量子計算机不是把信息定義為目前計算机使用的，經晶體管處理后的簡單的開/關位，而是采用了一种全新的、更深層的基于量子理論的模型，將信息定義為物理系統中單個原子或電子的行為
CPU的變遷：從納米向量子挺進
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CPU的變遷：從納米向量子挺進
(http://www.epochtimes.com)【大紀元5月18日訊】 引言 計算机的性能主要取決于處理器芯片的運算速度和內存容量的大小，而處理器芯片的運算速度和內存容量的大小又都在很大程度上取決于硅晶片加工工藝中光刻技術的曝光光源的波長、光掩膜的精度及所用材料的特性等因素。在計算机性能不斷提高的過程中，光刻技術在精度上的極限最終將成為其前進道路上的難以逾越的障礙，因此，未來計算机的發展將屬于机理更新的范疇。 微處理器的現狀及發展的限制 微處理器從4004到80486，從經典Pentium到目前最先進的Pentium－IV，其大幅度地提高計算机的性能，基本上體現在縮小處理器芯片內晶體管的尺寸和線寬這一方法上。如Intel的微處理器，在郵票大小的硅片上晶體管數量已從其第一代4004型的2300只猛增到Pentium－IV的2200万只，性能也呈指數規律上升，從每秒執行10，000條指令上升到數百万條指令，代表當今最高水平的千兆位Pentium－IV原型處理器速度已達1.7GHz，与此同時IBM也在64位的PowerPC上跑出了1100Mhz的速度。縮小微處理器內晶體管尺寸和線寬的基本方法在于改進光刻技術，即使用更短波長的曝光光源，經掩膜曝光，把刻蝕在硅片上的晶體管做得更小，連接晶體管的導線做得更細來實現。目前使用的曝光光源主要是UV（紫外線），采用這种光刻技術生產的大多數高級芯片的線寬僅0.25ｍ。隨著超短波長UV曝光光源的采用，超亞微米光刻技術正在逐步成熟，芯片的線寬正在下降到0.18～0.13ｍ，如Intel自Pentium－III開始已動用0.18m技術來代替0.25ｍ技術，在最新的移動Pentium－III上更是提前采用了0.13m的制造工藝。 IBM微電子硅技術部認為:現在使用的UV光源對微處理器性能的進一步提高已無能為力了。當線寬細到0.10ｍ或更細時，芯片進一步微型化將會遇到障礙，受到一些制約。首先是線條寬度的限制，條寬接近或小于光的波長時，光刻技術將面臨失敗；第二，電子行為的限制，以芯片微處理器為例，它是通過邏輯“門”起開或關的作用，開關狀態，取決于有無電流；目前的微處理器需使用數百個電子來開關邏輯門，隨著芯片集成度的進一步提高，所需的電子數會進一步提高；但線寬的減小卻會導致單位時間流過邏輯門的電子數減少，當電子數減至几十個時，在判斷“開”或“關”時，就會處于模糊狀態，這時邏輯門就會失去魅力；第三，“量子效應”的限制，線寬減至0.05ｍ時，量子效應會使電子像幽靈一般捉摸不定，會導致不可預測的事情發生。 納米電子技術及納米計算机突破 上述限制的辦法可以采用納米級電子技術。它是一种新的思維方式，不是單純的尺寸減小。IBM及其它一些公司正致力于用X射線作為曝光光源來研究納米級電子技術；Bell實驗室研制的電子束光刻系統，經光掩膜來投射高能電子，在實驗室條件下制造出線寬僅0.05m的電路，而且還在繼續開發0.01m的電路。他們最近宣稱現已制造成比目前芯片內門極氧化物絕緣層薄5倍、僅3個原子厚的，0.06m線寬僅由182個原子組成的納米級晶體管，它比目前芯片內晶體管的體積小4倍，但運算速度快5倍，功耗僅為1/60～1/160，几乎不耗電。人們已發現碳納米管在常溫下有極好的導電性，它的強度比石墨高5～10倍，在重量与石墨相當時，強度卻超出鋼50倍，其直徑只有人的頭發絲的數千分之一，目前這种材料較稀少，一旦能批量生產，就有可能研制出納米芯片代替硅芯片，它不僅體積小、功耗低，而且速度快、存儲量大。納米芯片計算机將比今天的台式計算机快10億倍，也就是講，納米技術將給計算机制造業帶來深刻的變革，引發計算机行業的革命。 另外，為進一步提高微處理器性能，目前對制作芯片的一些關鍵材料也進行了改進，如銅代替鋁，即在線路中用銅代替鋁作連接晶體管的導線。