第 N 代计算机：计算机革命

计算机革命，既是计算机功能的增强和体系结构的变革，也是计算机原理的突破。正是这种综合效应，实现了计算机革命，而且通过这种不断革命，才能使计算机一代又一代地发展。

电子计算机由数据处理、信息处理向知识处理发展，再加上通常所说的第五代计算机，越来越反映出计算机已经名不副实。顾名思义，计算机就是计数和计算的机器。实际上它的功能早就越出了计数和计算的范围，它可以模拟人的智能，做通常需要人的智能才能做的事。因此，计算机这一名称，只能说明它的过去，不能说明它的未来。可是人们已经习惯使用计算机一词，而它又不局限在计数和计算方面，这就需使计算机一词广义化。在这个意义上，作者用第 N 代计算机描述机器可能发展的潜力。

这里的 N=1，2，3，4，⋯是自然数，用来表示各“代”广义计算机（包括智能机、思维机）的更叠。我们不是仅仅根据硬件器件来划分计算机“世代”，而主要是根据计算机在原理上的创新，以及结构与功能的统一，作出综合评价。依此标准，已有的、将出现的和可能出现的计算机有以下几类：

N=1，第 1 代计算机：数字计算机 现有的数字计算机都是诺依曼机。按照通常的说法，这类计算机有了四代发展，即第一代电子管计算机，第二代晶体管计算机，第三代半导体集成电路计算机，第四代大规模集成电路计算机。显然，这是以硬件器件的不同来划分的。但是，就其基本原理来说，

它们都是同一类型的诺依曼机，所以应该属于第 1 代计算机。这一类型机器的共同特点是采用二进制，程序内存和顺序控制的串行处理如同生产过程的流水作业线一样，只有在完成上一道工序之后，才能进入下一道工序。这类机器适于进行数据处理，但对非数值（如文字、图像、语言等）信息的处理则有很大的局限性，加深了本已存在的“软件危机”

N=2，第 2 代计算机：知识智能机 日本的知识信息处理系统，被称为第五代计算机，但它并没有从根本上突破诺依曼机器框架，仍然是采用二进制、程序内存，所以是一种类诺依曼机器，属于第 2 代计算机。由于它有并行推理的知识处理能力，可称之为知识智能机。

为什么这种新一代计算机通常被称为第五代计算机呢？这是就其器件变革而言的。这代计算机采用超大规模集成电路，就这一点来说，它是第五代计算机。也正是在这一点上，它不同于前四代计算机。这一点是关节点，出现了数量级效应。由于在一个芯片上能集成 105 门或 106 位的存贮器，因此量的剧变引起计算机在体系结构上发生部分质变，串行处理改变为并行处理。并行处理与串行处理恰恰是冯·诺依曼所说的人脑与计算机有相当大的区别之处。现在，人脑与计算机之间的这条鸿沟，眼看被小小的芯片所填平了。在诺依曼型计算机中采用顺序处理，基于以最小的软件功能以达到高速处理的设计，这在电子管、晶体管和磁芯存贮器的时代是正确的。否则，机器的造价之高、体积之大，就不适合人们的需要。因此，这一设计是人们强加给计算机的，绝非计算机本身所固有的。在微电子器件价格大幅度下降，可以采用超大规模集成电路的技术条件下，如果依然采用串行处理，就如那时也要采用并行处理一样地可笑。

由于这种机器在体系结构上有所突破，使其功能大大增强，基本上实现了计算机的人工智能化和知识处理的智能机化，因而与上一代计算机也是有区别的。但它又能与上一代计算机接口，不产生“代沟”，说明知识智能机这种类诺依曼机与诺依曼机是相通的。

日本的知识信息处理系统（KIPS）之所以未能达到预期的目标，根本原因还是由于这种机器体系结构未能从根本上突破诺依曼框架。它在图像识别、语言理解方面，由于规则推理解释的串行性和非确定性，以及对大容量知识库顺序检索和匹配，使得信息处理耗费的时间有成指数性爆炸的危险。 N＝3，第 3 代计算机：脑型智能机 按照流行的说法，继第五代计算

机之后是第六代计算机：除了最热门的神经计算机之外，还有模糊计算机、光学计算机、生物计算机、超导计算机等等。不论是哪种计算机，如果它在体系结构上不突破诺依曼框架，它就依然是我们所说的第 1 代计算机：如果

它在体系结构上有所突破，并且功能大大增强，它就是第 2 代计算机。只有

那些突破诺依曼框架的计算机，即非诺依曼机器，才是第 3 代计算机。

神经网络计算机、光学神经计算机、模糊计算机，以及三者相结合的混合计算机，采用新的体系结构，模仿人脑神经网络系统，模拟人的思维、学习，具有自适应、自组织等功能。这一类脑型智能机属于非诺依曼计算机，是第 3 代计算机。

