从图灵机到冯·诺依曼机

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从图灵机到冯·诺依曼机

杨骏

　　英国科学家艾伦·图灵1937年发表著名的《论应用于解决问题

的可计算数字》一文。文中提出思考原理计算机——图灵机的概念，

推进了计算机理论的发展。1945年图灵到英国国家物理研究所工作，

并开始设计自动计算机。1950年，图灵发表题为《计算机能思考吗？》

的论文，设计了著名的图灵测验，通过问答来测试计算机是否具有

同人类相等的智力。

　　图灵提出了一种抽象计算模型，用来精确定义可计算函数。图

灵机由一个控制器、一条可无限伸延的带子和一个在带子上左右移

动的读写头组成。这个在概念上如此简单的机器，理论上却可以计

算任何直观可计算的函数。图灵机作为计算机的理论模型，在有关

计算机和计算复杂性的研究方面得到广泛应用。

　　计算机是人类制造出来的信息加工工具。如果说人类制造的其

他工具是人类双手的延伸，那么计算机作为代替人脑进行信息加工

的工具，则可以说是人类大脑的延伸。最初真正制造出来的计算机

是用来解决数值计算问题的。

二次大战后期，当时为军事目的进行的一系列破译密码和弹道计算

工作，越来越复杂。大量的数据、复杂的计算公式，即使使用电动

机械计算器也要耗费相当的人力和时间。在这种背景下，人们开始

研制电子计算机。

　 世界上第一台计算机“科洛萨斯”诞生于英国，“科洛萨斯”计

算机是1943年3月开始研制的，当时研制“科洛萨斯”计算机的主

要目的是破译经德国“洛伦茨”加密机加密过的密码。使用其他手

段破译这种密码需要6至8个星期，而使用‘科洛萨斯’计算机则

仅需6至8小时。1944年1月10日，“科洛萨斯”计算机开始运行。

自它投入使用后，德军大量高级军事机密很快被破译，盟军如虎添

翼。“科洛萨斯”比美国的ＥＮＩＡＣ计算机问世早两年多，在二战

期间破译了大量德军机密，战争结束后，它被秘密销毁了，故不为

人所了解。

　　尽管第一台电子计算机诞生于英国，但英国没有抓住由计算机

引发的技术和产业革命的机遇。相比之下，美国抓住了这一历史机

遇，鼓励发展计算机技术和产业，从而崛起了一大批计算机产业巨

头，大大促进了美国综合国力的发展。1944年美国国防部门组织了

有莫奇利和埃克脱领导的ＥＮＩＡＣ计算机的研究小组，当时在普

林斯顿大学工作的现代计算机的奠基者美籍匈牙利数学家冯·诺依

曼也参加了者像研究工作。1946年研究工作获得

成功，制成了世界

上第一台电子数字计算机ＥＮＩＡＣ。这台用18000只电子管组成

的计算机，尽管体积庞大，耗电量惊人，功能有限，但是确实起了

节约人力节省时间的作用，而且开辟了一个计算机科学技术的新纪

元。这也许连制造它的科学家们也是始料不及的。

　　最早的计算机尽管功能有限，和现代计算机有很大的差别，但

是它已具备了现代计算机的基本部分，那就是运算器、控制器和存

储器。

　　运算器就象算盘，用来进行数值运算和逻辑运算，并获得计算

结果。而控制器就象机算机的司令部，指挥着计算机各个部分的工

作，它的指挥是靠发出一系列控制信号完成的。

　　计算机的程序、数据、以及在运算中产生的中间结果以及最后

结果都要有个存储的地方，这就是计算机的第三个部件——存储器。

　　计算机是自动进行计算的，自动计算的根据就是存储于计算机

中的程序。现代的计算机都是存储程序计算机，又叫冯·诺依曼机，

这是因为存储程序的概念是冯·诺依曼提出的。人们按照要解决的

问题的数学描述，用计算机能接受的“语言”编制成程序，输入并

存储于计算机，计算机就能按人的意图，自动地高速地完成运算并

输出结果。程序要为计算机提供要运算的数据、运算的顺序、进行

何种运算等等。

　　微电子技术的产生使计算机的发展又有了新的机遇，它使计算

机小型化成为可能。微电子技术的发展可以追溯到晶体管的出现。

1947年美国电报电话公司的贝尔实验室的三位学家巴丁、不赖顿和

