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2015-11-12  三秋树770

计算机未来发展趋势

随着计算机技术的发展,PC将成为我们工作上的 工具,生活中的控制中心是必然的事情。计算机的未来 充满了变数。性能的大幅度提高是不可置疑的,而实现 性能的飞跃却有多种途径。不过性能的大幅提升并不是 计算机发展的唯一路线,计算机的发展,还应当变得越 来越人性化,同时也要注重环保等等。 基于集成电路的计算机短期内还不会退出历史舞 台。但一些新的计算机正在跃跃欲试地加紧研究,这些 计算机是:超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA 计算机和量子计算机等。

超导计算机
芯片的集成度越高,计算机的体积越小,这样才不致因信号传输而 降低整机速度。但这样一来就使机器发热严重。解决问题的出路是研 制超导计算机。 电流在超导体中流过时,电阻为零,介质不发热。 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—超导体组成的器件(约瑟夫逊元件),当对其两端加电 压时,电子就会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘介质穿过,形成微小 电流,而该器件两端的压降几乎为零。与传统的半导体计算机相比, 使用约瑟夫逊器件的超导计算机的耗电量仅为其几千分之一,而执行 一条指令所需的时间却要快100倍。 1999年11月,日本超导技术研究 所与企业合作,制作了由1万个约瑟夫逊元件组成的超导集成电路芯 片。据悉,该所定于2003年生产这种超导芯片,2010年前后制造出这 种超导计算机。

纳米计算机
在纳米尺度下,由于有量子效应,硅微电子芯片便不能工 作。其原因是这种芯片的工作,依据的是固体材料的整体 特性,即大量电子参与工作时所呈现的统计平均规律。如 果在纳米尺度下,利用有限电子运动所表现出来的量子效 应,可能就能克服上述困难。可以用不同的原理实现纳米 级计算,目前已提出了四种工作机制: (1)电子式纳米计算技术; (2)基于生物化学物质与DNA的纳米计算机; (3)机械式纳米计算机; (4)量子波相干计算。它们有可能发展成为未来纳米计算 机技术的基础。

光子计算机
与传统硅芯片计算机不同,光计算机用光束代替电子进 行计算和存储:它以不同波长的光代表不同的数据,以大 量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个 芯片。研制光计算机的设想早在20世纪50年代后期就已提 出。1986年,贝尔实验室的戴维.米勒研制成功小型光开 关,为同实验室的艾伦.黄研制光处理器提供了必要的元 件。1990年1月,黄的实验室开始用光计算机工作。光计 算机有全光学型和光电混合型。上述贝尔实验室的光计算 机就

采用了混合型结构。相比之下,全光学型计算机可以 达到更高的运算速度。研制光计算机,需要开发出可用一 条光束控制另一条光束变化的光学“晶体管”。现有的光 学“晶体管”庞大而笨拙,若用它们造成台式计算机将有 辆汽车那么大。因此,要想短期内使光学计算机实用化还 很困难。

光 子 计 算 机

1994年11月,美国南加州大学的阿德勒曼博士用DNA碱基对 序列作为信息编码的载体,在试管内控制酶的作用下,使DNA碱 基对序列发生反应,以此实现数据运算。阿德勒曼在《科学》 上公布了DNA计算机的理论,引起了各国学者的广泛关注。阿德 勒曼的计算机的计算与传统的计算机不同,计算不再只是简单 的物理性质的加减操作,而又增添了化学性质的切割、复制、 粘贴、插入和删除等种种方式。 DNA计算机的最大优点在于其 惊人的存储容量和运算速度:1立方厘米的DNA存储的信息比一 万亿张光盘存储的还多;十几个小时的DNA计算,就相当于所有 电脑问世以来的总运算量。更重要的是,它的能耗非常低,只 有电子计算机的一百亿分之一。 与传统的“看得见、摸得着” 计算机不同,目前的DNA计算机还是躺在试管里的液体。它离开 发、实际应用还有相当的距离,尚有许多现实的技术性问题需 要去解决。如生物操作的困难,有时轻微的振荡就会使DNA断裂; 有些DNA会粘在试管壁、抽筒尖上,从而就在计算中丢失了预计, 10到20年后,DNA计算机才可能进入实用阶段。

