计算机(应用)前沿技术简介 ? 计算机出现以来,给我们的生活和工作带来了巨 大的变化影响和变化,而且发展速度之快超出了 其他任何行业,它的发展似乎永无止境,给人们 的感觉是信息处理技术方面没有任何极限。从某 种程度来说,信息可以从自身得到滋养,你拥有的 越多,能得到的就越多。处理信息的速度越快,能 做的事就越多。由于处理能力和软件是共同发展 的,我们用不了多久就可以把计算机当做口授(语 言指挥)机器使用。你可以对着计算机口授指令, 然后它把你说的打印出来,或者你可以用英语打出 一段话——计算机立刻将它翻译成日语或印地安 语或汉语。讲英语的你也许一个汉字也不认识,但 是有计算机作翻译,你就可以和不懂英语的中国人、 日本人等交谈。 ? 计算机很快会变成全球化的通信工具以及即时印 刷机。它将沟通不同大陆、不同文化,将它们连接 起来。电视只是带给你图像和声音,图像也许是彩 色的。但计算机可以带给你图像和声音,除此而外 ,它还可能提供电视所不能提供的交互式服务以及 编写文本和制图功能; ? 计算机已经使某些职业过时。英特尔公司已经减 少了许多秘书。当计算机能够发挥图书馆的功能 时,需要的图书馆管理员就支减少。律师助手以及 各种各样的职员的命运也如此。 计算机发展史简介 ? 人类所使用的计算工具是随着生产的发展和社会的进步, 从简单到复杂、从低级到高级的发展过程,计算工具相继 出现了如算盘、计算尺、手摇机械计算机、电动机械计算 机等。 1946年,世界上第一台电子数字计算机(ENIAC) 在美国诞生。这台计算机共用了18000多个电于管组成, 占地170m2,总重量为30t,耗电140kw,运算速度达到 每秒能进行5000次加法、 300次乘法。 电子计算机在短短的50多年里经过了电子管、晶体管、 集成电路(IC)和超大规模集成电路(VLSI)四个阶段的 发展,使计算机的体积越来越小,功能越来越强,价格越 来越低,应用越来越广泛,目前正朝智能化(第五代)计 算机方向发展。 ? 1、第一代电子计算机 – 第一代电于计算机是从1946年至1958年。它们体积较 大,运算速度较低,存储容量不大,而且价格昂贵。 使用也不方便,为了解决一个问题,所编制的程序的 复杂程度难以表述。这一代计算机主要用于科学计算, 只在重要部门或科学研究部门使用。 ? 2、第二代电子计算机 – 第二代计算机是从1958年到1965年,它们全部采用晶 体管作为电子器件,其运算速度比第一代计算机的速 度提高了近百倍,体积为原来的几十分之一。在软件 方面开始使用计算机算法语言。这一代计算机不仅用 于科学计算,还用于数据处理和事务处理及工业控制。 ? 3、第三代电子计算机 – 第三代计算机是从1965年到1970年。这一时期的主要特征是以中、 小规模集成电路为电子器件,并且出现操作系统,使计算机的功 能越来越强,应用范围越来越广。它们不仅用于科学计算,还用 于文字处理、企业管理、自动控制等领域,出现了计算机技术与 通信技术相结合的信息管理系统,可用于生产管理、交通管理、 情报检索等领域。 ? 4、第四代电子计算机 – 第四代计算机是指从1970年以后采用大规模集成电路(LSI)和超 大规模集成电路(VLSI)为主要电子器件制成的计算机。例如 80386微处理器,在面积约为10mm X l0mm的单个芯片上,可以 集成大约32万个晶体管。 ? 5、第五代计算机 – 第五代计算机将把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合 一起具有形式推理、联想、学习和解释能力。它的系统结构将突 破传统的冯· 诺依曼机器的概念,实现高度的并行处理 ? 计算机的特点 1、记忆能力强 在计算机中有容量很大的存储装置,它不仅可以长久性地存 储大量的文字、图形、图像、声音等信息资料,还可以存储指 挥计算机工作的程序。 2、计算精度高与逻辑判断准确 它具有人类无能为力的高精度控制或高速操作任务。也具有 可靠的判断能力,以实现计算机工作的自动化,从而保证计算 机控制的判断可靠、反应迅速、控制灵敏。 3、高速的处理能力 它具有神奇的运算速度,其速度以达到每秒几十亿次乃至上 百亿次。例如,为了将圆周率兀的近似值计算到707位,一位 数学家曾为此花十几年的时间,而如果用现代的计算机来计算, 可能瞬间就能完成,同时可达到小数点后200万位。 4、能自动完成各种操作 计算机是由内部控制和操作的,只要将事先编制好的应用程 序输入计算机,计算机就能自动按照程序规定的步骤完成预定 的处理任务。 计算机应用领域 1.科学计算(或称为数值计算) 早期的计算机主要用于科学计算。目前,科学计算仍然 是计算机应用的一个重要领域。如高能物理、工程设计、 地震预测、气象预报、航天技术等。由于计算机具有高运 算速度和精度以及逻辑判断能力,因此出现了计算力学、 计算物理、计算化学、生物控制论等新的学科。 