未来电脑

计算机未来发展与趋势

摘要：自1946年世界上第一台电子计算机诞生以来，计算机的发展经历了

电子管、晶体管、集成电路与大规模集成电路、超大规模集成电路四个阶段。作

为通信技术的重要载体，随着第五代通信技术的逐渐普及，计算机的发展将趋向

超高速、超小型、智能化和人性化。传统计算机的劣势被一再放大，针对基本原

理寻求突破的新型计算机研究应运而生，量子计算机等基础研究将拥有广阔的前

景。需求带来发展，人工智能化的时代要求，将推动新一轮计算技术的革命，也

必将成为人类计算机史上的一次伟大突破。

关键词：新型计算机，人工智能，人机物融合。

人工智能浪潮席卷全球的同时，对计算机的智能化也提出了新的要求，具备

感知、思考、判断和学习能力的新型计算机技术亟待突破。在硅芯片技术高速发

展的大背景下，意味着硅技术的物理极限愈发逼近，为实现计算机的智能化和人

性化，新型计算机不断涌现，计算机的体系结构、物理器件和操作系统都将发生

深刻的变革和质的飞跃。曾经概念模糊的量子计算机、纳米计算机和光子计算机

也在持续的基础研究下轮廓逐渐清晰，将在这场深远的计算革命中走进并改变我

们的生活。

1.

概念革新——新型计算机

（1）量子计算机

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储以及处

理量子信息的物理装置。通俗地讲，当这个物理装置处理和计算的是量子信息，

运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机以量子比特（qubit）作

为信息存储单元，也称之为量子位，可以用原子基态和激发态来表示，由于叠加

效应，量子比特既可以是0又可以是1，因此一个量子位可以存储2个数据，一

个量子比特就需要两个数据才能确定，而多个量子比特的存储的数据量将远远大

于同样数目的比特。量子计算机的概念源于可逆计算机的研究，也同时基于通用

图灵机的基础之上，而其“量子并行计算”的性质才是量子计算机巨大威力的奥

秘所在。一个直观的例子，传统存储器可同时存储2N个数字，对1000位的大数

进行因数分解需1025年，而量子存储器可同时存储2^N个数字，对1000位大数

进行因数分解只需要几分之一秒，是革命性的飞跃。我们可以看到量子计算机广

阔的应用前景，如量子计算机进行高速的大数因式分解可以为我们提供全新的数

据密码保密方式，量子通信也将为通信技术提供新的信道给接收者，这些技术将

在军事、金融各种领域发光发热。

（2）纳米计算机

纳米计算机指将纳米技术应用至计算机领域所研制的新型计算机，首先“纳

米”是一个计量单位，并不代表技术本身。因为不需要厂房及众多实验设备的介

入，采用纳米技术生产芯片的成本非常低廉，这无疑十分迎合当今计算机前沿发

展的潮流，即速度快、体量小、成本低。纳米计算机的体系结构通过以下途径提

高系统性能：局部高度互连、统一处理结构、多层次显示并行支持、低代价动态

重构、QCA辟列、人工神经网络等。这些途径高度吻合了未来人工智能发展的基

本要求，使得人工智能中关键的神经网络技术有的放失。体量上，现在纳米技术

能把传感器、电动机和各种处理器集成在一个硅芯片上，而体积却不过与几百个

原子的大小相当；环保上，纳米计算机几乎不耗费任何能源，性能却是传统计算

机的许多倍。

（3）光子计算机

光子计算机是一种通过光信号来进行信息存储、处理、运算、操作的新型计

算机。1969年，研究光子计算机的大幕由美国麻省理工大学拉开，以光子代替电

子，光互连代替导线互连，光硬件代替传统硬件，光运算代替电运算。

与传统计算机相比，光子计算机从概念上的“无导线”信息传递通道密度极

大，光的高速与并行性决定了光子计算机的处理能力非常的强，同时具备高容错

性，即便是某一光元件损坏也并不影响最终计算结果。现在光子计算机的研究主

要问题还在于如何开发更高利用率的光学元器件，并通过这些光学元器件制作光

逻辑运算和存储阵列，他将有望实现光高速运算。在人工智能方向，光神经网络

计算机的处理研究也取得了非常好的进展。目前，光子计算机已经成功研制并且

取得一系列新的进展，例如来自美国杜克大学的计算机电子工程师团队研发出了

能够实现超快速开关的LED灯管，每秒钟能够开关900亿次的性能使得它能够取

代之前的LED技术，构成光子计算机的硬件基础。未来，具有并行传输、超高速

运算、超大规模的信息存储容量、能量消耗小以及散发热量低等优点的“光脑”

是未来最有潜力替代电脑的选手。相信在不久的将来，“光脑”会从军用走向民

用，成为人们日常生活的伴侣。

1.

