硅以后的生活

----电脑今后向何处去？

Life After Silicon

（美国《焦点》月刊2002年6月号文章）

尹宏毅翻译

2003年2月13日

虽然事实上您今天买的电脑明天就会过时，但是这一趋势并不是什么新鲜的事情。早在1965年，后来创建了微处理器巨人英特尔公司的戈登·穆尔就预言，电路板上的晶体管的数量在1975年以前将每18个月增加一倍。这一惊人预测直到今天仍是正确的。

但像所有好事一样，这种进展也即将结束。通过将晶体管和其它元件缩小，电脑的运算速度加快，功率增大。但它们能够缩小到什么程度却是有局限的。在美国，贝尔实验室的科学家们已经研制出在只有一个分子厚的空隙之间传递电子的晶体管。

难点在于，当电脑元件只有几纳米厚度时，通常的物理学定律不再适用。在这一极小范围内，携带电流的电子所遵循的是物理学的量子定律，它们能够像鬼魂穿过墙壁一样从电线中溜出来。许多专家认为，到2010年，传统的硅技术取得进一步的进展将是不可能的。

替代办法从实用的解决途径，譬如利用光束来携带信息，到只有内行才理解的电脑，包括驾驭DNA威力、亚原子粒子奇怪的量子行为和真正大脑细胞的电脑等等。这种电脑几秒钟所能解决的问题，现代电脑则要花费几个月，甚至几年才能破解。电脑的进化一直是惊人和迅速的，但未来可能比今天的想象还要奇异。

光学电脑

您办公桌上的电脑比您几年前所拥有的那台要快几倍，这一事实几乎完全是由于电脑的微型化。电脑制造商们不断地缩小在电路板上携带电子的金属导体电线的厚度。电线越薄，电路就越小、越紧密，电子运行的距离就越短。由于电子更加迅速地到达目的地，所以电脑的运算加快。

不幸的是，电线的薄细有一个限度，超过它，电子就开始泄漏出来。因此，研究人员正在积极寻求传输数据的替代途径。最有希望的竞争者就是光。光在自然界中的旅行速度首屈一指，因此它对完成这项任务来说是理想的，因为目前的电脑处理信息的速度超过其在芯片上移动信息的能力。

利用光来传递信息并非一个新的想法。光导纤维在通信设备领域中已经得到尝试和检验，它携带大量信息往来于因特网之上。问题在于，就连最细小的光导纤维，若贴到电路板上也远远太大，太昂贵。因此科学家们正在寻求传输光的替代方法。

一个做法是采用所谓的光子晶体作为波导。光子晶体由相互连接的条形整齐排列构成。这些条形所起作用如同镜子，以反射光和阻止光逃逸。在该结构中凿出一个个孔洞，以使光得以从晶体的一部分移动到另一部分。使光在很小空间里转弯是可能的，甚至可以使之在只有一张邮票大小的区域内转90度，而其在沿途的损失却不超过5%。

当研究人员改变条形之间的距离时，他们便能够调整被困在这些空间里的光的频率。这对同时进行几项运算来说也许是有用的，办法是使不同频率的光传输不同数据。

硅发光二极管

在一些研究人员提出传输光的方法的同时，另外一些人则正在研究如何产生光。萨里大学的凯文·霍姆伍德教授最近通过将原子大小的罗网置入硅中，迫使其发光。这些罗网将电子围困，迫使其发出光子。结果研制出在室温下工作的硅发光二极管（LED）。这一发现对电脑工业来说可能是重要的，因为该产业完全依赖硅。

我们的判断

在制造运算速度更快的电脑的所有方法当中，光学的运用看来是确定无疑的。发光的能力从前局限于特殊的半导体，但由于霍姆伍德教授已经成功地使用了硅，所以实现光学计算的最大障碍之一业已被清除。

硅构件工厂的建设耗费数以十亿计的美元。这就是为什么大电脑公司十分乐于继续使用硅。此外，光子晶体的问世使得继续研制与今天的电脑一样小，如果不是更小的电脑成为可能。但光并不是唯一的竞争对手。IBM公司正在研制碳纳米管，即卷起来的六边形碳薄片。它们是一根人发的5万分之一那样细，能够取代电线和晶体管。