銅比鋁導電性更好，能使數据傳輸速率更快，芯片的體積更小，造价更低，跟鋁的設計相比，微處理器的性能可以提高20％～40％。据估計，如果將銅技術引入Xeon服務器中，服務器性能將提高40％。但是銅技術在适應硅芯片制造時還有一些技術難題有待進一步解決。 納米級晶體管的出現，給微處理器性能的進一步提高帶來了令人欣喜的曙光，但是制造納米級晶體管的新的光刻技術還是試驗性的，技術實現難度很大，其价格也將是極其昂貴的，而且在提高微處理器性能方面，光刻技術還并非唯一的難題，如晶體管門極氧化物的存在，將會成為縮小晶體管體積的嚴重障礙。因此，從制作單電子器件到制作納米芯片，進而生產出實用納米計算机，還有很長的路要走，有很多難題需要人們去解決，專家估計納米電子技術的應用將在8到12年之后，我們正在迎接納米計算机時代的到來。 并行技術的發展 進一步提高計算机性能的又一方法是采用并行技術。現在的計算机采用馮氏體系結构，其本質僅适于串行算法，也就是按規定的順序依次執行指令，像一條自助餐流水線，在求解問題時有很多難于逾越的机理性限制，因此也限制了計算机性能的進一步提高。現在芯片制造商對此已有了共識，開始考慮能同時執行多個操作的并行處理方案。目前的台式机主要采用流水線技術，即把一個作業加以分解，不再讓CPU順序去做一個作業的每一步，同時把CPU分成若干相互協作的子單元，并把這些子單元裝配成一條作業線。流水線方式本質上還是串行處理。Intel公司正進行的并行技術研究改變了這一思維模式，使用其正在研制的預計2000年中期推出的64位千兆處理器——Merced服務器芯片，Merced的后繼產品將使用被Intel稱為“直接并行指令計算（explicitlyparallelinstructioncomputing）”的技術。“直接并行指令計算”是一個相對簡單的概念:使用軟件來告訴微處理器哪些指令可以被同時或并行執行。這和廣泛用于巨型机中的并行技術也不相同，并行机采用多芯片成組的方式，組中的各處理器同步工作，但是就各個芯片自身執行指令而言仍是按順序串行執行。与此相反，單個的Merced芯片能有效地同時開啟几個新的計數器給更多的用戶來提供更快捷的服務。這种新的單芯片并行處理技術的關鍵在于正在被認識到的已存在的事實:把指令翻譯為机器代碼的編譯程序的功能已很強大，足以區分哪些指令可以被同時執行或并行執行，即將順序任務和并行任務加以分离。可是芯片自身恰好不具有這樣的优勢，所以，這一技術為計算机事業的進一步發展開辟了新的道路。 量子計算机的發展 在計算机發展的道路上，最有發展前景的是量子計算机，對它的研究正在受到許多專家學者的高度重視。電子學的遠景發展應屬于机理更新的范疇——量子机理，經數學證明該机理是完全可行的。量子計算机現在還處于理論研究階段。量子計算机不是把信息定義為目前計算机使用的，經晶體管處理后的簡單的開/關位，而是采用了一种全新的、更深層的基于量子理論的模型，將信息定義為物理系統中單個原子或電子的行為。量子計算机中最小的信息單位為一個量子單位或“量子位”（ｑｕｂｉｔ），它可以同時有多种狀態，能更好地适應計算机指令的并行處理，并且在保持量子机理固有的“狀態疊加”原理上，“量子位”呈現波的特性——相互加強或相互削弱。使用量子算法的程序能充分利用量子所具有的波的這种特性，加強所期望的結果或削弱不期望的結果，与二進制算法相比，它能更迅速地對大量或更复雜的計算進行分類處理。貝爾實驗室的研究人員已開發了一种這樣的量子算法，用于查詢大型數据庫。另外，量子算法也可應用于密碼學和制圖學等學科。 并非所有未來的量子計算机均采用相同的方式使用量子位。LosAlamos國家實驗室的一個研究小組正在開發一种使用“离子阱”器件的量子計算机，在這种器件內部，懸浮的鈣离子的電子由激光控制。此外，還有其它的研究方法，如“离子點”及核磁共震等。 一些科學家認為，無論量子計算机的最終形式是什么，需要多長時間才能實現，它都是對微處理器計算机的一种繼承，而且量子算法也是唯一能使計算机性能產生質的飛躍的算法。 （ 轉自《 計算機世界》） (http://www.dajiyuan.com)
5/18/2001 12:16:00 AM
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