計算機科學與技術的發展趨勢探析

張 瑞

ZHANG Rui

（駐馬店教育學院 計算機系，駐馬店 463000）

0 引言

自從1946年第一臺計算機的出現，它的發展己經經歷了60多年來的變遷。計算機在運算速度、增進性能、縮小性強、降低成本以及開發應用等方面得到了空前發展。隨著知識經濟的不斷深入，計算機的發展趨勢不僅繼續深化，而且節奏加快。在計算機本身發展的同時，它的應用領域從過去的單一化走向了多元化。在日常生活中，計算機的應用已無處不在，無論是軍事領域、教育領域、工業領域還是其他商業領域，它已滲透到國民經濟各個部門及社會生活的各個方面。

1 計算機技術發展迅速的原因

1.1 經常性的、連續性的創造活動的出現

計算機技術快速發展的原因之一就是創造活動經常的、連續性的出現。現實需求的驅動、關于計算機技術認識部分或者說是計算機科學的發展、信息的共享可以用來解釋這種經常性的創造活動。

1.1.1 持續不斷的創新是在需求的驅動下發生的

正是二戰對信息的緊迫需求減少了創造的障礙，使得資源可以運用于基本的技術試驗，促進了計算機的出現。早期階段各研究所、大公司、大學和政府部門對科學運算的需求導致了計算機迅速地轉為民用、轉為工業產品，促進了計算機工業的發展。隨著計算機在尖端科學技術和其他科學技術與工程設計方面(如數學、物理、力學、化學天文、晶體結構分析、石油勘探與開發、橋梁設計、大地測量等)的普遍應用，對計算機的性能、容量也提出了更高的要求，使創造活動經常性、連續性的出現。在計算機行業，按照技術軌道領先一步推出新計算機技術產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的發展上表現為：計算機技術的進步比市場實際需求發展的更快。這無疑給創造活動的速度、時間快慢提出了更高的要求。

1.1.2 關于計算機技術的認識部分經常提供計算機技術如何改進的相對有力的指導

計算機領域的工程師和科學家們的實踐是往復的，科學知識暗含在數量和種類極為可觀的設計中而這些設計又體現在計算機產品中，不但在理論上是可行的還必須經過真實世界的約束檢驗。試錯、偶然的運氣，甚至有時是錯誤的原理，也極有可能導致行之有效的新的計算機技術。集成電路中的鋁—硅觸面，雖然理論上沒有問題，但在實際應用時卻經常出差錯，經過反復的試錯，終于發現了“鋁—硅—氧化物”觸面控制，極大地促進了后來超大型集成電路的發展。這些蘊含在新技術中的知識又被往復地用以產生新的知識，如“鋁—硅—氧化物”觸面控制的發現有利于攻破鋁—硅肖特基勢壘。新知識成為成功實踐的基礎，往復地使用將產生更進一步的創新，有時候這種往復過程能夠激發出全新的技術創造。計算機技術中大量的創造活動，是從試錯法進行的經驗學習，到精心開發的程序“RDD&D”(研究、開發、設計和演化的簡稱)的變化，這種在科學知識的指導下進行的精心策劃、性能和解釋方面的煞費苦心的推理和往復的實踐，不斷地使關于新技術的信息涌現出來，進而指導創造活動的經常性的發生。此外，計算機中的新技術迅速轉化為產品首先運用于開發研制下一代的新技術，如計算機輔助設計在芯片制作、軟件開發中的運用，極大地縮短了研發周期，加快了創新活動的步伐。

1.1.3 計算機技術(準確說是自PC機以后)越來越建立在共享信息的基礎上

如同恩格爾巴特所認為的那樣，這種信息共享思想是科學技術進步的關鍵，這使得創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、提高了研發的質量。

