未来的世界怎么样?

摘要：展望了未来的计算世界，计算机的应用包括计算模拟、嵌入融合以及网络通信三大方面。
“从一定程度上说，整个人类的发展史可以总结为一场脑力劳动日益替代体力劳动的渐进革命”。处理器芯片使计算机从“科学殿堂”走进了“百姓人家”，实现了计算机应用的民主化(大众化)，已使人类的9亿人口从工业社会进入了知识社会。人们估计，机器人设计的人性化，到2036年发达国家的机器人的数目将超过人的数目，很多工作将是由机器人完成的。有人认为，计算机的下一件大事就是要使电子设备真正的小型化, 硅芯片制造的三维化，将使半导体产业换发青春。


中国科学院院士沈绪榜
计算机的应用包括计算模拟、嵌入融合以及网络通信三大方面
世界上的第一台计算机，就是为缩短计算弹道的时间而研制，是作为计算模拟(Simulation)工具使用的。串行计算机上的计算模拟是一种从点开始的串行“分层处理”的计算技术。现在的并行计算机上的计算模拟(天气预报等)，是一种从面开始的并行 “分层处理”的计算技术，正在使计算能力无限大(千万亿次等)。这种分层技术也正在使制造技术大众化。 1985年化学家查克•赫尔在开发室外油漆能干得快些的过程中，发现如果油漆的层数足够多，说不定能够分层制造出三维的物体。如今，“分层处理”的制造技术正在走出实验室，有可能使每个村庄都可以小规模地生产自己所需要的产品，发展成为知识社会的一种新的工业模式，使工业生产更容易。石墨烯的“电路布”可能取代“电路板”，使电子设备成为可穿着的，更深入地介入日常生活。
工业革命的机器设备都是由人来操作控制的，只是延伸了人的体力、眼力和听力等。芯片技术问世之后，首先是用于火箭的控制计算机中的，但这只是少数人的事。计算机与工程科学更加紧密的嵌入融合(embodiment)的应用则仿真了人的思维、 视觉、听觉、感觉(电子皮肤)与四肢等能力。微电子技术正在使计算设备无限小，促进其应用的嵌入融合的大众化。
1969年计算机网络ARPANET(阿帕网)问世，开创了计算机的网络通信(communication)应用。网络通信的应用正在使计算距离无限远(火星探测)。1995年美国国防部的有24 颗卫星的全球定位系统(GPS，Global Position System)的投入使用，基于位置服务(LBS， Location Based Service)成了网络通信的大众化技术。据2007年统计，有30多个国家发射了8000多颗卫星，每天有2000多颗卫星在轨道上工作。美军的铱星电话系统，实现了网络的无缝作用。在欧洲启动的名为RoboEarth(机器人地球)的网络数据库系统中，使网站从搜索引擎发展成回答引擎，网络变得更聪明。网络的集合作用把大型计算(mainframe)和个人计算机(personal computer)集合在一起，使数据中心能起到“数据电厂”和“数据银行”的作用，计算技术成了电一样的普及技术。
机器人的设计使计算机从逻辑化计算走向了人性化计算
计算机嵌入融合的应用催生了非人形机器人、人形(仿真)机器人。工程人员正在研究一种能根据随时需要改变自身形状和能力的变形机器人。相对于光速来说，人类与探索整个太阳系的机器人的通信时间太长了，地面控制难以做出“即时决定”。因此，发明了自主机器人。人脑是一种模拟计算机。数字计算机的逻辑化方法，不仅模仿了人脑的逻辑思维能力，部分地模仿人脑的形象思维能力，而且也在研究数字计算机用它模仿人脑的创新思维能力。机器人和所有机器一样，都是人脑发明的，是生物学的人工制品，不同的是机器人催生了许多具有各种不同人类特征的人性化新应用，促进了神经计算机、生物计算机和“数字生命”的人工智能研究。


