是時候給電腦換個思路了

李棟

電腦發(fā)展遇到瓶頸

如果你是個電腦迷，將會發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，無論電腦怎么變，速度變快也好，身材變苗條也好，自從第一臺電腦被制造出來，依舊換湯不換藥，它的構造基本上70年從來沒有變過。

不過，這一條電腦打造黃金定律馬上就要遇到挑戰(zhàn)，根據(jù)摩爾定律的預測，電腦必須變革了。

摩爾預言，集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個月就翻一番。自從1960年以來，這條理論一直被證明是正確的，但過去的進展沒法保證未來的成功。電路的數(shù)目變多，也就要求晶體管變得越來越小，小到一定程度，它們將沒法再用傳統(tǒng)的硅材料制成。在未來10年里，這個問題將會成為現(xiàn)實。

那么，未來電腦將要如何變化才會突破這個瓶頸呢？我們不妨首先將電腦的運行模式簡化一下，借助一個這樣的公式，電腦=輸入+處理+輸出，比如你打入“大科技”，然后按enter鍵，電腦就會開始處理這個輸入的信息，向你輸出計算的結果。簡化后，我們就可以做出合適的聯(lián)想，因為在自然界中，飛鳥會啟發(fā)人類制造飛機，蝙蝠的回聲定位系統(tǒng)啟發(fā)人類制造了雷達，那么，哪些事物會啟發(fā)科學家們改變現(xiàn)在的電腦形態(tài)呢？

化學電腦

化學反應似乎是計算機可以借鑒的完美模式。因為化學反應過程中，也有類似的輸入和輸出模式。在反應過程中，也會有處理環(huán)節(jié)。更關鍵的是，化學計算通常是并行的，在一個反應面的每個位置，反應通常同時發(fā)生，它能很好地適應一些更復雜的計算問題，比如計算通過迷宮和街道的最短路線。用傳統(tǒng)的計算機解決這一問題必須要窮盡所有的路徑，然后再進行比較，這需要耗費大量的時間。而利用化學反應則不同。由于反應波在傳播和擴散時，總是走最短的路徑。只要利用照相機，記錄下波的運動軌跡，就可以解決這一難題。

不過，這個化學反應有自己的問題。許多反應都是單向的，制約了它們成為電腦的潛力，因為電腦一般需要重復運行程序。上世紀五六十年代，俄羅斯的科學家在一系列反應中發(fā)現(xiàn)了B-Z（貝洛索夫-恰鮑廷斯基）反應，這種新的反應形式改變了這種狀況。它是由3個不同的反應組成的化學振蕩反應。每個反應都有不同的分子和離子，而且三個反應會互相觸發(fā)生成，由此循環(huán)往復。這樣，B-Z反應就有變成電腦計算新方式的潛力。

現(xiàn)在，英國布里斯多大學計算機專家安德魯正在利用B-Z反應，研究著到底怎么用果凍一樣的化學物質替代硅芯片和電路板，來制造一臺化學電腦。如果他成功了，未來的電腦可能就變成一團軟綿綿、滑溜溜的果凍一樣的物質。

濕件計算

計算機似乎和“濕”搭不上邊，但人類開始在硅片里雕刻電路之前，濕件在自然界計算中已經存在了幾億年。濕件是生物有機體構成的硬件和軟件。比如，我們不妨把細胞看作是一種濕件電腦，DNA在細胞里提供信息儲存方式，RNA代表著輸入，核糖體負責處理，蛋白質負責輸出。濕件經過幾億年的進化，產生了神經元——這種細胞可把化學信號當做輸入，轉換為電信號傳輸出去，最終輸出處理后的化學信號。而我們搭建計算機時，卻沒有考慮采用大自然已經建好的生物有機體，反而采用了全新的無機物。

但細胞幾乎很難編程。1999年，生物醫(yī)學家邁出了一個關鍵的一步，他們通過用內置的探針控制神經元的電子狀態(tài)，通過水蛭的神經元制造了一個簡單的電腦，能夠將兩個數(shù)字相加。

盡管取得了成果，但比起電路來，細胞還是很不容易操縱，因為它們不易存活，而且濕件得規(guī)模化才能支撐起整個計算機的電路。

最近，科學家們的思路又跳出了活體細胞，他們開始進行模仿細胞的電路研究，細胞和基因網絡的一個優(yōu)勢是它們是非線性的或者是無秩序的系統(tǒng)，意味著它們對于細小的輸入變化可以做出不同的反應，運用到計算機時，會使計算結果更精確。

三元計算

無論是濕件計算，還是化學計算，這些都是跟改變計算機的硬件有關，三元計算則是徹底改變信息的編碼方式。

現(xiàn)在，我們電腦用的是二元邏輯的0和1編碼，二元邏輯代表著兩種狀態(tài)，即是或者不是。

但現(xiàn)實生活中，我們還會遇到除了是，或者不是這兩種狀態(tài)外的第三個狀況：可能是或者可能不是。

在電腦最初發(fā)展的階段，電阻器還沒有強大到對電流的控制提供第三種“可能是或不是”的情況。所以，電路中通過開關控制電流，只有兩種情況：有電流用1表示，無電流用0表示。隨著電子元器件的革新，一個可控電流變壓器，可以調控電壓為三種狀態(tài)：正電壓（1）、零電壓（0）和負電壓（-1）。這也為三進制邏輯計算實現(xiàn)可能，在三進制邏輯中，符號1代表真；符號-1代表假；符號0代表未知。

早在20世紀60年代，莫斯科國力大學研究院就設計出了第一批三進制計算機，在頭兩年測試期里，這些計算機幾乎不需要任何調試就運行得非常順利，它甚至能執(zhí)行一些現(xiàn)有的程序，而且非常穩(wěn)定。更關鍵的是，三進制的計算機的生產和維護也比同期其它計算機要容易得多，而且應用面廣，所以，三進制計算機的訂單如雪片般從各方飛來。但很可惜的是，前蘇聯(lián)對這個經濟計劃外的科幻產物，持否定的態(tài)度且勒令其停產。三元計算的研究也就停滯不前。

現(xiàn)在，即使在最優(yōu)條件下，三元邏輯要能與二元邏輯相抗衡還有很大的障礙要克服，這一部分原因是尚未有人發(fā)現(xiàn)用三元邏輯來完成基本運算的有效方法。而且更重要的是，當三元計算機的生產被蘇聯(lián)勒令停產后，二元邏輯現(xiàn)在已經根植于我們價值數(shù)千億美元的計算設施里了，如果要將所有這些設施過渡為三元計算，我們幾乎需要重新從零開始，這樣的成本太大了。

不過，三進制邏輯表達方式將更多可能性考慮了進來，也將更符合現(xiàn)實情況，未來，三進制仍將是新型計算機的出路。所以，無論是谷歌還是IBM公司都在積極研發(fā)三進制計算，為實現(xiàn)真正的人工智能提供可能。