微型计算机原理及应用

微型计算机原理及应用第一页，共六十一页，2022年，8月28日目录

序言第一章

概论第二章

微型计算机体系结构第三章

指令系统第四章

汇编语言程序设计第五章

输入/输出接口(并行接口和DMA接口)

第二页，共六十一页，2022年，8月28日第六章

中断第七章

计数/定时技术第八章

串行通信第九章

微型计算机存储器第十章

总线第十一章

高性能微处理机及其相关技术第十二章模拟接口（视时间定）第三页，共六十一页，2022年，8月28日序言

脑科学的结论告诉我们：人的左脑主司数学运算、逻辑思维及语言表达；右脑主司整体感觉、综合判断及直觉顿悟。制造计算机就是为了把我们左脑的重复性劳动及程序性工作交出去，以便更好地创新。第四页，共六十一页，2022年，8月28日

计算机发展历史简介：中国：古人用算筹计算，算盘法国人帕斯卡和德国人莱布尼兹：机械式加法器对数计算尺19世纪英国人：机械式计算机美国人霍勒里斯：数据处理器1924年霍勒里斯创办制表机器公司，后与其他公司合并，改为IBM20世纪初（1906年）发明电子三极管40年代：继电器计算机1945年：ENIAC第一台电子管计算机1946年：冯·诺依曼计算机结构1949：英国剑桥大学制成世界上第一台程序内存的电子计算机，叫EDSAC第五页，共六十一页，2022年，8月28日第一代：1945年电子管计算机，ENIAC第二代：1959年晶体管计算机，IBM1403第三代：1962年，集成电路计算机，IBM360第四代：1972年，大规模集成电路计算机，

IBM370。计算机微型化1971年

INTEL公司第一个微处理器4004第五代：20世纪80年代，超大规模集成电路计算机；微机进一步发展，从8080到

80486第六代：20世纪90年代，超大型机和智能计算机；微机从586到P2、P3、P4第六页，共六十一页，2022年，8月28日

1945年世界上第一台计算机ENIAC诞生，至今已有59年，发展速度非常快。一、电子数字计算机

电子计算机总体上分为两类：电子模拟计算机和电子数字计算机。两者比较如下：

比较内容数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0和1电压计算方式数字计数电压组合和测量值控制方式程序控制盘上连线精度高低数据存储量大小逻辑判断能力强无第七页，共六十一页，2022年，8月28日

本书只讲电子数字计算机。数字计算机又可分为专用计算机和通用计算机。我们主要介绍通用计算机，它又可分低单片机高体积功耗微型机

性能数据存储量小型机简易性指令系统价格中型机

大型机高巨型机低第八页，共六十一页，2022年，8月28日为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机（超级微电脑）和单片机六大类，它们的区别在于体积、简易性、功耗、性能指标、数据存储量、指令系统规模和价格，如上图所示。1、巨型机（超级计算机）1996年美国Intel公司首次突破万亿次/秒大关，达到1.4万亿次/秒；美国RS6000，2万亿次/秒；“白色ASCI”（2000年）12.3万亿次/秒。我国1992年银河-Ⅱ为10亿次/秒，1996年银河-Ⅲ为100亿/秒1999年中国神威Ⅰ号已达3840亿次/秒。2002年8月联想集团推出深腾1800每秒1.027万亿次浮点运算超级计算机，在2002年11月全球超级计算机中排名第43位。第九页，共六十一页，2022年，8月28日

2003年联想集团将推出4万亿次/秒超级计算机。目前全球最快的计算机是日本NEC的用于“地球模拟”的超级计算机，35.86万亿次/秒，排在第一位。排在第二位和第三的是美国HP公司造的两台超级计算机，运算速度均为每秒7.73万亿次（到2002年底）。最新报道，世界上超级计算机正在开始王中王的角逐。Cray公司将推出最新的X1超级计算机，速度52万亿次/秒。

IBM公司将为美国政府提供两台超级计算机，一台名为ASCIPurple，速度为100万亿次/秒；另一台名为BlueGene/L，将达到360万亿次/秒，预计2005年交付使用。主要用于武器、生物技术和高能爆炸的模拟计算。全球500台超级计算机中91%由美国制造，其中惠普占137台；IBM占131台，SUN公司占88台（到2002年底）。第十页，共六十一页，2022年，8月28日

