1、微型計算機原理及應(yīng)用,北京大學物理學院 蔡建新,目 錄,序 言 第一章 概論 第二章 微型計算機體系結(jié)構(gòu) 第三章 指令系統(tǒng) 第四章 匯編語言程序設(shè)計 第五章 輸入/輸出接口(并行接口 和DMA接口),第六章 中斷 第七章 計數(shù)/定時技術(shù) 第八章 串行通信 第九章 微型計算機存儲器 第十章 總線 第十一章 高性能微處理機及其相關(guān) 技術(shù) 第十二章 模擬接口（視時間定）,序 言,腦科學的結(jié)論告訴我們： 人的左腦主司數(shù)學運算、邏輯思維及語言表達；右腦主司整體感覺、綜合判斷及直覺頓悟。 制造計算機就是為了把我們左腦的重復性勞動及程序性工作交出去，以便更好地創(chuàng)新。,計算機發(fā)展歷史簡介： 中國：古人用算籌計

2、算，算盤 法國人帕斯卡和德國人萊布尼茲：機械式加法器 對數(shù)計算尺 19世紀英國人：機械式計算機 美國人霍勒里斯：數(shù)據(jù)處理器 1924年霍勒里斯創(chuàng)辦制表機器公司，后與其他公司合并，改為IBM 20世紀初（1906年）發(fā)明電子三極管 40年代：繼電器計算機 1945年：ENIAC第一臺電子管計算機 1946年：馮諾依曼計算機結(jié)構(gòu) 1949：英國劍橋大學制成世界上第一臺程序內(nèi)存的電子計算機，叫EDSAC,第一代：1945年電子管計算機，ENIAC 第二代：1959年晶體管計算機，IBM1403 第三代：1962年，集成電路計算機，IBM360 第四代：1972年，大規(guī)模集成電路計算機， IBM370

3、。計算機微型化1971年 INTEL公司第一個微處理器4004 第五代：20世紀80年代，超大規(guī)模集成電路計 算機；微機進一步發(fā)展，從8080到 80486 第六代： 20世紀90年代，超大型機和智能計算 機；微機從586到P2、P3、P4,1945年世界上第一臺計算機ENIAC誕生，至今已有59年，發(fā)展速度非常快。 一、電子數(shù)字計算機 電子計算機總體上分為兩類：電子模擬計算機 和電子數(shù)字計算機。兩者比較如下：,本書只講電子數(shù)字計算機。數(shù)字計算機又可分為專用計 算機和通用計算機。我們主要介紹通用計算機，它又可分 低 單片機 高 體積 功耗 微型機 性能 數(shù)據(jù)存儲量 小型機 簡易性 指令系統(tǒng) 價

4、格 中型機 大型機 高 巨型機 低,為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機（超級微電 腦）和單片機六大類，它們的區(qū)別在于體積、簡易性、功耗 、性能指標、數(shù)據(jù)存儲量、指令系統(tǒng)規(guī)模和價格，如上圖所 示。 1、巨型機（超級計算機） 1996年美國Intel公司首次突破萬億次/秒大關(guān)，達到1.4 萬億次/秒；美國RS6000，2萬億次/秒；“白色ASCI”（2000 年）12.3萬億次/秒。 我國1992年銀河-為10億次/秒，1996年銀河-為100 億/秒1999年中國神威號已達3840億次/秒。2002年8月聯(lián) 想集團推出深騰1800每秒1.027萬億次浮點運算超級計算機， 在2002年11月

5、全球超級計算機中排名第43位。,2003年聯(lián)想集團將推出4萬億次/秒超級計算機。 目前全球最快的計算機是日本NEC的用于“地球模擬”的 超級計算機，35. 86萬億次/秒，排在第一位。排在第二位和 第三的是美國HP公司造的兩臺超級計算機，運算速度均為每 秒7.73萬億次（到2002年底）。 最新報道，世界上超級計算機正在開始王中王的角逐。 Cray公司將推出最新的X1超級計算機，速度52萬億次/秒。 IBM公司將為美國政府提供兩臺超級計算機，一臺名為 ASCI Purple，速度為100萬億次/秒；另一臺名為Blue Gene/L ，將達到360萬億次/秒，預(yù)計2005年交付使用。主要用于武

