07 第七章 计算机学科前沿.pptx

第1页：大学计算机—计算的思想和方法课程封面

《大学计算机—计算的思想和方法》课程封面，标示教材名称、第3版与编著者信息。

第2页：课程简介

• 课程定位核心通识课，计算机基础教学公共核心基础课程
• 授课对象非计算机专业本科生
• 教学目标
  • 深入理解计算科学在科学研究和知识创新中的地位和作用。
  • 全面培养个人的信息素养和计算思维能力。
  • 了解计算发展的基本过程，理解发展中的主要发明
  • 掌握问题求解的一般思想和方法，理解常用的问题求解算法。
  • 理解数据的概念，理解数据结构的含义和作用
  • 理解计算机程序、计算机程序设计语言的概念，理解程序编写和程序运行的基本内涵
  • 理解通信和计算机网路的思想，了解常用的网络设备及其功能，理解主要的互联网应用
  • 了解目前计算机学科的发展前沿，体会学科交叉在科研中的价值和意义
    • 第1章绪论
    • 第2章计算与计算机
    • 第3章问题求解与算法
    • 第4章数据与数据结构
    • 第5章计算机程序
    • 第6章计算机网络
    • 第7章计算科学前沿

第3页：第7章 计算科学前沿

• 7.1 计算的新模式
• 7.2 数字化生存
• 7.3 新型计算机

知识要点：并行计算，流水线技术，并行计算机，向量机，对称多处理（SMP），计算机集群（机群），分布式计算，网格计算，计算网格，数据网格，云计算，云安全，云存储，普适计算，社会计算，情感计算。

第4页：7.1 计算的新模式

• 并行计算与超级计算机
• 分布式计算
• 网格计算
• 云计算
• 无处不在的计算

第5页：并行计算与超级计算机

• 并行计算（Parallel Computing）
• 流水线技术
• 并行计算机
• 并行计算的问题

第6页：什么是并行计算？

• 串行计算，传统的Von.Neumann计算机
• 并行计算（Parallel Computing），是指同时使用多种计算资源解决计算问题的过程，是提高计算机系统计算速度和处理能力的一种有效手段。
• 并行方式
  • 空间上的并行，多处理器，集群
  • 时间上的并行，流水线技术（准并行）

第7页：流水线技术

• 工业生产中流水线的概念
  • 汽车装配的四个步骤
    • （1）冲压：制作车身外壳和底盘等部件；
    • （2）焊接：将冲压成形后的各部件焊接成车身；
    • （3）涂装：将车身等主要部件清洗、化学处理、打磨、喷漆和烘干；
    • （4）总装：将各部件组装成车。
  • 生产组织
    • 不采用流水线
    • 流水线
• 计算机CPU的工作
  • 指令获取
  • 解码
  • 运算
  • 结果写入
• Intel 486
  • CPU中由5～6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线

第8页：并行计算机

• 传统顺序执行计算机
  • 在同一时刻只能执行一条指令（即只有一个控制流）、处理一个数据（即只有一个数据流），因此被称为单指令流单数据流（Single Instruction Single Data Stream，SISD）计算机
  • 以加法指令为例，单指令单数据（SISD）的CPU对加法指令译码后，执行部件先访问内存，取得第一个操作数；之后再一次访问内存，取得第二个操作数；随后才能进行求和运算。
• 并行计算机
  • 并行机为多指令流多数据流（Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream，MIMD）计算机，它使用多个控制器来异步地控制多个处理器，从而实现空间上的并行性。
  • 并行向量处理机，面向向量型并行计算，以流水线结构为主的并行处理计算机
  • 对称多处理机。对称多处理（Symmetric Multiprocessing，SMP）是一种多处理机硬件架构，由两个或更多的相同的处理机（处理器）组成，不同的处理器之间可以由总线、矩阵开关或片上mesh网络来连接，各处理器之间共享内存子系统及总线结构，由一个操作系统控制。
  • 大规模并行处理机。大规模并行处理（Massive parallel processing，MPP）是由大量通用微处理器构成的多处理机系统，适合多指令流多数据流处理。
  • 工作站机群（Cluster of Workstation，COW）

