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關(guān)鍵詞:科學(xué)發(fā)展模式;計算機(jī)科學(xué);改革
中圖分類號:TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1007-9599 (2011) 14-0000-01
To See the Development of Computer Science from Scientific Development Mode
Zhang Baoyu1,Yu Gan2
(1.School of Computer Science&Engineering,Anhui University of Science&Technology,Huainan232001,China;2.Fuyang Normal College,Information Engineering College,Fuyang236041,China)
Abstract:The development mode is a scientific philosophy of science one of the core issues of concern.This paper describes Kuhn's classic theory of scientific development model based on the path of development of computer science for a detailed analysis,description,and the continued development of computer science is given to the necessity of reform,reform of computer science is given a few suggestions.
Keywords:Scientific development mode;Computer Science;Reform
本文主要介紹庫恩的科學(xué)發(fā)展模式:前科學(xué)常規(guī)科學(xué)反常和危機(jī)科學(xué)革命新的常規(guī)科學(xué),庫恩的模式是以“范式”的變革為核心的。庫恩的科學(xué)發(fā)展模式中,科學(xué)是在周期式的循環(huán)中發(fā)展,通過科學(xué)革命,從一個常規(guī)科學(xué)過渡到另一個常規(guī)科學(xué)。既有常規(guī)科學(xué)時期的一般知識累積的過程,又有科學(xué)革命時期的范式新舊更替的過程。
一、前科學(xué)階段。所謂前科學(xué),就是尚未形成該學(xué)科“范式”的原始科學(xué)階段。在計算機(jī)科學(xué)形成具體的理論科學(xué)之前,計算機(jī)科學(xué)當(dāng)屬于前科學(xué)階段。在這一階段中,機(jī)械計算機(jī)拓荒的時代,那些所謂的“計算機(jī)”都是基于機(jī)械運(yùn)行方式,盡管有個別產(chǎn)品開始引入一些電學(xué)內(nèi)容,卻都是從屬與機(jī)械的,還沒有進(jìn)入計算機(jī)的靈活:邏輯運(yùn)算領(lǐng)域。
二、常規(guī)科學(xué)階段。科學(xué)家們經(jīng)過長期的研究和爭論,形成了公認(rèn)的“范式”,并依靠共同信仰的范式把大家統(tǒng)一為一個科學(xué)共同體。可以說,這一范式的形成,是前人不斷摸索,不斷進(jìn)行理論研究,后人在前人的理論基礎(chǔ)上,將理論與實(shí)踐相結(jié)合的偉大成果。在此之后計算機(jī)科學(xué)已經(jīng)形成了一套完整的理論體系,為后人繼續(xù)對計算機(jī)進(jìn)行科學(xué)研究提供指明了方向。也使得計算機(jī)科學(xué)傲然屹立于自然科學(xué)領(lǐng)域之中。為人們的生產(chǎn),生活提供不可思意的幫助。
三、反常階段。科學(xué)探索中新事物是層出不窮的,當(dāng)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了范式預(yù)期之外的新事物、新現(xiàn)象、新發(fā)現(xiàn),用范式難以解釋,這就是反常現(xiàn)象。反常的出現(xiàn),推動更多科學(xué)家通過觀察實(shí)驗(yàn)搜集更多的反常去證實(shí)反常。在當(dāng)今社會我們可以清楚的看到,人們的需要不再是單純的學(xué)會使用計算機(jī),了解什么是計算機(jī)?而是如何使得人們再使用計算機(jī)時舒適,方便,如何使計算機(jī)更好的與其他學(xué)科結(jié)合,解決其他學(xué)科中的難題等等。計算機(jī)的研究者們應(yīng)該將計算機(jī)的相關(guān)理論與其他學(xué)科的特點(diǎn)結(jié)合起來,深入研究。新技術(shù)革命的浪潮對計算機(jī)科學(xué)而言是挑戰(zhàn),也是機(jī)遇,計算機(jī)科學(xué)工作者應(yīng)抓住機(jī)遇,不要囿于前人的學(xué)術(shù)觀點(diǎn),應(yīng)大膽提出異議,促進(jìn)計算機(jī)學(xué)理論的更新和革命。
