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计算机未来发展与趋势

摘要：自1946年世界上第一台电子计算机诞生以来，计算机的发展经历了

电子管、晶体管、集成电路与大规模集成电路、超大规模集成电路四个阶段。作

为通信技术的重要载体，随着第五代通信技术的逐渐普及，计算机的发展将趋向

超高速、超小型、智能化和人性化。传统计算机的劣势被一再放大，针对基本原

理寻求突破的新型计算机研究应运而生，量子计算机等基础研究将拥有广阔的前

景。需求带来发展，人工智能化的时代要求，将推动新一轮计算技术的革命，也

必将成为人类计算机史上的一次伟大突破。

关键词：新型计算机，人工智能，人机物融合。

人工智能浪潮席卷全球的同时，对计算机的智能化也提出了新的要求，具备

感知、思考、判断和学习能力的新型计算机技术亟待突破。在硅芯片技术高速发

展的大背景下，意味着硅技术的物理极限愈发逼近，为实现计算机的智能化和人

性化，新型计算机不断涌现，计算机的体系结构、物理器件和操作系统都将发生

深刻的变革和质的飞跃。曾经概念模糊的量子计算机、纳米计算机和光子计算机

也在持续的基础研究下轮廓逐渐清晰，将在这场深远的计算革命中走进并改变我

们的生活。

1.

概念革新——新型计算机

（1）量子计算机

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储以及处

理量子信息的物理装置。通俗地讲，当这个物理装置处理和计算的是量子信息，

运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机以量子比特（qubit）作

为信息存储单元，也称之为量子位，可以用原子基态和激发态来表示，由于叠加

效应，量子比特既可以是0又可以是1，因此一个量子位可以存储2个数据，一

个量子比特就需要两个数据才能确定，而多个量子比特的存储的数据量将远远大

于同样数目的比特。量子计算机的概念源于可逆计算机的研究，也同时基于通用

图灵机的基础之上，而其“量子并行计算”的性质才是量子计算机巨大威力的奥

秘所在。一个直观的例子，传统存储器可同时存储2N个数字，对1000位的大数

进行因数分解需1025年，而量子存储器可同时存储2^N个数字，对1000位大数

进行因数分解只需要几分之一秒，是革命性的飞跃。我们可以看到量子计算机广

阔的应用前景，如量子计算机进行高速的大数因式分解可以为我们提供全新的数

据密码必威体育官网网址方式，量子通信也将为通信技术提供新的信道给接收者，这些技术将

在军事、金融各种领域发光发热。

（2）纳米计算机

纳米计算机指将纳米技术应用至计算机领域所研制的新型计算机，首先“纳

米”是一个计量单位，并不代表技术本身。因为不需要厂房及众多实验设备的介

入，采用纳米技术生产芯片的成本非常低廉，这无疑十分迎合当今计算机前沿发

展的潮流，即速度快、体量小、成本低。纳米计算机的体系结构通过以下途径提

高系统性能：局部高度互连、统一处理结构、多层次显示并行支持、低代价动态

重构、QCA辟列、人工神经网络等。这些途径高度吻合了未来人工智能发展的基

本要求，使得人工智能中关键的神经网络技术有的放失。体量上，现在纳米技术

能把传感器、电动机和各种处理器集成在一个硅芯片上，而体积却不过与几百个

原子的大小相当；环保上，纳米计算机几乎不耗费任何能源，性能却是传统计算

机的许多倍。

（3）光子计算机

光子计算机是一种通过光信号来进行信息存储、处理、运算、操作的新型计

算机。1969年，研究光子计算机的大幕由美国麻省理工大学拉开，以光子代替电

子，光互连代替导线互连，光硬件代替传统硬件，光运算代替电运算。

与传统计算机相比，光子计算机从概念上的“无导线”信息传递通道密度极

大，光的高速与并行性决定了光子计算机的处理能力非常的强，同时具备高容错

性，即便是某一光元件损坏也并不影响最终计算结果。现在光子计算机的研究主

要问题还在于如何开发更高利用率的光学元器件，并通过这些光学元器件制作光

逻辑运算和存储阵列，他将有望实现光高速运算。在人工智能方向，光神经网络

计算机的处理研究也取得了非常好的进展。目前，光子计算机已经成功研制并且

取得一系列新的进展，例如来自美国杜克大学的计算机电子工程师团队研发出了

能够实现超快速开关的LED灯管，每秒钟能够开关900亿次的性能使得它能够取

代之前的LED技术，构成光子计算机的硬件基础。未来，具有并行传输、超高速

运算、超大规模的信息存储容量、能量消耗小以及散发热量低等优点的“光脑”