第五代计算机

科学家在展望未来世界时，不止一次地断言，2l世纪将是人类历史最令人兴奋和最有希望的世纪，许多决定人类未来命运的发明将在2l世纪实现，而未来社 会的模式将是人+计算机+通讯，可见，计算机在未来社会的重要性。是的，当今世界科学技术各个领域的发展在很大程度上都得益于计算机的发展。工业、农业、 商业及经济部门的进步均得益于自动化的实现，而自动化中唱主角的却是计算机。未来世界随着科学技术的飞速发展，计算机肯定会扮演越来越重要的角色。由于发 展需要，人类对计算机提出了更高的要求。人们希望超高速、大容量、低功耗和超微型的新型计算机早日问世。为此，科技专家正在努力设计制造新型高效计算机， 它们将是人类的希望之星。

　　第五代计算机。

　　开发研制第五代计算机是日本率先于1981年正式宣布的计划。该计划既 有日本官方的资助，又有各大公司和研究部门的协作，共筹资1　000亿日元，计划用10年时间分3个阶段完成第五代计算机的研制：第一个阶段制成基于固件 的推理超级个人计算机；第二阶段制成并行处理的推理机；第三阶段制成大型的知识处理计算机，最终建成通用推理机。以渊一博为首的40勇士，于1982年6 月正式成立了日本“第五代计算机研究所”，并取得了许多宝贵的经验。1988年11月在第五代计算机国际会议上，该研究所制造的一台第五代电脑作了表演： 对日本小学教科书中的一篇课文作了看、听、说的处理，很好地回答了代表们提出的问题。在日本的带动下，美国、英国、中国纷纷开始研制自己的第五代计算机， 都取得了广泛的成果。

　　第五代计算机的含义，至今没有统一的看法。但是一般认为其主要特点：①高度智能化，具有听、写、说、看的功能， 有学习、联想、推理和解决问题的功能；②改善软件环境减少软件负担，用自然语言进行人机对话；③综合性能好，高速、大容量、高适应性、高可靠性和高保密 性。第五代计算机与前四代计算机有很大的不同，它突破了传统的诺依曼机概念，采用了高度并行处理方式。诺依曼机的工作方式是按照计算中操作的顺序编好程 序，把使用的程序及要处理的数据变成0或l指令代码进行运算和存储，计算时依次从存储器中调出代码，一条一条地顺序执行。而第五代计算机，则是把许多处理 机并联起来。即交叉连接起来，于是就可以并行处理信息了，处理信息的速度可以大大地提高。

　　第五代计算机不能仅仅理解为产生一个新系 统，而应该看成一个全面的开发计划。它将会推动从集成电路到计算机硬件系统、软件系统以至于各种派生应用产品的全面开发。1992年夏季，日本正式宣布， 终止第五代计算机研制工作，从而表明长达10年之久的第五代计算机没有成功。专家们承认，在10年内完成这样的高智能系统是不可能的。现在功能最强的计算 机仍不能达到6个月婴儿的智力水平。看来研制新一代计算机的工作，还有很长一段路要走。

　　第六代计算机。

　　通过研究第五代计算机的经验，人们已经开始设计第六代计算机的研究方案了。第六代计算机是利用新型的硬件，模仿人脑的神经结构，开发出能辨别物体、能听懂声音、具有自己学习能力的“人工大脑”，也称神经电脑。

　 　科学家认为：人脑有100亿个神经元和10亿多神经键，每个神经元都要与大约1　000个其他神经元相联系，而每一神经元都相当于一台微型电脑，这样就 构成了协同工作的思维网络。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。神经电脑除有许许多多处理器外.还有类似 神经元的节点，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器，它们同时运算，其信息处理速度和智能会大大地提高。

　　第六 代计算机还有一个特点，它的资料和知识不是存在于存储器中，而是存在神经元间的联络网中。若有节点断裂，这种计算机仍有重建它的资料的功能，所以它具有修 复性、容错性、高度联想性、视觉和听觉能力的计算机。第六代计算机的研究工作已经有了进展：1992年日本已经开发制造出神经电脑所用的大规模集成芯片， 在这个1.5厘米见方的硅片上设置了400个神经元和4　000个神经键，应用这种芯片实现了每秒2亿次的运算速度。它的学习功能很强，能辨别多达40个 字符的语言模式。美国研制的可用于翻译的神经电脑，具有模拟人脑“左脑”和“右脑”的功能。“右脑”是经验功能部分，有l万多个神经元，适于图像识别，存 储基于经验的语句；“左脑”是识别功能部分，含有100万个神经元，用来存储单词和语法规则。这台翻译电脑有学习功能和积累经验的功能。在许多场合上能派 上用场。

　　生物计算机。

　　自从1906年德福雷斯特发明了真空三极管，人们找到了快速的电子开关元件，从此产生了第 一代计算机。随着科学技术的发展，人们嫌电子管不够快了，这样又相继发明了更快的、更有效的开关器件：晶体管、集成电路、大规模集成电路，从而使计算机不 断地更新换代。在这些半导体材料上，缩短电子开关的响应时间，主要是靠增加开关元件的集成密集度达到的。但是在一块硅片上开关数不能无限制地增加，一毫米 见方的硅片上最多能有几千万个元件已经达到极限、所以半导体开关器件的开关速度达到l纳秒（合十亿分之一秒）也已经不能再短了。要想制造出速度更快、更具 有先进性的计算机，必须找到更有价值的、体积更小的、速度更快的新型开关技术。

