計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿?zé)狳c(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)【摘要】 當(dāng)代，發(fā)展最快而且對(duì)人類生活影響最大的學(xué)科無(wú)疑是計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)了，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為了21世紀(jì)的一種象征，當(dāng)代的社會(huì)，計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到社會(huì)生活的各個(gè)方面，已經(jīng)成為推動(dòng)和社會(huì)進(jìn)步的重要引擎，已被成為“計(jì)算機(jī)文化”和“計(jì)機(jī)思維”。計(jì)算機(jī)科學(xué)圍繞信息、知識(shí)、智能等主題發(fā)展迅速。本文詳細(xì)地介紹了計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿?zé)狳c(diǎn)的若干問(wèn)題，并提出未來(lái)計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。【關(guān)鍵詞】 信息技術(shù) 計(jì)算機(jī)科學(xué) 智能技術(shù) 發(fā)展趨勢(shì) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)成為我們工作上的工具，成為生活中的控制中心是必然的事情，了解計(jì)算機(jī)科學(xué)將會(huì)讓我們驚嘆科學(xué)技術(shù)的力量，感受計(jì)算機(jī)技術(shù)給我們生活帶來(lái)的變化。在短短的60年里，計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展至今，取得了巨人的成就。從觀念上改變了人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)，將人類社會(huì)帶入了信息時(shí)代。加速T人類社會(huì)的發(fā)展。在今天計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ髦胁豢苫蛉钡闹匾M成部分，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也將越來(lái)越多影響人類社會(huì)的進(jìn)步。1 .計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿?zé)狳c(diǎn)近年來(lái)，計(jì)算機(jī)科學(xué)中前沿的問(wèn)題主要圍繞信息、知識(shí)、智能三大研究領(lǐng)域展開討論。而知識(shí)不同于信息，它是人們對(duì)信息經(jīng)過(guò)大腦的加工與處理后，形成的規(guī)律、規(guī)則、方法及認(rèn)識(shí)。智能則是指大腦從歷史信息、知識(shí)的基礎(chǔ)之上形成的對(duì)現(xiàn)有信息、知識(shí)的推理、演繹、判斷的方法。根據(jù)研究分析表明，在三大研究領(lǐng)域中，主要有以下前沿?zé)狳c(diǎn)研究：(1)信息方面:信息處理、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘、生物信息學(xué)。(2)知識(shí)方面：以知識(shí)科學(xué)與知識(shí)工程為主要研究的問(wèn)題。(3)智能方面：以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究,機(jī)器證明,人工智能與專家系統(tǒng),遺傳算法,代數(shù)邏輯學(xué)形成了本研究領(lǐng)域的主要特色。1.1 信息科學(xué) 1.1.1信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)，目前計(jì)算機(jī)處理的信息可分為符號(hào)和數(shù)據(jù)，因而一切要由計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象首先是符號(hào)化和數(shù)字化。信息科學(xué)正在形成和迅速發(fā)展，現(xiàn)在主要的研究課題集中在以下六個(gè)方面:(1)信息源理論和信息的獲取。主要研究自然信息源和社會(huì)信息源,以及從信息源提取信息的方法和技術(shù)。(2)信息的傳輸、存儲(chǔ)、檢索、轉(zhuǎn)化和處理。(3)信號(hào)的測(cè)量、分析、處理及顯示。(4)模式信息處理。研究對(duì)文字、聲音，圖像等信息的處理、分類和識(shí)別，研制機(jī)器圖像和語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)。(5)知識(shí)信息處理。研究知識(shí)的表示、獲取和應(yīng)用，建立具有推理和自動(dòng)解決問(wèn)題能力的知識(shí)信息處理系統(tǒng)，即專家系統(tǒng)。(6)決策和控制。在對(duì)信息的采集、分析、處理、識(shí)別和理解的基礎(chǔ)上作出判斷、決策或控制，從而建立各種控制系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。1.2 知識(shí)科學(xué)知識(shí)進(jìn)步是人類社會(huì)發(fā)展的永恒動(dòng)力,知識(shí)經(jīng)濟(jì)是推動(dòng)其他經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動(dòng)力，知識(shí)產(chǎn)權(quán)關(guān)系國(guó)家命運(yùn)。可見知識(shí)在計(jì)算機(jī)科學(xué)中發(fā)展的重要意義。計(jì)算機(jī)科學(xué)雖然是一門剛剛興起的學(xué)科，但它與數(shù)學(xué)、邏輯學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)等關(guān)系相當(dāng)大。目前知識(shí)科學(xué)主要的研究領(lǐng)域表現(xiàn)在:(1)知識(shí)模型研究,常識(shí)性知識(shí)研究;(2)非規(guī)范知識(shí)研究,知識(shí)處理的數(shù)學(xué)理論;(3)知識(shí)獲取理論和技術(shù);(4)知識(shí)科學(xué)和軟件科學(xué);(5)基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)藝術(shù)。1.3智能處理技術(shù)1.3.1人工智能從第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生至今,其主要功能都是進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)處理。但隨著基于符號(hào)的運(yùn)算、推理邏輯的迅速發(fā)展和對(duì)人類大腦的思維形式的研究逐步清晰，人們開始研制具有“智能”的計(jì)算機(jī)，這是人工智能的基本思想。人工智能，是一門正在發(fā)展中的綜合性前沿學(xué)科，主要由計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、語(yǔ)言學(xué)等多個(gè)學(xué)科相互滲透發(fā)展而來(lái)，研究和應(yīng)用領(lǐng)域概括起來(lái)有以下六個(gè)方面：(1)問(wèn)題答疑； (2)語(yǔ)言、模式識(shí)別； (3)智能數(shù)據(jù)庫(kù)；(4)智能博奕；(5)智能機(jī)器人；(6)程序自動(dòng)設(shè)計(jì)。1.3.