貫穿電影《流浪地球2》的一個(gè)重要角色是550系列量子智能計(jì)算機(jī)，丫丫的數(shù)字生命、無人機(jī)暴亂、MOSS系統(tǒng)的“陰謀”等都與它有關(guān)。從起初的550A到電影最后的MOSS，它變得越來越強(qiáng)大，甚至連人類都要依靠它們實(shí)現(xiàn)“數(shù)字永生”。
計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度是如何一步步變快、變強(qiáng)大的？這就要從人類最原始的計(jì)算機(jī)——算盤說起。
機(jī)械計(jì)算工具的演進(jìn)
算盤是計(jì)算機(jī)發(fā)展的起點(diǎn)，它其實(shí)是一臺(tái)“機(jī)械式半自動(dòng)化運(yùn)算器”。打算盤的“口訣”就是編程語言，算盤珠是存儲(chǔ)器。
計(jì)算機(jī)發(fā)展的第二階段是可以做四則運(yùn)算的加法器、乘法器。1642年，法國數(shù)學(xué)家帕斯卡為了幫稅務(wù)官父親計(jì)稅，發(fā)明了一個(gè)機(jī)械式的加法器。1673年，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨發(fā)明了可做乘除法的乘法器。
計(jì)算機(jī)進(jìn)階到第三步，是可編程織布機(jī)�？棽紮C(jī)跟計(jì)算有什么關(guān)系？織布工人在紙上畫出圖形，機(jī)器能讀懂并將其繡到布上，這個(gè)過程就是編程。1801年，法國機(jī)械師杰卡德發(fā)明了首個(gè)可編程織布機(jī)——通過穿孔卡對(duì)織布機(jī)進(jìn)行編程。
計(jì)算機(jī)發(fā)展的第四階段是差分機(jī)。西方進(jìn)入大航海時(shí)代，人們在航行中編制航海、天文用表時(shí)，需要大量人工勞動(dòng)，直到19世紀(jì)英國數(shù)學(xué)家巴貝奇設(shè)計(jì)出了差分機(jī)與分析機(jī)。雖然機(jī)器在工程上沒能徹底實(shí)現(xiàn)，但已經(jīng)可以完成非常復(fù)雜的計(jì)算，如通過多項(xiàng)式逼近對(duì)數(shù)、指數(shù)和三角函數(shù)。
到了第五階段，人類歷史上第一次有了計(jì)算程序。1843年，世界上第一位程序員愛達(dá)設(shè)計(jì)出了一個(gè)算法，用來計(jì)算伯努利數(shù)列的值。這是歷史上第一個(gè)利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算的算法程序。
第六階段，機(jī)械計(jì)算工具的發(fā)展到達(dá)頂峰。第二次世界大戰(zhàn)期間，艾倫•圖靈為了破譯密碼設(shè)計(jì)出“圖靈甜點(diǎn)”解碼機(jī)，其有著非常優(yōu)越的計(jì)算能力和適應(yīng)性。
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的誕生與應(yīng)用
經(jīng)過這六個(gè)發(fā)展階段，至此，機(jī)械式計(jì)算工具達(dá)到了工程技術(shù)積累的巔峰。但這時(shí)還沒有出現(xiàn)電子計(jì)算機(jī)，即便是“圖靈甜點(diǎn)”，也只是一類專用的計(jì)算機(jī)，每一個(gè)功能都要專門制造。
直到出現(xiàn)了三位偉大的學(xué)者——艾倫•圖靈、馮•諾依曼和威廉•肖克利。他們的發(fā)明奠定了現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)工程科學(xué)的三大基石，使通用電子計(jì)算機(jī)最終得以問世。
圖靈是個(gè)奇人。他曾在普林斯頓大學(xué)讀博士，第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期破譯了恩格瑪密碼，后來成為愛因斯坦的同事。他還是一位世界級(jí)長跑運(yùn)動(dòng)員，參加過馬拉松比賽。有一部名為《模仿游戲》的電影，講述的便是他的傳奇人生。
1936年，為了解決“數(shù)學(xué)可判定”問題，圖靈發(fā)明了圖靈機(jī)——模擬人用紙筆計(jì)算的機(jī)器。圖靈機(jī)模型主要由一條無限長的紙帶、一個(gè)讀寫頭和一些內(nèi)部狀態(tài)組成。紙帶被分成一個(gè)個(gè)小方格，每個(gè)方格可以包含一種符號(hào)，如0或1。讀寫頭可以在紙帶上移動(dòng)，讀取和寫入符號(hào)，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和讀取的符號(hào)改變內(nèi)部狀態(tài)和移動(dòng)方向。圖靈機(jī)可以模擬任何算法的過程，是一個(gè)理論上的計(jì)算模型，為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
馮•諾依曼首先提出“存儲(chǔ)程序”的概念和二進(jìn)制原理，并為圖靈機(jī)的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)通用的體系結(jié)構(gòu)——將計(jì)算機(jī)分為輸入設(shè)備、存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器、輸出設(shè)備。有了馮•諾依曼的結(jié)構(gòu)，圖靈機(jī)從一個(gè)抽象的數(shù)學(xué)模型，變成了工程師可以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，從而解決了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)如何實(shí)現(xiàn)的難題。