我国计算机发展简介：

1957年，哈尔滨工业大学研制成功我国第一台模拟式电子计算机。

1958年，中国第一台计算机—103型通用数字电子计算机研制成功，运行速度每秒1500次。

1973年，中国第一台百万次集成电路计算机研制成功。

1977年，中国第一台微型计算机DJS—050机研制成功。

1983年，银河Ⅰ号巨型计算机研制成功，运行速度每秒1亿次。

1986年，中华学习机投入生产。

1987年，第一台国产的286微机—长城286正式推出。

1990年，长城486机问世。

1992年11月，中国第一台10亿次巨型银河计算机Ⅱ型通过鉴定。第十一页，共六十一页，2022年，8月28日

1995年，曙光1000大型机通过鉴定，其峰值可达每秒25亿次。

1996年，国产联想电脑在国内微机市场销售量第一。

1997年6月，130亿次巨型银河计算机3型通过鉴定。

1998年，中国微机销量达到408万台，国产占有率高达71.9%。

1999年8月，神威计算机达到3840亿次

2000年，曙光2000-Ⅱ，速度达到1170亿次/秒

2002年8月，联想深腾1800超级计算机每秒1.027万亿次。

2003年11月17日消息：美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室16日公布了最新的全球超级计算机500强，中国联想集团为中科院建造的“深腾6800”以每秒4.183亿第十二页，共六十一页，2022年，8月28日次的运算速度位居第14位。这也是迄今为止中国超级计算机在这一排名中取得的最好成绩。全球超级计算机500强评比一年两次，1993年发起至今已经进行了22届。评选由美国能源部的劳伦斯·伯克利国家实验室、田纳西大学和德国的曼海姆大学共同完成...

2003年7月23日，新华网报道，国家曙光信息产业集团宣布，2004年将建造一台每秒10万亿次的超级计算机，代号为“曙光4000A”，将采用2000多个64位AMDOpteron处理器。

第十三页，共六十一页，2022年，8月28日

2003年11月26日，北京晚报报道：清华大学研制出万亿次超级计算机“深超-21C”，最高速度到达15000亿次/秒，在全球排在第78位。

2003年12月15日报道，曙光信息产业集团在北京宣布，将为上海超级计算中心建造一台运算速度每秒十万亿次的高性能计算机，用于航天、航空、汽车制造和精确天气预报。使我国成为继美国和日本后，第三个拥有制造十万亿次超级计算机能力的国家。第十四页，共六十一页，2022年，8月28日

2、微型机（微处理器）第一代：4位机，4040

第二代：8位机，8080，6800，Z80

第三代：16位机，8086，68000，Z8000

第四代：32位机，80386，68020，Z80000

第五代：64位机，Pentium,P2、P3、P4

半导体技术从1µm、0.5µm、0.35µm、0.25µm0.18µm、0.15µm、0.13µm、0.1µm

80X86系列，奔4已达2.2GHZ(0.13微米）至3.4GHZ。微型机的核心部件是微处理器，也称为CPU。我国的计算机产业就是要有自主知识产权的CPU。科学院：2002年9月龙芯1号（主频300MHz）第十五页，共六十一页，2022年，8月28日

2003年12月龙芯2号（主频500MHz）上海交大：2003年2月汉芯1号（16位DSP）汉芯2号（24位DSP）

2003年12月汉芯3号（32位DSP）北京大学：众志，1999年12月16位CPU2000年12月16/32位CPU2003年12月众志-863CPU（用于网络计算机）同济大学：神芯1号、神芯2号（用于手机）中星微电子公司：星光1号、星光2号、星光3号北京中芯微系统公司：方舟1号、方舟2号、方舟3号复旦大学：神威1号（嵌入式32位CPU）哈工大：S698处理器（系统级设计平台）3、超级微电脑比药片还小的电脑进入人体。探索电脑与人脑的连接，将记忆芯片装入大脑，使电脑直接接受人脑的意念。第十六页，共六十一页，2022年，8月28日微处理器首批生产时间性能(MIPS)首批CPU频率MHz集成度(百万)寄存器宽度外部数据总线宽度最大寻址空间内含高速缓存大小808619780.880.12916161MB无8028619822.712.50.134161616MB无80386DX19856.0200.27532324GB无80486DX198920251.232324GB8KBL1Pentium1993100603.132644GB16KBL1PentiumPro19954402005.5326464GB16KBL1256KB或512KBL2PentiumII19974662667326464GB32KBL1256KB或512KBL2PentiumIII199910005008.2326464GB32KBL1512KBL2PentiumIV2000

