從算盤到量子計算：計算機是怎么越來越快的？

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電影《流浪地球2》中，貫穿其中的一個重要的“角色”是550系列量子智能計算機。丫丫的數字生命、無人機暴亂、MOSS系統的“陰謀”等都與它有關。從起初的550A到電影最后的MOSS（550W），它變得越來越強大，甚至人類都要依靠他們實現“數字永生”。

計算機的計算速度是怎樣一步步變快、變強大的？這就要從人類最原始的計算機——算盤說起了。

孫凝暉（資料圖） 圖片由其學生提供  ?

計算機的前生：機械計算工具的演進

算盤是計算機的起點，它其實是一臺“機械式半自動化運算器”。打算盤的“口訣”其實就是它的編程語言，算盤珠就是它的存儲器。

第二階段是可以做四則運算的加法器、乘法器。1642年，法國數學家帕斯卡為了幫稅務官父親計稅，發明了一個機械式的加法器；1673年德國數學家萊布尼茨則發明了可做乘除法的乘法器。

計算機進階到第三步，是可編程織布機。織布機跟計算有什么關系？織布工人在紙上畫出圖形，機器能讀懂、繡到布上，這個過程就叫做編程。在這一進程中，1801年，杰卡德發明了首個可編程織布機——通過穿孔卡對織布機進行編程。今天織布的印花還是這個原理。

第四階段是差分機。西方進入大航海時代，人們航行中在編制航海、天文用表時，需要大量的人工勞動，直到1837年，巴貝奇設計了差分機與分析機。雖然在工程上沒有徹底實現，但已經可以完成非常復雜的計算，比如通過多項式逼近對數、指數和三角函數。

到了第五個階段，人類歷史上第一次有了計算程序。1843年，世界上第一位程序員愛達——一位女性——設計了一個算法，用來計算伯努利數列的值。這是歷史上第一個利用計算機進行運算的算法程序。

第六階段，機械計算工具到了頂峰。二戰期間，阿蘭·圖靈為了破譯密碼設計出“圖靈甜點”解碼機。這個解碼機的特點是，有非常好的計算能力和適應性，因為德國設計的恩格瑪密碼機的密碼一直在變。

現代計算機的誕生與應用

經過這六個階段，至此機械式計算工具達到了工程技術積累的巔峰。但是，現在還沒有出現“電子計算機”。即便是“圖靈甜點”解碼機，也只是一類專用的計算機，每一個功能都要專門制造。

直到出現了三位偉大學者——阿蘭·圖靈、馮·諾依曼、威廉姆·肖克利，他們的發明奠定了現代通用計算機工程科學的三大基石，才最終誕生了通用電子計算機。

除了發明了“圖靈甜點”，圖靈后來提出了“圖靈機”的設想，提出了能夠自動執行程序的通用計算裝置的科學原理，為現代計算機的發展奠定了基礎。

圖靈是個奇人。他曾在普林斯頓大學讀博士，二戰時期破譯恩格瑪密碼，后來他還跟愛因斯坦是同事。他還是一位世界級的長跑運動員，參加過馬拉松比賽。有一部電影名為《模仿游戲》，講述了他的傳奇人生。

1936年，圖靈為了解決“數學可判定”問題，發明了圖靈機——模擬人用紙筆計算的機器。根據圖靈提出的圖靈機模型，它主要由一條無限長的紙帶、一個讀寫頭和一些內部狀態組成。紙帶被分成一個個小方格，每個方格可以包含一種符號（如0或1）。讀寫頭可以在紙帶上移動，讀取和寫入符號，并根據當前狀態和讀取的符號來改變自己的內部狀態和移動方向。圖靈機可以模擬任何算法的過程，是一個理論上的計算模型，為現代計算機的發展奠定了基礎。

馮·諾依曼首先提出了“存儲程序”的概念和二進制原理，并為圖靈機的實現提供了一個通用的體系結構——將計算機分為輸入設備、存儲器、運算器、輸出設備5個部分。有了馮·諾依曼結構，圖靈機就從一個抽象的數學模型變成了工程師可以實現的一種結構，解決了現代計算機如何實現的問題。

1946年2月14日，人類歷史上真正意義的第一臺電子計算機——ENIAC在美國賓夕法尼亞大學誕生了。它使用電子真空管來執行數字和邏輯運算，使用穿孔卡片來輸入數據和指令。ENIAC的出現標志著現代計算機的誕生，對人類社會的科技、經濟和社會發展產生了深遠的影響。

光有電子計算機還不行，人們還希望它的運算速度能夠不停地變快。

肖克利被譽為“晶體管之父”，他與另兩位科學家一起發明了晶體管。晶體管是能夠實現計算機的數學基礎布爾代數的開關器件，就是我們建造現代計算機之塔的“磚塊”。它的發明為現代計算機的發展提供了更小、更快、更可靠的電子元件，取代了之前使用的真空管，使得計算機的體積和功耗大大降低，性能和可靠性大大提高。

在肖克利之后，杰克·基爾比又發明了集成電路。1958年，基爾比成功地創造出世界上第一個采用單一材料制成的集成電路，標志著微電子時代的開始，對全球電子工業的發展產生了深遠的影響。現在我們最大的一顆芯片上，可以集成超過1000億個晶體管，這就是微電子集成電路的功勞，讓我們計算機能夠運行越來越快。2000年，基爾比因集成電路的發明被授予諾貝爾物理學獎。

