计算机发展趋势及应用

【任务目标】

本任务要求学生通过回顾过去和现在计算机技术的发展，展望未来新型计算机的发展方向，了解我国计算机的发展状况，培养学生树立民族自豪感。

【知识学习】

随着科技的进步以及各种计算机技术、网络技术的飞速发展，计算机的发展又进入了一个快速而崭新的时代。科学家们一直在努力探索新的计算机材料和计算机技术，以便能研究出更快、更好、功能更强的计算机。目前，集成电路的计算机在短期内还不会退出历史舞台。而一些新型的计算机正在加紧的研究中，随着新的元器件及其技术的发展，新型的计算机正朝着巨型化、微型化、智能化和网络化等方向发展，超导计算机、光子计算机、量子计算机、生物计算机、纳米计算机等将会在21世纪走进人们的生活，遍布各个领域。

1.超导计算机

超导计算机是使用超导体元器件的高速计算机。1962年，英国物理学家约瑟夫逊提出了“超导隧道效应”，即由超导体—绝缘体—超导体组成器件，当两端加电压时，电子会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘介质中穿过去，形成微小电流。超导计算机的性能是目前电子计算机无法比拟的，使用约瑟夫逊器件的超导体计算机的耗电量仅为其千分之一，执行一条指令所需的时间也要快100倍。如果有一台中型计算机每小时耗电10 kW，那么，一台超导计算机只需一节干电池就可以工作。

2.光子计算机

现有的计算机是由电子来传递和处理信息的。电子在导线中传播的速度虽然比我们看到的任何运载工具都快，但是，从发展高速计算机的角度来说，采用电子作为信息传输载体还不能满足需求。光子计算机即全光数字计算机，与传统硅芯片计算机不同，光计算机用光束代替电子进行数据传输、运算和存储，与电子计算机相比，光计算机的“无导线计算机”信息传递平行通道密度极大。一枚直径5分硬币大小的棱镜，它的通过能力超过全世界现有电话电缆的许多倍。光子计算机有以下优势：

（1）光信号传输的并行性。光子不带电荷，它们之间不存在电磁场的相互作用。在自由空间中，可平行传播或相互交叉传播，彼此不受干扰。

（2）超高速的运算速度。光子计算机并行处理能力强，因而具有更高的运算速度。

（3）超大规模的信息存储容量和信息传输能力。与电子计算机相比，光子计算机具有超大规模的信息存储容量。

（4）能量消耗小，散发热量低，是一种节能型产品。光子计算机的驱动只需要同类规格的电子计算机驱动能量的一小部分，这不仅降低了电能消耗，大大减少了计算机散发的热量。

许多国家都投入巨资进行光子计算机的研究。随着现代光学与计算机技术、微电子技术相结合，在不久的将来，光子计算机将成为人类普遍的工具。

3.量子计算机(www.xing528.com)

量子计算机利用粒子的量子力学效应，如光子的极化、原子的自旋等，来表示0和1以进行存储和计算。量子元件的使用将可使计算机的工作速度提高1 000倍，而功耗降低到电路大大简化且不易发热，体积大大缩小。

目前电子计算机的基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列；与此类似，量子计算机的基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。

科学家希望在未来研制出通用的量子计算机，这样一来就能够将它们应用在密码分析、药物设计等很多基础和比较深入的领域之中，不仅能够为人们的生活提供便利，而且还能够在一些特殊的领域，发挥出超强的作用。

4.生物计算机

生物计算机是以核酸分子作为“数据”，以生物酶及生物操作作为信息处理工具的一种新颖的计算机模型。生物计算机把生物工程技术产生的蛋白质分子作为原材料制成生物芯片，以波的形式传送信息，传送速度比现代计算机提高上百万倍，能力消耗极小，更易于模仿人脑的功能。生物计算机芯片本身还具有并行处理的功能，其运算速度要比当今最新一代的计算机更快。生物芯片一旦出现故障，可以进行自我修复，所以具有自愈能力。生物计算机具有生物活性，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，并能由人体细胞吸收营养补充能量，因而不需要外界能源。它将成为能植入人体内，成为帮助人类学习、思考、创造、发明的最理想的伙伴。另外，由于生物芯片内流动电子间碰撞的可能极小，几乎不存在电阻，所以生物计算机的能耗极小。

5.纳米计算机

纳米计算机是指将纳米技术运用于计算机领域所研制出的一种新型计算机。“纳米”本是一个计量单位，采用纳米技术生产芯片成本十分低廉，因为它既不需要建设超洁净生产车间，也不需要昂贵的实验设备和庞大的生产队伍。只要在实验室里将设计好的分子合在一起，就可以造出芯片，大大降低了生产成本。纳米计算机的基本元器件尺寸只有几纳米到几十纳米，1微米＝1 000纳米。而现代大规模集成电路上元器件的尺寸约在0.35微米，研究人员另辟蹊跷才能突破0.1微米界，实现纳米级器件。

【知识拓展】

2020年12月4日，中国科学技术大学的潘建伟、陆朝阳等人构建了一台76个光子100个模式的量子计算机“九章”，它处理“高斯玻色取样”的速度比目前最快的超级计算机“富岳”快一百万亿倍。这是由中国科技大学研究团队取得的突破和成果，中科院院士以及科技大学教授在接受采访时表示，目前世界上的电子计算机在处理数据上所使用的方式主要是二进制，就是利用2的n次方进行计算，而这次构造出来的九章量子计算机同样也是如此，数据处理的强度和速度主要就是看n的数值，此次的九章计算机比美国的计算机的n值多23个。

九章量子计算机不仅抢占了国际量子计算机的高地，而且还超过了美国技术100亿倍，这是我国在计算机领域取得的一个非常重大的成就，在国际上也受到了广泛的关注和认可。

另外操作系统是管理计算机软硬件的“大管家”，也是决定其性能的关键技术领域。2021年2月8日，中科院量子信息重点实验室的科技成果转化平台——合肥本源量子科技公司，发布了具有自主知识产权的量子计算机操作系统“本源司南”。专家表示，经测试该操作系统能数倍提升现有量子计算机的运行效率。

量子计算机是国际热点研究领域，目前全球范围内可供使用的量子计算机仅有约50台。在量子计算资源稀缺的情况下，如何高效稳定地发挥算力，成为量子计算发展的新难题。