作者:赵广立 来源:中国科学报 发布时间:2023/10/30 11:57:30
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中国工程院院士孙凝晖:
从算盘到量子计算:计算机是怎么越来越快的?

 

电影《流浪地球2》中,贯穿其中的一个重要的“角色”是550系列量子智能计算机。丫丫的数字生命、无人机暴乱、MOSS系统的“阴谋”等都与它有关。从起初的550A到电影最后的MOSS(550W),它变得越来越强大,甚至人类都要依靠他们实现“数字永生”。

计算机的计算速度是怎样一步步变快、变强大的?这就要从人类最原始的计算机——算盘说起了。

孙凝晖(资料图) 图片由其学生提供  ?

 

计算机的前生:机械计算工具的演进

算盘是计算机的起点,它其实是一台“机械式半自动化运算器”。打算盘的“口诀”其实就是它的编程语言,算盘珠就是它的存储器。

第二阶段是可以做四则运算的加法器、乘法器。1642年,法国数学家帕斯卡为了帮税务官父亲计税,发明了一个机械式的加法器;1673年德国数学家莱布尼茨则发明了可做乘除法的乘法器。

计算机进阶到第三步,是可编程织布机。织布机跟计算有什么关系?织布工人在纸上画出图形,机器能读懂、绣到布上,这个过程就叫做编程。在这一进程中,1801年,杰卡德发明了首个可编程织布机——通过穿孔卡对织布机进行编程。今天织布的印花还是这个原理。

第四阶段是差分机。西方进入大航海时代,人们航行中在编制航海、天文用表时,需要大量的人工劳动,直到1837年,巴贝奇设计了差分机与分析机。虽然在工程上没有彻底实现,但已经可以完成非常复杂的计算,比如通过多项式逼近对数、指数和三角函数。

到了第五个阶段,人类历史上第一次有了计算程序。1843年,世界上第一位程序员爱达——一位女性——设计了一个算法,用来计算伯努利数列的值。这是历史上第一个利用计算机进行运算的算法程序。

第六阶段,机械计算工具到了顶峰。二战期间,阿兰·图灵为了破译密码设计出“图灵甜点”解码机。这个解码机的特点是,有非常好的计算能力和适应性,因为德国设计的恩格玛密码机的密码一直在变。

现代计算机的诞生与应用

经过这六个阶段,至此机械式计算工具达到了工程技术积累的巅峰。但是,现在还没有出现“电子计算机”。即便是“图灵甜点”解码机,也只是一类专用的计算机,每一个功能都要专门制造。

直到出现了三位伟大学者——阿兰·图灵、冯·诺依曼、威廉姆·肖克利,他们的发明奠定了现代通用计算机工程科学的三大基石,才最终诞生了通用电子计算机。

除了发明了“图灵甜点”,图灵后来提出了“图灵机”的设想,提出了能够自动执行程序的通用计算装置的科学原理,为现代计算机的发展奠定了基础。

图灵是个奇人。他曾在普林斯顿大学读博士,二战时期破译恩格玛密码,后来他还跟爱因斯坦是同事。他还是一位世界级的长跑运动员,参加过马拉松比赛。有一部电影名为《模仿游戏》,讲述了他的传奇人生。

1936年,图灵为了解决“数学可判定”问题,发明了图灵机——模拟人用纸笔计算的机器。根据图灵提出的图灵机模型,它主要由一条无限长的纸带、一个读写头和一些内部状态组成。纸带被分成一个个小方格,每个方格可以包含一种符号(如0或1)。读写头可以在纸带上移动,读取和写入符号,并根据当前状态和读取的符号来改变自己的内部状态和移动方向。图灵机可以模拟任何算法的过程,是一个理论上的计算模型,为现代计算机的发展奠定了基础。

冯·诺依曼首先提出了“存储程序”的概念和二进制原理,并为图灵机的实现提供了一个通用的体系结构——将计算机分为输入设备、存储器、运算器、输出设备5个部分。有了冯·诺依曼结构,图灵机就从一个抽象的数学模型变成了工程师可以实现的一种结构,解决了现代计算机如何实现的问题。

1946年2月14日,人类历史上真正意义的第一台电子计算机——ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生了。它使用电子真空管来执行数字和逻辑运算,使用穿孔卡片来输入数据和指令。ENIAC的出现标志着现代计算机的诞生,对人类社会的科技、经济和社会发展产生了深远的影响。

光有电子计算机还不行,人们还希望它的运算速度能够不停地变快。

肖克利被誉为“晶体管之父”,他与另两位科学家一起发明了晶体管。晶体管是能够实现计算机的数学基础布尔代数的开关器件,就是我们建造现代计算机之塔的“砖块”。它的发明为现代计算机的发展提供了更小、更快、更可靠的电子元件,取代了之前使用的真空管,使得计算机的体积和功耗大大降低,性能和可靠性大大提高。

在肖克利之后,杰克·基尔比又发明了集成电路。1958年,基尔比成功地创造出世界上第一个采用单一材料制成的集成电路,标志着微电子时代的开始,对全球电子工业的发展产生了深远的影响。现在我们最大的一颗芯片上,可以集成超过1000亿个晶体管,这就是微电子集成电路的功劳,让我们计算机能够运行越来越快。2000年,基尔比因集成电路的发明被授予诺贝尔物理学奖。