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論取得巨大的成果，其主要前沿研究方向與以下五個(gè)方面結(jié)合:(1)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與人工智能、專家系統(tǒng)的結(jié)合；(2)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊數(shù)學(xué)結(jié)合產(chǎn)生新的人工智能方法；(3)與計(jì)算機(jī)硬件結(jié)合產(chǎn)生神經(jīng)計(jì)算機(jī)；(4)符號(hào)化神經(jīng)計(jì)算和進(jìn)化計(jì)算；(5)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論。2 .計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)2.1智能化的超級(jí)計(jì)算機(jī)超高速計(jì)算機(jī)采用平行處理技術(shù)改進(jìn)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，可以使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行多條指令，或同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度。超級(jí)計(jì)算機(jī)通常是由成百數(shù)千甚至更多的處理器構(gòu)成，能完成普通計(jì)算機(jī)和服務(wù)器所不能計(jì)算的大型的復(fù)雜任務(wù)。從超級(jí)計(jì)算機(jī)獲得的數(shù)據(jù)分析和模擬成果，能推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域高精尖項(xiàng)目的研究與開發(fā)，為我們的日常生活帶來(lái)更多的便利。2.2新型高性能計(jì)算機(jī)問(wèn)世隨著硅芯片技術(shù)的高速發(fā)展，硅技術(shù)越來(lái)越接近了其自身的物理發(fā)展極限。因此，迫切要求計(jì)算機(jī)從結(jié)構(gòu)變革，到器件與技術(shù)的革命這一系列的技術(shù)都要產(chǎn)生一次質(zhì)的飛躍才行。新型的量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)和納米計(jì)算機(jī)由此應(yīng)運(yùn)而生。2.2.1量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究，量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)是在量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，利用一種鏈狀分子聚合物的特性來(lái)表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來(lái)改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)。2.2.2光子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)是利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸及存儲(chǔ)。光子計(jì)算機(jī)即全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計(jì)算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速地并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。2.2.3分子計(jì)算機(jī)分子計(jì)算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算快、存儲(chǔ)量大。分子計(jì)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。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計(jì)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)。2.2.4納米計(jì)算機(jī)納米計(jì)算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初迅速發(fā)展起來(lái)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(gè)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(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)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(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。納米計(jì)算機(jī)體積小、造價(jià)低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計(jì)算機(jī)，推動(dòng)計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。3.結(jié)論綜上所述，計(jì)算機(jī)技術(shù)主要朝著下面三個(gè)方向發(fā)展：一是向“快”的方向。速度越來(lái)越快，性能越來(lái)越高，計(jì)算機(jī)的主頻越來(lái)越快。專用計(jì)算機(jī)的并行程度比通用機(jī)更高，并行計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是如何高效率地把大量計(jì)算機(jī)互相連接起來(lái)，即各處理機(jī)之間的高速通信，以及如何有效地管理成千上萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)使之協(xié)調(diào)工作，這就是并行計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)的功能。另一個(gè)方向就是向“廣”度方向發(fā)展，計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)無(wú)處不在，應(yīng)用范圍更加廣泛。近年來(lái)更明顯的趨勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)化與向各個(gè)領(lǐng)域的滲透，即在廣度上的發(fā)展開拓。國(guó)外稱這種趨勢(shì)為普適計(jì)算或者叫無(wú)處不在的計(jì)算。未來(lái)計(jì)算機(jī)將存在于家中的各種電器中，到那時(shí)筆記本，書籍都將電子化、數(shù)字化。所以有人預(yù)言未來(lái)計(jì)算機(jī)也將成為最常用的日用品。第三個(gè)方向是向“深”度方向發(fā)展，即向信息的智能化發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)上有大量的信息，為了使這些信息轉(zhuǎn)變成所需要的知識(shí)，同時(shí)又具有更加友好的人機(jī)界面，計(jì)算機(jī)將具備更多的智能成分。未來(lái)計(jì)算機(jī)將具有多種感知能力及一定的思考能力。人們可以用自然語(yǔ)言、手寫的文字，甚至可以用表情、手勢(shì)來(lái)與計(jì)算機(jī)溝通，使人機(jī)交流更加快捷。讓人能產(chǎn)生身臨其境感覺的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是這一領(lǐng)域發(fā)展的集中體現(xiàn)。參考文獻(xiàn)1劉永紅，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的發(fā)展與前沿