纳米计算机有几种.doc

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1、纳米计算机有几种？ 当代计算机硬件的基础是微电子技术，即以硅为主要原材料的大规模集成电路技术。集成电路中能对信息进行加工处理的是执行开关、放大等功能的晶体管，它们是现代计算机中最重要的积木块。一个芯片上能容纳的晶体管越多，计算机的存储能力就越大，计算机能力就越强。 按目前的工艺水平，芯片中晶体管的直径大约为350纳米。1纳米为10亿分之一米，大约相当于10个原子的直径。 纳米计算机指的是其基本元件尺寸仅为几纳米的计算机。如果晶体管再缩小到当前尺寸的百分之一(约3.5纳米)，那么在现在一个晶体管大小的面积上就可容纳 1万多个晶体管，这将大大提高计算速度和集成度。因此，纳米计算机将带来许多新的应用

2、，有着光明的前景。 科学家探索了实现纳米计算机的多种途径，归纳起来有四种可能的技术：电子技术、生物化学技术、机械技术以及量子技术。 电子纳米计算机 由于电子计算机有着50多年广泛深入的研究和工业制造经验，电子式纳米计算机可能会是现代计算机继续发展并且最容易达到的下一个目标。 自1948年晶体管发明以来，固态电子学进展迅速，计算机的容量和速度大大提高。在过去的40多年中，集成电路芯 片上的晶体管密度呈指数增长，但是晶体管的工作原理却没有根本的改变。按目前的小型化发展速度，估计在21世纪早期，传统晶体管技术将达到最小尺寸极限。 在这样小的尺度内，诸如电子隧道穿透(即隧穿)等量子力学效应将起主要作用

3、，从而使半导体器件的工作机理发生变化。为保持计算速度和存储容量仍以现有的速 率提高，必然要求晶体管技术有所变革，这就是纳米计算机引起关注的原因。 电子纳米计算机仍然是以电子储存和运动来处理信息。作为晶体管的替代物，许多新的纳米级器件都采用量子效应来控制电子的运动，以便避开对体效应晶体管过度缩小的做法。 量子点(Quantum dot)和单电子晶体管(Single-Electron Transistor)控制少量电子隧穿附近栅极电场的位置阱，表现了类似于微电子学晶体管的开关与放大作用。目前固态量子点可小到30纳米，将来还可能 做得更小。量子点器件的灵敏性也达到了单个电子电荷量级。利用量子力学效应

4、的其他电子纳米器件，如共振隧穿器件(resonant tunneling device, RTD)也被提出并进行了实验性的加工制造。RTD与传统的微电子学结合可构成微米纳米混合式电子逻辑电路。这些革新的器件使得有可能制造出更加密集 的逻辑电路。最近提出的、更具创新意义的器件概念还有由量子点排成的量子点点格(Quantum-dot Cell)和无连线的点格自动机(Wireless Cellular Automata)。 上面介绍的大多数量子效应纳米器件制造方法仍沿用了微电子学固态结构的加工方式，只是尺寸更小，工作原理不同。 还有一种利用分子技术制造纳米级电子器件的新颖方法，被称为分子电子学。分子

5、电子学器件可以做得比固态纳米电子器件更小、更精确。现行技术制造的大多数固 态量子效应器件的一个大问题是它们只能在低温下工作。如果能用单个的分子或一个较大分子中的一些小功能团来构成纳米电子器件，那么它们将会比现在的器件小 得多，量子点的工作温度也可以提高到室温甚至更高。 最早提出的分子电子器件是1974年Aviran和Ratner的分子整流器。它由一个单分子构成，可使电流按 指定的方向流过，展示了近乎理想的二极管特性。最近，Tour教授和他的同事们基于Aviram的思路，在制作和测试原型分子电子结构方面取得了进展。他 们成功地制作和测试了首例能够完成某些功能的分子线功能分子线(functioni

6、ng molecular wire)非常可能具有分子晶体管的功能。 在理论研究方面，最近有人根据电子传递机理提出了分子移位寄存器的概念,日本的一个研究组模拟了原子级开关,也 有人合成了分子往复开关(Molecular Shuttle Switch)。Exler和Marke基于电子在外加旋转电场中所作的原子范围螺旋式运动，提出了一个不寻常的结构，他们称之为螺旋逻辑电路。所有这些 思路都有可能成为未来纳米电子计算机的基础。 生物化学纳米计算机 概括地说，生物化学计算机是通过形成和断开化学键来处理信息，它将逻辑态或信息存储在合成的化学结构(如分子)内。化学纳米计算机有选择地在尺度仅几纳米的分子间进行

7、这样的操作。 制造这类基于仿生想法的生物化学计算机似乎还很遥远，因为人们对动物脑及神经系统的活动(信息加工、处理、存储) 机理还知之甚少。正因为如此，目前基于生物化学机理的计算机研究还十分有限。其中的一类是将自然界中某些生化物质进行一些改造，用于某些计算过程。 Adelman基于DNA的计算及Birge基于菌视紫质的数据存储属于这种类型。另一类是培养和利用活体组织来实现某些计算目的。 * 基于DNA的计算机 1994年，L.Adlman利用DNA的片段去求解一个复杂的图论问题，可以算是向化学或人造生物化学计算机迈 出了一大步。他用DNA分子非基序列代表一个网络或图的顶点。试管中生化反应产生的大