肖克莱制成第一支晶体管，开始了以晶体管代替电子管的时代。

　　晶体管的出现可以说是集成电路出台的序幕。晶体管出现后，

一些科学家发现，把电路元器件和连线像制造晶体管那样做在一块

硅片上可实现电路的小型化。于是，晶体管制造工业经过10年的发

展后，1958年出现了第一块集成电路。

　　微电子技术的发展，集成电路的出现，首先引起了计算机技术

的巨大变革。现代计算机多把运算器和控制器做在一起，叫微处理

器，由于计算机的心脏——微处理器（计算机芯片）的集成化，使

微型计算机应运尔生，并在70－80年代间得到迅速发展，特别是Ｉ

ＢＭ　ＰＣ个人计算机出现以后，打开了计算机普及的大门，促进

了计算机在各行各业的应用，五六十年代，价格昂贵、体积庞大、

耗电量惊人的计算机，只能在少数大型军事或科研设施中应用，今

天由于采用了大规模集成电路，计算机已经进入普通的办公室和家

庭。

　　标志集成电路水平的指标之一是集成度，即在一定尺寸的芯片

上能做出多少个晶体管，从集成电路出现到今天，仅40余年，发展

的速度却是惊人的，芯片越做越小，这对生产、生活的影响也是深

远的。ＥＮＩＡＣ计算机占地150平方米，重达30吨，耗电量几百

瓦，其所完成的计算，今天高级一点的袖珍计算器皆可完成。这就

是微电子技术和集成电路所创造的奇迹。

　　

现状与前景

　　美国科学家最近指出，经过30多年的发展，计算机芯片的微型

化已接近极限。计算机技术的进一步发展只能寄希望于全新的技术，

如新材料、新的晶体管设计方法和分子层次的计算技术。

　　过去30多年来，半导体工业的发展基本上遵循穆尔法则，即安

装在硅芯片上的晶体管数目每隔18个月就翻一番。芯片体积越来越

小，包含的晶体管数目越来越多，蚀刻线宽越来越小；计算机的性

能也因而越来越高，同时价格越来越低。但有人提出，这种发展趋

势最多只能再持续10到15年的时间。

　　美国最大的芯片生产厂商英特尔公司的科学家保罗·Ａ·帕坎

最近在美国《科学》杂志上撰文说，穆尔法则（1965年提出的预测

半导体能力将以几何速度增长的法则）也许在未来10年里就会遇到

不可逾越的障碍：芯片的微型化已接近极限。人们尚未找到超越该

极限的方法，一些科学家将其称之为“半导体产业面临的最大挑战”。

　　目前最先进的超大规模集成电路芯片制造技术所能达到的最小

线宽约为0.18微米，即一根头发的5％那样宽。晶体管里的绝缘层

只有4到5个原子那样厚。日本将于2000年初开始批量生产线宽只

有0. 13微米的芯片。预计这种芯片将在未来两年得到广泛应用。

下一步是推出线宽0. 1微米的的芯片。帕坎说，在这样小的尺寸上，

晶体管只能由不到100个原子构成。

　　芯片线宽小到一定程度后，线路与线路之间就会因靠得太近而

容易互相干扰。而如果通过线路的电流微弱到只有几十个甚至几个

电子，信号的背景噪声将大到不可忍受。尺寸进一步缩小，量子效

应就会起作用，使传统的计算机理论完全失效。在这种情况下，科

学家必须使用全新的材料、设计方法乃至运算理论，使半导体业和

计算机业突破传统理论的极限，另辟蹊径寻求出路。

当前计算机发展的主流是什么呢？国内外比较一致的看法是

RISC

RISC是精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set

Computer）的英文缩写。所谓指令系统计算机所能执行的操作命令

的集合。程序最终要变成指令的序列，计算机能执行。计算机都有

自己的指令系统，对于本机指令系统的指令，计算机能识别并执行，

识别就是进行译码——把代表操作

的二进制码变成操作所对应的控

制信号，从而进行指令要求的操作。一般讲，计算机的指令系统约

丰富，它的功能也约强。ＲＩＳＣ系统将指令系统精简，使系统简

单，目的在于减少指令的执行时间，提高计算机的处理速度。传统

的计算机一般都是每次取一条指令，而ＲＩＳＣ系统采用多发射结

构，在同一时间发射多条指令，当然这必须增加芯片上的执行部件。

　　