四、危機(jī)階段。當(dāng)反常現(xiàn)象大量出現(xiàn),并成為常規(guī)科學(xué)無法解決的難題時,人們開始懷疑范式,失去對范式的信任,科學(xué)共同體開始分化,這時才有可能打破舊范式的統(tǒng)治轉(zhuǎn)向接受新范式。由于受舊范式支配的常規(guī)科學(xué)面臨生死存亡的考驗(yàn),反常勢必導(dǎo)致危機(jī)。隨著反常現(xiàn)象的不斷出現(xiàn),計算機(jī)的發(fā)展方向成為計算機(jī)工作者最為關(guān)心的問題。計算機(jī)以后究竟向著什么方向發(fā)展,計算機(jī)界還未形成同一的共識。有識之士認(rèn)識到計算機(jī)只有向其他的學(xué)科滲透,與其他的學(xué)科相結(jié)合,才是計算機(jī)發(fā)展的唯一正確的道路,才能跟上時展的步伐。單純的為了發(fā)展計算機(jī)而發(fā)展計算機(jī)已沒有什么有意義的前景。為此,計算機(jī)工作者在危機(jī)面前必須樹立堅(jiān)定的信念,做大量艱巨而細(xì)致的工作,以迎接計算機(jī)科學(xué)革命的到來。
五、科學(xué)革命階段。大規(guī)模,超大規(guī)模計算機(jī)的出現(xiàn),是計算機(jī)科學(xué)與當(dāng)時最先進(jìn)的自然科學(xué)和社會科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物,其所取得的成就對于計算機(jī)的以后發(fā)展起到非常重要的作用。我們今天所處的時代與大規(guī)模,超大規(guī)模計算機(jī)時代雖有不同,但也有很大的相似,我們擁有現(xiàn)代最科學(xué)的哲學(xué)―哲學(xué)的指導(dǎo),自然科學(xué)飛速發(fā)展,各學(xué)科之間聯(lián)系日益廣泛。特別是近數(shù)十年來,自然科學(xué)在高度分化的基礎(chǔ)上開始轉(zhuǎn)向重新綜合的趨勢。現(xiàn)代系統(tǒng)論、信息論、控制論、協(xié)同學(xué)、耗散結(jié)構(gòu)理論等邊緣學(xué)科、綜合學(xué)科理論的興起,計算機(jī)領(lǐng)域中已由原有的計算機(jī)硬件向計算機(jī)軟件,硬件的轉(zhuǎn)變,同時“人工智能”,“通訊工程”等的出現(xiàn),都為計算機(jī)科學(xué)革命提供可能和有利條件。
六、新常規(guī)科學(xué)階段。科學(xué)革命以后,科學(xué)即轉(zhuǎn)入新的常規(guī)科學(xué),進(jìn)入了在新范式指導(dǎo)下的漸進(jìn)式發(fā)展。科學(xué)史就是常規(guī)科學(xué)和科學(xué)革命不斷交替的過程,循環(huán)往復(fù),永無止境。跟上了時代步伐的新的中醫(yī)理論體系(新范式)會隨著社會科學(xué)和自然科學(xué)的發(fā)展而不斷地向前發(fā)展。這一新的理論是以現(xiàn)代語言描述的,因而容易被世界人民所接受,并因?yàn)槠湔w辯證的特色而廣泛受到歡迎,且使這一學(xué)科本身蘊(yùn)藏著無窮的發(fā)展?jié)摿ΑP碌挠嬎銠C(jī)理論體系還會給未來社會科學(xué)和自然科學(xué)以反饋,產(chǎn)生深刻的影響,從而有助于未來社會科學(xué)和自然科學(xué)的發(fā)展。作為以實(shí)踐應(yīng)用為主要研究目標(biāo)的計算機(jī)科學(xué)體系,在發(fā)展的過程中,也會找到與其他學(xué)科越來越多的交叉點(diǎn)和結(jié)合點(diǎn),在相互取長補(bǔ)短,各自克服缺陷的前提下,經(jīng)過各自一次又一次的科學(xué)革命,最終一定能夠達(dá)到完全融合。
既然計算機(jī)科學(xué)即將面臨一場危機(jī),我們就要想辦法解決危機(jī)。要解決危機(jī),必須進(jìn)行革命,拋棄舊范式,建立新范式。要創(chuàng)建新范式,就需要批判精神與創(chuàng)造精神。對計算機(jī)科學(xué)進(jìn)行革命,可從以下幾個方面著手。首先要繼續(xù)深化本學(xué)科的發(fā)展,向高層次,深層次發(fā)展。要對計算機(jī)科學(xué)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的深化發(fā)展。其次,要拓寬本學(xué)科的發(fā)展方向,建立新的發(fā)展方向,如現(xiàn)在新興的人工智能,通訊工程等。最后,要加強(qiáng)同別的學(xué)科的聯(lián)系,將計算機(jī)科學(xué)努力滲透到其他自然科學(xué)領(lǐng)域,才能使得計算機(jī)科學(xué)在自然科學(xué)日新月異的當(dāng)今社會繼續(xù)存在,發(fā)展,強(qiáng)大。
參考文獻(xiàn):
[1]遠(yuǎn)德玉.科學(xué)技術(shù)發(fā)展簡史[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2000
關(guān)鍵詞:計算科學(xué) 計算工具 DNA計算
1 計算的本質(zhì)
計算的本質(zhì)是什么?應(yīng)該說人類對其已經(jīng)有了一個基本的清晰的認(rèn)識:計算就是依據(jù)一定的法則對有關(guān)符號串的變換過程。一切可計算的函數(shù)都是遞歸函數(shù)。抽象地說,計算的本質(zhì)就是遞歸。它是一種可一步一步進(jìn)行的符號串變換操作。也就是從己知符號( 串) 開始, 一步一步地改變符號( 串) , 經(jīng)過有限步驟, 最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號( 串) 的變換過程。至于這種符號變換的操作方式如何,以及符號的載體或其外在表現(xiàn)形式如何,都不是本質(zhì)性的東西,無不處于一種不斷變革或進(jìn)化的過程之中。它們在本質(zhì)上是等價的、一致的, 即二者是密切關(guān)聯(lián)的, 可以相互轉(zhuǎn)化, 具有共同的計算本質(zhì)。符號可以用一組竹棍表征、用一組算珠表征、用一組字母表征,也可以用齒輪表征、還可以分子表征、電子表征等等。不同表征下的符號變換有著不同的操作方式,甚至同一種表征下的符號變換都可以有不同的操作方式。在此,計算本質(zhì)的統(tǒng)一性與計算方式的多樣性得到了深刻的體現(xiàn)。我們相信,隨著科學(xué)技術(shù)和數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展,計算方式的多樣性還會有新的表現(xiàn)。還可能出現(xiàn)新的計算類型。
