第五代計算機

科學家在展望未來世界時，不止一次地斷言，2l世紀將是人類歷史最令人興奮和最有希望的世紀，許多決定人類未來命運的發明將在2l世紀實現，而未來社 會的模式將是人+計算機+通訊，可見，計算機在未來社會的重要性。是的，當今世界科學技術各個領域的發展在很大程度上都得益于計算機的發展。工業、農業、 商業及經濟部門的進步均得益于自動化的實現，而自動化中唱主角的卻是計算機。未來世界隨著科學技術的飛速發展，計算機肯定會扮演越來越重要的角色。由于發 展需要，人類對計算機提出了更高的要求。人們希望超高速、大容量、低功耗和超微型的新型計算機早日問世。為此，科技專家正在努力設計制造新型高效計算機， 它們將是人類的希望之星。

　　第五代計算機。

　　開發研制第五代計算機是日本率先于1981年正式宣布的計劃。該計劃既 有日本官方的資助，又有各大公司和研究部門的協作，共籌資1　000億日元，計劃用10年時間分3個階段完成第五代計算機的研制：第一個階段制成基于固件 的推理超級個人計算機；第二階段制成并行處理的推理機；第三階段制成大型的知識處理計算機，最終建成通用推理機。以淵一博為首的40勇士，于1982年6 月正式成立了日本“第五代計算機研究所”，并取得了許多寶貴的經驗。1988年11月在第五代計算機國際會議上，該研究所制造的一臺第五代電腦作了表演： 對日本小學教科書中的一篇課文作了看、聽、說的處理，很好地回答了代表們提出的問題。在日本的帶動下，美國、英國、中國紛紛開始研制自己的第五代計算機， 都取得了廣泛的成果。

　　第五代計算機的含義，至今沒有統一的看法。但是一般認為其主要特點：①高度智能化，具有聽、寫、說、看的功能， 有學習、聯想、推理和解決問題的功能；②改善軟件環境減少軟件負擔，用自然語言進行人機對話；③綜合性能好，高速、大容量、高適應性、高可靠性和高保密 性。第五代計算機與前四代計算機有很大的不同，它突破了傳統的諾依曼機概念，采用了高度并行處理方式。諾依曼機的工作方式是按照計算中操作的順序編好程 序，把使用的程序及要處理的數據變成0或l指令代碼進行運算和存儲，計算時依次從存儲器中調出代碼，一條一條地順序執行。而第五代計算機，則是把許多處理 機并聯起來。即交叉連接起來，于是就可以并行處理信息了，處理信息的速度可以大大地提高。

　　第五代計算機不能僅僅理解為產生一個新系 統，而應該看成一個全面的開發計劃。它將會推動從集成電路到計算機硬件系統、軟件系統以至于各種派生應用產品的全面開發。1992年夏季，日本正式宣布， 終止第五代計算機研制工作，從而表明長達10年之久的第五代計算機沒有成功。專家們承認，在10年內完成這樣的高智能系統是不可能的。現在功能最強的計算 機仍不能達到6個月嬰兒的智力水平。看來研制新一代計算機的工作，還有很長一段路要走。

　　第六代計算機。

　　通過研究第五代計算機的經驗，人們已經開始設計第六代計算機的研究方案了。第六代計算機是利用新型的硬件，模仿人腦的神經結構，開發出能辨別物體、能聽懂聲音、具有自己學習能力的“人工大腦”，也稱神經電腦。

　 　科學家認為：人腦有100億個神經元和10億多神經鍵，每個神經元都要與大約1　000個其他神經元相聯系，而每一神經元都相當于一臺微型電腦，這樣就 構成了協同工作的思維網絡。如果用許多微處理機模仿人的神經元結構，采用大量的并行分布式網絡就構成了神經電腦。神經電腦除有許許多多處理器外.還有類似 神經元的節點，每個節點與許多節點相連。若把每一步運算分配給每臺微處理器，它們同時運算，其信息處理速度和智能會大大地提高。

　　第六 代計算機還有一個特點，它的資料和知識不是存在于存儲器中，而是存在神經元間的聯絡網中。若有節點斷裂，這種計算機仍有重建它的資料的功能，所以它具有修 復性、容錯性、高度聯想性、視覺和聽覺能力的計算機。第六代計算機的研究工作已經有了進展：1992年日本已經開發制造出神經電腦所用的大規模集成芯片， 在這個1.5厘米見方的硅片上設置了400個神經元和4　000個神經鍵，應用這種芯片實現了每秒2億次的運算速度。它的學習功能很強，能辨別多達40個 字符的語言模式。美國研制的可用于翻譯的神經電腦，具有模擬人腦“左腦”和“右腦”的功能。“右腦”是經驗功能部分，有l萬多個神經元，適于圖像識別，存 儲基于經驗的語句；“左腦”是識別功能部分，含有100萬個神經元，用來存儲單詞和語法規則。這臺翻譯電腦有學習功能和積累經驗的功能。在許多場合上能派 上用場。

　　生物計算機。

　　自從1906年德福雷斯特發明了真空三極管，人們找到了快速的電子開關元件，從此產生了第 一代計算機。隨著科學技術的發展，人們嫌電子管不夠快了，這樣又相繼發明了更快的、更有效的開關器件：晶體管、集成電路、大規模集成電路，從而使計算機不 斷地更新換代。在這些半導體材料上，縮短電子開關的響應時間，主要是靠增加開關元件的集成密集度達到的。但是在一塊硅片上開關數不能無限制地增加，一毫米 見方的硅片上最多能有幾千萬個元件已經達到極限、所以半導體開關器件的開關速度達到l納秒（合十億分之一秒）也已經不能再短了。要想制造出速度更快、更具 有先進性的計算機，必須找到更有價值的、體積更小的、速度更快的新型開關技術。

