貫穿電影《流浪地球2》的一個重要角色是550系列量子智能計算機，丫丫的數(shù)字生命、無人機暴亂、MOSS系統(tǒng)的“陰謀”等都與它有關(guān)。從起初的550A到電影最后的MOSS，它變得越來越強大，甚至連人類都要依靠它們實現(xiàn)“數(shù)字永生”。
計算機的計算速度是如何一步步變快、變強大的？這就要從人類最原始的計算機——算盤說起。
機械計算工具的演進
算盤是計算機發(fā)展的起點，它其實是一臺“機械式半自動化運算器”。打算盤的“口訣”就是編程語言，算盤珠是存儲器。
計算機發(fā)展的第二階段是可以做四則運算的加法器、乘法器。1642年，法國數(shù)學(xué)家帕斯卡為了幫稅務(wù)官父親計稅，發(fā)明了一個機械式的加法器。1673年，德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨發(fā)明了可做乘除法的乘法器。
計算機進階到第三步，是可編程織布機�？棽紮C跟計算有什么關(guān)系？織布工人在紙上畫出圖形，機器能讀懂并將其繡到布上，這個過程就是編程。1801年，法國機械師杰卡德發(fā)明了首個可編程織布機——通過穿孔卡對織布機進行編程。
計算機發(fā)展的第四階段是差分機。西方進入大航海時代，人們在航行中編制航海、天文用表時，需要大量人工勞動，直到19世紀(jì)英國數(shù)學(xué)家巴貝奇設(shè)計出了差分機與分析機。雖然機器在工程上沒能徹底實現(xiàn)，但已經(jīng)可以完成非常復(fù)雜的計算，如通過多項式逼近對數(shù)、指數(shù)和三角函數(shù)。
到了第五階段，人類歷史上第一次有了計算程序。1843年，世界上第一位程序員愛達設(shè)計出了一個算法，用來計算伯努利數(shù)列的值。這是歷史上第一個利用計算機運算的算法程序。
第六階段，機械計算工具的發(fā)展到達頂峰。第二次世界大戰(zhàn)期間，艾倫•圖靈為了破譯密碼設(shè)計出“圖靈甜點”解碼機，其有著非常優(yōu)越的計算能力和適應(yīng)性。
現(xiàn)代計算機的誕生與應(yīng)用
經(jīng)過這六個發(fā)展階段，至此，機械式計算工具達到了工程技術(shù)積累的巔峰。但這時還沒有出現(xiàn)電子計算機，即便是“圖靈甜點”，也只是一類專用的計算機，每一個功能都要專門制造。
直到出現(xiàn)了三位偉大的學(xué)者——艾倫•圖靈、馮•諾依曼和威廉•肖克利。他們的發(fā)明奠定了現(xiàn)代通用計算機工程科學(xué)的三大基石，使通用電子計算機最終得以問世。
圖靈是個奇人。他曾在普林斯頓大學(xué)讀博士，第二次世界大戰(zhàn)時期破譯了恩格瑪密碼，后來成為愛因斯坦的同事。他還是一位世界級長跑運動員，參加過馬拉松比賽。有一部名為《模仿游戲》的電影，講述的便是他的傳奇人生。
1936年，為了解決“數(shù)學(xué)可判定”問題，圖靈發(fā)明了圖靈機——模擬人用紙筆計算的機器。圖靈機模型主要由一條無限長的紙帶、一個讀寫頭和一些內(nèi)部狀態(tài)組成。紙帶被分成一個個小方格，每個方格可以包含一種符號，如0或1。讀寫頭可以在紙帶上移動，讀取和寫入符號，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和讀取的符號改變內(nèi)部狀態(tài)和移動方向。圖靈機可以模擬任何算法的過程，是一個理論上的計算模型，為現(xiàn)代計算機的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
馮•諾依曼首先提出“存儲程序”的概念和二進制原理，并為圖靈機的實現(xiàn)提供了一個通用的體系結(jié)構(gòu)——將計算機分為輸入設(shè)備、存儲器、運算器、控制器、輸出設(shè)備。有了馮•諾依曼的結(jié)構(gòu)，圖靈機從一個抽象的數(shù)學(xué)模型，變成了工程師可以實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，從而解決了現(xiàn)代計算機如何實現(xiàn)的難題。