2 古代的計算方式
人們從開始產(chǎn)生計算之日, 便不斷尋求能方便進(jìn)行和加速計算的工具。因此,計算和計算工具是息息相關(guān)的。
早在公元前5 世紀(jì), 中國人已開始用算籌作為計算工具, 相對于后來的機(jī)器計算方式,這些計算的方式均可歸結(jié)為“手工計算方式”,其特點(diǎn)是用手工操作符號,實(shí)施符號的變換——擺排竹棍或書寫符號。它在公元前3 世紀(jì)得到普遍的采用, 一直沿用了二千年。后來, 人們發(fā)明了算盤, 并在15 世紀(jì)得到普遍采用, 取代了算籌。它是在算籌基礎(chǔ)上發(fā)明的, 比算籌更加方便實(shí)用,從而加快了計算速度。
3 近代計算系統(tǒng)的發(fā)展
近代的科學(xué)發(fā)展促進(jìn)了計算工具的發(fā)展: 在1 6 1 4 年, 當(dāng)年18歲的法國數(shù)學(xué)家帕斯卡爾從機(jī)械時鐘得到啟示——齒輪也能計數(shù),成功地制作了一臺齒輪傳動的八位加法計算機(jī)。這使人類計算方式、計算技術(shù)進(jìn)入了一個新的階段。1 6 2 0 年, 岡特最先利用對數(shù)計算尺來計算乘除。1 8 5 0 年, 曼南在計算尺上裝上光標(biāo),受到當(dāng)時科學(xué)工作者廣泛采用。1642 年帕斯卡發(fā)明了帕斯卡加法器。1671 年,萊布尼茨發(fā)明了一種能作四則運(yùn)算的手搖計算器。自此以后, 經(jīng)過人們在這方面多年的艱辛努力,出現(xiàn)了各式各樣的手搖計算器, 英國的巴貝奇于1 8 3 4 年, 設(shè)計了一部完全程序控制的分析機(jī),包含了現(xiàn)代計算的基本思想和主要的組成部分了。此后,電動式計算器慢慢取代以人工為動力的計算器。1 9 4 1 年, 德國的楚澤采用了繼電器, 制成了第一部過程控制計算器, 實(shí)現(xiàn)了1 0 0 多年前巴貝奇的理想。
4 電子計算機(jī)
2 0 世紀(jì)初, 電子管的出現(xiàn), 使計算器的改革有了新的發(fā)展,在1 9 4 6 年成功地研制出了世界上第一臺電子計算機(jī)。使人類進(jìn)入了一個全新的時代。這時計算表現(xiàn)為一種物理性質(zhì)的機(jī)械的操作過程。但是,無論是手工計算還是機(jī)器計算,其計算方式——操作的基本動作都是一種物理性質(zhì)的符號變換,具體是由“加”和“減”這種基本動作構(gòu)成的。二者的區(qū)別就在于前者是手工的,后者是自動的
5 “摩爾定律”與“計算的極限”
在電子計算機(jī)和信息技術(shù)高速發(fā)展過程中,芯片的集成度和電子計算機(jī)的計算速度飛速發(fā)展, 而價格卻不斷降低。這種奇跡般的發(fā)展速度被公認(rèn)為“摩爾定律”。然而人類是否可以將電子計算機(jī)的運(yùn)算速度永無止境地提升 傳統(tǒng)計算機(jī)計算能力的提高有沒有極限 對此問題, 學(xué)者們在進(jìn)行嚴(yán)密論證后給出了否定的答案。如果電子計算機(jī)的計算能力無限提高, 最終地球上所有的能量將轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果——造成熵的降低, 這種向低熵方向無限發(fā)展的運(yùn)動被哲學(xué)界認(rèn)為是禁止的, 因此, 傳統(tǒng)電子計算機(jī)的計算能力必有上限。摩爾定律不久將不再適用。
6 DNA計算系統(tǒng)
科學(xué)代表著一個時代最為大膽的猜想。我們相信, 通過追尋“夢想—發(fā)現(xiàn)—解釋—夢想”的不斷循環(huán), 我們可以開拓一個個新領(lǐng)域, 如今出現(xiàn)的DNA計算便有了更大的本質(zhì)性的變化。計算不再是一種物理性質(zhì)的符號變換,而是一種化學(xué)性質(zhì)的符號變換,即不再是物理性質(zhì)的‘“加”、“減”操作,而是化學(xué)性質(zhì)的切割和粘貼、插入和刪除。這種計算方式的變革是前所未有的,具有劃時代的意義。它將徹底改變計算機(jī)硬件的性質(zhì),改變計算機(jī)基本的運(yùn)作方式,其意義將是極為深遠(yuǎn)的。
DNA計算最初思想的提出可以追溯到1994年11月,美國計算機(jī)科學(xué)家 L.阿德勒曼(L.Adleman)在《科學(xué)》上公布了DNA計算機(jī)的理論,并成功的運(yùn)用DNA計算機(jī)解決了一個有向哈密爾頓路徑問題[1]。這一成果迅速在國際上產(chǎn)生了巨大反響[2],一些人相信,DNA計算蘊(yùn)含的理念可使計算的方式產(chǎn)生“進(jìn)化”。
理論上DNA計算機(jī)具有現(xiàn)代電子計算機(jī)同樣的計算能力,但它具有的巨大潛力(功能)卻是電子計算機(jī)不可比擬的:DNA計算機(jī)運(yùn)算速度極快,其幾天的運(yùn)算量就相當(dāng)于計算機(jī)問世以來世界上所有計算機(jī)的總運(yùn)算量;它的貯存容量非常大,1立方分米的DNA溶液可以存儲1萬億億位二進(jìn)制的數(shù)據(jù),超過目前所有計算機(jī)的存儲容量;它的能量消耗只有一臺普通計算機(jī)的十億分之一。如此優(yōu)越的分子計算機(jī)當(dāng)然是激動人心的。然而它離開發(fā)、實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x,尚有許多現(xiàn)實(shí)的技術(shù)性問題需要去解決,如生物操作的困難。盡管DNA計算機(jī)面對著許許多多的質(zhì)疑,但它的提出者阿德勒曼教授依然是極其樂觀的,在他看來,提出DNA計算機(jī)并不就是要與電子計算機(jī)競爭。在計算本質(zhì)上,它同人類有史以來的一切計算都是等價的、一致的。這就是說,DNA計算也是一種遞歸計算。這一結(jié)論有著重要的數(shù)學(xué)意義。它使人們認(rèn)識了DNA計算的本質(zhì);相信它所蘊(yùn)涵的理念可以使計算的方式發(fā)生進(jìn)化。