6、器、生物技術(shù)和高能爆炸的模擬計算。 全球500臺超級計算機中91%由美國制造，其中惠普占137 臺；IBM占131臺，SUN公司占88臺（到2002年底） 。,我國計算機發(fā)展簡介： 1957年，哈爾濱工業(yè)大學研制成功我國第一臺模擬式 電子計算機。 1958年，中國第一臺計算機103型通用數(shù)字電子計算 機研制成功，運行速度每秒1500次。 1973年，中國第一臺百萬次集成電路計算機研制成功。 1977年，中國第一臺微型計算機DJS050機研制成功。 1983年，銀河號巨型計算機研制成功，運行速度每 秒1億次。 1986年，中華學習機投入生產(chǎn)。 1987年，第一臺國產(chǎn)的286微機長城286正式推出

7、。 1990年，長城486機問世。 1992年11月，中國第一臺10億次巨型銀河計算機型通 過鑒定。,1995年，曙光1000大型機通過鑒定，其峰值可達每 秒25億次。 1996年，國產(chǎn)聯(lián)想電腦在國內(nèi)微機市場銷售量第一。 1997年6月，130億次巨型銀河計算機3型通過鑒定。 1998年，中國微機銷量達到408萬臺，國產(chǎn)占有率高 達71.9%。 1999年8月，神威計算機達到3840億次 2000年，曙光2000-，速度達到1170億次/秒 2002年8月，聯(lián)想深騰1800超級計算機每秒1.027萬 億次。 2003年11月17日消息：美國能源部勞倫斯伯克利國 家實驗室16日公布了最新的全球超

8、級計算機500強，中 國聯(lián)想集團為中科院建造的“深騰6800”以每秒4.183億,次的運算速度位居第14位。這也是迄今為止中 國超級計算機在這一排名中取得的最好成績。 全球超級計算機500強評比一年兩次，1993 年發(fā)起至今已經(jīng)進行了22屆。評選由美國能源 部的勞倫斯 伯克利國家實驗室、田納西大學 和德國的曼海姆大學共同完成 . 2003年7月23日，新華網(wǎng)報道，國家曙光信 息產(chǎn)業(yè)集團宣布，2004年將建造一臺每秒10萬 億次的超級計算機，代號為“曙光4000A”，將 采用2000多個64位AMD Opteron處理器。,2003年11月26日，北京晚報報道：清華大學 研制出萬億次超級計算機“

9、深超 - 21C”，最高 速度到達15000億次/秒，在全球排在第78位。 2003年12月15日報道，曙光信息產(chǎn)業(yè)集團在 北京宣布，將為上海超級計算中心建造一臺運 算速度每秒十萬億次的高性能計算機，用于航 天、航空、汽車制造和精確天氣預(yù)報。使我國 成為繼美國和日本后，第三個擁有制造十萬億 次超級計算機能力的國家。,2、微型機（微處理器） 第一代： 4位機，4040 第二代： 8位機，8080，6800，Z80 第三代：16位機，8086，68000，Z8000 第四代：32位機，80386，68020，Z80000 第五代：64位機，Pentium, P2、P3、P4 半導體技術(shù)從1m、0.

10、5 m、0.35 m、0.25 m 0.18m、0.15 m、0.13 m、0.1 m 80X86系列，奔4已達2.2GHZ (0.13微米）至3.4 GHZ。 微型機的核心部件是微處理器，也稱為CPU。我國的 計算機產(chǎn)業(yè)就是要有自主知識產(chǎn)權(quán)的CPU。 科學院：2002年9月龍芯1號（主頻300MHz）,2003年12月龍芯2號（主頻500MHz） 上海交大：2003年2月漢芯1號（16位DSP） 漢芯2號（24位DSP） 2003年12月漢芯3號（32位DSP） 北京大學：眾志，1999年12月16位CPU 2000年12月16/32位CPU 2003年12月眾志-863CPU（用于網(wǎng)絡(luò)計算

11、機） 同濟大學：神芯1號、神芯2號（用于手機） 中星微電子公司：星光1號、星光2號、星光3號 北京中芯微系統(tǒng)公司：方舟1號、方舟2號、方舟3號 復旦大學：神威1號（嵌入式32位CPU） 哈工大：S698處理器（系統(tǒng)級設(shè)計平臺） 3、超級微電腦 比藥片還小的電腦進入人體。探索電腦與人腦的連接，將 記憶芯片裝入大腦，使電腦直接接受人腦的意念。,微處理器地址與數(shù)據(jù)接口總線寬度,二、光子計算機 光子計算機中信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)是光。電子在固 體中最大運動速度是593公里/秒，而光速是30萬 公里/秒。光子計算機利用光子取代電子進行數(shù)據(jù) 運算、傳輸和存儲。在光子計算機中，不同波長 的光代表不同的數(shù)據(jù)，這遠勝于

