贯穿电影《流浪地球2》的一个重要角色是550系列量子智能计算机，丫丫的数字生命、无人机暴乱、MOSS系统的“阴谋”等都与它有关。从起初的550A到电影最后的MOSS，它变得越来越强大，甚至连人类都要依靠它们实现“数字永生”。

  计算机的计算速度是如何一步步变快、变强大的？这就要从人类最原始的计算机——算盘说起。

 

机械计算工具的演进

 

  算盘是计算机发展的起点，它其实是一台“机械式半自动化运算器”。打算盘的“口诀”就是编程语言，算盘珠是存储器。

  计算机发展的第二阶段是可以做四则运算的加法器、乘法器。1642年，法国数学家帕斯卡为了帮税务官父亲计税，发明了一个机械式的加法器。1673年，德国数学家莱布尼茨发明了可做乘除法的乘法器。

  计算机进阶到第三步，是可编程织布机。织布机跟计算有什么关系？织布工人在纸上画出图形，机器能读懂并将其绣到布上，这个过程就是编程。1801年，法国机械师杰卡德发明了首个可编程织布机——通过穿孔卡对织布机进行编程。

  计算机发展的第四阶段是差分机。西方进入大航海时代，人们在航行中编制航海、天文用表时，需要大量人工劳动，直到19世纪英国数学家巴贝奇设计出了差分机与分析机。虽然机器在工程上没能彻底实现，但已经可以完成非常复杂的计算，如通过多项式逼近对数、指数和三角函数。

  到了第五阶段，人类历史上第一次有了计算程序。1843年，世界上第一位程序员爱达设计出了一个算法，用来计算伯努利数列的值。这是历史上第一个利用计算机运算的算法程序。

  第六阶段，机械计算工具的发展到达顶峰。第二次世界大战期间，艾伦•图灵为了破译密码设计出“图灵甜点”解码机，其有着非常优越的计算能力和适应性。

 

现代计算机的诞生与应用

 

  经过这六个发展阶段，至此，机械式计算工具达到了工程技术积累的巅峰。但这时还没有出现电子计算机，即便是“图灵甜点”，也只是一类专用的计算机，每一个功能都要专门制造。

  直到出现了三位伟大的学者——艾伦•图灵、冯•诺依曼和威廉•肖克利。他们的发明奠定了现代通用计算机工程科学的三大基石，使通用电子计算机最终得以问世。

  图灵是个奇人。他曾在普林斯顿大学读博士，第二次世界大战时期破译了恩格玛密码，后来成为爱因斯坦的同事。他还是一位世界级长跑运动员，参加过马拉松比赛。有一部名为《模仿游戏》的电影，讲述的便是他的传奇人生。

  1936年，为了解决“数学可判定”问题，图灵发明了图灵机——模拟人用纸笔计算的机器。图灵机模型主要由一条无限长的纸带、一个读写头和一些内部状态组成。纸带被分成一个个小方格，每个方格可以包含一种符号，如0或1。读写头可以在纸带上移动，读取和写入符号，并根据当前状态和读取的符号改变内部状态和移动方向。图灵机可以模拟任何算法的过程，是一个理论上的计算模型，为现代计算机的发展奠定了基础。

  冯•诺依曼首先提出“存储程序”的概念和二进制原理，并为图灵机的实现提供了一个通用的体系结构——将计算机分为输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备。有了冯•诺依曼的结构，图灵机从一个抽象的数学模型，变成了工程师可以实现的结构，从而解决了现代计算机如何实现的难题。

  1946年2月14日，人类历史上第一台真正意义上的电子计算机——ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生。它使用电子真空管执行数字和逻辑运算，使用穿孔卡片输入数据和指令。ENIAC的出现标志着现代计算机的诞生，对人类社会的科技、经济和社会发展产生了深远影响。

  光有电子计算机还不行，人们还希望它的运算速度能够变快。

  肖克利被誉为“晶体管之父”，他与另外两位科学家一起发明了晶体管。晶体管是实现计算机数学基础布尔代数的开关器件，是建造现代计算机之塔的“砖块”。它的发明为现代计算机的发展提供了更小、更快、更可靠的电子元件，取代了之前使用的真空管，使计算机的体积和功耗大大降低，性能和可靠性大大提升。

  在肖克利之后，杰克•基尔比发明了集成电路。1958年，基尔比成功创造出世界上第一个采用单一材料制成的集成电路，标志着微电子时代的开始，对全球电子工业的发展产生深远影响。现在，我们最大的一个芯片上可以集成超过1000亿个晶体管，这正是微电子集成电路的功劳，它让计算机运行得越来越快。2000年，基尔比因集成电路的发明被授予诺贝尔物理学奖。

  有了计算机，接下来就是应用的繁荣。全世界使用计算机的人是依靠什么互联互通的？是互联网，其让全世界任何一个人都可以通过网络与世界通信。互联网的发明离不开传输控制协议/网际协议（TCP/IP）。其是由罗伯特•卡恩和文森特•瑟夫共同发明的。他们的这项发明对互联网的发展产生了重要影响，并最终成为大部分因特网共同遵守的网络规则。

