电脑-走向智能

1、电脑 - 走向智能“脑”走向智能“脑” 走向智能吴敏（上海科学技术情报研究所）摘要：人通过大脑理解世界，指挥世界。制造一个会思维、 有智力的机器， 融入人的思考和创造，曾经是人类最大胆、最诱人的幻想，听起来颇象是彻头彻尾的神话。 然而，这种人工“脑”真的奇迹般出现了， 而且又不断地制造了新的奇迹。它改变了我们的生活， 而且还将为我们带来新的改变。它可以让盲人重见光明， 它可以让聋哑人口若悬河， 它可以让瘫痪者手舞足蹈， 它可以和你下棋、和你说话我们以欣喜的目光关注着它，为它骄傲，为它努力。“脑”走向智能，从原始计算工具开始，直到电脑、光脑、生物脑的最新发展，展现了五彩斑斓的人工 “脑”技术和诱

2、人的发展前景。人类经过几十万年漫长的进化，进入了如今的文明社会。我们引以为豪的大脑是大自然赋予的最佳结构和配置，或者说人脑是目前物质的最高实现形式。多年前，西方人发明了 “ computer ”，主要功能是计算。 后来，“ computer ” 的功能日益强大，于是，中国人将之与“人脑”对应，称之为“电脑” 。 近 50年的事实雄辩地证明，这台机器以磅礴之势迅猛发展，用非凡的渗透力和亲和力，彻底改变了我们这个星球的模样，融进每个人的工作、学习和生活之中，已在世界范围内形成了一种新的文化，构造了一种崭新的文明。如今，电脑与人类大脑一起构成了现代人类思维的物质承担者，为人类思维提供了新的时间尺度和

3、空间尺度。新一代电脑被赋予的表征是：智能化程度越来越高，人性化味道越来越浓。1走进电脑时代从 20 世纪中期直到下一世纪， 都将是电脑的时代。 关注电脑，不啻于关注221 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能世纪人类文明的生命线。历史是未来的一面镜子，关注电脑的人都希望了解电脑发生和发展的历程。1.1从计算谈起电脑的史前史应该从计算工具发端，可以追溯到我们祖先用石头或手指帮助计数的远古时代。英语里的“ Calculus ”（计算）一词来源于拉丁语，既有“算法”的含义，也有肾脏或胆囊里的“结石”的意思。古人用石头计算捕获的猎物，石头就是他们的计算工具。美国著名科普大师阿西莫夫说过，人类最早的“计算机

4、” 是手指，英语单词“ Digit ”既表示“手指”又表示“整数数字”。而中国数学史专家考证，大约在新石器时代早期，即远古传说里伏羲、黄帝之前，先民使用的“计算机”是结绳，即用绳子打结的多少来表示数的概念。最早的计算工具人类最早有实物作证的计算工具诞生在中国。 古语曰：“运筹策于帷幄之中，决胜败于千里之外。 ”筹策又叫算筹，它是中国古代普遍采用的一种计算工具。算筹不仅可以替代手指来帮助计数，而且能做加减乘除等数学运算。中国古代数学家正是以“算筹计算机”为工具，运筹帷幄，殚精竭虑，写下了数学史上光辉的一页。中国古代使用的算筹多用竹子制成，也用木头、兽骨充当材料。据古书记载，算筹一般长为 1314

5、cm，直径 0.2 0.3cm，约二百七十枚为一束，放在布袋里随身携带。古人创造了纵式和横式两种不同的摆法，两种摆法都可以用 19 九种数字来计算任意大的自然数，与现代通行的十进制计数法完全一致，显示了中国古代人民高超的数学才能。可见，算筹属于硬件，而摆法就是“算筹计算机”的软件。中国古代在计算工具领域的另一项发明是珠算盘，至今已有1,000 多年的历史了。直到今天，它仍然是许多人钟爱的“计算机”。珠算盘最早记录于汉朝人徐岳撰写的数术记遗一书里，大约在宋元时期开始流行，而算盘最终彻底淘汰了筹算是在明代完成的。由于珠算具有“随手拨珠便成答数”的优点，一时间风靡海内，并且逐渐传入日本、朝鲜、越南、

6、泰321 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能国、印度、美国等地，以后，又经一些商人和旅行家带到欧洲，逐渐向西方传播，受到广泛欢迎。到 17 世纪初，计算工具在西方也呈现了较快的发展。 闻名于世的英国数学家纳皮尔（ J.Napier ），在他所著的一本书里，介绍了一种新工具，即后来被称为“纳皮尔算筹”的器具。据说，纳皮尔的这种器具发明于1612 年，它由一些长条状的木棍组成，木棍的表面雕刻着类似于乘法表的数字。纳皮尔用它来帮助进行乘法计算，他根据乘数和被乘数排列好木棍的顺序，仅需要做简单的加法就能计算出乘积，从而大大简化了数值计算过程。最早的机械计算工具1642 年，法国科学家BlaisePasc

