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第15章

当你按暂停、向前、向后快速倒带时,信号通过电话中转站中你的线卡返回到信息库,这样,信息库根据用户的要求进行相应的操作,十分方便。

可见,未来的家庭影院,将极大地方便观众。

摩尔法则是否还有用

从1950年到现在,计算机运算能力的增长超过了10亿倍!是什么力量推动计算机以如此惊人的速度发展的呢?科学家悄悄地告诉我们:答案就是摩尔法则。

在计算机世界,有一个公认的规律:今天所买的电脑,明天就会过时。然而,对我们这些门外汉来说,“过时”只是因为电脑又贬值了,又有新型号出来了。但实际上,事情并没有这么简单。

中央处理器里的芯片,正在不断地增强它的功能,而与此同时,它的体积却在不断缩小。早在1965年,后来成为英特尔公司创始人之一的戈登·摩尔就预言:在1975年以前,芯片上的晶体管(即传输电子信号的电路)数量每,18个月左右就会增加1倍。这意味着,计算机的运算能力将以非常快的速度增长。

到2002年的今天,计算机的发展已经远远超过了摩尔预言的期限。技术专家根据摩尔法则揭示的秘密,不断地扩展芯片的功能,以满足人们日益增长的需求。但是,专家们都清楚地感觉到,已经有一个界限在一步一步的逼近。为了让“摩尔法则”的期限再延长10年或更多的时间,各地的计算机工程师们都在努力工作。这对计算机用户来说当然是好事,但对芯片制造商们来说,则意味着从未有过的艰巨挑战。

芯片打算怎么办

按照摩尔法则,10年后的电脑芯片每秒钟能完成10000亿次运算。但如果继续沿用现在的设计技术制造这样的电脑芯片,它散发的热量将不亚于一座核电厂。而我们知道,电脑必须有良好的散热装置,否则就会经常死机,严重的还会把电脑烧坏。在“核电厂”这样的环境中,怎么可能使用电脑呢?因此,在获得高速度的同时,如何限制芯片的功率,就成为第一堵横在路上的墙。

把电脑芯片的功率限定在一个额定单位里,绝不是件容易的事情。因为晶体管的体积极其微小,要想同时实现高速度和低功率,就要降低功率,就必须进行技术创新。现在,科学家已经研究出了一些比较有效的方法。由此可见,这个问题似乎还不是最难应付的。

对芯片设计人员来说,最主要的问题,还是如何缩小芯片的体积。摩尔法则之所以成立,主要是因为随着技术的进步,晶体管的体积在不断缩小,这样便可以在一枚硅片上集成更多数量的晶体管,提高信息传递的速度,计算机的工作能力也就由此增强了。

但是,晶体管数量的增加,意味着硅片空间的缩小和热量的增加。设计工作也因此变得日益复杂起来。目前的情况,已经像要往一个针尖上塞进越来越多的人——样困难。这些矛盾该如何解决呢?

开发新的计算机

越来越多的专家认识到,试图在传统计算机的基础上,大幅度提高计算机的性能,永远都是一个空想。只有一切重新开始,才可能找到计算机发展的突破口。很多专家都在探讨,如何利用生物芯片、神经网络芯片等全新技术,促进计算机的再次飞跃。但也有很多专家把目光投向了最基本的物理原理上,他们认为以光子、量子和分子计算机为代表的新技术,将推动新一轮的超级计算技术革命。

分子计算机

分子计算机之所以成为可能,靠的是当信息变成正负电荷存在时,分子晶体可以充分的吸收它们,并且以更有效的方式组织和排列这些电荷,实现对信息的高效处理。而且随着纳米技术的发展,分子计算机的体积将剧减到令人难以置信的程度。

