硅以後的生活

------電腦今後向何處去？

央視國際 2004年04月02日 13:36

　　雖然事實上您今天買到的電腦明天就會過時，這一趨勢卻並不是什麼新鮮的事情。早在1965年，後來創建了英特爾公司的戈登•穆爾就預言，電路板上的晶體管的數量在1975年以前將每18個月增加一倍。這一驚人預測直到今天仍是正確的。

　　但像所有好事一樣，這種進展也即將結束。通過將晶體管和其他元件縮小，將使電腦的運算速度將更快，功率更大。但它們能夠縮小到什麼程度卻是有局限的。在美國，貝爾實驗室的科學家們已經研製出在只有一個分子厚的空隙之間傳遞電子的晶體管。

　　難點在於，當電腦元件只有幾納米厚度時，通常的物理學定律不再適用。在這一極小範圍內，攜帶電流的電子所遵循的是物理學的量子定律，它們能夠像鬼魂穿過墻壁一樣從電線中溜出來。許多專家認為，傳統的硅技術取得進一步的進展將是不可能的。

　　替代辦法從實用的解決途徑，譬如利用光束來攜帶信息；到只有內行才理解的電腦，包括駕馭DNA、奇怪的量子行為和真正大腦細胞的電腦等等。這種電腦幾秒鐘所能解決的問題，現代電腦則要花費幾個月，甚至幾年才能破解。電腦的進化一直是驚人的迅速，但未來可能比今天的想象還要奇異。

　　光學電腦

　　利用光來傳遞信息並非一個新的想法。光導纖維在通信設備領域中已經得到嘗試和檢驗，它攜帶大量信息往來于因特網之上。問題在於，就連最細小的光導纖維，若貼到電路板上也遠遠太大，太昂貴。因此科學家們正在尋求傳輸光的替代方法。

　　一個做法是採用所謂的光子晶體作為波導。光子晶體由相互連接的條形整齊排列構成。這些條形所起的作用如同鏡子，以反射光和阻止光逃逸，在該結構中鑿出一個個孔洞，以使光得以從晶體的一部分移動到另一部分。光在很小空間裏轉彎是可能的，甚至可以使之在只有一張郵票大小的區域內轉90度，而其在沿途的損失卻不超過5％。

　　當研究人員改變條形之間的距離時，他們便能夠調整被困在這些空間裏的光的頻率。這對同時進行幾項運算來説也許是有用的，辦法是使不同頻率的光傳輸不同數據。

　　硅發光二極管

　　在一些研究人員提出傳輸光的方法的同時，另外一些人則正在研究如何産生光。薩裏大學的凱文•霍姆伍德教授通過將原子大小的羅網置入硅中，迫使其發光。這些羅網將電子圍困，迫使其發出光。結果研製出在室溫下工作的硅發光二極管（LED）。這一發現對電腦工業來説可能是重要的，因為該産業完全依賴硅。

　　您已經通過把硅變成發光二極管使硅發光。您今後的計劃是什麼？有人對凱文•霍姆伍德教授提出這樣的問題。

　　傳輸數據需要某種運算速度非常快的東西，激光會比發光二極管快得多。下一步實際上是設法把我們的發光二極管變成一種半導體激光。這就是我們目前正在研究的。

　　家用電腦什麼時候會用上光來傳輸信息？

　　我想它到2010年將會進入電腦。因此我們現在所談的問題將在2008年左右成為熱門。眼下我猜測，電腦大概將利用標準技術達到4GHz左右，而無法更快。如果該産業想讓電腦加快到8、20甚至40GHz，它們就不得不轉而採用光。

　　為什麼使用硅？

　　該産業喜歡用硅和傳統技術。我們所研製的裝置能夠利用十分傳統的設備製造。當然，有了一項全新的技術，産業將需要拿出全新的電腦結構，但我們正在加速做到這一點，或者起碼對此加以考慮。

　　我們是否有朝一日會有完全光學的電腦？

　　我並不認為人們會改變一切去採用光學。如果這樣，微型芯片上會十分擁擠。而光是一條捷徑，用以避開電路中的大量二進制傳輸，以便保持高速。這就像在一個大家都很忙的房間裏站立而想與屋子另一邊的某人取得聯絡——向其招手比從人群中擠過去要容易得多。不過，可以把微處理器的時鐘改造成光學的。該時鐘使一切保持同步，注意一切動向——這是我願意改變的頭幾樣東西之一。

　　採用脫氧核糖核酸的計算

　　目前對未來電腦的一些研究成果聽起來已經像科學幻想小説。比今天最快的電腦快許多倍的可能會裝在很小的一滴液體之中。它們不會是用硅製成，而是用 DNA，即生命的物質本身建造。

　　生物利用數據的方式類似于電腦處理信息的方式。這一相似之處是美國數學家倫納德•阿德爾曼于1994年發現的。由於10萬億縷 DNA能夠被石子大小的一滴液體所容納，而且全都能夠同時處理信息，所以它們可能會解決科學的一些最棘手的問題。

　　阿德爾曼説，DNA雖然是一種生機勃勃的分子，但卻並不善於接受處理。在試管之間注入大量溶液造成DNA縷的切變，因此我們決定採取新的做法。我們不是在試管裏計算，而是試圖重新設計來自大腸桿菌的細胞來執行計算。目前我們距離進行人類試驗還有漫長的道路。