并行处理技术

　　并行处理技术也是提高计算机处理速度的重要方向，传统的计

算机，一般只有一个中央处理器，中央处理器中执行的也只是一个

程序，程序的执行是一条接一条地顺序进行，通过处理器反映程序

的数据也是一个接一个的一串，所以叫串行执行指令。并行处理技

术可在同一时间内多个处理器中执行多个相关的或独立的程序。目

前并行处理系统分两种：一种具有4个、8个甚至32个处理器集合

在一起的并行处理系统，或称多处理机系统；另一种是将100个以

上的处理器集合在一起，组成大规模处理系统。这两种系统不仅是

处理器数量多少之分，其内部互连方式、存储器连接方式、操作系

统支持以及应用领域都有很大的不同。

　　曾经有一段时间，超级计算机是利用与普通计算机不同的材料

制造的。最早的克雷1号计算机是利用安装在镀铜的液冷式电路板

上的奇形怪状的芯片、通过手工方式制造的。而克雷2号计算机看

起来更加奇怪，它在一个盛有液态碳氟化合物的浴器中翻腾着气泡

———采用的是“人造血液”冷却。并行计算技术改变了所有这一

切。现在，世界上速度最快的计算机是美国的“Ａｓｃｉ　Ｒｅｄ”，

这台计算机的运算速度为每秒钟2·1万亿次，它就是利用与个人计

算机和工作站相同的元件制造的，只不过超级计算机采用的元件较

多而已，内部配置了9000块标准奔腾芯片。鉴于目前的技术潮流，

有一点是千真万确的，那就是超级计算机与其它计算机的差别正在

开始模糊。

　　至少在近期，这一趋势很明显将会继续下去。那么，哪些即将

到来的技术有可能会扰乱计算技术的格局，从而引发下一次超级计

算技术革命呢？

　　这样的技术至少有三种：光子计算机、生物计算机和量子计算

机。它们能够成为现实的可能性都很小，但是由于它们具有引发革

命的潜力，因此是值得进行研究的。

　　