12、電子計算機中通 過電子“0”、“1”狀態(tài)變化進行的二進制運算，可 以對復雜度高、計算量大的任務(wù)實現(xiàn)快速的并行 處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎(chǔ)上呈 指數(shù)上升。,美國貝爾實驗室宣布研制出世界上第一臺光子 計算機。它采用砷化鎵光學開關(guān)，運算速度達每 秒10億次。盡管這臺光子計算機與理論上的光子 計算機還有一定距離，但已顯示出強大的生命力 人類利用光纜傳輸數(shù)據(jù)已經(jīng)有20多年的歷史了， 用光信號來存儲信息的光盤技術(shù)也已廣泛應(yīng)用。 然而要想制造出真正的光子計算機，需要開發(fā)出 可以用一條光束來控制另一條光束變化的光學晶 體管這一基礎(chǔ)元件。一般說來，科學家們雖然可 以實現(xiàn)這樣的裝置，但是所需要的條件如

13、溫度等 仍較為苛刻，尚難于進入使用階段。,美國馬薩褚塞州的一家光學技術(shù)公司-光導發(fā) 光元件系統(tǒng)公司目前正與美國航空航天局馬歇爾 航天中心合作開發(fā)用來制造光子計算機的：“光” 路板，實現(xiàn)對光子移動的控制，并有望在今年 （2000年）取得突破。1999年5月，在美國西北 大學工作的新加坡科學家何盛中領(lǐng)導的一個有20 多人的研究小組利用納米級的半導體激光器研出 世界上最小的光子定耦合器，可以在寬度僅0.2至 0.4微米的半導體層中對光進行分解和控制。 下面推薦幾片文章：,1、突破摩爾法則分子、dna、量子光子計算機展望_大眾科技 科技時代_新浪網(wǎng) 摘要： . 突破摩爾法則分子、dna、量子光子計算機

14、展望_大眾科技 科技時代_新浪網(wǎng).首頁.聊天. 導航.新浪首頁.& 科技時代.& 大眾科技.& 正文.突破摩爾法則分子、dna、量子光子計算機展望.據(jù)稱基于單個分子的芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高。. 光子計算 機. .,2、分子、dna、量子光子計算機展望 2001/11/27 摘要： . 分子、dna、量子光子計算機展望.基礎(chǔ)研究.- .更多內(nèi)容.前沿搜索.首頁.&科技前沿.&高新技術(shù).&具體內(nèi)容.分子、dna、量子光子計算機展望.據(jù)稱基于單個分子的芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高。. 光子計算機. .,3、fjirsm GB 5117字節(jié) 2001/10/3

15、1 摘要： .計算機的智能將超過人類，并根據(jù)計算機的發(fā)展歷史和人、機思維每秒運行的速度比較，預(yù)測，其時就在不久的將來2050年。. 未來的計算機： dna計算機、光子計算機、三維計算機、生物計算機和量子計算機。.其實，每個生物細胞里都在進行著極為復雜的信息流動。早在1994年科學家就已經(jīng)開始利用專門的dna微序列完成最簡單的數(shù)學計算。 . 二、 光子計算機.光子運載信息的速度遠比電子來得快.,4、網(wǎng)易電腦頻道- 21世紀的10大技術(shù)趨勢（下） 58:8404/scienceimport/0802/010120_39798_32448.html 9713字節(jié) 2

16、002/12/12 摘要： . 微光子技術(shù)是在精細范圍內(nèi)導光的技術(shù)，如同微電子技術(shù)可以制造電子集成電路、電子設(shè)備和電子計算機，微光子技術(shù)同樣可用于制造光子集成電路、光子設(shè)備和光子計算機。微光子學的前沿技術(shù)取得最新成果.目前，科學家正在研究光子晶體的理論極限，開發(fā)光子集成電路的關(guān)鍵技術(shù)和構(gòu)筑件。展望將來，微光子技術(shù)發(fā)展前景無限，它不僅僅給電訊技術(shù)造成巨大沖擊，誰又能預(yù)測超高速的光子計算機何時問世呢？ . 微流體技術(shù). .,光子計算機研究取得的新進展 2002年08月22日 導語：據(jù)8月號光譜雜志封面文章載文指出， 計算機內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸與城市交通正好相反。在微處理 器的“鬧市區(qū)”，即其內(nèi)核，數(shù)據(jù)以驚

