如何集运算和存储于一身?

　　我们的生活离不开电脑。电脑的核心部件是微处理器(CPU)，即通常所说的芯片。这是电脑中执行运算的地方，CPU的速度决定了电脑的速度。

　　组成CPU的是数以亿计的晶体管。为了提高CPU的速度，半个多世纪以来，晶体管越做越小，以便在相同的空间容纳下更多数量的晶体管。现在，普通芯片上的一个晶体管，尺寸接近纳米量级。但是，这条路快走到头了，因为晶体管已经很难再小。所以若按老办法，电脑提速的空间已非常有限。

　　这就是现在大家热衷研究量子计算机的原因。不过，量子计算机也有致命的缺陷，比如需要在极低温下运行，需要绝对安静的环境，而这些都超出了我们目前的技术能力。

　　一条提高计算机速度的新路子

　　但是，其实还有一条提速路我们未做尝试。在传统计算机中，数据的运算和存储是分开的：运算在CPU，临时的存储在内存，长期的存储在硬盘。当一个运算完成，其结果暂时先存到内存，CPU恢复原位，然后执行下一个运算。当运算中需要调用前面的结果时，再从内存中读取。数据在CPU和内存之间来回传输、调用，这会消耗大量的时间和能量。如果把两者合二为一，就能省下很多时间。

　　存储式计算机就是这样一种新型的计算机。它把传统计算机上CPU和内存的功能整合起来，在一种称作“运算存储器”的单一类型元件中，同时处理数据的运算和存储，这样就可以极大地缩短时间。

　　如何集运算和存储于一身?

　　存储式计算机的概念最早是在1970年代提出来的。其实人们最初是为了模拟人脑的工作原理而设计的，因为我们的大脑在工作时，每个神经元既充当处理器又充当内存。请想像一下，我们的大脑每秒钟进行1016次操作需要消耗大约20瓦特，而一台传统的超级计算机需要1000万倍的功率才能完成同样数量的操作。功率的很大一部分被浪费在CPU和内存之间的信息来回传输上。如果能把运算和存储集于一身，可以省下多少能量和时间啊!

　　那么，存储式计算机的核心元件——运算存储器，是如何做到这一点的呢?以下是它的工作原理。

　　在传统电脑中，一个晶体管的工作基本上可以归结为一件事情：要么让电流通过，要么不让电流通过——这取决于它被告知要做什么。事情做完，晶体管就恢复原位，做过的事情在它身上不留任何痕迹。在存储式计算机中，运算存储器做的事情跟晶体管完全一样，所不同的是，事情完成后，它的一些物理属性(如电阻、电压)随之改变。改变不仅是定性的，也是定量的。这就相当于把操作结果储存了起来，实现了集运算与储存于一身。

　　存储式计算机的优点

　　长久以来，运算存储器存储的是模拟信号，而不是数字信号(如二进制的数字0和1)。但是模拟信号有个缺点，随着运算量的积累，误差会越来越大，最后会让输出结果变得毫无意义。而数字信号就不存在这个问题。所以，存储式计算机要想实用，也必须数字化。

　　这个困难已被攻克。最近，美国加州大学的科学家造出了世界上首台数字存储式计算机。它使用二进制数字来存储数据。

　　为了建造存储式计算机，从硬件到软件都必须重新设计。譬如，硅晶体管就必须换成运算存储器。所以，从某种程度上说，比建造超级计算机还麻烦。不过，比起量子计算机，存储式计算机能在室温下运行。此外，它的制造成本也要低很多。

　　存储式计算机擅长解决复杂的并行式计算问题(比如旅行推销员问题：存在一系列的城市，现在要找出旅行推销员在拜访每个城市一次后回到起点的最短路径)。不过在可预见的未来，它不会取代你的笔记本电脑和智能手机。