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作者林永兴主编
出版社电子工业出版社
ISBN9787121392931
出版时间2020-08
装帧平装
开本其他
定价48元
货号9884565
上书时间2025-01-10
林永兴,男,讲师,长期致力于计算机基础的教学,就职于浙江理工大学科艺学院。
1.2新型计算机
英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon:Moore)在1965年提出了著名的“摩尔定律”,其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18~24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。几十年来,电子计算机提供的计算能力始终遵循着摩尔定律预测的速度飞速发展。但是在可以预见的未来,这种基于硅晶片集成电路技术的计算机架构必将达到其物理极限。为了进一步提高人类的计算能力,包括光子计算机、超导计算机、生物计算机、量子计算机等在内的新型计算机技术已经成为研究热点。计算机的未来充满了变数,要想获得实质性的性能飞跃将有多种可能的途径。下面就广受关注的生物计算机和量子计算机做简单介绍。
1-2.1生物计算机
生物计算机也称仿生计算机,其主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子,并以此作为生物芯片。在自然界中,能够保持物质化学性质不变的最小单位当属分子。科学家们发现,某些有机分子存在两种电阻态,即具备“开”与“关”的功能,如蛋白质分子中的氢就有两种电阻态,即一个蛋白质就能够构成一个开关,因此,从理论上讲,用这些有机物作为元件,就能够制造出计算机。
由于生物芯片的生物化学性质所具有的特殊性,决定了一旦分子电子器件研究成功,生物计算机将比传统计算机具有更显著的优越性。首先,分子电子器件的开关的体积可以缩小数百乃至数千倍。另外,分子可以在空间的各个方向上作用,不像传统的硅集成电路只是集成在一个二维的晶面上,从而使分子逻辑电路的密集度可以做得很高。从理论上讲,其密度将比现代半导体器件提高10万倍左右。科学家们估计,生物计算机的元器件密度要比人脑神经元的密度高100万倍,传递信息的速度比人脑思想的速度快100万倍,即一个生物计算机就足以代替现在的大型计算机。生物计算机不但能大幅度提高元器件的密度,而且由于生物本身所具有的自我修复功能,使得芯片出现了故障也有可能自我修复,所以,生物计算机具有永久性和可靠性,可以说生物计算机是活的计算机。生物计算机的另一大优越性是耗能小、功率高。由于生物计算机的基本元器件是由生物化学物质构成的,是利用化学反应进行工作的,只需很少的能量即可以进行工作,并且由于生物芯片内流动电子间碰撞的可能性极小,几乎不存在电阻,所以不会产生发热问题。生物计算机还有并且是最大的优点是生物芯片的蛋白质具有生物活性,它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,这样生物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,从而成为帮助人类学习、思考、创造、发明的最理想伙伴。
生物计算机目前仍旧处于蓬勃兴起阶段,国内外正在积极地研制新型生物芯片。尽管生物计算机尚未有取得重大颠覆性的进展,甚至部分学者提出生物计算机目前出现的一系列缺点,例如,遗传物质的生物计算机受外界环境因素的干扰、计算结果无法检测、生物化学反应无法保证成功率、以蛋白质分子为主的芯片上很难运行文本编辑器等,但这些并不影响生物计算机这个存在巨大诱惑的领域的快速发展,随着人类技术的不断进步,这些问题终究会被解决,生物计算机商业化繁荣将到来。
1_2_2量子计算机
1982年,美国著名物理物学家理查德·费曼在一次公开的演讲中提出了利用量子体系实现通用计算的新奇想法。不久后的1985年,英国物理学家大卫·杜斯便提出了量子图灵机模型。从此,量子计算机的概念诞生了。
量子计算机,简单地说,它是一种可以实现量子计算的机器,是一种通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算、处理和储存信息能力的系统。它以量子态为记忆单元和信息储存形式,以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通信与量子计算,在量子计算机中其硬件的各种元件的尺寸达到原子或分子的量级。不同于传统计算机的基本运算位元(Bit),量子计算机是以量子位元(Qubit)计算的,计算速度更快,进位方式也不同于传统O或1的二进制方式,而是可以让0与1同时存在,创造更多组合状态,大幅提升运算能力,从而大大加快了解决复杂问题的速度。
迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是,世界各地的实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。我国在很早之前就开始了量子计算机的研制,近年还将量子通信和量子计算机定位为重大项目,中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长潘建伟院士声称我国在2020年有望实现对50个量子的操纵。日本也在追赶的路上,据日本经济新闻先前报道,日本力争2039年前后实现量子计算机实用化。而近年引起全球轰动的莫过于2019年10月份谷歌在《自然》杂志上发表的一篇文章Quantum supremacy using口programmablesuperconducting processor,其声称它所研发的拥有53个量子比特的量子计算机在处理随机线路采样问题上已经超越了经典超级计算机。目前谷歌的53个量子比特的量子计算机属于试验机,其处理的随机线路采样问题并没有实用性,但其证明了量子计算机的可行性和优越性。量子计算机的未来方向是可编程的通用量子计算机,将可以通过编程处理所有适合并行计算的问题,这方面的应用在科研领域用途广泛,比如构建理论模型、化学模拟、药物研发等方面,这将对科学、科技、医疗等方面产生深远影响,我们期待那一天尽快到来。
1。3计算机的分类
计算机的种类很多,而且分类的方法也很多。一般是按计算机是否专用、处理的信号类型和计算机的性能来考虑的。
按计算机是否专用来进行分类,可以把计算机分为专用计算机和通用计算机。专用计算机是针对某一特定用途而设计的计算机,如武器装备系统中用于武器控制、指挥控制、通信系统、作战仿真的嵌入式计算机。通用计算机是指为了解决多种问题而设计的具有多种用途的计算机。早期的计算机都是针对特定用途而设计的,直到20世纪60年代人们才开始制造通用计算机,人们目前使用的大多数计算机是通用计算机。
根据处理的信号类型,计算机又可以分为数字计算机和模拟计算机。数字计算机是指其运算处理的数据都是用离散数字量表示的。模拟计算机是指其运算处理的数据是用连续模拟
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