1000

100以上

32

64

64GB

L1、L2注:MIPS每秒百万条指令微处理器地址与数据接口总线宽度第十七页，共六十一页，2022年，8月28日二、光子计算机

光子计算机中信息传输的介质是光。电子在固体中最大运动速度是593公里/秒，而光速是30万公里/秒。光子计算机利用光子取代电子进行数据运算、传输和存储。在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。

第十八页，共六十一页，2022年，8月28日美国贝尔实验室宣布研制出世界上第一台光子计算机。它采用砷化镓光学开关，运算速度达每秒10亿次。尽管这台光子计算机与理论上的光子计算机还有一定距离，但已显示出强大的生命力人类利用光缆传输数据已经有20多年的历史了，用光信号来存储信息的光盘技术也已广泛应用。然而要想制造出真正的光子计算机，需要开发出可以用一条光束来控制另一条光束变化的光学晶体管这一基础元件。一般说来，科学家们虽然可以实现这样的装置，但是所需要的条件如温度等仍较为苛刻，尚难于进入使用阶段。第十九页，共六十一页，2022年，8月28日

美国马萨褚塞州的一家光学技术公司-光导发光元件系统公司目前正与美国航空航天局马歇尔航天中心合作开发用来制造光子计算机的：“光”路板，实现对光子移动的控制，并有望在今年（2000年）取得突破。1999年5月，在美国西北大学工作的新加坡科学家何盛中领导的一个有20多人的研究小组利用纳米级的半导体激光器研出世界上最小的光子定耦合器，可以在宽度仅0.2至0.4微米的半导体层中对光进行分解和控制。

下面推荐几片文章：第二十页，共六十一页，2022年，8月28日1、突破摩尔法则分子、dna、量子光子计算机展望_大众科技科技时代_新浪网

摘要：

...突破摩尔法则分子、dna、量子光子计算机展望_大众科技科技时代_新浪网.首页.●...聊天.●导航.新浪首页.&科技时代.&大众科技.&正文.突破摩尔法则分子、dna、量子光子计算机展望....据称基于单个分子的芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高。.

光子计算机.........第二十一页，共六十一页，2022年，8月28日2、分子、dna、量子光子计算机展望/kjqy/file/0302.htm

2001/11/27

摘要：

...分子、dna、量子光子计算机展望.基础研究.-....更多内容.前沿搜索.首页.&科技前沿.&高新技术.&具体内容.分子、dna、量子光子计算机展望...据称基于单个分子的芯片体积可比现在的芯片大大减小，而效率大大提高。.

光子计算机.........第二十二页，共六十一页，2022年，8月28日

3、fjirsm

/kpsc/dnj.htm

[GB]

5117字节

2001/10/31

摘要：

...计算机的智能将超过人类，并根据计算机的发展历史和人、机思维每秒运行的速度比较，预测，其时就在不久的将来——2050年。.未来的计算机：dna计算机、光子计算机、三维计算机、生物计算机和量子计算机。....其实，每个生物细胞里都在进行着极为复杂的信息流动。早在1994年科学家就已经开始利用专门的dna微序列完成最简单的数学计算。.二、光子计算机.光子运载信息的速度远比电子来得快......第二十三页，共六十一页，2022年，8月28日4、网易电脑频道-21世纪的10大技术趋势（下）58:8404/scienceimport/0802/010120_39798_32448.html

9713字节

2002/12/12

摘要：

....微光子技术是在精细范围内导光的技术，如同微电子技术可以制造电子集成电路、电子设备和电子计算机，微光子技术同样可用于制造光子集成电路、光子设备和光子计算机。微光子学的前沿技术取得最新成果...目前，科学家正在研究光子晶体的理论极限，开发光子集成电路的关键技术和构筑件。展望将来，微光子技术发展前景无限，它不仅仅给电讯技术造成巨大冲击，谁又能预测超高速的光子计算机何时问世呢？.微流体技术.........第二十四页，共六十一页，2022年，8月28日