第9页：工作站

• 工作站（Workstation），就是一种高档的微型计算机或小型计算机
• 通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内存储器和外部存储器，具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能以及联网功能
• 和普通微机的不同
  • 通常配置服务器和工作站专用的CPU
  • 专用CPU通常集成了一些图形图像处理的算法，以提高其图形图像处理能力

第10页：集群

• 集群（Cluster）是指互相连接的多个独立计算机的集合，它通过一组松散集成的计算机软件和/或硬件连接起来高度紧密地协作完成计算工作。
• 分类
  • 按体系结构分
    • 同构
    • 异构
  • 按计算机分
    • PC机群
    • 工作站机群
    • SMP（对称多处理器）机群
  • 按应用分
    • 高可用性集群
    • 负载均衡集群
    • 高性能计算集群

第11页：并行计算的问题

• 巨额投资，并行计算时代的高性能机群是一个“快速消费品”
• 导致了
  • 既能提高计算机快速计算能力，又不需要巨额投资的新的计算模式就陆续出现
  • 网格计算和云计算，属于并行计算，但策略不同

第12页：分布式计算

• 著名的问题
  • 解决复杂的数学问题，例如：寻找最大的梅森素数。
  • 研究安全的密码系统，例如：RC-72密码破解。
  • 生物病理研究，例如：研究蛋白质折叠，误解，聚合及由此引起的相关疾病。
  • 疾病的药物研究，例如：寻找对抗癌症的有效药物，寻找并发现对抗艾滋病病毒的更为有效的药物等。疾病的药物研究，例如：寻找对抗癌症的有效药物，寻找并发现对抗艾滋病病毒的更为有效的药物等。
  • 信号处理，例如：分析来自外太空的电讯号，寻找隐蔽的黑洞，并探索可能存在的外星智慧生命。
• 计算量巨大

第13页：搜寻地外文明的科学实验计划

• SETI@home项目自1999年5月17日开始正式运行。
• 利用全球联网的计算机共同搜寻地外文明的科学实验计划SETI@home项目是世界上最大的分布式计算项目，通过使用联网的计算机下载程序分析射电望远镜所收到的讯号，来搜索地球外的生命迹象。
• 至2004年5月，累积进行了近5×1021次浮点运算，处理了超过13亿个数据单元。
• 截至2005年关闭之前，已经吸引了543万用户，这些用户的电脑累积工作243万年，分析了大量积压数据，但是项目没有发现外星文明的直接证据。

第14页：网格计算

• 所谓网格计算（Grid Computing），就是通过利用大量异构计算机（通常为桌面）的未用资源（CPU和磁盘存储），将其作为嵌入在分布式电信基础设施中的一个虚拟的计算机集群，为解决大规模的计算问题提供了一个模型。
• 网格计算是一种架设在互联网上的分布式计算，可以看作是由一群松散耦合的计算机组成的一个超级虚拟计算机，主要用来执行一些大型的计算任务。

第15页：网格计算的演化

• 萌芽阶段（1990年～1995年）
  • 代表性项目
    • 搜寻地外文明项目SETI@home
    • I-WAY（Information Wide Area Year）项目
• 早期试验阶段（1995年～2000年）
  • 研究项目
    • Globus，计算网格的开放体系结构及开放标准
    • Legion
• 发展阶段（2000以后）
  • 采用万维网服务体系结构的新的网格体系结构，即开放的网格服务体系结构（Open Grid Services Architecture，OGSA）
  • 全球网格论坛（Global Grid Forum，GGF）
  • 开放网格论坛（Open Grid Forum，OGF）

第16页：网格计算的功能

• 解决对于任何单一的超级计算机来说，仍然大得难以解决的问题，并同时保持解决多个较小的问题的灵活性。
• 网格计算支持跨管理域计算的能力
• 网格计算和计算机集群的不同
  • 都是为了解决大规模计算问题
  • 两者的实现策略不同