1.2 穩定的、明顯的和迅速的選擇機制

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

在實踐方面，用戶和市場同時對新計算機技術進行選擇，在市場判據一定的情況下，優于他者的技術取勝，這樣經濟之間的競爭轉化為技術競爭。但由于選擇是復雜的，不僅是物性上技術先進性，還包括了社會的認同和接受。RISC相對于CISC是更高一數量級的技術和架構，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同。這種關于實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。然而計算機技術不僅被看成是實踐的，而且是認識的，這使得選擇過程的實質就變得更加復雜了，當前一方面的選擇判據非常“適合”計算機用戶的需求時，后一方面的判據似乎“能夠解釋所觀察到的相關事實并能使問題得到解決和發展得以進行”。選擇過程以及控制創新的過程可能截然不同，對實踐而言，過程最終在用戶的控制之下，對認識而言，過程由計算機技術專家共同體來控制。在實踐中，從最早的IBM用戶聯盟到霍姆布魯計算機俱樂部為代表的各種計算機俱樂部和用戶群體，關于計算機的用戶團體是多種多樣的，而且他們建立在信息共享的基礎上不斷地采用新技術或新方法，為選擇機制提供了有效的支持，使計算機技術在應用中繁榮發展。

另一方面，作為技術專家共同體的認識也是統一的，如帕洛阿爾托研究中心可以與外界共享技術知識，對計算機技術的發展方向和最新技術產品的發展相互反饋的良好進程。研究新的、更好的計算機產品和實用技術嘗試，幾乎總涉及到技術的不確定性或用戶反應不確定性的情形，既然技術共同體和用戶團體之間的認識是一致的，那么計算機技術的進展也是可以預見的，選擇機制的論據也就變得穩定、迅速和明顯的了。

此外，認識和實踐的相互轉換是選擇機制穩定化、迅速化的另一論據。計算機技術的大多數領域以應用學科和工程學科的出現為標志，這些學科的職責是促進與實踐有關的認識的發展，這些學科常吸收更為基礎的學科，其本身也是當之無愧的認識部分。傳統認為，有認識的提高就能有實踐的進步，在對計算機技術研究中，發現常有另外一條路徑，這個過程存在著強烈的相互作用，在肖克利及其同事制造出一個運行的晶體管后，作為一個科學領域的熱力學建立起來，有關半導體是如何運行的理論也建立了起來，這是用來證明認識隨著實踐的提高而提高的經典實例。在工程學科和應用學科中，與實踐的密切聯系給我們這樣的啟發，認識的提高可以讓選擇判據更加明顯，它們能夠使計算機技術的實踐中普遍存在的問題得到解決，或者說是促進實踐的發展。如果沒有所說的認識的幫助，這一切會變的不可能實現或更困難一些。顯然，選擇機制在計算機技術的實踐進化和認識進化之間明顯地提供了一種雙向的連接，推動計算機技術的快速發展。

2 計算機科學計算發展趨勢

2.1 智能化的超級計算機

超高速計算機采用平行處理技術改進計算機結構，使計算機系統同時執行多條指令或同時對多個數據進行處理，進一步提高計算機運行速度。超級計算機通常是由數百數千甚至更多的處理器(機)組成，能完成普通計算機和服務器不能計算的大型復雜任務。從超級計算機獲得數據分析和模擬成果，能推動各個領域高精尖項目的研究與開發，為我們的日常生活帶來各種各樣的好處。最大的超級計算機接近于復制人類大腦的能力，具備更多的智能成份。方便人們的生活、學習和工作。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算1萬億次的超級計算機的國家，超級計算機已在科技界內引起開發與創新狂潮。

2.2 新型高性能計算機問世

硅芯片技術高速發展的同時，也意味看硅技術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新型計算機，計算機的體系結構與技術都將產生一次量與質的飛躍。新型的量子計算機、光子計算機、分子計算機、納米計算機等，將會在二十一世紀走進我們的生活，遍布各個領域。

