【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 人員們認(rèn)為，自組裝也許是一種解決辦法。 2022年 10月，賓夕法尼亞大學(xué)的一個(gè)科研小組單單利用促使自組裝的化學(xué)反應(yīng)，就把鋅和結(jié)晶硫化鎘轉(zhuǎn)變成金屬－半導(dǎo)體超晶格電路。后摩爾時(shí)代（續(xù)）：表達(dá)出更多的信息u用一個(gè)個(gè)原子、電子甚至光子做成的電路元件將是尺寸最小的元件。在這么小的尺寸范圍內(nèi)，元件相互之間的聯(lián)系由量子力學(xué)（即解釋原子行為的一套定律）管理。 量子計(jì)算機(jī)可能擁有異常驚人的密度和速度，但實(shí)際制造量子計(jì)算機(jī)及管理隨之出現(xiàn)的量子效應(yīng)卻困難重重 。u原子和電子具有能在不同狀態(tài)下存在的特性，能夠組成量子比特（ Qubit）。研究處理量子比特的幾種方法正在試驗(yàn)中。一種名為自旋電子（Spintronics）的方法使用電子，電子的磁矩會(huì)在兩種旋轉(zhuǎn)方向中選擇其一。就好比一只球往一個(gè)方向或另一方向旋轉(zhuǎn)（分別表示 1或 0）。不過(guò)，兩個(gè)狀態(tài)還能共存于一個(gè)電子中，形成一種獨(dú)特的量子狀態(tài)，名為 0和 1的疊加（Superposition）。在疊加狀態(tài)下，一連串電子可以表示比一串只有普通比特狀態(tài)的硅晶體管多得多的信息。216。 加州大學(xué)圣巴巴拉分校的科學(xué)家們已通過(guò)用蝕刻到金剛石上的空腔來(lái)俘獲電子，做成了許多不同的邏輯柵極。216。 在馬里蘭大學(xué)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所研究的另一種方法中，一串離子懸浮在帶電板之間，而激光可以快速轉(zhuǎn)動(dòng)每個(gè)離子的磁定向（量子比特）。第二種方法是檢測(cè)離子發(fā)射出來(lái)的不同種類的光子，種類取決于離子的定向。u除了具有疊加優(yōu)點(diǎn)外，量子元件還能表示出更多的信息，如多個(gè)量子比特的信息狀態(tài)可以結(jié)合起來(lái)，從而獲得處理信息。后摩爾時(shí)代（續(xù)）：能存活的芯片u生物 計(jì) 算用通常存在于生物體內(nèi)的 結(jié) 構(gòu)取代晶體管。 備 受關(guān)注的是DNA分子和 RNA分子，它 們 中存 儲(chǔ) 著決定人體 細(xì) 胞生命的 “編 程信息 ”。一種令人遐想的 遠(yuǎn) 景是， 盡管一 塊 小指甲大小的芯片可能含有10億 個(gè)晶體管，而一個(gè)同 樣 尺寸的 處 理器可能含有數(shù)萬(wàn) 億 個(gè) DNA鏈。 DNA鏈 可以同 時(shí)處 理某 項(xiàng)計(jì) 算任 務(wù) 的不同部分，并且相互 結(jié) 合起來(lái)，以 給 出解決方案。 除了元件數(shù)量多出幾個(gè)數(shù)量 級(jí) 外，生物芯片還 有望提供大 規(guī) 模并行 處 理功能。u早期的生物 電 路通 過(guò)組 合及分開(kāi) DNA鏈 之 間 的 鍵 來(lái) 處 理信息。研究人 員現(xiàn) 正在研究可以在 細(xì) 胞里面存 儲(chǔ) 及復(fù)制的 “遺傳計(jì) 算機(jī)程序 ”。而面 臨 的挑 戰(zhàn) 是，找到 對(duì) 成批的生物元件 進(jìn) 行 編 程的方法，以便它們 能按 預(yù) 期的方式 進(jìn) 行工作 。 這 種 計(jì) 算機(jī)最 終 可能會(huì)首先出 現(xiàn) 在人體內(nèi)流 動(dòng) 的血液中，而不是 辦 公桌面上。216。以色列雷霍沃特魏茨曼科學(xué)研究所的研究人 員 已利用 DNA研制出一種 簡(jiǎn)單 的 處 理器，他 們現(xiàn) 正在努力 讓處 理器 組 件可以在活生生的 細(xì) 胞里面工作，并與 細(xì) 胞周 圍環(huán) 境 進(jìn) 行通信。167。 從歷史走向未來(lái) —— 計(jì)算機(jī)的發(fā)展史 巨型計(jì)算機(jī)l在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，人類在宇航技術(shù)、衛(wèi)星遙感、激光武器、海洋工程以及空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、理論物理學(xué)等方面遇到了許許多多難度越來(lái)越大的復(fù)雜問(wèn)題。