1、計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿技術(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)，知識框架，第一章概述第二章計(jì)算機(jī)硬件開發(fā)第三章高性能計(jì)算第四章現(xiàn)代操作系統(tǒng)第五章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)第六章數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)第七章數(shù)據(jù)挖掘及其應(yīng)用， 第8章人工智能前沿第9章搜索引擎技術(shù)第10章集體智慧和web 2.0第11章云計(jì)算第12章物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)第13章服務(wù)科學(xué)和服務(wù)計(jì)算第14章智能地球，第1章概述，1895年發(fā)行的Darwin名作物種起源第一版扉頁上寫著： “作為生物進(jìn)化的完整理論體系，物種起源主要討論兩個(gè)主要問題。一個(gè)是形形色色的生命進(jìn)化了嗎，另一個(gè)是進(jìn)化的主要機(jī)制。達(dá)爾文對第一個(gè)問題的回答是肯定的，第二個(gè)問題的答案是“自然選擇”。查爾斯達(dá)爾文，知識

2、摘要，計(jì)算機(jī)科學(xué)面臨的問題計(jì)算機(jī)領(lǐng)域概述計(jì)算機(jī)學(xué)科的特點(diǎn)基本領(lǐng)域能力計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展和領(lǐng)域計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他領(lǐng)域的關(guān)系計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展趨勢，六大科學(xué)理論的突破，量子力學(xué)相對論宇宙大爆炸模型DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)板結(jié)構(gòu)理論計(jì)算機(jī)科學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)是21世紀(jì)計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)發(fā)展的新方向現(xiàn)代科學(xué)系統(tǒng)的主要基石之一，技術(shù)的多樣性重視個(gè)人化的計(jì)算機(jī)技術(shù)的益處，重視生態(tài)和環(huán)境影響，重視與醫(yī)學(xué)和人類健康相關(guān)的科學(xué)技術(shù)的交叉研究，重視與人文相結(jié)合，重視計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)倫理的研究和社會作用的法制管理和監(jiān)督，計(jì)算機(jī)科學(xué)(Computer Science)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域(Computer CLARiiON A

3、CM/IEEE-CS)的專家進(jìn)一步指計(jì)算機(jī)領(lǐng)域涉及計(jì)算的多個(gè)領(lǐng)域的集合，包括理論和實(shí)際方面：與信息和計(jì)算相關(guān)的理論基礎(chǔ)、語言理論、算法分析和開發(fā)、計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、計(jì)算機(jī)圖形、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)通信等。美國網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)研發(fā)國家辦事處：計(jì)算系統(tǒng)和計(jì)算的語義研究。美國計(jì)算機(jī)協(xié)會(ACM):對計(jì)算機(jī)和算法過程的研究，包括其原理、硬件和軟件設(shè)計(jì)、其應(yīng)用以及對社會的影響。計(jì)算機(jī)科學(xué)如何成為科學(xué)？1.1計(jì)算機(jī)科學(xué)面臨的問題、計(jì)算機(jī)科學(xué)教育的創(chuàng)新不足、計(jì)算機(jī)課程的陳腐論題是針對學(xué)生，特別是本科學(xué)生的培養(yǎng)，充分強(qiáng)調(diào)關(guān)注為主大學(xué)提供的機(jī)會，使學(xué)生真正喜歡的事情能夠自己做，從狹窄的工具到計(jì)算思維的轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的

4、普及實(shí)際上是向全社會普及一種計(jì)算思維計(jì)算思維的普遍思考，所有人的基本技術(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)人才不足的企業(yè)、政府等都有需要計(jì)算機(jī)人才的耽誤資格。 工作能力等方面的能力，計(jì)算思維，計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)一切可以計(jì)算，從物理世界到人類社會模擬，從人類社會到智力活動，都可以被視為計(jì)算的一種形式。 計(jì)算思維是概念化的思維，是人類的思維，是數(shù)學(xué)和工程相輔相成的思維，是面向所有人的思維。1.2計(jì)算機(jī)科學(xué)概述，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的特性基本領(lǐng)域能力計(jì)算機(jī)領(lǐng)域開發(fā)和領(lǐng)域計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他領(lǐng)域的關(guān)系，1.2.1計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的特性，基本問題Nicklaus Wirth:在高認(rèn)識水平上硬件和軟件是相同的。計(jì)算機(jī)學(xué)科的根本問題：什么是可能的，如何有效