7、al开发出第一台加法机，即数字计算机的前身，最多可把八位长的数字加起来。1673 年，德国数学家和哲学家Gottfied通过创建一种可以相乘的机器而使其前辈的加法机得到改进。1822 年巴培格 (CharlesBabbage) 开始设计及制造差分机 (DifferenceEngine) 。这部差分机是用蒸气激活的而且体积十分庞大，它有一贮存程序，可以进行计算并把结果自动地印出来。1.2计算机的萌芽在二次世界大战期间，即 20 世纪 30 年代，由于军事需求，德国人 KonradZuse 开发出了他的 Z4计算机， 德国飞机业在二次世界大战期间一直使用。Z4 用来开发机载的飞弹，并由无线电制导。

8、然而，他的设计除德国本土外，未向国际上透露，直到大战结束后很久才被人知，因此对计算机发展影响很小。1943 年早期，一台英国计算机 Colossus( 巨人 ) 投入运行，用于译解德国密码。 1970 年之前对它的存在一直保密。 AlanTuring 在 1937 年构想出一种通用机的框架，可用来执行任何可描述的算法，他也是译码组的骨干成员。421 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能1.3第一台计算机的诞生1946 年 2 月 15 日, 世界上第一台通用电子数字计算机Eniac 诞生了，由宾夕 法 尼 亚 大 学 的JohnMauchly和PresperEc kert研制成功，是世界第一台多功

9、能、全电子数字计算机。它当时由 18,000 个电子管组成，是一台又大又笨重的机器，体重达30 多吨 , 占地有两三间教室般大。它当时的运算速度为每秒 5000 次加法运算，这在当时是相当了不起的成就。 ENIAC是电脑发展史上举足轻重的里程碑， 它甚至标志着人类另一种文明的开始。用我们今天的眼光看， ENIAC像一只难看的“丑小鸭” ，虽然外观不佳，但并不妨碍它终于有一天会变成白天鹅。1.4计算机的实用化阶段1951 年，由 Eckert 和 Mauchly 为美国人口普查创建了UNIVAC（通用自动计算机）。1952 年, 从事 UNIVAC机工作的计算机语言前驱GraceHopper 勾

10、画出了第一个“编译程序”的蓝图，即使所有程序在执行之前都翻译成机器语言。1953 年 ,IBM 发明“国防计算器” ，这标志着这家公司首次真正开始从事计算机业务。在后来的 10 年中，其 700 系列机垄断了世界大型机市场。1957 年 ,IBM 开发出 FORTRAN（公式翻译）计算机语言，从此简化了涉及复杂的数学公式的工作。第二代计算机第二代计算机形成于 19591964，使用晶体管制作开关逻辑部件，以批处理方式操作。运算速度达到每秒几十到几百万次， 开始使用汇编语言和 Fortran 等高级语言，此间还发明了计算机鼠标。1964 年， IBM 推出了System/360 ，这是第二代计算

11、机的经典之作。第三代计算机第三代计算机形成于19651971，使用集成电路（Integrated Circuit）521 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能制作开关逻辑部件，配有功能简单的操作系统，运算速度达到每秒几百万到几千万次。第四代计算机第四代计算机形成于 19721986 年，器件为大规模的集成电路， 每秒运行速度可达 1 亿次以至 10 亿次以上。1976 年，美国的 ILLIAC-IV计算机，是第一台全面使用大规模集成电路作为逻辑元件和存储器的计算机，是第四代计算机的标志。第五代计算机第五代计算机从 1986 年开始研制，最初由日本人提出， 1988 年，世界上召开了第五代电脑国际会

12、议。其特点是采用超大规模的集成电路计算机，运算速度为每秒亿兆次。目前我们仍处于第五代计算机的开发阶段。就“智力”水平而言，第五代计算机相当于一个幼儿。电脑技术现状2.1个人电脑1977 年，第一台走向大众市场的个人电脑诞生了，也意味着面向消费市场的个人电脑行业正式开张。现在，个人电脑已成为消费者重要的教育、娱乐和家庭沟通工具。个人电脑有多快2000 年， AMD（Advanced Micro Devices超微处理器公司）以其运行速度为 1.2GHz 的 Athlon 芯片从英特尔手中抢得了芯片速度之王的桂冠（英特尔 P3 芯片的运行速度为 1GHz）。AMD于 2000 年 10 月 17

13、日发售基于 1.2GHz Athlon处理器的系列电脑。HP 及世界各地的其它商也纷纷计划推出基于800MHz AMDDuron 处理器的个人电脑。 据超微处理器公司的人员透露，这种曾经速度是最快的芯片帮助公司在全球个人电脑微处理器市场的占有率超过了17%。2001 年，英特尔（ Intel）公司又推出众人期待已久的更快速的涡轮增压式 Pentium 4( 奔腾第四代芯片 P4），两种版本的 P4 芯片分别以 1.4GHz和 1.5GHz的速度运行。这种新型的微处理器会给你带来一种更快、视觉上更丰富的经验。性能卓越的 P4 芯片对于个人电脑市场占有率前五位的厂家具有巨大的诱惑力，621 世纪前