1946年2月14日，人類歷史上第一臺真正意義上的電子計算機——ENIAC在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生。它使用電子真空管執(zhí)行數(shù)字和邏輯運算，使用穿孔卡片輸入數(shù)據(jù)和指令。ENIAC的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代計算機的誕生，對人類社會的科技、經(jīng)濟和社會發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。
光有電子計算機還不行，人們還希望它的運算速度能夠變快。
肖克利被譽為“晶體管之父”，他與另外兩位科學(xué)家一起發(fā)明了晶體管。晶體管是實現(xiàn)計算機數(shù)學(xué)基礎(chǔ)布爾代數(shù)的開關(guān)器件，是建造現(xiàn)代計算機之塔的“磚塊”。它的發(fā)明為現(xiàn)代計算機的發(fā)展提供了更小、更快、更可靠的電子元件，取代了之前使用的真空管，使計算機的體積和功耗大大降低，性能和可靠性大大提升。
在肖克利之后，杰克•基爾比發(fā)明了集成電路。1958年，基爾比成功創(chuàng)造出世界上第一個采用單一材料制成的集成電路，標(biāo)志著微電子時代的開始，對全球電子工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響�，F(xiàn)在，我們最大的一個芯片上可以集成超過1000億個晶體管，這正是微電子集成電路的功勞，它讓計算機運行得越來越快。2000年，基爾比因集成電路的發(fā)明被授予諾貝爾物理學(xué)獎。
有了計算機，接下來就是應(yīng)用的繁榮。全世界使用計算機的人是依靠什么互聯(lián)互通的？是互聯(lián)網(wǎng)，其讓全世界任何一個人都可以通過網(wǎng)絡(luò)與世界通信�；ヂ�(lián)網(wǎng)的發(fā)明離不開傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（TCP/IP）。其是由羅伯特•卡恩和文森特•瑟夫共同發(fā)明的。他們的這項發(fā)明對互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響，并最終成為大部分因特網(wǎng)共同遵守的網(wǎng)絡(luò)規(guī)則。
英國計算機科學(xué)家蒂姆•伯納斯—李在歐洲核子研究組織工作時，意識到科學(xué)家之間共享信息的方式非常不便。因此，他開始著手設(shè)計一種新的信息管理系統(tǒng)，這就是萬維網(wǎng)的前身。
伯納斯—李設(shè)計的萬維網(wǎng)系統(tǒng)包括三個核心組成部分：超文本標(biāo)記語言（HTML）、超文本傳輸協(xié)議（HTTP）和統(tǒng)一資源定位符（URL）。HTML用于創(chuàng)建和格式化網(wǎng)頁內(nèi)容，HTTP用于在Web服務(wù)器和瀏覽器之間傳輸數(shù)據(jù)，而URL則為互聯(lián)網(wǎng)上的每個資源提供了唯一的地址。
1990年，伯納斯—李成功開發(fā)出第一個Web瀏覽器和Web服務(wù)器，使用戶能夠在萬維網(wǎng)上查看和發(fā)布信息。這一發(fā)明為互聯(lián)網(wǎng)的普及和發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)，從此，人類進入了數(shù)字文明的新時代。
中國計算科學(xué)家的歷史貢獻
在計算機領(lǐng)域，有三位中國科學(xué)家貢獻很大。
第一位是中國計算機學(xué)科的創(chuàng)始人、被譽為“中國計算機之母”的夏培肅。她是我國第一臺自行設(shè)計的通用電子計算機的發(fā)明人，還培養(yǎng)了一大批從事計算事業(yè)的人才。英國廣播公司（BBC）專門撰寫了一篇文章，以紀(jì)念夏培肅。