巨型計(jì)算機(jī)則成為不可替代的工具。l現(xiàn)代巨型電子計(jì)算機(jī)已普遍采用矢量運(yùn)算。矢量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，是計(jì)算機(jī)工業(yè)中的一項(xiàng)新的技術(shù)進(jìn)步。l矢量計(jì)算機(jī)也被稱為 “ 向量計(jì)算機(jī) ” ，它是一種能夠進(jìn)行矢量運(yùn)算，以流水處理為主要特征的電子計(jì)算機(jī)。 對(duì)多組數(shù)據(jù)成批地進(jìn)行同樣的運(yùn)算，得到一批結(jié)果的運(yùn)算方法，即稱為“ 矢量運(yùn)算 ” 。如果一次只能對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，則稱為“ 標(biāo)量運(yùn)算。 ”★ 流水技術(shù)★ 流水技術(shù)（續(xù)）n流水線生產(chǎn)過(guò)程的抽象描述★ 流水技術(shù)（續(xù)）n浮點(diǎn)加法流水線l 把浮點(diǎn)加法的全過(guò)程分解為 “ 求階差 ” 、 “ 對(duì)階 ” 、 “ 尾數(shù)相加 ” 、 “規(guī)格化 ” 四個(gè)子過(guò)程，并讓它們分別用各自獨(dú)立的部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。　　l 理想情況：速度提高 3倍★ 流水技術(shù)（續(xù)）n時(shí)－空?qǐng)D從時(shí)間和空間兩個(gè)方面描述了流水線的工作過(guò)程。時(shí)－空?qǐng)D中，橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)代表流水線的各個(gè)段?！?流水技術(shù)（續(xù)）★ 流水技術(shù)（續(xù)）n 流水技術(shù)是指將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過(guò)程分解成為若干個(gè)子過(guò)程，而每個(gè)子過(guò)程都可有效地在其專用功能段上與其他子過(guò)程同時(shí)執(zhí)行。n 流水線的分類（按照流水線的級(jí)別來(lái)分）l 部件級(jí)流水線（運(yùn)算操作流水線）：把處理機(jī)的算術(shù)邏輯部件分段，使得各種數(shù)據(jù)類型的操作能夠進(jìn)行流水。l 處理機(jī)級(jí)流水線（指令流水線）：把指令的解釋執(zhí)行過(guò)程按照流水方式進(jìn)行處理。l 處理機(jī)間流水線（宏流水線）：它是指由兩個(gè)以上的處理機(jī)串行地對(duì)同一數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，每個(gè)處理機(jī)完成一項(xiàng)任務(wù)。n 關(guān)于流水技術(shù)的細(xì)節(jié)參見(jiàn) 《 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 》我國(guó)巨型計(jì)算機(jī)的發(fā)展型號(hào) 面世時(shí)間 每秒運(yùn)算速度（峰值）銀河 —Ⅰ 1983年 1億次 曙光一號(hào) 1992年 銀河 —Ⅱ 1994年 10億次 銀河 —Ⅲ 1997年 130億次 神威 —Ⅰ 1999年 3840億次 深騰 1800 2022年 1萬(wàn)億次曙光 4000A 2022年 11萬(wàn)億次神威 3000A 2022年 18萬(wàn)億次 深騰 7000 2022年 曙光 5000A 2022年 230萬(wàn)億次 天河一號(hào) 2022年 1206萬(wàn)億次我國(guó)巨型計(jì)算機(jī)的發(fā)展n 2022年 6月版的 Top 500超 級(jí)計(jì) 算機(jī)名 單 已 經(jīng) 公布。中國(guó)國(guó)家超 級(jí)計(jì) 算深圳中心的曙光 TC3600刀片服 務(wù) 器系 統(tǒng) “星云 ”超 級(jí)計(jì) 算機(jī)位居第二， 僅 次于克雷公司的 Jaguar超級(jí)計(jì) 算機(jī)，超 過(guò) 了 IBM的 Roadrunner超 級(jí)計(jì) 算機(jī) 。 “星云 ”系 統(tǒng) 采用 Intel的至 強(qiáng) 5650處 理器和 NVidia Tesla C2050 GPU， 理 論 峰 值計(jì) 算能力 PFlop/s（世界最快）， Linpack基準(zhǔn) 測(cè)試 性能 PFlop/s。美國(guó)能源部橡樹(shù) 嶺國(guó)家 實(shí)驗(yàn) 室 Jaguar超 級(jí)電腦 的 Linpack測(cè)試 得分 為 petaflop/s，理 論 峰 值計(jì) 算能力 petaflop/s。洛斯阿拉莫斯國(guó)家 實(shí)驗(yàn) 室 Roadrunner的 計(jì) 算能力 為 petaflop/s。 中國(guó)國(guó)家超 級(jí)計(jì) 算天津中心的天河一號(hào)超 級(jí)計(jì) 算機(jī)排名第 7，采用 Xeon E5540/E5450處 理器和 ATI Radeon HD 4870 2 GPU， Linpack性能 teraflop/s。Top 10超 級(jí)計(jì) 算機(jī)全部運(yùn)行基于 Linux的操作系 統(tǒng) ，中國(guó)的兩臺(tái)超 級(jí)計(jì) 算機(jī)都使用 GPU作 為 一種加速器。 n There are now 2 Chinese systems in the TOP10 and 24 in the TOP500 overall.167。 微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)n計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。l硬件系統(tǒng)通常指機(jī)器的物理系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)是指所有構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物理實(shí)體，它包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一切電子、機(jī)械、光電等設(shè)備。l所謂軟件系統(tǒng)則是指管理計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)資源、控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序、命令、指令、數(shù)據(jù)等，廣義地說(shuō)，軟件系統(tǒng)還包括電子的和非電子的有關(guān)說(shuō)明資料，說(shuō)明書(shū)、用戶指南、操作手冊(cè)等。167。 微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)l微型機(jī)根據(jù)工藝結(jié)構(gòu)、外觀形式和應(yīng)用目的，可分為臺(tái)式機(jī)和便攜式兩類。l微型計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)應(yīng)由微處理器（運(yùn)算器和控制器）、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。圖 211 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)167。 微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 微處理器 —— 給你一顆奔騰的 “芯 ”l微處理器在微型計(jì)算機(jī)中又稱為 CPU（中央處理單元的縮寫(xiě) )，又簡(jiǎn)稱其為處理器 (Processor)。lCPU作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為控制器、運(yùn)算器和寄存器三個(gè)部分，如圖 213所示。圖 213 CPU主要由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成運(yùn)算器主要完成各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算 。控制器負(fù)責(zé)讀取各種指令，并對(duì)指令進(jìn)行分析，作出相應(yīng)的控制。寄存器是 CPU