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突破摩尔法则 分子、DNA、量子光子计算机展望

http://www.sina.com.cn 2001年11月26日 17:17 北京晚报

  文/姜岩

  新闻背景

  DNA计算机诞生了  IBM开发超级“蓝色基因

    以色列科学家在22日出版的《自然》上宣布,他们已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型“生物计算机”,一万亿个这样的计算机仅一滴水那样大。

  以色列魏茨曼研究所的科学家说,他们使用两种酶为计算机“硬件”,DNA为“软件”,输入和输出的“数据”都是DNA链。把溶有这些成分的溶液恰当地混合,就可以在试管中自动发生反应,进行“运算”。

  另据央视国际报道,美国国家核安全管理处LawrenceLivermore实验室和国际商用机器公司(IBM)将共同合作开发一款名为“蓝色基因/L”的超级计算机。IBM“蓝色基因/L”的运算速度可达200万亿次/秒,比当前最强大的超级计算机运算速度提高15倍,相当于现今世界上500台顶级超级计算机运算速度的总和。种种迹象表明,计算机开始悄悄超越自己。

  突破“穆尔法则”

  自从1944年世界上第一台电子计算机诞生以来,计算机技术迅猛发展,CPU的速度越来越快,体积越来越小,价格越来越低。计算机界据此总结出了“穆尔法则”,该法则认为每18个月左右计算机性能就会提高一倍。

  越来越多的专家认识到,在传统计算机的基础上大幅度提高计算机的性能必将遇到难以逾越的障碍,从基本原理上寻找计算机发展的突破口才是正确的道路。很多专家探讨利用生物芯片、神经网络芯片等来实现计算机发展的突破,但也有很多专家把目光投向了最基本的物理原理上,因为过去几百年,物理学原理的应用导致了一系列应用技术的革命,他们认为未来光子、量子和分子计算机为代表的新技术将推动新一轮超级计算技术革命。

  分子计算机

  分子计算机的运行靠的是分子晶体可以吸收以电荷形式存在的信息,并以更有效的方式进行组织排列。凭借着分子纳米级的尺寸,分子计算机的体积将剧减。此外,分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。1998年,最先提出计算化学概念的约翰.A.波普尔教授被授予该年度诺贝尔化学奖,美国《福布斯》杂志将此事和美国政府实施的“加速战略计算计划”实现每秒数万亿次的运算能力并称为两个令人瞩目的里程碑。

  洛杉矶加州大学和惠普公司研究小组曾在英国《科学》杂志上撰文,称他们能通过把能生成晶体结构的轮烷分子夹在金属电极之间,制作出分子“逻辑门”这种分子电路的基础元件。美国橡树岭国家实验所则采用把菠菜中的一种微小蛋白质分子附着于金箔表面并控制分子排列方向的办法制造出逻辑门。这种蛋白质可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。据称基于单个分子的芯片体积可比现在的芯片大大减小,而效率大大提高。

  光子计算机

  光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中,不同波长的光代表不同的数据,这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算,可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。

  美国贝尔实验室宣布研制出世界上第一台光学计算机。它采用砷化镓光学开关,运算速度达每秒10亿次。尽管这台光学计算机与理论上的光学计算机还有一定距离,但已显示出强大的生命力。人类利用光缆传输数据已经有20多年的历史了,用光信号来存储信息的光盘技术也已广泛应用。然而要想制造真正的光子计算机,需要开发出可以用一条光束来控制另一条光束变化的光学晶体管这一基础元件。一般说来,科学家们虽然可以实现这样的装置,但是所需的条件如温度等仍较为苛刻,尚难以进入实用阶段。

  美国马萨诸塞州的一家光学技术公司———光导发光元件系统公司目前正与美国航空航天局马歇尔航天中心合作开发用来制造光学计算机的“光”路板,实现对光子移动的控制,并有望在今年取得突破。1999年5月,在美国西北大学工作的新加坡科学家何盛中领导的一个有20多人的研究小组利用纳米级的半导体激光器研制出世界上最小的光子定向耦合器,可以在宽度仅0.2至0.4微米的半导体层中对光进行分解和控制。

  量子计算机

  把量子力学和计算机结合起来的可能性是在1982年由美国著名物理学家理查德.费因曼首次提出的。随后,英国牛津大学物理学家戴维.多伊奇于1985年初步阐述了量子计算机的概念,并指出量子并行处理技术会使量子计算机比传统的图灵计算机(英国数学家图灵于1936年提出的计算数学模型)功能更强大。

  量子计算机是利用处于多现实态的原子作为数据进行运算。美国、英国、以色列等国家都先后开展了有关量子计算机的基础研究。

  除了传统的量子理论外,科学家认为量子棘轮理论可能引发电子学等领域的革命。据英国《新科学家》周刊报道,量子棘轮(quantumratchet)是一门崭新的科学。通过一个振荡信号或随机变化信号,科学家可以从看似混乱无序的状态中得到可以控制方向的有用运动。借助于让电子从一个电器元件跳跃到另一个电器元件,可以制造出不用电线连接的电子设备。

  虽然分子、光子和量子计算机的研究还处在实验初期阶段。但由于它们具有很高的应用价值,美国、欧洲和日本政府一直投入巨资资助相关研究,预计在未来一二十年内,这几种新型计算机可取得突破性进展。

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