第二位是中國工程院院士金怡濂。作為我國巨型計算機事業(yè)的開拓者之一，他在半個世紀(jì)里先后提出在各個時期均居國內(nèi)領(lǐng)先或國際先進水平的大型和巨型計算機系統(tǒng)的設(shè)計思想和技術(shù)方案，并組織科技人員刻苦攻關(guān)、予以實現(xiàn)。他是“神威”超級計算機總設(shè)計師，使我國高性能計算機峰值運算速度從每秒10億次跨越到每秒3000億次以上。
第三位是國家最高科技獎獲得者、兩院院士王選。他是計算機漢字激光照排技術(shù)的創(chuàng)始人，被稱為“漢字激光照排系統(tǒng)之父”。他主持研制成功的漢字信息處理與激光照排系統(tǒng)、方正彩色出版系統(tǒng)得到大規(guī)模應(yīng)用，帶來了我國出版印刷行業(yè)“告別鉛與火，邁入光和電”的技術(shù)革命。
這里還要再提一下中國工程院院士李國杰。20世紀(jì)80年代，我國在計算機超算方面還很落后，好不容易從美國買來一臺超級計算機，美方卻用玻璃房子把機器罩在里面，并24 小時全方位監(jiān)控，連進出門的鑰匙和啟動密碼也由美方掌控，中國人不允許進入玻璃房子。
這對中國科學(xué)家而言是一個恥辱。后來，李國杰回國后帶領(lǐng)研發(fā)團隊，研制出“曙光”機群系統(tǒng)，并逐步實現(xiàn)了高性能計算機產(chǎn)業(yè)化�，F(xiàn)在，我們無論是大學(xué)、研究所還是企業(yè)，都有最快的高性能計算機可用，正是在于我們走通了高性能計算機產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新道路。
今天，我們有了自己的“玻璃房子”——在四川成都天府新區(qū)有一個網(wǎng)紅打卡地，那就是如科幻大片般的曙光“硅立方”景觀玻璃房。這里裝著的高性能計算機，正是《流浪地球2》中依靠液冷散熱的550W的原型。
未來計算技術(shù)的兩個方向
計算技術(shù)的未來，有兩個方向是人們比較關(guān)注的。
一是到2035年，我們能不能造出Z級計算機。Z級計算機中的“Z”，代表計算機運算速度達到每秒1021次，現(xiàn)在我們能達到E級計算，即1018次。
高性能計算機提速的背后，有幾個要解決的重大問題，如“能耗墻”。如何降低能耗是世界級難題�，F(xiàn)在，我們主要通過器件結(jié)構(gòu)或工藝提升能效，包括高密度的集成封裝。當(dāng)然，如果高溫超導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用也能降低能耗。另外，光子計算也有望降低能耗。
二是量子計算機。很多人看過《流浪地球2》后都在問，類似于550W或者MOSS的量子計算機能不能被制造出來。量子計算機主要是并行計算，所以它的速度和性能充滿想象空間。
我認(rèn)為，要實現(xiàn)量子計算機，至少需要6個步驟，但現(xiàn)在我們的科學(xué)家只知道前三個步驟該怎么做，后三個步驟還沒有頭緒。
第一步，人們已經(jīng)做出來了“量子算盤”——用量子計算的原理對某一特定問題進行加速，如谷歌公司的量子計算機、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團隊的“九章”，已經(jīng)可以在量子采樣算法上實現(xiàn)“量子優(yōu)越性”。
第二步是“量子運算器”，就是要能對一類科學(xué)問題進行求解�，F(xiàn)在這一步還存在技術(shù)挑戰(zhàn)，如量子存儲要克服量子態(tài)可存儲時間極短的問題、量子隨機訪存尚未實現(xiàn)實驗驗證，等等。
第三步是領(lǐng)域?qū)Ｓ玫牧孔佑嬎銠C，需要實用的量子算法、量子編程框架、量子編譯優(yōu)化、量子指令集、量子微體系結(jié)構(gòu)、量子糾錯碼、底層物理芯片……我們希望到2050年前能完成這一步，構(gòu)成一個完整的量子計算機技術(shù)體系。當(dāng)然，即便到了這一步，距離電影中的550C都還非常遙遠(yuǎn)，這需要更多年輕人投身到這一領(lǐng)域共同努力。今天，人類已經(jīng)進入到了人—機—物三元融合的世界，未來的信息世界要靠大家一起創(chuàng)造�！�
（作者系中國工程院院士，記者趙廣立根據(jù)其在“科學(xué)與中國”再出發(fā)—— “千名院士·千場科普”首場報告會上的報告整理）