1. 进入 21 世纪的计算机

   1. 光计算机

光计算机是由光代替电子或电流，实现高速处理大容量信息的计算机。

为什么要研究光计算机呢？因为光计算机有许多优点。首先，传递信息速度快。电脑中的电子运动速度在理想情况下是光速，但在导体中的速度，最高不会超过每秒 500 千米，还不及光子流在导体中速度的 10％，目前电脑的运算速度预计比光计算机慢上千倍。

其次，可以很容易实现并行处理信息。电脑中的电子是沿固定线路流动的。光计算机中利用反射镜、棱镜、分光镜等，可以随意控制和改变方向，这样，在传递信息时，光束不需要导体了，可以相互交叉而不损失信息。有人作过这样的比喻：如果将电子通道比作铁路网，光子通道比作空中航线，那么，作为“火车”的电子将沿着“铁轨”运行，当“火车”过“站”时，需降低速度。而作为“飞机”的光子却可以笔直地飞达目标， 甚至在横越其它“飞机的航线”时，也不用减速。铁路网的密集度毕竟是有限的，而空中航线的密集度几乎是无限的，一块直径只有五分硬币大小的棱镜，通过信息的能力却是现在全世界电话电缆的许多倍。

再者，无发热问题。电子会使计算机发热，而光子不会。1969 年，研究光计算机的序幕由美国麻省理工学院的科学家揭开。

1982 年，英国赫罗特—瓦特大学物理系教授德斯蒙德·史密斯研制出光晶体管。

1983 年，日本京都大学电气工程系佐佐木昭夫教授、腾田茂夫副教授也独立地研制出光晶体管。

1986 年，美国贝尔实验室发明了用半导体做成的光晶体管。光晶体管像晶体管一样，有三个“脚”，两个是输入信号的，叫基极和控制极；第三个是输出信号的。基极是一种反射薄膜，在控制光束下，反射薄膜对输入的光束作出反射或不反射的反应。这样，光晶体管的功能与晶体管的功能一样，起到“开”与“关”的作用。然后，科学家运用集成光路技术， 把光晶体管、光源光存贮器等元件集积在一块芯片上，制成集成光路，与集成电路相似。最后，选用集成光路进行组装，就得到光计算机。

1990 年 1 月底，贝尔实验室制成第一台光计算机，尽管它的装置很粗糙，由激光器、透镜、棱镜等组成，只能用来计算。但是，它毕竟是光计算机领域中的一大突破。

光计算机比电子计算机更先进，它的运算速度至少比现在的计算机快1000 倍，高达一万亿次，存储容量比现在的计算机大百万倍。光计算机能识别和合成语言、图画和手势。能学习文字，连潦草的手写文字都能辨认；

不仅如此，在遇到错误的文字时，它还能“联想”出正确的字形。光计算机的出现，将使 21 世纪成为人机交际的时代。

光计算机的运用非常广泛，特别是在一些特殊领域，比如预测天气、气候等一些复杂而多变的过程，还可应用在电话的传输上。由于现在的通信已发展到光纤通信，使用电子计算机，就必须把光信号变为电信号，如果使用光计算机，就不必了，这也就方便多了。

现在，全世界除了贝尔实验室外，日本和德国的其他公司都投入巨资研制光计算机，预计在 21 世纪，将出现更加先进的光计算机。

1. 人工大脑

人们把电子计算机比作“电脑”，可即便是第五代，也还是不够聪明， 因为这样的计算机只具备人左脑的功能，擅长逻辑思维；不具备人右脑的功能，缺乏形象思维的能力。为了弥补计算机这方面的缺陷，科学家正准备利用新型硬件、模仿人脑的神经结构，开发出能辨识物体、能听懂声音、具有自己学习能力的人工智能电脑，称为神经电脑，或称第六代电脑、“人工大脑”。

目前根据研究结果认为，人脑有 140 亿个神经元及 10 亿多个神经键， 每个神经元都与许多个神经元交叉相联，它们协力工作。科学家认为，每个神经元都相当于一台微型电脑。人脑总体运行速度相当于每秒 1000 万亿次的电脑功能。如果用许多微处理机模仿人的神经元结构，采用大量的并行分布式网络就构成了神经电脑。神经电脑还有类似神经的节点，每个节点与许多节点相连。若把每一步运算分配给每台微处理机，它们同时运算， 其他信息处理速度和智能会大大地提高。

在网中，若是有节点断裂，这种电脑仍有重建它的资料的能力，所以神经电脑具有修复性、强壮性。还有，神经电脑的信息是分布或存储的， 具有高超的联想记忆、视觉和声音识别能力。

由于神经电脑能力超群，所以得到了极大的重视和开发。主要研究方向有两个，一是如何制造出接近人脑的网络；另一个是如何改进它的学习能力。

神经电脑的研究开发势头令人鼓舞。1989 年美国贝实验室制成可供神经电脑使用的集成电路；许多科学家已开发出神经芯片。日本《日经产业新闻》1992 年 2 月 21 日报道，三菱电气公司开发出神经电脑用的大规模