DNA计算机

DNA DNA 计





DNA DNA DNA DNA 计 算 机 在 与 人 对 玩 游 戏 中 取 胜

量子计算机
量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存, 利用原子的量子特性进行信息处理。由于原子具有在同一时间 处于两个不同位置的奇妙特性,即处于量子位的原子既可以代 表0或1,也能同时代表0和1以及0和1之间的中间值,故无论从 数据存储还是处理的角度,量子位的能力都是晶体管电子位的 两倍。对此,有人曾经作过这样的比喻:假设一只老鼠准备绕 过一只猫,根据经典物理学理论,它要么从左边过,要么从右 边过,而根据量子理论,它却可以同时从猫的左边和右边绕过 量子计算机在外形上有较大差异,它没有盒式外壳;看起来像 是一个被其它物质包围的巨大磁场;它不能利用硬盘实现信息 的长期存储;但高效的运算能力使量子计算机具有广阔的应用 前景。 如何实现量子计算,方案并不少,问题是在实验上实 现对微观量子态的操纵确实太困难了。这些计算机机异常敏感, 哪怕是最小的干扰--比如一束从旁边经过的宇宙射线--也会改 变机器内计算原子的方向,从

而导致错误的结果。目前,量子 计算机只能利用大约5个原子做最简单的计算。要想做任何有 意义的工作都必须使用数百万个原子

← Orion量子计算机

← 用于将量子计算机冷却在5K 温度下的散热装置

集成了16个量子 比特的计算机 →

人工智能的发展前景
人工智能是人造的智能,是计算机科学、 逻辑学、认知科学交叉形成的一门 科学。其基本目标就是使机器表现 出类似人类的智慧,使机器具有类 似人类的智能行为,使机器思维 (Making Machine“Think”)。智能 接口技术是研究如何使人们能够方 便自然地与计算机交流。为了实现 这一目标,要求计算机能够看懂文 字、听懂语言、说话表达,甚至能 够进行不同语言之间的翻译,而这 些功能的实现又依赖于知识表示方 法的研究。
因此,智能接口技术的研究既有巨大的应用价值,又有基础的理论意义。目前, 智能接口技术已经取得了显著成果,文字识别、语音识别、语音合成、图像识别、 机器翻译以及自然语言理解等技术已经开始实用化。

未来计算机的发展方向
随着计算机信息技术渗透到经济社会生活的各个领域,世界正逐步进 入到以信息产业为主导的新经济时代,互联网、移动电话、卫星网络 的发展,对人类经济社会将产生巨大的影响。到2020年,计算机将具 备各种基本感觉功能,包括听、说、看、嗅、触等,这是我们目前正 在研究的方向。 对计算机未来的发展,能概括为三个方面:一是向“高”的方向。性 能越来越高,速度越来越快。主要表现为计算机的主频越来越高;二 是向并行处理发展。器件速度通过发明新器件,如量子器件,采用纳 米工艺、片上系统等技术还可以提高几个数量级。以大规模并行为标 志的体系结构的创新与进步,是提高计算机系统性能的另一重要途径; 第三个方向便是“深”度发展,即向信息的智能化发展。例如,网上 有大量的信息,怎样把这些浩如烟海的东西变成你想要的知识,这是 计算科学需要解决的重要课题,这不是简单地点击一个网站,里面就能 搜索到与其相匹配的内容,而是需要计算机将收集到的知识系统化。 人机界面也将变得更加智能友好——未来你可以用你的自然语言与计 算机打交道,甚至可以用你的表情、手势等各种方式同时与计算机进 行沟通。

人机间的生理界限将消失
早在今年年初,微软董事长比尔?盖茨在接受英国广播公司采访时曾 预言,电脑键盘和鼠标将会被更新换代,在未来5年内逐步被更为自 然、更直观性的科技手段代替,触摸式、视觉型以及声控界面会被广 泛应用。然而事物的发展是否真能如人所愿呢? 有多项

计算机发明的发明人、留日学者邱波认为,常规媒介有很大的 局限性,例如鼠标外接于主机,在操作时由于键盘与鼠标(或手写板) 分离,需要频繁的移动前臂,工作效率低,同时携带也不方便。随着 电脑、电视、手机、PDA等的融合趋势越来越明显,新一代人机交互 系统孕育而生,如触摸式、视觉型以及声控界面都将被广泛应用到计 算机领域。 因此,当人机交互装置从“鼠标键盘时代”走向“触摸式”、“声控 界面”或“视觉型”时,人机之间的生理界限将逐步消失,乃至彻底 消失。到那个时候,人类可以直接通过语言和机器进行控制和交流, 甚至只需要一个眼神、一个手势,计算机就能很快做出反应,见机行 事。另外,在未来,一些超微型的计算机系统将被植入人体,充当人 的感觉、生理器官,由此计算机与人会复合成一体,界限消失。