第17页：云计算

• 2006年8月9日，Google首席执行官埃里克·施密特（Eric Schmidt）在搜索引擎大会（SES San Jose 2006）上首次提出“云计算”（CloudComputing）的概念
• 云是网络、互联网的一种比喻说法。
• 云计算，是一种通过Internet以服务的方式提供动态可伸缩的虚拟化资源的计算模式
• 云计算的层次
  • 基础设施即服务（IaaS），
  • 平台即服务（PaaS）
  • 软件即服务（SaaS）
• 应用
  • 云安全，使用者越多，每个使用者就越安全
  • 云存储

第18页：无处不在的计算（1）

• 普适计算
  • 1991年，美国施乐（Xerox）公司PARC研究中心的Mark Weiser在《Scientific American》上发表文章“The Computer for the 21st Century”，首次提出了普适计算（ubiquitous computing）的概念
  • 1999年，IBM也提出普适计算（IBM称之为Pervasivecomputing）的概念，即为无所不在的，随时随地可以进行计算的一种方式
  • 同年，欧洲研究团体ISTAG提出了环境智能（AmbientIntelligence）的概念
• 智能设备

第19页：无处不在的计算（2）

• 计算已经不仅仅是一个技术问题，他正在全面的影响我们的思想、观念和行为，成为一种社会文化现象
• 社会计算
  • 社会是一个异常复杂的系统，采用简单的变量和时间参数是难以描述的。
  • 社会问题建模
  • 使用计算机模拟手段来对社会问题进行预测和模拟，对于防范社会突发事件的发生、防范恐怖主义袭击威胁，更好的保障社会公共安全具有重要意义

第20页：无处不在的计算（3）

• 情感也能计算吗？情感是人对客观事物是否满足自己的需要而产生的态度体验
• 人的情感主要根据它所反映的价值关系的不同特点进行分类
  • 根据价值的正负变化方向的不同，情感可分为正向情感与负向情感。
  • 根据价值的强度和持续时间的不同，情感可分为心境、热情与激情。
  • 根据价值的主导变量的不同，情感可分为欲望、情绪与感情。
  • 根据价值主体的类型的不同，情感可分为个人情感、集体情感和社会情感。
  • 根据价值的目标指向的不同，情感可分为对物情感、对人情感、对己情感和对特殊事物情感
• 1997年，MIT媒体实验室Picard教授提出了情感计算的概念，她指出情感计算是与情感相关，来源于情感或能够对情感施加影响的计算。

第21页：7.1 计算的新模式

• 7.1 计算的新模式
• 7.2 数字化生存
• 7.3 新型计算机

知识要点：数字地球，3S技术，地理信息系统（GIS），遥感（RS），全球定位系统（GPS），智慧城市，生活实验室（Living Lab），微观装配实验室（Fab Lab），物联网，传感器技术，射频识别（RFID）技术，嵌入式技术，大数据，个人隐私。

第22页：7.2 数字化生存

• 数字化地球
• 物联网
• 智慧城市
• 大数据技术
• 个人隐私

第23页：数字化地球

• 1998年1月31日，美国前副总统戈尔在加利福尼亚科学中心发表了题为《数字地球：展望21世纪我们这颗行星》的演讲，第一次提出了数字地球（Digital Earth）的概念
• 数字地球是一种能嵌入巨量的地理信息、对我们星球所做的多分辨率、三维的描述方式。
• 1999年11月29日至12月2日在北京召开了由中国科学院主办的第一届数字地球国际会议，会议通过了《数字地球北京宣言》

第24页：数字地球模型

• 数字化地球信息模型中包含了巨量信息，它包含了地球上每一点的所有信息，并与地理坐标一一对应。这些信息有地形、地貌、地质构造、土地、山川、气候等自然方面的信息，也有历史沿革、风土人情、文化教育、人口、交通、经济、科技、工农业生产等人文信息……通过数字化的地球，人们可以很方便地掌握和了解世界上任何一点的信息。
• 数字地球是借用对地观测、计算机、互联网等技术，把地球上每一点的相关信息，按地球的地理坐标加以整理，然后构成一个全球的信息模型。这样，人们就可以快速、形象、完整地了解地球上的任何一点、任何方面的信息。

