从图灵机到冯·诺依曼机.txt

计算概论阅读材料

　　
光子计算机
　　光子计算机可能是这三种新技术中最接近传统的一种。几十年
来，这种技术已经得到了有限的应用，尤其是在军用信号处理方面。
　　在光子计算技术中，光能够像电一样传送信息，甚至传送效果
更好，，光束在把信息从一地传送至另一地的效果要优于电，这也就
是电话公司利用光缆进行远距离通信的缘故。光对通信十分有用的
原因，在于它不会与周围环境发生相互影响，这是它与电不同的一
点。两束光线可以神不知鬼不觉地互相穿透。光在长距离内传输要
比电子信号快约100倍，光器件的能耗非常低。
预计，光子计算机的运算速度可能比今天的超级计算机快1000到
10000倍。
　　令人遗憾的是，正是这种极端的独立性使得人们难以制造出一
种全光子计算机，因为计算处理需要利用相互之间的影响。要想制
造真正的光子计算机，就必须开发出光学晶体管，这样就可以用一
条光束来开关另一条光束了。这样的装置已经存在，但是要制造具
有适合的性能特征的光学晶体管，还需要仰仗材料科学领域的重大
突破。

生物计算机
　　与光子计算技术相比，大规模生物计算技术实现起来更为困难，
不过其潜力也更大。不妨设想一种大小像柚子，能够进行实时图像
处理、语音识别及逻辑推理的超级计算机。这样的计算机已经存在：
它们就是人脑。自本世纪70年代以来，人们开始研究生物计算机（也
叫分子计算机），随着生物技术的稳步发展，我们将开始了解并操纵
制造大脑的基因学机制。
　　生物计算机将具有比电子计算机和光学计算机更优异的性能。
如果技术进步继续保持目前的速度，可以想像在一二十年之后，超
级计算机将大量涌现。这听起来也许像科幻小说，但是实际上已经
出现了这方面的实验。例如，硅片上长出排列特殊的神经元的“生
物芯片”已被生产出来。
　　在另外一些实验室里，研究人员已经利用有关的数据对ＤＮＡ
的单链进行了编码，从而使这些单链能够在烧瓶中实施运算。这些
生物计算实验离实用还很遥远，然而1958年时我们对集成电路的看
法也不过如此。

量子计算机
　　量子力学是第三种有潜力创造超级计算革命的技术。这一概念
比光子计算或生物计算的概念出现得晚，但是却具有更大的革命潜
力。由于量子计算机利用了量子力学违反直觉的法则，它们的潜在
运算速度将大大快于电子计算机。事实上，它们速度的提高差不多
是没有止境的。一台具有5000个左右量子位的量子计算机可以在大
约3 0秒内解决传统超级计算机需要100亿年才能解决的素数问题。
　　眼下恰好有一项重要的用途适合这种貌似深奥的作业。通过对
代表数据的代码进行加密，计算机数据得到保护。而解密的数学“钥
匙”是以十分巨大的数字——一般长达250位——及其素数因子的
形式出现的。这样的加密被认为是无法破译的，因为没有一台传统
计算机能够在适当的时间里计算出如此巨大数字的素数因子。
但是，至少在理论上，量子计算机可以轻易地处理这些素数加
密方案。因此，量子计算机黑客将不仅能够轻而易举地获得常常出
没于各种计算机网络（包括因特网）中的信用卡号码及其他个人信
息，而且能够轻易获取政府及军方机密。这也正是某些奉行“宁为
人先、莫落人后”这一原则的政府机构一直在投入巨资进行量子计
算机研究的原因。

量子超级网络引擎
　　量子计算机将不大可能破坏因特网的完整性，不仅如此，它们
到头来还可能给因特网带来巨大的好处。两年前，贝尔实验室的研
究人员洛夫·格罗弗发现了用量子计算机处理我们许多人的一种日
常事务的方法———搜寻隐藏在浩如烟海的庞大数据库内的某项信
息。寻找数据库中的信息就像是在公文包里找东西一样。如果各不
相同的量子位状态组合分别检索数据库不同的部分，那么其中的一
种状态组合将会遭遇到所需查找的信息。
　　由于某些技术的限制，量子搜索所能带来的速度提高并没有预
计的那么大，例如，如果要在1亿个地址中搜索某个地址，传统计
算机需要进行大约5000万次尝试才能找到该地址；而量子计算机则
需大约1万次尝试，不过这已经是很大的改善了，如果数据库增大
的话，改善将会更大。此外，数据库搜索是一种十分基础的计算机
任务，任何的改善都很可能对大批的应用产生影响。
　　迄今为止，很少有研究人员愿意预言量子计算机是否将会得到
更为广泛的应用。尽管如此，总的趋势一直是喜人的。尽管许多物
理学家————如果不是全部的话———一开始曾认为量子力学扑
朔迷离的本性必定会消除实用量子计算技术面临的难以捉摸而又根
深蒂固的障碍，但已经进行的深刻而广泛的理论研究却尚未能造就
一台实实在在的机器。
　　那么，量子计算机的研究热潮到底意味着什么？计算技术的历
史表明，总是先有硬件和软件的突破，然后才出现需要由它们解决
的问题。或许，到我们需要检索那些用普通计算机耗时数月才能查
完的庞大数据库时，量子计算机才将会真正开始投入运行。
研究将能取代电子计算机的技术并非易事。毕竟，采用标准微处理
器技术的并行计算机每隔几年都会有长足的进步。因此，任何要想
取代它的技术必须极其出色。不过，计算技术领域的进步始终是十
分迅速的，并且充满了意想不到的事情。对未来的预测从来都是靠
不住的，事后看来，那些断言“此事不可行”的说法，才是最最愚
蠢的。
	
