计算机组成原理调研报告-未来计算机计算机科学从诞生之初就是一门得到了快速发展的学科,短短数十年已经得到了惊人的发展但是现有的计算机并不能完全满足人们的需求,我们总是希望能够计算得更多更快,为此一些新型的计算机正在被研究,这些计算机是多学科交叉的产物,虽然在今天还没有取得突破性的进展,但是在不久的将来,它们将会赋予计算机崭新的概念,它们是计算机的未来,我们在这里称呼它们为未来计算机,这些计算机是:超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA计算机、和子计算机等下面分别对其进行介绍,并着重研究量子计算机超导计算机就是用超导技术生产的计算机,超导状态下电流不会被 消 耗,计算机的能耗将会降至很低,同时更重要的是运算速度会得到极大的提升超导现象自被发现以来,就得到了广泛的关注和研究,但是大家都面对着同样的问题,就是超导要求极低的温度,虽然大家一直在寻找着“高温”的超导材料,也取得了一定的进展,但是这些材料的温度仍然要求很低如何找到常温的超导材料并应用约瑟夫逊效应来制造计算机的组件,就是超导计算机需要面临的问题纳米计算机是近年来十分火热的纳米技术的一部分,所谓的纳米计算机也正是利用纳米技术将传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上构成一个系统。
纳米计算机几乎不需要耗费能源而且其性能也将是现在的计算机许多倍,同时芯片的制造将会变得极为简单,不需要洁净的车间、费用高昂的设备和庞大的生产队伍,只需在实验室里将设计好的分子和在一起就可以制造出芯片,生产成本极低光计算机顾名思义就是用光束代替电子进行计算和存储,以不同的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递到另一个芯片光计算机有着自己独特的优点,光器件传输和处理的信息量很大,由于光发生干涉需要频率相同,振动方向一致和有不变的初始相位差等条件,一根光纤中可并行传播许多光波,互相之间不会干涉而且以光传播信息,信息传输过程中畸变和失真小,信息运算速度高,同时光的传输和转换能耗很低,只在产生激光源时需要一定的能DNA计算机是一种生物形式的计算机它是利用DNA(即脱氧核糖核酸)建立的一种完整的信息技术形式,以编码的DNA序列为运算对象,通过分子生物学的运算操作以解决复杂的数学难题DNA分子是一条双螺旋的长链,上面布满了核甘酸,其上拥有四种碱基,分 别 为:腺嚓吟(A X鸟瞟吟(G X胞嗜嚏(C)和胸腺嗜嚏(T DNA分子通过这些核甘酸的不同排列,能够表达出生物体各种细胞拥有的大信息。
我们可以利用DNA能够编码信息的特点,先合成具有特定序列的DNA分 子,使它们代表要求解的问题,然后通过生物酶的作用(相当于加减乘除运算),使他们相互反应,形成各种组合,最后过滤掉非正确的组合而得到的编码分子序列就是正确答案DNA计算机拥有体积小、贮存大、运算快、耗能低、并行性等优点同时我们可以大胆想象,如 果DNA计算机技术成熟了,人机合一将不再是传说,人的大脑本身就是一台自然的DNA计 算 机,可以通过接口来连接DNA计 算 机,成为人脑的外延部分现在由于生物技术水平的限制,DNA计算过程中,前 期DNA分子链的创造和后期DNA分子链的挑选,要 耗 费 相 当 的 工 作 而 且 计 算较 大 时,数以亿计的DNA分子非常复杂在反应过程中很容易发生变质和损伤,甚至试管壁吸附残留都可能发生致命错误因 此,DNA计算机真正进入现实生活尚需时日下面我们着重介绍子计算机子计算机(quantum computer)是一类遵循子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理子信息的物理装置子计算机早先由理查德费曼提出,一开始是从物理现象的模拟而来的他发现当模拟子现象时,因为庞大的希尔伯特空间(是欧几里德空间的一个推广,其不再局限于有限维的情形。