有了计算机,接下来就是应用的繁荣。全世界使用计算机的人们是依靠什么互联互通的?互联网,互联网让全世界任何一个人可以通过网络跟世界通信。互联网的发明,离不开TCP/IP协议。TCP/IP协议是由罗伯特·卡恩和文森特·瑟夫共同发明的。其中,TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)和IP(Internet Protocol,网际协议)是该协议族中最核心的两个协议。他们的这项发明对互联网的发展产生了深远的影响,并最终成为了大部分因特网共同遵守的一种网络规则。

虽然可以基础通讯,但英国计算机科学家蒂姆·伯纳斯-李在洲核子研究中心工作时,意识到科学家们之间共享信息的方式非常不便,因此他开始着手设计一种新的信息管理系统,这就是万维网的前身。

伯纳斯-李设计的万维网系统包括三个核心组成部分:超文本标记语言(HTML)、超文本传输协议(HTTP)和统一资源定位符(URL)。HTML用于创建和格式化网页内容,HTTP用于在Web服务器和浏览器之间传输数据,而URL则为互联网上的每个资源提供了一个唯一的地址。

1990年,伯纳斯-李成功开发出了第一个Web浏览器和Web服务器,使得用户能够在万维网上查看和发布信息。这一发明为互联网的普及和发展奠定了坚实的基础。从此,人类进入了数字文明的新时代。

中国计算科学家的历史贡献

在计算机领域,有三位中国科学家贡献很大。

第一位是我们中国计算机学科的创始人、被誉为“中国计算机之母”的夏培肃先生。她是我国第一台自行设计的通用电子计算机的发明人,还培养了一大批人从事计算事业。BBC专门撰写了一篇文章,纪念夏培肃先生。

第二位是中国工程院院士金怡濂先生。作为我国巨型计算机事业的开拓者之一,他在半个世纪的时间里,先后提出多种类型、各个时期居国内领先或国际先进水平的大型、巨型计算机系统的设计思想和技术方案,并组织科技人员共同刻苦攻关、予以实现。他是“神威”超级计算机系统的总设计师,使我国高性能计算机峰值运算速度从每秒10亿次跨越到每秒3000亿次以上。

第三位是我国两院院士、科技最高奖获得者王选先生。他是计算机汉字激光照排技术的创始人,被称为“汉字激光照排系统之父”。他主持研制成功的汉字信息处理与激光照排系统、方正彩色出版系统得到大规模应用,实现了我国出版印刷行业“告别铅与火,迈入光和电”的技术革命。

再提一下中国工程院院士李国杰先生。

曾经,有一座罩住我们的“玻璃房子”。20世纪80年代,我们国家在计算机超算方面还很落后我们好不容易从美国买来一部超级计算机,美国人还把机器用玻璃房子罩在里面,并实施 24 小时全方位监控,而且连进出门的钥匙和启动密码也由美方掌控,中国人不允许进入玻璃房子。

这对中国的科学家而言是一个耻辱。李国杰院士回国后带领研发团队,研制了“曙光”机群系统,并逐步实现了高性能计算机的产业化。现在,我们无论是大学、研究所还是企业,都有最快的高性能计算机使用,就在于我们走通了高性能计算机产业化创新道路。

今天,我们有了自己的“玻璃房子”——在四川成都天府新区鹿溪智谷核心区有一个网红打卡地,那就是如科幻大片般的曙光“硅立方”的景观玻璃房。这里边装的高性能计算机,就是电影《流浪地球2》中依靠液冷散热的550W的原型。

未来计算技术的两个方向

计算技术的未来,有两个方向是人们比较关注的。

一是,到2035年,我们能不能造出Z级计算机?

Z级计算机种的Z,代表计算机运算速度达到每秒10的21次方次浮点运算。我们现在能达到E级计算,即10的18次方次。

高性能计算机提速的背后,有几个要解决的重大问题,比如“能耗墙”。怎么样降下来能耗,是世界级难题。现在,我们主要通过器件结构或工艺来提升能效,包括高密度的集成封装,当然,如果高温超导技术能够实现,超导技术的应用也会降低能耗。另外,还有“光子计算”,也有望降低能耗。

第二个方向,量子计算机。许多人看过电影《流浪地球2》后,都在问,类似于550W或者“MOSS”能不能被制造出来?量子计算机主要是并行计算,所以它的速度、性能充满想象空间。

我认为要实现量子计算机,至少也需要6个步骤,但是现在我们的科学家们只知道前三个步骤该怎么做,后面三个步骤还没有头绪。第一步,人们已经做出来了“量子算盘”——用量子计算的原理对某一特定问题进行加速,比如谷歌公司做出来的量子计算机、中国科学技术大学研究团队做出来的“九章”,已经可以在量子采样算法上显示了“量子优越性”。至于第二步,“量子运算器”,就是要对一类科学问题能够进行求解。现在在这一步还存在技术挑战,比如量子存储要克服量子体系量子态可存储时间极短的问题,量子随机访存尚无实验实现的情况等等。

量子计算的第三步,领域专用的量子计算机,需要实用的量子算法、量子编程框架、量子编译优化、量子指令集、量子微体系结构、量子纠错码、底层物理芯片……我们希望在2050年前能完成这一步,构成一个完整的量子计算机的技术体系。当然,即便到了这一步,距离电影中的550C都还非常遥远,这需要更多的年轻人投身到这个领域来共同努力。今天,人类已经进入到了人—机—物三元融合的世界,未来的信息世界,也要靠大家一起来创造。

(本文系中国工程院院士孙凝晖在“千名院士 千场科普”首场报告会上的报告,《中国科学报》记者赵广立整理,受权发布)

 
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