　　科学家发现，蛋白质具有两种状态的开关特性。用蛋白质 分子作开关元件做成的集成电路，称为生物芯片，用生物芯片制成的计算机称为蛋白质计算机，也称生物计算机。目前，使用某些蛋白质团制造的“开关装置”已经 研制成功，可编程DNA链解课题已经取得突破。现已经生产出合成蛋白质芯片、遗传生成芯片、血红素芯片等等。研究成果表明，生物计算机与电子计算机是截然 不同的，生物计算机的主要优点：蛋白质芯片1平方毫米可容纳数亿个开关电路，由蛋白质构成的集成电路大小相当于硅片集成电路的十万分之一，运算速度却只有 l皮秒（万亿分之一秒）；生物计算机的存储点只有一个分子大小，所以具有巨大的存储能力，它的存储量一般是普通计算机的10亿倍。另外它在传递信息时，基 本上不消耗能量；生物计算机还有一个优点，就是继承了生物基因具有自我组织、自我修复的功能，现在对生物计算机的研究和开发已经进入关键时期，人们盼望它 早日问世，相信它会有很广泛的用途。

　　超导计算机。

　　超导计算机也是正在研制中的未来计算机的一种。所谓超导就是有 些物质在接近绝对零度（相当于一269℃）时，电流流动是无阻力的。1962年正在英国剑桥大学攻读物理学博士学位的研究生约瑟夫森 （B.D.Josephoson），通过理论计算，提出了超导隧道效应原理。所谓超导隧道效应，粗略地说是这样的：在两个金属（如铝、铅等）薄膜之间夹一 层通过氧化方法形成的非常薄的、薄到只有几十埃（1埃=10-8厘米）的绝缘介质层，组成一种“超导体—绝缘体—超导体”的结构（称为超导隧道结）。当此 超导结两边加上电压时，电子便成对地，好像通过隧道一样毫无阻挡地穿过绝缘层，形成很小的电流（一般为几十微安），而两端没有电压，即出现零电压的电流。 当然，当电流超过某一临界电流时，或从外部加上磁场使临界电流变化时，电子对即受绝缘层阻挡而在两端产生电压降，使之从零电压状态转变到有电压状态，这就 是直流超导隧道效应。这一原理提出一年之后被实验证实是正确的。这位年轻的学者也因此于1973年获得诺贝尔奖。

　　由于约瑟夫森结在通 有电流时具有从零电压转变到有限电压的性质，因此可以用来作为计算机中的开关元件和记忆元件，这种元件的响应时间仅为0.27皮秒。用约瑟夫森结制成的计 算机，称为超导计算机。这种计算机有许多优点，耗电仅为普通计算机的几千分之一；执行一个指令只需1纳秒（十亿分之一秒），比普通计算机快10倍；超导结 可以高密度集成；信号传输时不会产生畸变，也大大地减少元件间的相互干扰。

　　超导计算机解决了高速、低耗、微型三者之间的矛盾，所以有 极大的优越性，各国研究部门争先恐后地研制这种计算机。日本电气技术研究所已研制成世界上第一台完整的超导计算机，它采用4个约瑟夫森大规模集成电路，每 个集成电路芯片体积有3—5立方毫米大小，每个芯片上有上千约瑟夫森结。超导计算机以高速度、低功耗、高容量、超微型的特点，让人类看到了新一代计算机的 曙光。

　　光计算机。

　　计算机专家开辟了另一新的研制下一代计算机的可行途径，用光来代替电子或电流，实现高速处理大容量信息的计算机，即光计算机。

　 　1983年，英国赫里奥特—瓦特大学的德斯蒙德·史密斯（S.Desmond　Smith）教授等人，成功地研制一种类似于电子晶体管的光晶体管，他们 称之“变相管”。这种光晶体管是一块边长为几毫米的矩形锑化铟晶体。它有显著的非线性特性，当激光射入该晶体时，晶体的折射率就会随入射光的强度变化而变 化。如果适当选择激光波长和控制光强，根据光的干涉作用，它就是一种能起开关作用的器件。它的透射光强随着入射光强的微小变化而产生极大的变化，开关时间 仅有几皮秒，比电子晶体管快1　000倍。另外，由于光的独立传播性，当多束光同时入射晶体时，光子不发生碰撞，各光束可仍然保持各自的独立性，所以可以 利用一单独光晶体管进行几项独立的开关操作，这样就能产生高速度的、并行处理的、无噪声、不发热、抗干扰的计算机。正因为如此，自20世纪70年代以来， 美国、英国、苏联、日本及欧洲共同体一直在积极研究光计算机。目前的重点仍然是在完成光逻辑器件和光存储装置上，并已取得了较大的进展。欧洲共同体宣布拨 款140万美元，采用史密斯等人发明的“变相管”制造光计算机。日本也已经研制成功一种叫“双稳态半导体激光器”的新型光开关和存储器元件，它可以实现光 的放大，其开关时间小于l纳秒（十亿分之一秒），而非常容易被集成化，一旦完善了稳定可靠性技术，就可投入大批量、低成本生产，使光计算机进入具体设计实 施阶段。许多科学家对光计算机表示了极高的热情，认为光计算机已呈现出现实的和令人鼓舞的前景。

　　人类把聪明教给计算机，计算机使人类更加聪明。电子计算机奇迹般地出现在我们面前已经50多年了，它是整个现代文明发展的产物。电子计算机正是在人类智慧创造中发展进步的，明天的计算机将会更加先进、更加有益于我们人类的进步。