1946年2月14日，人類歷史上第一臺(tái)真正意義上的電子計(jì)算機(jī)——ENIAC在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生。它使用電子真空管執(zhí)行數(shù)字和邏輯運(yùn)算，使用穿孔卡片輸入數(shù)據(jù)和指令。ENIAC的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的誕生，對(duì)人類社會(huì)的科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。
光有電子計(jì)算機(jī)還不行，人們還希望它的運(yùn)算速度能夠變快。
肖克利被譽(yù)為“晶體管之父”，他與另外兩位科學(xué)家一起發(fā)明了晶體管。晶體管是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)布爾代數(shù)的開關(guān)器件，是建造現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之塔的“磚塊”。它的發(fā)明為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展提供了更小、更快、更可靠的電子元件，取代了之前使用的真空管，使計(jì)算機(jī)的體積和功耗大大降低，性能和可靠性大大提升。
在肖克利之后，杰克•基爾比發(fā)明了集成電路。1958年，基爾比成功創(chuàng)造出世界上第一個(gè)采用單一材料制成的集成電路，標(biāo)志著微電子時(shí)代的開始，對(duì)全球電子工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。現(xiàn)在，我們最大的一個(gè)芯片上可以集成超過1000億個(gè)晶體管，這正是微電子集成電路的功勞，它讓計(jì)算機(jī)運(yùn)行得越來越快。2000年，基爾比因集成電路的發(fā)明被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
有了計(jì)算機(jī)，接下來就是應(yīng)用的繁榮。全世界使用計(jì)算機(jī)的人是依靠什么互聯(lián)互通的？是互聯(lián)網(wǎng)，其讓全世界任何一個(gè)人都可以通過網(wǎng)絡(luò)與世界通信。互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明離不開傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）。其是由羅伯特•卡恩和文森特•瑟夫共同發(fā)明的。他們的這項(xiàng)發(fā)明對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響，并最終成為大部分因特網(wǎng)共同遵守的網(wǎng)絡(luò)規(guī)則。
英國計(jì)算機(jī)科學(xué)家蒂姆•伯納斯—李在歐洲核子研究組織工作時(shí)，意識(shí)到科學(xué)家之間共享信息的方式非常不便。因此，他開始著手設(shè)計(jì)一種新的信息管理系統(tǒng)，這就是萬維網(wǎng)的前身。
伯納斯—李設(shè)計(jì)的萬維網(wǎng)系統(tǒng)包括三個(gè)核心組成部分：超文本標(biāo)記語言（HTML）、超文本傳輸協(xié)議（HTTP）和統(tǒng)一資源定位符（URL）。HTML用于創(chuàng)建和格式化網(wǎng)頁內(nèi)容，HTTP用于在Web服務(wù)器和瀏覽器之間傳輸數(shù)據(jù)，而URL則為互聯(lián)網(wǎng)上的每個(gè)資源提供了唯一的地址。
1990年，伯納斯—李成功開發(fā)出第一個(gè)Web瀏覽器和Web服務(wù)器，使用戶能夠在萬維網(wǎng)上查看和發(fā)布信息。這一發(fā)明為互聯(lián)網(wǎng)的普及和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，從此，人類進(jìn)入了數(shù)字文明的新時(shí)代。
中國計(jì)算科學(xué)家的歷史貢獻(xiàn)
在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，有三位中國科學(xué)家貢獻(xiàn)很大。
第一位是中國計(jì)算機(jī)學(xué)科的創(chuàng)始人、被譽(yù)為“中國計(jì)算機(jī)之母”的夏培肅。她是我國第一臺(tái)自行設(shè)計(jì)的通用電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明人，還培養(yǎng)了一大批從事計(jì)算事業(yè)的人才。英國廣播公司（BBC）專門撰寫了一篇文章，以紀(jì)念夏培肅。
