《华睿讲堂》
计算机技术的发展趋势
凌瑞骥
2006 年 7 月8日
温故而知新
今年是世界上第一台通用电子数字计算机 ENIAC – Electronic Numerical Integrator and Computer 问世六十周年。这是一台由美国军方定制，在宾西法尼亚大学研制成功的电子计算机。
在这以前，1940年美国伊阿华大学的阿塔纳索夫教授(John Von Atanasoff )曾领导研制成功 Atanasoff - Berry Computer , 或 ABC计算机，但是它是一台专用机，而不是通用计算机，而且规模只有ENIAC的二十分之一。
人类文明迄今，除计算机技术外，没有任何一门 技术其性能价格比能在30年内增长六个数量级。- 费里德里克·布鲁克
注：费里德里克·布鲁克是世界著名计算机科学家，“IBM System/ 360 ”之父。 他的名著: the Mythical Man-Month (人月神话)》，被世界软件界奉为“圣经”。
美国半导体工业界作过这样一个类比： 如果汽车能像半导体一样快的进步，我们大家现在都应该驾驶着时速100万英里、价格只有25美分的世界顶级豪华轿车 - 劳斯莱斯。
注释：一台劳斯莱斯(Rolls Royces)幻影型桥车2004年售价：32万美元
介绍一本参考书
Beyond Calculation – the Next Fifty Years of Computing 无法预计 - 今后五十年的计算技术
这本书是ACM为庆祝全球第一台通用电子数字计算机(ENIAC)问世五十周年而发起并主持出版的。 虽已事隔十载，至今仍有参考价值.
(美国)计算机协会是全球历史最悠久、规模和影响最大的计算机教育和科研学术团体。它成立于1947年，也就是世界上第一台通用电子数字计算机(ENIAC)问世的第二年。
谁来做这个“傻大胆”？
“ 谁要想对下半个世纪的计算技术作出详细精确 的预言，那他一定是个“勇士”或“傻子”。但是没有对未来的想象和预见，我们就会像一个醉汉那样盲目徘徊，无法应对我们面临的诸多重大课题。”
失误的预见
1943年,IBM的创始人 汤玛斯·沃森预言：整个美国只需要五台计算机。
1982年，比尔·盖茨断言：在相当长的时间内，操作系统只需留出640K的内存空间给用户就足够了。
1977年DEC公司的CEO, 肯·奥森预言：家用计算机(Home Computer )毫无用途。
所有上述业界泰斗都因认识滞后而失算, 但也有过于超前而失算的。
失误的预见 (续)
1950年，A. 图灵曾预言：到2000年我们将会有同人类具有同样反应能力的计算机。
所有这些都未能如期实现。
发展趋势
向两极发展:
一、高性能计算( High Performance Computing )
二、无所不在的计算 ( Ubiquitous Computing,或 普适计算 Pervasive computing )
国外HPC动态计划
我国的成就
同人脑比较
英国科学家彼得 柯兰斯估计：人脑的信息处理能力大约每秒1000万亿次、存贮容量达万亿字节。
这是世界上最方便、最廉价、速度最高的信息处理实体。
如果柯兰斯的假定可以成立的话，超级计算机 很快就会具有人脑的能力，也就是说人造的 “思想机器( Think Machine )” 很快会成为现实。
非也 ！！！
1.人脑的能力是无法用一、两个静态物理参数描述的；
2. 超级计算机的峰值性能与实用性能相去甚远。
因此，计算机不论能力多麽强大，始终是人脑的“延伸物” 和“助手”，正如最先进的飞行器也只不过是人类肢体的“延伸物”和“工具”。
这本书中有一章，题目是： “ Why it’s Good That Computers Don’t Work like the Brain ? ”
结论：人脑同计算机互补、双赢。
进一步大幅度提高处理器的性能
- 摩尔定律(Moore’s Law)和它的极限
1965年，Intel公司的缔造者之一 Gordon Moore 在总结存储器芯片的增长规律时，指出“微芯片上集成的晶体管数目每12个月翻一番”。这一论断是在归纳微芯片的发展情况后作出的推测和设想，并没有理论上的依据。随后的年月里，发现微芯片的容量通常每18至24个月翻一番。因而， “微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番”就被人们称为Moore定律。
过去40年的实践基本上验证了Moore定律的有效性。
1965年，每个芯片(chip)上只有65个三极管，现在有1.5亿个，2010年前后将会达到10亿个。
2000年，CPU芯片上的线宽做到了0.18微米。
2006年，已经做到 0.06微米 (或 60nm 纳米)
如此下去有无尽头、有无极限 ? ? ?
