納米超級電腦

納米技術(shù)不但能使傳統(tǒng)的微加工技術(shù)達到更高的程度，同時這項技術(shù)本身正試圖以一種與以往不同的方法來制造電子元件。傳統(tǒng)的制造方法都在努力把大的東西做小，而納米技術(shù)卻要從底部出發(fā)，即由極小的分子元件組裝成大的器件。這種由小到大的方法被認為是未來的發(fā)展方向，下面就讓我們看看納米技術(shù)是如何打造超級電腦的。

分子計算機

現(xiàn)代的電子計算機是根據(jù)二進制的原理制造的，就是說計算機內(nèi)所有的數(shù)據(jù)指令都是以二進制表達的。

什么是二進制呢?我們通常使用的計數(shù)方式是十進制，用的是0～9這10個數(shù)字來表示數(shù)的大小，而二進制只用0和1這兩個數(shù)字來表示數(shù)。大家知道這個就可以了，以后有機會還可以學到更多關(guān)于二進制的問題。二進制數(shù)用在計算機中進行加減乘除的運算非常方便。一個晶體管可以用兩種狀態(tài)，即打開和關(guān)閉，用打開狀態(tài)代表1，用關(guān)閉狀態(tài)代表0。分子中的化學鍵也可以有鏈接和斷開兩種狀態(tài)?？刹豢梢岳梅肿又谢瘜W鍵的開和關(guān)制造分子大小的開關(guān)，進而制造計算機呢?

美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的科學家就發(fā)明了一種新型分子開關(guān)，使分子計算機又向前邁進了一步。這一發(fā)明被選為“2000年世界十大科技進展”之一。

據(jù)報道，這種分子開關(guān)非常的細，以一種叫套環(huán)烴的物質(zhì)為基礎(chǔ)制成。它包括銜接在一起的兩個小環(huán)，每個小環(huán)由原子連接而成。這兩個小環(huán)以互鎖的方式銜接，類似于一小段鏈條。每個小環(huán)上都有兩個叫做“識別位置”的結(jié)構(gòu)，它們能夠相互發(fā)生電化學作用。

現(xiàn)有的計算機基于二進位制，以晶體管的開和關(guān)狀態(tài)來表示二進制的0和1。分子開關(guān)則有特殊的開和關(guān)狀態(tài)。當一個電脈沖通過套環(huán)烴分子時，其中一個環(huán)失去一個電子并繞另一個環(huán)轉(zhuǎn)動，這時分子開關(guān)處于“開”狀態(tài)。失去電于的環(huán)重新得到原來的電子，則使開關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)。套環(huán)烴開關(guān)能夠反復被打開和關(guān)閉，且能在常溫和固態(tài)下工作。實現(xiàn)分子開關(guān)的“開”和“關(guān)”狀態(tài)，相當于制造出了用于電子計算機的最簡單的邏輯門。邏輯門是現(xiàn)有計算機中央處理器工作的基礎(chǔ)。

接下來，科學家們還需要研制出合適的導線，以將分子開關(guān)連接起來，并通過整體設(shè)計將其開發(fā)成計算機元件。他們認為納米碳管有可能是理想的導線材料。

領(lǐng)導該項研究的科學家詹姆斯·希斯認為，將來的分子芯片有可能可以做到只有塵埃或沙粒那么大。由這種芯片制成的計算機有可能被編織到衣服里。

2印1年7月，一群惠普公司和洛杉磯加州大學的研究人員在報告中說，他們已成功制造了厚度僅相當于一粒分子的初步電路邏輯閘。而目前，其他小組如耶魯大學和里斯大學的研究者們也準備宣布他們已成功制造了這種分子電路的其他基本計算部件。據(jù)他們說:他們已邁出重要的一步，超過了惠普和洛杉磯加州大學的研究者們。

在7月份的示范中，那個分子閘可移人“開”或“關(guān)”的位置，但不能返回原位。但是耶魯和里斯大學的研究小組說，他們能夠控制分子閘的開關(guān)，這是表述0和1的必要步驟?；萜諏嶒炇业目茖W家說他們在制造寬度少于12個原子的傳導電線組中邁出了重要的一步，這是把分子開關(guān)連結(jié)起來的決定性步驟，有朝一日，它可使電腦的運算速度比現(xiàn)在快許多倍。