集成电路芯片，它在 1.5 平方厘米的硅片上设置了 400 个神经元和 40，000 个神经键。应用这种芯片实现了每秒两亿次的运算速度。它的学习能力很强。

日本三菱电气公司中心研究室表演了世界上第一台识别字母的神经电脑，当输入的字母模棱两可、形式不完整时，它可以作出判断，输出正

确的字母。

日本电气公司还推出一种神经网络声音识别系统，能够识别出任何人的声音，正确率已达 99.8％。

现在，有的神经电脑已获得了应用。纽约、迈阿密、伦敦飞机场用神经网络检查爆炸物。每小时可检查 600～700 件行李，检出率为 95％，误差率为 2％。

神经电脑将来会有更广泛的应用。如完成识别文字、符号、图形、语言以及声纳和雷达收到的信号，判读支票等；实现知识处理，如对市场进行估计，顾客情况分析，新产品分析，进行医学诊断等；进行运动控制， 如控制智能机器人，实现汽车自动驾驶和飞行器的自动驾驶等；在军事上， 用来发现、识别来犯之敌，判定攻击目标，进行智能决策和智能指挥等。

神经电脑的发展前途是不可估量的，其研究也在不断地创新、前进。

1. 超导计算机

我们知道，电流在导体中流过，并不是畅通无阻的，而是有一定的阻力，时间长了，导体还会发热，白白消耗掉了一部分电能。但是电流在超导体中流过，情况就大不一样了。在 1991 年，荷兰物理学家昂内斯发现， 有一些材料，当它们冷却接近－273.15℃时，会失去电阻，流入它们中的电流会畅通无阻，不会随便消耗掉。

可是这种超导现象发现后，研究进展一直不快。因为要实现超导的温度太低，要制造出这种低温环境，消耗的电能远远超过超导节省的电能。在 80 年代后期，情况有了好转，科学家们发现了一种陶瓷合金在－238℃ 时，出现了超导现象；我国物理学家也找到了一种材料，在－141℃时出现超导现象，一时间，研究超导热席卷了全世界。目前，科学家还在为此加紧研究、寻找，企图寻找出一种“高温”超导材料，甚至一种室温超导材料。一旦这些材料找到后，人们可以利用它制成超导存贮器或其它超导元器件，再利用这些器件制成超导计算机。

超导计算机的性能是目前电子计算机无法相比的。目前制成的超导开关器件的开关速度，已达到几微微秒（10-11 秒）的高水平。这是当今所有电子、半导体、光电器件都无法比拟的，比集成电路要快几百倍。超导

计算机运算速度比现在的电子计算机快 100 倍，而电能消耗仅是电子计算

机的千分之一。如果目前一台大中型计算机，每小时耗电 10 千瓦，那么， 同样一台的超导计算机只需一节干电池就可以工作了。

1. 模糊计算机

日常生活中常碰到诸如天气怎么样啦，近来有何打算、身体可好啊等

等发问。若仔细推敲，与准确的数字式提问，如 1＋1 等于几比较，均是非确切性问题，这在数学上叫做模糊性问题。同样，由模糊性陈述或判断所表示的概念叫做模糊性概念，如美与丑、黑与白、明与暗、臭与香、胖与瘦、好与坏、高与矮等，虽然相互背道而驰，但在它们中间也没有泾渭分明的界限，属于模糊概念。在民间，虽然有很多事情是清晰而精确的，但大量事情却是模糊的。错综复杂的事情使系统很难作出精确描述，对系统起作用的因素有许多，倘若我们抓住了其中的主导因素，便会忽略次要的， 这在数学上很容易使概念由精确变得模糊。反过来，如果把次要的当成主要的，则会使概念更加模糊。要解决这种模糊性问题只能通过模糊推理才能得出结果，这种本领只有人类大脑具有。人在长期进化中与自然作斗争， 使大脑有了这种独有的处理问题的功能。现有的计算机，甚至将来的神经元网络计算机都没有这种功能，只有模糊计算机才有。

第一个模糊逻辑片在 1985 年设计制造成功。它一秒钟内能进行八万

次模糊逻辑推理。目前，正在制造一秒钟内能进行 64.5 万次模糊推理的逻辑片。用模糊逻辑片和电路组合在一起，就能制成模糊计算机。

日本科学家把模糊计算机应用在地铁管理上。日本东京以北 320 千米

的仙台市的地铁列车，在模糊计算机控制下，自 1986 年以来，一直安全、平稳地行驶着。车上的乘客可以不必攀扶拉手吊带。因为，在列车行进中， 模糊逻辑“司机”判断行车情况的错误，几乎比人类司机要少 70％。

1990 年，日本松下公司把模糊计算机装在洗衣机里，能根据衣服的肮脏程度、衣服的质料调节洗衣程序。我国有些品牌的洗衣机也装上了模糊逻辑片。人们又把模糊计算机装在吸尘器里，可以根据灰尘量以及地毯的厚实程度调整吸尘器功率。