三重极限
一、物理极限：隧道效应( tunnel effect )、
延迟和串音( delay and crosstalk )、
散热 ( heat disipation )
二、工艺极限：目前工业界采用的普通光刻（optical lithograph）系统只能用于0.13微米以上的工艺。 进一步发展，需要使用深超紫外线deep-ultraviolet (DUV) (其波长为240 nm )；可是工艺进一步达到 < 100 nm, DUV也不行了。 Extreme Ultraviolet 可以达到线宽70nm.再下去要使用 X射线(其波长为 0.6nm)；这意味着完全不同的全新技术，必须投入大量的资金来研制几乎所有全新的设备。
三、经济可行性的极限：
在1968年，Intel起步时，装配工厂、开发新技术、开发第一代产品和推向市场共用了300万美元。
到了90年代,建造一个生产0.25微米工艺芯片的车间大约需要20到25亿美元; 使用0.1 8微米工艺时，这一费用则跳跃到 30至40亿美元。
现在已经进入 < 0.10 微米的阶段， 一个车间的费用将达到100 -200亿美元。商业上是否可行？？？
Moore 的第二定律( Moore’s Second Law)： 芯片技术在遭遇物理极限之前可能先遇到是经济学的制约。
出路何在? 另辟蹊径！
生物计算机 - 早在20世纪70年代，人们就发现脱氧核糖核酸（DNA）处于不同状态时可以代表“有信息”或“无信息”。于是，科学家设想利用这种“开”和“关”的功能，研制“生物计算机”。
由于DNA生物电子元件比硅芯片上的电子元件要小很多，而且生物芯片本身具有天然独特的立体化结构，其密度要比平面型硅集成电路高5个数量级，几克DNA也许就可以存储这个世界上已知的所有信息。与传统计算机相比，DNA计算机真正的优势在于它可以同时对整个分子库里的所有分子（或答案）进行处理，而不必按照次序一个一个地分析所有可能的答案。也就是说它具有很强的并行计算能力。因此，在适合生物计算所固有的并行性能的某些特定应用领域内（例如：军事破译密码），生物计算机的运算速度可比当今最新一代超级计算机快五个量级，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一。
尽管普林斯顿大学生物学家劳拉·兰德韦伯 (Laura Landweber )对这种技术将来可以达到100％准确率的能力持乐观态度，但是她与其他研究人员很快就指出，与传统运算方法相比，他们研究的课题还处于刚刚起步的阶段，而且对于许多应用领域来说，硅材料制成的微芯片总是会略胜一筹。生物分子运算研究协会会长、杜克大学计算机科学家约翰·赖夫指出：“ 硅运算技术不会退出历史舞台。” 生物计算的前途和希望很可能会出现在某些适合它的优势的领域。
光计算机
光计算机的工作原理与电子计算机的工作原理基本相同，其区别在于光学器件替代了电子器件。光计算机 以光作为信息载体来处理数据和传统的电子计算机的比较，其最关键的优点是：
1 信息传输速度：电子的传播速度仅为每秒593公里，而光计算机中的光子的传播速度高达每秒30万公里，相当于电子计算机中的电子速度的500多倍。
2 光计算具有极强的并行处理能力。光信号之间可毫无干扰地沿着各自通道或并行的通道传送，因此光计算机的各级都能并行处理大量数据。
3 光信息传送和光计算过程都不产生热，没有“热瓶颈”。
4 光存贮。能用全息的图象的方式存储信息，从而大大增加了容量。
1982-1983英国和日本相继研制出光晶体管；
1986年美国贝尔实验室发明用半导体做成光晶体管（三级管，两个输入、一个输出）