光子计算机

　　光子计算机可能是这三种新技术中最接近传统的一种。几十年

来，这种技术已经得到了有限的应用，尤其是在军用信号处理方面。

　　在光子计算技术中，光能够像电一样传送信息，甚至传送效果

更

好，，光束在把信息从一地传送至另一地的效果要优于电，这也就

是电话公司利用光缆进行远距离通信的缘故。光对通信十分有用的

原因，在于它不会与周围环境发生相互影响，这是它与电不同的一

点。两束光线可以神不知鬼不觉地互相穿透。光在长距离内传输要

比电子信号快约100倍，光器件的能耗非常低。

预计，光子计算机的运算速度可能比今天的超级计算机快1000到

10000倍。

　　令人遗憾的是，正是这种极端的独立性使得人们难以制造出一

种全光子计算机，因为计算处理需要利用相互之间的影响。要想制

造真正的光子计算机，就必须开发出光学晶体管，这样就可以用一

条光束来开关另一条光束了。这样的装置已经存在，但是要制造具

有适合的性能特征的光学晶体管，还需要仰仗材料科学领域的重大

突破。

生物计算机

　　与光子计算技术相比，大规模生物计算技术实现起来更为困难，

不过其潜力也更大。不妨设想一种大小像柚子，能够进行实时图像

处理、语音识别及逻辑推理的超级计算机。这样的计算机已经存在：

它们就是人脑。自本世纪70年代以来，人们开始研究生物计算机（也

叫分子计算机），随着生物技术的稳步发展，我们将开始了解并操纵

制造大脑的基因学机制。

　　生物计算机将具有比电子计算机和光学计算机更优异的性能。

如果技术进步继续保持目前的速度，可以想像在一二十年之后，超

级计算机将大量涌现。这听起来也许像科幻小说，但是实际上已经

出现了这方面的实验。例如，硅片上长出排列特殊的神经元的“生

物芯片”已被生产出来。

　　在另外一些实验室里，研究人员已经利用有关的数据对ＤＮＡ

的单链进行了编码，从而使这些单链能够在烧瓶中实施运算。这些

生物计算实验离实用还很遥远，然而1958年时我们对集成电路的看

法也不过如此。

量子计算机

　　量子力学是第三种有潜力创造超级计算革命的技术。这一概念

比光子计算或生物计算的概念出现得晚，但是却具有更大的革命潜

力。由于量子计算机利用了量子力学违反直觉的法则，它们的潜在

运算速度将大大快于电子计算机。事实上，它们速度的提高差不多

是没有止境的。一台具有5000个左右量子位的量子计算机可以在大

约3 0秒内解决传统超级计算机需要100亿年才能解决的素数问题。

　　眼下恰好有一项重要的用途适合这种貌似深奥的作业。通过对

代表数据的代码进行加密，计算机数据得到保护。而解密的数学“钥

匙”是以十分巨大的数字——一般长达250位——及其素数因子的

形式出现的。这样

的加密被认为是无法破译的，因为没有一台传统

计算机能够在适当的时间里计算出如此巨大数字的素数因子。

但是，至少在理论上，量子计算机可以轻易地处理这些素数加

密方案。因此，量子计算机黑客将不仅能够轻而易举地获得常常出

没于各种计算机网络（包括因特网）中的信用卡号码及其他个人信

息，而且能够轻易获取政府及军方机密。这也正是某些奉行“宁为

人先、莫落人后”这一原则的政府机构一直在投入巨资进行量子计

算机研究的原因。

量子超级网络引擎

　　量子计算机将不大可能破坏因特网的完整性，不仅如此，它们

到头来还可能给因特网带来巨大的好处。两年前，贝尔实验室的研

究人员洛夫·格罗弗发现了用量子计算机处理我们许多人的一种日

常事务的方法———搜寻隐藏在浩如烟海的庞大数据库内的某项信

息。寻找数据库中的信息就像是在公文包里找东西一样。如果各不

相同的量子位状态组合分别检索数据库不同的部分，那么其中的一

种状态组合将会遭遇到所需查找的信息。

　　由于某些技术的限制，量子搜索所能带来的速度提高并没有预

计的那么大，例如，如果要在1亿个地址中搜索某个地址，传统计

算机需要进行大约5000万次尝试才能找到该地址；而量子计算机则

需大约1万次尝试，不过这已经是很大的改善了，如果数据库增大

的话，改善将会更大。此外，数据库搜索是一种十分基础的计算机

任务，任何的改善都很可能对大批的应用产生影响。

　　迄今为止，很少有研究人员愿意预言量子计算机是否将会得到

更为广泛的应用。尽管如此，总的趋势一直是喜人的。尽管许多物

理学家————如果不是全部的话———一开始曾认为量子力学扑

朔迷离的本性必定会消除实用量子计算技术面临的难以捉摸而又根

深蒂固的障碍，但已经进行的深刻而广泛的理论研究却尚未能造就

一台实实在在的机器。