14、沿科技与产业“脑”走向智能它们争先使用 P4芯片推出自己最新机型以满足许多疯狂游戏玩家的需求， 这些玩家们总希望把电脑的运行速度推到极限。一些生产个人电脑机的厂家，包括戴尔公司、康柏公司、惠普公司以及国际商用机器公司均使用两种版本的 P4 芯片，并推出它们的新产品。个人电脑有多小为了让电脑与人的生活和工作能够更融洽、更贴近，人们从开发膝上型电脑开始，继而开发了笔记本电脑、亚笔记本电脑，乃至掌上型电脑，打破了台式电脑已形成的固定使用方式，使得携带、使用越来越方便。这类便携电脑一直在为减少自身的体积和重量而努力，向着更轻、更薄的方向发展。目前便携性极佳的个人电脑有以下几种：标准笔记本电脑：主要特点

15、是指显示屏在11.3 英寸到 15 英寸之间，重量都在3 公斤左右。轻型笔记本电脑：指重量在 1 至 2 公斤以内，显示屏在 10.2 至 12.1 英寸之间的超簿型笔记本电脑。微型笔记本电脑：微型笔记本电脑目前在国内市场的比例不大，但是在欧美、日本及港台己开始流行，由于其重量较轻、体积较小、功能较全，特别适应外出旅行，对用户有很大的吸引力。这类机型大小相当于 A5至 B5 纸的尺寸，重量在 1 公斤左右， 7.8 至 10.4 英寸显示屏。图中这款尚在试产阶段、名为TUBE的新颖机器代表着未来的便携机。它的声音识别装置使键盘成为选配部件，可以收卷的灵巧型液晶屏则彻底改变了传统显示屏方方正正的

16、呆板外观。让我们回头看看历史， 1946 年，第一台计算机 ENIAC的运算速度是 5000Hz，而 55 年后的今天，处理器的运算速度已达到 1.7GHz，提高了 300,000 多倍；ENIAC的体重达 30 多吨，占地有两三间教室般大，而我们如今的便携式个人电脑，重量只有 1 2 公斤。我们可以自豪地说，是伟大的人类将丑小鸭ENIAC变成了如今光彩照人的白天鹅。721 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能2.2超级计算机超级计算机主要用于科学工程计算，以追求计算速度为主。目前，世界超级计算机基本上为欧美发达国家所控制。在当今世界已投入商业运行的前 500 台超级计算机中，美国和加拿大占据了

17、60%，欧洲占 26.8%，日本占了 11.2%，其他国家仅占 2%。2001 年 11 月 10 日，在美国丹佛市举行的 “超级计算 2001”年会上发布了第 18 届 TOP500排行榜。排行前10 位的系统见下表。排制机器实测国时CP位造性能家 间 U商1IBM ASCI White7226美 2081国 00922CompaqAlpha4059美 2030ServerSC国 0124ES45/1GHz3IBM SPPower3375MH3052美 2033z16Way国 01284IntASCI Red2379美 1996el国 99325IBM ASCI2144美 1958Blue-

18、Pacific国 99086CompaqAlpha2096美 2015ServerSC国 0136ES45/1GHz7日SR8000/MPP1709日 2011立本 01528SGI ASCIBlue 1608美 19618世纪前沿科技与产业“脑”走向智能Mountain国 98449IBMSPPower31417美 2013375MHz国 003610IBMSPPower3375MH 1293德2012z 16Way国01802.3初级智能电脑人类曾产生过许许多多的幻想，在它们的激励下，人们进行不懈地探索，付出了艰辛的努力，最后许多幻想变成了现实，预示一个个奇迹般的新事物便在人们的辛勤劳动中

19、诞生了。制造一个会思维、有理智的机器，代替人们去思考、去创造，可以说是这些幻想中最大胆、也最为诱人的一个，它听起来颇像一个彻头彻尾的神话。相传远在 2900 多年前的西周， 穆王在一次出游时， 得到过一个木人，它甚至会用眼睛挑逗穆王身边的侍女。而在距今 2000 余年的古希腊时期，据说也有过一个用青铜制造的“人造人”在克利特岛上大显神通。这些传说并不足信，但反应出在数千年前，人类就产生了制造有理智的机器的大胆幻想。电脑技术正深刻地改变着我们感觉世界的能力和相互交流的方式。科学家开发出的一些也能像人一样具有触觉、嗅觉、味觉、听觉和视觉功能的神奇电脑，将使人类面对一个更加生动丰富、多姿多彩的世界。

20、触觉电脑美国麻省理工学院媒体实验室科学家石井弘熙发明了一种奇特的“触感”计算机系统，它由两对连接有柱状木滚的计算机组成。当使用计算机的一方转动一套滚子时，计算机以完全相同的方式相应地转动并传给另一台计算机及其木滚。用这种方式，“触感”计算机系统能使交流双方“感受”对方。而另外两位科学家在 1993 年发明的触觉交流器更神奇。 这是一种端部可连结在人的臂部的高技术套管，它能让使用者“感觉”到计算机里的信息情况。当你把手指插入这种触觉交流器时，你指尖的运动便会在计算机显示屏上重现。同时，由于这种计算机所形成的虚拟空间还包含了许多简单的几何图形，因此当你在虚拟空间里接触某个尖顶图形时，它会使你的手指