交互革命——人机物融合

近年来，由于互联网、云计算、大数据、物联网等新型应用模式的迅速普及，

各种面向新型应用模式的操作系统得到了广泛的关注。到了人机物融合的泛在计

算时代，为了更好地管理人机物融合环境下的分布异构海量资源，同时为人机物

融合的新型应用和服务提供支持，操作系统及相关技术正在产生许多重要的变革。

简单的说，就是人机交互逐渐变得隐匿和不可见（invisible），通过对用户的

情景感知（contextualawareness）能力，最小化用户的注意力，让计算设备在

背景中运行。那么新一代人机交互操作系统的革命方向在哪里呢？

1.最小化用户注意力。我们现在所有的人机物交互似乎总是先“装一个屏幕

上去”，好像如果没有屏幕那这个操作系统就是失败的一样，GoldenKrishna说

过“最好的用户界面就是无界面”，好的人机物融合应该像风像水一样，无声无

形。去屏幕、最小化用户注意力的设计思维已经在逐渐发生，并且也证明了其商

业价值。超越屏幕思维，拥抱人们最基本的行为习惯说起来再简单不过，但也却

是App时代留给我们的病根，需要持续深刻的研究和思维方式的改变。

2.主动适应（Proactiveadapt）用户需求。人机物融合应该要能识别和推

测用户意图，并且做出最合理的交互决策和推荐。举个简单的例子，每天早上开

车上班，坐进驾驶室，根据日常行程的时间记录，操作系统能推断出我要去工作

的这个最高的可能性，并且自动告知我交通堵塞情况，需要几分钟到公司，也会

一键找到最优路线导航到公司。通过简单的情境感知和预测用户意图，来用最小

的用户输入，用简单的技术来帮助用户完成任务。

3.多设备并行工作。即形成人机物融合的智能生态，让多个智能硬件和软件

多端联动，而不是一个个独立工作的孤岛，相互独立运作，缺乏沟通协作，甚至

是重复干同样的事情。一个用户拥有智能手表、手机、耳机，可能还在看着笔记

本电脑，还要把微信同时登陆到多个终端上，这时候，来了一条信息。突然间，

所有的设备都弹出了提醒，这糟糕的现象绝对不是人机物的融合。多设备的并行

需要从底层OS系统的搭建，硬件生态的布局、以及每个具体软件产品的设计做

系统性的思考和战略规划。

1.

未来已来——人工智能

61岁的比尔·盖茨曾在一篇给大学生的毕业寄语中写道“当今时代是一个非

常好的时代”，如果在今天寻找一个能对世界造成巨大影响的机会，他毫不犹豫

的就会考虑——人工智能。在20世纪中期以前，人们对待计算机发展的想法仅

仅是通过计算机网络来传输信息，以达到远程处理信息的目的，或者可进一步达

到资源共享的地步，站在前人的眼光看待今天乃至未来，人工智能的发展趋势并

非无迹可寻。

首要趋势即人工智能的大规模商用，在消费市场将占据主导地位。如今的智

能手机、智能家居，未来各领域的智能机器人，在商业服务领域的全面应用，正

为人工智能的大规模商用打开新的出路。人工智能机器人占领商场等公共场所会

比占领我们的客厅要来得更早一些。

第二个趋势即人工智能的认知和学习能力将达到人类专家级别。关于人工智

能的学习能力，凯文·凯利曾形象地总结说：“使用人工智能的人越多，它就越

聪明。人工智能越聪明，使用它的人就越多。”就像人类专家顾问的水平很大程

度上取决于服务客户的经验一样，人工智能的经验就是数据以及处理数据的经历。

随着使用人工智能专家顾问的人越来越多，未来2-5年人工智能有望达到人类专

家顾问的水平。

第三个趋势即人工智能于各行业垂直领域应用具有巨大的潜力。人工智能市

场在金融、医疗、零售、交通运输和自动化、制造业及农业等各行业垂直领域具

有巨大的潜力，随着IT基础设施完善、智能手机及智能穿戴式设备的普及，自

然语言处理的技术不断精进而驱动消费者服务的成长，人工智能将通过改变消费

来改变世界。

第四个趋势即人工智能技术将严重冲击劳动密集型产业，改变全球经济生态。

未来2-5年人工智能将率先从劳动密集型产业开始。如制造业，在主要依赖劳动

力的阶段，其商业模式本质上是赚取劳动力的剩余价值。而当技术成本低于雇佣

劳动力的成本时，制造企业的商业模式也将随之发生改变。可以想象机器人不吃

不喝，一天24小时不间断工作，工作速度和工作质量远超人类。在社会管理方

面，人工智能比人更能做到公平且效率更高。它的出现使得社会的生产和管理能

够实现系统性智能管理成为可能。这样的社会才是真正意义上的公平公正的社会，

人类最终从社会生产中解脱出来，不再是生活的奴隶。

也许对于人工智能的发展人们还是会有担忧，无法判断人工智能是充满灾难

的潘多拉魔盒还是帮助人类发展的高速列车，但人工智能的探索是永无止境的，

它终将改变世界，相信未来可期。

参考文献：

[1]中国计算机学会.《2019-2020中国计算机科学技术发展报告》

[2]曾谨言.《量子力学》

[3]官自强.《纳米科技与计算机技术》

[4]王延汀.《谈谈光子计算机》

[5]玛格丽特·博登.《AI：人工智能的本质与未来》

[6]StuartJonathanRusll,PeterNorvig.《人工智能:一种现代的方法

(第3版)》