1990年1月美国贝尔实验室作出最原始的光计算机的雏形，由激光器、透镜、棱镜组成，只能进行很简单的运算。
另辟蹊径
量子计算机
传统计算机的最小单元是一个用电子元件实现的门(Gate)。如果设定它的开启状态代表二进制的“1” 那麽关闭状态就代表“0”，而 同一时间只能代表两者之一。这个最小的单元就是二进制的“位”(bit, 比特)。一个比特同时只能存贮一个数。
量子计算机的最小单元是量子比特（quantum bit), 或 “qubit”（又称：昆比特） qubit同传统比特的不同在于比特，除去可以有二进制的“1”、“0” 两种状态， 还有第三种状态，即量子叠加状态，它可以同时代表“1” 和“0”。
因此，1个比特可能表示的数有两个(21)：0、1，而同时只能存贮其中的一个。
2个比特可能表示的数有四个 (22)： 00、01、10、11 ，而同时只能存贮其中的一个。
qubit则不同，由于每个qubit 可以同时代表“1” 和“0”， 所以N个q比特可以同时贮存 2N个数。 300个q比特所能同时代表、或储存2300(相当于1090 )个数。比整个宇宙中原子的个数还多。
1981年一次聚会上，IBM公司的物理学家Charles Bennett和英国牛津大学的究人员Davis Deutsch相遇并就他们共同感兴趣的计算的基础问题进行了深入交谈。 这次交谈中，Davis Deutsch思考了这样一个问题，即今天的计算机的理论是以牛顿定律为基础的，而不是以量子理论为基础的。从那时起，Davis Deutsch 萌发了在量子力学基础上构建新的计算技术的新意。1985年，他发表了世界上第一篇了关于量子计算机的论文。
25年过去了，全世界在这方面的进展如何？
今年3月来自美国麻省的最新报道：“迄今为止研究人员用量子系统仅仅能解决小孩子心算就能解出的简单数学问题。”
不久前Charles Bennett教授说，“ 现在的量子计算机只是一个玩具，真正做到有实用价值的也许是5年，10年，甚至是50年以后 ”。
为什麽这本预测 “下一个五十年的计算技术” 的专著没有论及这些未来可能成功的蹊径?
可能的原因有二：
1、对于自己不熟悉的领域，不愿（敢）妄加议论。“知之为知之，不知为不止，是知也。”
2、这些新技术尚处于萌芽阶段，远未成熟，前景并不清晰。
书中的一章：怎样思考趋势？ ( How to think about trend? )
技术发展的三阶段：
1、科学论证 ( What can happen → Science )
2、工业实现与实施( What will happen →Engineering and Economics )
3、社会接纳与普及 ( What should happen → moral,ethics,... Including what society is prepared to accept or reject. )
无所不在的计算( Ubiquitous Computing )，又名：普适计算 ( Pervasive Computing )，是15年前美国计算机科学家 Mark Weiser 提出的。
1991年9月他在《科学美国人》杂志上发表了一篇文章：21世纪的计算技术” (The Computer for the 21st Century)”提出了“无所不在”计算技术 ( Ubiquitous Computing ) 的概念。
他说：“意义最为广泛和深远的技术是融入人们日常生活而又不被查觉的技术。…”
他认为：21世纪, 计算技术就会是这样的技术。