21、有尖锐的感觉，921 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能这样就有助于你更真切地感受所接收的信息。通过调整触觉交流器的压力和增加其不规则运动，人们甚至可以感觉计算机所形成的粗糙、光滑等质感。嗅觉电脑人的嗅觉主要靠鼻子，要让电脑有嗅觉，也要给它装上电子鼻。过去几年间，市场上已经出现了各种各样的原始电子鼻。它们大都由连接在高能计算机上的一系列电子化气味传感器组成，主要用于检查易燃、易爆品，分析血液中的酒精成分和在食品饮料行业充当质量控制器。苏格兰科学家道狄在电脑嗅觉研究方面做了许多开创性的工作，他的研究对于用电脑芯片重复人的嗅觉过程以及“训练”电脑芯片区别特定气味等方面具有重要意义。道狄预言，也许在5

22、 年之内便可实现使用电脑气味诊断器看病。到那时，每位医生都将有一个电子鼻，人们可定期将信用卡大小的卡片插入电脑气味诊断器，以检查自己是否得了胃溃疡、糖尿病等。人们甚至可将气味识别芯片置入电话的送话器内，只要定期通过种电脑拨通具有气味诊断能力的电脑并与之通话，电脑便可根据接收到的气味进行分析、诊断，同时给出相应的药方。味觉电脑同嗅觉一样，味觉也是难以琢磨的。人的味觉主要靠舌头，要让电脑有味觉，也需要舌头一样的“感知器” 。科学研究表明，人的舌头就像遍布冲击坑的月球表面一样布满味蕾，数量大约有8000 10000 个，每个味蕾包括50 70 个化学味觉细胞。有趣的是，这些味觉细胞寿命很短，只有15

23、 天。为了弄清舌头的“味觉”机理，美国密执安大学科学家罗伯特设计出了世界上第一个装在舌头上的探测器。它称为“电子筛”，研究人员在舌头味觉细胞与大脑相连的神经之间嵌入电子筛上的微孔与味蕾联系在一起了。由此，便形成了电脑化的味觉系统，可用在小儿麻痹者身上以改善其运动的神经系统，也可研制由人体神经电流直接控制的人工手。会说话的电脑如果你拨电话给 Mercury 旅行社，询问波士顿到旧金山的班机时间，问接线生一连串问题，如班机什么时间起飞、下午有没有飞机回波士顿、班机号码几号、什么时间抵达等等。一个流利的声音针对每一个问题作出迅速、清楚的答复，令人惊讶的是，接听电话的其实是麻省理工学院的维克多设计的一

24、台能1021 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能够辨别人类语音的电脑。赋予电脑绘声绘色的“能听会说”功能，将代表未来十年计算机发展之主流。对问题作适当反应要让电脑具有听觉能力，首先要使电脑能听懂人们说的话，也就是语言识别能力。现在科学家已经开发出了语音识别技术。这类电脑由四个程序软件组成。首先，由声音认知程序将它所听到的声音翻译成基于语言概率计算的“词汇综合” ；得到“词汇综合”后，第二个软件包启动完成判断含义的工作；然后，电脑扫描互联网上的美国国家气象服务中心的气象报告，直至找到所需要的信息；最后，它用语言合成器，断断续续地回答你的问题。大量电器将因为电脑的“能听会说”功能而被淘汰，包括键盘。

25、50 年后，也许人们回顾使用键盘的时代，会觉得不可思议。动作控制的电脑日本研制成功一种依靠扭脖子和吹气进行操纵的电脑。这种电脑附有红外线头套， 通过头部的扭动，电脑荧光屏上的感应器便会移动到所需要的地方进行工作。而吹气一次，则等于鼠标点选一次，吹气两次，等于鼠标点选两次；吹气时间延长，则可以拖曳；而再加上一次呼气，就可以取消指令。这种电脑还能根据红外线距离头套中心位置的偏差进行计算和修正。只要头部能活动的人都可使用这种电脑从事文秘工作或通过电子邮件与外界进行信息沟通。美国空军正在研制一种可以让飞行员和技术人员通过面部表情操作的计算机。这种计算机只需美国空军的地面人员动动眼珠子，就可以把所需要的

26、图表和程序从一台小型便携式电脑上调出来，然后把所需的数据显示在特制的眼镜或者布罩上。使用这种新型计算机，当操作者向右边看的时候， “电脑联结开发跟踪器”就会自动把光标移到右边；如果操作者向上看，那么光标就会往上移；操作者扬一下眉毛就等于单击鼠标一下，扬两下就等于连击两下鼠标。这种高度先进的计算机主要用于遥控军用飞机，预计在 10 年后可以投入使用。手势电脑加拿大的研究人员开发了一种能够识别国际手势语的系统。这种系统可以使失聪者更容易、更自然地利用计算机同别人交流，可以通过手势把组成单词的每个字母拼出来。1121 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能这种系统识别国际手势语的成功率高达 96%。由于每

27、个人的手势略有不同，如果使用这种神经网络系统的人经过培训，可以使这种系统发挥的作用达到最佳效果。这种系统通过快速工作站识别一个手势需要半秒钟，研究人员尚未能使它达到最佳识别速度。研究人员相信，他们通过使这种系统具备可以检验容易出错的手势，能够进一步提高识别的准确性。这种系统用摄像机捕捉每个手势，再由软件进行一系列处理。第一阶段是“边缘测定”，即绘制出手的轮廓。然后由系统确定手的长轴和短轴，以便确定手势的确切方向。在这个基础上，程度对手指相对于手的长轴的变化和方向加以测量。得出的信息被输入神经网络程序，程序通过与现有训练数据加以比较，对字母最有可能表达的含义作出猜测。一旦计算机识别出手势所要表达