此外,消耗在分子计算机上的电能也将大大减少,但这并不影响它长期存储大量数据的能力。

美国加州大学和惠普公司的联合研究小组,曾在英国《科学》杂志上发表文章,称他们能通过特殊技术,制作出分子“逻辑门”这种分子电路的基础元件。美国橡树岭国家实验所的研究人员,则采用另一种方式制造出了“逻辑门”。他们把菠菜中的一种微小蛋白质分子提取出来,使之附着于金箔表面,并严格控制了分子排列的方向。.实验结果表明,这种蛋白质分子可以在非常短的时间内产生感应电流,也就是说,由它制成的电路可以在很短的时间内开关“逻辑门”,让大量的信息通过。

2001年9月,IBM的科学家第一次在一个单分子内,建成了计算机逻辑电路。这将最终促使更小、更快、更低能牦的新型计算机问世。当我们一直采用的硅芯片技术在未来10到15五年内达到极限,不可能再缩小时,这个接班人会代替它再好好干下去。

光子计算机

光子计算机是用光子取代电子,进行数据的运算、传输和存储的新型计算机。‘在这类计算机中,不同的数据由不同波长的光来表示。这种方法,远胜于电子计算机利用电子“0”和“1”的状态变化通过进行二进制运算来处理信息。因此,出现复杂度高、计算量大的任务时,光子计算机能够实现快速的并行处理,效率大大超过了电子计算机。据科学家估计,光子计算机将使运算速度呈指数倍地上升。

然而,要想制造真正的光子计算机,需要开发出一种光学晶体管作为基础元件。有了光学晶体管,就可以用一束光波控制另一束光波,从而达到控制光子移动的最终目的。从理论上说,科学家们可以设计出这样的装置,但是它需要的温度等条件太苛刻了,很难进入实用阶段。

最近,美国的贝尔实验室宣布,它已经研制出了世界上第一台光学计算机,运算速度高达每秒10亿次。尽管这台计算机与理论上的光学计算机还有一定距离,但已显示出强大的生命力。

量子计算机

把量子力学和计算机结合起来的可能性,是在1982年由美国着名物理学家理查德·费因曼首次发现的。不久之后,英国牛津大学的物理学家戴维·多伊奇,于1985年初步阐述了量子计算机的概念,并指出,量子并行处理技术会大大提高传统计算机的功能。

量子计算机最根本的优势在于,它是利用比分子更小的原子,作为最基本的数据单位来进行运算。美国、英国和以色列等国家,都先后开展了有关量子计算机的基础研究。

虽然分子、光子和量子计算机的研究才刚刚起步,它们究竟具有什么样的功能也并不清楚,但科学家们却都充满信心,各国政府也非常支持他们的科研工作。在全世界的关注和支持下,这几种新型计算机都将在未来一二十年内,取得突破性进展,并以独特的形象与我们见面。

纳米计算机初露锋芒

1990年7月,第一届“国际纳米科学技术学术会议”在美国召开了,从此,纳米技术作为一门科学,受到了人类的重视。全世界的科学家都被纳米的“魔力”征服,纷纷投入到这股新兴的研究热潮中。

在很多科幻作家的笔下,纳米材料都被用来生产武器,建造楼房。但在现实当中,人们要实现这样的理想,还需要数十年的努力。不过,总是产生奇迹的计算机领域,这次的表现又与众不同。应用纳米技术研制新型计算机,已经呈现出一丝鼓舞人心的曙光。

美国惠普实验室的科研人员正在应用纳米技术,研制计算机内存上的芯片。这块芯片的体积不过数百个原子的大小,相当于人的头发丝直径的千分之一。一旦他们的研究获得成功,研制和生产其他缩微计算机元件就有了更大的可能性,可穿戴式电脑也会因此取得重大突破。

专家们预测:在今后10年内,现在的芯片生产技术将达到极限,但人们并不需要为此担心。因为和分子计算机、量子计算机、光子计算机一样,纳米技术也为21世纪计算机的发展,指明了新的发展方向。

与现在的芯片制造技术相比,采用纳米技术生产芯片,成本可谓十分低廉。因为它既不需要建设超洁净生产车间,也不需要昂贵的实验设备和庞大的生产队伍,只要在实验室里将设计好的分子“混合”在一起,就可以造出芯片。芯片制造商将因此节省数百万美元的生产成本。而芯片的价格也将随之急剧下降。这样,即使是未来的日用电子设备,甚至玩具,也都能够装配上功能强大的纳米微处理器。