2.2.1 量子計算機

量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機是基于量子效應基礎上開發的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態，利用激光脈沖來改變分子的狀態。使信息沿著聚合物移動。從而進行運算。量子計算機中的數據用量子位存儲。由于量子疊加效應，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個數據，同樣數量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠實行量子并行計算，其運算速度可能比目前計算機的Pentium DI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數據的能力外，量子計算機還將對現有的保密體系、國家安全意識產生重大的沖擊。

無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。目前已經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、量子點操縱、超導量子干涉等。量子編碼采用糾錯、避錯和防錯等。量子計算機使計算的概念煥然一新。

2.2.2 光子計算機

光子計算機是利用光子取代電子進行數據運算、傳翰和存儲。光子計算機即全光數字計算機，以光子代替電子，光互連代替導線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。在光子計算機中，不同波長的光代表不同的數據，可以對復雜度高、計算量大的任務實現快速地并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎上呈指數上升。

2.2.3 分子計算機

分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運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行組織排列。分子計算機的運算過程就是蛋白質分子與周圍物理化學介質的相互作用過程。轉換開關為酶，而程序則在酶合成系統本身和蛋白質的結構中極其明顯地表示出來。生物分子組成的計算機具備能在生化環境下，甚至在生物有機體中運行，并能以其它分子形式與外部環境交換。因此它將在醫療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發揮無法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自動機模型、仿生算法、分子化學反應算法等幾種類型。分子芯片體積可比現在的芯片大大減小，而效率大大提高，分子計算機完成一項運算，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1萬億億的二進制數據。分子計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質分子，所以分子計算機既有自我修復的功能，又可直接與分子活體相聯。美國已研制出分子計算機分子電路的基礎元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內產生感應電流。以色列科學家已經研制出一種由DNA分子和酶分子構成的微型分子計算機。預計20年后，分子計算機將進人實用階段。

2.2.4 納米計算機

納米計算機是用納米技術研發的新型高性能計算機。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質地堅固，有著極強的導電性，能代替硅芯片制造計算機。“納米”是一個計量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術是從20世紀80年代初迅速發展起來的新的前沿科研領域，最終目標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品。現在納米技術正從微電子機械系統起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統。應用納米技術研制的計算機內存芯片，其體積只有數百個原子大小，相當于人的頭發絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。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，發揮電子開關、放大和晶體管的功能。專家預測，10年后納米技術將會走出實驗室，成為科技應用的一部分。納米計算機體積小、造價低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計算機，推動計算機行業的快速發展。

3 結束語

綜上所述，我們可以看到計算機技術主要朝著三個方向發展：

一是向“高”的方向。性能越來越高，速度越來越快，主要表現在計算機的主頻越來越高。Inter公司預計在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已采用上萬臺計算機并行。專用計算機的并行程度比通用機更高，并行計算機的關鍵技術是如何高效率地把大量計算機互相連接起來，即各處理機之間的高速通信，以及如何有效地管理成千上萬臺計算機使之協調工作，這就是并行計算機的系統軟件——操作系統的功能。

另一個方向就是向“廣”度方向發展，計算機發展的趨勢無處不在，以至于像“沒有計算機一樣”。近年來更明顯的趨勢是網絡化與向各個領域的滲透，即在廣度上的發展開拓。國外稱這種趨勢為普適計算或叫無處不在的計算。未來計算機也會像現在的馬達一樣，存在于家中的各種電器中，那時問你家里有多少計算機，你也數不清，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，不同的學生可以根據自己的需要方便地從中查到想要的資料。所以有人預言未來計算機可能像紙張一樣便宜，可以一次性使用，計算機將成為不被人注意的最常用的日用品。

第三個方向是向“深”度方向發展，即向信息的智能化發展。網上有大量的信息，怎樣把這些浩如煙海的東西變成你想要的知識，這是計算科學的重要課題，同時人機界面更加友好。計算機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、手勢來與計算機溝通，使人機交流更加方便快捷。讓人能產生身臨其境感覺的各種交互設備已經出現，虛擬現實技術是這一領域發展的集中體現。

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