然而，光学的运用可能会使电脑得以比以往任何时候都更加容易控制图像。一些科学家甚至推测，电脑可能最终会完全用光学零件制造，它们将控制采用全息图形成的硬盘上的数据。前途看来的确是光明的。

专家意见：萨里大学教授凯文·霍姆伍德

您已经通过把硅变成发光二极管使硅发光。您今后的计划是什么？

传输数据需要某种运算速度非常快的东西，激光会比发光二极管快得多。下一步实际上是设法把我们的发光二极管变成一种半导体激光。这就是我们目前正在研究的。

家用电脑什么时候会用上光来传输信息？

我想它到2010年将会进入电脑。目前的技术还剩下几个世代。因此我们现在所谈的问题将在2008年左右成为热门。眼下我猜测，电脑大概将利用标准技术达到4GHz左右，而无法更快。如果该产业想让电脑加快到8、20甚至40GHz，它们就不得不转而采用光。

为什么使用硅？

该产业喜欢用硅和传统技术。我们所研制的装置能够利用十分传统的设备制造。当然，有了一项全新的技术，产业将需要拿出全新的电脑结构，但他们正在加速做到这一点，或者起码对此加以考虑。

我们是否有朝一日会有完全光学的电脑？

我并不认为人们会改变一切去采用光学。如果这样，微型芯片上会十分拥挤。光而是一条捷径，用以避开电路中的大量二进制传输，以便保持高速。这就像在一个大家都很忙的房间里站立而想与屋子另一边的某人取得联系 向其招手比从人群中挤过去要容易得多。不过，可以把微处理器的时钟改造成光学的。该时钟使一切保持同步，注意一切动向 这是我愿意改变的头几样东西之一。

采用脱氧核糖核酸（DNA）的计算

今天的电脑常常被赞誉为小型化方面的奇迹，但明天的奇观肯定会使之黯然失色。目前对未来电脑的一些研究成果听起来已经像科学幻想小说。威力是今天最快的电脑许多倍的电脑可能会装在很小的一滴液体之中。它们不会是用硅制成，而是用DNA，即生命的物质本身建造。

DNA是所有生物的长长的、像阶梯一样的、存储着遗传信息的分子。生物利用数据的方式类似于电脑处理信息的方式。这一相似之处是美国数学家伦纳德·阿德尔曼于1994年发现的。这种分子电脑的益处是明显的。由于10万亿缕DNA能够被有一颗石子大小的一滴液体所容纳，而且全都能够同时处理信息，所以它们可能会解决科学的一些最棘手的问题。

旅行推销员

阿德尔曼特别感兴趣的任务被称为旅行推销员问题。它涉及一名需要到一些城市去的推销员，这些城市并不直接地彼此相连，他必须在可能的最短时间内到达。这个问题对一台传统的序列式电脑来说是棘手的，因为要让它来解决，就得轮流而煞费苦心地探索每条途径，以获得答案。而一台DNA电脑则同时尝试每一条路径。阿德尔曼设计了一项实验，以解决到几个城市去的旅行推销员问题。在试管中，一缕缕DNA彼此形成随机的依附关系，从而模仿推销员所可能选择的路径。通过把所有与渴望找到的解决办法不对应的缕过滤出去而将其余的放大，DNA电脑提供了解决问题的所有可能的方案。

把这种问题成比例地升级到大量城市的水平，就带来获得比较实际的用途的前景，譬如为跨越大陆的航班找到效率最高的飞行路线，或者破解特别复杂的密码。但要解决更大的问题，仍有一个根本障碍。对200个城市来说，旅行推销员问题变得十分棘手，要解决就需要重量超过地球本身的大量DNA。因此，研究人员正在转向这项技术可能派上用场的较小规模问题，譬如重新设计生物的细胞等。这些细胞并非能够解决棘手的数学问题的并行计算机，而是能够执行十分基本的指令的相当简单的电脑。

专家意见：利物浦大学博士马丁·阿莫斯

1．您已经设计了DNA电脑来在试管里解决问题。您的最新项目是什么？

DNA虽然是一种生机勃勃的分子，但却并不善于接受处理。在试管之间注入大量溶液造成DNA缕的切变，因此我们决定采取新的做法。我们不是在试管里计算，而是试图重新设计来自大肠杆菌的细胞来执行计算。目前我们距离进行人类试验还有漫长的道路。

