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创新学习及对计算机科学的反思,武汉大学计算机学院何炎祥yxhe,提纲,大学的使命国家创新体系与创新学习对计算机科学的反思Moore定律两个例子启示与体会,1.大学的使命,传播知识教学创造知识科研服务社会引领文化,高校既是培养人才的摇篮，也是知识创新的源头高校是基础研究的主力军、应用研究的生力军、成果转化及社会服务的方面军高校是国家制定内外政策的智囊团和思想库,2.国家创新体系及创新学习,2006年1月，胡锦涛总书记在全国科技大会上明确提出了提高自主创新能力、建设创新型国家的重大战略任务党的十七大报告明确指出：提高自主创新能力，建设创新型国家，是国家发展战略的核心，是提高综合国力的关键,加强建设国家创新体系支持基础研究,前沿技术研究,社会公益性技术研究进一步营造鼓励创新的环境努力造就世界一流科学家和领军人才,注重培养一线的创新人才,国家创新体系,国家科技发展指导方针：自主创新重点突破支撑发展引领未来创新:原始创新集成创新引进消化吸收后再创新,国家科技发展指导方针与国家创新体系,世界是平的：21世纪简史TheWorldisFlat:ABriefHistoryofthe21stCentury,ThomasL.Friedman,纽约时报商业周刊亚马逊图书排行榜第一名；英国“FT/高盛”2005年度最佳商业图书奖2005年4月出版，2006年再版,全球化平坦的世界,全球化1.0版（14921800）世界是圆的！哥伦布起航发现新世界，开启新旧世界间的贸易以国家实力及其应用为基础的全球一体化依靠：人力、马力、风力、蒸汽动力等全球化2.0版（18002000）以跨国公司为主要力量的全球一体化依靠：铁路、蒸气机电话、电报、电脑、卫星、光纤等全球化3.0版（2000）世界是平的！以个人在全球范围内合作为动力的全球一体化个人与小团体在全球范围内密切合作依靠：个人电脑、光缆及互联网、工作流软件等使世界变得平坦化了！,平坦化的世界：一个基于网络的全球性竞争平台，能够使世界上任何地方的个人、群体、公司和大学为了创新、生产、教育、研究、娱乐等目的开展合作,柏林墙倒塌与Windows建立创新时代到来Web出现和Netscape上市互联时代到来工作流软件网络化合作平台,上传与网络社区软件外包离岸经营全球连锁店与供应链内包与现代物流网络信息搜索服务：Google，Yahoo，MSN数字化、移动化、个人化和虚拟化等新技术,实现个人与外界沟通促进更多人交流互动使应用软件相互联系,使世界变平的十大动力,具有国际竞争能力的人才,国际视野：有全球化的概念和国际化视野国际意识：以国际化的态度对待和处理事物国际活动：善于国际交往，能够与国际同行打交道、交朋友国际知识：了解国际竞争规则和各国文化与专业情况国际资源：能够迅速获取和拥有国际合作伙伴、网络及国际上各种资源参与国际竞争：迅速适应国际环境，适应并参与国际竞争,具有国际竞争能力的人才（清华大学的观点）获取信息的能力：能及时地了解国际重大事件、世界政治经济文化发展的动态和趋势、中国在国际社会中面临的挑战和机遇、各个方面的基本数据和背景资料等分析鉴别能力：对国际政治斗争、经济全球化的影响、国家民族利益、人类和平发展及环境等问题有正确的认识。能预测判断未来发展趋势，作出自己的决策国际交往能力：具有国际交流活动的经历和能力，掌握流利的外语，熟悉国外礼仪习俗，懂得保护国家和自身合法利益，能以公平竞争、友好合作，互相尊重的态度参与国际合作交流,具有国际竞争能力的人才（哈工大的做法）国际化氛围：营造多元化校园环境及国际化氛围，培养学生的国际化视野海外教师聘请：聘请海外教授及专家讲学，提高教师与学生接受和参与国际活动的机会教师队伍国际化：通过引进留学人员、派出教师国外深造，促进教师队伍国际化教学研究国际化：研究国外教学模式与经验课程体系及教学方式国际化：引进国外先进课程体系、教学方式、教材及课件等，采用双语教学学生国际化：学生联合培养；交换与交流、培养留学生