无所不在技术 (Ubiquitous)的实例 - 早已普及的电动机技术。
一位西方发达国家的家庭主妇每天要同 几十、上百台电动机打交道，而毫无察觉。
十年前, 本书写道：“目前一个美国中等收入的住宅里很容易找到 40台微处理机。闹钟、微波炉、立体声音响、电视系统、儿童玩具 … 中,到处都有微处理机。”
但是，单纯含有微处理机的电器并不能构成 “无所不在的计算” 或“普适计算” 。只有形成网络，联通互联网和百万信息资源后，才成为普适计算。 到那时闹钟会自动校准时间、微波炉会自动下载和显示最新烹饪手册。
2047年情景
“ 2047年4月12日 星期五 罗伯特( Robert ) 在新墨西哥州道斯市他居住的第54层公寓被窗外的鸟啼声叫醒。当然不是真鸟，而是住宅电脑存储的音响。老罗从网上搜罗和下载了世界上各个鸟类栖息地美妙的鸟声。今天听到的是澳大利亚笑翠鸟的声音… 窗户、墙壁处处嵌入了传感器、控制器和各种家用电器。声音来自窗玻璃上的微小的压电电子扬声器。老罗伸伸懒腰，问道：“几点钟了？” 住宅电脑用悦耳的男中音和纯正的英国音回答；“先生，将近7点”。
去年老罗的好朋友通过互联网送他一个音色插件，是一份喜出望外的生日礼物。睡床传感器告诉老罗今天的体重，电脑关闭供暖并通知遍布各处的电器：“主人已经起床”。浴盆把水温自动调整为老罗最喜欢的华式98.1度。老罗说：“停止，我今天没有时间洗澡” 住宅电脑立即回答“是的，先生” 浴盆于是自动放水。 “今天我吃全麦面包片、橙汁” 老罗的命令立即传到厨房，厨房子系统分析后通知各相关电器。老罗漫步进入厕所，探测器发现他的到来，自动点亮照明。“今天您的血糖情况正常”住宅电脑早已从便池得到分析结果中并发出这个通知。老罗有糖尿病，但是自动基因治疗已经控制了病情。住宅电脑按医生要求每天监控并报告他的糖尿情况。
“今天的日程如何？”老罗洗漱完毕，步入旁边的房间。“ 8:05您有远程会议，9:15 电子邮件通讯， 10:00在纽约市演讲，中午回到新墨西哥的 Los Alamos同亚瑟爵士共进午餐，14:30 打网球， 16:15 与您的顾问交谈、咨询， 19:30返回道斯按约定同兰迪 格利戈先生攻进晚餐。 ” 老罗穿上衬衫，趿拉上拖鞋走进厨房，边喝橙汁边端起咖啡，来到早餐桌，烤面包电器自动启动 …
老罗在手腕上戴上他的个人电脑PC，又戴上具有显示器功能的眼镜，它是上世纪头戴显示器的换代产品。它具有高分辨率和自动校正 焦距的功能。开启显示功能，它可以替代上世纪的CRT显示器， 关闭显示功能时，它是一幅透明的眼镜。平板计算机仍在使用， 微波炉德门上就装有。通过它，不仅方便厨房内和住宅中的交互联 系，而且沟通本地、本国以至全球的信息资源。… (三自由度指尖 鼠标替代了两自由度的传统鼠标) …
老罗便吃早餐，边落实全天的安排。…
“ 十年前IBM董事长兼CEO郭士纳 (Lou Gestner) 在讲解普适计算时曾描述过一个未来情景：A Scenario of the Future
11:30:05 一辆汽车开往机场，驾驶员把智能卡插入车上的插槽，智能卡自动从他(她)的银行账户中充值。同时智能卡通知航空公司，他(她)已经上路。
11:30:10 这部车早已装有联网自动监测车况的功能。一旦察觉异常，将无线联通汽车制造公司的维护中心、并立即执行远程实时诊断和维护服务. 紧接着这一故障和维护数据就会自动传送到该公司的研发中心并进入公司的智能数据库。
11:30:10 附近一座生活服务站的自动售冷饮机上的温度传感器察觉室外温度升高。自动售冷饮机立即启动自我补充库存的功能，通知供货商补充或增加供货。