科学家们对自己的研究项目信心十足。他们相信只要各方面密切配合,一定能在今后的两年之内,研制出能够容纳16个字节(相当于16个英文字母)数据的分子内存芯片。在这种内存芯片上,将布满纳米级的导线。每两个导线相交的节点,就是一个分子“开关”。这些开关将决定芯片中的信息存储量,并影响通信线路的速度。

研究量子电脑并不容易

大约到2030年,每个人桌上的电脑主机不会再使用芯片与半导体,而是充满液体。而这正是新一代量子电脑的奇特造型。

也许你已经知道,量子电脑应用的不再是现实世界里的物理定律,而是玄妙的量子原理。它的运算速度可能比目前个人电脑的奔腾Ⅲ芯片快10亿倍,可以在二瞬间搜寻整个国际网络,也可以轻易破解任何安全密码。而且,最重要的一点是,这一切绝非科幻小说。与传统电脑不同的是,量子电脑将以原子而非芯片进行运算。第一台量子电脑可能会是个粗糙、昂贵、只能用一次的科学实验品,但2001年以来的各种实验结果显示,这项科学理论的确管用。

美国麻省理工学院与英国牛津大学是量子电脑研究的先驱,IBM与惠普电脑公司也不落人后。对量子电脑的惊人性能感到担忧的美国政府,更是在洛斯阿拉莫斯国家实验室,不计成本地设立了量子电脑研究基地。

要让原子乖乖地为人类服务这个难题,无论是在理论上,坯是在实践上,都对科学家发出了严峻挑战。因为量子世界是个超乎常理的环境,我们可能永远也猜不出它的“谜底”。量子电脑也有很多匪夷所思的地方,它能够设想无限多个宇宙并列的场面,并由此“算出”可能出现的各种情况。而这意味着,不同的人在不同的时间,通过量子电脑计算得到的,很可能是不同的答案。

量子电脑专家班奈特说,量子电脑的基础,恰恰就是这些怪异的观念。因此,单是创造一个类似量子世界的环境,让原子照常进行计算并提供答案,就足以让科学家伤透脑筋。也许还要好几十年,量子电脑才会出现在我们的书桌上。

其实科学家早已注意到,原子是个天然的计算机。它会旋转,而且很有规律,方向不是朝上就是朝下,这正好与数字科技的“0”与“1”吻合。但原子有一个怪异的特性:一个原子,可以在同一时间向上并向下旋转,直到你用电子显微镜或其他工具测量它,才会迫使它选择一个固定方向。这既是原子的特异功能,也是量子电脑强大力量的来源。

既然原子可以同时向上并向下旋转,它就不能被视为单一的“位元”。科学家称之为“准位元”,就是出于这个原因。这意味着,如果把一群原子聚在一起,它们不会像今天的电脑那样,按照程序进行线性运算,而是同时进行所有可能的运算。这种运算方式的直接好处是计算机的运算速度成指数地加快了。

只要40个原子一起计算,其性能就相当于今天的一部超级电脑。举例来说,如果有一个包含全球电话号码的资料库,要从中寻找一个我们需要的特定号码,现在速度最快的超级电脑,大约要花一个月的时间才能完成任务,而一台量子电脑只需27分钟。

但是,答案那么多,速度那么快,我们怎么取回想要的计算结果呢?前面说过,对原子进行测量可以迫使它选择旋转方向,因此科学家只要测量这些“准位元”,就可以逼迫它们说出答案。

最近,麻省理工学院与mM公司的科学家,终于通过特定方式,做出了原始的量子电脑。虽然它看上去和一个烤面包机没有多大差别,但功能却比烤面包机高明多了。这个实验性质的量子电脑,具有两个“准位元”的计算能力。也就是说,它的威力等于两个原子同时进行运算。目前,科学家们正在朝三个“准位元”的目标努力。