光子计算机研究取得的新进展

2002年08月22日

导语：据8月号《光谱》杂志封面文章载文指出，计算机内数据的传输与城市交通正好相反。在微处理器的“闹市区”，即其内核，数据以惊人的速率传输。但在远离“闹市”的地方

，也就是将微处理器与微处理器、电路板与电路板连接起来的导线所形成的“宽阔道路”上，相比之下，数据传输速度可以用“爬行”来形容。英特尔的奔腾4处理器工作主频高达2.4GHz，但是系统总线却只有400MHz。数据离开计算机进入全球高速光纤电信网络之后，传输速度再次提

第二十五页，共六十一页，2022年，8月28日升。消除计算机内数据传输的瓶颈，是摆在科技人员面前的一大课题。不少科技人员提出，以高速率的光连接技术取代目前计算机中所采用的铜导线，以光子而不是电子为媒介，在电路板、芯片甚至芯片的各个部分之间传输数据。他们设想，微处理器产生的电信号作用于激光发生器，激光束直接或通过波导管传输到光电探测器，探测器再将信号传输到其目的地。科学家们已经研制出可将距离不超过300米的计算机系统相互连接起来的光学装置；第二十六页，共六十一页，2022年，8月28日以提高计算机内不同部件数据传输率为目标的光学装置也正在研究开发之中。下一步，他们还将研究出能够提高芯片之间或大规模平行计算所需要的芯片堆栈数据传输带宽的装置。开发这类装置所需要的基本材料已经具备，如廉价的激光发生器、灵敏度很高的探测器和数据传输技术。只要解决好了光学传输装置运行稳定性和生产成本降低到可接受程度这两大问题，用它们取代铜导线的日子就为期不远了。第二十七页，共六十一页，2022年，8月28日以波导管为主的光传输装置占主流目前世界上许多研究机构都采用波导管设计，比较典型的有德国戴姆勒-克莱斯勒研究所开发的计算机光传输板。该装置的激光二极管产生的激光穿过一组透镜经微反射镜反射，到达聚合物波导管，然后再逆行经过上述过程，传导至光电二极管，再恢复成电信号。原型机的数据传输率达1Gb/秒。目前该研究所正在开发数据带宽达10Gb/秒的装置。美国一家成立才两年的公司—普利马里安公司正在开发的装置全部采用光纤作为导线，芯片产生的电信号通过电路板传至激光驱动芯片，后者对信号进行处理并发送出去。第二十八页，共六十一页，2022年，8月28日连接激光驱动芯片的模块可产生一组12束VCSEL激光，光束通过光纤传送至另外一块电路板上相同装置，光电探测器拾取信号并传送至接收芯片进行处理和恢复成电信号。

专家指出，不出两到三年的时间，就将出现使用光学I/O设备的计算机；最终，采用光纤传导的主板将取代今天的铜导线主板。以光纤作为传导的产品已经在市面上展露身影，不过不是应用于计算机。2000年底，安捷伦科技公司就开始销售一种可将距离300米远的计算机相互连接起来的光学联网装置，数据传输率可达10GB/秒。该装置由4个发射器和接收器组成，通过4条光纤(4通道)相连。12通道的产第二十九页，共六十一页，2022年，8月28日品数据传输率最高可达40GB/秒，不过一次只能进行一个方向的传输。

直接光互连：开发高性能计算机的绝妙方法通过波导管传输激光信号的设计相对不那么复杂，可在短期内达到推广要求，但要开发高性能计算机，还必须另想办法。让芯片与芯片通过空中直接实现光互连，就是科技专家想出的一个绝妙办法。

