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冯·诺依曼体系计算机的局限与非冯机发展方向研究
　　【摘 要】本文探讨了制约现代计算机进一步发展的主要因素，指出基础硬件IC生产技术的极限和冯?诺依曼体系结构的缺陷将成为计算机发展的两大瓶颈。讨论了非冯?诺依曼结构计算机发展的现状，提出了光子计算机和人工神经计算机将拥有极大发展空间与市场前景的观点。 中国论文网 /8/view-5714807.htm　　【关键词】计算机；体系结构；发展局限 　　0 引言 　　1946年世界上诞生第一台电子数字计算机ENIAC，拉开了人类计算机发展的序幕，经过60余的发展已经成为人类工作和生活不可缺少的一部分，它是科技发展史上最具影响力的成果。 　　然而，现代计算机发展所遵循的基本结构形式始终是冯?诺依曼机结构。这种结构特点是“程序存储，共享数据，顺序执行”，需要CPU从存储器取出指令和数据进行相应的计算，因此CPU与共享存储器间的信息交换的速度成为影响系统性能的主要因素，而信息交换速度的提高又受制于存储元件的速度、存储器的性能和结构等诸多条件。 　　传统计算机在数值处理方面已经到达较高的速度和精度，而随着非数值处理应用领域对计算机性能的要求越来越高，传统体系结构的计算机已经难以到达这些要求，所以需要寻求新的体系结构来解决问题。 　　1 冯?诺依曼体系计算机发展的局限 　　1.1 集成电路生产技术制约存储器的性能，存储器的性能制约系统的性能 　　传统冯?诺依曼计算机体系结构的存储程序方式造成了系统对存储器的依赖，CPU访问存储器的速度制约了系统运行的速度。集成电路IC芯片的技术水平决定了存储器及其他硬件的性能。为了提高硬件的性能，以英特尔公司为代表的芯片制造企业在集成电路生产方面做出了极大的努力，且获得了巨大的技术成果。现在每隔18个月IC的集成度翻一倍，性能也提升一倍，产品价格降低一半，这就是所谓的“摩尔定律”。这个规律已经持续了40多年，估计还将延续若干年。然而，电子产品面临的二个基本限制是客观存在的：光的速度和材料的原子特性。首先，信息传播的速度最终将取决于电子流动的速度，电子信号在元件和导线里流动会产生时间延迟，频率过高会造成信号畸变，所以元件的速度不可能无限的提高直至达到光速。第二，计算机的电子信号存储在以硅晶体材料为代表晶体管上，集成度的提高在于晶体管变小，但是晶体管不可能小于一个硅原子的体积。随着半导体技术逐渐逼近硅工艺尺寸极限，摩尔定律原导出的规律将不再适用。 　　现在集成电路中两个晶体管之间的距离只有22纳米，相当于只有100个硅原子那么大了。可以推测将来会有15纳米，7.7纳米，5.4纳米，可能2023年做到2.7纳米，纳米。0.9纳米只有4个硅原子那么大，4个硅原子不可能构成实用的晶体管，可以确定2030年以前硅材料为代表的IC技术到达发展极限。 　　因此，计算机基础硬件的发展届时将受到严重制约，需要从基础物理、材料科学及生产技术多方面来重新思考计算机的硬件构成，更需要从体系结构方面有所创新。 　　1.2 对冯?诺依曼计算机体系结构缺陷的分析 　　（1）指令和数据存储在同一个存储器中，形成系统对存储器的过分依赖。如果储存器件的发展受阻，系统的发展也将受阻。 　　（2）指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令计数器PC指明要执行的指令所在的单元地址。然后取出指令执行操作任务。所以指令的执行是串行。影响了系统执行的速度。 　　（3）存储器是按地址访问的线性编址，按顺序排列的地址访问，利于存储和执行的机器语言指令，适用于作数值计算。但是高级语言表示的存储器则是一组有名字的变量，按名字调用变量，不按地址访问。机器语言同高级语言在语义上存在很大的间隔，称之为冯?诺依曼语义间隔。消除语义间隔成了计算机发展面临的一大难题。 　　（4）冯?诺依曼体系结构计算机是为算术和逻辑运算而诞生的，目前在数值处理方面已经到达较高的速度和精度，而非数值处理应用领域发展缓慢，需要在体系结构方面有重大的突破。 　　（5）传统的冯?诺依曼型结构属于控制驱动方式。它是执行指令代码对数值代码进行处理，只要指令明确，输入数据准确，启动程序后自动运行而且结果是预期的。一旦指令和数据有错误，机器不会主动修改指令并完善程序。而人类生活中有许多信息是模糊的，事件的发生、发展和结果是不能预期的，现代计算机的智能是无法应对如此复杂任务的。可见计算机从自动机器到自为机器还有很遥远的路要走。 　　2 非冯?诺依曼体系计算机的发展 　　2.1 非冯?诺依曼体系计算机研究的主要线路 　　近几年来人们努力谋求突破传统冯?诺依曼体制的局限，各类非诺依曼化计算机的研究如雨后春笋蓬勃发展，主要表现在以下四个方面： 　　（1）对传统冯?