未來的世界怎么樣?

　　摘要：展望了未來的計(jì)算世界，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用包括計(jì)算模擬、嵌入融合以及網(wǎng)絡(luò)通信三大方面。

　　“從一定程度上說，整個(gè)人類的發(fā)展史可以總結(jié)為一場腦力勞動日益替代體力勞動的漸進(jìn)革命”。處理器芯片使計(jì)算機(jī)從“科學(xué)殿堂”走進(jìn)了“百姓人家”，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的民主化(大眾化)，已使人類的9億人口從工業(yè)社會進(jìn)入了知識社會。人們估計(jì)，機(jī)器人設(shè)計(jì)的人性化，到2036年發(fā)達(dá)國家的機(jī)器人的數(shù)目將超過人的數(shù)目，很多工作將是由機(jī)器人完成的。有人認(rèn)為，計(jì)算機(jī)的下一件大事就是要使電子設(shè)備真正的小型化, 硅芯片制造的三維化，將使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)換發(fā)青春。

　　中國科學(xué)院院士沈緒榜

　　計(jì)算機(jī)的應(yīng)用包括計(jì)算模擬、嵌入融合以及網(wǎng)絡(luò)通信三大方面

　　世界上的第一臺計(jì)算機(jī)，就是為縮短計(jì)算彈道的時(shí)間而研制，是作為計(jì)算模擬(Simulation)工具使用的。串行計(jì)算機(jī)上的計(jì)算模擬是一種從點(diǎn)開始的串行“分層處理”的計(jì)算技術(shù)?，F(xiàn)在的并行計(jì)算機(jī)上的計(jì)算模擬(天氣預(yù)報(bào)等)，是一種從面開始的并行 “分層處理”的計(jì)算技術(shù)，正在使計(jì)算能力無限大(千萬億次等)。這種分層技術(shù)也正在使制造技術(shù)大眾化。 1985年化學(xué)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(shù)正在走出實(shí)驗(yàn)室，有可能使每個(gè)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(shè)備成為可穿著的，更深入地介入日常生活。

　　工業(yè)革命的機(jī)器設(shè)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(shù)問世之后，首先是用于火箭的控制計(jì)算機(jī)中的，但這只是少數(shù)人的事。計(jì)算機(jī)與工程科學(xué)更加緊密的嵌入融合(embodiment)的應(yīng)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(shù)正在使計(jì)算設(shè)備無限小，促進(jìn)其應(yīng)用的嵌入融合的大眾化。

　　1969年計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)ARPANET(阿帕網(wǎng))問世，開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信(communication)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用正在使計(jì)算距離無限遠(yuǎn)(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(wù)(LBS， Location Based Service)成了網(wǎng)絡(luò)通信的大眾化技術(shù)。據(jù)2007年統(tǒng)計(jì)，有30多個(gè)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(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的無縫作用。在歐洲啟動的名為RoboEarth(機(jī)器人地球)的網(wǎng)絡(luò)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(luò)變得更聰明。網(wǎng)絡(luò)的集合作用把大型計(jì)算(mainframe)和個(gè)人計(jì)算機(jī)(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(jì)算技術(shù)成了電一樣的普及技術(shù)。

　　機(jī)器人的設(shè)計(jì)使計(jì)算機(jī)從邏輯化計(jì)算走向了人性化計(jì)算

　　計(jì)算機(jī)嵌入融合的應(yīng)用催生了非人形機(jī)器人、人形(仿真)機(jī)器人。工程人員正在研究一種能根據(jù)隨時(shí)需要改變自身形狀和能力的變形機(jī)器人。相對于光速來說，人類與探索整個(gè)太陽系的機(jī)器人的通信時(shí)間太長了，地面控制難以做出“即時(shí)決定”。因此，發(fā)明了自主機(jī)器人。人腦是一種模擬計(jì)算機(jī)。數(shù)字計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)用它模仿人腦的創(chuàng)新思維能力。機(jī)器人和所有機(jī)器一樣，都是人腦發(fā)明的，是生物學(xué)的人工制品，不同的是機(jī)器人催生了許多具有各種不同人類特征的人性化新應(yīng)用，促進(jìn)了神經(jīng)計(jì)算機(jī)、生物計(jì)算機(jī)和“數(shù)字生命”的人工智能研究。