5、地自動計(jì)算?；咎匦杂?jì)算機(jī)學(xué)科有“理論、抽象、設(shè)計(jì)”三種學(xué)科形式，1.2.2基本學(xué)科能力，計(jì)算思維能力算法設(shè)計(jì)和分析能力編程和實(shí)現(xiàn)能力系統(tǒng)分析、開發(fā)和應(yīng)用能力，1.2.3計(jì)算機(jī)領(lǐng)域開發(fā)和分支領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)科學(xué)主要尋找解決計(jì)算問題的有效方法使用計(jì)算機(jī)的新方法軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、2計(jì)算機(jī)工程、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和構(gòu)建、硬件、軟件、通信以及它們之間的交互研究等。學(xué)問內(nèi)容集中在傳統(tǒng)電子工程、數(shù)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的理論、原理、實(shí)踐上。強(qiáng)調(diào)硬件，而不是軟件，具有強(qiáng)大的工程功能。3軟件工程、軟件工程的主要目的是開發(fā)系統(tǒng)模型，并在有限的預(yù)算下按時(shí)生產(chǎn)高質(zhì)量軟件的可靠技術(shù)。軟件工程在計(jì)算機(jī)科學(xué)中尋找科學(xué)與工程原理的結(jié)合，討論以

6、工程的規(guī)范有效地開發(fā)和管理軟件系統(tǒng)。4信息技術(shù)是信息技術(shù)，它是主要用于管理和處理信息的各種技術(shù)的統(tǒng)稱。主要應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)和通信技術(shù)設(shè)計(jì)、開發(fā)、安裝和實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。信息系統(tǒng)學(xué)科的重點(diǎn)在于“信息”，而信息技術(shù)學(xué)科的重點(diǎn)在于“技術(shù)”。5信息系統(tǒng)可以將信息系統(tǒng)領(lǐng)域理解為基于技術(shù)的業(yè)務(wù)開發(fā)。本領(lǐng)域強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)的“信息”，將“技術(shù)”視為創(chuàng)建、處理和分發(fā)所需的工具。他們面臨的信息系統(tǒng)通常很大很復(fù)雜，需要了解技術(shù)和組織元素，并知道如何有效地利用這些系統(tǒng)。1.3計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展趨勢，“高”:性能越來越提高，設(shè)備速度提高并行處理“廣泛”:計(jì)算機(jī)無處不在和滲透到所有領(lǐng)域的普適計(jì)算“深”:信息的智能開發(fā)，第

7、二章計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，知識總結(jié)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展過程第一代電子管計(jì)算機(jī)(19451956)第二代晶體管計(jì)算機(jī)(19561963)第三代集成電路計(jì)算機(jī)(191631971)第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)(1971年開始)，第一代計(jì)算機(jī)開發(fā)的歷史回顧，第二代中國計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史，第一代電子管計(jì)算機(jī)開發(fā)(3新型計(jì)算機(jī)開發(fā)、量子計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)、DNA計(jì)算機(jī)光計(jì)算機(jī)、4 CPU和GPU發(fā)展、CPU發(fā)展英特爾4004和8080英特爾8086、英特爾80286、英特爾80386、英特爾80486英特爾奔騰MMX英特爾-異構(gòu)多核是一個(gè)重要方向。將可重新配置技術(shù)應(yīng)用于多核-多核電源和散熱管理-多核處理器時(shí)代的到來多核

8、計(jì)算、4 CPU和GPU開發(fā)、GPU發(fā)展GPU簡介- Graphic Processing Unit，中文翻譯為“圖形處理器”- GPU是顯卡的“心臟”對應(yīng)于CPU在計(jì)算機(jī)中所扮演的角色。-在20世紀(jì)60-70年代，根據(jù)硬件條件，圖形顯示是計(jì)算機(jī)輸出的工具。-在20世紀(jì)80年代初期，出現(xiàn)了Geometry Engine(GE)作為標(biāo)志的圖形處理器。-在20世紀(jì)90年代，NVIDIA進(jìn)入了PC 3D市場，4 CPU和GPU的發(fā)展，GPU的發(fā)展NVIDIA GPU的發(fā)展GPU通用計(jì)算，GPU結(jié)構(gòu)(左)和CPU結(jié)構(gòu)(右)的比較，4 CPU和GPU的發(fā)展，CPU和GPU的融合4 CPU和GPU的發(fā)展；