诺依曼机进行改良，如传统体系计算机只有一个处理部件是串行执行的，改成多处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率。 　　（2）由多个处理器构成系统，形成多指令流多数据流支持并行算法结构。这方面的研究目前已经取得一些成功。 　　（3）否定冯?诺依曼机的控制流驱动方式。设计数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行地执行。这是真正非诺依曼化的计算机，这样的研究还在进行中，已获得阶段性的成果，如神经计算机。 　　（4）彻底跳出电子的范畴，以其它物质作为信息载体和执行部件，如光子、生物分子、量子等。众多科学家正为进行这些前瞻性的研究。 　　2.2 具有代表性的非冯?诺依曼体系计算机研究方向如下 　　2.2.1 光子计算机 　　光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。 　　欧洲科学家研制成功第一台光子计算机，其运行速度比普通的电子计算机快1000倍。电子计算机是由电子来存储传递和处理信息，光子计算机利用激光来传送信号，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行运算处理，它可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理，这远胜通过电子“0”、“1”状态变化进行的运算。光子计算机在图像处理、目标识别和人工智能等方面发展的潜力巨大。
　　2.2.2 量子计算机 　　量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。半导体靠控制集成电路来记录和运算信息，量子电脑则希望控制原子或小分子的状态，记录和运算信息。使用量子门替代晶体管逻辑门的功能。 　　1994年，贝尔实验室的专家彼得?秀尔（Peter Shore）证明量子计算机能完成对数运算，而且速度远胜传统计算机。这是因为量子不像半导体只能记录0与1，可以同时表示多种状态。如果把半导体计算机比成单一乐器，量子计算机就像交响乐团，一次运算可以处理多种不同状况，因此，一个40位元的量子计算机，就能解开1024位元的电子计算机花上数十年解决的问题。 　　2.2.3 神经计算机 　　神经计算机是模仿人的大脑判断能力和适应能力，并具有可并行处理多种数据功能的神经网络计算机。神经网络有自适应、自学习、自组织和容错自修复功能。神经计算机与电子计算机最大的不同是：电子计算机的存储部件和处理部件是两个不同的部分，而模仿大脑神经记忆的信息存放在神经元上，神经元又是处理信息的基本单元，所以二者是不可分的。 　　目前，美国科学家研究出左脑和右脑两个神经块连接而成的神经电子计算机。右脑为经验功能部分，有1万多个神经元，适于图像识别；左脑为识别功能部分，含有100万个神经元，用于存储单词和语法规则。它能识别文字，符号，图形，语言以及声纳和雷达收到的信号，控制智能机器人，进行智能决策和智能指挥等。神经计算机它可能引导计算机从自动运行走向自觉和自为工作，这将是人工智能发展的主攻方向。 　　3 结论 　　冯?诺依曼计算机的发展的硬件基础受到集成电路生产技术的制约，结构体系上存储控制流驱动任务的方式，已经满足不了人们对计算机更高速、更智能和使用更方便的要求。结构改良之路已经走到尽头，只有突破现有体系结构的制约并寻求新的物质作为计算机的物质基础，才能使得计算机有质的飞跃，光子计算机和神经计算机将是最具发展前景的探索。 　　冯?诺依曼计算机是全人类智慧的结晶，由于技术成熟、价格低廉、软件丰富及人们的使用习惯，冯?诺依曼计算机将继续长期在人类的工作和生活中发挥重要的作用。当然，未来会有商品化的非冯?诺依曼计算机问世，我们将会迎来一个各类型计算机百花争艳的信息时代。 　　【参考文献】 　　[1]白中英.计算机组成原理[M].北京：科学出版社，2007. 　　[2]宋宜斌，等.计算机组成与体系结构[M].北京：机械工业出版社. 　　[3]计算机硬件技术基础[M].北京：机械工业出版社，2010. 　　[责任编辑：丁艳]
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比纳米小的是皮米，然后是飞米，阿米。现在的CPU制造工艺预计已经能到14纳米了，但是1纳米大概有4个原子大，私以为不可能再往下小一个单位，不知道现有计算机CPU物理基础下的极限是允许到几个原子。如果想突破限制，别指望现在的计算机物理基础了，摩尔定律将到达极限，除非。。。下一阶段进入量子计算机为基础的阶段。
以前不是一直有量子计算机这个概念么。。。不过话说。。量子级别之后物质的控制难度非常大。。。。。。。。。
不过反正6nm的工艺也差不多够用了吧。。。。然后把芯片面积做到显卡那么大就可以了。。。。汗
其实这些年CPU性能提升主要还是倚仗了制程的进步，是时候着眼架构的革新了