　　1950年代以來的生命科學(xué)則發(fā)現(xiàn)了人的生命是一個(gè)與計(jì)算機(jī)非常相似的中央控制過程進(jìn)行控制的化學(xué)機(jī)器。設(shè)計(jì)具有生命組織特征的計(jì)算機(jī)，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(shè)計(jì)大腦”重現(xiàn)思維的一些方面，包括情感、感知、感覺和認(rèn)知。

　　英國科學(xué)家使用細(xì)菌和基因手段制造出了“生物邏輯門”，能用蛋白質(zhì)作輸入信息和輸出信息，完成邏輯運(yùn)算，具有當(dāng)前計(jì)算機(jī)所用電路邏輯門類似的信息處理能力的人工智能技術(shù)。這些生物邏輯門有望成為微型生物計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)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(guān)節(jié)處游蕩的傳感器，探測和破壞身體內(nèi)癌細(xì)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(jìn)化的概念引進(jìn)了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，繁殖時(shí)復(fù)制的不是DNA，而是計(jì)算機(jī)編碼。美國密歇根大學(xué)的Robert Pennock的“數(shù)字生命”叫“Avidians”，經(jīng)過數(shù)千代以后，它就進(jìn)化出了驚人的初級記憶能力：能向食物源運(yùn)動。密歇根大學(xué)的Jeff Clune的“數(shù)字生命”叫“HyperNEAT”，每個(gè)模擬細(xì)胞的功能和人腦中相同位置的神經(jīng)細(xì)胞相同。從簡單的指令開始，逐步建立復(fù)雜的大腦，然后改變那些指令，得到一個(gè)不同的人工大腦。而加入容錯(cuò)指令，能使人工大腦得到自我進(jìn)化。

　　硅芯片的制造技術(shù)包括一次集成技術(shù)和二次集成技術(shù)

　　早期的計(jì)算機(jī)就是以制造技術(shù)命名的。有電子管計(jì)算機(jī)、晶體管計(jì)算機(jī)。晶體管把我們從電子管中解放出來，硅芯片制造技術(shù)發(fā)明之后，計(jì)算機(jī)就是按摩爾預(yù)言發(fā)展的。到2017年左右，微電子學(xué)的硅芯片制造技術(shù)特征尺寸將達(dá)到它的物理極限，但計(jì)算機(jī)的小型化除了芯片內(nèi)的集成技術(shù)之外，還取決于芯片間的互連技術(shù)。芯片內(nèi)的集成技術(shù)有晶體管和互連線技術(shù);芯片間的互連線技術(shù)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(yīng)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(shù)的代號為Ivy Bridge的22納米Intel芯片。瑞士科學(xué)家表示，隧道場效應(yīng)晶體管可為計(jì)算機(jī)節(jié)能99%，2017年將進(jìn)入大規(guī)模制造階段。最終設(shè)計(jì)出超級小型化的零能耗的個(gè)人電子助手。

　　芯片內(nèi)的互連技術(shù)開始是穩(wěn)定性好的鋁互連線技術(shù)，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(shù)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(shù)。

　　早期的芯片是單個(gè)組裝的，采用的是PCB板/底板/機(jī)箱(柜)的互連線技術(shù)?，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(jī)箱(柜)的互連線技術(shù)?，F(xiàn)在已有100多個(gè)機(jī)架的千萬億次計(jì)算機(jī)，是占地幾百平米的龐然大物。計(jì)劃2018問世的100萬萬億次計(jì)算機(jī)將只能是低功耗SoC芯片的硅直通的互連線技術(shù)。

　　總之，計(jì)算機(jī)應(yīng)用的民主化，將加速人類從工業(yè)社會進(jìn)入知識社會。機(jī)器人設(shè)計(jì)的人性化，體力勞動將更多地由機(jī)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(shù)將仍然是知識社會電子設(shè)備小型化的主要技術(shù)基礎(chǔ)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]沈緒榜.芯片制造技術(shù)的基礎(chǔ)性作用.電子產(chǎn)品世界,2011(3)

　　[2]沈緒榜.陣列處理器系統(tǒng)芯片的發(fā)展.電子產(chǎn)品世界,2010(1-2)

　　[3]認(rèn)知計(jì)算：當(dāng)計(jì)算機(jī)變成人腦[R/OL]. (2011-12-19). http://tech.cn.yahoo.com/ypen/20111219/765956.html

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

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