计算机技术前沿总结

©FrontierTechnologiesinComputerScience计算机科学前沿技术FrontierTechnologiesinComputerScience©FrontierTechnologiesinComputerScience知识框架•第1章概述•第2章计算机硬件的发展•第3章高性能计算•第4章现代操作系统•第5章计算机网络新技术•第6章数据库技术的发展•第7章数据挖掘及其应用•第8章人工智能前沿•第9章搜索引擎技术•第10章集体智慧与Web2.0•第11章云计算•第12章物联网技术•第13章服务科学与服务计算•第14章智慧地球©FrontierTechnologiesinComputerScience第1章概述©FrontierTechnologiesinComputerScience在1895年出版的Darwin（达尔文）名著《物种起源》（TheOriginofSpecies）第一版扉页上写道：“作为生物进化论的完整理论体系，《物种起源》主要讨论两个问题：一个是形形色色的生命是否由进化而来，二是进化的主要机理是什么”。达尔文对第一个问题的回答是肯定的，对第二个问题的回答是“自然选择”。——CharlesDarwin©FrontierTechnologiesinComputerScience5知识概要•计算机科学面临的问题•计算机学科概述–计算机学科的特点–基本学科能力–计算机学科发展和分支学科的划分–计算机科学与其他学科之间的关系•计算机科学发展的趋势©FrontierTechnologiesinComputerScience6六大科学理论的突破•量子力学•相对论•宇宙大爆炸模型•DNA双螺旋结构•板块构造理论•计算机科学计算机科学是现代科学体系的主要基石之一©FrontierTechnologiesinComputerScience721世纪计算机科学和信息技术发展的新取向•更加重视技术的多样性、开放性和个性化•更加重视计算机技术惠及大众•更加重视生态和环境影响•更加重视医学及与人类健康有关的科学技术•将更加重视计算机科学的交叉研究•更加重视与人文艺术的结合•更加重视计算机科学与信息技术伦理道德方面的研究和对社会作用的法制化管理与监督©FrontierTechnologiesinComputerScience8计算机科学（ComputerScience）•计算机科学与技术学科，简称计算机科学•ACM/IEEE-CS的专家们认为，目前已经无法继续用计算机学科来称谓它，而改称其为计算学科（ComputingDiscipline）©FrontierTechnologiesinComputerScience9计算机科学（ComputerScience）•Wikipedia：与计算相关的多种学科的集合，包括理论和实际两方面：涉及信息和计算的理论基础、语言理论、算法分析和开发、计算系统的实现、计算机图形学、数据库、数据通信等。•美国的网络和信息技术研究与发展国家办公室：计算系统和计算的语义研究。•美国计算机学会（ACM）：计算机和算法过程的研究，包括它们的原理、它们的硬件和软件设计、它们的应用以及它们对社会的影响。©FrontierTechnologiesinComputerScience10计算机科学怎样成为一种科学？科学Science艺术Art原理（Principles）实践（Practice）基本原理的重复性（Fundamentalrecurrences）熟练运用（Skilledperformance）解释说明（Explanation）行动（Action）发现（Discovery）发明（Invention）分析（Analysis）合成（Synthesis）剖析（Dissection）构造（Construction）©FrontierTechnologiesinComputerScience111.1计算机科学面临的问题•计算机科学教育缺乏创新，计算机课程体系的陈旧–针对学生特别是本科学生的培养上，充分强调以兴趣为主–大学提供的是一种机会，让学生自己做真正喜欢的事情•从狭义工具论到计算思维的转变–计算机和信息科技的普及实际上是在全社会传播一种计算思维–计算思维是一种普适的思维，是每个人的基本技能•计算机科学人才的匮乏–企业、政府等部门都需要计算机人才–德智体合格，在团队精神、敬业态度、工作能力等方面都能胜任©FrontierTechnologiesinComputerScience12计算思维•计算思维强调一切皆可计算，从物理世界到人类社会模拟，从人类社会再到智能活动，都可认为是计算的某种形式。•计算思维是概念化思维，是人的思维，是数学和工程互补融合的思维，是面向所有人的思维。©FrontierTechnologiesinComputerScience131.2计算机科学概述•计算机学科的特点•基本学科能力•计算机学科发展和分支学科的划分•计算机科学与其他学科之间的关系©FrontierTechnologiesinComputerScience141.2.1计算机学科的特点•根本问题–NicklausWirth：在较高的认识层次上，硬件和软件是一样的。–计算机学科的根本问题：什么能、且如何被有效地自动计算。•基本特征–计算机学科具有“理论、抽象、设计”三个学科形态形式化、模型化符号符号变换抽象思维、逻辑思维描述手段表示形式求解方式思维方式“程序”的非物理特征©FrontierTechnologiesinComputerScience151.2.2基本学科能力•计算思维能力•算法设计与分析能力•程序设计与实现能力•系统分析、开发与应用能力©FrontierTechnologiesinComputerScience161.2.3计算机学科发展和分支学科的划分•计算机科学（ComputerScience）•计算机工程（ComputerEngineering）•软件工程（SoftwareEngineering）•信息技术（InformationTechnology）•信息系统（InformationSystem）©FrontierTechnologiesinComputerScience171．