2．把细胞变成电脑为什么会有用？

通过重新设计具有决策能力的细菌细胞，能够使之与环境相互作用。能够研制一种很简单的逻辑电路，这样一来，如果一个细胞发现一处感染，它就会在一定条件下生成一种抗生素。于是就会获得一个智能药物传输系统，这与给人体注射它很容易产生抗拒力的大量抗生素相比要可取得多。

3．DNA能否有朝一日用于家用电脑？

DNA电脑与硅电脑竞争的想法在一定程度上已经破灭。人们正开始认识到，增强以硅为基础的电脑而不是取代它们也许比较好。然而最近发现，能够设计细胞之间的通信。可以想象大量的简单细胞各自按照自己的一点点编码行事，因而如果你把通信搞对头，就能够获得廉价的分布式处理。

4．我们什么时候才会看到DNA计算的最初实际应用？

已经有简单的生物传感器，但一台DNA电脑能够被设计来使细胞在有一种特殊物质，譬如污染或放射性物质存在情况下发光。我认为我们将在5年或10年内看到这种应用。

我们的判断

DNA计算可能是所有新的计算技术当中最诱人的，利用它有可能驾驭的新威力是巨大的。这种威力是大自然本身花费了世世代代的生命来完善的。然而，在与DNA打交道方面遇到的巨大困难意味着，它可能永远也不会依靠自己的力量形成一种传统电脑。我们所能够祈望的也许顶多是一种协同式处理器，解决比较棘手的问题并向中央处理器汇报。即使到那时，它所执行的任务大概也会很简单。马丁·阿莫斯所提出的再设计细胞能够在有一种物质存在和没有另外一种物质存在情况下被激活，从而带来智能化的污染监视器或者人体中的智能化药品输送装置。然而，研制一种独立的DNA电脑的梦想并没有破灭。今年1月，日本的奥林巴斯公司宣布，它研制出了一种能够识别与疾病有关的基因的样机。由于人类基因组计划所带来的对基因分析的不断增加的需求，所以DNA电脑可能会在全世界的医学实验室中找到一个温馨的家。

神经电子学

把硅片与生物的大脑组织结合在一起听起来如同通常只有在科学幻想小说里才会见到的那种黑暗的未来。但如今，生活正在模仿艺术，计算技术最奇异的前沿的边缘正在实验室里被一再地向前推进。

去年，马克斯·普朗克生物化学研究所的彼得·弗罗姆赫兹教授成功地用一块硅片和从蜗牛大脑中摄取的神经细胞组成了一个电路。这些蜗牛细胞被用小钉固定在硅电路板上，它们生长出了彼此之间的联接，这些联接后来形成了电信号的一条路径。当细胞底部的一个晶体管造成电压的改变时，一个电脉冲就从一个神经细胞传输到另外一个。第二个神经细胞然后刺激其底部的晶体管，从而形成一个完整的电路。这项实验证明，人工设计一个不仅包含电子装置，而且还有有机组织的电路是可能的。该科学领域已经被称为“神经电子学”。

大脑的威力

不过这项研究仍处于襁褓之中。科学家们迄今所实现的仅仅是构筑简单的电路。当然，还没有任何人利用真正的大脑细胞和硅一起执行一项计算任务，就连像把两个数字加起来这样简单的运算也没有。但既然神经细胞能够被以这种方式驾驭，其潜在的用途是巨大的。今天的电脑依靠蛮力来计算数学问题的答案，但无论它们看来是多么聪明，它们都缺乏真正的智能。

研制一种更好的电脑实际上并不是这项听起来很奇异的研究的主要目的。人类的大脑是一个非常复杂的器官，科学家们距离确切地了解我们如何形成记忆还相差甚远。一些研究人员正在努力通过利用传统电脑软件为大脑的活动建立模型来弄清大脑如何产生作用。但弗罗姆赫兹教授是一位相信这种做法注定要失败的专家。他说：“你就是不能模仿某种你不了解的东西，我们并不确切地知道大脑中所发生的事情。”

