第五代計算機

科學家在展望未來世界時，不止一次地斷言，2l世紀將是人類歷史最令人興奮和最有希望的世紀，許多決定人類未來命運的發(fā)明將在2l世紀實現(xiàn)，而未來社 會的模式將是人+計算機+通訊，可見，計算機在未來社會的重要性。是的，當今世界科學技術(shù)各個領(lǐng)域的發(fā)展在很大程度上都得益于計算機的發(fā)展。工業(yè)、農(nóng)業(yè)、 商業(yè)及經(jīng)濟部門的進步均得益于自動化的實現(xiàn)，而自動化中唱主角的卻是計算機。未來世界隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機肯定會扮演越來越重要的角色。由于發(fā) 展需要，人類對計算機提出了更高的要求。人們希望超高速、大容量、低功耗和超微型的新型計算機早日問世。為此，科技專家正在努力設(shè)計制造新型高效計算機， 它們將是人類的希望之星。

　　第五代計算機。

　　開發(fā)研制第五代計算機是日本率先于1981年正式宣布的計劃。該計劃既 有日本官方的資助，又有各大公司和研究部門的協(xié)作，共籌資1　000億日元，計劃用10年時間分3個階段完成第五代計算機的研制：第一個階段制成基于固件 的推理超級個人計算機；第二階段制成并行處理的推理機；第三階段制成大型的知識處理計算機，最終建成通用推理機。以淵一博為首的40勇士，于1982年6 月正式成立了日本“第五代計算機研究所”，并取得了許多寶貴的經(jīng)驗。1988年11月在第五代計算機國際會議上，該研究所制造的一臺第五代電腦作了表演： 對日本小學教科書中的一篇課文作了看、聽、說的處理，很好地回答了代表們提出的問題。在日本的帶動下，美國、英國、中國紛紛開始研制自己的第五代計算機， 都取得了廣泛的成果。

　　第五代計算機的含義，至今沒有統(tǒng)一的看法。但是一般認為其主要特點：①高度智能化，具有聽、寫、說、看的功能， 有學習、聯(lián)想、推理和解決問題的功能；②改善軟件環(huán)境減少軟件負擔，用自然語言進行人機對話；③綜合性能好，高速、大容量、高適應性、高可靠性和高保密 性。第五代計算機與前四代計算機有很大的不同，它突破了傳統(tǒng)的諾依曼機概念，采用了高度并行處理方式。諾依曼機的工作方式是按照計算中操作的順序編好程 序，把使用的程序及要處理的數(shù)據(jù)變成0或l指令代碼進行運算和存儲，計算時依次從存儲器中調(diào)出代碼，一條一條地順序執(zhí)行。而第五代計算機，則是把許多處理 機并聯(lián)起來。即交叉連接起來，于是就可以并行處理信息了，處理信息的速度可以大大地提高。

　　第五代計算機不能僅僅理解為產(chǎn)生一個新系 統(tǒng)，而應該看成一個全面的開發(fā)計劃。它將會推動從集成電路到計算機硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以至于各種派生應用產(chǎn)品的全面開發(fā)。1992年夏季，日本正式宣布， 終止第五代計算機研制工作，從而表明長達10年之久的第五代計算機沒有成功。專家們承認，在10年內(nèi)完成這樣的高智能系統(tǒng)是不可能的。現(xiàn)在功能最強的計算 機仍不能達到6個月嬰兒的智力水平�？磥硌兄菩乱淮�計算機的工作，還有很長一段路要走。

　　第六代計算機。

　　通過研究第五代計算機的經(jīng)驗，人們已經(jīng)開始設(shè)計第六代計算機的研究方案了。第六代計算機是利用新型的硬件，模仿人腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，開發(fā)出能辨別物體、能聽懂聲音、具有自己學習能力的“人工大腦”，也稱神經(jīng)電腦。

　 　科學家認為：人腦有100億個神經(jīng)元和10億多神經(jīng)鍵，每個神經(jīng)元都要與大約1　000個其他神經(jīng)元相聯(lián)系，而每一神經(jīng)元都相當于一臺微型電腦，這樣就 構(gòu)成了協(xié)同工作的思維網(wǎng)絡(luò)。如果用許多微處理機模仿人的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，采用大量的并行分布式網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成了神經(jīng)電腦。神經(jīng)電腦除有許許多多處理器外.還有類似 神經(jīng)元的節(jié)點，每個節(jié)點與許多節(jié)點相連。若把每一步運算分配給每臺微處理器，它們同時運算，其信息處理速度和智能會大大地提高。

