“非主流”计算机大盘点

“非主流”计算机大盘点

文/王麟

计算机

1936年,英国数学家阿兰·图灵提出“图灵机”的构想,为现代人工智能奠定了基础;到了1946年,美籍匈牙利数学家冯·诺依曼确定了计算机的体系结构,一直沿用至今。阿兰·图灵和冯·诺依曼因为上述贡献被誉为“计算机之父”。

经过60多年的发展,电脑技术一日千里,摩尔定律驱使着芯片不断更新换代,大规模集成电路的蚀刻尺寸已经接近极限,在不远的将来,传统计算机技术必定会撞到天花板。在危机来临之前,科学家们也在想方设法另辟蹊径,从不同的层面研发全新的计算机技术,以期获得突破,开创更多崭新的计算之路。因此,我们很有必要盘点一下,在传统计算机之外,还有哪些“非主流”的计算机,具备未来发展的潜力。

类脑计算机:模拟人类大脑的运算模式

冯·诺依曼计算机架构的局限

传统的计算机采用冯·诺依曼架构模式,微处理器以极快的速度执行一长串的0和1编程指令,这些指令信息单独存放在内存、处理器以及磁盘驱动器之中,电脑的中央处理器与存储器通过总线连接。当电脑运行之时,大量的数据流在处理器和存储器之间进行中转,消耗掉很多能量,同时总线的带宽有限,随着数据流的不断增加,总线作为繁忙的干线却变成了瓶颈,限制了计算速度的进一步提高。

那么,有没有一种办法,将电脑的耗能降低,同时避开总线带宽不够的瓶颈呢?答案是肯定的,美国计算机芯片业巨头IBM公司研发成功一种类脑芯片,提供了解决问题的方案。

类脑芯片的巨大优势

IBM公司研发成功的这种芯片名叫“TrueNorth”,是完全基于对人类大脑的仿真模拟,也是世界上第一枚耗能极低的神经突触电脑芯片,大小与一张邮票相仿,上面却集成了54亿个晶体管,这是IBM公司在一枚芯片上集成晶体管最多的一次,同时,它还包括100万可编程的神经元和2.56亿可编程的神经突触。虽然类脑芯片与包含1 000亿个神经元以及多达100万亿至150万亿神经突触的人类大脑没法相比,但毕竟计算机技术走出了划时代的关键一步,意义可谓重大。

这种类脑芯片可以做很多事情,诸如用于对石油泄漏进行监控、预告海啸台风等等。千万别小看类脑芯片,普通的计算机执行类似的任务耗能极高,而类脑芯片只需消耗70毫瓦的电量,与一个助听器的耗能相当。除了耗能低之外,类脑芯片还具有认知功能,它可以轻易地从一大堆不同的物品中找出正确的目标,而这种认知能力是传统计算机望尘莫及的。

拟态计算机:解决电脑高耗能的一种办法

快速运算需要付出高昂代价

传统的计算机架构模式,决定了电脑在数据存储和调用过程中要消耗很多能量,比如中国的“天河二号”,每小时耗电量就高达17.8兆瓦,相当于发达地区三线城市全市一小时的照明用电,每天计算机的运行费用高达40万元人民币,真是不折不扣的耗电大户。美国搜索引擎谷歌公司将全世界最大的数据中心建在了达拉斯水电站附近,可以就近保证能源供应,而这个数据中心投入使用后,据说每天会消耗103兆瓦电量,与整个日内瓦的城市用电量相同。可见,计算速度提高的最大代价,就是高昂的耗能成本。

拟态计算机提供了降低能耗的办法

面对计算机高耗能的难题,科学家们也在孜孜不倦地努力寻找解决办法,而中国科学家研究的拟态计算机就是一种可行的措施。所谓“拟态计算机”,指的是“基于拟态计算的主动认知可重构计算体系结构”的计算机。

专业术语比较拗口,简单而言就是,计算机不再僵硬和机械地按照冯·诺依曼架构安排执行任务,而是根据所面对的任务、资源、服务质量、安全要求和时效性等不同,自动感知判断计算资源的忙闲程度,随之变换成合适的结构形态,以获取最高的处理能力,同时降低耗能。根据测算,拟态计算机在执行某类典型工作之时,比传统计算机的效率要提高十几倍到上百倍。同时,科学家们还提出了“拟态安全”的理念,可以有效降低计算机运行风险。

DNA计算机:计算机的另一种发展方向

DNA计算机的设计原理

生物计算机是计算机科学与分子生物学交叉融合的产物,DNA,即脱氧核糖核酸,是生物遗传的物质基础,呈双螺旋结构,由A、G、C、T 4种碱基组成,碱基的排列组合存储着遗传信息,同时DNA链可以通过碱基互补配对形成双链,这种配对具有高度的特异性。而科学家们就是利用碱基特异性配对来研发DNA计算机的,将运算信息排列于DNA上面,利用DNA特异性配对原理来构建不可或缺的“逻辑门”,通过特定DNA片段的互相作用,进而获得计算结果。

DNA计算机的过人之处

DNA计算机芯片以分子为单位,在1平方毫米的面积上,可容纳几亿个电路,远远超过传统的电脑芯片容量;DNA计算机可以通过设置编码,使其具备再生和复制功能,因此不存在损坏和报废一说,理论上可以永久使用下去;DNA计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件,只需很少的能量就能进行化学反应,耗能是传统计算机的十亿分之一,而速度可提高10万倍以上;DNA 作为储存信息的媒介,占用空间有限,是传统计算机的百亿亿分之一;DNA计算机的主要原材料是蛋白质分子,具有生物活性,能够和人体的大脑以及神经系统相连,直接接受大脑的指挥,通过人体细胞吸收营养补充能量,因而不需要外界能源。

量子计算机:最具科幻色彩的超能工具

与类脑计算机、拟态计算机和DNA计算机相比,量子计算机才是最具科幻和未来色彩的技术,当然,它的计算速度之快、建造难度之高,也是前无古人后无来者。传统的计算机通过两种逻辑状态“0和1”作为运算基础,而在量子计算机中,最小的存储单位是量子比特,它除了具备传统计算机的0和1的两种逻辑状态外,还有量子力学特有的叠加态,这种叠加态是任意线性的叠加,它既可以是0态又可以是1态,0态和1态各以一定的概率同时存在。

量子计算机除了特有的叠加性,还有量子并行、量子纠缠以及量子相干性和退相干等特性,这些独特的性质,使其可以展开大规模的并行计算,具备超高速的运算能力。那么,量子计算机运算速度高到何种地步呢?它可以在几秒钟之内将一个250位的数字分解成两个质数的乘积,而传统计算机完成这项工作需要花100万年!

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