28、的意思，就把相关的字母显示在屏幕上。情感电脑2000 年， IBM 展示了一台新型电脑。这个电脑可以注意到跟前的参观者，当人们呼叫它的名字时，机器人会笑，当人离开的时候，它会感到孤独。这台电脑使用了 IBM 正在研究中的蓝眼技术。蓝眼技术的主要目标是给电脑以人类的触觉、听觉和视觉感受，并进一步达到能够分析人类目光和表情，察觉人类情感的程度。如果这一技术研究成功，将会出现一种新电脑操作方式。电脑可以根据人们的表情而不是键盘上敲出的字符或鼠标点击的图形来决定操作是否正确，下一步该干什么。在一项正在进行的试验中，计算机通过鼠标形状的传感器感觉操作者的脉搏、体温、以及姿势等信息然后决定进行哪一步操作。

29、应用这个技术的电脑还可以按照操作者的视线移动光标。计算机把信息显示到屏幕上，人们的表情会告诉电脑，屏幕上显示的信息是否正确。电脑将自动进行下一步操作。目前， IBM 的这类研究还在开始阶段，距离商业应用还有一段距离。聋哑人电脑美国斯坦福大学的两位专家研究成了一种手套，聋哑人戴上它做手势语，这种手套就能够把手势语变成说话声。这种手套由三部分组成：第一部分是手套本身，在每个指头的顶部装着一个微型传感器；第二部分是微型扩音器，它一般别在上衣口袋上；第三部分是微型电脑。聋哑人现在使用的手语一般都以1221 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能手指来拼写字母，特别手套上的传感器能够精确地确定手指移动的位置，

30、然后把信号传给放在腿上的一个微型电脑，电脑辨别聋哑人写出的字母之后，再把它变成电流信号，送到扩音器，最后变成人造声音发出来。专家们为了帮助非聋哑人回话，还设计了一个大小相当于便携式计算器的电脑，它把听到讲话声音变成文字，显示在一个外形很像手表的显示器上。当聋哑人看到显示器上出现的文字时，就能够明白对方的意思了。电脑棋手电脑具有的高超的计算能力和智能水准，使它可以成为向人类智能挑战的唯一棋手。 1997 年 5 月 11 日，星期一，早晨 4 时 50 分（北京时间），一台名为“深蓝”的超级电脑将棋盘上的一个兵走到 C4位置时，人类有史以来最伟大的棋手卡斯帕罗夫不得不沮丧地承认自己输了。世纪末的

31、一场人机大战终于以电脑的微弱优势取胜，这也是电脑棋手挑战人类的首次胜利。“深蓝” 计算机由国际商用机器公司 （IBM）技术人员历经六年时间研制成功，它带有 256 个能在一台 RISC系统 /6000 型计算机上同时运行的处理器。这台“深蓝”计算机的计算能力是“深思”计算机的 1000 倍。它可以在 3 分钟内对 500 亿步棋进行分析并作出选择。“深蓝”计算机设在纽约约克敦海茨的沃森研究中心，它通过互联网络向设在 192 千米之外的费城对弈现场的一台 RISC系统 /6000 计算机发出行棋指令。“深蓝”计算机是通过计算速度和对棋局的分析下棋，而不是通过模仿人脑来进行下棋的。2.4电脑植入人

32、体计算机生物技术？本世纪中期，随着计算机的诞生，构成生命奥秘的DNA结构也逐步揭开。 当时就有人预言， 物理学与生物学将会出现一次神奇的联姻。如今，这种联姻的结果，已初见端倪。最新的一代实验计算机正在模拟我们人类的大脑。 科学将如何改变 21 世纪的作者、物理学家米基奥卡库已经看到了计算机与生物技术结合的可能性。他还预言，到2020 年，运算速度更快的DNA微处理器将取代硅芯片。一方面，外科移植体的计算机化不断扩大人体神经系统的功能，另一方面， DNA电路板的出现正在逐步克服硅芯片本身的局限性。1321 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能植入人脑在许多科幻电影中，我们常常会看到，有一些人，拥有着

33、超凡的思维能力和记忆能力，这绝不是上帝特殊的恩赐，而是完全得益于植入其脑中的超级计算机。在现实生活中，这似乎是绝对不可能的事情。而今，随着电子工业和生命科学的飞速发展，这些正在一步步变为现实。1998 年，德国汉诺威医科大学的耳鼻喉科医院为一名因伤致聋的建筑工人动了一次手术。在头颅内装了一个小人工耳蜗和微电脑，它与系在体外腰带上的语言处理机组成了一套听觉系统。 8 个星期后取得成功， 开创了电脑植入大脑的先河。美国佐治亚州亚特兰大市的 Emory大学的科学家在 1998 年将一小型电路板植入了一个中风患者的脑中，使他能够移动计算机搜索器。他们的研究目标是使用同样的电路板帮助瘫痪病人开关电灯，甚

