其他新型计算机

第四节　其他新型计算机

一、纳米计算机

纳米计算机指将纳米技术运用于计算机领域而研制出的一种新型计算机。目前计算机使用的硅芯片不久将到达其物理极限，到时体积将无法再小，通电和断电的频率也无法再提高，性能也将越来越不稳定。科学家认为，解决这个问题的途径是研制纳米晶体管，并用这种纳米晶体管来制造纳米计算机。他们估计纳米计算机的运算速度将是现在的硅芯片计算机的1.5万倍，耗费的能量也要减少很多。而且，采用纳米技术生产芯片成本很低，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合在一起，就可以造出芯片。

长期以来，科学家一直在研究以不同的原理实现纳米计算机，目前提出了4种不同的工作机制，它们有可能发展成为未来纳米计算机技术的基础。这4种工作机制是：电子式纳米计算、基于生物化学的纳米计算、机械式纳米计算、量子波相干计算。

二、光计算机

光计算机是一种用光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。它由激光器、反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，靠激光束进入由反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替电运算。光的并行、高速，天然地决定了光计算机的并行处理能力很强，具有超高运算速度。光计算机还具有与人脑相似的容错性，系统中某一元件损坏或出错时，并不影响最终的计算结果。光子在光介质中传输所造成的信息畸变和失真极小，光传输、转换时能量消耗和发热量极低，对环境条件的要求比电子计算机低得多。

与电子计算机相比，光计算机具有超大规模的信息存储容量。光计算机具有极为理想的光辐射源——激光器，光子的传导是可以不需要导线的。而且即使在相交的情况下，光子之间也不会产生丝毫的影响。光计算机无导线传递信息的平行通道，其密度实际上是无限的，一个5分硬币大小的透镜，它的信息通过能力竟是全世界现有电话电缆通道的许多倍。在光计算机中，输送信息的是光子，运动速度为光速（每秒30万千米），要比电子运动速度快得多。

光计算机研究

1986年，美国贝尔实验室的米勒发明了一种用砷化镓制成的光学开关。当然，这种开关不是我们日常使用的机械式扳动开关或揿钮式开关，这种开关实质上是用光脉冲来控制仪器工作或休息的装置。这种光学开关为光处理器的研制提供了必要的元件。

1990年1月29日，美国贝尔实验室以美籍华裔科学家黄庚珏为首的小组，在米勒光学开关的基础上，研制成功了光计算机，这种计算机利用激光光束而非电波进行数据计算和资料处理，它的速度比当时最先进的超级电子计算机还要快1000多倍。

三、超导计算机

超导计算机是利用超导技术生产的计算机及其部件，其性能是目前电子计算机无法比拟的。目前制成的超导开关器件的开关时间，已达到几皮秒的高水平。这是当今所有电子、半导体、光电器件都达不到的。超导计算机运算速度将比现在的电子计算机快100倍，而电能消耗仅是电子计算机的1/1000。

四、分子计算机

分子计算机是利用分子计算的能力进行信息处理的设备。分子计算机的运行靠的是分子晶体可以吸收以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行信息的组织排列。凭借着分子纳米级的尺寸，分子计算机的体积将很小。此外，分子计算机耗电也很低，并能长期存储大量数据。

五、DNA计算机

DNA分子是大自然经历几十亿年进化的产物，它是遗传信息的载体，既高效又稳定，而且随着时间、空间的变化相应地控制着生命过程。这种独特的生物大分子应当进一步发挥其信息处理的能力，成为一种最先进的信息技术。

DNA计算机就利用了DNA分子的信息处理能力，它通过控制DNA分子间的生化反应来完成运算。运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质相互作用的过程。20世纪70年代，人们发现DNA处于不同状态时可以代表信息的有或无。DNA分子中的遗传密码相当于存储的数据，DNA分子间通过生化反应，从一种基因代码转变为另一种基因代码。反应前的基因代码相当于输入数据，反应后的基因代码相当于输出数据。只要能控制这一反应过程，就可以制成DNA计算机。

DNA计算机以由蛋白质分子构成的生物芯片作为集成电路。蛋白质分子比电子元件小很多，而且生物芯片本身具有天然独特的立体化结构，其密度要比平面型的硅集成电路高5个数量级。生物芯片本身还具有并行处理的功能，其运算速度要比当今电子计算机快10万倍。生物芯片一旦出现故障，可以进行自我修复，具有自愈能力。DNA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，植入人体的DNA计算机就可直接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，成为帮助人类学习、思考的最理想的伙伴。