17、人的速率傳輸。 但在遠離“鬧市”的地方 ，也就是將微處理器與微處 理器、電路板與電路板連接起來的導線所形成的“寬 闊道路”上，相比之下，數(shù)據(jù)傳輸速度可以用“爬行” 來形容。英特爾的奔騰4處理器工作主頻高達2.4 GHz，但是系統(tǒng)總線卻只有400 MHz。數(shù)據(jù)離開計算 機進入全球高速光纖電信網(wǎng)絡(luò)之后，傳輸速度再次提,升。消除計算機內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，是擺在科 技人員面前的一大課題。不少科技人員提出， 以高速率的光連接技術(shù)取代目前計算機中所采 用的銅導線，以光子而不是電子為媒介，在電 路板、芯片甚至芯片的各個部分之間傳輸數(shù)據(jù) 。他們設(shè)想，微處理器產(chǎn)生的電信號作用于激 光發(fā)生器，激光束直接或通過波導管

18、傳輸?shù)焦?電探測器，探測器再將信號傳輸?shù)狡淠康牡亍?科學家們已經(jīng)研制出可將距離不超過300米的 計算機系統(tǒng)相互連接起來的光學裝置；,以提高計算機內(nèi)不同部件數(shù)據(jù)傳輸率為目標 的光學裝置也正在研究開發(fā)之中。下一步， 他們還將研究出能夠提高芯片之間或大規(guī)模 平行計算所需要的芯片堆棧數(shù)據(jù)傳輸帶寬的 裝置。開發(fā)這類裝置所需要的基本材料已經(jīng) 具備，如廉價的激光發(fā)生器、靈敏度很高的 探測器和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。只要解決好了光學 傳輸裝置運行穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本降低到可接 受程度這兩大問題，用它們?nèi)〈~導線的日 子就為期不遠了。,以波導管為主的光傳輸裝置占主流目前世界上許 多研究機構(gòu)都采用波導管設(shè)計，比較典型的有德國戴

19、 姆勒-克萊斯勒研究所開發(fā)的計算機光傳輸板。該裝 置的激光二極管產(chǎn)生的激光穿過一組透鏡經(jīng)微反射鏡 反射，到達聚合物波導管，然后再逆行經(jīng)過上述過程， 傳導至光電二極管，再恢復成電信號。原型機的數(shù)據(jù) 傳輸率達1Gb/秒。目前該研究所正在開發(fā)數(shù)據(jù)帶寬達 10Gb/秒的裝置。 美國一家成立才兩年的公司普利馬里安公司正 在開發(fā)的裝置全部采用光纖作為導線，芯片產(chǎn)生的電 信號通過電路板傳至激光驅(qū)動芯片，后者對信號進行 處理并發(fā)送出去。,連接激光驅(qū)動芯片的模塊可產(chǎn)生一組12束VCSEL激 光，光束通過光纖傳送至另外一塊電路板上相同裝 置，光電探測器拾取信號并傳送至接收芯片進行處 理和恢復成電信號。 專家指出，

20、不出兩到三年的時間，就將出現(xiàn)使用 光學I/O設(shè)備的計算機；最終，采用光纖傳導的主板 將取代今天的銅導線主板。以光纖作為傳導的產(chǎn)品已 經(jīng)在市面上展露身影，不過不是應(yīng)用于計算機。 2000年底，安捷倫科技公司就開始銷售一種可將距 離300米遠的計算機相互連接起來的光學聯(lián)網(wǎng)裝置， 數(shù)據(jù)傳輸率可達10GB/秒。該裝置由4個發(fā)射器和接 收器組成，通過4條光纖(4通道)相連。12通道的產(chǎn),品數(shù)據(jù)傳輸率最高可達40GB/秒，不過一次只能進行 一個方向的傳輸。 直接光互連：開發(fā)高性能計算機的絕妙方法通過 波導管傳輸激光信號的設(shè)計相對不那么復雜，可在短 期內(nèi)達到推廣要求，但要開發(fā)高性能計算機，還必須 另想辦法。

