计算机前沿课程报告

计算机科学与技术专业前沿课程设计报告题目：新型计算机系统与计算机系统的发展班级：计算机学号：姓名：日期：2019年12月31日新型计算机系统与计算机系统的发展摘要:在过去的20年中，计算机已有了爆炸性的增长，在下一个10年中，由于新型计算机结构和智能计算机的出现预期要增长得更快。下述的计算机硬/软件技术的进展会对结构力学产生很大的影响。计算机产品不断升级换代，当前计算机正朝着巨型化、微型化、智能化、网络化等方向发展，计算机本身的性能越来越优越，应用范围也越来越广泛，篇幅以300字左右。关键词:计算机系统；发展趋势；量子计算机；智能化[6]前言现今,不同行业领域技术服务的推进和管理制度的优化升级都离不开计算机互联网技术的支持。行业领域工作的差异性决定了计算机领域系统工作的多样性。不同领域在进行综合计算机系统工作落实的过程中应该注重系统的便捷性、多元化特点,将用户的需求放在第一位,全面升级信息管理系统,不断增强技术水平和工作效率,迎合国内国际发展趋势,优化技术管理服务机制。1研究目的随着计算机技术和网络的发展,计算机系统研究已经成为计算机科学、信息科学、工程学、生物学、医学甚至社会科学等领域中各学科之间的学习和研究的对象，并在这些领域中得到高度关注。从宏观结构来看，新型计算机系统是一个为某种应用而由本地通信网络和全球通信网络连接起来的大规模的分散处理系统[1]。网络的每一个结点本身也是一个新型计算机系统，必要时，传统计算机也可以连接到网络中。网络的所有计算机可以共享全网络所拥有的知识库和知识处理能力。2研究背景与意义2.1计算机系统的背景随着元件、器件的不断更新，传统计算机系统已经经历了四代演变。它们都属于以顺序控制和按地址寻索为基础的诺伊曼机体制,都以高速数值计算为主要目标,而系统设计原理并没有多大变化。由于硬件实现的功能过于简单，软件负担越来越重，造成了所谓的“软件危机”。技术体系上固有的局限性，严重地妨碍了计算机性能的继续提高，将限制传统计算机在90年代信息社会中的广泛应用。因此，必须在崭新的理论和技术基础上创制新一代计算机。1981年10月日本首先提出的第五代计算机系统将是以词组逻辑为基础的知识信息处理系统。美国在人工智能的研究和应用方面有较坚实的基础，1983年以来，提出了多种军用和民用的智能计算机系统研制计划。英国、法国和欧洲共同体等西欧国家和组织，为发展先进的微电子技术和高级信息技术，也正在加紧研究新一代计算机系统。苏联在发展计算机的第三个五年计划（1985～1989年）中，已将第五代计算机技术列为重点发展技术[2]。2.2新型计算机系统的研究意义新一代计算机系统，简称新型计算机系统，是把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。新一代计算机系统是为适应未来社会信息化的要求而提出的，与前四代计算机有着质的区别。新型计算机系统把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。它不仅能进行数值计算或处理一般的信息，而且主要面向知识处理，具有形式化推理、联想、学习和解释的能力，能够帮助人们进行判断、决策、开拓未知的领域和获取新的知识。人－机之间可以直接通过自然语言（声音、文字）或图形图像交换信息[4]。新一代计算机系统又称第五代计算机系统。新一代计算机系统是为适应未来社会信息化的要求而提出的，与前四代计算机有着质的区别。可以认为，它是计算机发展史上的一次重大变革，将广泛应用于未来社会生活的各个方面。3主要发展趋向3.1计算机技术发展特点3.1.1多极化如今，个人计算机已席卷全球，但由于计算机应用的不断深入，对巨型机、大型机的需求也稳步增长，巨型、大型、小型、微型机各有自己的应用领域，形成了一种多极化的形势。如巨型计算机主要应用于天文、气象、地质、核反应、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域和国防事业领域，它标志一个国家计算机技术的发展水平。目前运算速度为每秒几百亿次到上万亿次的巨型计算机已经投入运行，并正在研制更高速的巨型机。多元化和专业化是计算机领域系统集成的重要发展方向。专业化代表了一个计算机专业技术发展的水平,多元化说明了研究企业对于集成工作具有的宏观眼光和思维。近些年来,我国科学技术不断发展,互联网逐渐走进千家万户、企业单位,成为人们工作学习不可缺少的工具。日益发展的国民文化素养和知识素养不断要求计算机技术向更高层面发展。新时期的互联网技术和计算机通信技术的融合是未来的发展趋势,计算机系统必须摆脱原有单一的功能结构,迎合网络技术越加复杂的发展方向，不断增强自身的专业素养,加强和国内外先进技术研究公司的沟通交流,引进先进技术设备,综合性多学科地完成集成工作[7]。3.1.2智能化智能化使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力，使计算机成为智能计算机。这也是目前正在研制的新一代计算机要实现的目标。智能化的研究包括模式识别、图像识别、自然语言的生成和理解、博弈、定理自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统和智能机器人等[13][14]。目前，已研制出多种具有人的部分智能的机器人。当今人们对计算机的要求，不仅仅是体积小、质量轻、速度快、存储容量大和节能，而是真正的智能化和与人脑的配合，所以就有了“电脑”的称谓。智能化计算机的本质是具有“类人”的智能结构系统，那么智能化计算机应具备：(1)类人的对外界的感知系统，这可以通过将具有感知属性的材料进行仿生设计，配合机器视觉系统构成集成传感器来实现；(2)对感知到的信息具有判断和做出正确响应的能力，这部分功能可以通过生物芯片和半导体芯片相结合的处理器来实现；(3)具有自学习和自调整能力。总之，要达到上述目标，我们必须把当今的“机器”形式出现的计算机，变成具有类生命的智能体系结构[11]。3.1.3网络化网络化是计算机发展的又一个重要趋势。从单机走向联网是计算机应用发展的必然结果。