿 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。
生物分子计算机中的生物分子，在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。 3
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。
5
10.1.2 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。