　　第六 代計算機還有一個特點，它的資料和知識不是存在于存儲器中，而是存在神經(jīng)元間的聯(lián)絡(luò)網(wǎng)中。若有節(jié)點斷裂，這種計算機仍有重建它的資料的功能，所以它具有修 復性、容錯性、高度聯(lián)想性、視覺和聽覺能力的計算機。第六代計算機的研究工作已經(jīng)有了進展：1992年日本已經(jīng)開發(fā)制造出神經(jīng)電腦所用的大規(guī)模集成芯片， 在這個1.5厘米見方的硅片上設(shè)置了400個神經(jīng)元和4　000個神經(jīng)鍵，應用這種芯片實現(xiàn)了每秒2億次的運算速度。它的學習功能很強，能辨別多達40個 字符的語言模式。美國研制的可用于翻譯的神經(jīng)電腦，具有模擬人腦“左腦”和“右腦”的功能。“右腦”是經(jīng)驗功能部分，有l(wèi)萬多個神經(jīng)元，適于圖像識別，存 儲基于經(jīng)驗的語句；“左腦”是識別功能部分，含有100萬個神經(jīng)元，用來存儲單詞和語法規(guī)則。這臺翻譯電腦有學習功能和積累經(jīng)驗的功能。在許多場合上能派 上用場。

　　生物計算機。

　　自從1906年德福雷斯特發(fā)明了真空三極管，人們找到了快速的電子開關(guān)元件，從此產(chǎn)生了第 一代計算機。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們嫌電子管不夠快了，這樣又相繼發(fā)明了更快的、更有效的開關(guān)器件：晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路，從而使計算機不 斷地更新?lián)Q代。在這些半導體材料上，縮短電子開關(guān)的響應時間，主要是靠增加開關(guān)元件的集成密集度達到的。但是在一塊硅片上開關(guān)數(shù)不能無限制地增加，一毫米 見方的硅片上最多能有幾千萬個元件已經(jīng)達到極限、所以半導體開關(guān)器件的開關(guān)速度達到l納秒（合十億分之一秒）也已經(jīng)不能再短了。要想制造出速度更快、更具 有先進性的計算機，必須找到更有價值的、體積更小的、速度更快的新型開關(guān)技術(shù)。

　　科學家發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)具有兩種狀態(tài)的開關(guān)特性。用蛋白質(zhì) 分子作開關(guān)元件做成的集成電路，稱為生物芯片，用生物芯片制成的計算機稱為蛋白質(zhì)計算機，也稱生物計算機。目前，使用某些蛋白質(zhì)團制造的“開關(guān)裝置”已經(jīng) 研制成功，可編程DNA鏈解課題已經(jīng)取得突破�，F(xiàn)已經(jīng)生產(chǎn)出合成蛋白質(zhì)芯片、遺傳生成芯片、血紅素芯片等等。研究成果表明，生物計算機與電子計算機是截然 不同的，生物計算機的主要優(yōu)點：蛋白質(zhì)芯片1平方毫米可容納數(shù)億個開關(guān)電路，由蛋白質(zhì)構(gòu)成的集成電路大小相當于硅片集成電路的十萬分之一，運算速度卻只有 l皮秒（萬億分之一秒）；生物計算機的存儲點只有一個分子大小，所以具有巨大的存儲能力，它的存儲量一般是普通計算機的10億倍。另外它在傳遞信息時，基 本上不消耗能量；生物計算機還有一個優(yōu)點，就是繼承了生物基因具有自我組織、自我修復的功能，現(xiàn)在對生物計算機的研究和開發(fā)已經(jīng)進入關(guān)鍵時期，人們盼望它 早日問世，相信它會有很廣泛的用途。

　　超導計算機。

　　超導計算機也是正在研制中的未來計算機的一種。所謂超導就是有 些物質(zhì)在接近絕對零度（相當于一269℃）時，電流流動是無阻力的。1962年正在英國劍橋大學攻讀物理學博士學位的研究生約瑟夫森 （B.D.Josephoson），通過理論計算，提出了超導隧道效應原理。所謂超導隧道效應，粗略地說是這樣的：在兩個金屬（如鋁、鉛等）薄膜之間夾一 層通過氧化方法形成的非常薄的、薄到只有幾十埃（1埃=10-8厘米）的絕緣介質(zhì)層，組成一種“超導體—絕緣體—超導體”的結(jié)構(gòu)（稱為超導隧道結(jié)）。當此 超導結(jié)兩邊加上電壓時，電子便成對地，好像通過隧道一樣毫無阻擋地穿過絕緣層，形成很小的電流（一般為幾十微安），而兩端沒有電壓，即出現(xiàn)零電壓的電流。 當然，當電流超過某一臨界電流時，或從外部加上磁場使臨界電流變化時，電子對即受絕緣層阻擋而在兩端產(chǎn)生電壓降，使之從零電壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變到有電壓狀態(tài)，這就 是直流超導隧道效應。這一原理提出一年之后被實驗證實是正確的。這位年輕的學者也因此于1973年獲得諾貝爾獎。