據(jù)悉，某些在高度保密環(huán)境下工作的實驗室，正在其他方面取得進展。其中一個實驗室正在研制一種分子裝置，它可儲存隨機存取數(shù)據(jù)。

如果成功制造出分子記憶裝置，將來只需花費幾美元費用，就可獲得巨大的貯存容量。一項近期可實施的應(yīng)用方式，可能是把整部具有數(shù)碼影碟質(zhì)量的電影，儲存在一個比普遍半導體芯片還小很多的空間里。在2～5年內(nèi)，將會看到具有實用功效并投入運作的電路。

分子計算機運行所需的電力比現(xiàn)有計算機大大減少，這將使它的功效達到目前硅芯片計算機的百萬倍。而且，分子計算機能夠安全保存大量數(shù)據(jù)，使用它的用戶可不必進行文件刪除工作也可保持可用空間。此外，分子計算機還有希望免受計算機病毒、系統(tǒng)崩潰和碰撞等故障的影響。

光子計算機

1990年，美國的貝爾實驗室推出了一臺由激光器、透鏡、反射鏡等組成的電腦。這就是光子計算機的雛形。光子計算機又叫光腦。電腦是靠電荷在線路中的流動來處理信息的，而光腦則是靠激光束進入由反射鏡和透鏡組成的陣列來對信息進行處理的。與電腦相似的是，光腦也靠產(chǎn)生一系列邏輯操作來處理和解決問題。

電腦的功率取決于其組成部件的運行速度和排列密度，光子在這兩個方面都很理想。光子的速度即光速，為每秒30萬千米，是宇宙中最快的速度，激光束對信息的處理速度可達現(xiàn)有半導體硅器件的1000倍。光子不像電子那樣需要在導線中傳播，即使在光線相交時，它們之間也不會相互影響，并且在不滿足干涉的條件下也互不干涉。光束的這種互不干涉的特性，使得光腦能夠在極小的空間內(nèi)開辟很多平行的信息通道，密度大得驚人。一塊截面為5分硬幣大小的棱鏡，其通過能力超過全球現(xiàn)有電話電纜的許多倍。貝爾實驗室研制成功的光學轉(zhuǎn)換器，在印刷字母O中可以裝入2000個信息通道。因此，電子工程師們早就設(shè)想在電腦中使用光子了。

光腦的許多關(guān)鍵技術(shù)，如光存儲技術(shù)、光互聯(lián)技術(shù)、光電子集成電路等目前都已獲得突破。光腦的應(yīng)用將使信息技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生飛躍。

生物計算機

電腦的性能是由元件與元件之間電流啟閉的開關(guān)速度來決定的。科學家發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)有開關(guān)特性，用蛋白質(zhì)分子做元件制成的集成電路，稱為生物芯片。使用生物芯片的計算機稱為生物計算機。已經(jīng)研制出利用蛋白質(zhì)團來制造的開關(guān)裝置有:合成蛋白質(zhì)芯片、遺傳生成芯片、紅血素芯片等。

用蛋白質(zhì)制造的電腦芯片，在1平方微米面積上可容納數(shù)億個電路。因為它的一個存儲點只有一個分子大小，所以存儲容量可達到普通電腦的10億倍。蛋白質(zhì)構(gòu)成的集成電路大小只相當于硅片集成電路的10萬分之一，而且運轉(zhuǎn)速度更快，只有10～11秒，大大超過人腦的思維速度;生物電腦元件的密度比大腦神經(jīng)元的密度高100萬倍，傳遞信息速度也比人腦思維速度快。

生物芯片傳遞信息時阻抗小，耗能低，而且具有生物的特點，具有自我組織和自我修復的功能。它可以與人體及人腦結(jié)合起來，聽從人腦指揮，從人體中吸收營養(yǎng)。把生物芯片植入人的腦內(nèi)，可以使盲人復明，使人腦的記憶力成千上萬倍地提高;若是植入血管中，則可以監(jiān)視人體內(nèi)的化學變化，可以預防各種疾病的發(fā)生。

美國已研究出可以用于生物電腦的分子電路，它由有機物質(zhì)的分子組成，只有現(xiàn)代電腦電路的千分之一大小。

生物電子技術(shù)是巧妙地將生物技術(shù)與電子技術(shù)融合在一起而產(chǎn)生的一種新技術(shù)。它利用微電子技術(shù)及生物技術(shù)，使DNA分子之間可以在某種酶的作用下瞬間完成生物化學反應(yīng)，從一種基因代碼變成另一種基因代碼。反應(yīng)前的基因代碼可作為輸入數(shù)據(jù)，反應(yīng)后的基因代碼可以作為運算結(jié)果。如果控制得當，那么就可以利用這種過程制成一種新型電腦。DNA電腦運算速度快，它幾天的運算量就相當于目前世界上所有計算機問世以來的總運算量。此外，它的存儲容量非常大，超過目前所有計算機的存儲容量。再有，DNA電腦所耗的能量極低，只有一臺普通電腦的十億分之一。