美国加利福尼亚大学专家开发出一种试验装置，高2厘米，成功实现了CMOS芯片堆栈的光互连。每块芯片堆栈上覆盖一块由256枚激光发生器和光电二极管组成的光学芯片。激光发射后，垂直向上，在传输至第三十页，共六十一页，2022年，8月28日另一块芯片堆栈时，同样是以垂直方式。在两块芯片之间，激光经过衍射栅、透镜和调整反射镜进行导向。该装置的256枚激光发生器的数据传输率均为1GB/秒。虽然多数研究人员认为这种空间连接方式需要很长时间研究，才能形成成熟产品，但是在北美、日本和欧洲等地，越来越多开发高性能计算机系统的学者积极投身这种研究。其原因很简单：在传统方式下，超级计算机被设定用于某种任务之后，如果想让它来完成另外一种任务，它当前的配置就不是最理想的了。而采用空间光学连接方式之后，只要将激光导向不同的光电探测器，就可改变芯片之间的交流方式，达到轻松更改系统配置的目的。(王伦编译)第三十一页，共六十一页，2022年，8月28日三、量子计算机将量子力学原理用于计算机。去年7月4日，德国慕尼黑技术大学和美国哈佛大学等机构的科学家宣布，他们已研制出了五量子位的核磁共振量子计算机，并成功地通过试验计算。传统计算机用电位的高低表示０和１，进行二进制运算；而量子计算机则基于“量子位”。二进制位只能用“0”和“1”两个状态表示信息，目前传统半导体制造技术已经接近发展极限，而“量子位”可用粒子的量子力学状态来表示信息，第三十二页，共六十一页，2022年，8月28日利用粒子自旋的特殊性质，快速处理大量的信息。由于量子世界的不确定性，“量子位”可以包含所有可能数值的不确定状态。因此，量子计算机可以实现电子计算机无法进行的复杂计算。量子计算的关键是要在原子水平上实现对量子的控制。对此目前有数种方案。核磁共振量子计算机的机理是通过核磁共振效应来控制量子。德美科学家新研制出的量子计算机使用了一种由五个核自旋对组成的特殊化合物，并以射频脉冲序列发生器来控制原子核自旋对，另外还使用了多通道核磁共振频道仪。第三十三页，共六十一页，2022年，8月28日

其中，由四种元素组成的特殊化合物是该量子计算、机的关键。这一化合物由慕尼黑技术大学有机化学教授格拉泽设计合成。格拉泽认为，五量子位量子计算机的计算能力与目前的电子计算机相比还有较大差距，但它是量子计算机的新发展。它的机理是研制更大量子位量子计算机的基础。据《日本经济新闻》报道，量子计算机利用了“量、子效应”原理，与现有的超级计算机相比，它的运算速度要快一亿倍，是今后高速解析基因、准确进行气象预报和经济预测等所必需的工具。人民日报网络版8月21日讯

近日，世界上最先进的量子计算机在第三十四页，共六十一页，2022年，8月28日IBM阿蒙德（Almaden）研究中心研制成功。科学家宣称量子计算机能够解决传统计算机难以完成的计算问题。

