计算机科学

  计算机科学是对计算机进行学术研究的传统称谓。主要研究计算技术和执行特定任务的高效算法。是一门包含各种各样与计算和信息处理相关主题的系统学科,从抽象的算法分析、形式化语法等,到更具体的主题如编程语言程序设计软件硬件等。计算机科学根植于电子工程、数学语言学,是科学、工程和艺术的结晶。它在20世纪最后的三十年间兴起成为一门独立的学科。至今,在计算机科学内已经衍生了许多分支,每一个分支都针对不同类别的问题进行深入研究。

计算机科学研究的课题

  计算机科学研究的课题是:
1946年2月14日,世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生
    计算机程序能做什么和不能做什么(可计算性理论);     如何使程序更高效的执行特定任务(算法和复杂性理论);     程序如何存取不同类型的数据(数据结构和数据库);     程序如何显得更具有智能(人工智能);     人类如何与程序沟通(人机互动和人机界面)。   计算机科学的大部分研究是基于“冯·诺伊曼计算机”和“图灵机”的,它们是绝大多数实际机器的计算模型。作为此模型的开山鼻祖,邱奇—图灵论题(Church-Turing Thesis)表明,尽管在计算的时间,空间效率上可能有所差异,现有的各种计算设备在计算的能力上是等同的。尽管这个理论通常被认为是计算机科学的基础,可是科学家也研究其它种类的机器,如在实际层面上的并行计算机和在理论层面上概率计算机、oracle 计算机和量子计算机。在这个意义上来讲,计算机只是一种计算的工具:著名的计算机科学家艾茲格·迪杰斯特拉(Edsger Wybe Dijkstra)有一句名言“计算机科学之关注于计算机并不甚于天文学之关注于望远镜。”  计算机科学根植于电子工程、数学和语言学,是科学、工程和艺术的结晶。它在20世纪最后的三十年间兴起成为一门独立的学科,并发展出自己的方法与术语。  早期,虽然英国的剑桥大学和其他大学已经开始教授计算机科学课程,但它只被视为数学或工程学的一个分支,并非独立的学科。剑桥大学声称有世界上第一个传授计算的资格。世界上第一个计算机科学系是由美国的普渡大学在1962年设立,第一个计算机学院于1980年由美国的东北大学设立。现在,多数大学都把计算机科学系列为独立的部门,一部分将它与工程系、应用数学系或其他学科联合。  计算机科学领域的最高荣誉是ACM设立的图灵奖,被誉为是计算机科学的诺贝尔奖。它的获得者都是本领域最为出色的科学家和先驱。华人中首获图灵奖的是姚期智博士。他于2000年以其对计算理论做出的诸多“根本性的、意义重大的”贡献而获得这一崇高荣誉。

计算机发展趋势展望

  计算机的发展将趋向超高速、超小型、并行处理和智能化。自从1944年世界上第一台电子计算机诞生以来,计算机技术迅猛发展,传统计算机的性能受到挑战,开始从基本原理上寻找计算机发展的突破口,新型计算机的研发应运而生。未来量子、光子和分子计算机将具有感知、思考、判断、学习以及一定的自然语言能力,使计算机进人人工智能时代。这种新型计算机将推动新一轮计算技术革命,对人类社会的发展产生深远的影响。   超高速计算机采用平行处理技术改进计算机结构,使计算机系统同时执行多条指令或同时对多个数据进行处理,进一步提高计算机运行速度。超级计算机通常是由数百数千甚至更多的处理器(机)组成,能完成普通计算机和服务器不能计算的大型复杂任务。从超级计算机获得数据分析和模拟成果,能推动各个领域高精尖项目的研究与开发,为我们的日常生活带来各种各样的好处。最大的超级计算机接近于复制人类大脑的能力,具备更多的智能成份.方便人们的生活、学习和工作。世界上最受欢迎的动画片、很多耗巨资拍摄的电影中,使用的特技效果都是在超级计算机上完成的。日本、美国、以色列、中国和印度首先成为世界上拥有每秒运算1万亿次的超级计算机的国家,超级计算机已在科技界内引起开发与创新狂潮。    硅芯片技术高速发展的同时,也意味看硅技术越来越接近其物理极限。为此,世界各国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机,计算机的体系结构与技术都将产生一次量与质的飞跃。新型的量子计算机、光子计算机、分子计算机、纳米计算机等,将会在二十一世纪走进我们的生活,遍布各个领域。      

·量子计算机

    量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究,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、存储及处理量子信息的物理装置。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。量子计算机中的数据用量子位存储。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计算机的Pentium DI晶片快10亿倍。除具有高速并行处理数据的能力外,量子计算机还将对现有的保密体系、国家安全意识产生重大的冲击。     无论是量子并行计算还是量子模拟计算,本质上都是利用了量子相干性。世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。量子编码采用纠错、避错和防错等。量子计算机使计算的概念焕然一新。      

·光子计算机

    光子计算机是利用光子取代电子进行数据运算、传翰和存储。光子计算机即全光数字计算机,以光子代替电子,光互连代替导线互连,光硬件代替计算机中的电子硬件,光运算代替电运算。在光子计算机中,不同波长的光代表不同的数据,可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速地并行处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。 转贴于 中国论文下载中心 http://www.studa.net  

·分子计算机

    分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子计算机的运行是吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息,并以更有效的方式进行组织排列。分子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。转换开关为酶,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。生物分子组成的计算机具备能在生化环境下,甚至在生物有机体中运行,并能以其它分子形式与外部环境交换。因此它将在医疗诊治、遗传追踪和仿生工程中发挥无法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自动机模型、仿生算法、分子化学反应算法等几种类型。分子芯片体积可比现在的芯片大大减小,而效率大大提高,分子计算机完成一项运算,所需的时间仅为10微微秒,比人的思维速度快100万倍。分子计算机具有惊人的存贮容量,1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿的二进制数据。分子计算机消耗的能量非常小,只有电子计算机的十亿分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白质分子,所以分子计算机既有自我修复的功能,又可直接与分子活体相联。美国已研制出分子计算机分子电路的基础元器件,可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。以色列科学家已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型分子计算机。预计20年后,分子计算机将进人实用阶段。      

·纳米计算机

    纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米管元件尺寸在几到几十纳米范围,质地坚固,有着极强的导电性,能代替硅芯片制造计算机。“纳米”是一个计量单位,大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域,最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子,制造出具有特定功能的产品。现在纳米技术正从微电子机械系统起步,把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片,其体积只有数百个原子大小,相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源,而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。美国正在研制一种连接纳米管的方法,用这种方法连接的纳米管可用作芯片元件,发挥电子开关、放大和晶体管的功能。专家预测,10年后纳米技术将会走出实验室,成为科技应用的一部分。纳米计算机体积小、造价低、存量大、性能好,将逐渐取代芯片计算机,推动计算机行业的快速发展。     新型计算机与相关技术的研发和应用,是二十一世纪科技领域的重大创新,必将推进全球经济社会高速发展,实现人类发展史上的重大突破。