纳米计算机

第十一节　纳米计算机

现代计算机所用的芯片是以半导体硅为基本材质构成的大规模集成电路。商品化大规模集成电路上元器件的尺寸约在0.35微米（即350纳米），称为微（米）电子器件。

按照著名的“摩尔定律”，随着电路板蚀刻精度越来越高，中央处理器芯片上集成的晶体管器件越来越密，而现有芯片制造方法将在未来的多年内达到极限，无法突破到分子以下的尺度。而纳米技术的应用将使计算机突破这一极限。

四种不同原理的纳米计算机

长期以来，科学家们一直在研究以不同的原理实现纳米级计算，目前提出了四种不同的工作机制，它们有可能发展成为未来纳米计算机技术的基础。这四种工作机制是：电子式纳米计算技术，基于生物化学物质与基于DNA的纳米计算机，机械式纳米计算机，量子计算机。

1.电子式纳米计算技术。

像硅微电子计算技术一样，电于式纳米计算技术仍然是利用电子的运动来对信息进行处理。所不同的是，前者利用固体材料的整体特性，大量的电子参与工作所呈现的统计平均规律；而后者利用的是在一个很小的空间（纳米尺度）内，有限电子运动所表现出来的量子效应，如隧道效应，或称隧道穿透（隧穿）现象。

纳米电子数字计算机要求有纳米级的二态器件，即具有开和关（是和非）或“1”和“0”两种状态的纳米开关或纳米晶体管。它们用来记录和处理纳米尺度下的二进制数字（1和0）。为此，科学家们已经实验研制和理论探讨了几种纳米级二态器件和纳米晶体管，包括单电子晶体管，量子点，共振隧穿器件，微米纳米电子混合器件等。

另一种新颖的制造纳米电子器件的方式是利用分子来制造电子电路元件。分子级器件已被连接成逻辑电路，此成果被美国《科学》杂志评为2001年十大科技突破之一。

2.基于生化物质与基于DNA的纳米计算机。

科学家们将自然界中一些生化物质进行改造，用于某些计算过程。典型的例子有Adelman的基于DNA的计算及Birge的基于菌视紫质的数据存储。

Adelman利用DNA片段去求解一个复杂的图论问题。他用DNA分子亚基序列代表一个“网络或”的顶点。试管中生化反应产生的大量平行动作随机地形成了DNA亚基序列，这些序列的复合画出了求解中可能的任意路径。

AdeIman能从产物DNA链所代表的许多数任意路径中得到他的图沦问题的正确答案。这是目前正在探索的四种纳米计算技术中惟一进行了实际计算演示的一种纳米计算机。

Birge利用一种蛋白质——菌视紫质进行了光存储。菌视紫质满足了对存储介质所要求的几个性能：对可见光灵敏，可光写光擦；高分辨率，不易疲劳，实时全息；相当宽的动态范围；低散射；化学稳定性好，存储寿命可延长。目前这种光存储介质已开始在许多实验室内进行模拟试验。

2001年，以色列科学家宣布，他们成功研制出一种纳米级DNA计算机。一根试管可容纳l万亿个此类计算机，运算速度达到每秒10亿次，精确度高达99.8%。

据《自然》杂志介绍，该计算机是世界上第一种由DNA分子构成全部输入输出部件和软件的可编程独立计算机器。数据以一条DNA链中的分子对表达，负责代码读取、复制和操作的则是作为硬件的两种天然酶。当软硬件混合在试管中时，可对“输入分子”进行操作，然后生成“输出分子”。DNA计算机耗能极小，非常适合植入细胞运行。

科学家认为，活体细胞所含“分子机器”其处理DNA和RNA之类信息编码分子的运作方式与汁算机原理十分相似。而双螺旋结构DNA的存储能力也大得惊人。

科学家指出，普通计算机的微型化已接近极限，纳米级DNA计算机将成为其有力的竞争对手，而后者的运算速度也可望大大超越普通计算机。DNA计算机目前只具雏形，无法马上投入实际应用，但经过进一步开发研制后，这种计算机将有很广阔的应用范围。例如作为监视装置植入人体细胞，当检测到潜在的病变时自动合成有针对性的药物予以治疗；DNA计算机还能以并行而非顺序的方式筛选.DNA资料库，从而大大提高检索效率。

3.机械式纳米计算机。

这种纳米计算机类似于微型马达，利用分子大小的活动连杆和分子大小的绕轴承旋转的齿轮进行计算。科学家们认为可以用机械拼合过程，将原子或分子积木式地逐个安放来组装成微型机械系统。一旦组装成功，它们就能像一个极度缩小的、可复杂编程的机械计算器那样对比特信息进行运算。

不过，目前要制作这样的系统还有许多困难。即使可用扫描隧道显微镜缓慢地逐个地将原子或分子亚单元装配成这些手工式部件，那也是极为繁琐的。要大量、可靠地制作，将会遇到更多的困难。随着能平行地构建许多纳米级元件的扫描隧道显微镜阵列的改进和完善，这些问题可能会逐渐地得到解决。

此外，某些有选择的化学反应和化学自结合方式也可能有助于实现这种机械纳米计算机。

4.量子计算机。

量子计算机的概念始于20世纪80年代早、中期，当时的科学家也曾有一些具体建议和想法，但实现起来难度太大。然而科学家们认为，进入纳米级体系，量子效应开始发挥作用，充分利用量子机理将会对计算技术带来重大的变革。