34、至发送电子邮件。 2001 年，他们在一位因意外事故而全身麻痹、失去一切运动能力的病人的脑内，植入了一片电脑芯片，利用这块芯片，病人可以通过思维活动，控制计算机屏幕上的鼠标指针移动，这无疑是神经计算机接口这一关键性课题的重大进展。要解决将计算机植入脑内这一难题，关键是如何将计算机和人脑联系起来。为了解决这一难题，科学家们进行了不懈的努力，并且已经取得了一些成功。利用植入脑内的程控放电装置，我们已经可以有效地控制帕金森氏病的发病。帕金森氏病是由脑内神经元的异常放电引起的，利用植入脑内的程控装置，可以有效地控制神经元放电，从而达到治疗的目的。耳聋和失明是困扰医学界几千年的问题，长期以来，器质性的视

35、、听觉障碍被认为是无法医治的绝症，而利用植入耳蜗的一个小型仪器，通过它与听觉传入神经的联系，已经可以使病人恢复部分的听力。目前，国际上一些研究小组和科学家正在积极研究如何使芯片与神经末梢相吻合，如何使芯片长期植入人体内时不影响人体的健康。植入手臂1999 年 8 月 24 日，英国利丁大学控制论教授凯文沃里克将计算芯片植入自己手臂内，获得了成功。他可以用这个芯片让自家大门自动打开，并伴以问候，灯自动亮起，浴盆自动注水，甚至酒桶自动温酒，屋里传来亲切柔和的声音：“早上好，沃里克教授，你有封新的电子邮件。”因此沃里克自豪地宣1421 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能称，自己成了世界上首位“电子人”

36、 。凯文沃里克教授事先将一个 23 毫米长、直径为毫米的微型管内装上电磁的无线电脉冲转发器和一个备有个人信息的硅芯片植入他的左臂线圈，然后植入自己的左臂内。芯片携有条预先编好的指令，并通过特殊信号发出。传感器将指令输入计算机，计算机便根据指令完成开关房门和电灯，调节室内温度等操作。这是沃里克教授在寻求人体与计算机直接进行交流的惊人尝试。将电脑芯片植入手臂内，还可给四肢残疾人带来福音。例如，一位瘫痪病人想要举起右手，他的思绪就会产生一种特殊的脑电波，当植入脑内的仿生装置接受后，就会送出一种电子信号，直接传入病人右肩内的微芯片，这个带微处理机的芯片，再发出命令给右臂内的神经系统，使手臂的肌肉收缩，

37、便可举起右臂。植入“眼睛”首先让我们看一看这样的情景：你正走在某个陌生城市的大街上，希望尽快找到一家饭店，因为你在那儿和朋友有个约会。只见你从腰间皮带上取下一个计算机，然后对它输入指令，眼前便出现了这座城市的地图，图上还将你现在所处的地点与要找的饭店之间的最佳路线用醒目的黄线表示出来了。你的眼镜放出一道光将此图像放大，在确认这正是要去的地方后，你便从容不迫地向前走去。很快，你找到了那家饭店。而此刻，你的朋友已在餐桌边恭候你了。令人吃惊的是，人们现在才发现你竟然是个盲人！这是华盛顿人机联系技术实验室主任汤姆所描绘的未来视觉技术的情形。他发明了一种“虚拟视网膜显示器” 。该装置可直接在人的视网膜上

38、形成图像，让人觉得“看见”的图像。它由一副高技术眼镜和一只简易公文包大小般的装置组成。其工作过程大致是这样的：首先，“虚拟视网膜显示器”将物体图像输入计算机，然后，由一个扫描转换器将彩色图像信号经过光导纤维传入眼镜，最后，彩色图像信号以低能激光的方式投射到视网膜上。除了帮助盲人恢复视力外， “虚拟视网膜显示器” 还有其他许多用途。 例如，建筑师可以利用它来显示虚拟现实的特点，针对虚拟的建筑结构进行设计和预算。弗内斯对这一技术的前景充满信心。 他说：“将来我们能为人们创造一种 超视觉，例如可以造出某种仿生眼，使人们有机会目睹他们以往从未见过的情1521 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能景。”与听

39、觉相比，视觉要复杂得多。因此，利用人造电子装置来代替视网膜的感光功能，就显得极其复杂。最近，在美国，科学家们通过不懈的努力，终于开发出了可以与视神经相连的人造视网膜，虽然，这项发明仅能使盲人“看到”物体的大致轮廓和位置变化，仍不能像正常人一样成像，但这毕竟是几千年来使盲人“复明”的首次成功。“脑”发展前景展望虽然计算机经历了几代的变革，计算速度和存储能力不断提高，功能日益强大，但仍存在许多弱点，其中最主要的是它本身没有智慧，不具备人所具有的思维能力。它只能根据人的指令和规定的程序工作， 充其量只能算是一种 “高级机器”，论其智力还不如一个刚懂事的儿童。未来计算机将是纳米电脑、光脑、量子脑和生物

40、脑的天下，运行速度是目前最快的计算机的上百倍。3.1电脑首先，电脑运算性能仍将大幅度提高。专家预测，到 2010 年左右，个人电脑芯片的处理速度从每秒钟执行 15 亿条指令激增至每秒钟 100 亿条。主要原因是集成电路制造技术从微米级向纳米级迈进。在芯片的制造方面， 目前最先进的芯片采用的是 0.13 微米技术，下一代将为 0.11 微米或 0.10 微米，而更为先进的将是 0.08 微米。目前使用的紫外线光刻技术在理论上能够蚀刻印刷电路的最小尺寸为 0.1 微米，以目前芯片的更新速度计算，到 2003 年即将达到这一极限。2001 年 4 月 11 日，使用超紫外线光刻技术的芯片制造机器在实

