1.1.2 计算机的发展趋势

芯片是计算机的核心部件之一，不断进步的芯片制造技术推动了计算机技术的发展。目前制造芯片主要采用光蚀刻技术，即让光线透过刻有线路图的掩模，照射在硅片表面以进行线路蚀刻。当前主要用紫外光进行光蚀刻操作，随着紫外光波长的缩短，芯片上的线宽大幅度缩小，同样大小的芯片上可以容纳更多的晶体管，进而推动了半导体工业的发展。但是当紫外光波长小于193nm 时（蚀刻线宽0.18nm），传统石英透镜组会吸收光线而不会将其折射或弯曲。目前，研究人员正在研究下一代光蚀刻技术，包括极紫外光蚀刻技术、离子束投影光蚀刻技术、角度限制投影电子束光蚀刻技术和X射线光蚀刻技术。

同时，以硅为基础的芯片制造技术的发展不是无限的，随着晶体管尺寸接近纳米级，芯片发热等副作用会逐渐明显，电子运行也难以控制，晶体管将不再可靠。下一代计算机将从体系结构、工作原理、元器件及制造技术等方面进行颠覆性变革。目前可以运用的技术有纳米技术、光技术、生物技术和量子技术。利用这些技术研究新一代计算机是世界各国研究的热点。

1．量子计算机

量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，是为了解决计算机中的能耗问题而提出的。

传统计算机遵循的是经典的物理规律，量子计算机遵循的是量子动力学规律，这是一种信息处理新模式。在量子计算机中，用“量子位”代替传统电子计算机的二进制位。二进制位只能用“0”和“1”两个状态表示信息，而量子位则用粒子的量子力学状态来表示信息，两个状态可以在一个“量子位”中并存。量子位可以用于表示二进制的“0”和“1”，也可以用这两个状态的组合来表示信息。量子计算机可以进行传统计算机无法完成的复杂计算，其运行速度也是传统计算机无法比拟的。

2．模糊计算机

1956 年，英国人扎德创立了模糊集理论。依照该理论，判断问题时并非以是、非两种绝对的值或0与1两种数码来表示结果，而是取许多值，如接近、几乎、差不多及差得远等模糊值。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。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，甚至可帮助人们从事复杂的脑力劳动。

1985 年，第一个模糊逻辑芯片设计制造成功，它在1s内能进行 8 万次模糊逻辑推理。现在，人们正在制造1s内能进行645000万次模糊推理的模糊逻辑芯片。把模糊逻辑芯片和电路组合在一起，就能制成模糊计算机。

日本科学家把模糊计算机应用在地铁管理上。日本东京以北300多千米的仙台市的地铁，在模糊计算机控制下，自1986年以来，一直安全、平稳地行驶着。车上的乘客可以不必紧抓拉手吊带，因为在列车行进中，模糊逻辑“司机”判断行车情况出现错误的概率，几乎比人类司机要少70%。1990年，日本松下电器有限公司把模糊逻辑芯片装在洗衣机里，该洗衣机能根据衣服的肮脏程度、衣服的质料等调节洗衣程序。我国有些品牌的洗衣机也装上了模糊逻辑芯片。人们还把模糊逻辑芯片装在吸尘器里，这种吸尘器可以根据灰尘量和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。

3．生物计算机

生物计算机也称仿生计算机，微电子技术和生物工程这两项高科技的相互渗透，为生物计算机的研制提供了可能。20世纪70年代以来，人们发现脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化。科学家们发现生物元件可以实现逻辑电路中的0与1、晶体管的导通或截止、电压的高或低、脉冲信号的有或无等。1995年，来自世界各国及地区的200多位专家共同探讨了生物计算机的可行性，认为生物计算机是用生物元件构建的计算机，不是利用生物大脑和神经系统中的信息传递、处理等相关原理设计形成的计算机。其生物元件利用蛋白质具有的开关特性，用蛋白质分子制成集成电路，形成蛋白质芯片、血红素芯片等。利用DNA化学反应，一种基因代码可以在酶的作用下转变为另10种基因代码，转变前的基因代码可以作为输入数据，转变后的基因代码可以作为运算结果，利用这一过程可以制成新型的生物计算机。如今科学家已研制出了生物计算机的主要部件——生物芯片。

4．光子计算机

光子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。科学家运用集成光路技术，把光开关、光存储器等集成在一个芯片上，再用光导纤维连接成计算机。1990年初，美国贝尔实验室制成世界上第一台光子计算机，尽管它的装置很简单，由激光器、透镜和棱镜等组成，只能用于计算，但它是光子计算机领域的一大突破。电子计算机的发展依赖于电子元器件，尤其是集成电路。同样，光子计算机的发展也依赖于光逻辑元件和光存储元件，即集成光路的突破。近20年，只读存储光盘（Compact Disc Read-Only Memory,CD-ROM）、影音光碟（Video Compact Disc, VCD）和数字通用光盘（Digital Versatile Disc, DVD）等的接连出现，体现了光存储研究的巨大进展。光子计算机的许多关键技术，如光存储技术、光互连技术、光电子集成电路等都已经取得突破，为光子计算机的研制、开发和应用奠定了基础。现在，除了美国贝尔实验室，日本和德国的相关机构也投入巨资研制光子计算机，预计将来会出现更先进的光子计算机。

5．超导计算机

1911年，荷兰物理学家海克•卡末林-昂内斯（Heike Kamerlingh-Onnes）发现纯汞在足够低的温度下电阻会变为0，这说明超导线圈中的电流可以无损耗地流动。随着计算机的诞生和超导技术的发展，科学家们想到用超导材料来替代半导体制造计算机。早期工作主要是延续传统的半导体计算机的设计思路，将用半导体材料制作的逻辑门电路改为用超导材料制作的逻辑门电路，本质上没有突破传统计算机的设计框架。况且，在20世纪80年代中期以前，超导材料的超导临界温度仅在液氨温区，实现超导计算机的计划费用高昂。然而在1986年左右，情况发生了逆转，高温超导体的发现使人们在液氨温区外也能找到新型的超导材料，超导计算机的研究又重新获得各方重视。超导计算机具有超导逻辑电路和超导存储器，其能耗小、运算速度快的特点是传统计算机无法比拟的。目前，世界各国都有科学家在研究超导计算机，但是还存在许多难以突破的技术问题。