　　那么，量子计算机的研究热潮到底意味着什么？计算技术的历

史表明，总是先有硬件和软件的突破，然后才出现需要由它们解决

的问题。或许，到我们需要检索那些用普通计算机耗时数月才能查

完的庞大数据库时，量子计算机才将会真正开始投入运行。

研究将能取代电子计算机的技术并非易事。毕竟，采用标准微处理

器技术的并行计算机每隔几年都会有长足的进步。因此，任何要想

取代它的技术必须极其出色。不过，计算技术领域的进步始终是十

分迅速的，并且充满了意想不到的事情。对未来的预测从来都是靠

不住的，事后看来，那些断言“此事不可行”的说法，才是最

最愚

蠢的。

除了超级计算机外，未来计算机还会在哪些方面进行发展呢？

多媒体技术

　　多媒体技术是进一步拓宽计算机应用领域的新兴技术。它是把

文字、数据、图形、图像和声音等信息媒体作为一个集成体有计算

机来处理，把计算机带入了一个声、文、图集成的应用领域。多媒

体必须要有显示器、键盘、鼠标、操纵杆、视频录象带／盘、摄象

机、输入／输出、电讯传送等多种外部设备。

多媒体系统把计算机、家用电器、通信设备组成一个整体由计算机

统一控制和管理。多媒体系统将对人类社会产生巨大的影响。

网络

　　当前的计算机系统多是连成网络的计算机系统。所谓网络，是

指在地理上分散布置的多台独立计算机通过通信线路互连构成的系

统。根据联网区域的大小，计算机网络可分成居域网和远程网。小

至一个工厂的各个车间和办公室，大到跨洲隔洋都可构成计算机网。

因特网将发展成为人类社会中一股看不见的强大力量－－它悄无声

息地向人们传递各种信息，以最快、最先进的手段方便人类的工作

和生活。现在的因特网发展有将世界变成“地球村”的趋势。

　　专家认为PC机不会马上消失，而同时单功能或有限功能的终端

设备（如手执电脑、智能电话）将挑战PC机作为计算机革新动力的

地位。把因特网的接入和电子邮件的功能与有限的计算功能结合起

来的“置顶式”计算机如网络电视将会很快流行开来。单功能的终

端最终会变得更易应用

智能化计算机

　　我们对大脑的认识还很肤浅，但是使计算机智能化的工作绝不

能等到人们对大脑有足够认识以后才开始。使计算机更聪明，从开

始就是人们不断追求的目标。目前用计算机进行的辅助设计、翻译、

检索、绘图、写作、下棋、机械作业等方面的发展，已经向计算机

的智能化迈进了一步。

随着计算机性能的不断提高，人工智能技术在徘徊了50年之后终于

找到了露脸的机会，世界头号国际象棋大师卡斯帕罗夫向“深蓝”

的俯首称臣，让人脑第一次尝到了在电脑面前失败的滋味。人类从

来没有像今天这样深感忧惧，也从来没有像今天这样强烈地感受到

认识自身的需要。

　　目前的计算机，多数是冯·诺依曼型计算机，它在认字、识图、

听话及形象思维方面的功能特别差。为了使计算机更加人工智能化，

科学家开始使计算机模拟人类大脑的功能，近年来，各先进国家注

意开展人工神经网络的研究，向计算机的智能化迈出了重要的一步。

　　人工神经网络的特点和优越性，主要表现在三个方面：

具有自学功能。六如实

现图象识别时，只要线把许多不同的图象样

板和对应的应识别的结果输入人工神经网络，网络就会通过自学功

能，漫漫学会识别类似的图像。自学功能对于预测有特别重要的意

义。预期未来的人工神经网络计算机将为人类提供同经济预测、市

场预测、效益预测、其前途是很远大的。

　　具有联想储存功能。人的大脑是具有两厢功能的。如果有人和

你提起你幼年的同学张某某。，你就会联想起张某某的许多事情。用

人工神经网络的反馈网络就可以实现这种联想。

　　具有高速寻找优化解的能力。寻找一个复杂问题的优化解，往

往需要很大的计算量，利用一个针对某问题而设计的反馈人工神经

网络，发挥计算机的高速运算能力，可能很快找到优化解。

　　人工神经网络是未来为电子技术应用的新流域。智能计算机的

构成，可能就是作为主机的冯·诺依曼机与作为智能外围的人工神

经网络的结合。

　　人们普遍认为智能计算机将像穆尔定律（1965年提出的预测半

导体能力将以几何速度增长的定律）的应验那样必然出现。提出这

一定律的英特尔公司名誉董事长戈登·穆尔本人也同意这一看法，

他认为：“硅智能将发展到很难将计算机和人区分开来的程度。”但

是计算机智能不会到此为止。许多科学家断言，机器的智慧会迅速

超过阿尔伯特·爱因斯坦和霍金的智慧之和。霍金认为，就像人类

可以凭借其高超的捣弄数字的能力来设计计算机一样，智能机器将

创造出性能更好的计算机。最迟到下个世纪中叶（而且很可能还要

快得多），计算机的智能也许就会超出人类的理解能力。