未來的世界怎么樣?

　　摘要：展望了未來的計算世界，計算機的應用包括計算模擬、嵌入融合以及網(wǎng)絡通信三大方面。

　　“從一定程度上說，整個人類的發(fā)展史可以總結為一場腦力勞動日益替代體力勞動的漸進革命”。處理器芯片使計算機從“科學殿堂”走進了“百姓人家”，實現(xiàn)了計算機應用的民主化(大眾化)，已使人類的9億人口從工業(yè)社會進入了知識社會。人們估計，機器人設計的人性化，到2036年發(fā)達國家的機器人的數(shù)目將超過人的數(shù)目，很多工作將是由機器人完成的。有人認為，計算機的下一件大事就是要使電子設備真正的小型化, 硅芯片制造的三維化，將使半導體產(chǎn)業(yè)換發(fā)青春。

　　中國科學院院士沈緒榜

　　計算機的應用包括計算模擬、嵌入融合以及網(wǎng)絡通信三大方面

　　世界上的第一臺計算機，就是為縮短計算彈道的時間而研制，是作為計算模擬(Simulation)工具使用的。串行計算機上的計算模擬是一種從點開始的串行“分層處理”的計算技術。現(xiàn)在的并行計算機上的計算模擬(天氣預報等)，是一種從面開始的并行 “分層處理”的計算技術，正在使計算能力無限大(千萬億次等)。這種分層技術也正在使制造技術大眾化。 1985年化學家查克•赫爾在開發(fā)室外油漆能干得快些的過程中，發(fā)現(xiàn)如果油漆的層數(shù)足夠多，說不定能夠分層制造出三維的物體。如今，“分層處理”的制造技術正在走出實驗室，有可能使每個村莊都可以小規(guī)模地生產(chǎn)自己所需要的產(chǎn)品，發(fā)展成為知識社會的一種新的工業(yè)模式，使工業(yè)生產(chǎn)更容易。石墨烯的“電路布”可能取代“電路板”，使電子設備成為可穿著的，更深入地介入日常生活。

　　工業(yè)革命的機器設備都是由人來操作控制的，只是延伸了人的體力、眼力和聽力等。芯片技術問世之后，首先是用于火箭的控制計算機中的，但這只是少數(shù)人的事。計算機與工程科學更加緊密的嵌入融合(embodiment)的應用則仿真了人的思維、 視覺、聽覺、感覺(電子皮膚)與四肢等能力。微電子技術正在使計算設備無限小，促進其應用的嵌入融合的大眾化。

　　1969年計算機網(wǎng)絡ARPANET(阿帕網(wǎng))問世，開創(chuàng)了計算機的網(wǎng)絡通信(communication)應用。網(wǎng)絡通信的應用正在使計算距離無限遠(火星探測)。1995年美國國防部的有24 顆衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng)(GPS，Global Position System)的投入使用，基于位置服務(LBS， Location Based Service)成了網(wǎng)絡通信的大眾化技術。據(jù)2007年統(tǒng)計，有30多個國家發(fā)射了8000多顆衛(wèi)星，每天有2000多顆衛(wèi)星在軌道上工作。美軍的銥星電話系統(tǒng)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡的無縫作用。在歐洲啟動的名為RoboEarth(機器人地球)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，使網(wǎng)站從搜索引擎發(fā)展成回答引擎，網(wǎng)絡變得更聰明。網(wǎng)絡的集合作用把大型計算(mainframe)和個人計算機(personal computer)集合在一起，使數(shù)據(jù)中心能起到“數(shù)據(jù)電廠”和“數(shù)據(jù)銀行”的作用，計算技術成了電一樣的普及技術。

　　機器人的設計使計算機從邏輯化計算走向了人性化計算

　　計算機嵌入融合的應用催生了非人形機器人、人形(仿真)機器人。工程人員正在研究一種能根據(jù)隨時需要改變自身形狀和能力的變形機器人。相對于光速來說，人類與探索整個太陽系的機器人的通信時間太長了，地面控制難以做出“即時決定”。因此，發(fā)明了自主機器人。人腦是一種模擬計算機。數(shù)字計算機的邏輯化方法，不僅模仿了人腦的邏輯思維能力，部分地模仿人腦的形象思維能力，而且也在研究數(shù)字計算機用它模仿人腦的創(chuàng)新思維能力。機器人和所有機器一樣，都是人腦發(fā)明的，是生物學的人工制品，不同的是機器人催生了許多具有各種不同人類特征的人性化新應用，促進了神經(jīng)計算機、生物計算機和“數(shù)字生命”的人工智能研究。