7 總結(jié)
人類的計算工具, 從木棍、石頭到算盤, 經(jīng)過電子管計算機(jī), 晶體管計算機(jī), 到現(xiàn)在的電子計算機(jī), 再到DNA計算。
我們發(fā)展計算工具在不斷進(jìn)化、不斷加強(qiáng)。而DNA計算系統(tǒng)的產(chǎn)生, 將會給人類整體帶來更加強(qiáng)大的科研能力和思考能力,更加深刻的揭 示計算的本質(zhì)。也許許多困擾人類的問題, 將會隨著DNA計算機(jī)工具的發(fā)展而得到解決, 并會給人類文明帶來更加深刻的影響。
參考資料
[1] M.A.NielsenandI.L.Chuang,QuantumComputation and Quantum Information[M].Cambridge University Press,2000.
[2]Lila Kari. DNA Computing: Arrival of Biological Mathematics[J]. The Mathematical Intelligencer.1997(2).
【關(guān)鍵詞】計算機(jī);科學(xué)技術(shù);發(fā)展;歷程
計算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用,標(biāo)志著人類社會一個新的里程碑。計算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用將人類社會帶入了以信息科技為主導(dǎo)的第三次科技革命,并使人類步入了“知識經(jīng)濟(jì)時代”。計算機(jī)科學(xué)技術(shù)在將人類生活日益信息化的更新改進(jìn)中,也實(shí)現(xiàn)了其自身逐漸向多元化的轉(zhuǎn)變。
1.計算機(jī)科學(xué)發(fā)展歷史與快速發(fā)展原因
1.1計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展歷史
圖靈在1936年發(fā)表了題為“論可計算及其在判定問題中的應(yīng)用”的論文,從此開啟了計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的新紀(jì)元。1946年至1969年是計算機(jī)使用電子管的階段,國際首臺通用電子數(shù)字計算機(jī)――埃尼阿克在1946年誕生,這個時期的計算機(jī)體積較大較重,花費(fèi)成本大,運(yùn)行并不快,它主要提供科學(xué)計算服務(wù)。 1959年到1964年是計算機(jī)晶體管階段,在發(fā)展計算機(jī)科學(xué)計算的基礎(chǔ)上,出現(xiàn)了中、小型計算機(jī),開始大量生產(chǎn)低成本廉小型數(shù)據(jù)處理計算機(jī)。從1964年起,隨著集成電路的不斷發(fā)展,計算機(jī)步入了產(chǎn)品系列化階段,應(yīng)用范圍越來越大。從1990以來,計算機(jī)科學(xué)技術(shù)日益微型化、智能化,它在社會發(fā)展中的作用越來越大。計算機(jī)科學(xué)技術(shù)以其超強(qiáng)的生命力和不可替代性,在社會發(fā)展中不斷更新?lián)Q代,發(fā)展前景一片大好。
1.2促進(jìn)計算機(jī)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的因素
社會需求的驅(qū)動。二戰(zhàn)時期對信息的緊迫需求,大大的促進(jìn)了計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,并將計算機(jī)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。后來,計算機(jī)因?yàn)槠鋸?qiáng)大的運(yùn)算能力,從研究所和政府部門轉(zhuǎn)向民間,被發(fā)展為廣泛的民用,并且被廣泛應(yīng)用于尖端科學(xué)領(lǐng)域,隨著各行業(yè)對計算機(jī)高性能和大容量的需求,帶動了計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
1.3芯片制作、軟件開發(fā)
計算機(jī)芯片和軟件的不斷開發(fā),使得計算機(jī)輔助設(shè)計得到了很大的發(fā)展,它們的運(yùn)用加速了計算機(jī)的研發(fā),使得計算機(jī)科學(xué)創(chuàng)新技術(shù)日益加快。
1.4共享信息促進(jìn)了計算機(jī)的發(fā)展
信息共享使得計算機(jī)科學(xué)技術(shù)日益大眾化,大大促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,在最新信息的平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行計算機(jī)的創(chuàng)新,縮短了研發(fā)周期。
1.5選擇機(jī)制促進(jìn)了計算機(jī)的發(fā)展