生物電腦是人們多年來的期望。有了它可以實現(xiàn)現(xiàn)有電腦無法實現(xiàn)的模糊推理功能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算功能，是智能計算機的突破口之一。一些科學家認為，這種新型電腦將很快就能取得實質(zhì)性進展。

量子計算機

2000年，IBM公司宣布研制出利用5個原子作為處理器和存儲器的量子計算機，即量子電腦。

按摩爾定律，電腦處理器正在變得越來越小，其功能則正在變得越來越強。但是，目前的處理器制造方式預料會在今后10年左右達到極限?，F(xiàn)在使用的平版印刷技術(shù)無法制造出分子大小的微器件，這促使研究人員嘗試利用基因鏈或通過開發(fā)其他微型技術(shù)來制造電腦。

量子計算機是一種基于原子所具有的神秘量子物理特性的裝置，這些特性使得原子能夠通過相互作用起到電腦處理器和存儲器的作用。量子計算機的基本元件就是原子和分子。IBM的這臺量子計算機被認為是朝著具有超高速運算能力的新一代計算裝置邁出的新的一步。它可以用于諸如數(shù)據(jù)庫超高速搜索等方面，還可以用于密碼技術(shù)上，即密碼的編制和破譯。IBM公司利用這臺量子電腦樣機解決了密碼技術(shù)中的一個典型的數(shù)學問題，即求解函數(shù)的周期。它可以一次性地解決這一問題的任何例題，而常規(guī)電腦需要重復數(shù)次才能解決這樣的問題。

微電子技術(shù)面臨挑戰(zhàn)，但傳統(tǒng)的制造業(yè)在挑戰(zhàn)面前并不氣餒，仍在不斷地探索解決問題的新途徑。美國電話電報公司的貝爾研究室于1988年研制成功了隧道三極管。這種新型電子器件的基本原理是在兩個半導體之間形成一層很薄的絕緣體，其厚度為1～10納米之間，此時電子會有一定的概率穿越絕緣層。這就是量子隧道效應(yīng)。一層超薄的絕緣層好像是大山底下的一條隧道，電子可以順利地從山的這邊穿到山的那邊。由于巧妙地應(yīng)用了量子隧道效應(yīng)，所以器件的尺寸比目前的集成電路小100倍，而運算速度提高1000倍，功率損耗只有傳統(tǒng)晶體管的千分之一。顯然，體積小，速度快，功耗低的嶄新器件，對超越集成電路的物理限制具有重大意義。隨著研究工作的深入發(fā)展，近年科學家已研制成功單電子晶體管，只要控制單個電子就可以完成特定的功能。

在過去短短幾十年中，硅芯片走過一條高速成長之路。30納米晶體管技術(shù)將使硅芯片可以容納4億個晶體鋒。但這種增長不可能永遠持續(xù)下去。因為，硅芯片將很快走向終結(jié)。誰會成為傳統(tǒng)的硅芯片電腦的終結(jié)者?目前科學家看好光電腦、生物電腦和量子電腦，其中又以量子電腦呼聲最高。

光電腦利用光子取代電子進行運算和存儲，它用不同波長的光代表不同數(shù)據(jù)，可快速完成復雜計算。然而要想制造光電腦，需要開發(fā)出可用一條光束控制另一條光束變化的光學晶體管?，F(xiàn)有的光學晶體管龐大而笨拙，用其制造臺式電腦，將有一輛汽車那么大，因此，光電腦短期內(nèi)進入實用階段很難。

DNA(脫氧核糖核酸)電腦是美國南加州大學阿德勒曼博士1994年提出的奇思妙想，他提出通過控制DNA分子間的生化反應(yīng)來完成運算。

DNA是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，它通過4種核苷酸的排列組合存儲生物遺傳信息。將運算信息排列于DNA上，并通過特定DNA片段之間的相互作用來得出運算結(jié)果，是DNA計算機工作的主要原理。