计算机科学（ComputerScience）•计算机科学研究的范围很广，从理论和算法基础到机器人开发、计算机视觉、智能系统、生物信息等。主要包括：–寻找求解计算问题的有效方法–构建使用计算机的新方法–软件的设计与实现©FrontierTechnologiesinComputerScience182．计算机工程（ComputerEngineering）•设计和构建计算机系统和基于计算机的系统，包括研究硬件、软件、通信以及它们之间的交互。–学科内容集中在传统的电子工程、数学等相关领域的理论、原理和实践。–强调的是硬件而不是软件，而且具有很强的工程特性。©FrontierTechnologiesinComputerScience193．软件工程（SoftwareEngineering）•软件工程的主要目标是开发系统模型和按时并在有限预算下生产高质量软件的可靠技术。–软件工程寻找计算机科学中科学与工程原理的结合，探讨以工程的规范有效地开发和管理软件系统。©FrontierTechnologiesinComputerScience204．信息技术（InformationTechnology）•信息技术主要用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称。–它主要是应用计算机科学和通信技术来设计、开发、安装和实施信息系统及应用软件。–与信息系统学科的重点在于“信息”相对，信息技术学科的重点在于“技术”。©FrontierTechnologiesinComputerScience215．信息系统（InformationSystem）•信息系统学科可以理解为是基于技术的商务开发–该学科强调信息技术中的“信息”，而将“技术”看成是产生、处理和分发所需的工具。–他们面对的信息系统一般都是庞大和复杂的，既要懂技术，又要明白组织因素，知道如何有效地利用这类系统。©FrontierTechnologiesinComputerScience221.3计算机科学发展的趋势•“高”：性能越来越高，速度越来越快–提高器件速度–并行处理•“广”：计算机的无处不在–网络化与向各个领域的渗透–普适计算（PervasiveComputing）•“深”：信息的智能化发展©FrontierTechnologiesinComputerScience第2章计算机硬件的发展©FrontierTechnologiesinComputerScience24知识概要•计算机发展的历史回顾•我国计算机发展史•新型计算机的发展•CPU和GPU的发展©FrontierTechnologiesinComputerScience251计算机发展的历史回顾早期计算机：机械式计算工具、机电式计算机©FrontierTechnologiesinComputerScience261计算机发展的历史回顾电子管、晶体管和集成电路电子计算机的诞生©FrontierTechnologiesinComputerScience27现代计算机发展历程第一代电子管计算机（1945─1956）第二代晶体管计算机(1956─1963)第三代集成电路计算机(1963─1971)第四代大规模集成电路计算机(1971至今)1计算机发展的历史回顾©FrontierTechnologiesinComputerScience282我国计算机发展史第一代电子管计算机研制（1958─1964）第二代晶体管计算机研制（1965─1972）©FrontierTechnologiesinComputerScience292我国计算机发展史第三代中小规模集成电路计算机研制（1973─20世纪80年代初）第四代超大规模集成电路计算机研制（80年代中期至今）©FrontierTechnologiesinComputerScience303新型计算机的发展量子计算机纳米计算机DNA计算机光计算机©FrontierTechnologiesinComputerScience314CPU和GPU的发展CPU的发展Intel4004和8080Intel8086、Intel80286、Intel80386、Intel80486IntelPentiumIntelPentiumMMXIntelPentiumProIntelPentiumIIIntelCeleron（赛扬）IntelPentiumIIIIntelPentiumIV双核处理器©FrontierTechnologiesinComputerScience32多核计算的发展趋势多核技术的发展---多核上将集成更多结构简单、低功耗的核心。---异构多核是一个重要的方向。---多核上应用可重构技术---多核的功率和热管理---片上多核处理器时代的到来多核计算的发展4CPU和GPU的发展©FrontierTechnologiesinComputerScience33GPU的发展GPU简介---GraphicProcessingUnit，中文翻译为“图形处理器”---GPU是显示卡的“心脏”，也就相当于CPU在电脑中的作用---20世纪60-70年代，受硬件条件的限制，图形显示器只是计算机输出的一种工具---20世纪80年代初期，出现GE（GeometryEngine）为标志的图形处理器---20世纪90年代，NVIDIA进入个人电脑3D市场4CPU和GPU的发展©FrontierTechnologiesinComputerScience34GPU的发展NVIDIAGPU的发展GPU通用计算GPU结构（左）与CPU结构（右）的对比4CPU和GPU的发展©FrontierTechnologiesinComputerScience35CPU