  英国计算机科学家蒂姆•伯纳斯—李在欧洲核子研究组织工作时，意识到科学家之间共享信息的方式非常不便。因此，他开始着手设计一种新的信息管理系统，这就是万维网的前身。

  伯纳斯—李设计的万维网系统包括三个核心组成部分：超文本标记语言（HTML）、超文本传输协议（HTTP）和统一资源定位符（URL）。HTML用于创建和格式化网页内容，HTTP用于在Web服务器和浏览器之间传输数据，而URL则为互联网上的每个资源提供了唯一的地址。

  1990年，伯纳斯—李成功开发出第一个Web浏览器和Web服务器，使用户能够在万维网上查看和发布信息。这一发明为互联网的普及和发展奠定了坚实基础，从此，人类进入了数字文明的新时代。

 

中国计算科学家的历史贡献

 

  在计算机领域，有三位中国科学家贡献很大。

  第一位是中国计算机学科的创始人、被誉为“中国计算机之母”的夏培肃。她是我国第一台自行设计的通用电子计算机的发明人，还培养了一大批从事计算事业的人才。英国广播公司（BBC）专门撰写了一篇文章，以纪念夏培肃。

  第二位是中国工程院院士金怡濂。作为我国巨型计算机事业的开拓者之一，他在半个世纪里先后提出在各个时期均居国内领先或国际先进水平的大型和巨型计算机系统的设计思想和技术方案，并组织科技人员刻苦攻关、予以实现。他是“神威”超级计算机总设计师，使我国高性能计算机峰值运算速度从每秒10亿次跨越到每秒3000亿次以上。

  第三位是国家最高科技奖获得者、两院院士王选。他是计算机汉字激光照排技术的创始人，被称为“汉字激光照排系统之父”。他主持研制成功的汉字信息处理与激光照排系统、方正彩色出版系统得到大规模应用，带来了我国出版印刷行业“告别铅与火，迈入光和电”的技术革命。

  这里还要再提一下中国工程院院士李国杰。20世纪80年代，我国在计算机超算方面还很落后，好不容易从美国买来一台超级计算机，美方却用玻璃房子把机器罩在里面，并24 小时全方位监控，连进出门的钥匙和启动密码也由美方掌控，中国人不允许进入玻璃房子。

  这对中国科学家而言是一个耻辱。后来，李国杰回国后带领研发团队，研制出“曙光”机群系统，并逐步实现了高性能计算机产业化。现在，我们无论是大学、研究所还是企业，都有最快的高性能计算机可用，正是在于我们走通了高性能计算机产业化创新道路。

  今天，我们有了自己的“玻璃房子”——在四川成都天府新区有一个网红打卡地，那就是如科幻大片般的曙光“硅立方”景观玻璃房。这里装着的高性能计算机，正是《流浪地球2》中依靠液冷散热的550W的原型。

 

未来计算技术的两个方向

 

  计算技术的未来，有两个方向是人们比较关注的。

  一是到2035年，我们能不能造出Z级计算机。Z级计算机中的“Z”，代表计算机运算速度达到每秒1021次，现在我们能达到E级计算，即1018次。

  高性能计算机提速的背后，有几个要解决的重大问题，如“能耗墙”。如何降低能耗是世界级难题。现在，我们主要通过器件结构或工艺提升能效，包括高密度的集成封装。当然，如果高温超导技术实现，超导技术的应用也能降低能耗。另外，光子计算也有望降低能耗。

  二是量子计算机。很多人看过《流浪地球2》后都在问，类似于550W或者MOSS的量子计算机能不能被制造出来。量子计算机主要是并行计算，所以它的速度和性能充满想象空间。

  我认为，要实现量子计算机，至少需要6个步骤，但现在我们的科学家只知道前三个步骤该怎么做，后三个步骤还没有头绪。

  第一步，人们已经做出来了“量子算盘”——用量子计算的原理对某一特定问题进行加速，如谷歌公司的量子计算机、中国科学技术大学研究团队的“九章”，已经可以在量子采样算法上实现“量子优越性”。

  第二步是“量子运算器”，就是要能对一类科学问题进行求解。现在这一步还存在技术挑战，如量子存储要克服量子态可存储时间极短的问题、量子随机访存尚未实现实验验证，等等。

  第三步是领域专用的量子计算机，需要实用的量子算法、量子编程框架、量子编译优化、量子指令集、量子微体系结构、量子纠错码、底层物理芯片……我们希望到2050年前能完成这一步，构成一个完整的量子计算机技术体系。当然，即便到了这一步，距离电影中的550C都还非常遥远，这需要更多年轻人投身到这一领域共同努力。今天，人类已经进入到了人—机—物三元融合的世界，未来的信息世界要靠大家一起创造。■

  （作者系中国工程院院士，记者赵广立根据其在“科学与中国”再出发—— “千名院士·千场科普”首场报告会上的报告整理）

《科学新闻》 (科学新闻2023年10月刊 封面)