　　1950年代以來的生命科學則發(fā)現(xiàn)了人的生命是一個與計算機非常相似的中央控制過程進行控制的化學機器。設計具有生命組織特征的計算機，就成了人工智能研究者的夢想。2011年IBM開發(fā)了兩款“神經(jīng)元芯片”，叫做SyNAPSE系統(tǒng)。打算通過“逆向設計大腦”重現(xiàn)思維的一些方面，包括情感、感知、感覺和認知。

　　英國科學家使用細菌和基因手段制造出了“生物邏輯門”，能用蛋白質作輸入信息和輸出信息，完成邏輯運算，具有當前計算機所用電路邏輯門類似的信息處理能力的人工智能技術。這些生物邏輯門有望成為微型生物計算機的基礎元件，有助于研發(fā)新一代的生物處理器。例如，研制出能在人的關節(jié)處游蕩的傳感器，探測和破壞身體內(nèi)癌細胞的傳感器以及能置于環(huán)境中的污染檢測器。

　　“數(shù)字生命”是人工智能的一種新突破。它把生命進化的概念引進了計算機領域，繁殖時復制的不是DNA，而是計算機編碼。美國密歇根大學的Robert Pennock的“數(shù)字生命”叫“Avidians”，經(jīng)過數(shù)千代以后，它就進化出了驚人的初級記憶能力：能向食物源運動。密歇根大學的Jeff Clune的“數(shù)字生命”叫“HyperNEAT”，每個模擬細胞的功能和人腦中相同位置的神經(jīng)細胞相同。從簡單的指令開始，逐步建立復雜的大腦，然后改變那些指令，得到一個不同的人工大腦。而加入容錯指令，能使人工大腦得到自我進化。

　　硅芯片的制造技術包括一次集成技術和二次集成技術

　　早期的計算機就是以制造技術命名的。有電子管計算機、晶體管計算機。晶體管把我們從電子管中解放出來，硅芯片制造技術發(fā)明之后，計算機就是按摩爾預言發(fā)展的。到2017年左右，微電子學的硅芯片制造技術特征尺寸將達到它的物理極限，但計算機的小型化除了芯片內(nèi)的集成技術之外，還取決于芯片間的互連技術。芯片內(nèi)的集成技術有晶體管和互連線技術;芯片間的互連線技術是從PCB(印制電路板)開始的。

　　1947年12月23日晶體管問世。 Intel于2003年推出應變硅;2007年推出高-K金屬柵極;2009年發(fā)明了三柵極(Tri-Gate)3-D晶體管，是一種真正革命性的突破。2011年5月4日宣布將投產(chǎn)此技術的代號為Ivy Bridge的22納米Intel芯片。瑞士科學家表示，隧道場效應晶體管可為計算機節(jié)能99%，2017年將進入大規(guī)模制造階段。最終設計出超級小型化的零能耗的個人電子助手。

　　芯片內(nèi)的互連技術開始是穩(wěn)定性好的鋁互連線技術，它的電遷移問題使線寬的物理極限只有0.18mm。1997年IBM的銅互連線開發(fā)成功，是芯片互連線技術的突破性的變革?，F(xiàn)在，IBM等公司又開發(fā)成功了硅直通(TSV，Through Silicon Via)3-D集成的互連線技術。

　　早期的芯片是單個組裝的，采用的是PCB板/底板/機箱(柜)的互連線技術?，F(xiàn)在的芯片是SIP(單封裝系統(tǒng))組裝的，芯片之間采用的也是PCB板/底板/機箱(柜)的互連線技術?，F(xiàn)在已有100多個機架的千萬億次計算機，是占地幾百平米的龐然大物。計劃2018問世的100萬萬億次計算機將只能是低功耗SoC芯片的硅直通的互連線技術。

　　總之，計算機應用的民主化，將加速人類從工業(yè)社會進入知識社會。機器人設計的人性化，體力勞動將更多地由機器人完成;人則“以智慧安身立命”。硅芯片制造三維化，微電子技術將仍然是知識社會電子設備小型化的主要技術基礎。

　　參考文獻：

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　　[4]劉霞. 用DNA和細菌組裝的可模塊化邏輯門問世[R/OL].科技日報(2011-10-20).http://www.stdaily.com/kjrb/content/2011-10/20/content_359508.htm

　　[5]量子隧道場效應晶體管可為計算機節(jié)能99%[R/OL].(2011-11-26). http://www.cnbeta.com/articles/163485.htm