計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展趨勢探析

張 瑞

ZHANG Rui

（駐馬店教育學(xué)院 計算機(jī)系，駐馬店 463000）

0 引言

自從1946年第一臺計算機(jī)的出現(xiàn)，它的發(fā)展己經(jīng)經(jīng)歷了60多年來的變遷。計算機(jī)在運(yùn)算速度、增進(jìn)性能、縮小性強(qiáng)、降低成本以及開發(fā)應(yīng)用等方面得到了空前發(fā)展。隨著知識經(jīng)濟(jì)的不斷深入，計算機(jī)的發(fā)展趨勢不僅繼續(xù)深化，而且節(jié)奏加快。在計算機(jī)本身發(fā)展的同時，它的應(yīng)用領(lǐng)域從過去的單一化走向了多元化。在日常生活中，計算機(jī)的應(yīng)用已無處不在，無論是軍事領(lǐng)域、教育領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域還是其他商業(yè)領(lǐng)域，它已滲透到國民經(jīng)濟(jì)各個部門及社會生活的各個方面。

1 計算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速的原因

1.1 經(jīng)常性的、連續(xù)性的創(chuàng)造活動的出現(xiàn)

計算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的原因之一就是創(chuàng)造活動經(jīng)常的、連續(xù)性的出現(xiàn)?，F(xiàn)實(shí)需求的驅(qū)動、關(guān)于計算機(jī)技術(shù)認(rèn)識部分或者說是計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展、信息的共享可以用來解釋這種經(jīng)常性的創(chuàng)造活動。

1.1.1 持續(xù)不斷的創(chuàng)新是在需求的驅(qū)動下發(fā)生的

正是二戰(zhàn)對信息的緊迫需求減少了創(chuàng)造的障礙，使得資源可以運(yùn)用于基本的技術(shù)試驗(yàn)，促進(jìn)了計算機(jī)的出現(xiàn)。早期階段各研究所、大公司、大學(xué)和政府部門對科學(xué)運(yùn)算的需求導(dǎo)致了計算機(jī)迅速地轉(zhuǎn)為民用、轉(zhuǎn)為工業(yè)產(chǎn)品，促進(jìn)了計算機(jī)工業(yè)的發(fā)展。隨著計算機(jī)在尖端科學(xué)技術(shù)和其他科學(xué)技術(shù)與工程設(shè)計方面(如數(shù)學(xué)、物理、力學(xué)、化學(xué)天文、晶體結(jié)構(gòu)分析、石油勘探與開發(fā)、橋梁設(shè)計、大地測量等)的普遍應(yīng)用，對計算機(jī)的性能、容量也提出了更高的要求，使創(chuàng)造活動經(jīng)常性、連續(xù)性的出現(xiàn)。在計算機(jī)行業(yè)，按照技術(shù)軌道領(lǐng)先一步推出新計算機(jī)技術(shù)產(chǎn)品意味著可能提前占有市場。競爭的壓力和對利潤最大化的要求往往在技術(shù)的發(fā)展上表現(xiàn)為：計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步比市場實(shí)際需求發(fā)展的更快。這無疑給創(chuàng)造活動的速度、時間快慢提出了更高的要求。

1.1.2 關(guān)于計算機(jī)技術(shù)的認(rèn)識部分經(jīng)常提供計算機(jī)技術(shù)如何改進(jìn)的相對有力的指導(dǎo)