模糊计算机还能用于地震灾情判断、疾病医疗诊断、发酵工程控制、海空导航巡视等方面。

1. 生物计算机

人类有一门学科叫仿生学，即通过对自然界生物特性的研究与模仿， 来达到为人类社会更好地服务的目的。典型的例子如，通过研究蜻蜓的飞行制造出了直升机；对青蛙眼睛的表面“视而不见”，实际“明察秋毫” 的认识，研制出了电子蛙眼；对苍蝇飞行的研究，仿制出一种新型导航仪

——振动陀螺仪，它能使飞机和火箭自动停止危险的“跟头”飞行，当飞机强烈倾斜时，能自动得以平衡，使飞机在最复杂的急转弯时也万无一失； 对蝙蝠没有视力，靠发出超声波来定向飞行的特性研究，制造出了雷达、超声波定向仪等；对“变色龙”的研究，产生了隐身科学和保护色的应用⋯⋯

仿生学同样可应用到计算机领域中。

科学家通过对生物组织体研究，发现组织体是由无数的细胞组成，细

胞由水、盐、蛋白质和核酸等有机物组成，而有些有机物中的蛋白质分子像开关一样，具有“开”与“关”的功能。因此，人类可以利用遗传工程技术，仿制出这种蛋白质分子，用来作为元件制成计算机。科学家把这种计算机叫做生物计算机。

生物计算机有很多优点，主要表现在以下几个方面：

首先，它体积小，功效高。在一平方毫米的面积上，可容纳几亿个电路，比目前的集成电路小得多，用它制成的计算机，已经不像现在计算机的形状了，可以隐藏在桌角、墙壁或地板等地方。

其次，当我们在运动中，不小心碰伤了身体，有的上点儿药，有的年轻人甚至药都不上，过几天，伤口就愈合了。这是因为人体具有自我修复功能。同样，生物计算机也有这种功能，当它的内部芯片出现故障时，不需要人工修理，能自我修复，所以，生物计算机具有永久性和很高的可靠性。

再者，生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件，它们是利用化学反应工作的，所以，只需要很少的能量就可以工作了，因此，不会像电子计算机那样，工作一段时间后，机体会发热，而它的电路间也没有信号干扰。

1983 年，美国公布了研制生物计算机的设想之后，立即激起了发达国家的研制热潮。当前，美国、日本、德国和俄罗斯的科学家正在积极开展生物芯片的开发研究。从 1984 年开始，日本每年用于研制生物计算机的科

研投资为 86 亿日元。

目前，生物芯片仍处于研制阶段，但在生物元件，特别是在生物传感器的研制方面已取得不少实际成果。这将会促使计算机、电子工程和生物工程这三个学科的专家通力合作，加快研究开发生物芯片。

生物计算机一旦研制成功，可能会在计算机领域内引起一场划时代的革命。

1. 第六代电子计算机

在 70 年代，许多人都看过美国科幻片《未来世界》，那里面人与机器人的大搏杀，各种惊险镜头至今让人难以忘却。特别是机器人具有人的外貌形体，能惟妙惟肖地模仿人的思维与行动，与真人相比难辨真假，人们认为这是一种新奇的设想，然而到了今天，再看这部影片，就已经显得不那么“科幻”了。

因为现在的科学家已经能够用新材料、高技术仿制人体任何部位的组织，比如人造心脏、人造肺、人造肢体等。就是最难仿制的人脑，在 21 世纪也能制造出来，那就是第六代电子计算机——真正意义的电脑。用这种电脑“武装”起来的机器人，恐怕比《未来世界》里的机器人只有过之

而无不及。

那么第六代电子计算机是怎样的呢？

人类脑细胞的总数是 140～160 亿个。如果要计算机全部达到人脑的功能，利用电子计算机早期技术，其体积大致要相当于一座巴黎城。有了集成电路，体积大大下降了。

到 21 世纪，大型集成电路有了更大突破，在 1～2 平方厘米的硅片上可容纳几亿个元件，把 5～8 块这样大小的硅片叠在一起，成立体型，像一幢幢房屋。计算机只要拥有 20～30 幢这样的房屋，就拥有与脑细胞一样多的元件，这样，第六代电子计算机就有了人脑的体积、重量和脑细胞数。第六代电子计算机集第五代智能电子计算机、神经元网络计算机、模

糊计算机的各种优点，所以，与人脑一样，具有大脑左、右半球的功能， 既能逻辑思维，又能形象思维；既能逻辑推理，又能直观凭经验作判断、随机应变。

第六代电子计算机并非单靠数学家及电子学家就能实现，还需运动员心理学家、大脑生理学家、语言学家共同参与这项工程的开发和研究。1989 年，日本成立了一个由政府、产业界和大学联合组成的信息处理委员会， 已从 1990 年起开始着手研制第六代计算机，预计 2001 年完成。