21、讓芯片與芯片通過空中直接實現(xiàn)光互連， 就是科技專家想出的一個絕妙辦法。 美國加利福尼亞大學專家開發(fā)出一種試驗裝置，高2 厘米，成功實現(xiàn)了CMOS芯片堆棧的光互連。每塊芯 片堆棧上覆蓋一塊由256枚激光發(fā)生器和光電二極管 組成的光學芯片。 激光發(fā)射后，垂直向上，在傳輸至,另一塊芯片堆棧時， 同樣是以垂直方式。在兩塊芯片之間，激光經(jīng)過衍射柵、透鏡和調(diào)整反射鏡進行導向。該裝置的256枚激光發(fā)生器的數(shù)據(jù)傳輸率均為1GB/秒。 雖然多數(shù)研究人員認為這種空間連接方式需要很長時間研究，才能形成成熟產(chǎn)品，但是在北美、日本和歐洲等地，越來越多開發(fā)高性能計算機系統(tǒng)的學者積極投身這種研究。其原因很簡單：在傳統(tǒng)方式下

22、，超級計算機被設(shè)定用于某種任務(wù)之后，如果想讓它來完成另外一種任務(wù)，它當前的配置就不是最理想的了。而采用空間光學連接方式之后，只要將激光導向不同的光電探測器，就可改變芯片之間的交流方式，達到輕松更改系統(tǒng)配置的目的。(王倫編譯),三、量子計算機 將量子力學原理用于計算機。去年7月4日，德國慕尼黑技術(shù)大學和美國哈佛大學等機構(gòu)的科學家宣布，他們已研制出了五量子位的核磁共振量子計算機，并成功地通過試驗計算。 傳統(tǒng)計算機用電位的高低表示和，進行二進制運算；而量子計算機則基于“量子位”。二進制位只能用“0”和“1”兩個狀態(tài)表示信息，目前傳統(tǒng)半導體制造技術(shù)已經(jīng)接近發(fā)展極限，而“量子位”可用粒子的量子力學狀態(tài)來

23、表示信息，,利用粒子自旋的特殊性質(zhì)，快速處理大量的信息。 由于量子世界的不確定性，“量子位”可以包 含所有可能數(shù)值的不確定狀態(tài)。因此，量子計算機 可以實現(xiàn)電子計算機無法進行的復雜計算。量子計 算的關(guān)鍵是要在原子水平上實現(xiàn)對量子的控制。對 此目前有數(shù)種方案。核磁共振量子計算機的機理是 通過核磁共振效應(yīng)來控制量子。德美科學家新研制 出的量子計算機使用了一種由五個核自旋對組成的 特殊化合物，并以射頻脈沖序列發(fā)生器來控制原子 核自旋對，另外還使用了多通道核磁共振頻道儀。,其中，由四種元素組成的特殊化合物是該量子計算、機的關(guān)鍵。這一化合物由慕尼黑技術(shù)大學有機化學 教授格拉澤設(shè)計合成。 格拉澤認為，五量子

24、位量子計算機的計算能力與 目前的電子計算機相比還有較大差距，但它是量子計 算機的新發(fā)展。它的機理是研制更大量子位量子計算 機的基礎(chǔ)。 據(jù)日本經(jīng)濟新聞報道，量子計算機利用了“量 、子效應(yīng)”原理，與現(xiàn)有的超級計算機相比，它的運 算速度要快一億倍，是今后高速解析基因、準確進行 氣象預(yù)報和經(jīng)濟預(yù)測等所必需的工具。人民日報網(wǎng)絡(luò) 版8月21日訊近日，世界上最先進的量子計算機在,IBM阿蒙德（Almaden）研究中心研制成功。科學 家宣稱量子計算機能夠解決傳統(tǒng)計算機難以完成的 計算問題。 下面推薦幾片文章： 1、量子計算機:計算機時代的新革命 2001年07月04日來源:硅谷動力楊建民 2、量子信息講座，第

25、一講量子計算機 中國科學技術(shù)大學物理系 段路明郭光燦 3、計算機技術(shù)發(fā)展的一個新方向量子計算機 量子信息與測量教育部重點實驗室， 清華大學物理系 龍桂魯 教授 ,4、從數(shù)字時代到量子時代：美國著名科學家KAKU談 量子計算機 5、印度科學家預(yù)言量子計算機將在5年內(nèi)問世 2000/01/1211:08 科技 日報 6、量子計算機 7、德科學家研制出五量子位量子計算機 2/keji/751702011.htm 8、科技文萃美研制出量子計算機 ,量子計算機:計算機時代的新革命 2001年07月04日來源:硅谷動力楊建民 對于那些研制量子計算機的人員來說，速度是非常重