典型的神经计算机，接近人脑的一定组织结构，模仿人脑的工作原理与工作方式。这种计算机的主要特点是，巨量并行性和信息分布存储、处理。但它与人脑不同，它的运行速度比人脑的运转快得多，是真正的第 3 代计算机，因而受到发达国家的普遍重视。

N=4，第 4 代计算机：生物智能机 目前，神经计算机的芯片，大多仍是硅片。一旦生物芯片用于神经计算机，制成生物神经计算机，它将成为 21 世纪的最灿烂的明星。它不仅是非诺依曼计算机，而且是有机计算机。就其器件而言，发生了根本性质的改变，而不是半导体集成电路在规模上有量的扩张。所以，这种生物计算机是第 4 代计算机。

人们正在研制生物计算机。一种是以有机分子作为数字计算机的逻辑元件，其集成度是现有集成电路的 10 万倍，速度快 1000 倍以上，称为分子计算机；另一种是以蛋白质和其他复杂分子作存储元件，制造生物计算机。

生物计算机将从微观结构和宏观功能相结合的两个方面模拟人脑功能，主要是利用立体生物芯片，依据神经网络工作原理，构造全新的计算机体系，使之具有较强的识别、学习和推理的功能，并能对信息进行异步并行处理、分类、纠错，即使个别生物元件损坏也不致对整体功能产生重大影响。这种生物智能机，将与贝尔实验室利用现在的超大规模集成技术制成的“神经元计算机”不同。

生物计算机的关键，不是无机器件而是生物分子器件。现已制成的聚赖氨酸立体生物芯片，在 1 立方毫米的体积内，可有 100 亿门电路，能存储 110 亿比特的信息量。由于它低阻抗、低能耗，具有非热性，避免了半导体集成电路由于集成度极高而产生的过热现象。由生物芯片构成的生物计算机具有生物特点，有自组织能力和自修复功能。它的体积可以很小，又与生物体同质，有可能植入人脑皮层作为人体的思维器官，形成脑机共生体，出现真正的人机共同思考的新时代，把智能革命推向新阶段。

N=5，第 5 代计算机：辩证思维机 不论是诺依曼机，还是图林机，都是逻辑自动机，基本上局限于形式逻辑方面。然而，人的思维形式除形式逻辑之外，最根本的还是辩证逻辑。因此，人工智能的进一步发展，就是要突破形式逻辑的局限，模拟辩证思维。一台能模拟辩证思维的机器，由“自动” 进入“自为”，这不是本来意义上的逻辑自动机，而是我们提出的辩证自为机，也许就是第一代思维机——辩证思维机。如果说智能机的出现是机器发展的一次质的飞跃，那么，思维机的出现将是机器发展的第二次质的飞跃。这种机器能从外界直接获得信息，不仅理解信息的语义，而且能评估信息的价值，进行判断，作出决策，以适应环境而调整自己的行为，并提出改造环境的建议，具有主动性。这便是“机器自为”。

辩证思维机是建立在辩证逻辑的基础上，要把硬模拟、软模拟和其他泛系模拟结合起来，从硬件和软件两个方面发展这种全新的机器。在硬件方面，可使电子仿生学和化学仿生学相结合，并采用生物学元件和其他新型器件。在这种情况下，不能再说机器仅是机械运动和物理运动，它也会有化学的和生物的运动形式。这时机器的硬件就变成软件，具有自组织能力。在软件方面，机器自编程序和人的口授程序相结合，也有不用程序的随机处理，具有自纠错的能力。在这种情况下，不能再说机器只是被动地按照人编的程序刻板地一步一步去操作，它也会针对具体情况而修改程序，甚至不使用程序，灵活应变。这时机器的软件体现了辩证模式，使机器具有辩证思维的功能。

辩证思维机是综合型机器，既有宏观功能模拟，又有中观结构模拟。在此之前，各种类型的机器都是从某一侧面模拟人脑的功能，这时则从中择优使其形成一个新的整体。新的整体既保留 N=1，2，3，4 型机器的优点，也包括尚未纳入排代的机器，如超导计算机等机器的优点；既有诺依曼型和非诺

依曼型的决定论机器，又有非图林型的非决定论机器。人脑也是由这样一些天然的机器形成的特大系统。

建立辩证思维机的一大难题，就是辩证逻辑形式化这个关键问题。我们把形式逻辑看成是辩证逻辑的特例，前者使用静态范畴，后者使用动态范畴。既然可以用静止尺度来量度运动，为什么不可以用形式逻辑来描述辩证逻辑，实现辩证逻辑形式化呢？

如果这条道路走不通，也要另寻他路。人脑究竟是怎样进行辩证思维的？今天不清楚，明天会清楚的。总有一天，人类会造出辩证思维机，实现思维革命。