撰文/Massimo Bozzo Barbara Falabretti 编译/曹金刚 已经有不知多少本讲述最初的计算机是如何诞生的书了。在这些书中，像伯莱斯•帕斯卡（Blaise Pascal）、查尔斯•巴比奇（Charles Babbage）、约翰•冯•诺伊曼（John von Neumann）和克劳德•香农（Claude Shannon）这些伟人的名字总是与最初的计算机，如埃历阿克（ENIAC，电子数字积分计算机）或埃德伐克（EDVAC，离散变量自动电子计算机）那样的机器联系在一起。但这些庞然大物的运算能力还不及今天的一台微型计算器。而我们在这里要讲述的却是计算机近期的历史。这段历史是同我们最常用的个人电脑，也就是个人电脑联系在一起的。个人电脑的历史是和一些天才人物紧紧联系在一起的，如果没有他们的贡献，我们今天不仅不会有个人计算机和电子游戏机，也不会有那些无以数计的，内部嵌有微处理器的日常用品。 谁发明了第一台平常个人电脑 谈起个人电脑，我们耳熟能详的名字是比尔•盖茨（Bill Gates）和史帝夫•乔布斯（Steve Jobs）等人。但实际上，除了们以外，还有许多人对个人电脑的发明作出了贡献。我们还是先从个人电脑的史前时期开始吧，对于个人电脑来说，那是上个世纪的60年代。 在1964年，意大利好利获得（OLIVETTI）公司的工程师比埃尔•贝罗特（Pier Perotto）就利用一台收款机的键盘、一台鼓式打印机、一个磁带记录器和原创的电路组装出了世界上第一台个人计算机（当然，那个时候还没有PC这个名词）。为参加在美国举行的一个展览会，这种计算机在1967年被命名为"程序101"（Program 101）。但是人们要一直等到上世纪的70年代初，美国仙童（Fairchild）公司和德州仪表公司（Texas Instruments）才开始启动我们今天习以为常的信息化时代。 这次的功劳属于一位意大利物理学家费德里科•法金（Federico Faggin），他也曾在好利获得工作过。60年代末，法金在仙童公司在位于美国加利福尼亚州巴洛阿尔托（Palo Alto）的实验室中开发出了制造金属氧化半导体（MOS）芯片的工艺，这种芯片是制造内存条和微处理器的基础。1970年他跳槽到英特尔（Intel）公司，并开发出历史上第一枚微处理器——4004。这种在现在看来很不起眼的４位微处理器是一项突破性的发明，它被用于日本计算器厂商吉康株式会社（现在已经不存在了）的计算机器中。这一创举开始了人类将智能内嵌于电脑和无生命设备的历程。几年之后英特尔的8位处理器8080诞生了。8080是现在奔腾系列芯片的鼻祖，它在十几年的时间里一直是许多个人电脑的核心。 与此同时，美国的颇受欢迎的《大众电子》杂志在1975年12月刊登了介绍牛郎星8800（Altair 8800）——世界上第一台用微处理器装配的微型计算机的文章。它的发明人是一位业余电脑爱好者——爱德华•罗伯茨（Edward Roberts）。罗伯茨60年代曾在美国空军担任中尉，在业余时间，他和伙伴们研制出无线电控制的火箭模型。70年代从退役后，他就开了一家 "微型仪器与自动测量系统公司"（MITS），专门制作用集成电路组装的手持式计算器，生意做得红红火火。 实际上，"牛郎星"勉勉强强算是一台计算机。在金属制成的小盒内，罗伯茨装进两块集成电路，一块是英特尔的8080微处理器芯片，另一块是存储器芯片。既无可输入数据的键盘，也没有显示计算结果的"面孔"。插上电源后，使用者需要用手按下面板上的8个开关，把二进制数"0"或"1"输进机器。计算完成后，面板上的几排小灯泡忽明忽灭，就像军舰用灯光发信号那样表示输出的结果。它完全无法与IBM或DEC公司生产的各种计算机相比，更像是简单的游戏机。然而，它也有那些机器不可比拟的优点——体积小，小到只能以"微型"相称，而且每台价格只有397美元。 …… …… 未来谁是英雄 1965年，美国的一家电子杂志社曾让英特尔的创始人之一戈登•摩尔（Gordon Moore）预测微芯片工业的未来。当时还是仙童公司开发部负责人的摩尔说，在同样造价的情况下，微芯片的晶体管数量每18个月就会翻一番。 36年之后他的预测（即人们公认的摩尔第一定律）依然有效：今天一块奔腾Ⅲ芯片中含有的晶体管数量比1965年的芯片多27 999 936个，而它的造价在奔腾Ⅳ之后则减少了一半。但是在不久的将来，这种看起来不会停止的发展势头将会遇到一个障碍——因为没有任何人能够制造线宽不小于50纳米的集成电路。在这种情况下，摩尔定律成立的条件不会延续至2015年之后。 越来越多的麻烦 为使用于制造微芯片的硅具有导电性就必须加进一些添加剂，也就是进行所谓的搀杂，所制造的晶体管越小需要的添加剂就越多。但是当搀杂超过一定限度之后，所添物质的原子就会形成不再具有电子活性的聚合体。 另外，芯片上控制电流的晶体管逻辑门变得过小（少于2纳米）之后，就会有产生物理学家们称之为隧道效应的风险，即电子也可以通过关闭的逻辑门（依照量子力学的定律），进而导致晶体管短路。 让事情变得更为复杂的还有经济学定律。IBM公司的复杂系统顾问埃尔内斯托•霍夫曼（Ernesto Hoffmann）解释说："还有另外一条不太知名的摩尔第二定律：生产芯片的设备造价每36个月就会翻一番。