电脑快是怎么样的(孙凝晖院士：计算机是怎么越来越快的？)

文｜孙凝晖（中国工程院院士）

电影《流浪地球2》中，贯穿其中的一个重要“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。从电影起初的550A到最后的MOSS（即550W），它变得越来越强大，甚至人类都要依靠它们实现“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）

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。

计算机进阶到第三阶段，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，这个过程就叫作编程。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，那时还没有出现“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”，图灵后来又提出了“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。他曾在美国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4个部分。有了冯·诺依曼的结构，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”，他与两位同事一起发明了晶体管。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，也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，让我们的计算机能够运行得越来越快。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（TransmissionControlProtocol，传输控制协议）和IP（InternetProtocol，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。

虽然可以基础通信，但英国计算机科学家蒂姆·伯纳斯-李在欧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、国家最高科学技术奖获得者王选先生。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，美国人还用玻璃房子把机器罩在里面，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级计算机中的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。

（《中国科学报》记者赵广立据作者在“千名院士·千场科普”首场报告会上的报告整理）