　　由于約瑟夫森結(jié)在通 有電流時具有從零電壓轉(zhuǎn)變到有限電壓的性質(zhì)，因此可以用來作為計算機中的開關(guān)元件和記憶元件，這種元件的響應時間僅為0.27皮秒。用約瑟夫森結(jié)制成的計 算機，稱為超導計算機。這種計算機有許多優(yōu)點，耗電僅為普通計算機的幾千分之一；執(zhí)行一個指令只需1納秒（十億分之一秒），比普通計算機快10倍；超導結(jié) 可以高密度集成；信號傳輸時不會產(chǎn)生畸變，也大大地減少元件間的相互干擾。

　　超導計算機解決了高速、低耗、微型三者之間的矛盾，所以有 極大的優(yōu)越性，各國研究部門爭先恐后地研制這種計算機。日本電氣技術(shù)研究所已研制成世界上第一臺完整的超導計算機，它采用4個約瑟夫森大規(guī)模集成電路，每 個集成電路芯片體積有3—5立方毫米大小，每個芯片上有上千約瑟夫森結(jié)。超導計算機以高速度、低功耗、高容量、超微型的特點，讓人類看到了新一代計算機的 曙光。

　　光計算機。

　　計算機專家開辟了另一新的研制下一代計算機的可行途徑，用光來代替電子或電流，實現(xiàn)高速處理大容量信息的計算機，即光計算機。

　 　1983年，英國赫里奧特—瓦特大學的德斯蒙德·史密斯（S.Desmond　Smith）教授等人，成功地研制一種類似于電子晶體管的光晶體管，他們 稱之“變相管”。這種光晶體管是一塊邊長為幾毫米的矩形銻化銦晶體。它有顯著的非線性特性，當激光射入該晶體時，晶體的折射率就會隨入射光的強度變化而變 化。如果適當選擇激光波長和控制光強，根據(jù)光的干涉作用，它就是一種能起開關(guān)作用的器件。它的透射光強隨著入射光強的微小變化而產(chǎn)生極大的變化，開關(guān)時間 僅有幾皮秒，比電子晶體管快1　000倍。另外，由于光的獨立傳播性，當多束光同時入射晶體時，光子不發(fā)生碰撞，各光束可仍然保持各自的獨立性，所以可以 利用一單獨光晶體管進行幾項獨立的開關(guān)操作，這樣就能產(chǎn)生高速度的、并行處理的、無噪聲、不發(fā)熱、抗干擾的計算機。正因為如此，自20世紀70年代以來， 美國、英國、蘇聯(lián)、日本及歐洲共同體一直在積極研究光計算機。目前的重點仍然是在完成光邏輯器件和光存儲裝置上，并已取得了較大的進展。歐洲共同體宣布撥 款140萬美元，采用史密斯等人發(fā)明的“變相管”制造光計算機。日本也已經(jīng)研制成功一種叫“雙穩(wěn)態(tài)半導體激光器”的新型光開關(guān)和存儲器元件，它可以實現(xiàn)光 的放大，其開關(guān)時間小于l納秒（十億分之一秒），而非常容易被集成化，一旦完善了穩(wěn)定可靠性技術(shù)，就可投入大批量、低成本生產(chǎn)，使光計算機進入具體設(shè)計實 施階段。許多科學家對光計算機表示了極高的熱情，認為光計算機已呈現(xiàn)出現(xiàn)實的和令人鼓舞的前景。

　　人類把聰明教給計算機，計算機使人類更加聰明。電子計算機奇跡般地出現(xiàn)在我們面前已經(jīng)50多年了，它是整個現(xiàn)代文明發(fā)展的產(chǎn)物。電子計算機正是在人類智慧創(chuàng)造中發(fā)展進步的，明天的計算機將會更加先進、更加有益于我們?nèi)祟惖倪M步。