目前这套设备的成本已达几十亿美元，足以购买50多架波音747飞机。" 这样以来，如果摩尔第二定律成立的话，到2030年一家新的微芯片工厂投资将可能超过整个地球的国民生产总值——这可真是太昂贵了。 突然停电的风险 做为第一项应对措施，一些大的生产厂家正尝试在不减小芯片尺寸的条件下提高其效率，在不使成本翻番的条件下提高芯片的速度。比如用导电性更好的铜取代铝用以联接晶体管，或者用锗来加大硅晶体原子的距离，以便增大电流的通过量减少能耗。 还有一个办法就是利用碳纳米管，它除了体积极小（一根头发可容纳10万个纳米管）之外，还可以在消耗极少电流的情况下让大量的电子通过：这可是一个不可小视的特性，特别是考虑到由于芯片的微型化，在今后的3～4年里，我们将会有每平方厘米发出的热量与核反应堆相当的芯片。 霍夫曼接着说："美国的计算机已经消耗全国10%的电能，根据目前的发展趋势，到本世纪20～30年代，这一比例将会达到50%。生产所有这些电能可不是件易事，很有可能造成突然停电。"正是由于这个原因，许多研究人员认为，尽管会有一些改进，但仍然还是要放弃硅。其中就有利用量子力学的原理制造超级计算机的设想，它可解决传统技术无法解决的一些难题。不过也有更简单的设想，用其他材料取代硅：从普通的塑料到生命的基本物质DNA。 到2030年，如果摩尔定律仍能延续下去的话，组成微芯片的传统型晶体管将如原子般大小，而今天它们已经小得受一些量子物理效应的影响，这有可能让它们不能正常工作。那么为什么不把这个问题颠倒过来，恰恰是利用这些效应来让计算机更快地工作呢？ 原理完全不同的计算机 这并不是一个全新的构想。实际上，早在20年前，物理学家保尔•贝尼奥夫（Paul Benioff）就提出制造可以处理可能同时既是肯定又是否定（1和0）的信息，这就是所谓的量子比特（Qubit）。我们以电子为例：它的自旋方向可能由于两个，向上或向下，而只有当我们对它进行观察时，它才会"冻结"在一个方向上。 霍夫曼解释说："量子力学总是用飞在空中的硬币做游戏。这些硬币可能同时是正面或反面。基于这个原理可以设计一种与今天截然不同的计算机，其速度绝对非同寻常。" 事实上，仅仅两个量子比特就可以代表四个可能的状态（00,01,10,11），当量子比特数量增加的时候运算的可能性也呈指数性增长：40个量子比特就可以同时表达从0到100亿的二进制数，只要333个量子比特就可以表达从1至10的100次方，超过了宇宙中所有原子的数目。这确实不错，但问题是如何从理论变成实践。事实上，量子效应在当有人观察它们的时候就消失了……而且即使能制造出一个完全与外界孤立的装置，那又该如何向其内部输入数据并读取它输出端的数据呢？总之，人们又如何能既要让一台机器不受任何干扰又要能控制它呢？ 这就是物理学家们和计算机专家们正在探索的问题。不过，与20年前相比，他们已经拥有更多的知识、更多的仪器和更多的资金。 超出常理 2000年8月，IBM公司的伊萨克•张（Isaac Chuang）制作了一个5个量子比特的装置：5个磷原子通过辐射脉冲发生作用，这些脉冲通过类似于核磁共振仪的装置被记录下来。美国洛斯拉莫斯（Los Alamos）国家实验室的科学家们则利用由碳原子和氢原子组成的分子进行工作，他们宣布制成了一个7量子比特的模型。如果考虑到计算机中的1个字节是由8个比特组成的话，人们就会明白我们仍处在1+1的运算水平上。但是这条道路毕竟已被开辟出来了。 科学家还在设想利用玻色-爱因斯坦凝聚来制造量子计算机。玻色-爱因斯坦凝聚物由大约100万个原子组成，在接近绝对零度的温度下，这些原子表现得不再像独立的个体，而是变成类似一个遵守量子定律的大型原子。利用这个"超级原子"的特性我们可以成功地让其超越了那些在经典物理中看来无法逾越的障碍。 装在试管里的计算机 当我们的身体承受压力时，细胞需要更多的氧，于是一种酶从DNA中获取指令开始生产血红素。上面描述的情形虽然极为简化，但也可以说它的运作过程也相当于一台计算机：输入数据（缺氧），软件（DNA），开始运算，然后硬件（酶）执行一个动作（生产血红素）。 那么为什么不把这台生物计算机当成数据处理器来加以利用呢？ 在这方面，许多科学家都作出了有意的尝试。例如以色列魏兹曼科学院的埃德•夏皮诺（Ed Shapiro）就在不久前研制出一台全自动的DNA计算机。它的运算速度为每秒10亿次。这种计算机利用DNA分子上的核苷酸排列次序来表示信息，并利用生物酶与DNA的生化发应进行各种运算。但是，在没有革命性新发现的情况下，夏皮诺本人也怀疑一台真正的DNA计算机是否能与普通的计算机竞争。 但这是一条值得坚持尝试的道路——DNA取之不尽，没有污染，而且在理论上1克DNA中所包含的数据相当于1万亿张光盘。 无论是量子计算机还是DNA计算机，目前还只是停留在科学家的实验室中。也许不久的将来人们还会有更好的方案。但无论怎样，我们都已经看到了传统计算机即将走到尽头的迹象。但就像计算机从无到有，从高贵到普及一样，我们相信未来一定会出现新的，引领计算机发展的英雄，一定会与目前计算机有根本不同的计算机被研制出来。