3D晶体管，往高处堆啊，20内摩尔定律还没问题。
从平面往立体发展，就好像放弃修建平房而修建楼房一样。2楼的想法算是另外一条途径！貌似楼主担忧或者困惑的是这些都挖掘完了，出路在哪里？
[quote]引用：3楼 1964qsy 于
10:54:27 发表3D晶体管，往高处堆啊，20内摩尔定律还没问题。[/quote]啥意思？意思是以后芯片面积虽然不变，但会越来越厚？
1nm不是8个碳原子直径吗？
以后用基因技术编码，自动修改和增殖功能，买一个CPU永久使用，造CPU的只有转行。
硅原子的直径大约0.5nm. 制作晶体管至少要5个原子的线宽，即2.5nm。以明年（实际上是今年没来得及，话说Tick-Tock是比两年一周期要长一点，所以若干次后终于晚了一年）2012年发布22nm为起点：2012年 22nm2014年 14nm2016年 10nm2018年 7nm2020年 5nm2022年 3.5nm2024年 2.5nm所以硅晶片至少还有12年的风光。当然，越接近物理极限，提升难度就越大，需要的相关技术也更高深（看AMD现在要紧跟已经很吃力了，HKMG还不成熟，Tri-Gate更不知道在哪里），实际时间会比它长一些。至于硅晶片之后怎么办？不必担心。新材料是一个方向，晶体管结构也是（Tri-Gate只是最初步的尝试），更重要的是新思维。既然往小里做行不通了，何妨做大做强。与巨大的机箱相比，CPU只是一小块。所以，SoC即将成为主流，很快，你的机箱中只剩下一块芯片和它的若干接口。然后，就是功耗和价格。未来的摩尔定律，会是：每两年时间，功耗降低一倍，或者核心面积扩大一倍，价格不变！基础物理研究将能够从本质上解决这些问题，Intel 研究院还有很多事情可以做！
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据《纽约时报》网络版报道，1960年，在宾夕法尼亚大学举办的国际固态电路会议上，名为道格拉斯&恩格尔巴特(Douglas Engelbart)的年青计算机工程师介绍了简单但具有开创性意义的概念：缩小(scaling)。
恩格尔巴特从理论上阐明，随着电路尺寸越来越小，速度将越来越快，能耗、制造成本会越来越低，这一切都呈加速发展态势。恩格尔巴特后来发明了计算机鼠标和其他个人计算技术。
当天坐在台下听恩格尔巴特演讲的听众中就有后来与其他人联合创建了英特尔的戈登&摩尔(Gordon Moore)。1965年，摩尔量化了缩小原理，提出对计算机时代产生了深远影响的。他预测，在至少10年内，集成的晶体管数量将每年翻一番，从而导致计算机处理能力大幅度提高。
他的预测发表在1965年4月份的《电子学》杂志上，后来被称作摩尔定律。这不是一条物理学定律，而是对一个新兴产业的观察结果，在此后的半个世纪中，摩尔定律被证明是有效的。
在1960年代早期，宽度约与棉纤维相当的一个晶体管，按现在的美元计算价格约为8美元(约合人民币51元)。目前，指甲盖大小的芯片可以集成数十亿个晶体管，晶体管的价格已经下降到1美分(约合人民币6分钱)能买好多的水平。
的发展帮助硅谷给世界带来了令人吃惊的进步，其中包括PC、智能手机和互联网。但是，最近数年，根据摩尔定律预测的芯片发展速度放慢了。约10年前，芯片速度停止进一步提高，新一代芯片问世的时间延长，单个晶体管的成本不再下跌。
《纽约时报》表示，技术专家现在认为，新一代芯片的问世会更慢，两代芯片之间的间隔将延长至2.5-3年。他们担心，到2020年代中期，届时仅由数个分子构成的晶体管将无法可靠地工作。除非有新的技术突破问世，摩尔定律时代将告终结。
博通首席技术官亨利&萨缪里(Henry Samueli)在谈到摩尔定律时说，&它头发已经花白，已经年老了。摩尔定律尚未死亡，但即将退休。&
1995年，摩尔将晶体管数量翻番的时间修改为2年。他认为摩尔定律能在如此长时间内有效是了不起的，最近在纪念摩尔定律问世50周年的一次会议上表示，&最初时考虑它的有效时间是10年，我认为这已经够长了。&
但一个问题是，一旦不断提高的速度、不断降低的能耗需求和更低的价格这一组合无法持续下去，会出现什么情况？
英特尔前电子工程师罗伯特&科威尔(Robert P. Colwell)说，出现这种情况的影响远不仅仅局限于计算机产业。科威尔在英特尔曾负责领导奔腾芯片的设计。 科威尔说，&以汽车产业为例。过去30年推动汽车产业创新的是摩尔定律。&汽车产业在引擎控制器、防抱死刹车、导航、娱乐和安全系统方面的大多数创新都来自价格越来越低的半导体。
硅谷却没有这种担忧。过去30多年来，计算产业一直声称计算速度会更快，容量会更高，价格会更低。这被描述为互联网时代，甚至是奇点(即计算机的处理能力将超过人的智能)。
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