計算機(jī)領(lǐng)域的工程師和科學(xué)家們的實(shí)踐是往復(fù)的，科學(xué)知識暗含在數(shù)量和種類極為可觀的設(shè)計中而這些設(shè)計又體現(xiàn)在計算機(jī)產(chǎn)品中，不但在理論上是可行的還必須經(jīng)過真實(shí)世界的約束檢驗(yàn)。試錯、偶然的運(yùn)氣，甚至有時是錯誤的原理，也極有可能導(dǎo)致行之有效的新的計算機(jī)技術(shù)。集成電路中的鋁—硅觸面，雖然理論上沒有問題，但在實(shí)際應(yīng)用時卻經(jīng)常出差錯，經(jīng)過反復(fù)的試錯，終于發(fā)現(xiàn)了“鋁—硅—氧化物”觸面控制，極大地促進(jìn)了后來超大型集成電路的發(fā)展。這些蘊(yùn)含在新技術(shù)中的知識又被往復(fù)地用以產(chǎn)生新的知識，如“鋁—硅—氧化物”觸面控制的發(fā)現(xiàn)有利于攻破鋁—硅肖特基勢壘。新知識成為成功實(shí)踐的基礎(chǔ)，往復(fù)地使用將產(chǎn)生更進(jìn)一步的創(chuàng)新，有時候這種往復(fù)過程能夠激發(fā)出全新的技術(shù)創(chuàng)造。計算機(jī)技術(shù)中大量的創(chuàng)造活動，是從試錯法進(jìn)行的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)，到精心開發(fā)的程序“RDD&D”(研究、開發(fā)、設(shè)計和演化的簡稱)的變化，這種在科學(xué)知識的指導(dǎo)下進(jìn)行的精心策劃、性能和解釋方面的煞費(fèi)苦心的推理和往復(fù)的實(shí)踐，不斷地使關(guān)于新技術(shù)的信息涌現(xiàn)出來，進(jìn)而指導(dǎo)創(chuàng)造活動的經(jīng)常性的發(fā)生。此外，計算機(jī)中的新技術(shù)迅速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品首先運(yùn)用于開發(fā)研制下一代的新技術(shù)，如計算機(jī)輔助設(shè)計在芯片制作、軟件開發(fā)中的運(yùn)用，極大地縮短了研發(fā)周期，加快了創(chuàng)新活動的步伐。

1.1.3 計算機(jī)技術(shù)(準(zhǔn)確說是自PC機(jī)以后)越來越建立在共享信息的基礎(chǔ)上

如同恩格爾巴特所認(rèn)為的那樣，這種信息共享思想是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵，這使得創(chuàng)造活動可以建立在最新信息的平臺上，極大的縮短研制時間、提高了研發(fā)的質(zhì)量。

1.2 穩(wěn)定的、明顯的和迅速的選擇機(jī)制

在對相互競爭的技術(shù)價值做出一個共識性判斷之前需要一段時間，這段時間內(nèi)不確定因素可能影響到最后的選擇機(jī)制。大多數(shù)情況下，圍繞計算機(jī)技術(shù)的若干選擇判據(jù)和機(jī)制及其影響要素在同時發(fā)揮作用，選擇的環(huán)境常常是非常敏銳和穩(wěn)定的，這是計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的一個重要原因。

在實(shí)踐方面，用戶和市場同時對新計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行選擇，在市場判據(jù)一定的情況下，優(yōu)于他者的技術(shù)取勝，這樣經(jīng)濟(jì)之間的競爭轉(zhuǎn)化為技術(shù)競爭。但由于選擇是復(fù)雜的，不僅是物性上技術(shù)先進(jìn)性，還包括了社會的認(rèn)同和接受。RISC相對于CISC是更高一數(shù)量級的技術(shù)和架構(gòu)，可以使微處理器的工作變得單純，速度也隨之增快，但最終由于各種原因沒有得到市場的認(rèn)同。這種關(guān)于實(shí)踐上的理論自然地把對選擇的分析指向如何很好地滿足用戶的需求。然而計算機(jī)技術(shù)不僅被看成是實(shí)踐的，而且是認(rèn)識的，這使得選擇過程的實(shí)質(zhì)就變得更加復(fù)雜了，當(dāng)前一方面的選擇判據(jù)非?！斑m合”計算機(jī)用戶的需求時，后一方面的判據(jù)似乎“能夠解釋所觀察到的相關(guān)事實(shí)并能使問題得到解決和發(fā)展得以進(jìn)行”。選擇過程以及控制創(chuàng)新的過程可能截然不同，對實(shí)踐而言，過程最終在用戶的控制之下，對認(rèn)識而言，過程由計算機(jī)技術(shù)專家共同體來控制。在實(shí)踐中，從最早的IBM用戶聯(lián)盟到霍姆布魯計算機(jī)俱樂部為代表的各種計算機(jī)俱樂部和用戶群體，關(guān)于計算機(jī)的用戶團(tuán)體是多種多樣的，而且他們建立在信息共享的基礎(chǔ)上不斷地采用新技術(shù)或新方法，為選擇機(jī)制提供了有效的支持，使計算機(jī)技術(shù)在應(yīng)用中繁榮發(fā)展。

另一方面，作為技術(shù)專家共同體的認(rèn)識也是統(tǒng)一的，如帕洛阿爾托研究中心可以與外界共享技術(shù)知識，對計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向和最新技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展相互反饋的良好進(jìn)程。研究新的、更好的計算機(jī)產(chǎn)品和實(shí)用技術(shù)嘗試，幾乎總涉及到技術(shù)的不確定性或用戶反應(yīng)不確定性的情形，既然技術(shù)共同體和用戶團(tuán)體之間的認(rèn)識是一致的，那么計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展也是可以預(yù)見的，選擇機(jī)制的論據(jù)也就變得穩(wěn)定、迅速和明顯的了。