第25页：相关技术

• 3S技术。3S是地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和全球定位系统（GPS）在应用上密切关联的高新技术的统称。
• 数据仓库技术
• 图像处理技术
• 虚拟现实技术

第26页：主要应用

• 数字地球与信息保障体系
• 数字地球与政府决策的关系
• 数字地球与智能化交通
• 数字地球与现代化战争
• 数字地球与全球变化及社会可持续发展

第27页：物联网的提出

• 1991年，美国麻省理工学院（MIT）的Kevin Ash-ton教授首次提出物联网的概念。
• 1995年比尔盖茨在《未来之路》一书中也曾提及物联网
• 1999年MIT建立了“自动识别中心”，提出“万物皆可通过网络互联”，阐明了物联网的基本含义，即：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
• 物联网（The Internet of things）就是“物物相连的互联网”。

第28页：物联网的概念

• 物联网
  • 物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；
  • 其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。
• 物联网的分层
  • 感知层
  • 网络层
  • 应用层

第29页：物联网关键技术

• 传感器技术
• RFID技术（Radio Frequency Identification，射频识别）又称电子标签、无线射频识别
• 嵌入式技术

第30页：智慧城市

• 2008年11月，在纽约召开的外国关系理事会上，IBM提出了“智慧的地球”这一理念，进而引发了智慧城市建设的热潮。
• 智慧城市，是指建立在物联网、云计算等信息技术上的，广泛应用社交网络、维基、LivingLab、FabLab等工具，营造一种有利于创新涌现的知识社会中城市发展的一种新的形态。
• 从数字城市到智慧城市
  • 理念上的差异

第31页：智慧城市的主要特征

• 智慧城市综合体
  • 广泛部署有线和无线网络，利用各种传感器、物联网和云计算技术，实现对城市综合体要素的全面智能感知、数据自动采集、存储和应用
• 智慧政务管理
• 智慧经济管理
• 智慧交通管理
• 智慧生活管理

第32页：智慧城市的发展现状

• 2006年，欧盟发起了欧洲Living Lab组织，它采用新的工具和方法、先进的信息和通讯技术来调动方方面面的“集体的智慧和创造力”，
• 2009年，美国爱荷华州东部城市、临密西西比河的迪比克（Dubuque）市与IBM合作，建立美国第一个智慧城市。
• 美国麻省理工学院比特和原子研究中心提出Fab Lab（FabricationLaboratory，微观装配实验室），Fab Lab的最初灵感来源于Gershenfeld教授于1998年在MIT开设的一门课程“如何能够创造任何东西”。
• 2013年1月29日，住房城乡建设部公布首批国家智慧城市试点名单，首批国家智慧城市试点共90个，其中地级市37个，区（县）50个，镇3个。

第33页：大数据

• 美国互联网数据中心指出，互联网上的数据每年将增长50%，每两年便将翻一番，而目前世界上90%以上的数据是最近几年才产生的。
• 数据又并非单纯指人们在互联网上发布的信息，全世界的工业设备、汽车、电表上有着无数的数码传感器，随时测量和传递着有关位置、运动、震动、温度、湿度乃至空气中化学物质的变化，也不断地产生海量的数据信息。
• 在apache org的开源项目Nutch中，首先引用了“大数据”这一术语。

第34页：大数据的概念

• 大数据(big data)，或称巨量资料，指的是所涉及的资料量规模巨大到无法透过目前主流软件工具，在合理时间内达到撷取、管理、处理、并整理成为帮助企业经营决策更积极目的的资讯。
• 特征
  • 数据体量巨大。从TB级别，跃升到PB级别
  • 数据类型繁多，包含了结构数据到非结构数据，诸如网页、图片、网络日志、视频、数据记录等。
  • 价值密度低，商业价值高。以视频为例，连续不间断监控过程中，可能有用的数据仅仅有一两秒。
  • 处理速度快。1秒定律。最后这一点也是和传统的数据挖掘技术有着本质的不同。