41、验室揭开面纱。这种超紫外线光刻技术能够将芯片的规格缩小到 0.03 微米，其技术关键在于紫外光的波长，因为超紫外光有较短的波长，能够将小尺寸的电路蚀刻在硅薄片上。但这种不可见光能够被空气和聚焦透镜吸收，因此必须在真空状态下进行操作。英特尔公司研制出目前世界上速度最快的20 纳米硅晶体管，将能够使英特尔公司在 2007 年左右制造出包含近 10 亿只晶体管的微处理器，其运行速度接近 20GHz，操作电压低于 1V。 由英特尔实验室研究人员研制出来的这些晶体管其尺寸仅有 20 纳米，比英特尔去年发布的业界此前最快的晶体管体积小30%，1621 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能速度快 25%。这些新

42、型晶体管就象控制微型芯片里电子流的开关一样， 每秒钟要打开、关闭上万亿次。利用这些晶体管制出的微处理器几乎能在眨眼之间进行近十亿次计算，或在高速子弹穿越 1 英寸距离的时间内完成 400 万次计算。用来制造这些超微型晶体管的门电路氧化物只有三个原子层厚。 100,000 多个门电路氧化物层堆叠在一起才能达到一张纸的厚度。其次，电脑多媒体智能化进入实用阶段。或许在不远的将来，文字、图形、图像、声音、视频、动画等多种信息综合集成并前所未有，原本“面无表情” 、“死气沉沉”的计算机有了一副“生动活泼”的面孔，你可以尽情享受视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉的多重感受。多媒体的未来是激动人心的，我们生活中数

43、字信息的数量在今后几十年中将急剧增加 , 质量上也将大大地改善。 多媒体正在以迅速的、意想不到的方式进入人们生活的多个方面，大的趋势是各个方面都将朝着当今新技术综合的方向发展，这其中包括：大容量光碟存储器、国际互联网和交互电视。这个综合正是一场广泛革命的核心，它不仅影响信息的包装方式和我们如何运用这些信息，而且将改变我们互相通信的方式。现在，多媒体正如我们新技术所展示的那样，正在成为便携个人多媒体。另外，电脑个性化展现风采。尽管我们使用“个人电脑”这一词汇已有 20 年的历史，但它仍然是面向许多人的机器，没有多少“个人”特色。随着社会进步、人民生活水平提高、休闲时间增多，整个社会越来越朝着个性

44、化发展。电脑的发展也不能违背个性化的潮流。例如美国为中心 ( 包括日本在内 ) ，正形成一股可穿戴电脑开发热。这种电脑在外形上同普通电脑毫无相同之处，但其基本功能和普通电脑一样。它既可挂在腰带上，也可藏在衣服里，或者放进挎在肩上的挎包中。它的显示装置像护目镜或眼镜一样，镜片由特殊材料制成，既可看到电脑要显示的内容，又不会挡住前方的视线，头上还戴着像耳机一样的无线电收发机，可以用无线方式同因特网相连接，而且还能听到电脑控制的音响。借助触摸板、特殊键盘、戒指式输入装置等，只需一只手便可输入。人们预料，可穿戴电脑将会继耳机式立体声收音机、移动电话之后，成为被许多人带到室外使用的又一种电子设备。可穿戴

45、电脑已经小有气候， 2000 年 10 月在美国波士顿举行的“可穿戴电脑第一次国际会议” ，检阅了这几年来的开发成果。会上一些年轻人穿戴着各种各样的电脑，进行种种表演，借以炫耀自己。置身这种场合，犹如观看化装舞会，不仅令人眼花缭乱，而且还大开眼界。1721 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能穿着这种电脑，哪怕在路上，也能和在家中一样在因特网上冲浪，收发电子邮件，享受因特网的种种好处。甚至在乘电车上班时，一手抓住电车上的吊环，一手还可操作电脑，做到工作、走路两不误。3.2光脑光脑是采用光学原理和光学技术，由光器件构成的计算机。21 世纪将是光脑时代。专家认为光脑是电子计算机最可能的替代物，大约会在

46、 2015 年进入商业市场。1990 年，美国的贝尔实验室推出了一台由激光器、透镜、反射镜等组成的计算机。这就是光计算机的雏形。目前，世界上第一台光脑已由欧共体的英国、法国、比利时、德国、意大利的 70 多名科学家研制成功，其运算速度比计算机快1000 倍。电脑以电子为信息的载体，只能通过一些相互绝缘的导线来传送信息。因此电子在个体中的运行速度最高极限为每秒3 万公里，但实际上不可能达到这样的高速。也就是说，最理想的电脑运算仍然达不到光速的十分之一。电脑的另两个局限是，当通道的工作频率超过 100 兆赫时，通道中会形成驻波，这会严重影响信号的快速传递。此外，在电脑微电路中，由于快速运行产生的热

