计算机的现在和未来

摩尔定律会有终结的一天，目前科学家已在探索包括光子计算机、DNA计算机、分子计算机以及量子计算机在内的多种可望取代硅芯片计算机的方案，这些计算机各有特点，但都还不够成熟
【美国《时代》周刊6月19日一期文章】题：未来取代硅的将是什么？（作者  市立纽约学院物理学教授、“超弦”理论创始人之一加来道雄）
决定所有国家经济命运和繁荣的也许是这样一个问题：以硅为基础的计算机技术到2020年后还能继续按照摩尔定律发展吗？摩尔定律是带动着一个万亿美元工业发展的发动机。孩子们理所当然地认为每个圣诞节得到的游戏机几乎总会比去年的快一倍，在这个现象的背后起作用的就是摩尔定律。这也是你为什么能够获得（然后又扔掉）一张数字处理能力超过二战时盟军所有计算机处理能力总和的音乐生日卡的原因。
摩尔定律可能终结
藏在摩尔定律背后的秘密是：芯片制造商大约每18个月就会把挤在指甲壳那么大的硅片里的晶体管数量增加一倍。它们使用的方法是利用紫外线把一些微小的凹槽刻在晶体状的硅上。目前在奔腾芯片里，一根线的宽度一般仅为人头发丝宽度的1／500；绝缘层只有25个原子那么厚。
但是物理学定律认为，这种成倍增长的速度不会永远持续下去。最终，晶体管会变得非常小，小到晶体管的组件将只有几个分子那么大。在这样小的距离里，起作用的将是古怪的量子定律，电子会从一个地方跳到另外一个地方而不穿过这两个地方之间的空间。就像破漏的消防水管中的水，这时电子会越过原子粗细的导线和绝缘层，从而产生致命的短路。
当然，计算机行业里一些悲观的预言家几十年来一直在为摩尔定律鸣响丧钟。正如物理学家卡弗·米德所言：“一直都有杞人忧天式的文章出现。”但是甚至连米德都认为，到2014年物理学定律也许终将给人类带来麻烦。晶体管组件正在迅速达到令人担心的“一点”极限——这时晶体管组件的宽度达到0.1微米而绝缘层只有几个原子厚。去年，英特尔公司的工程师保罗·帕肯在《科学》杂志上公开敲响了警钟，警告摩尔定律可能终结。他说：“目前还没有已知的办法解决这些问题。”
几种替代方案
这句话里的关键词是“已知的”。寻找硅的替代物已成为一场运动；这种材料对计算机科学家来说是梦寐以求的目标。对物理学家来说，创建下世纪硅谷的竞赛已经开始，以下是科学家正在探索的一些理论上的选择方案：●光子计算机
这种计算机使用激光束替代电子。与电线不同的是，光束能够相互穿过，从而使制造三维微处理器成为可能。目前已发明了一种光学晶体管；可是光学组件仍然非常庞大而且笨拙。如果用光学组件制造台式计算机，那么这台计算机将有一辆汽车那样大。●DNA计算机
使用DNA进行计算是目前正在探索的最具有独创性的设计之一，其原理是把绞成两股的分子当成一种生物计算机磁带使用（不同的是计算机使用0和1编码，而DNA使用ATCG四个核酸编码）。这种方法在处理大批量数字方面很有希望。因此，大型银行和机构有朝一日也许会使用它。然而，DNA计算机尽管神奇，却也显得笨拙。因为这种计算机是由一堆装着有机液体的试管组成，不大可能在不久的将来替换便携计算机。●分子计算机和点量子计算机
另外一些新奇的设计包括分子计算机和点量子计算机，这两种计算机分别使用单个的分子和单个的电子代替硅晶体管。但是这两种方法都面临着很大的技术困难，比如原子导线和绝缘层就很难批量生产。目前还不存在切实可行的样机。●量子计算机
最有望从这场竞赛中脱颖而出的黑马是量子计算机，人们有时也称其为“终极计算机”。其设计思想是把一束激光或者电波照射到一些精心排列的像陀螺一般旋转的原子核上。当光或者波从这些原子上反弹时，它会改变其中一些原子核的旋转方向。分析这些旋转发生了什么改变就能够完成复杂的计算任务。
新设计不够成熟
美国的情报机构正在焦急不安地关注着这些新设计的进展。特别是量子计算机，这种机器的运算能力会特别强大，也许有朝一日能够破解中央情报局设计出的最复杂的密码。但是这并不意味着量子计算机马上就会被哪个实验室制造出来，并且令中央情报局束手无策。这些计算机异常敏感。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。
显然，所有这些新设计都还不成熟。大多数仍处于计划阶段，即使是那些有了工作样机的设计也还太粗糙，无法与硅计算机的便利性和有效性竞争
尽管有这些困难，我们还是应该感到一丝慰藉。如果摩尔定律一直持续下去，那么估计到2050年，计算机的运算速度将会远远超过每秒钟500万亿次，这样就会比我们人类聪明很多。进化论认为，只有适者才能生存。当机器人厌烦了接受命令时，它们也许不会像我们对待那些已被我们推向灭绝的物种那样无情，而是向我们显示一些怜悯之心（如果我们还算幸运的话）。也许它们会把我们关入动物园，向我们扔花生并且让我们在笼子里面跳舞。
或许摩尔定律的终结并不是一件坏事。如果这些新奇的设计没有一样能够成功，那么计算机的能力就不会年复一年地增长。这也许是为了我们的自由而付出的一点代价。（完）