此外，認(rèn)識和實(shí)踐的相互轉(zhuǎn)換是選擇機(jī)制穩(wěn)定化、迅速化的另一論據(jù)。計算機(jī)技術(shù)的大多數(shù)領(lǐng)域以應(yīng)用學(xué)科和工程學(xué)科的出現(xiàn)為標(biāo)志，這些學(xué)科的職責(zé)是促進(jìn)與實(shí)踐有關(guān)的認(rèn)識的發(fā)展，這些學(xué)科常吸收更為基礎(chǔ)的學(xué)科，其本身也是當(dāng)之無愧的認(rèn)識部分。傳統(tǒng)認(rèn)為，有認(rèn)識的提高就能有實(shí)踐的進(jìn)步，在對計算機(jī)技術(shù)研究中，發(fā)現(xiàn)常有另外一條路徑，這個過程存在著強(qiáng)烈的相互作用，在肖克利及其同事制造出一個運(yùn)行的晶體管后，作為一個科學(xué)領(lǐng)域的熱力學(xué)建立起來，有關(guān)半導(dǎo)體是如何運(yùn)行的理論也建立了起來，這是用來證明認(rèn)識隨著實(shí)踐的提高而提高的經(jīng)典實(shí)例。在工程學(xué)科和應(yīng)用學(xué)科中，與實(shí)踐的密切聯(lián)系給我們這樣的啟發(fā)，認(rèn)識的提高可以讓選擇判據(jù)更加明顯，它們能夠使計算機(jī)技術(shù)的實(shí)踐中普遍存在的問題得到解決，或者說是促進(jìn)實(shí)踐的發(fā)展。如果沒有所說的認(rèn)識的幫助，這一切會變的不可能實(shí)現(xiàn)或更困難一些。顯然，選擇機(jī)制在計算機(jī)技術(shù)的實(shí)踐進(jìn)化和認(rèn)識進(jìn)化之間明顯地提供了一種雙向的連接，推動計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。

2 計算機(jī)科學(xué)計算發(fā)展趨勢

2.1 智能化的超級計算機(jī)

超高速計算機(jī)采用平行處理技術(shù)改進(jìn)計算機(jī)結(jié)構(gòu)，使計算機(jī)系統(tǒng)同時執(zhí)行多條指令或同時對多個數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高計算機(jī)運(yùn)行速度。超級計算機(jī)通常是由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器(機(jī))組成，能完成普通計算機(jī)和服務(wù)器不能計算的大型復(fù)雜任務(wù)。從超級計算機(jī)獲得數(shù)據(jù)分析和模擬成果，能推動各個領(lǐng)域高精尖項(xiàng)目的研究與開發(fā)，為我們的日常生活帶來各種各樣的好處。最大的超級計算機(jī)接近于復(fù)制人類大腦的能力，具備更多的智能成份。方便人們的生活、學(xué)習(xí)和工作。世界上最受歡迎的動畫片、很多耗巨資拍攝的電影中，使用的特技效果都是在超級計算機(jī)上完成的。日本、美國、以色列、中國和印度首先成為世界上擁有每秒運(yùn)算1萬億次的超級計算機(jī)的國家，超級計算機(jī)已在科技界內(nèi)引起開發(fā)與創(chuàng)新狂潮。

2.2 新型高性能計算機(jī)問世

硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時，也意味看硅技術(shù)越來越接近其物理極限。為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發(fā)新型計算機(jī)，計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)都將產(chǎn)生一次量與質(zhì)的飛躍。新型的量子計算機(jī)、光子計算機(jī)、分子計算機(jī)、納米計算機(jī)等，將會在二十一世紀(jì)走進(jìn)我們的生活，遍布各個領(lǐng)域。

2.2.1 量子計算機(jī)

量子計算機(jī)的概念源于對可逆計算機(jī)的研究，量子計算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)。使信息沿著聚合物移動。從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲。由于量子疊加效應(yīng)，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此，一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲位，量子計算機(jī)的存儲量比通常計算機(jī)大許多。同時量子計算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏嬎?，其運(yùn)算速度可能比目前計算機(jī)的Pentium DI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計算機(jī)還將對現(xiàn)有的保密體系、國家安全意識產(chǎn)生重大的沖擊。

無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯、避錯和防錯等。量子計算機(jī)使計算的概念煥然一新。