　　DNA計算可能是所有新的計算技術當中最誘人的。然而，在與DNA打交道方面遇到的巨大困難意味著，它可能永遠也不會依靠自己的力量形成一種傳統電腦。科學家們所能夠祈望的也許頂多是一種協同式處理器，解決比較棘手的問題並向中央處理器彙報。即使到那時，它所執行的任務大概也會很簡單。

　　然而，研製一種獨立的DNA電腦的夢想並沒有破滅。今年1月，日本的奧林巴斯公司宣佈，它研製出了一種能夠識別與疾病有關的基因的樣機。由於人類基因組計劃所帶來的對基因分析的不斷增加的需求，所以 DNA電腦可能會在全世界的醫學實驗室中找到一個溫馨的家。神經電子學把硅片與生物的大腦組織結合在一起聽起來如同科學幻想小説裏才會見到的未來。但如今，生活正在模倣藝術，計算技術最奇異的前沿正在實驗室裏被一再地向前推進。

　　去年，馬克斯•普朗克生物化學研究所的彼得•弗羅姆赫茲教授成功地用一塊硅片和從蝸牛大腦中攝取的神經細胞組成了一個電路。這些蝸牛細胞被用小釘固定在硅電路板上，它們生長出了彼此之間的連接，這些連接後來形成了電信號的一條路徑。當細胞底部的一個晶體管造成電壓的改變時，一個電脈衝就從一個神經細胞傳輸到另外一個。第二個神經細胞然後刺激其底部的晶體管，從而形成一個完整的電路。這項實驗證明，人工設計一個不僅包含電子裝置，而且還有有機組織的電路是可能的。該科學領域已經被稱為“神經電子學”。

　　科學家們迄今所實現的僅僅是構築簡單的電路。當然，還沒有任何人利用真正的大腦細胞和硅一起執行一項計算任務，就連像把兩個數字加起來這樣簡單的運算也沒有。但既然神經細胞能夠被以這種方式駕馭，其潛在的用途是巨大的。

　　芝加哥西北大學的科學家們已經設計出一種由七鰓鰻魚的大腦控制的機器人。當機器人的傳感器察覺到光線時，它們就向魚的神經細胞發出一個信號。神經細胞根據這一信息採取行動，指示機器人朝著光源移動。這一反應通常幫助這種魚在海洋中沿著正確道路遊進。研究人員希望有朝一日，類似的技術能夠被用來設計較好的假肢。普朗克生物化學研究所教授彼得•弗羅姆赫茲正在設法生産比較複雜的神經細胞網絡，在它們和芯片中的數字電子裝置之間形成一個界面。這僅僅是朝著研製比較複雜的裝置邁出的第一步。他們正在考察的不僅是利用兩個神經細胞，而且還有3個、4個，也許甚至是10個。他們的目標還有用老鼠等哺乳動物的神經細胞來取代蝸牛的神經細胞。

　　但神經細胞電腦在最近的將來替代您的奔4的可能性極小。最大的問題之一是，大腦細胞要發揮適當作用，需要特殊的照顧。西北大學機器人中的七鰓鰻魚大腦雖然可能是在一個充滿氧氣的海水容器中保鮮，但即使這樣，它也只存活了一天。要想無限期地使大腦細胞存活，所需要的生命支持系統毫無疑問會使一台電腦的造價高昂到無人問津的程度。如果這樣一台電腦能夠製造，它也許能夠執行比今天的電腦所能完成的複雜得多的任務；譬如在人群中認出一個面孔，以及人腦所能夠輕而易舉地解決的其他成像問題。

　　量子電腦

　　傳統電腦看待一切都是黑白分明的。一個開關要麼是開，要麼是關，所帶來的比特信息不是1就是0,相互結合的比特被轉移進出和圍繞著電路板傳輸。然而在旋轉電子的奇異和極小的世界裏，卻毫無如此的涇渭分明。這是量子物理學的領域，其中電子的旋轉行為完全不同於我們在日常生活中所見到的任何事物。

　　從某種意義上講，電子是同時在兩個方向上旋轉。如果一個電子的旋轉被用作一個量子比特的信息，則一件異乎尋常的事情發生了。每一個量子比特都同時代表著一個1和一個0,因此一台兩個量子比特的電腦就能夠同時存儲4個數字。而一台兩比特的傳統電腦僅僅存儲一個數字。而且當你把量子比特相加，電腦的能量急劇增加。有了如此強大的處理能力，量子電腦所能夠解決的複雜數學問題就比傳統電腦的多。後者是進行完一項運算再進行另外一項的。破解密碼的量子電腦對於同時查看大量數據，譬如在大型數據庫中搜索，或者破解十分複雜的密碼來説，可能會特別有用。

　　研製量子電腦的工作現已開始。迄今，最複雜的量子電腦包含7個量子比特，只能處理一位數字。據估計，需要幾百個量子比特才能編制有用的程序。慕尼黑科技大學教授斯蒂芬•格拉瑟研究的目標是創造新的分子，並研製一台包含10個以上量子比特的電腦。他們還在研究新的算法（程序），以用於量子計算技術。

　　實際上，尋求量子電腦解決問題的算法是當前研究的一個活躍的領域。斯蒂芬•格拉瑟認為，目前，量子電腦對於家庭和工商用途來説並不特別有用，在今後30年內看到個人量子電腦看來也不大可能。不過，技術上的突破難以預料，事情的發生可能會比我們今天預測的快得多。