以原子或分子为基本结构的量子计算中心存储信息是基于量子单位，即利用处于量子状态的粒子的向上或向下自旋来分别代表0和1。因此，量子计算机可以不像常规计算机那样按顺序把所有的数相加，而是同时完成所有数值的相加。这使量子计算机有着惊人的计算速度，使用数百个串接原子组成的量子计算机可以同时进行几十亿次的计算。

日本电报电话公司和日本电机公司联手，计划用5年时间研究开发量子计算机的基本原件，企图在这个高技术领域占据领先地位。尽管目前还处于基础研究阶段，但是他们认为2010年前后就可能达到实用化阶段。

谁将终结硅芯片电脑

“芯片巨人”英特尔公司已经推出30纳米晶体管，这一惊人之举将使电脑的速度同时也把传统硅芯片推人尴尬境地，因为硅芯片离其物理极限更近了。

1965年，年轻的科学家、美国半导体公司研究部主任戈登·摩尔大胆预言：新技术新工艺将不断提高芯片的集成密度和运行程度，大约每隔一年（1975年修正为每隔18个月），芯片中晶体管的集成数将翻一番，微处理器的速度将提高一倍。

摩尔预测的芯片内晶体管数量的这种呈指数增长的规律，后来被人们奉之为摩尔定律。

当时戈登·摩尔的预测并没有引起大家的注意，然而随着时间的流逝，电子工业的发展印证了他的预言是那样的准确。短短几十年，硅芯片走过一条高速成长之路。

1965年，世界上最复杂的芯片可以集成64个晶体管，1982年的80286发展到10万个，1993年的奔腾芯片增长到300万个，1999年的奔腾Ⅲ已经增长到950万个。最近推出的“奔腾4”芯片已含有4200万个晶体管，而新问世的30纳米晶体管技术将使硅芯片可以容纳4亿个晶体管。2010年集成度将达到10亿个。但这种增长不可能永远持续下去。英特尔公司工程师保罗·帕肯去年就在《科学》杂志上敲响警钟，认为硅芯片技术10年后将走到尽头。

谁会成为传统硅芯片电脑的终结者？目前科学家看好光电脑、生物电脑和量子电脑，其中又以量子电脑呼声最高。

何谓量子电脑？量子又是什么？

量子是物质世界最小的能量单位，在更为微观空间里进行量子运算，会在速度上远远超过电子计算机。资料显示，量子计算方式仅需几分钟时间，就能完成当今超级计算机需要几万年才能完成的运算。

所谓量子电脑，是指组成电脑硬件的各种元件达到原子级尺寸，其体积不到现在同类元件的1%，因此量子电脑可以做得非常小。

中国科技大学量子电脑研究计划学术带头人郭光灿将量子形容为一种“玄而又玄”的东西。他比喻说，如果一只老鼠准备绕过一只猫，根据经典物理理论，它要么从左边、要么从右边穿过。而按量子理论，它可以同时从猫的左边和右边穿过。

量子这种常人难以理解的特性使得具有5000个量子单位的量子电脑，可在约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。由于意识到量子电脑问世后将对电脑及网络安全构成巨大冲击，美国情报机构正在密切关注量子电脑的进展。

不少国家从国家利益出发，正在量子电脑研究领域展开激烈角逐。以日本为例，日本邮政省今年决定增加量子信息技术的研究投入，预计今后10年将达到400亿日元。按照邮政省的预计，量子信息技术将在2030年步人实用化阶段。

量子计算机的心脏——处理器，可能要用5年时间开发成功。世界上第一台量子计算机，有望在10年内诞生。虽然量子电脑距离实用化还有很长的一段路要走，但它取代硅芯片电脑可能只是时间问题。

单电子纳米开关

在普通的硅芯片半导体电路中，微晶体二极管通过电路的接通和断开代表二进制中的“1”和“0”，实现这样一个过程大约需要10万个电子。而德国科学家在研究中发现，由55个金原子在平面分布形成的所谓“纳米簇”可以达到同样的功能，而且实现电路的接通和断开只需要一个电子。

早先德国科学家在钯原子组成的“纳米簇”中也发现了类似的现象，当把“纳米簇”置于两个铂电极之中并加以特定电压时，只要有一个电子就可以实现晶体二极管的特性。

这一项目的研究者之一埃森大学的京特·施米特教授认为，单电子的纳米开关电路具有极其重要的实践意义，它可能成为未来更小、更精确和能耗更低的芯片的基础。他说，目前全世界计算机超过1亿台，如果以每台计算机功率100瓦计算，那么单为计算机供电就需要10兆千瓦发电量。如果单电子纳米开关电路成为芯片的生产标准，仅在能耗上就可以降至目前的1%，更不用说单电子开关在速度和准确性方面的突破。

纳米技术将使网络下载硬件成为可能

物质将成为软件。不是印错了，确实是“物质将成为软件”。其结果是，我们将不仅能够利用因特网下载软件，还能下载硬件。以上是迈特公司（Mitre）纳米技术权威詹姆斯·埃伦博根作出的预测。该公司是五角大楼资助的、设在弗吉尼亚州麦克莱思的一家研究中心。

埃伦博根对他提出的物质变软件的景象作了引人人胜的解释：“人们可以想一想当今下载软件是什么情形，是以改变分子团磁性特征的方式重置磁盘的物质结构。如果计算机的内容不超过分子团的体积，就可以通过重新排列磁盘上的分子制造芯片。”

埃伦博根说，研究人员已经忙于研制体积只有针头大小的计算机，“这种纳米计算机的各个部件比我们现今用于在磁盘驱动器上装载信息的物理结构小得多。因此，在不久的将来，我们将能够像今天下载软件一样从网络里下载硬件”。