2.过程检测与控制 利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测, 并把检测到的数据存入计算机,再根据需要对这些数据进 行处理,这样的系统称为计算机检测系统。特别是仪器仪 表引进计算机技术后所构成的智能化仪器仪表,将工业自 动化推向了一个更高的水平。 3.信息管理(数据处理) 信息管理是目前计算机应用最广泛的一个领域。利用计算机来加工、 管理与操作任何形式的数据资料,如企业管理、物资管理、报表统计、 帐目计算、信息情报检索等。近年来,国内许多机构纷纷建设自己的 管理信息系统(MIS);生产企业也开始采用制造资源规划软件 (MRP),商业流通领域则逐步使用电子信息交换系统(EDI),即 所谓无纸贸易。 4.计算机辅助系统 1)计算机辅助设计(CAD)是指利用计算机来帮助设计人员进行工 程设计,以提高设计工作的自动化程度,节省人力和物力。目前,此 技术已经在电路、机械、土木建筑、服装等设计中得到了广泛的应用。 2)计算机辅助制造(CAM)是指利用计算机进行生产设备的管理、 控制与操作,从而提高产品质量、降低生产成本。缩短生产周期,并 且还大大改善了制造人员的工作条件。 3)计算机辅助测试(CAT)是指利用计算机进行复杂而大量的测试 工作。 4)计算机辅助教学(CAI)指利用计算机帮助教师讲授和帮助学生学 习的自动化系统,使学生能够轻松自如地从中学到所需要的知识。 ? 5、计算机仿真 ? 计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为 以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较 逼真的模仿。它是一种描述性技术,是一种定量分析方法。 通过建立某一过程和某一系统的模式,来描述该过程或该 系统,然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来 刻画系统的特征,从而得出数量指标,为决策者提供有关 这一过程或系统得定量分析结果,作为决策的理论依据。 – 美国波音(BOEING)公司可以把777飞机的研制。生产做到几乎 “无图纸”的程度。波音777飞机的研制。整机设计。装配。部件 测试以及各种试飞,都是由计算机完成的。它能将开发周期从原 来的8年缩短到5年,节约了数百万美元经费 – 随着计算机应用技术和网络技术的发展,计算机仿真技术也在不 断的发展之中。如利用网络技术实现异地仿真、应用虚拟现实技 术进行的虚拟制造等 ? 1.网络化仿真 现在已经开发出来的仿真系统,多数不能相互兼容,可 移植性差,实现共享困难。较之于开发的高成本和长时间, 实在物未尽其用。解决这些问题,第一就是采用兼容性好 的计算机语言编写仿真系统,第二就是采用网络化技术实 现仿真系统共享。尤其是后者,在将来的仿真系统开发中 有着重要地位。实现仿真系统的网络共享,既可以在一定 程度上避免重复开发以节约社会资源,又可以通过适当收 费以补偿部分开发成本。 ? 2.虚拟制造技术 计算机仿真技术发展的另一大方向就是在虚拟制造技术 领域的深入应用。虚拟制造技术是20世纪90年代发展起来 的一种先进制造技术。它利用计算机仿真技术与虚拟现实 技术,在计算机上实现从产品设计到产品出厂以及企业各 级过程的管理与控制等制造的本质。这使得制造技术不再 主要依靠经验,并可以实现对制造的全方位预测,为机械 制造领域开辟了一个广阔的新天地。 计算机的发展方向 ? 1.巨型化 – 巨型化是指计算机的运算速度更高、存储容量更大、 功能更强。目前正在研制的巨型计算机其运算速度可 达每秒百亿次。 ? 2.微型化 – 微型计算机已进入仪器、仪表、家用电器等小型仪器 设备中,同时也作为工业控制过程的心脏,使仪器设 备实现“智能化”。随着微电子技术的进一步发展, 笔记本型、掌上型等微型计算机必将以更优的性能价 格比受到人们的欢迎。 ? 3.网络化 – 随着计算机应用的深入,特别是家用计算机越来越普 及,一方面希望众多用户能共享信息资源,另一方面 也希望各计算机之间能互相传递信息进行通信。 计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的 产物。计算机网络己在现代企业的管理中发挥着越来 越重要的作用,如银行系统、商业系统、交通运输系 统等。 ? 4.智能化 – 计算机人工智能的研究是建立在现代科学基础之上。 智能化是计算机发展的一个重要方向,新一代计算机, 将可以模拟人的感觉行为和思维过程的机理,进行 “看”、“听”、“说”、“想”、“做”,具有逻 辑推理、学习与证明的能力。 ? 计算机的发展将趋向超高速、超小型、并行处理 和智能化。自从世界上第一台电子计算机诞生以 来,计算机技术迅猛发展,传统计算机的性能受 到挑战,开始从基本原理上寻找计算机发展的突 破口,新型计算机的研发应运而生。