未來電腦

計算機未來發展與趨勢

摘要：自1946年世界上第一臺電子計算機誕生以來，計算機的發展經歷了

電子管、晶體管、集成電路與大規模集成電路、超大規模集成電路四個階段。作

為通信技術的重要載體，隨著第五代通信技術的逐漸普及，計算機的發展將趨向

超高速、超小型、智能化和人性化。傳統計算機的劣勢被一再放大，針對基本原

理尋求突破的新型計算機研究應運而生，量子計算機等基礎研究將擁有廣闊的前

景。需求帶來發展，人工智能化的時代要求，將推動新一輪計算技術的革命，也

必將成為人類計算機史上的一次偉大突破。

關鍵詞：新型計算機，人工智能，人機物融合。

人工智能浪潮席卷全球的同時，對計算機的智能化也提出了新的要求，具備

感知、思考、判斷和學習能力的新型計算機技術亟待突破。在硅芯片技術高速發

展的大背景下，意味著硅技術的物理極限愈發逼近，為實現計算機的智能化和人

性化，新型計算機不斷涌現，計算機的體系結構、物理器件和操作系統都將發生

深刻的變革和質的飛躍。曾經概念模糊的量子計算機、納米計算機和光子計算機

也在持續的基礎研究下輪廓逐漸清晰，將在這場深遠的計算革命中走進并改變我

們的生活。

1.

概念革新——新型計算機

（1）量子計算機

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲以及處

理量子信息的物理裝置。通俗地講，當這個物理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。量子計算機以量子比特（qubit）作

為信息存儲單元，也稱之為量子位，可以用原子基態和激發態來表示，由于疊加

效應，量子比特既可以是0又可以是1，因此一個量子位可以存儲2個數據，一

個量子比特就需要兩個數據才能確定，而多個量子比特的存儲的數據量將遠遠大

于同樣數目的比特。量子計算機的概念源于可逆計算機的研究，也同時基于通用

圖靈機的基礎之上，而其“量子并行計算”的性質才是量子計算機巨大威力的奧

秘所在。一個直觀的例子，傳統存儲器可同時存儲2N個數字，對1000位的大數

進行因數分解需1025年，而量子存儲器可同時存儲2^N個數字，對1000位大數

進行因數分解只需要幾分之一秒，是革命性的飛躍。我們可以看到量子計算機廣

闊的應用前景，如量子計算機進行高速的大數因式分解可以為我們提供全新的數

據密碼保密方式，量子通信也將為通信技術提供新的信道給接收者，這些技術將

在軍事、金融各種領域發光發熱。

（2）納米計算機

納米計算機指將納米技術應用至計算機領域所研制的新型計算機，首先“納

米”是一個計量單位，并不代表技術本身。因為不需要廠房及眾多實驗設備的介

入，采用納米技術生產芯片的成本非常低廉，這無疑十分迎合當今計算機前沿發

展的潮流，即速度快、體量小、成本低。納米計算機的體系結構通過以下途徑提

高系統性能：局部高度互連、統一處理結構、多層次顯示并行支持、低代價動態

重構、QCA辟列、人工神經網絡等。這些途徑高度吻合了未來人工智能發展的基

本要求，使得人工智能中關鍵的神經網絡技術有的放失。體量上，現在納米技術

能把傳感器、電動機和各種處理器集成在一個硅芯片上，而體積卻不過與幾百個

原子的大小相當；環保上，納米計算機幾乎不耗費任何能源，性能卻是傳統計算

機的許多倍。

（3）光子計算機

光子計算機是一種通過光信號來進行信息存儲、處理、運算、操作的新型計

算機。1969年，研究光子計算機的大幕由美國麻省理工大學拉開，以光子代替電

子，光互連代替導線互連，光硬件代替傳統硬件，光運算代替電運算。

與傳統計算機相比，光子計算機從概念上的“無導線”信息傳遞通道密度極

大，光的高速與并行性決定了光子計算機的處理能力非常的強，同時具備高容錯

性，即便是某一光元件損壞也并不影響最終計算結果。現在光子計算機的研究主

要問題還在于如何開發更高利用率的光學元器件，并通過這些光學元器件制作光

邏輯運算和存儲陣列，他將有望實現光高速運算。在人工智能方向，光神經網絡

計算機的處理研究也取得了非常好的進展。目前，光子計算機已經成功研制并且

取得一系列新的進展，例如來自美國杜克大學的計算機電子工程師團隊研發出了

能夠實現超快速開關的LED燈管，每秒鐘能夠開關900億次的性能使得它能夠取

代之前的LED技術，構成光子計算機的硬件基礎。未來，具有并行傳輸、超高速

運算、超大規模的信息存儲容量、能量消耗小以及散發熱量低等優點的“光腦”

是未來最有潛力替代電腦的選手。相信在不久的將來，“光腦”會從軍用走向民

用，成為人們日常生活的伴侶。

1.