1950年代以来的生命科学则发现了人的生命是一个与计算机非常相似的中央控制过程进行控制的化学机器。设计具有生命组织特征的计算机，就成了人工智能研究者的梦想。2011年IBM开发了两款“神经元芯片”，叫做SyNAPSE系统。打算通过“逆向设计大脑”重现思维的一些方面，包括情感、感知、感觉和认知。
英国科学家使用细菌和基因手段制造出了“生物逻辑门”，能用蛋白质作输入信息和输出信息，完成逻辑运算，具有当前计算机所用电路逻辑门类似的信息处理能力的人工智能技术。这些生物逻辑门有望成为微型生物计算机的基础元件，有助于研发新一代的生物处理器。例如，研制出能在人的关节处游荡的传感器，探测和破坏身体内癌细胞的传感器以及能置于环境中的污染检测器。
“数字生命”是人工智能的一种新突破。它把生命进化的概念引进了计算机领域，繁殖时复制的不是DNA，而是计算机编码。美国密歇根大学的Robert Pennock的“数字生命”叫“Avidians”，经过数千代以后，它就进化出了惊人的初级记忆能力：能向食物源运动。密歇根大学的Jeff Clune的“数字生命”叫“HyperNEAT”，每个模拟细胞的功能和人脑中相同位置的神经细胞相同。从简单的指令开始，逐步建立复杂的大脑，然后改变那些指令，得到一个不同的人工大脑。而加入容错指令，能使人工大脑得到自我进化。
硅芯片的制造技术包括一次集成技术和二次集成技术
早期的计算机就是以制造技术命名的。有电子管计算机、晶体管计算机。晶体管把我们从电子管中解放出来，硅芯片制造技术发明之后，计算机就是按摩尔预言发展的。到2017年左右，微电子学的硅芯片制造技术特征尺寸将达到它的物理极限，但计算机的小型化除了芯片内的集成技术之外，还取决于芯片间的互连技术。芯片内的集成技术有晶体管和互连线技术;芯片间的互连线技术是从PCB(印制电路板)开始的。
1947年12月23日晶体管问世。 Intel于2003年推出应变硅;2007年推出高-K金属栅极;2009年发明了三栅极(Tri-Gate)3-D晶体管，是一种真正革命性的突破。2011年5月4日宣布将投产此技术的代号为Ivy Bridge的22纳米Intel芯片。瑞士科学家表示，隧道场效应晶体管可为计算机节能99%，2017年将进入大规模制造阶段。最终设计出超级小型化的零能耗的个人电子助手。[!--empirenews.page--]
芯片内的互连技术开始是稳定性好的铝互连线技术，它的电迁移问题使线宽的物理极限只有0.18mm。1997年IBM的铜互连线开发成功，是芯片互连线技术的突破性的变革。现在，IBM等公司又开发成功了硅直通(TSV，Through Silicon Via)3-D集成的互连线技术。
早期的芯片是单个组装的，采用的是PCB板/底板/机箱(柜)的互连线技术。现在的芯片是SIP(单封装系统)组装的，芯片之间采用的也是PCB板/底板/机箱(柜)的互连线技术。现在已有100多个机架的千万亿次计算机，是占地几百平米的庞然大物。计划2018问世的100万万亿次计算机将只能是低功耗SoC芯片的硅直通的互连线技术。
总之，计算机应用的民主化，将加速人类从工业社会进入知识社会。机器人设计的人性化，体力劳动将更多地由机器人完成;人则“以智慧安身立命”。硅芯片制造三维化，微电子技术将仍然是知识社会电子设备小型化的主要技术基础。
参考文献：
『1』沈绪榜.芯片制造技术的基础性作用.电子产品世界,2011(3)
『2』沈绪榜.阵列处理器系统芯片的发展.电子产品世界,2010(1-2)
『3』认知计算：当计算机变成人脑『R/OL』. (2011-12-19). http://tech.cn.yahoo.com/ypen/20111219/765956.html
『4』刘霞. 用DNA和细菌组装的可模块化逻辑门问世『R/OL』.科技日报(2011-10-20).http://www.stdaily.com/kjrb/content/2011-10/20/content_359508.htm
『5』量子隧道场效应晶体管可为计算机节能99%『R/OL』.(2011-11-26). http://www.cnbeta.com/articles/163485.htm