第35页：个人隐私

• 我们的一举一动都被遍布各个角落的传感器、被互联网用数据记录下来了
• 2013年6月6日，英国《卫报》和美国《华盛顿邮报》报道了美国国家安全局和联邦调查局于2007年启动了一个代号为“棱镜”的秘密监控项目
• 技术
  • 使用搜索引擎例如：搜索引擎中输入了“电饭锅”和“背包”两个关键词

第36页：7.2 数字化生存

• 7.1 计算的新模式
• 7.2 数字化生存
• 7.3 新型计算机

知识要点：摩尔定律超导现象，超导体，约瑟夫逊效应，约瑟夫逊结，超导计算机，量子，量子力学，量子计算，光计算机，人工神经网络，神经网络计算机，DNA计算机，生物计算机

第37页：7.3 新型计算机

• 电子计算机发展面临的问题
• 超导计算机
• 量子计算机
• 光计算机
• 神经网络计算机
• DNA生物计算机

第38页：电子计算机发展面临的问题

• 摩尔定律
  • 1965年时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的戈登·摩尔（GordonMoore）应邀为《电子学》杂志35周年专刊写一篇观察评论报告，题目是：“让集成电路填满更多的元件”。在摩尔开始绘制数据时，发现了一个惊人的趋势：每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量，每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18-24个月内。
• 实际的情况是，能耗导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。
• 近几年来，超大规模集成电路在制造工艺上的发展已经放缓，发展的潜力似乎已接近尾声。
• 科学家认为，由于硅工业领域材料尺寸限制，传统的电子技术在2020年后的某个时候将达到物理极限。
• 寻求新的替代技术

第39页：超导计算机

• 超导计算机
  • 就是指利用超导技术生产的计算机及其部件
  • 超导开关器件的开关速度达0.001ns，是当今所有电子、半导体、光电器件都无法比拟的，比集成电路要快几百倍。
  • 超导计算机的电能消耗仅是电子计算机的千分之一。
• 数据表示
• 数据计算（算数逻辑部件）

第40页：量子计算机

• 量子计算机（Quantum computer）是根据量子力学的有关理论，对计算机器的一种新的物理实现方案。
• 量子理论
  • 1900年12月14日，德国物理学家普朗克创立量子理论
  • 像原子作为一切物质的构成单元一样，“能量子”（量子）是能量的最小单元，原子吸收或发射能量是一份一份地进行的
• 1905年，德国物理学家爱因斯坦（A.Einstein，1879年3月14日～1955年4月18日）把量子概念引进光的传播过程，提出“光量子”（光子）的概念
• 1924年，法国物理学家德·布罗意（1892－1987）提出“物质波”假说
• 1926年，德国物理学家沃纳•海森堡提出不确定关系理论，建立了量子矩阵力学。奥地利物理学家埃尔温·薛定谔建立了量子波动力学，量子理论的发展进入了量子力学阶段

第41页：光计算机

• 利用光束来表达、存储数据以及进行数据运算的计算机就是光计算机，它以不同波长的光代表不同的数据，以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。
• 和经典电子计算机的电信号不同，光信号有其独特的特点。虽然如此，科学家对光计算机的研究依然沿用了经典计算机的研究思路，依然是从数据、数据操作运算入手，只是所使用的物理载体利用的不是电子和电流，而是光信号。

第42页：神经网络

• 1943年，心理学家Warren McCulloch和数理逻辑学家Walter Pitts在合作的“Alogical calculus of the ideas immanent in nervous activity”论文中提出并给出了人工神经网络的概念及人工神经元的克罗-彼特氏数学模型（McCulloch－Pitts′neuron model），称为MP模型，从而开创了人工神经网络研究的时代。
• 人工神经网络（Artificial Neural Networks）是一种应用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型，简称神经网络或类神经网络。神经网络是一种运算模型，由大量的节点（或称神经元）和之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数，称为激励函数（activation function）。
• 1957年，美国神经学家Frank Rosenblatt在美国Cornell航空实验室(CornellAeronautical Laboratory)工作时，提出了一种人工神经网络，建立了可以模拟人类感知能力的“感知机(Perceptron)”模型，并成功在IBM 704机上完成了感知机的仿真。
• 神经网络计算机