　　科學家發現，蛋白質具有兩種狀態的開關特性。用蛋白質 分子作開關元件做成的集成電路，稱為生物芯片，用生物芯片制成的計算機稱為蛋白質計算機，也稱生物計算機。目前，使用某些蛋白質團制造的“開關裝置”已經 研制成功，可編程DNA鏈解課題已經取得突破。現已經生產出合成蛋白質芯片、遺傳生成芯片、血紅素芯片等等。研究成果表明，生物計算機與電子計算機是截然 不同的，生物計算機的主要優點：蛋白質芯片1平方毫米可容納數億個開關電路，由蛋白質構成的集成電路大小相當于硅片集成電路的十萬分之一，運算速度卻只有 l皮秒（萬億分之一秒）；生物計算機的存儲點只有一個分子大小，所以具有巨大的存儲能力，它的存儲量一般是普通計算機的10億倍。另外它在傳遞信息時，基 本上不消耗能量；生物計算機還有一個優點，就是繼承了生物基因具有自我組織、自我修復的功能，現在對生物計算機的研究和開發已經進入關鍵時期，人們盼望它 早日問世，相信它會有很廣泛的用途。

　　超導計算機。

　　超導計算機也是正在研制中的未來計算機的一種。所謂超導就是有 些物質在接近絕對零度（相當于一269℃）時，電流流動是無阻力的。1962年正在英國劍橋大學攻讀物理學博士學位的研究生約瑟夫森 （B.D.Josephoson），通過理論計算，提出了超導隧道效應原理。所謂超導隧道效應，粗略地說是這樣的：在兩個金屬（如鋁、鉛等）薄膜之間夾一 層通過氧化方法形成的非常薄的、薄到只有幾十埃（1埃=10-8厘米）的絕緣介質層，組成一種“超導體—絕緣體—超導體”的結構（稱為超導隧道結）。當此 超導結兩邊加上電壓時，電子便成對地，好像通過隧道一樣毫無阻擋地穿過絕緣層，形成很小的電流（一般為幾十微安），而兩端沒有電壓，即出現零電壓的電流。 當然，當電流超過某一臨界電流時，或從外部加上磁場使臨界電流變化時，電子對即受絕緣層阻擋而在兩端產生電壓降，使之從零電壓狀態轉變到有電壓狀態，這就 是直流超導隧道效應。這一原理提出一年之后被實驗證實是正確的。這位年輕的學者也因此于1973年獲得諾貝爾獎。

　　由于約瑟夫森結在通 有電流時具有從零電壓轉變到有限電壓的性質，因此可以用來作為計算機中的開關元件和記憶元件，這種元件的響應時間僅為0.27皮秒。用約瑟夫森結制成的計 算機，稱為超導計算機。這種計算機有許多優點，耗電僅為普通計算機的幾千分之一；執行一個指令只需1納秒（十億分之一秒），比普通計算機快10倍；超導結 可以高密度集成；信號傳輸時不會產生畸變，也大大地減少元件間的相互干擾。

　　超導計算機解決了高速、低耗、微型三者之間的矛盾，所以有 極大的優越性，各國研究部門爭先恐后地研制這種計算機。日本電氣技術研究所已研制成世界上第一臺完整的超導計算機，它采用4個約瑟夫森大規模集成電路，每 個集成電路芯片體積有3—5立方毫米大小，每個芯片上有上千約瑟夫森結。超導計算機以高速度、低功耗、高容量、超微型的特點，讓人類看到了新一代計算機的 曙光。

　　光計算機。

　　計算機專家開辟了另一新的研制下一代計算機的可行途徑，用光來代替電子或電流，實現高速處理大容量信息的計算機，即光計算機。

　 　1983年，英國赫里奧特—瓦特大學的德斯蒙德·史密斯（S.Desmond　Smith）教授等人，成功地研制一種類似于電子晶體管的光晶體管，他們 稱之“變相管”。這種光晶體管是一塊邊長為幾毫米的矩形銻化銦晶體。它有顯著的非線性特性，當激光射入該晶體時，晶體的折射率就會隨入射光的強度變化而變 化。如果適當選擇激光波長和控制光強，根據光的干涉作用，它就是一種能起開關作用的器件。它的透射光強隨著入射光強的微小變化而產生極大的變化，開關時間 僅有幾皮秒，比電子晶體管快1　000倍。另外，由于光的獨立傳播性，當多束光同時入射晶體時，光子不發生碰撞，各光束可仍然保持各自的獨立性，所以可以 利用一單獨光晶體管進行幾項獨立的開關操作，這樣就能產生高速度的、并行處理的、無噪聲、不發熱、抗干擾的計算機。正因為如此，自20世紀70年代以來， 美國、英國、蘇聯、日本及歐洲共同體一直在積極研究光計算機。目前的重點仍然是在完成光邏輯器件和光存儲裝置上，并已取得了較大的進展。歐洲共同體宣布撥 款140萬美元，采用史密斯等人發明的“變相管”制造光計算機。日本也已經研制成功一種叫“雙穩態半導體激光器”的新型光開關和存儲器元件，它可以實現光 的放大，其開關時間小于l納秒（十億分之一秒），而非常容易被集成化，一旦完善了穩定可靠性技術，就可投入大批量、低成本生產，使光計算機進入具體設計實 施階段。許多科學家對光計算機表示了極高的熱情，認為光計算機已呈現出現實的和令人鼓舞的前景。

　　人類把聰明教給計算機，計算機使人類更加聰明。電子計算機奇跡般地出現在我們面前已經50多年了，它是整個現代文明發展的產物。電子計算機正是在人類智慧創造中發展進步的，明天的計算機將會更加先進、更加有益于我們人類的進步。