在選擇機(jī)制下,認(rèn)識的提高會帶動選擇判據(jù)的提升。計算機(jī)在人們的日常應(yīng)用中被廣泛接納,得以在一次次的歷史抉擇中占據(jù)絕對的優(yōu)勢,所以,人們會想方設(shè)法的解決好計算機(jī)技術(shù)發(fā)展過程中出現(xiàn)的問題和障礙。選擇機(jī)制為計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了絕好的契機(jī),促進(jìn)了計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。
2.計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
2.1微處理器的發(fā)展遇到新問題
正如我們所了解到的,開發(fā)和使用微處理器,使計算機(jī)性能得到了大大的提高, 它就如同化學(xué)反應(yīng)中的一劑催化劑,促進(jìn)了計算機(jī)技術(shù)發(fā)展更新。而改善微處理器性能的關(guān)鍵在于能否進(jìn)一步減小芯片內(nèi)晶體管的尺寸和寬度,這需要曝光光源的波長更短,從而將晶體管做得更小。但是UV(紫外線)已經(jīng)無法使晶體管更小化,短時間內(nèi)微處理器性能無法實(shí)現(xiàn)很大提升。這就在一定程度上阻礙了微處理器的發(fā)展。
2.2納米電子技術(shù)嶄露頭角
一直以來,電子元件都是計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的一大推動力,在計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程中發(fā)揮了重要作用。然而,近年來,隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,計算機(jī)技術(shù)微型化、智能化、超高速化的傾向越來越明顯,與此同時,電子元件技術(shù)卻沒有獲得同樣的發(fā)展,目前來看已很難適應(yīng)計算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展需求,如同一雙大小不合且過了時的鞋子,已無法跟上計算機(jī)的前進(jìn)步伐。此時,納米電子技術(shù)的出現(xiàn),無疑成了擺脫這種僵局的一個突破口。納米電子技術(shù),憑借自身的優(yōu)勢和特點(diǎn),很好地解決了計算機(jī)集成度和處理速度的雙重限制,為計算機(jī)的發(fā)展前景提供了無限可能。
3.計算機(jī)科學(xué)技術(shù)未來發(fā)展趨勢
計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展史是一段光輝的歷程,隨著科學(xué)技術(shù)的日漸發(fā)展,計算機(jī)必定會迎來更好的春天,計算機(jī)在以后的發(fā)展中必將朝著高速化、智能化、多元化的方向發(fā)展,更好的與人類生活的緊密聯(lián)系。
3.1納米技術(shù)
納米技術(shù)跟傳統(tǒng)的電子元件相比,優(yōu)勢明顯,不僅能沖破計算機(jī)集成度和處理速度的兩度限制,而且將在未來的發(fā)展道路上越走越好。隨著納米技術(shù)的發(fā)展和普及,一方面,量子計算機(jī)的儲存容量和運(yùn)算速度均得到了顯著的增強(qiáng),另一方面,生物計算機(jī)在集成度、存儲容量等方面具有極大的優(yōu)勢,處理速度更相當(dāng)于普通電子計算機(jī)的幾百倍。
當(dāng)前所使用的計算機(jī)硅芯片物理極限已經(jīng)無法再突破,無論是在體積方面還是耗電量上都無法再少了,也無法再提高通電和斷電的頻率。有專家預(yù)言要解決此問題必須采用納米晶體管制作“納米計算機(jī)”。據(jù)估計,納米計算機(jī)的運(yùn)算速度將會是現(xiàn)在的硅芯片計算機(jī)的 1.5萬倍,但其所耗能量卻少很多。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初才迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域,最終的目的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)品出來。
3.2 3D異類器件集成
兩股不同的力量正推動著 3D陣列中集成半導(dǎo)體器件向不同方向發(fā)展。
一種方向是在公共平臺上集成不同技術(shù)來提供最佳信息處理解決方案的需要。顯而易見,微縮的CMOS之外的新興技術(shù)通過混合搭配應(yīng)用需要適應(yīng)特定的技術(shù),在性能上具有很大的改進(jìn)潛力。不同技術(shù)的組合需要功能不同技術(shù)的3D集成,這些技術(shù)下至微處理器、ASIC和DRAM,上到RF、模擬、光學(xué)和MEMS。這類不同的技術(shù)包括將分子、塑料和快速單磁通(single―flux)量子超導(dǎo)體以及其他新興技術(shù)直接3D集成到硅的平臺上。
另一個重要驅(qū)動力是減少全局互聯(lián)的延時,更好的提高系統(tǒng)性能。在同等條件下,器件的3D集成比平面排列的晶體管互聯(lián)延時更少。因?yàn)?D集成的表面比平面電路低,必須解決3D集成的散熱問題。3D集成中內(nèi)存與處理器的集成前景廣闊。
3.3量子胞自動開關(guān)
在量子胞自動開關(guān)(QCA)當(dāng)中,包含了多個量子點(diǎn)規(guī)則排列的細(xì)胞構(gòu)成了一種局部互聯(lián)的架構(gòu)。用靜電互想的感應(yīng)的作用,來給細(xì)胞之間提供聯(lián)系,而并不是依靠線路。在向細(xì)胞內(nèi)注入一對電子的時候,這一對電子的方向就決定著單元的狀態(tài)。磁 QCA是另外一個剛剛發(fā)展起來的技術(shù),目前電子QCA正處于主導(dǎo)地位,暫時還不能對它的性能來進(jìn)行評價分析。將這些QCA 組合在一起,可以實(shí)現(xiàn)和使用布爾邏輯門電路完全不一樣的電路功能。