第二位是中國工程院院士金怡濂。作為我國巨型計(jì)算機(jī)事業(yè)的開拓者之一，他在半個(gè)世紀(jì)里先后提出在各個(gè)時(shí)期均居國內(nèi)領(lǐng)先或國際先進(jìn)水平的大型和巨型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)方案，并組織科技人員刻苦攻關(guān)、予以實(shí)現(xiàn)。他是“神威”超級(jí)計(jì)算機(jī)總設(shè)計(jì)師，使我國高性能計(jì)算機(jī)峰值運(yùn)算速度從每秒10億次跨越到每秒3000億次以上。
第三位是國家最高科技獎(jiǎng)獲得者、兩院院士王選。他是計(jì)算機(jī)漢字激光照排技術(shù)的創(chuàng)始人，被稱為“漢字激光照排系統(tǒng)之父”。他主持研制成功的漢字信息處理與激光照排系統(tǒng)、方正彩色出版系統(tǒng)得到大規(guī)模應(yīng)用，帶來了我國出版印刷行業(yè)“告別鉛與火，邁入光和電”的技術(shù)革命。
這里還要再提一下中國工程院院士李國杰。20世紀(jì)80年代，我國在計(jì)算機(jī)超算方面還很落后，好不容易從美國買來一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，美方卻用玻璃房子把機(jī)器罩在里面，并24 小時(shí)全方位監(jiān)控，連進(jìn)出門的鑰匙和啟動(dòng)密碼也由美方掌控，中國人不允許進(jìn)入玻璃房子。
這對(duì)中國科學(xué)家而言是一個(gè)恥辱。后來，李國杰回國后帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，研制出“曙光”機(jī)群系統(tǒng)，并逐步實(shí)現(xiàn)了高性能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)化�，F(xiàn)在，我們無論是大學(xué)、研究所還是企業(yè)，都有最快的高性能計(jì)算機(jī)可用，正是在于我們走通了高性能計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新道路。
今天，我們有了自己的“玻璃房子”——在四川成都天府新區(qū)有一個(gè)網(wǎng)紅打卡地，那就是如科幻大片般的曙光“硅立方”景觀玻璃房。這里裝著的高性能計(jì)算機(jī)，正是《流浪地球2》中依靠液冷散熱的550W的原型。
未來計(jì)算技術(shù)的兩個(gè)方向
計(jì)算技術(shù)的未來，有兩個(gè)方向是人們比較關(guān)注的。
一是到2035年，我們能不能造出Z級(jí)計(jì)算機(jī)。Z級(jí)計(jì)算機(jī)中的“Z”，代表計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度達(dá)到每秒1021次，現(xiàn)在我們能達(dá)到E級(jí)計(jì)算，即1018次。
高性能計(jì)算機(jī)提速的背后，有幾個(gè)要解決的重大問題，如“能耗墻”。如何降低能耗是世界級(jí)難題。現(xiàn)在，我們主要通過器件結(jié)構(gòu)或工藝提升能效，包括高密度的集成封裝。當(dāng)然，如果高溫超導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用也能降低能耗。另外，光子計(jì)算也有望降低能耗。
二是量子計(jì)算機(jī)。很多人看過《流浪地球2》后都在問，類似于550W或者M(jìn)OSS的量子計(jì)算機(jī)能不能被制造出來。量子計(jì)算機(jī)主要是并行計(jì)算，所以它的速度和性能充滿想象空間。
我認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)，至少需要6個(gè)步驟，但現(xiàn)在我們的科學(xué)家只知道前三個(gè)步驟該怎么做，后三個(gè)步驟還沒有頭緒。
第一步，人們已經(jīng)做出來了“量子算盤”——用量子計(jì)算的原理對(duì)某一特定問題進(jìn)行加速，如谷歌公司的量子計(jì)算機(jī)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的“九章”，已經(jīng)可以在量子采樣算法上實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。
第二步是“量子運(yùn)算器”，就是要能對(duì)一類科學(xué)問題進(jìn)行求解�，F(xiàn)在這一步還存在技術(shù)挑戰(zhàn)，如量子存儲(chǔ)要克服量子態(tài)可存儲(chǔ)時(shí)間極短的問題、量子隨機(jī)訪存尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，等等。
第三步是領(lǐng)域?qū)Ｓ玫牧孔佑?jì)算機(jī)，需要實(shí)用的量子算法、量子編程框架、量子編譯優(yōu)化、量子指令集、量子微體系結(jié)構(gòu)、量子糾錯(cuò)碼、底層物理芯片……我們希望到2050年前能完成這一步，構(gòu)成一個(gè)完整的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)體系。當(dāng)然，即便到了這一步，距離電影中的550C都還非常遙遠(yuǎn)，這需要更多年輕人投身到這一領(lǐng)域共同努力。今天，人類已經(jīng)進(jìn)入到了人—機(jī)—物三元融合的世界，未來的信息世界要靠大家一起創(chuàng)造�！�
（作者系中國工程院院士，記者趙廣立根據(jù)其在“科學(xué)與中國”再出發(fā)—— “千名院士·千場科普”首場報(bào)告會(huì)上的報(bào)告整理）