26、要的，因為量子數(shù)據(jù)從出現(xiàn)到消失的時間只有十億分之一秒，這樣的短的時間對于想把握和處理它的科學家來說實在是太短了。但是在今天這個時代，有新的報告說已經(jīng)有了處理這種超高速數(shù)據(jù)的手段。這個發(fā)現(xiàn)雖然很小但是卻非常重要。它的運算速度將會使目前的超級計算機成為歷史。 在傳統(tǒng)計算機和量子計算機里，資料表現(xiàn)為字節(jié)，以0和1兩種形態(tài)存儲在計算機里，但是量子計算機卻另有一個驚人的存儲形式，它具有量子計算機一種模糊存儲的概念，其優(yōu)勢在于,大家所熟知的“狀態(tài)疊加”，也就是說一個電 子旋轉(zhuǎn)的方向同時反復存在于某種狀態(tài)，這就 有條件去對它進行測量和觀察。舉例來說，作 為普通計算機存儲形式0和1的替代，量子計算 機中的字節(jié)

27、（或者叫做qubit）可以是三分之一 個一或者是三分之二個零，也可以是其它任意 的組合。這種模糊數(shù)據(jù)被邏輯糸統(tǒng)處理，計算 機同時計算各種可能的結(jié)果。問題在于，量子 計算機中的字節(jié)里存儲的數(shù)據(jù)是研究人員希望 去進行全面而徹底的運算的但是它們在裝 進量子計算機后卻會極快的消失。,為了促進量子信息的快速發(fā)展，物理學家維奧 斯坎勒和他在加利弗尼亞大學，賓夕法尼亞州立大學 圣巴巴拉和其它一些大學的同事們開始用一種叫做硒 鋅合金的半導體材料（ZnCdSe）和激光設(shè)備，促使 電子圍繞這種材料進行旋轉(zhuǎn)。在(ZnCdSe)材料中，量 子運動中還有一個外加磁場，在通常狀況下，ZnCdSe 合金中的電子流散亂而無方

28、向性。但是在100飛秒 （毫微微秒）藍色激光脈沖的循環(huán)沖擊下，研究人員 成功地將一組電子驅(qū)入了同步旋轉(zhuǎn)的軌道。為了控制 這種旋轉(zhuǎn)，研究人員激發(fā)出二次100飛秒的脈沖 一種含有量子的藍綠色光譜。在個別情況下，這種量 子的能量較低而易被半導體合金中的電子所吸收。奧,斯坎勒解釋說，當這些低能量電子經(jīng)由半 導體合金時，電子組群會有效地制造出一 個磁場，這個磁場會將在原來軌道上旋轉(zhuǎn) 的電子改變方向而使其處于一種新的狀態(tài)。 從理論上講，技術(shù)上可以允許研究人員在 量子信息消失之前完成一百萬次這樣的操 作，雖然研究小組到現(xiàn)在為止還沒有表明 這種機器的計算能力。 量子信息技術(shù)的發(fā)展是非常迅速的，量 子力學專家斯

29、多特沃爾夫說：“這是個非常 重要的里程碑。”,IsaacL.Chuang是研究小組領(lǐng)導人，領(lǐng)導 著來自IBM研究院、斯坦福大學以及 Calgary大學的科學家，他說：“預(yù)計2020年 將是量子計算機的時代，摩爾定律不再實用 ，集成電路將由分子和原子直接構(gòu)成。事實 上，構(gòu)成量子計算機的基本元素就是分子和 原子?！?量 子 計 算 機 量子計算機是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。 20世紀60年代

30、至70年代，人們發(fā)現(xiàn)能耗會導致計算機中的芯片發(fā)熱，極大地影響了芯片的集成度，從而限制了計算機的運行速度。研究發(fā)現(xiàn)，能耗來源于計算過程中的不可逆操作。那么，是否計算過程必須要用不可逆操作才能完成呢？問題的答案是：所有經(jīng)典計算機都可以找到一種對應(yīng)的可逆計算機，而且不影響運算能力。既然計算機中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那么在量子力學中，它就可以用一個幺正變換來表示。早期量子計算機，實際上是用量子力學語言描述的經(jīng)典計算機，并沒有用到量子力學的本質(zhì)特性：,如量子態(tài)的疊加性和相干性。在經(jīng)典計算機中，基本信息單位為比特，運算對象是各種比特序列。與此類似，在量子計算機中，基本信息單位是量子比特，運算對