3.4量子計算機(jī)
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。一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)(0和1可同時存取),同樣數(shù)量的存儲位,量子計算機(jī)的存儲量比普通計算機(jī)要大得多,而且能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏嬎悖溥\(yùn)算速度可能比現(xiàn)有的個人計算機(jī)的奔騰3的晶片快將近10億倍。
3.5生物計算機(jī)與光子計算機(jī)
生物計算機(jī)的運(yùn)算就是實(shí)現(xiàn)周圍物理化學(xué)介質(zhì)與蛋白質(zhì)分子的相互作用的過程。由酶來充當(dāng)計算機(jī)的轉(zhuǎn)換開關(guān),而程序則表示在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)90年代,相關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)脫氧核糖核酸 DNA在不同狀態(tài)下代表不同信息。DNA分子中的遺傳密碼就相當(dāng)于存儲的數(shù)據(jù),DNA分子間再通過生化反應(yīng),從一種基因代瑪轉(zhuǎn)變成另外一種基因的代碼。反應(yīng)前的基因代碼相當(dāng)于輸入的數(shù)據(jù),反應(yīng)后的基因代碼則相當(dāng)于輸出的數(shù)據(jù)。如果能控制這一個反應(yīng)的過程,那么我們就可以成功的制作DNA計算機(jī)了。蛋白質(zhì)分子彼此之間的距離很近,比硅晶片上電子元件要小得多,生物計算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算所需要的時間僅僅可以用微微秒還計算,所以,它要快于人的思維上百萬倍。
【參考文獻(xiàn)】
[1]陳相吉.未來計算機(jī)與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展[J].法制與社會,2007,10.
1.計算機(jī)發(fā)展的歷史沿革
1.1在20世紀(jì)40-50年代,此階段被稱為大型主機(jī)階段
(即第一代電子管計算機(jī))。期間經(jīng)歷了電子管數(shù)字計算機(jī)、晶體管數(shù)字計算機(jī)、集成電路數(shù)字計算機(jī)和大規(guī)模集成電路數(shù)字計算機(jī)的發(fā)展歷程,計算機(jī)技術(shù)逐漸走向成熟。
1.2在20世紀(jì)60-70年代,此階段被稱為小型計算機(jī)階段
其實(shí)就是對大型主機(jī)進(jìn)行的第一次“縮小化”變革,其成本低廉,價格易被接受。而且可以滿足息處理的要求。
1.3微型計算機(jī)階段
是20世紀(jì)70-80年代的主流,也是對大型主機(jī)進(jìn)行的第二次“縮小化”變革。期間,美國蘋果公司推出了appleii計算機(jī),并此后對它經(jīng)行了若干次的演進(jìn),最終打開了個人計算機(jī)市場,為個人計算機(jī)的普及奠定了根基。
1.4客戶機(jī)/服務(wù)器階段
其標(biāo)志階段是在1964年,ibm與美國航空公司將2000多個訂票的終端用電話線連接在了一起,建立了全球第一個聯(lián)機(jī)訂票系統(tǒng),此舉標(biāo)志著計算機(jī)進(jìn)入了客戶機(jī)/服務(wù)器階段。在其網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)的核心部分就是服務(wù)器,網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)就是客戶機(jī),服務(wù)器不斷給客戶機(jī)提供所需要的網(wǎng)絡(luò)資源。客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是能讓客戶端pc的處理能力得到最大充分發(fā)揮,經(jīng)過客戶端處理過工作后,再提交給服務(wù)器,使得服務(wù)器的壓力能夠得到大幅度降低。
1.5 internet階段,也稱互聯(lián)網(wǎng)階段
互聯(lián)網(wǎng)始于1969年,最初是因?yàn)榧永D醽喆髮W(xué)洛杉機(jī)分校、史坦福大學(xué)研究學(xué)院、加利福尼亞大學(xué)、猶他州大學(xué)四所大學(xué)在arpa制定的協(xié)定下,將四臺主要的計算機(jī)按照一定的通訊協(xié)議連接起來,此舉標(biāo)志著互聯(lián)網(wǎng)的誕生。至今為止,互聯(lián)網(wǎng)的功能越來越強(qiáng)大,帶寬速度也越來越快。其交互性、即時性、多媒體性、全球性、海量性的特性突顯。互聯(lián)網(wǎng)的意義不應(yīng)低估。它是人類邁向地球村堅(jiān)實(shí)的一步。
1.6從2008年起,云計算時代來臨
云計算(cloud computing)概念逐漸流行起來,它正在成為一個通俗和大眾化的詞語。云計算被視為“革命性的計算模型”,因?yàn)樗沟贸売嬎隳芰νㄟ^互聯(lián)網(wǎng)自由流通成為了可能。企業(yè)與個人用戶無需再投入昂貴的硬件購置成本,只需要通過互聯(lián)網(wǎng)來購買租賃計算力,用戶只用為自己需要的功能付錢,同時消除傳統(tǒng)軟件在硬件,軟件,專業(yè)技能方面的花費(fèi)。云計算讓用戶脫離技術(shù)與部署上的復(fù)雜性而獲得應(yīng)用。云計算囊括了開發(fā)、架構(gòu)、負(fù)載平衡和商業(yè)模式等,是軟件業(yè)的未來模式。它基于web的服務(wù),以互聯(lián)網(wǎng)為中心。
