第31篇《关于计算机技术发展的学习札记》

在西安参加中航科技委咨询课题《机载／弹载计算机发展研究》研讨会。学习和梳理关于计算机系统若干前沿技术，包括微系统、超导计算机、光计算机、生物计算机和量子计算机等，以及四代计算机发展历程和第五代、第六代计算机概念。是做学习札记，并与友人分享。...



昨天在西安参加中航科技委咨询研究课题《机载／弹载计算机发展研究》研讨会。机载／弹载计算机，即航空器／航空武器用计算机，多为嵌入式计算机系统（Embedded Computer Sestem），意指计算机的软硬件均嵌入相应应用系统，融为一体，不可分割。在现代航空器上，嵌入式计算机数量居多，使用环境严苛，涉及体积／重量／功耗等物理指标的要求及安全性要求高。

嵌入式计算机本质上是"专用"计算机，是针对某个特定的应用而设计制造的。以嵌入式计算机为基础、且软硬件可裁剪的应用系统，就成为嵌入式系统。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四部分组成。研讨中，对当前发展与存在问题，以及面临的应用需求和未来技术挑战，都有了系统而清醒的认识。一天的讨论，收获颇多。

为进一步了解计算机技术的发展，我集中学习和梳理了关于计算技术和计算机系统的若干前沿技术，包括微系统、超导计算机、光计算机、生物计算机和量子计算机等，以及已经经历的四代计算机发展历程和即将到来的第五代、第六代计算机的概念。是做学习札记，并与友人分享。

微系统——以微电子技术、射频和无线电技术、光学和光电子学技术、微机电技术等为主，以微纳米量级的设计／制造技术为基础，包括微传感器、微作动器、微处理器（控制、信息等）、微小型器件／装置等组成的系统或综合系统。该类系统的出现和应用，对于嵌入式计算机的物理形态可能产生重大影响。

超导计算机——基于超导效应的计算机，其典型特征是能耗极低。理论计算，超导计算机的耗电仅为半导体器件计算机的几千分之一，它执行一条指令只需十亿分之一秒，比半导体元件快几十倍。以目前的技术制造出的超导计算机的集成电路芯片只需3～5平方毫米大小。

光计算机——指利用光信号表示信息，使用光学器件完成对光信号的操作，以致计算全过程，此时也可称全光计算机。其特征为采用光强度、频率、偏振等特性表示信息，以透镜、面镜、光学薄膜、晶体或光纤等光学器件为基础器件。光信号区别于电信号的特质是：多束光在传播中发生路径重叠或交叉时互不干扰，传输损耗低，传输带宽高。较磁介质，光学材料质量轻，成本低，易实现高密度信息存储。光计算的核心问题是，光学逻辑的实现，即实现光对光的控制。当今，大规模集成全光器件在研制中，工程应用还需漫长路程。

生物计算机——根据生物分子材料对信息的传输、处理、存储机理而设计的新一代计算机，是计算机世界最年轻的分支与前沿，有可能成为21世纪人类的伟大科技工程之一。它具有体积小、运算速度快、存储容量大、低阻抗、低能耗等优点。由蛋白质构成的集成电路，其大小只相当于同样功能硅片集成电路的十万分之一，而其运行速度更快，达10的-11次方秒，可超过人脑的思维速度。采用生物芯片代替硅芯片，可利用生物细胞间的互相联系，构建人工智能（而不像硅芯片计算机那样只能建立程序规定的任务能力）。目前生物芯片尚在研制中，但生物传感器已获重大突破。主要研究方向：一是研制分子计算机，制造有机分子元件以取代半导体器件；二是研究人脑结构与思维规律，构建生物计算机架构。

量子计算机——量子力学证明，个体光子通常不相互作用，但当它们与光学谐腔内的原子聚在一起时，它们相互之间会产生强烈影响。光子的这种特性可用来发展量子力学效应的信息处理器件—光学量子逻辑门，进而制造量子计算机。其基本原理为：一个经典的二进制比特只有两种状态：“0”和“1”，而量子比特(即“qubit”)可同时存在两种可能的状态，即“叠加态”。对量子比特的操作可以产生多项计算工作的并行进行（例如，由两个量子比特构成的系统可以用4个值来运算，而由3个量子比特构成的系统可以用8个值来运算）。在理论上，量子计算机的性能能够超过任何标准计算机。自上世纪90年代概念量子计算机出现以来，全球多国对这一技术高度关注及持续开展研究，量子计算前景无量。

当我们在为传统嵌入式机载／弹载计算机谋划未来发展之路时，必须高度关注有可能产生突袭性或颠覆性效能的前沿技术的发展。基于集成电路的计算机短期内还不会退出历史舞台。但上述这些新计算机正在孕育，有可能以超出我们预期的速度跨入实用化阶段。在上述新计算机研发浪潮的推动下，关于第五代和第六代计算机的概念也呼之而出。

人类自1946年发明计算机，至今已经历了四代。

第一代为电子管计算机（1946-1957），采用电子管元件作基本器件，用光屏管或汞延时电路作存储器 ，输入输出采用穿孔卡片或纸带；使用机器语言或汇编语言编写应用程序 。主要用于科学计算。
第二代为晶体管计算机（1958-1964），由晶体管代替电子管作为计算机基础器件，用磁芯或磁鼓作存储器；使用如Fortran、Cobol、Algo160等高级语言。在用于科学计算的同时，开始用于数据处理 、过程控制等。
第三代为中小规模集成电路计算机（1965-1971），中小规模集成电路为基础器件，主存储器采用半导体存储器；有了标准化的程序设计语言和人机会话式的Basic 语言。其应用领域进一步扩大。
第四代为大规模和超大规模集成电路计算机（1971-2014），大规模集成电路成为基础器件，大容量半导体存储器为内存储器，发展了并行技术和多机系统，出现了精简指令集计算机（RISC），软件系统工程化、理论化，程序设计自动化。微型计算机几乎用于所有领域。

上述四代是人类已经走过的计算机发展历程。什么是第五代计算机？何时进入？基本统一的认知是，第五代计算机应是具有人工智能的新一代计算机，它应该具有推理、联想、判断、决策、学习等功能；第五代计算机的发展路径已经开启。能够模拟人脑神经元、突触功能以及其他脑功能的微芯片，已研制成功。传统的计算机关注语言和分析思考，而神经突触核心能够感知和形状识别，将两者结合，就会形成新的“整体计算智能”。新一代计算机将在模式识别、语言处理、句式分析和语义分析的综合处理能力上获得重大突破。它应该可以识别孤立单词、连续单词、连续语言和特定或非特定对象的自然语言(包括口语)。键盘和鼠标的时代将告结束。现代社会中，计算机、网络、通信将会三位一体化。第五代计算机将把人从重复、枯燥的信息处理中解脱出来，从而改变我们的工作、生活和学习方式，给人类社会拓展更大的发展空间。

计算机还将持续发展。对更新一代计算机的基本认识是，第六代计算机应该是基于生物计算的神经元计算机，或称生物计算机。其基础器件是，以借助生物工程技术生产的蛋白质分子为材料，所生产的生物集成电路――生物芯片。在生物芯片中，信息以波的形式传递。当波沿着蛋白质分子链传播时，会引起蛋白质分子链的键结构顺序改变。与以逻辑处理为主的第五代计算机不同，第六代计算机可以判断对象的性质与状态，能采取相应的行动，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。而人的大脑活动具有能处理零碎、含糊不清信息的灵活性，第六代计算机将拥有类似人脑的智慧和灵活性，从而将使计算机技术跨入一个新的发展阶段。

    关注 航空之友