31、象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處于各種正交態(tài)的疊加態(tài)上，而且還可以處于糾纏態(tài)上。這些特殊的量子態(tài)，不僅提供了量子并行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質(zhì)。與經(jīng)典計算機不同，量子計算機可以做任意的幺正變換，在得到輸出態(tài)后，進行測量得出計算結(jié)果。因此，量子計算對經(jīng)典計算作了極大的擴充，在數(shù)學形式上，經(jīng)典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，并按一定的概率幅疊加起來，給出結(jié)果，這種計算稱作量子并行計算。除了進行并行計算外，量子計算機的另一重要用途是模擬量子系統(tǒng)，這項工作是經(jīng)典計算機無法勝任的。,無論是量子并行計算還是量子模擬計

32、算，本質(zhì)上都是利用了量 子相干性。遺憾的是，在實際系統(tǒng)中量子相干性很難保持。在 量子計算機中，量子比特不是一個孤立的系統(tǒng)，它會與外部環(huán) 境發(fā)生相互作用，導致量子相干性的衰減，即消相干。因此， 要使量子計算成為現(xiàn)實，一個核心問題就是克服消相干。而量 子編碼是迄今發(fā)現(xiàn)的克服消相干最有效的方法。 主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和 量子防錯碼。量子糾錯碼是經(jīng)典糾錯碼的類比，是目前研究的 最多的一類編碼，其優(yōu)點為適用范圍廣，缺點是效率不高。迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。但是 世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如 何實現(xiàn)量子計算，方案并不少，問題是在實驗

33、上實現(xiàn)對微觀量 子態(tài)的操縱確實太困難了。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原,子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量 子點操縱、超導量子干涉等。現(xiàn)在還很難說哪一種方案更有 前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化 和小型化。將來也許現(xiàn)有的方案都派不上用場，最后脫穎而 出的是一種全新的設(shè)計，而這種新設(shè)計又是以某種新材料為 基礎(chǔ)，就像半導體材料對于電子計算機一樣。研究量子計算 機的目的不是要用它來取代現(xiàn)有的計算機。量子計算機使計 算的概念煥然一新，這是量子計算機與其他計算機如光計算 機和生物計算機等的不同之處。量子計算機的作用遠不止是 解決一些經(jīng)典計算機無法解決的問題。 摘自科

34、技日報,四、生物計算機 美國普林斯頓大學的研究人員新近開發(fā)出一種使 用（核糖核酸）來解 決計算問題的簡單的生 物計算機，這是分子計算領(lǐng)域取得的新突破。科學 家研制的RNA計算機實際上是一個含有1024種不同 RNA鏈的試管。研究者指出，用分子計算來處理某 些問題比傳統(tǒng)的計算方法更為有效。將生命活動的 指令進行編碼的遺傳分子DNA和RNA里可儲存比常 規(guī)存儲芯片更多的數(shù)據(jù)，試管狀的,生物計算機中含有大量遺傳物質(zhì)片段，每一個片段 就是一個微型計算工具，因此生物計算機能夠同時 進行數(shù)千次甚至上百萬次計算。 蘭德韋貝指出，計算機在研制方面比 計算機有優(yōu)越性，因為研 究人員不能隨心所欲 地剪切A分子，但

35、只需一把“全球通剪刀”即一 種切割 酶就能隨意剪切分子。 自 年美國南加州大學的科學家首次提出計算機 理論以來，生 物計算機日益引起關(guān)注，美國現(xiàn)有十 多個研究小組從事此類研究。,下面推薦幾片文章： 1、生物計算機日本的下一代計算機 2、以色列研制出微型生物計算機 33/jkzx/qy/new/200111/2623177.html 3、熱點透視:計算機生物技術(shù)？ http:/bio- 4、美正在研發(fā)dna生物計算機大量復雜問題輕松搞定_硬件 科技時代_新浪網(wǎng) 2002/10/7 ,5、dna計算機1 2002/1/13 摘要： .這些計算機使用的生物操 作

36、只有合成、剪接（切割一連接）和抽取。. 理 論上dna計算機具有現(xiàn)代電子計算機同樣的計算 能力，但它具有的巨大潛力（功能）卻是電子計 算機不可比擬的：dna計算機運算速度極快，其 幾天的運算量就相當于計算機問世以來世界上所 有計算機的總運算量；它的貯存容量非常大，1 立方分米的dna溶液可以存儲1萬億億位二進制的 數(shù)據(jù)，超過目前所有計算機的存儲容量；它的能 量消耗只有一臺普通計算機的十億分之一。如此 優(yōu)越的分子計算機當然是激動人心的。,6、. 以色列科學家設(shè)計出dna計算機，等3條新聞 2001/12/31摘要： . 以色列科學家已經(jīng)設(shè)計了一種dna計 算機，這種計算機如此之小，以至于萬億個這