2.計算機(jī)的未來發(fā)展模式
2.1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。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)。
2.2量子計算機(jī)
量子計算機(jī)是利用原子所具有的量子特性進(jìn)行信息處理的一種全新概念的計算機(jī)。量子理論認(rèn)為,非相互作用下,原子在任一時刻都處于兩種狀態(tài),稱之為量子超態(tài)。原子會旋轉(zhuǎn),即同時沿上、下兩個方向自旋,這正好與電子計算機(jī)0與1完全吻合。如果把一群原子聚在一起,它們不會像電子計算機(jī)那樣進(jìn)行的
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線性運(yùn)算,而是同時進(jìn)行所有可能的運(yùn)算,例如量子計算機(jī)處理數(shù)據(jù)時不是分步進(jìn)行而是同時完成。只要40個原子一起計算,就相當(dāng)于今天一臺超級計算機(jī)的性能。量子計算機(jī)以處于量子狀態(tài)的原子作為中央處理器和內(nèi)存,其運(yùn)算速度可能比目前的奔騰4芯片快10億倍,就像一枚信息火箭,在一瞬間搜尋整個互聯(lián)網(wǎng)。
2.3光子計算機(jī)
光子計算機(jī)是一種由光信號進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算、邏輯操作、信息存貯和處理的新型計算機(jī)。光子計算機(jī)的基本組成部件是集成光路,要有激光器、透鏡和核鏡。 由于光子比電子速度快,光子計算機(jī)的運(yùn)行速度可高達(dá)一萬億次。它的存貯量是現(xiàn)代計算機(jī)的幾萬倍,還可以對語言、圖形和手勢進(jìn)行識別與合成。
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(jiān)固,有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性, 能代替硅芯片制造計算機(jī)。“納米”是一個計量單位, 一個納米等于10-9米, 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。現(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。
2.5生物計算機(jī)
20世紀(jì)80年代以來,生物工程學(xué)家對人腦、神經(jīng)元和感受器的研究傾注了很大精力,以期研制出可以模擬人腦思維、低耗、高教的第六代計算機(jī)——生物計算機(jī)。用蛋白質(zhì)制造的電腦芯片,存儲量可以達(dá)到普通電腦的10億倍。生物電腦元件的密度比大腦神經(jīng)元的密度高100萬倍,傳遞信息的速度也比人腦思維的速度快100萬倍。
2.6神經(jīng)計算機(jī)
其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)分布式聯(lián)想記憶.并能在一定程度上模擬人和動物的學(xué)習(xí)功能。它是一種有知識、會學(xué)習(xí)、能推理的計算機(jī),具有能理解自然語言、聲音、文字和圖像的能力,并且具有說話的能力,使人機(jī)能夠用自然語言直接對話,它可以利用已有的和不斷學(xué)習(xí)到的知識,進(jìn)行思維、聯(lián)想、推理,并得出結(jié)論,能解決復(fù)雜問題,具有匯集、記憶、檢索有關(guān)知識的能力。
3.結(jié)語
1專業(yè)化和智能化發(fā)展
計算機(jī)在社會中的應(yīng)用體現(xiàn)出了智能化和專業(yè)化的特點(diǎn)。隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,其他科學(xué)技術(shù)不斷的進(jìn)步,計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)融合了集成電路、微電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)等,計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)顯得更加智能化和專業(yè)化。計算機(jī)的智能化可以按照人類的思維方式而展開活動,包括信息的提取、儲存和傳送等,可以對用戶提出的問題進(jìn)行分析,從而完成相應(yīng)的活動。計算機(jī)的智能化分析和解決問題的思路是相同的,但是因?yàn)槊媾R的問題不同,其解決方案和相應(yīng)的活動也是不同的,因此,計算機(jī)技術(shù)將不同的解決方案集合起來,可以構(gòu)建成為一個可以為社會所運(yùn)用的信息技術(shù)平臺,這是計算機(jī)智能化的重要體現(xiàn)。隨著計算機(jī)智能化的發(fā)展,家庭網(wǎng)絡(luò)智能化已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的人工操作,可以有效的提高人們的生活質(zhì)量。
2納米技術(shù)和微處理器