与欧几里德空间相仿,希尔伯特空间也是一个内积空间,其上有距离和角的概念及由此引伸而来的正交性与垂直性的概念)使资料也变得 庞 大,一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观,甚至是不切实际的天文数字理查德费曼当时就想到,如果用子系统构成的计算机来模拟子现象,则运算时间可大幅度减少子计算机的概念从此诞生20世纪60年代至70年 代,人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热,极大地影响了芯片的集成度,从而限制了计算机的运行速度研究发现,能耗来源于计算过程中的不可逆操作,进而入们又发现所有的经典计算机都可以找到与之对应的可逆计算机,而且不影响运算能力,既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作,那么在子力学中,它就可以用一个幺正变换(幺正算符hatU满足$hatUA+hatU=hatUhatUA+=1$,由幺正算符$1122$对态矢量作用导致的变换称为幺正变换)来表示这方面的研究使子计算机概念逐渐成熟在经典计算机中,基本信息单位为比特,运算对象是各种比特序列与此类似,在子计算机中,基本信息单位是子比特,运算对象是量子比特序列所不同的是,量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上,而且还可以处于纠缠态上。
这 些 特 殊 的,子 态,不仅提供了子并行计算的可能,而且还将带来许多奇妙的性质,对经典计算进行了极大的扩充事 实 上,在数学形式上,经典计算可看作是一类特殊的子计算子计算主要都是应用了子相干性,即电子向右自旋和正电子向左自旋的状态是相关联的,彼此有关的子比特 串 列,会作为一个整体动作因 此,只要对一个子比特进行处理,影响就会立即传送到串列中多余的子比特这一特点,正是子计算机能够进行高速运算的关键但是在实际系统中,子相干性很难保持在子计算机中,子比特不是一个孤立的系统,它会与外部环境发生相互作用,导致量子相干性的衰减,即消相干因 此,要使子计算成为现实,一个核心问题就是克服消相干主要的几种子编码方案是:子纠错码、,子避错码和子防错码其中,子纠错码是经典纠错码的类比,是目前研究的最多的一类编码,其优点为适用范围广,缺点是效率不高普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行,子计算机在子比特上进行运算,可以计算和1之间的数值,这是因为在量子的奇异世界中,原子被描述为两种状态的总和,一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和从数学抽象上看,普通计算机执行以元素为基本运算单元的计算,子计算机执行以集合为基本运算单元的计算。
以函数y=f(x),XGA为例子计算的输入参数是定义域A,-步到位得到输出值域B,即B=f(A);经典计算的输入参数是x,得到输出值y,要多次计算才能得到值域B,即y=f(x),xeA,yeBo,子计算机有一个待解决的问题,即输出值域B只能随机取出一个有效值yo虽然通过将不希望的输出导向空集的方法,已使输出集B中的元素远少于输入集A中的元素,但当需要取出全部有效值时仍需要多次计算子计算机在密码破解上有着巨大潜力,这也是量子计算机能够成为热门话题的原因之一1994年彼得秀 尔(Peter Shor)提出了子质因子分解算法,其对于通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁使用传统计算机,要破解这一加密算法,花费时间为指数时间,而为子计算机身定做的秀尔算法可以在多项式时间内进行整数因式分解或者离散对数计算,从而为RSA、离散对数加密算法的破解提供可能此外子计算机还可以用来做子系统的模拟,人们一旦有了子模拟计算机,就无需求解薛定谓方程或者采用蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值计算,便可精确地研究量子体系的特征2012年诺贝尔物理学奖获得者法国物理学家塞尔日阿罗什和美国物理学家戴维瓦恩兰用突破性的实验方法使单个粒子动态系统可被测量和操作。
我们有理由相信,子计算机已经离我们不远综上所述,在我们坚持不懈的努力下,未来的世界必将因计算机技术的发展而产生翻天覆地的变化,传统计算机的概念也将得到颠覆,未来的世界一定更加丰富多彩。