2.2.2 光子計算機(jī)

光子計算機(jī)是利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳翰和存儲。光子計算機(jī)即全光數(shù)字計算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。在光子計算機(jī)中，不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對復(fù)雜度高、計算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速地并行處理。光子計算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。

2.2.3 分子計算機(jī)

分子計算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算快、存儲量大。分子計算機(jī)的運(yùn)行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。分子計算機(jī)的運(yùn)算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。轉(zhuǎn)換開關(guān)為酶，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來。生物分子組成的計算機(jī)具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機(jī)體中運(yùn)行，并能以其它分子形式與外部環(huán)境交換。因此它將在醫(yī)療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發(fā)揮無法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自動機(jī)模型、仿生算法、分子化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類型。分子芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高，分子計算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算，所需的時間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。分子計算機(jī)具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲1萬億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計算機(jī)消耗的能量非常小，只有電子計算機(jī)的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。美國已研制出分子計算機(jī)分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。以色列科學(xué)家已經(jīng)研制出一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型分子計算機(jī)。預(yù)計20年后，分子計算機(jī)將進(jìn)人實(shí)用階段。

2.2.4 納米計算機(jī)

納米計算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計算機(jī)。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅固，有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計算機(jī)?！凹{米”是一個計量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品?，F(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子機(jī)械系統(tǒng)起步，把傳感器、電動機(jī)和各種處理器都放在一個硅芯片上而構(gòu)成一個系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計算機(jī)強(qiáng)大許多倍。美國正在研制一種連接納米管的方法，用這種方法連接的納米管可用作芯片元件，發(fā)揮電子開關(guān)、放大和晶體管的功能。專家預(yù)測，10年后納米技術(shù)將會走出實(shí)驗(yàn)室，成為科技應(yīng)用的一部分。納米計算機(jī)體積小、造價低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計算機(jī)，推動計算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。

3 結(jié)束語

綜上所述，我們可以看到計算機(jī)技術(shù)主要朝著三個方向發(fā)展：

一是向“高”的方向。性能越來越高，速度越來越快，主要表現(xiàn)在計算機(jī)的主頻越來越高。Inter公司預(yù)計在2010年推出集成10億以上個晶體管的微處理器，一個計算機(jī)中可能不只用一個處理器，而是用幾百個幾千個處理器，這就是所謂并行處理，目前世界上性能最高的通用計算機(jī)已采用上萬臺計算機(jī)并行。專用計算機(jī)的并行程度比通用機(jī)更高，并行計算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是如何高效率地把大量計算機(jī)互相連接起來，即各處理機(jī)之間的高速通信，以及如何有效地管理成千上萬臺計算機(jī)使之協(xié)調(diào)工作，這就是并行計算機(jī)的系統(tǒng)軟件——操作系統(tǒng)的功能。

另一個方向就是向“廣”度方向發(fā)展，計算機(jī)發(fā)展的趨勢無處不在，以至于像“沒有計算機(jī)一樣”。近年來更明顯的趨勢是網(wǎng)絡(luò)化與向各個領(lǐng)域的滲透，即在廣度上的發(fā)展開拓。國外稱這種趨勢為普適計算或叫無處不在的計算。未來計算機(jī)也會像現(xiàn)在的馬達(dá)一樣，存在于家中的各種電器中，那時問你家里有多少計算機(jī)，你也數(shù)不清，你的筆記本，書籍都已電子化。再過十幾、二十幾年，可能學(xué)生們上課用的不再是教科書，而只是一個筆記本大小的計算機(jī)，不同的學(xué)生可以根據(jù)自己的需要方便地從中查到想要的資料。所以有人預(yù)言未來計算機(jī)可能像紙張一樣便宜，可以一次性使用，計算機(jī)將成為不被人注意的最常用的日用品。

第三個方向是向“深”度方向發(fā)展，即向信息的智能化發(fā)展。網(wǎng)上有大量的信息，怎樣把這些浩如煙海的東西變成你想要的知識，這是計算科學(xué)的重要課題，同時人機(jī)界面更加友好。計算機(jī)將具備更多的智能成分，它將具有多種感知能力、一定的思考能力，未來你可以用你的自然語言與計算機(jī)打交道，也可以用手寫的文字打交道，甚至可以用你的表情、手勢來與計算機(jī)溝通，使人機(jī)交流更加方便快捷。讓人能產(chǎn)生身臨其境感覺的各種交互設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是這一領(lǐng)域發(fā)展的集中體現(xiàn)。

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