下面推荐几片文章：1、量子计算机:计算机时代的新革命

2001年07月04日来源:硅谷动力杨建民

/Archive/2001/7/4-10784.html

2、量子信息讲座，第一讲

量子计算机中国科学技术大学物理系段路明

郭光灿

3、计算机技术发展的一个新方向—量子计算机量子信息与测量教育部重点实验室，清华大学物理系龙桂鲁教授

第三十五页，共六十一页，2022年，8月28日4、从数字时代到量子时代：美国著名科学家KAKU谈量子计算机

5、印度科学家预言量子计算机将在5年内问世

2000/01/12

11:08科技日报6、量子计算机

7、德科学家研制出五量子位量子计算机

8、科技文萃—美研制出量子计算机

第三十六页，共六十一页，2022年，8月28日量子计算机:计算机时代的新革命

2001年07月04日来源:硅谷动力杨建民对于那些研制量子计算机的人员来说，速度是非常重要的，因为量子数据从出现到消失的时间只有十亿分之一秒，这样的短的时间对于想把握和处理它的科学家来说实在是太短了。但是在今天这个时代，有新的报告说已经有了处理这种超高速数据的手段。这个发现虽然很小但是却非常重要。它的运算速度将会使目前的超级计算机成为历史。在传统计算机和量子计算机里，资料表现为字节，以0和1两种形态存储在计算机里，但是量子计算机却另有一个惊人的存储形式，它具有量子计算机一种模糊存储的概念，其优势在于第三十七页，共六十一页，2022年，8月28日大家所熟知的“状态叠加”，也就是说一个电子旋转的方向同时反复存在于某种状态，这就有条件去对它进行测量和观察。举例来说，作为普通计算机存储形式0和1的替代，量子计算机中的字节（或者叫做qubit）可以是三分之一个一或者是三分之二个零，也可以是其它任意的组合。这种模糊数据被逻辑糸统处理，计算机同时计算各种可能的结果。问题在于，量子计算机中的字节里存储的数据是研究人员希望去进行全面而彻底的运算的——但是它们在装进量子计算机后却会极快的消失。第三十八页，共六十一页，2022年，8月28日为了促进量子信息的快速发展，物理学家维·奥斯坎勒和他在加利弗尼亚大学，宾夕法尼亚州立大学圣巴巴拉和其它一些大学的同事们开始用一种叫做硒锌合金的半导体材料（ZnCdSe）和激光设备，促使电子围绕这种材料进行旋转。在(ZnCdSe)材料中，量子运动中还有一个外加磁场，在通常状况下，ZnCdSe合金中的电子流散乱而无方向性。但是在100飞秒（毫微微秒）蓝色激光脉冲的循环冲击下，研究人员成功地将一组电子驱入了同步旋转的轨道。为了控制这种旋转，研究人员激发出二次100飞秒的脉冲——一种含有量子的蓝绿色光谱。在个别情况下，这种量子的能量较低而易被半导体合金中的电子所吸收。奥第三十九页，共六十一页，2022年，8月28日斯坎勒解释说，当这些低能量电子经由半导体合金时，电子组群会有效地制造出一个磁场，这个磁场会将在原来轨道上旋转的电子改变方向而使其处于一种新的状态。从理论上讲，技术上可以允许研究人员在量子信息消失之前完成一百万次这样的操作，虽然研究小组到现在为止还没有表明这种机器的计算能力。量子信息技术的发展是非常迅速的，量子力学专家斯多特·沃尔夫说：“这是个非常重要的里程碑。”第四十页，共六十一页，2022年，8月28日

Isaac

L.

Chuang是研究小组领导人，领导着来自IBM研究院、斯坦福大学以及Calgary大学的科学家，他说：“预计2020年将是量子计算机的时代，摩尔定律不再实用，集成电路将由分子和原子直接构成。事实上，构成量子计算机的基本元素就是分子和原子。”

第四十一页，共六十一页，2022年，8月28日

量子计算机量子计算机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。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性：第四十二页，共六十一页，2022年，8月28日如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的幺正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。

第四十三页，共六十一页，2022年，8月28日无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。

迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原第四十四页，共六十一页，2022年，8月28日子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。摘自《科技日报》第四十五页，共六十一页，2022年，8月28日

四、生物计算机

美国普林斯顿大学的研究人员新近开发出一种使用ＲＮＡ（核糖核酸）来解决计算问题的简单的生物计算机，这是分子计算领域取得的新突破。科学家研制的RNA计算机实际上是一个含有1024种不同RNA链的试管。研究者指出，用分子计算来处理某些问题比传统的计算方法更为有效。将生命活动的指令进行编码的遗传分子DNA和RNA里可储存比常规存储芯片更多的数据，试管状的第四十六页，共六十一页，2022年，8月28日生物计算机中含有大量遗传物质片段，每一个片段就是一个微型计算工具，因此生物计算机能够同时进行数千次甚至上百万次计算。兰德韦贝指出，ＲＮＡ计算机在研制方面比ＤＮＡ计算机有优越性，因为研究人员不能随心所欲地剪切ＤＮA分子，但只需一把“全球通剪刀”即一种切割酶就能随意剪切ＲＮＡ分子。自１９９４年美国南加州大学的科学家首次提出ＤＮＡ计算机理论以来，生物计算机日益引起关注，美国现有十多个研究小组从事此类研究。第四十七页，共六十一页，2022年，8月28日下面推荐几片文章：1、生物计算机——日本的下一代计算机/html/29/10110599.htm