9、第3章高性能計(jì)算；第3章高性能計(jì)算；高性能計(jì)算概述全球超級計(jì)算機(jī)中心的發(fā)展概述高性能計(jì)算機(jī)發(fā)展的高性能計(jì)算機(jī)核心技術(shù)和挑戰(zhàn)建議閱讀；1高性能計(jì)算概述；什么是高性能計(jì)算高性能計(jì)算是研究并行算法和開發(fā)并行軟件的計(jì)算機(jī)科學(xué)是指在軟件開發(fā)等方面研究高性能計(jì)算系統(tǒng)的技術(shù)，發(fā)達(dá)國家對高性能計(jì)算的發(fā)展-“高性能計(jì)算和通信(HPCC)”-“高級模擬和計(jì)算(ASC)”，1高性能計(jì)算概述，中國高性能計(jì)算的發(fā)展，“天河一號”于2009年10月在國防科技大學(xué)開發(fā)，國家級超級曙光星云(Nebulae)高性能系統(tǒng)于2011年底落戶深圳，為中國華南、香港甚至全國用戶提供計(jì)算和信息服務(wù)，是我國首次自主開發(fā)的測量性能超千萬秒高

10、性能計(jì)算機(jī)。2世界超級計(jì)算中心開發(fā)概述，美國國家超級計(jì)算應(yīng)用中心日本東京理工大學(xué)全球科學(xué)信息和計(jì)算中心德國Jlich超級計(jì)算中心英國Edinburgh大學(xué)超級計(jì)算中心上海超級計(jì)算中心中國科學(xué)院超級計(jì)算中心，3高性能計(jì)算機(jī)開發(fā)，高性能計(jì)算機(jī)開發(fā)過程1976年，1982年，Cray Research Inc1988年，John L. Gustafson向Communications of the ACM(ACM通信)發(fā)布了加速度比率公式。s=f p (1 f) 1993年KL推出的Cray T3D的峰值速度為21.4GFlops 1997年，英特爾公司推出了ASCI Red，這是世界上第一個(gè)Ter

11、aFlops 2002的TeraFlops系統(tǒng)，由于2008年的高性能創(chuàng)意，處理器數(shù)量為122 42，1015億系統(tǒng)的研究與開發(fā)1996年，擁有每秒萬億次計(jì)算能力的超級計(jì)算機(jī)誕生，在計(jì)算機(jī)開發(fā)歷史上建立了新的里程碑。超級計(jì)算要求根據(jù)用途大大提高了能力計(jì)算(Capability Computing)和容量計(jì)算(Capacity Computing) 2千萬臺超級計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域高性能計(jì)算機(jī)的核心技術(shù)體系結(jié)構(gòu)：商用混合處理器商用高性能互連網(wǎng)絡(luò)的組合結(jié)構(gòu)(“布谷鳥”)、通用CPU自定義多連接網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(藍(lán)色基因)、商用高性能處理器自定義高性能互連網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不一致存儲訪問體系結(jié)構(gòu)(CRAY X

12、T3)等。 微處理器：Intel的Nehalem、AMD的Opteron、IBM Cell基于單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)的分布式存儲多核結(jié)構(gòu)，如；具有斯坦福大學(xué)的流處理器和MIT的原始芯片的導(dǎo)航多核結(jié)構(gòu)；光纖互連：具有高帶寬、低損耗、串?dāng)_和匹配、電磁兼容性的軟件技術(shù)：操作系統(tǒng)的熱點(diǎn)技術(shù)包括虛擬機(jī)技術(shù)(VMWARE、VPC機(jī)器等)、自主技術(shù)(Self-configuring、Self-hehelf)更深的存儲級別、多核/多線程微處理器編譯技術(shù)、流技術(shù)等納米技術(shù)：適應(yīng)高密度、低功耗、量子效應(yīng)、超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)挑戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)超級計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力、數(shù)據(jù)訪問能力、 數(shù)據(jù)存儲能力提出了更高的性能要求內(nèi)存墻和編程墻是超級計(jì)算中非常困難的兩個(gè)問題系統(tǒng)大小和能耗挑戰(zhàn)：更快的考慮算法：億次計(jì)算系統(tǒng)挑戰(zhàn)并行處理和并行處理效率更高的算法需要更高效的選擇前：是系統(tǒng)平衡設(shè)計(jì)生態(tài)環(huán)境的挑戰(zhàn)需要技術(shù)、人才和資本的巨大支持。4高性能計(jì)算機(jī)核心技術(shù)和挑戰(zhàn)，超級計(jì)算機(jī)開發(fā)技術(shù)路徑可重構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要邏輯通過重構(gòu)機(jī)制控制，提高各種應(yīng)用核心算法的執(zhí)行效率流結(jié)構(gòu)可以獲得特定類型算法的高計(jì)算/通信率，高計(jì)算速度、低能耗存儲