不用键盘,扔掉鼠标,能辨声识像的未来电脑将带 来一种新的人机交流模式。微软最近的一项分析报告描绘 出了计算机新的未来之路——人与计算机之间的生理界限 将在10年后彻底消失。那么——未来十年,计算机将怎样 与您亲密接触 呢。 最近,美国微软公司发布了一项题为《人类的本质:2020 年的人机交互》的分析报告,称人与计算机之间的生理界 限将在10年后彻底消失,与此同时,人类对技术的依赖将 有所增强,人们日常使用的鼠标、键盘和显示器等常规媒 介将发生变化,变成更为直观的媒介,例如触摸屏输入系 统和声音识别系统。那么,到了2020年,计算机将发展到 什么程度?人机之间的生理界限会真的消失吗?

未 来 专 触 摸 化 屏 的 识 别 和 显 示 精 度 也 将 大 幅 度 提 高 势 , 趋 的 化 屏 幕 和 大 化 体 、 立 化 体 媒 、 多 业 出

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语音识别技术有待突破 如果从声音识别系统的发展来看,要达到 “人与计算机之间的生理界限彻底消失” 目前困难较大。声音识别系统是人与机器 交流最自然的方式,然而这方面的研究目 前在全世界还是难题,技术突破还有困难。 不同的声音识别需要经过特定而长期的训 练,如今只能达到有限思维、特定词汇量、 特殊群体的特定语音识别。到2020年,语 音识别技术会发展到何种程度还很难预测。

随身可穿戴的数码产品
穿戴机实际上是指新一代个人移动计算机系统和 数字化产品。携带和使用这种产品非常方便,特 别适合室外和机动场合下应用,具有许多独特功 能。现在的可穿戴机已经能做到衣服内部,使计 算机就如同衣服般附着在人体上。有的可穿戴机 被做成手表、背包、戒指、发卡等人们随身佩戴 的小饰品形式。佩戴这些小饰品可以帮助打台球 的人准确测定角度与力度,不会跳舞的人佩戴这 些小饰品能知道该怎么走舞步。有人还试图将可 穿戴机压缩成片,将计算机芯片植入人体的表皮 之下,后来由于安装不便放弃了,但这在以后极 有可能成为现实。

穿越时空“自由办公” 穿越时空“自由办公”
“一个互相联系的数码媒介意味着,人类可以从所处的任何 地方与世界各地取得联系。那种身处工作场所与在家之间 的区别将不复存在,私人时间和工作时间的区别也将随之 消失。”美国微软公司在最近题为《人类的本质:2020年 的人机交互》的报告中指出。通过无线、有限网络,人们 可以随时随地发电子邮件,从所处的任何地方和世界各地 视频通话、取得联系,让世界变的“零距离”。这种“自 由办公”在我们身边其实已有存在,“在日本,有一些做 保证金和股票交易的工作人员,提着笔记本电脑自由办公, 因为职业需要,他们必须随时随地与外汇市场或股票市场 保持实时联系。”

神奇的神经计算机
模仿人类大脑功能的神经计算机已经开发成功,它标志着电子计算机的 发展进入第六代。第六代电子计算机是模仿人的大脑判断能力和适应能 力,并具有可并行处理多种数据功能的神经网络计算机。与以逻辑处理 为主的第五代计算机不同,它本身

可以判断对象的性质与状态,并能采 取相应的行动,而且它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 大脑却具有能处理支离破碎,含糊不清信息的灵活性,第六代电子计算 机将类似人脑的智慧和灵活性。电子计算机的发展已经进入了第六代, 这种发展可能仅仅是刚起步,前途没有止境。 人脑有140亿神经元及10亿多神经键,每个神经元都与数千个神经元交 叉相联,它的作用都相当于一台微型电脑。人脑总体运行速度相当于每 秒1000万亿次的电脑功能。用许多微处理机模仿人脑的神经元结构, 采用大量的并行分布式网络就构成了神经电脑。神经电脑除有许多处理 器外,还有类似神经的节点,每个节点与许多点相连。若把每一步运算 分配给每台微处理器,它们同时运算,其信息处理速度和智能会大大提 高。

未来计算机猜想
未来的计算机,首 先便携性将非常突 出,大小估计只是 我们现在的 IPHONE那么大, 但却具有计算机的 所有功能。因为未 来计算机将随时随 地被大家所需要, 他将集成我们生活 中基本应用的所有 需求。打电话、上 网联通等功能都将 是基本功能,经过 加密的计算机还将 是我们所有电子资 料的储存器。