	
除了超级计算机外，未来计算机还会在哪些方面进行发展呢？

多媒体技术
　　多媒体技术是进一步拓宽计算机应用领域的新兴技术。它是把
文字、数据、图形、图像和声音等信息媒体作为一个集成体有计算
机来处理，把计算机带入了一个声、文、图集成的应用领域。多媒
体必须要有显示器、键盘、鼠标、操纵杆、视频录象带／盘、摄象
机、输入／输出、电讯传送等多种外部设备。
多媒体系统把计算机、家用电器、通信设备组成一个整体由计算机
统一控制和管理。多媒体系统将对人类社会产生巨大的影响。

网络
　　当前的计算机系统多是连成网络的计算机系统。所谓网络，是
指在地理上分散布置的多台独立计算机通过通信线路互连构成的系
统。根据联网区域的大小，计算机网络可分成居域网和远程网。小
至一个工厂的各个车间和办公室，大到跨洲隔洋都可构成计算机网。
因特网将发展成为人类社会中一股看不见的强大力量－－它悄无声
息地向人们传递各种信息，以最快、最先进的手段方便人类的工作
和生活。现在的因特网发展有将世界变成“地球村”的趋势。
　　专家认为PC机不会马上消失，而同时单功能或有限功能的终端
设备（如手执电脑、智能电话）将挑战PC机作为计算机革新动力的
地位。把因特网的接入和电子邮件的功能与有限的计算功能结合起
来的“置顶式”计算机如网络电视将会很快流行开来。单功能的终
端最终会变得更易应用

智能化计算机
　　我们对大脑的认识还很肤浅，但是使计算机智能化的工作绝不
能等到人们对大脑有足够认识以后才开始。使计算机更聪明，从开
始就是人们不断追求的目标。目前用计算机进行的辅助设计、翻译、
检索、绘图、写作、下棋、机械作业等方面的发展，已经向计算机
的智能化迈进了一步。
随着计算机性能的不断提高，人工智能技术在徘徊了50年之后终于
找到了露脸的机会，世界头号国际象棋大师卡斯帕罗夫向“深蓝”
的俯首称臣，让人脑第一次尝到了在电脑面前失败的滋味。人类从
来没有像今天这样深感忧惧，也从来没有像今天这样强烈地感受到
认识自身的需要。
　　目前的计算机，多数是冯·诺依曼型计算机，它在认字、识图、
听话及形象思维方面的功能特别差。为了使计算机更加人工智能化，
科学家开始使计算机模拟人类大脑的功能，近年来，各先进国家注
意开展人工神经网络的研究，向计算机的智能化迈出了重要的一步。
　　人工神经网络的特点和优越性，主要表现在三个方面：
具有自学功能。六如实现图象识别时，只要线把许多不同的图象样
板和对应的应识别的结果输入人工神经网络，网络就会通过自学功
能，漫漫学会识别类似的图像。自学功能对于预测有特别重要的意
义。预期未来的人工神经网络计算机将为人类提供同经济预测、市
场预测、效益预测、其前途是很远大的。
　　具有联想储存功能。人的大脑是具有两厢功能的。如果有人和
你提起你幼年的同学张某某。，你就会联想起张某某的许多事情。用
人工神经网络的反馈网络就可以实现这种联想。
　　具有高速寻找优化解的能力。寻找一个复杂问题的优化解，往
往需要很大的计算量，利用一个针对某问题而设计的反馈人工神经
网络，发挥计算机的高速运算能力，可能很快找到优化解。
　　人工神经网络是未来为电子技术应用的新流域。智能计算机的
构成，可能就是作为主机的冯·诺依曼机与作为智能外围的人工神
经网络的结合。

　　人们普遍认为智能计算机将像穆尔定律（1965年提出的预测半
导体能力将以几何速度增长的定律）的应验那样必然出现。提出这
一定律的英特尔公司名誉董事长戈登·穆尔本人也同意这一看法，
他认为：“硅智能将发展到很难将计算机和人区分开来的程度。”但
是计算机智能不会到此为止。许多科学家断言，机器的智慧会迅速
超过阿尔伯特·爱因斯坦和霍金的智慧之和。霍金认为，就像人类
可以凭借其高超的捣弄数字的能力来设计计算机一样，智能机器将
创造出性能更好的计算机。最迟到下个世纪中叶（而且很可能还要
快得多），计算机的智能也许就会超出人类的理解能力。