交互革命——人機物融合

近年來，由于互聯網、云計算、大數據、物聯網等新型應用模式的迅速普及，

各種面向新型應用模式的操作系統得到了廣泛的關注。到了人機物融合的泛在計

算時代，為了更好地管理人機物融合環境下的分布異構海量資源，同時為人機物

融合的新型應用和服務提供支持，操作系統及相關技術正在產生許多重要的變革。

簡單的說，就是人機交互逐漸變得隱匿和不可見（invisible），通過對用戶的

情景感知（contextualawareness）能力，最小化用戶的注意力，讓計算設備在

背景中運行。那么新一代人機交互操作系統的革命方向在哪里呢？

1.最小化用戶注意力。我們現在所有的人機物交互似乎總是先“裝一個屏幕

上去”，好像如果沒有屏幕那這個操作系統就是失敗的一樣，GoldenKrishna說

過“最好的用戶界面就是無界面”，好的人機物融合應該像風像水一樣，無聲無

形。去屏幕、最小化用戶注意力的設計思維已經在逐漸發生，并且也證明了其商

業價值。超越屏幕思維，擁抱人們最基本的行為習慣說起來再簡單不過，但也卻

是App時代留給我們的病根，需要持續深刻的研究和思維方式的改變。

2.主動適應（Proactiveadapt）用戶需求。人機物融合應該要能識別和推

測用戶意圖，并且做出最合理的交互決策和推薦。舉個簡單的例子，每天早上開

車上班，坐進駕駛室，根據日常行程的時間記錄，操作系統能推斷出我要去工作

的這個最高的可能性，并且自動告知我交通堵塞情況，需要幾分鐘到公司，也會

一鍵找到最優路線導航到公司。通過簡單的情境感知和預測用戶意圖，來用最小

的用戶輸入，用簡單的技術來幫助用戶完成任務。

3.多設備并行工作。即形成人機物融合的智能生態，讓多個智能硬件和軟件

多端聯動，而不是一個個獨立工作的孤島，相互獨立運作，缺乏溝通協作，甚至

是重復干同樣的事情。一個用戶擁有智能手表、手機、耳機，可能還在看著筆記

本電腦，還要把微信同時登陸到多個終端上，這時候，來了一條信息。突然間，

所有的設備都彈出了提醒，這糟糕的現象絕對不是人機物的融合。多設備的并行

需要從底層OS系統的搭建，硬件生態的布局、以及每個具體軟件產品的設計做

系統性的思考和戰略規劃。

1.

未來已來——人工智能

61歲的比爾·蓋茨曾在一篇給大學生的畢業寄語中寫道“當今時代是一個非

常好的時代”，如果在今天尋找一個能對世界造成巨大影響的機會，他毫不猶豫

的就會考慮——人工智能。在20世紀中期以前，人們對待計算機發展的想法僅

僅是通過計算機網絡來傳輸信息，以達到遠程處理信息的目的，或者可進一步達

到資源共享的地步，站在前人的眼光看待今天乃至未來，人工智能的發展趨勢并

非無跡可尋。

首要趨勢即人工智能的大規模商用，在消費市場將占據主導地位。如今的智

能手機、智能家居，未來各領域的智能機器人，在商業服務領域的全面應用，正

為人工智能的大規模商用打開新的出路。人工智能機器人占領商場等公共場所會

比占領我們的客廳要來得更早一些。

第二個趨勢即人工智能的認知和學習能力將達到人類專家級別。關于人工智

能的學習能力，凱文·凱利曾形象地總結說：“使用人工智能的人越多，它就越

聰明。人工智能越聰明，使用它的人就越多。”就像人類專家顧問的水平很大程

度上取決于服務客戶的經驗一樣，人工智能的經驗就是數據以及處理數據的經歷。

隨著使用人工智能專家顧問的人越來越多，未來2-5年人工智能有望達到人類專

家顧問的水平。

第三個趨勢即人工智能于各行業垂直領域應用具有巨大的潛力。人工智能市

場在金融、醫療、零售、交通運輸和自動化、制造業及農業等各行業垂直領域具

有巨大的潛力，隨著IT基礎設施完善、智能手機及智能穿戴式設備的普及，自

然語言處理的技術不斷精進而驅動消費者服務的成長，人工智能將通過改變消費

來改變世界。

第四個趨勢即人工智能技術將嚴重沖擊勞動密集型產業，改變全球經濟生態。

未來2-5年人工智能將率先從勞動密集型產業開始。如制造業，在主要依賴勞動

力的階段，其商業模式本質上是賺取勞動力的剩余價值。而當技術成本低于雇傭

勞動力的成本時，制造企業的商業模式也將隨之發生改變。可以想象機器人不吃

不喝，一天24小時不間斷工作，工作速度和工作質量遠超人類。在社會管理方

面，人工智能比人更能做到公平且效率更高。它的出現使得社會的生產和管理能

夠實現系統性智能管理成為可能。這樣的社會才是真正意義上的公平公正的社會，

人類最終從社會生產中解脫出來，不再是生活的奴隸。

也許對于人工智能的發展人們還是會有擔憂，無法判斷人工智能是充滿災難

的潘多拉魔盒還是幫助人類發展的高速列車，但人工智能的探索是永無止境的，

它終將改變世界，相信未來可期。

參考文獻：

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(第3版)》