美国计算机科学家艾德曼已成功研制出一台DNA计算机，外形像普通小盒子。它有非常薄的玻璃外壳，里面装着肉眼看不见的多层蛋白质，蛋白质间由复杂的晶格联结。这种精巧的蛋白质晶格里是一些生物分子，也就是DNA计算机的“集成电路”。

DNA计算机

DNA计算机特别适合求解普通计算机极难解决的某些问题，例如推销员行走路线问题等。但要使DNA计算机实用化，要克服的困难还很多，例如怎么将DNA计算系统与常规接口连接通信的问题、DNA碱基配对错误导致计算错误高发的问题等。

六、模糊计算机

日常生活中常碰到诸如天气怎么样啦、近来有何打算、身体可好啊这一类发问。与准确的数字式提问相比，它们均是非确切性问题，这在数学上叫做模糊性问题。同样，由模糊性陈述或判断所表示的概念叫做模糊性概念。虽然有很多事情是清晰而精确的，但更多事情却是模糊的。错综复杂的事情使系统很难作出精确描述，对系统起作用的因素有许多，倘若我们抓住了其中的主导因素，便会忽略次要的，这在数学上很容易使概念由精确变得模糊；反过来，如果把次要的当成主要的，则会使概念更加模糊。要解决这种模糊性问题只能通过模糊推理才能得出结果，这种本领一直是人类大脑独具的。大多数现有的计算机和未来的新型计算机都没有解决模糊性问题的能力，只有模糊计算机才具备这种能力。

模糊计算机已应用于日本地铁

1956年，英国人查德创立了模糊信息理论。依照这一理论，判断问题不是以是、非两种绝对的值或0与1两种数值来表示，而是取许多值，如接近、几乎、差不多及差得远等模糊值来表示。用这种模糊的、不确切的判断进行工程处理的计算机就是模糊计算机，或称模糊电脑。模糊计算机是建立在模糊数学基础上的计算机。模糊计算机除具有一般计算机的功能外，还具有学习、思考、判断和对话的能力，可以立即辨识外界物体的形状和特征，甚至可帮助人从事复杂的脑力劳动。

1985年，第一个模糊逻辑片设计制造成功。它1秒钟内能进行8万次模糊逻辑推理。用模糊逻辑片和电路组合在一起，就能制成模糊计算机。

日本科学家已把模糊计算机应用在地铁管理上：日本东京以北320千米的仙台市的地铁列车，在模糊计算机控制下，自1986年以来，一直安全、平稳地行驶着。车上的乘客不必抓住拉手。因为在列车行进中，模糊逻辑“司机”判断行车情况的错误，几乎比人类司机要少70%。1990年，日本松下公司把模糊计算机装在洗衣机里，它能根据衣服的肮脏程度、衣服的质料调节洗衣程序。中国有些品牌的洗衣机也装上了模糊逻辑片。人们又把模糊计算机装在吸尘器里，它可以根据灰尘量以及地毯的厚实程度调整吸尘器功率。模糊计算机还能用于地震灾情判断、疾病医疗诊断、发酵工程控制、海空导航巡视等方面。

七、神经计算机

神经计算机，是模仿人大脑的判断能力和适应能力，并具有可并行处理多种数据功能的神经网络计算机。与以逻辑处理为主的计算机不同，它本身可以判断对象的性质与状态，并能采取相应的行动，而且它可同时并行处理实时变化的大量数据，并引出结论。以往的信息处理系统只能处理条理清晰、经络分明的数据。而人的大脑却具有能处理支离破碎、含糊不清信息的灵活性，神经计算机将像人脑一样具备智慧和灵活性。

神经计算机将像人脑一样具备智慧和灵活性

18世纪以来，人们更愿意把大脑比作一台精密仪器。大脑拥有100亿个以上的神经细胞，它们之间的连接可能会超过1000万亿个。这种复杂程度超出了人类目前的技术水平，以至于有人说：“如果人的大脑简单得能够让人理解，那么人一定会愚蠢到不能理解自己的大脑。”

这么说未免有些悲观。计算机现在已经以人类远远不能企及的速度和精确性，完成了原本属于人类思维领域的大量任务，从最复杂的计算到最逼真的模拟，甚至到“写诗”和“作曲”。

实践馆：

1．量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。谈到量子力学，这本名为《上帝掷骰子吗？》的书值得一读，书里是关于量子力学的故事，它将带你进行一次量子之旅。

2．密码术是一种为了使信息无法被外人理解，从而对信息进行加密的技术。量子密码术利用量子状态作为信息加密和解密的密钥。想要更多地了解密码术的发展历史，可去阅读《密码术的奥秘》，这是一本密码术入门的图书，可供数学爱好者和密码爱好者进行智力挑战。