網(wǎng)德勒曼教授是DNA計算機研究領(lǐng)域的先驅(qū)。他于1994年在實驗中演示，DNA計算機可以解決著名的“推銷員問題”，首次論證了這種計算技術(shù)的可行性?！巴其N員問題”用數(shù)學語言來說，是求得在7個城市間尋找最短的路線，這一問題相對簡單，心算就可以給出答案。

但這次阿德勒曼教授用DNA計算機演示的新問題難度就大多了，靠人腦的計算能力基本無法處理，這個問題可以形象化地表述如下:假設(shè)你走進一個有100萬輛汽車的車行，想買一輛稱心的車。你向銷售員提出了一大堆條件，如“想買一輛4座和自動檔的”，“敞篷和天藍色的”，“寶馬車”等等，加起來多達24項。在整個車行中，能滿足你所有條件的車只有一輛。從理論上說，銷售員必須一輛輛費勁地找。傳統(tǒng)的電子計算機采用的就是這種串行計算的辦法來求解。

阿德勒曼等設(shè)計的DNA計算機則對這一問題進行了并行處理。他們首先利用DNA片段編碼了100萬種可能的答案，然后將其逐一通過不同容器，每個容器都放入了代表24個限制條件之一的DNA。每通過一個容器，滿足特定限制條件的DNA分子經(jīng)反應(yīng)后被留下，并進入下一個容器繼續(xù)接受其他限制條件的檢驗，不滿足的則被排除出去。

從解決這個問題的過程中可以看出，理論上，DNA計算機的運算策略和速度將優(yōu)于傳統(tǒng)的電子計算機。阿德勒曼教授說，雖然他們的新實驗進一步提高了DNA計算機模型的運算能力，但總的來說，DNA計算機錯誤率還是太高;要真正超越電子計算機，還需要在DNA大分子操縱技術(shù)等方面有大的突破。而且目前流行的DNA計算技術(shù)都必須將DNA溶于試管液體中。這種電腦由一堆裝著有機液體的試管組成，神奇歸神奇，卻也很笨拙。這一問題得不到解決，DNA電腦在可以預見的未來將難以取代硅芯片電腦。與前兩者相比，量子電腦前景似乎更為光明。一些科學家預言，量子電腦將從新一代電腦研制熱潮中脫穎而出。

中國科技大學量子電腦研究專家也提出了與此類似的觀點，將量子形容為一種“玄而又玄”的東西，提出了一個比喻:如果一只老鼠準備繞過一只貓，根據(jù)經(jīng)典物理理論，它要么從左邊、要么從右邊穿過。而根據(jù)量子理論，它可以同時從貓的左邊和右邊穿過。量子這種常人難以理解的特性使得具有5000個量子位的量子電腦，可在約30秒內(nèi)解決傳統(tǒng)超級電腦要100億年才能解決的大數(shù)因子分解問題。由于意識到量子電腦問世后將對電腦及網(wǎng)絡(luò)安全構(gòu)成巨大沖擊，美國科研機構(gòu)正在密切關(guān)注量子電腦的進展。不少國家從國家利益出發(fā)，正在量子電腦研究領(lǐng)域展開激烈的角逐。

以日本為例，日本郵政省于2000年決定增加量子信息技術(shù)的研究投入，預計到2010年將達到400億日元。按照日本郵政省的預計，量子信息技術(shù)將在2030午步人實用化階段。2000年，量子電腦研究捷報頻傳。先是中國科學院知識創(chuàng)新工程開放實驗室成功研制出4個量子位的演示用量子電腦。之后，美國IBM公司又推出5個量子位的演示用量子電腦。印度科學家也在緊鑼密鼓地開展此項研究，印度國家研究所的科學家說，量子電腦將于2005年問世。在美國加州理工學院，科學家們甚至已經(jīng)在從事量子因特網(wǎng)的研究。

量子電腦雖然威力無比，妙不可言，但要真正為人類造福還需耐心期待。由于量子電腦的原理與構(gòu)造和傳統(tǒng)計算機截然不同，科學家的研制工作幾乎是從零開始，十分艱難。而量子電腦運行時所需的絕對低溫、原子測控等苛刻條件更使這種“魔法”般玄妙的神物目前不可能像個人電腦機一樣走人尋常百姓家。但人們也不必失望，幾十年以后，當量子電腦走出實驗室，真正可以實際應(yīng)用時，普通人完全可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問遠程的量子主機，指揮它于這于那，共享這項神奇的發(fā)明。

可以預料，雖然量子電腦距離實用化還有很長的一段路要走，但它取代硅芯片電腦可能只是時間問題。