未来的计算机将不再有显示屏,移动设备越小, 也就意味着计算机将变得越来越小,而越小的计 算机可视面积必将会变得更小,超别携也就必须 牺牲相应的可视面积。然而未来随着投影技术的 发展,我们曾经在科幻电影里看到的,将计算机 投影到空气中的技术将得到广泛应用。我们像手 机一样大小的计算机,将不再需要显示屏,而显 示的内容将以一个非常小的镜头投影到空气之中, 或者人们可以戴着特殊的眼镜,作为显示屏,那 样我们不但能拥有超级小的主机,而且还能极大 地提高视觉效果。

人机交互将不再依赖于鼠标和键盘,从01编码输入到键盘 鼠标可谓是计算机人机交互的一种革新,但如果我们的计 算机像手机那么小了,我们却还需要携带巨大的鼠标键盘, 或者依靠像手机键盘那么小的输入设备极其困难的输入, 那将对我们的应用造成非常大的麻烦。所以我们的科学家 已经看到了这个问题,并将人机交互作为一个重点研究对 象。这次IDF,从人机交互上,发布了两项新技术,一个 是人们可以通过一根笔,在投影屏幕上只有点击控制计算 机,同时也通过手写输入,很好的将文字内容命令输入计 算机。另外就是发布了一个能感知人脑的设备,计算机可 以通过这个感知设备,明白人脑的想法。我相信未来,这 个技

术将大行其道,并取代键盘鼠标。人脑和电脑将实现 最终的对接沟通,不再需要人脑通过神经在通过手的动作, 然后敲击键盘移动鼠标来实现相应的命令,输入到电脑里 面。无缝对接以后,我们脑子想什么,电脑就能完全根据 我们所想,做出相应的反馈。

计算机不再需要电源线,在这次的IDF上,贾斯汀发布了 无线电源这个装置,将来的计算机进入机场或者房间,它 不再需要电池供电,反而能给电池充电!根据麻省理工学 院的物理学家们提出的原理,英特尔研究人员一直在研究 无线共振能量链接(WREL)技术。贾斯汀演示了无需任 何插头或电线即可点亮60瓦电灯泡的精彩一刻,完全可以 满足一般笔记本电脑的电源需求。WREL的魅力在于它能 够安全、高效地实现无线供电。这一技术依靠一组强力耦 合共振器,其原理类似于一位训练有素的歌手用嗓音振碎 一个玻璃杯。当遇到接收共振器的自然频率时,能量就会 被有效吸收,其原理与玻璃杯吸收符合其自然频率的声能 一样。如果该技术得以实现,那么便携电脑在距离发射共 振器几英尺远的地方就可以进行电池充电。虽然还有很多 工程难题需要解决,但是我想未来的计算机肯定不再需要 任何电线进行充电,要不就是依靠这种技术,不再携带电 源,或是利用太阳能、动能等相关技术剪掉计算机最后的 尾巴。

未来的便携计算机将像变形金刚那样能够随意变形和变色。 现在已经有很多技术人员正在研究一种材料,它可以随意 进行物理重组,这种材料可以根据人的喜好随意改变外形 和颜色。我想如果这种材料一旦能够研究成功,必将给计 算机外形带来一个质的飞跃,不知道那个时候,以外观吸 引人的apple公司是否还有生存空间。因为人们可以完全 靠自己的创意来定制计算机,甚至根据每天的心情、灵感 以及放入口袋,并且可以随意调整为手机或者耳机的形状, 来便于各项应用。当然这种技术一定意义上还只是存在于 想象之中,但也有了一些新的突破。贾斯汀认为尽管整个 探索性研究过程将充满艰辛,但仍稳步向前。他首次演示 了运用光蚀刻法,也就是现在用以生产硅芯片的技术,制 造一种微型硅半球的新颖技术。这种微型硅半球是实现功 能型Catom智能部件的基本构建模块之一,它可以更方便 地将必要的计算和机械元件集成在一个不足1毫米的微型 封装中。该技术符合现今大批量生产的要求,从而有望在 未来实现我上面描述的现象。

英特尔研究人员也在研究如 何利用数以百万的、被称为 “Catom”微型智能部件来制 造可改变形状的材料。如果 用来代替计算设备的外

壳、 显示屏和键盘等部件所使用 的现有材料,该技术将能够 改变设备的物理形状以适应 特定的使用方式。例如,需 要放入口袋时,移动计算机 的体积就可以缩小,需要用 作手机时就能变成耳机的形 状,而在浏览互联网或观看 电影时形状就能变得更大更 平整、还能变出键盘方便使 用。

各种概念计算机

谢谢观赏


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