有了計算機，接下來就是應用的繁榮。全世界使用計算機的人們是依靠什么互聯互通的？互聯網，互聯網讓全世界任何一個人可以通過網絡跟世界通信。互聯網的發明，離不開TCP/IP協議。TCP/IP協議是由羅伯特·卡恩和文森特·瑟夫共同發明的。其中，TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）和IP（Internet Protocol，網際協議）是該協議族中最核心的兩個協議。他們的這項發明對互聯網的發展產生了深遠的影響，并最終成為了大部分因特網共同遵守的一種網絡規則。

雖然可以基礎通訊，但英國計算機科學家蒂姆·伯納斯-李在洲核子研究中心工作時，意識到科學家們之間共享信息的方式非常不便，因此他開始著手設計一種新的信息管理系統，這就是萬維網的前身。

伯納斯-李設計的萬維網系統包括三個核心組成部分：超文本標記語言（HTML）、超文本傳輸協議（HTTP）和統一資源定位符（URL）。HTML用于創建和格式化網頁內容，HTTP用于在Web服務器和瀏覽器之間傳輸數據，而URL則為互聯網上的每個資源提供了一個唯一的地址。

1990年，伯納斯-李成功開發出了第一個Web瀏覽器和Web服務器，使得用戶能夠在萬維網上查看和發布信息。這一發明為互聯網的普及和發展奠定了堅實的基礎。從此，人類進入了數字文明的新時代。

中國計算科學家的歷史貢獻

在計算機領域，有三位中國科學家貢獻很大。

第一位是我們中國計算機學科的創始人、被譽為“中國計算機之母”的夏培肅先生。她是我國第一臺自行設計的通用電子計算機的發明人，還培養了一大批人從事計算事業。BBC專門撰寫了一篇文章，紀念夏培肅先生。

第二位是中國工程院院士金怡濂先生。作為我國巨型計算機事業的開拓者之一，他在半個世紀的時間里，先后提出多種類型、各個時期居國內領先或國際先進水平的大型、巨型計算機系統的設計思想和技術方案，并組織科技人員共同刻苦攻關、予以實現。他是“神威”超級計算機系統的總設計師，使我國高性能計算機峰值運算速度從每秒10億次跨越到每秒3000億次以上。

第三位是我國兩院院士、科技最高獎獲得者王選先生。他是計算機漢字激光照排技術的創始人，被稱為“漢字激光照排系統之父”。他主持研制成功的漢字信息處理與激光照排系統、方正彩色出版系統得到大規模應用，實現了我國出版印刷行業“告別鉛與火，邁入光和電”的技術革命。

再提一下中國工程院院士李國杰先生。

曾經，有一座罩住我們的“玻璃房子”。20世紀80年代，我們國家在計算機超算方面還很落后我們好不容易從美國買來一部超級計算機，美國人還把機器用玻璃房子罩在里面，并實施 24 小時全方位監控，而且連進出門的鑰匙和啟動密碼也由美方掌控，中國人不允許進入玻璃房子。

這對中國的科學家而言是一個恥辱。李國杰院士回國后帶領研發團隊，研制了“曙光”機群系統，并逐步實現了高性能計算機的產業化。現在，我們無論是大學、研究所還是企業，都有最快的高性能計算機使用，就在于我們走通了高性能計算機產業化創新道路。

今天，我們有了自己的“玻璃房子”——在四川成都天府新區鹿溪智谷核心區有一個網紅打卡地，那就是如科幻大片般的曙光“硅立方”的景觀玻璃房。這里邊裝的高性能計算機，就是電影《流浪地球2》中依靠液冷散熱的550W的原型。

未來計算技術的兩個方向

計算技術的未來，有兩個方向是人們比較關注的。

一是，到2035年，我們能不能造出Z級計算機？

Z級計算機種的Z，代表計算機運算速度達到每秒10的21次方次浮點運算。我們現在能達到E級計算，即10的18次方次。

高性能計算機提速的背后，有幾個要解決的重大問題，比如“能耗墻”。怎么樣降下來能耗，是世界級難題。現在，我們主要通過器件結構或工藝來提升能效，包括高密度的集成封裝，當然，如果高溫超導技術能夠實現，超導技術的應用也會降低能耗。另外，還有“光子計算”，也有望降低能耗。

第二個方向，量子計算機。許多人看過電影《流浪地球2》后，都在問，類似于550W或者“MOSS”能不能被制造出來？量子計算機主要是并行計算，所以它的速度、性能充滿想象空間。

我認為要實現量子計算機，至少也需要6個步驟，但是現在我們的科學家們只知道前三個步驟該怎么做，后面三個步驟還沒有頭緒。第一步，人們已經做出來了“量子算盤”——用量子計算的原理對某一特定問題進行加速，比如谷歌公司做出來的量子計算機、中國科學技術大學研究團隊做出來的“九章”，已經可以在量子采樣算法上顯示了“量子優越性”。至于第二步，“量子運算器”，就是要對一類科學問題能夠進行求解。現在在這一步還存在技術挑戰，比如量子存儲要克服量子體系量子態可存儲時間極短的問題，量子隨機訪存尚無實驗實現的情況等等。

量子計算的第三步，領域專用的量子計算機，需要實用的量子算法、量子編程框架、量子編譯優化、量子指令集、量子微體系結構、量子糾錯碼、底層物理芯片……我們希望在2050年前能完成這一步，構成一個完整的量子計算機的技術體系。當然，即便到了這一步，距離電影中的550C都還非常遙遠，這需要更多的年輕人投身到這個領域來共同努力。今天，人類已經進入到了人—機—物三元融合的世界，未來的信息世界，也要靠大家一起來創造。