【文章內(nèi)容簡介】 人員們認為，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。后摩爾時代（續(xù)）：表達出更多的信息u用一個個原子、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。 量子計算機可能擁有異常驚人的密度和速度，但實際制造量子計算機及管理隨之出現(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中。一種名為自旋電子（Spintronics）的方法使用電子，電子的磁矩會在兩種旋轉(zhuǎn)方向中選擇其一。就好比一只球往一個方向或另一方向旋轉(zhuǎn)（分別表示 1或 0）。不過，兩個狀態(tài)還能共存于一個電子中，形成一種獨特的量子狀態(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)家們已通過用蝕刻到金剛石上的空腔來俘獲電子，做成了許多不同的邏輯柵極。216。 在馬里蘭大學(xué)和美國國家標準技術(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)動每個離子的磁定向（量子比特）。第二種方法是檢測離子發(fā)射出來的不同種類的光子，種類取決于離子的定向。u除了具有疊加優(yōu)點外，量子元件還能表示出更多的信息，如多個量子比特的信息狀態(tài)可以結(jié)合起來，從而獲得處理信息。后摩爾時代（續(xù)）：能存活的芯片u生物 計 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 著決定人體 細 胞生命的 “編 程信息 ”。一種令人遐想的 遠 景是， 盡管一 塊 小指甲大小的芯片可能含有10億 個晶體管，而一個同 樣 尺寸的 處 理器可能含有數(shù)萬 億 個 DNA鏈。 DNA鏈 可以同 時處 理某 項計 算任 務(wù) 的不同部分，并且相互 結(jié) 合起來，以 給 出解決方案。 除了元件數(shù)量多出幾個數(shù)量 級 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 過組 合及分開 DNA鏈 之 間 的 鍵 來 處 理信息。研究人 員現(xiàn) 正在研究可以在 細 胞里面存 儲 及復(fù)制的 “遺傳計 算機程序 ”。而面 臨 的挑 戰(zhàn) 是，找到 對 成批的生物元件 進 行 編 程的方法，以便它們 能按 預(yù) 期的方式 進 行工作 。 這 種 計 算機最 終 可能會首先出 現(xiàn) 在人體內(nèi)流 動 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 胞里面工作，并與 細 胞周 圍環(huán) 境 進 行通信。167。 從歷史走向未來 —— 計算機的發(fā)展史 巨型計算機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越大的復(fù)雜問題。巨型計算機則成為不可替代的工具。l現(xiàn)代巨型電子計算機已普遍采用矢量運算。矢量計算機的出現(xiàn)，是計算機工業(yè)中的一項新的技術(shù)進步。l矢量計算機也被稱為 “ 向量計算機 ” ，它是一種能夠進行矢量運算，以流水處理為主要特征的電子計算機。 對多組數(shù)據(jù)成批地進行同樣的運算，得到一批結(jié)果的運算方法，即稱為“ 矢量運算 ” 。如果一次只能對一組數(shù)據(jù)進行運算，則稱為“ 標量運算。 ”★ 流水技術(shù)★ 流水技術(shù)（續(xù)）n流水線生產(chǎn)過程的抽象描述★ 流水技術(shù)（續(xù)）n浮點加法流水線l 把浮點加法的全過程分解為 “ 求階差 ” 、 “ 對階 ” 、 “ 尾數(shù)相加 ” 、 “規(guī)格化 ” 四個子過程，并讓它們分別用各自獨立的部件來實現(xiàn)?！　 理想情況：速度提高 3倍★ 流水技術(shù)（續(xù)）n時－空圖從時間和空間兩個方面描述了流水線的工作過程。時－空圖中，橫坐標代表時間，縱坐標代表流水線的各個段?！?流水技術(shù)（續(xù)）★ 流水技術(shù)（續(xù)）n 流水技術(shù)是指將一個重復(fù)的時序過程分解成為若干個子過程，而每個子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時執(zhí)行。n 流水線的分類（按照流水線的級別來分）l 部件級流水線（運算操作流水線）：把處理機的算術(shù)邏輯部件分段，使得各種數(shù)據(jù)類型的操作能夠進行流水。l 處理機級流水線（指令流水線）：把指令的解釋執(zhí)行過程按照流水方式進行處理。l 處理機間流水線（宏流水線）：它是指由兩個以上的處理機串行地對同一數(shù)據(jù)流進行處理，每個處理機完成一項任務(wù)。n 關(guān)于流水技術(shù)的細節(jié)參見 《 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 》我國巨型計算機的發(fā)展型號 面世時間 每秒運算速度（峰值）銀河 —Ⅰ 1983年 1億次 曙光一號 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 1萬億次曙光 4000A 2022年 11萬億次神威 3000A 2022年 18萬億次 深騰 7000 2022年 曙光 5000A 2022年 230萬億次 天河一號 2022年 1206萬億次我國巨型計算機的發(fā)展n 2022年 6月版的 Top 500超 級計 算機名 單 已 經(jīng) 公布。中國國家超 級計 算深圳中心的曙光 TC3600刀片服 務(wù) 器系 統(tǒng) “星云 ”超 級計 算機位居第二， 僅 次于克雷公司的 Jaguar超級計 算機，超 過 了 IBM的 Roadrunner超 級計 算機 。 “星云 ”系 統(tǒng) 采用 Intel的至 強 5650處 理器和 NVidia Tesla C2050 GPU， 理 論 峰 值計 算能力 PFlop/s（世界最快）， Linpack基準 測試 性能 PFlop/s。美國能源部橡樹 嶺國家 實驗 室 Jaguar超 級電腦 的 Linpack測試 得分 為 petaflop/s，理 論 峰 值計 算能力 petaflop/s。洛斯阿拉莫斯國家 實驗 室 Roadrunner的 計 算能力 為 petaflop/s。 中國國家超 級計 算天津中心的天河一號超 級計 算機排名第 7，采用 Xeon E5540/E5450處 理器和 ATI Radeon HD 4870 2 GPU， Linpack性能 teraflop/s。Top 10超 級計 算機全部運行基于 Linux的操作系 統(tǒng) ，中國的兩臺超 級計 算機都使用 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。 微型計算機硬件系統(tǒng)n計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。l硬件系統(tǒng)通常指機器的物理系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)是指所有構(gòu)成計算機的物理實體，它包括計算機系統(tǒng)中一切電子、機械、光電等設(shè)備。l所謂軟件系統(tǒng)則是指管理計算機軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)資源、控制計算機運行的程序、命令、指令、數(shù)據(jù)等，廣義地說，軟件系統(tǒng)還包括電子的和非電子的有關(guān)說明資料，說明書、用戶指南、操作手冊等。167。 微型計算機硬件系統(tǒng) 微型計算機系統(tǒng)l微型機根據(jù)工藝結(jié)構(gòu)、外觀形式和應(yīng)用目的，可分為臺式機和便攜式兩類。l微型計算機的硬件系統(tǒng)應(yīng)由微處理器（運算器和控制器）、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。圖 211 微型計算機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)167。 微型計算機硬件系統(tǒng) 微處理器 —— 給你一顆奔騰的 “芯 ”l微處理器在微型計算機中又稱為 CPU（中央處理單元的縮寫 )，又簡稱其為處理器 (Processor)。lCPU作為計算機系統(tǒng)的核心，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為控制器、運算器和寄存器三個部分，如圖 213所示。圖 213 CPU主要由控制器、運算器和寄存器組成運算器主要完成各種算術(shù)運算和邏輯運算 ?？刂破髫撠?zé)讀取各種指令，并對指令進行分析，作出相應(yīng)的控制。寄存器是 CPU