11:30:16 一座仓库发生火警。联网的室内警报信号自动通知消防队。着火处的地面布置图和有关室内存放货物的信息，经仓库的网络中心自动下载到已经发出的救火车。同这座仓库有关的后勤服务、保险等公司以及仓库中货物的货主都从网络及时得到通知。
11:30:35 在那座仓库存放柑橘的柑橘种植农场立即得到通知。农场后勤总部随即安排替代仓储的地点并从新安排供货路径。跟踪仓储和货运的数据库自动更新，载入新的仓储地点、货单和货运安排。
11:31:10 由于仓库火警，致使道路杜塞，他(她)不能按原计划到达机场。 车内电脑发出警报，告知延误到达机场时间，屏幕显示出新的替代航班和航程，并把新的电子机票下载到他(她)的智能卡。
从个人电脑时代 From PC Era ---到无所不在的计算时代 To UC Era
从几亿用户到 几亿、几十亿 用户 使用成千上万亿个智能信息电器
在UC时代，个人电脑只不过是网络的智能终端。信息和信息处理能力都来自网络，而不是只靠自己的 “一亩三分地”。
下个十亿
6月12日美国《商业周刊》报道了面对下一个十亿上网用户市场的技术动向，提到麻省理工的专家正在为2010年研制出50美元一台的儿童电脑而努力。
其实这一问题早已进入中国计算机界的思考并纳入行动计划。 中国科学院计算技术研究所有一个“低成本信息化”的完整计划，很快就会研制出人民币千元以下的新式个人电脑，实际上是一种智能网络终端，在互联网技术和网格计算技术 ( Grid Computing ) 的基础上从网络获得信息和信息处理能力, 完全跳出 Wintel 的框框。
注：如果陷在Wintel 框框内不能自拔，我国要想2020年达到30%人口上网，就要付出近130万亿人民币的总投入。采用新的观念和新技术就可以省去四分之三以上。
对绝大多数用户而言，PC是巨大的浪费！
八年前，惠普公司的CEO普拉特就公开承认：“PC太通用了，很少人用到它5%的功能。”
如果你的全部需要只不过是收发电子邮件，何须要一台足以 把宇宙飞船送上月球的个人电脑 !?
UC时代 将是网格计算模式普及的时代
什么是网格?
“网格”这个词来自电力工业。最初人们是从从自备的发电机得到电。 后来有了电网，要用电，就把插销插到墙上的插座里就会得到电。大家都知道插座背后有巨大的电力网，谁也不会去管是哪座发电厂的哪台发电机租给我的电。
一个巨大的电力网，分成许许多多网格，每个网格就像一台巨大的虚拟发电机。
网格计算就是要在信息领域内实现电力工业早已实现的(丰富电力生产)传送能力和资源的整合和虚拟化，利用高速网络和下一代互联网实现信息资源与信息处理能力的整合和虚拟化。
把分散在不同地理位置的计算机组成一台虚拟超级计算机。每一台参与的计算机就是其中的一个“节点”，所有的计算机就组成了一张节点网－网格。
网格： 比因特网更进-步
- 网格计算是指(通过高速网络)集成大量的计算机系统，以提供单一和一组计算机所不能提供的数据处理能力和功能。
- 为满足本地用户的需要，网格系统可以使用共享的语言和接口协议
， 在全球范围内接入运算资源、信息和服务。
- 对用户而言，组成网格系统的集成网络具有“通透性”，这些由远端 提供的服务看起来与本地计算机提供的服务没有区别。
- 网格技术可以实现虚拟组织成员间的大规模科学与商业合作、远程实验、高性能分布式计算及数据分析。
我们的前景: 晨曦初露 => 阳光普照
以中国科学院计算所的2020目标为例：
面向八亿网民: 龙芯 =>龙网
从学习走向独创 ！
从依存走向自主 !
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