所谓计算机网络化，是指用现代通信技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个规模大、功能强、可以互相通信的网络结构。网络化的目的是使网络中的软件、硬件和数据等资源能被网络上的用户共享。目前，大到世界范围的通信网，小到实验室内部的局域网已经很普及，因特网（Internet）已经连接包括我国在内的150多个国家和地区。由于计算机网络实现了多种资源的共享和处理，提高了资源的使用效率，因而深受广大用户的欢迎，得到了越来越广泛的应用[5]。计算机网络,主要指在计算机的基础上实现网络化,也就是信息化工程.或称为网络化工程.计算机网络范围比较广,将两台以上的计算机连接,达到资源共享,这个过程就实现了网络化.网络分为局域网、广域网、城域网，互联网等[18]。在一定范围内，比如学校、单位这样计算机联接在一起称为局域网，大一点的范围，多家单位，多家学校，联在一起就是广域网，一个城市的计算机联在一起称为成域网[9]。全球计算机联在一起那就互联网。网络技术指的是网络化信息技术，也就是让多台计算机，多平台计算机实现资料共享的计算机。3.1.4多媒体媒体计算机就是利用计算机技术、通信技术和大众传播技术，来综合处理多种媒体信息的计算机。这些信息包括文本、视频图像、图形、声音、文字等。多媒体技术使多种信息建立了有机联系，并集成为一个具有人机交互性的系统。多媒体计算机将真正改善人机界面，使计算机朝着人类接受和处理信息的最自然的方式发展。多媒体的含义是，把电视式的视听信息传播能力与计算机交互控制功能结合起来，创造出集文、图、声、像于一体的新型信息处理模型，使计算机具有数字化全动态、全视频的播放、编辑和创作多媒体信息功能，具有控制和传输多媒体电子邮件、电视会议等视频传输功能，将使计算机的标准化和实用化则是这场新技术革命的重大课题。数字声、像数据的使用与高速传输已成为一个国家技术水平和经济实力的象征。世界很大，但也很小，这说的确实没错，多媒体技术可以使人们跨越时空了解天文地理、古往今来的历史文化、高新技术、风土人情。上至国家政府，下至平民百姓，每天无不在和多媒体技术打交道。人们的生活水平提高了，从多媒体的发展也可以看出来。通讯、数字声像技术、网络电视、3G、MP4、MP5等等，这些都可以体现了人类的的文明进步[8]。3.2未来计算机系统未来的计算机技术将向超高速、超小型、并行处理、智能化的方向发展。计算机将具备更多的智能成分，它将具有多种感知能力、一定的思考与判断能力及一定的自然语言能力。除了提供自然的输入手段(如语音输入、手写输入)外，让人能产生身临其境感觉的各种交互设备已经出现，虚拟现实技术是这一领域发展的集中体现。为此，世界各国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机系统。计算机从体系结构的变革到器件与技术革命都要产生一次量的乃至质的飞跃。新型的量子计算机、光子计算机、生物计算机和神经网路计算机等将会走进我们的生活，遍布各个领域。3.2.1量子计算机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、存储及处理的量子物理设备，当某个设备是由两子元件组装，处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。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个人计算机的Pentiumm晶片快10亿倍[10]。目前正在开发中的量子计算机有3种类型：核磁共振(NMR)量子计算机、硅基半导体量子计算机、离子阱量子计算机。预计2030年将普及量子。3.2.2神经网络计算机人脑总体运行速度相当于每妙1000万亿次的电脑功能，可把生物大脑神经网络看做一个大规模并行处理的、紧密耦合的、能自行重组的计算网络。从大脑工作的模型中抽取计算机设计模型，用许多处理机模仿人脑的神经元机构，将信息存储在神经元之间的联络中，并采用大量的并行分布式网络就构成了神经网络计算机。神经网络计算机具有模仿人的大脑判断能力和适应能力、可并行处理多种数据功能的神经网络计算机，可以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。神经电脑除有许多处理器外，还有类似神经的节点，每个节点与许多点相连。若把每一步运算分配给每台微处理器，它们同时运算，其信息处理速度和智能会大大提高。神经电子计算机的信息不是存在存储器中，而是存储在神经元之间的联络网中。若有节点断裂，电脑仍有重建资料的能力，它还具有联想记忆、视觉和声音识别能力。3.2.3化学、生物计算机（分子计算机）在运行机理上，化学计算机以化学制品中的微观碳分子作信息载体，来实现信息的传输与存储。DNA分子在酶的作用下可以从某基因代码通过生物化学反应转变为另一种基因代码，转变前的基因代码可以作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果，利用这一过程可以制成新型的生物计算机。生物计算机最大的优点是生物芯片的蛋白质具有生物活性，能够跟人体的组织结合在一起，特别是可以和人的大脑和神经系统有机的连接，使人机接口自然吻合，免除了繁琐的人机对话，这样，生物计算机就可以听人指挥，成为人脑的外延或扩充部分，还能够从人体的细胞中吸收营养来补充能量，不要任何外界的能源，由于生物计算机的蛋白质分子具有自我组合的能力，从而使生物计算机具有自调节能力、自修复能力和自再生能力，更易于模拟人类大脑的功能。现今科学家已研制出了许多生物计算机的主要部件——生物芯片[15]。生物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。计算机的转换开关由酶来充当，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。20世纪70年代，人们发现脱氧核糖核酸(DNA)处于不同状态时可以代表信息的有或无。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，从一种基因代玛转变为另一种基因代码。反应前