47、量不断增加，导体间相互产生的电磁作用会削弱信号的传递。光脑就不会有电脑这些弊病： 光脑并行处理能力强， 具有超高速运算速度，比电脑快一千倍。电子的传播速度是每秒 593 公里，而光子的速度为每秒 30 万公里。同时，超高速电脑只能在低温状态下工作，而光脑在室温下即可开展工作；和电脑相比，光脑信息存储量大。光脑的最大特点是不需要导线，哪怕在光线相交的情况下，它们之间也丝毫不会互相影响。与电脑相比，光脑的无导线运算及其机内传递信息的平行通道，实际上是无限的，一个很小的棱镜，其承裁信息能量超过电话电缆的综合信息量。光脑的许多关键技术，如光存储技术、光互连技术、光电子集成电路等都已获得突破。目前，科研

48、工作面临的迫切任务是最大幅度地增加光计算机的运算能力。1821 世纪前沿科技与产业“脑”走向智能3.3量子脑量子脑是根据原子或原子核所具有的量子学特性来工作，运用的是粒子的量子力学状态， 例如用光子的极化状态和原子自旋等来表示 0 和 1。量子脑将与电脑的外形有较大的差异：它没有传统电脑的盒式外壳，看起来像是一个被其他物质包围的巨大磁场。目前，有关量子计算机的理论和实验正迅猛发展。1996 年，美国科学周刊科技新闻中报道，量子计算机引起了计算机理论领域的革命。同年，量子计算机的先驱之一，Bennett 在英国自然杂志新闻与评论栏声称，量子计算机将进入工程时代。1999 年 10 月 , 美国马

49、萨诸塞州技术研究所与洛斯阿拉莫斯国家实验室的科研人员利用量子学理论，研制出了量子计算机运算器的雏形，其运算速度是目前的上千倍。2000 年，量子电脑研究捷报频传。先是郭光灿领导的中科院知识创新工程开放实验室成功研制出4 个量子位的演示用量子电脑。之后，美国IBM 公司又推出5 个量子位的演示用量子电脑。2001 年， IBM 阿尔马登研究中心的科学家们完成了迄今为止世界上最复杂的量子计算机运算。他们在试管中将整个经过特殊设计的分子制作成一个7 量子位（ qubit ）量子计算机，展望未来，如果具有 5,000 个量子位的量子脑问世， 就可在约 30 秒内解决传统超级计算机要 100 亿年才能解

50、决的大数因子分解问题，由于具有强大的并行处理能力，量子计算机将对现有的保密体系产生根本性的冲击。不少国家从国家利益出发，正在量子脑研究领域展开激烈角逐。3.4生物脑生物脑是通过控制 DNA分子间的生化反应来完成运算，其主要部件是生物芯片。1995 年 4 月初，全球计算机科学、分子生物学、电子学、光学及有关学科和规模较大的计算机生产厂家 200 名科学家聚集在美国普林斯顿大学，举行了一个开发 DNA计算技术用于制造生物计算机的全球性研究计划筹备会议，制定了研究与开发制造“生物计算机”的 DNA计算技术计划。现今科学家已研制出许多生物芯片，如合成蛋白芯片、血红素芯片、赖氨1921 世纪前沿科技与

51、产业“脑”走向智能酸芯片等，体积仅为几十亿分之一立方米，每个存储单元仅有分子大小，但其记忆能力比普通计算机强 10 亿倍。生物芯片传递信息时且具有生物的特点，具有自我组织自我修复的功能。 它传递信息的速度也比人脑进行思维的速度快 100 万倍，可以与人体及人脑结合起来，听从人脑指挥，成为人脑的外延或扩充部分，从人体中吸收营养，而不需要外界的任何其他能量。美国新泽西州贝尔实验室的研究者们正在改进第一台DNA计算机。这是1994 年由南加州大学的艾德曼设计的， 它被装在一些微型的试管中， 他说：“我们所做的，不再是连接线路，而是将大量 DNA装入罐子，加进盐和酶，然后加以培养，这样，不同的 DNA

52、就开始互相寻找。”从左图看来， DNA计算机的外形象普通小盒子。有非常薄的玻璃外壳 , 里面装着肉眼看不见的多层蛋白质, 蛋白质间由复杂的晶格连结。这种精巧的蛋白质晶格里是一些生物分子 , 也就是生物计算机的 “集成电路”。2001 年 1 月 26 日，美国普林斯顿大学的研究人员又开发出一种使用 RNA（核糖核酸）来解决计算问题的简单的生物计算机，这是该领域取得的新突破。3.5神经脑神经网络计算机是用光学仿神经器件等制造的，有模仿大脑“神经元”活动的计算机。它能模仿（或部分模仿）人脑功能，进行形象思维，能像脑神经那样进行判断、推理、预测、学习、识别，代替人进行较为复杂的脑力劳动。日本和美国科学家采用了计算机神经网络正在研制迄今世界上最先进的“人造脑”，并计划最终以此为基础设计出相当于猫类智能的“机器猫” 。“人造脑”主要由日本东京先进通信研究所的德加里斯设计，位于美国科罗拉多的吉诺比特公司正在从事该“人造脑”的建造工作。据披露， “人造脑”的研制按计划将于 2002 年 3、4 月份完工。这