第43页：神经网络计算机

• 神经网络计算机，就是以人类神经系统的原理为基础建立的计算机系统，它具有模仿人的大脑判断能力和适应能力，可判断对象的性质与状态，并能采取相应的行动，而且可同时并行处理实时变化的大量数据，并引出结论。
• 实现
  • 模拟神经计算机。基本做法是在传统计算机上，用程序模拟人工神经网络，建立模拟神经计算机。
  • 设备方法，研制各种专用的神经网络计算机物理器件。

第44页：DNA生物计算机

• 1994年，美国南加州大学理论数学家雷纳德·阿德勒曼（L.Adleman）教授在《科学》杂志上发表一篇题为《组合问题的生物电脑解决方案》的论文，首次提出分子计算机，即用DNA分子构建计算机的设想，从而开启了DNA计算研究的新纪元。
• DNA计算
• DNA分子中的遗传密码相当于存储的数据，DNA分子间通过生化反应，从一种基因代码转变为另一种基因代码。反应前的基因代码相当于输入数据，反应后的基因代码相当于输出数据。如果能控制这一反应过程，那么就可以制作成功DNA计算机。

第45页：DNA计算的特点

• 体积小，DNA计算的每个链本身就是一个微型处理器，其体积之小，可同时容纳1万亿个此类计算机于一支试管中。
• 存贮量大。1立方米的DNA溶液，可以存贮1万亿亿的二进制数据。1立方厘米空间的DNA可储存的数据量超过1兆片CD容量。
• 运算速度快，运算速度可达到每秒10亿次。
• 耗能低，DNA计算机的能耗非常低，仅相当于普通电脑的10亿分之一。如果放置在活体细胞内，能耗还会更低。
• 并行性，经典计算机采用顺序执行指令的方式运算，由于DNA独特的数据结构，数以亿计的DNA计算机可以同时从不同角度处理一个问题，进行并行处理。

第46页：研究进展

• 解决了著名的“旅行推销员问题”
  • 旅行推销员问题（Traveling Salesman Problem,TSP）又称为旅行商问题、货郎担问题或TSP问题，它是一个多局部最优的最优化问题：有n个城市，一个推销员要从其中某一个城市出发，每个城市只走一遍，且需要走遍所有城市，再回到他出发的城市，求最短的路线。
  • 求解TSP问题，最明显的算法就是穷举法，即寻找一切组合并取其最短。这种算法的排列数为n!(其中n为节点个数)。用动态规划技术，我们可以在O(n22n)时间内解决此问题,这仍然是指数级的，
• DNA生物计算机已经不是科学幻想，它不但打破了传统意义上的计算机概念，而且有助于揭示生命的本质。
• 研制在人体内、在细胞内运行的计算机成为可能，它能够监控、发现潜在的致病变化，可以在人体内合成所需药物，治疗癌症、心脏病、动脉硬化等各种疑难病症，甚至帮助恢复盲人视觉，从而极大的推动生命科学的研究。

第47页：本章小结

7.1 计算的新模式计算机的弗林

（Flynn）分类，并行计算，流水线技术，并行计算机，向量机，对称多处理（SMP），计算机集群（机群），分布式计算，网格计算，计算网格，数据网格，云计算，云安全，云存储，普适计算，社会计算，情感计算。

7.3 新型计算机摩尔定律，超导现象

，超导体，约瑟夫逊效应，约瑟夫逊结，超导计算机，量子，量子力学，量子计算，光计算机，人工神经网络，神经网络计算机，DNA计算机，生物计算机。重点—蓝色难点—红色

第48页：问题思考

• 电子计算机的发展面临怎样的挑战？我们为什么要研究新型计算机？
• 从技术的角度，解释网络时代为什么失去了个人隐私？
• 神经网络计算机和DNA计算机横跨了生命科学、心理学和数学、物理学、计算机科学多个学科，你怎么理解这些新型计算机的研发对人类未来的意义。你从中又受到了什么启示？

第49页：本章结束

本章结束：Unit 1 Web基础谢谢大家

• Unit 1 Web基础谢谢大家