37、樣的計 算機都可以放在同一個試管中，每秒進行十億次運算， 精確度可達99.8%。這種計算機的輸入、輸出和軟件 不是使用數(shù)字和規(guī)則，而是由dna分子組成，這些分 子進行編碼信息的有機存儲和處理。. 科學家認 為這種dna計算機未來將成為傳統(tǒng)計算機的強大競爭 者。因為dna在速度上有更大的發(fā)展?jié)摿ΑＲ陨型?斯曼學院的教授夏皮羅表示：“我們已經(jīng)設(shè)計了生物 分子計算機。當萬億個這樣的計算機一起運行時.,生 物 計 算 機 70年代就有人發(fā)現(xiàn)，脫氧核糖核酸處在不同狀 態(tài)下，可產(chǎn)生有信息和無信息。聯(lián)想到晶體管的通導 或截止電壓的高或低、脈沖信號的有或無等等，激發(fā) 了科學家們?nèi)パ兄粕镫娮釉撵`感。 脫

38、氧核糖核酸即DNA，由于生物電子元件比硅 芯片上的電子元件要小很多，甚至可小到幾十億分 之一米。而且，生物芯片本身具有天然獨特的立體化 結(jié)構(gòu)，其密度要比平面型硅集成電路高5個數(shù)量 級。如果讓幾萬億個DHA分子在某種酶的作用下進 行化學反應(yīng)，就能使DNA計算機同時運行幾十億 次，這就意味著運算速度要比當今最新一代超級計 算機快十萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的十億分之一，,且具有巨大的存儲能力。如體積為一立方米的液 體DNA計算機，存儲的信息比世界上所有計算機 存儲的信息總和還要多。美國科學家首創(chuàng)的DNA 計算法，就是利用核苷酸A與T、G與C各自的 結(jié) 合方式，成功地求解了復雜的數(shù)學難題，他們

39、還 計 劃繼續(xù)求解更多的數(shù)學難題。預(yù)計有可能在 今后5 年內(nèi)將實用的生物計算機推向世界。許多 科學家認 為，21世紀將是生物計算機的時代。,世界最小生物計算機問世:靠DNA運行 2003-02-27 日前，以色列科學家研制出一“臺”速度達每秒330 萬億次運算的生物計算機。這種計算機的運算速度比 現(xiàn)在普通計算機快10萬倍。它的運算速度何以如此之 快？其中的奧秘是：它依靠DNA運行。 美國國家地理雜志報道稱，一年前，以色列維 茨曼科學研究所的研究人員開發(fā)出一種由DNA和生物 酶分子制成的可運行程序的分子計算機?，F(xiàn)在，該研 究所的研究人員又研制出一種速度更快的計算機。這 種計算機中的DNA既可以為

40、整個計算機提供輸入信息 ，又可以為計算機提供運行所必須的能量。 這種計算,機可以算得上生物計算機上的一個巨大進步。上周， 吉尼斯世界紀錄宣布這臺計算機是世界上迄今為 止最小的生物計算 目前，生物計算機僅處于起步階段，要想真正了解更多的奧秘還需學應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)它將發(fā)揮更為重要的作用。這種計算機內(nèi)部有一個叫FokI的生物酶，F(xiàn)okI生物酶打破DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中的連接鍵，DNA就可以為計算機提供足夠的能量。 利用DNA來儲存和處理信息的創(chuàng)意始于1994年，當時一位加州科學家首次使用試管中的DNA來解一道簡單的數(shù)學題。其實，這種創(chuàng)意最終還是來自于大自然。大自然中早就存在生物納米計算機，幾乎所有的生物中都含有這樣的計算裝置。但是，,這些天然的計算裝置不是由人類控制的。比如，我 們就無法讓一棵樹計算出圓周率小數(shù)點后面的數(shù)字。 因此，科學家就想研制出一臺可以人為控制的生物 計算機，生物計算機就誕生了。自從第一位科學家 的大膽嘗試之后，世界上就有許多科研單位開始研 制生物計算機。看來，這種生物計算機的前景不容 小覷。 (