8、量平行动作随机地形成了DNA非基序列，这些序列的复合画出了图中的 任意路径。利用这种生化工具，Adleman能从产物DNA链所代表的许多任意路径中得到图论问题的正确答案。 像具有多个处理器的计算机那样，这类DNA计算机能同时考虑一个问题的许多解。而且，在一个1023的计算机 中，所用DNA链数比当前最大规模的并行超级电子计算机的处理器数目多几个数量级，密集度也高得多。Adleman的上述研究结果使得化学纳米计算机成为 目前正在探索研究的四类纳米计算机中惟一进行了实际计算演示的一种。 Adleman的方法是针对求解组合问题而设计的。而最近Princefon大学的Lipton等的研究则展示了这种方

9、法有可能被用于更广泛的数学计算。当然，还有诸如快速、有效的输入输出等许多难题需要解决，才可能使这一有希望的新方法用于通常的计算问题。 尽管如此，Adleman的发现激发了巨大的创新活力，促进了以往不相往来的研究团体（如分子遗传学家和计算机科学家）之间的交流。研究这些大规模并行计算方法对拓宽理论计算科学家的思路也大有益处。 * 基于菌视紫质的数据存储 将生化物质用于计算的另一个建议是Syracuse大学的R.Birge等人于1994年提出的，利用某些嗜盐细 菌产生的、对可见光灵敏的一种蛋白质菌视紫质(bacterior hodopsin)进行光存储。他们的研究表明，这种蛋白质分子有极高密度的光存

10、储能力，而且可将其集成到计算机内，构成一个混合器件，功能比通常的电子 器件要强大得多。 * 小规模生化过程的计算应用 另一种纳米计算方法是将小规模的生物化学过程用于计算目的。代表人物是美国海军研究实验室的D.Stenger和 SAIC(Science Application International Corporation)的J.Hickman。他们培养和连接活体神经细胞去构造一个生物电子计算机。他们认为这类计算机将适用于图形识别。 机械纳米计算机 机械式纳米计算机类似于微型Babbage马达，利用分子大小的活动连杆和分子大小的绕轴承旋转的齿轮进行计算。 纳米技术的先驱E.Drexler和R

11、.Merkle等人热衷于纳米计算机的设计。他们的构思源自于诺贝尔奖获得 者、物理学家Richard Feynman 1959年的一篇题为“Theres Plenty of Room at the Bottom”的演讲。Feynman指出:微型机器不违背任何已知的物理原理。 Drexler和Merkle认为，可以用机械方法将原子或分子像摆积木元件一样逐个地安放，即所谓的“机械拼 合过程”，从而组装出微型机器和计算机。一旦组装成功，这种机械纳米计算机就能像一个极度缩微的、可复杂编程的机械计算器那样对比特信息进行运算。那种机 械计算器在20世纪40年代至70年代是办公室常用的工具，早于固态电子计算器

12、的发明。支持这种制造方式的一个重要理由是量子机理表明:分子大小的移动部 件不受摩擦作用的影响。不过，目前要制作这样的纳米机械器件仍有较多的困难。其中一个困难是要求利用扫描隧道显微镜在相对缓慢的过程中逐个地将原子或分子 装配成这些手工式部件。即使可能这样做，这种过程也是烦琐冗长的。要大量、可靠地利用计算机的许多精密部件，将会遇到更多的困难。然而，随着最近研制的能 并行地构建许多纳米级元件的扫描隧道显微镜阵列的改进和完善，这些问题可能会逐渐得到解决。此外，某些立体有择化学反应和化学自组装方式也可能用于帮助实 现这种机械纳米计算机。 量子纳米计算机 量子纳米计算机的构想是：在由众多纳米级元件构成的体

13、系内，这些纳米级元件有着多元的相干性量子态，可以利用与这些纳米级元件相关的量子波之间的相干性物理机理来实现大规模的并行计算。 这种量子计算机将1比特信息表示为其内某个元件的一个量子态，例如一个原子的自旋取向。按照量子机理，一个体系内 的每一个纳米元件的某个量子态可用一个波来描述。这些量子物质波与光波相似，只是它们的波长要短得多，与量子化元件的动量成反比。这些仅几纳米长的量子波 能被方便地利用和操纵。精心地预先设定量子体系内各元件的量子态，可通过量子化元件的量子波相干性来完成所希望的计算。借助于波的相干图案，达到以光速同 时完成所有分散路径的计算，这是一种快速、内在的并行计算。如果参考整个多元件

14、计算体系给定正确的初始状态，这些元件量子波间的相增(相长)干涉图案对应 于问题的正确解，而相消干涉图案则对应于不正确的解。 量子计算机的概念是基于20世纪80年代P.Benioff的工作以及D.Deutsch和R.Feynman 的理论研究而提出来的。目前，虽然有利用量子相干性和并行性来求解一些基本问题的建议和方案，但对它的具体实现与实际应用仍有许多不同意见。最普遍的保留 意见是认为这些量子计算机需要以空前的高精密度去组装和预置其初始值，难度太大。此外，量子计算机对极小的物理变形和散射光子非常敏感，这些因素可能导致 多元量子态相位相干性减弱。所以，量子计算机必须严格地与所有外部环境隔离，并工作于接近绝对零度的温度。即使这样也还可能会由于内在的问题而出现某些错 误。当然，这些错误也许还不至于影响量子计算机在求解某些困难问题中的应用。