計算機(jī)的重要發(fā)展體現(xiàn)在計算機(jī)的微處理器和納米技術(shù)。隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,微處理器的尺寸也在不斷的縮小中,可以有效的縮小計算機(jī)的體積,并且微處理器的發(fā)展能夠有效的提高計算機(jī)的使用性能,現(xiàn)在的計算機(jī)晶體管制作更為小巧精細(xì),從而有效的促進(jìn)了計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)在的計算機(jī)表現(xiàn)出了諸多的優(yōu)點(diǎn),例如運(yùn)行速度變得更快,與傳統(tǒng)計算機(jī)相比其運(yùn)行速度呈幾何倍數(shù)增長;計算機(jī)的體積也變得更加微型,比較適合人們的應(yīng)用和攜帶;同時計算機(jī)的操作更加智能化,可以更加有效的讓人們解決問題。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)逐步運(yùn)用在計算機(jī)中,計算機(jī)利用納米技術(shù),將會使計算機(jī)的尺寸變得更加微型,其運(yùn)算速度將會變得更加迅速,能夠有效的解決人們面臨的各種難題。
3計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展展望
3.1計算機(jī)技術(shù)向著生物計算機(jī)方向發(fā)展
隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新,必然向著生物計算機(jī)的方向發(fā)展。美國的一位博士在二十世紀(jì)九十年代就曾提出生物計算機(jī)的概念,所謂的生物計算機(jī)是指用DNA的序列來做信息編碼的載體,使用分子技術(shù)和控制酶等促使DNA序列發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)計算機(jī)數(shù)據(jù)的運(yùn)算。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,DNA生物計算機(jī)科學(xué)技術(shù)必然會實(shí)現(xiàn),其運(yùn)算速度將會遠(yuǎn)大于人腦的思維速度。在2013年,英國科學(xué)家將莎士比亞的作品編入了DNA序列,其儲存密度竟然達(dá)到了2.2PB每克,這一重大發(fā)現(xiàn)給計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶來希望的曙光,生物計算機(jī)的發(fā)展必將成為一種趨勢。
3.2計算機(jī)技術(shù)向著量子計算機(jī)方向發(fā)展
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,量子計算機(jī)也必然成為計算機(jī)的一種發(fā)展趨勢,所謂的量子計算機(jī)是指,將量子狀態(tài)的原子做為計算機(jī)的內(nèi)存和中央處理器,原子具有可以在同一個時間點(diǎn)出現(xiàn)在不同位置的特性,可以有效的提高計算機(jī)的運(yùn)算效率,可以加強(qiáng)計算機(jī)的存儲,可以將現(xiàn)在計算機(jī)中的二進(jìn)制代碼替換,可以極大程度的加快計算機(jī)的運(yùn)算效率。其運(yùn)算速度將比傳統(tǒng)的計算機(jī)快上幾億倍。目前,很多科學(xué)家都實(shí)現(xiàn)了對原子的操作,這為計算機(jī)科學(xué)技術(shù)向著量子化的方向發(fā)展提供了無限的動力,使得計算機(jī)科學(xué)技術(shù)向著量子計算機(jī)發(fā)展成為了可能。
3.3計算機(jī)技術(shù)向著光子計算機(jī)方向發(fā)展
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,光子計算機(jī)必將成為計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的一種發(fā)展趨勢,光子計算機(jī)是使用光路來做為計算機(jī)的基本元件,用光子信號進(jìn)行信息處理和存儲可以較大程度的提高計算機(jī)的運(yùn)行效率。與現(xiàn)在的計算機(jī)相比,光子計算機(jī)具有較高的集成密度,不會受到介質(zhì)的干擾,并且將以幾何的倍數(shù)提高計算機(jī)的運(yùn)行效率。目前,科學(xué)家已經(jīng)研制出了光電混合的計算機(jī),其運(yùn)行速度快,同時可以對圖形等進(jìn)行識別,但是,光電混合計算機(jī)的體積較大,還不適用于推廣和普及,還需要科學(xué)家努力發(fā)展研究,但是光電混合計算機(jī)帶給了我們實(shí)現(xiàn)光子計算機(jī)的可能性。
3.4計算機(jī)技術(shù)向著模糊計算機(jī)方向發(fā)展
現(xiàn)在社會的發(fā)展中,存在著一系列無法界定的概念,例如好和壞,我們無法用語言去對其進(jìn)行劃分,針對這一系列無法界定的概念,科學(xué)家設(shè)計出模糊計算機(jī),此計算機(jī)可以進(jìn)行思考和判斷,這是未來計算機(jī)發(fā)展的趨勢,雖然科學(xué)家已經(jīng)設(shè)計出了模糊計算機(jī),但是其功能還有待提高,模糊計算機(jī)的完善發(fā)展,還需要多門學(xué)科的融入,例如社會學(xué)、心理學(xué)和電子學(xué)等,模糊計算機(jī)是計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢,對其進(jìn)行研制,將會對人們的生活產(chǎn)生重大的影響。
4結(jié)語
計算機(jī)技術(shù) 計算機(jī)安全 計算機(jī)維護(hù) 計算機(jī)理論 計算機(jī)軟件 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 計算機(jī)畢業(yè)論 計算機(jī)英語 計算機(jī)畢業(yè) 計算機(jī)病毒 紀(jì)律教育問題 新時代教育價值觀