2、以色列研制出微型生物计算机

33/jkzx/qy/new/200111/2623177.html

3、热点透视:计算机＋生物技术＝？

/cyzx4010.htm

4、美正在研发dna生物计算机大量复杂问题轻松搞定_硬件科技时代_新浪网2002/10/7

/h/n/2002-03-30/109222.shtml

第四十八页，共六十一页，2022年，8月28日

5、dna计算机1/zhangxw/tsg/tsg26.htm

2002/1/13

摘要：

...这些计算机使用的生物操作只有合成、剪接（切割一连接）和抽取。.理论上dna计算机具有现代电子计算机同样的计算能力，但它具有的巨大潜力（功能）却是电子计算机不可比拟的：dna计算机运算速度极快，其几天的运算量就相当于计算机问世以来世界上所有计算机的总运算量；它的贮存容量非常大，1立方分米的dna溶液可以存储1万亿亿位二进制的数据，超过目前所有计算机的存储容量；它的能量消耗只有一台普通计算机的十亿分之一。如此优越的分子计算机当然是激动人心的。第四十九页，共六十一页，2022年，8月28日

6、.以色列科学家设计出dna计算机，等3条新闻/jrxw/015.htm

2001/12/31

摘要：

...以色列科学家已经设计了一种dna计算机，这种计算机如此之小，以至于万亿个这样的计算机都可以放在同一个试管中，每秒进行十亿次运算，精确度可达99.8%。这种计算机的输入、输出和软件不是使用数字和规则，而是由dna分子组成，这些分子进行编码信息的有机存储和处理。.科学家认为这种dna计算机未来将成为传统计算机的强大竞争者。因为dna在速度上有更大的发展潜力。以色列威斯曼学院的教授夏皮罗表示：“我们已经设计了生物分子计算机。当万亿个这样的计算机一起运行时......第五十页，共六十一页，2022年，8月28日

生物计算机70年代就有人发现，脱氧核糖核酸处在不同状

态下，可产生有信息和无信息。联想到晶体管的通导

或截止电压的高或低、脉冲信号的有或无等等，激发

了科学家们去研制生物电子元件的灵感。脱氧核糖核酸即DNA，由于生物电子元件比硅

芯片上的电子元件要小很多，甚至可小到几十亿分

之一米。而且，生物芯片本身具有天然独特的立体化

结构，其密度要比平面型硅集成电路高5个数量

级。如果让几万亿个DHA分子在某种酶的作用下进

行化学反应，就能使DNA计算机同时运行几十亿

次，这就意味着运算速度要比当今最新一代超级计

算机快十万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，第五十一页，共六十一页，2022年，8月28日且具有巨大的存储能力。如体积为一立方米的液体DNA计算机，存储的信息比世界上所有计算机存储的信息总和还要多。美国科学家首创的DNA计算法，就是利用核苷酸A与T、G与C各自的

结合方式，成功地求解了复杂的数学难题，他们还计

划继续求解更多的数学难题。预计有可能在今后5年内将实用的生物计算机推向世界。许多科学家认

为，21世纪将是生物计算机的时代。第五十二页，共六十一页，2022年，8月28日

世界最小生物计算机问世:靠DNA运行

2003-02-27

日前，以色列科学家研制出一“台”速度达每秒330万亿次运算的生物计算机。这种计算机的运算速度比现在普通计算机快10万倍。它的运算速度何以如此之快？其中的奥秘是：它依靠DNA运行。

美国《国家地理》杂志报道称，一年前，以色列维茨曼科学研究所的研究人员开发出一种由DNA和生物酶分子制成的可运行程序的分子计算机。现在，该研究所的研究人员又研制出一种速度更快的计算机。这种计算机中的DNA既可以为整个计算机提供输入信息，又可以为计算机提供运行所必须的能量。

这种计算第五十三页，共六十一页，2022年，8月28日机可以算得上生物计算机上的一个巨大进步。上周，吉尼斯世界纪录宣布这台计算机是世界上迄今为止最小的生物计算

目前，生物计算机仅处于起步阶段，要想真正了解更多的奥秘还需学应用领域内它将发挥更为重要的作用。这种计算机内部有一个叫FokI的生物酶，FokI生物酶打破DNA双螺旋结构中的连接键，DNA就可以为计算机提供足够的能量。利用DNA来储存和处理信息的创意始于1994年，当时一位加州科学家首次使用试管中的DNA来解一道简单的数学题。其实，这种创意最终还是来自于大自然。大自然中早就存在生物纳米计算机，几乎所有的生物中都含有这样的计算装置。但是，第五十四页，共六十一页，2022年，8月28日这些天然的计算装置不是由人类控制的。比如，我们就无法让一棵树计算出圆周率小数点后面的数字。因此，科学家就想研制出一台