由鱼类控制的机器人

超越研究神经细胞如何发挥作用的范围，神经电子学可以被用来设计由大脑直接控制的假肢。芝加哥的西北大学的科学家们已经设计出一种由七鳃鳗鱼的大脑控制的机器人。当机器人的传感器察觉到光线时，它们就向鱼的神经细胞发出一个信号。神经细胞根据这一信息采取行动，指示机器人朝着光源移动。这一反应通常帮助这种鱼在海洋中沿着正确道路游进。研究人员希望有朝一日，类似的技术能够被用来设计较好的假肢。

专家意见：普朗克生物化学研究所教授彼得·弗罗姆赫兹

您去年成功地进行了一个硅片与神经细胞之间的信号传输。您现在正在研究什么？

我们正在设法产生比较复杂的神经细胞网络，在它们和芯片中的数字电子装置之间形成一个界面。这仅仅是朝着研制比较复杂的装置迈出的第一步。我们正在考察的不仅是利用两个神经细胞，而且还有3个、4个，也许甚至是10个。我们的目标还有用老鼠等哺乳动物的神经细胞来取代蜗牛的神经细胞。

要达到这一目的，您将必须解决哪些问题？

甚至控制在一个芯片上的两个神经细胞都是困难的，但如果你有更多的神经细胞，就需要真正严密地控制它们。我们最近发现，我们能够通过设计芯片上的状况来控制蜗牛神经细胞的生长。使用老鼠的神经细胞很困难，因为它们很小，与芯片之间的界面很薄弱。为了克服这一点，我们正在开始不仅利用分离的神经细胞，而且还有整片的大脑细胞。我们认为，研究大量的神经细胞实际上比较好，因为在我们的大脑中，单独的神经细胞远远不如神经细胞群体那么重要。

我们是否有朝一日会使用含有大脑细胞的家用电脑？

研制一个把真正的神经细胞与电子装置结合起来的装置是可能的，但这实际上仅仅是科学幻想小说的素材。它永远也不会完全地稳定，因此你仅仅可能把它用于某些特殊的用途。我们的大脑十分擅长像操纵图像这样的事情，因此这种装置也许会比数字电脑较好地完成一些事情，譬如辨别人的面孔。我认为这肯定不会在5年，甚至10年里发生，在此之后人们对大脑的了解可能会足够用来使用传统电脑模拟它。我们目前就是不知道。

我们的判断

在您自己的办公桌上拥有一台含有活的大脑细胞的电脑，这一想法本身就会使大多数人被打发去终生玩单人纸牌。但神经细胞电脑在最近的将来替代您的奔4的可能性极小。最大的问题之一是，大脑细胞要发挥适当作用，需要特殊的照顾。西北大学机器人中的七鳃鳗鱼大脑虽然可能是在一个充满氧气的海水溶器中保鲜，但即使这样，它也只存活了一天。要想无限期地使大脑细胞存活，所需要的生命支持系统毫无疑问会使一台电脑的造价高昂到无人问津的程度。如果这样一台电脑能够制造，它也许能够执行比今天的电脑所能完成的复杂得多的任务；譬如在人群中认出一个面孔，以及人脑所能够轻而易举地解决的其它成像问题。这项技术完全可能对医疗上的器官置入比较有用，也许用来改善视力，或者替换在一次事故中被损坏的部分脊柱。

量子电脑

传统电脑看待一切都是黑白分明的。一个开关要么是开，要么是关，所带来的比特信息不是1就是0，相互结合的比特被转移进出和围绕着电路板传输。

然而在旋转电子的奇异和极小的世界里，却毫无如此的泾渭分明。这是量子物理学的领域，其中电子的旋转行为完全不同于我们在日常生活中所见到的任何事物。如果你试图衡量其旋转，你会发现它要么排列在一个磁场中，要么在相反方向上排列。然而，当电子被分离出来看待时，却没有办法辨别它是在哪个方向上旋转，科学家们只能给出它在一个方向或另一方向上旋转的概率。从某种意义上讲，电子是同时在两个方向上旋转。

如果一个电子的旋转被用作一个量子比特的信息，则一件异乎寻常的事情发生了。每一个量子比特都同时代表着一个1和一个0，因此一台两个量子比特的量子电脑就能够同时存储4个数字。而一台两比特的传统电脑仅仅存储一个数字。而且当你把量子比特相加，电脑的能量急剧增加。一台量子电脑仅用333比特，就能处理一个大于宇宙中所有原子数的数字。