未来量子、 光子和分子计算机将具有感知、思考、判断、学 习以及一定的自然语言能力,使计算机进人人工 智能时代。这种新型计算机将推动新一轮计算技 术革命,对人类社会的发展产生深远的影响。 ? 智能化的超级计算机 超高速计算机采用平行处理技术改进计算机结构,使 计算机系统同时执行多条指令或同时对多个数据进行处理, 进一步提高计算机运行速度。超级计算机通常是由数百数 千甚至更多的处理器(机)组成,能完成普通计算机和服务 器不能计算的大型复杂任务。从超级计算机获得数据分析 和模拟成果,能推动各个领域高精尖项目的研究与开发, 为我们的日常生活带来各种各样的好处。最大的超级计算 机接近于复制人类大脑的能力,具备更多的智能成份.方 便人们的生活、学习和工作。世界上最受欢迎的动画片、 很多耗巨资拍摄的电影中,使用的特技效果都是在超级计 算机上完成的。日本、美国、以色列、中国和印度首先成 为世界上拥有每秒运算1万亿次的超级计算机的国家,超 级计算机已在科技界内引起开发与创新狂潮。 ? 新型高性能计算机 硅芯片技术高速发展的同时,也意味 看硅技术越来越接近其物理极限。为此, 世界各国的研究人员正在加紧研究开发新 型计算机,计算机的体系结构与技术都将 产生一次量与质的飞跃。新型的量子计算 机、光子计算机、分子计算机、纳米计算 机等,将会在不久的将来走进我们的生活, 遍布各个领域。 ? 这些高性能计算机包括: – 1.量子计算机 量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究,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。量子计算机是基于量子效应基础上开发的, 它利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态,利用激 光脉冲来改变分子的状态.使信息沿着聚合物移动.从而进行运算。 量子计算机中的数据用量子位存储。由于量子叠加效应,一个量 子位可以是0或1,也可以既存储0又存储1。因此,一个量子位可 以存储2个数据,同样数量的存储位,量子计算机的存储量比通常 计算机大许多。同时量子计算机能够实行量子并行计算,其运算 速度可能比目前计算机的Pentium DI晶片快10亿倍。除具有高速 并行处理数据的能力外,量子计算机还将对现有的保密体系、国 家安全意识产生重大的冲击。 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。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。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、 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。量子编码采用纠错、避错和防错等。量子计算机使计算的概 念焕然一新。 – 2.光子计算机 光子计算机是利用光子取代电子进行数据 运算、传翰和存储。光子计算机即全光数字计 算机,以光子代替电子,光互连代替导线互连, 光硬件代替计算机中的电子硬件,光运算代替 电运算。在光子计算机中,不同波长的光代表 不同的数据,可以对复杂度高、计算量大的任 务实现快速地并行处理。光子计算机将使运算 速度在目前基础上呈指数上升。 – 3.分子计算机 分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子 计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息,并 以更有效的方式进行组织排列。分子计算机的运算过程就是 蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。转换开关 为酶,而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明 显地表示出来。生物分子组成的计算机具备能在生化环境下, 甚至在生物有机体中运行,并能以其它分子形式与外部环境 交换。因此它将在医疗诊治、遗传追踪和仿生工程中发挥无 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、自动机模型、仿生算法、分子化学反应算法等几种类型。 分子芯片体积可比现在的芯片大大减小,而效率大大提高, 分子计算机完成一项运算,所需的时间仅为10微微秒,比人 的思维速度快100万倍。分子计算机具有惊人的存贮容量, 1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿的二进制数据。