建立国际合作交流平台：国际合作研究项目、联合实验室、国际学术会议、国际学生科技竞赛,具有国际竞争能力的人才（武汉大学的观点）,三创精神创新创造创业,国外大型IT企业-SCORE人才观点,Skills(技能)Creativity(创造性)OwningYourself(主动性)Responsibility(责任心)Execution(执行力),诚信的人品开阔的视野沟通+团队合作能力对理想的执着追求跨文化的能力,服务经济时代的T型人才,服务经济时代的型人才,-shapedpeople:(broadanddeepinbothspecialtyknowledgeandapplicationsectors),康德哲学,康德在18世纪末提出的科学研究方法论：人类在探索自然时，不应该像个小学生似的听取老师告诉他们的每一件事；反之，他们应该像一位被任命的法官一样迫使自然回答他提出的问题事先提出一个关于自然的假设，然后再通过实验或观察来迫使自然回答我们的问题，这就是康德哲学,问题求解能力,运用创新方法和知识求解问题的能力实践动手能力MIT校训:IhearIforgetIseeIremenberIdoIunderstand,马大猷院士说：我国研究人员基础都很好，但常提不出自己的设想，很多人都是“述而不作”。中国人从小学起就被要求绝对服从，逐渐养成迷信长上、迷信书刊、死记硬背、整天学习、缺少交流他还指出：现在科学前沿几乎不见中国科学家。新技术产品颇为发达，但其核心技术与研究很少是中国人的贡献,要勇于舍弃固有的思想,最大限度地发挥构想能力,要积极主动地与同行交流,要有大胆创新的魄力和勇气向外行一样去思考,向专家一样去实践,MIT的“不为”原则：“只要努力一定能成功的课题不做”，即要做没有把握成功的研究要重新创造(Reinvention),创新始于质疑,敢于质疑，是培育和开发创新思维的前提,1,亚里士多德论断（公元前384-前322）,物体的下落速度与它的质量成正比，越重物体下落速度越快,权威论断,伽利略（GalileoGalilei,1564-1642）对此质疑？,伽利略比萨斜塔试验,比萨斜塔,10磅铁球,1磅铁球,同时落地,同时落地,自由落体定律,物体的下落速度与物体本身的重量无关，而与物体的高度有关,统治2000年之久的“权威定律”被推翻,注意必然中的偶然捕捉现象注意偶然中的必然寻找本质,2,美国麻省理工学院机械工程系主任谢皮罗教授在浴缸洗澡后放水时发现：水的漩涡总是向左旋转逆时钟方向转？,实验,结果：重复了观察到的现象,发表论文：水流的漩涡方向是一种物理现象，与地球自转有关推断：如果在北半球逆时钟旋转南半球顺时钟旋转赤道不旋转,引起了各国科学家的极大兴趣,纷纷实验,验证了谢皮罗教授的推断完全正确,突破思维定势运用超常思维,3,1900年，德国理论物理学家普朗克（1858-1947）,提出假设：辐射的过程是不连续的，而是以最小的分量一份一份地放射出来，这个最小能量单位叫量子量子假设量子理论1918诺贝尔物理奖,量子理论提出：量子具有“不可测性”、“非因果性”、“跳跃性”,-结束了牛顿经典物理理论统治工业社会数百年的历史，极大地促进了人们的思维方法,信息时代：知识与信息为社会发展的第一推动力,知识的爆炸式激增、信息的光速传输不可测性、非因果性、跳跃性-遵循量子特性,知识信息,团队精神,4,互补精神,5,大家和谐相处,6,共同分享成功的喜悦,7,还要学会互相欣赏,8,厚积薄发,9,曹雪芹红楼梦10年孔尚任桃花扇15年弥尔顿失乐园27年达尔文物种起源28年（1831年环球科考，1835年动笔）,哥白尼天体运行论36年托尔斯泰战争与和平40年（参考700多种历史书）马克思资本论40年（阅读1500多种书籍）哥德浮士德60年,德国哈思60岁发现重核裂变，65岁获奖（化学）美国范费莱克76岁研究磁体和无序体系物质电子结构理论，78岁获奖（物理）奥地利弗里希74岁发现蜜蜂舞蹈语言，87岁获奖（生物）天道酬勤，大器晚成,19011979年间诺贝尔奖获得者中13人60岁以后才作出重大贡献,艰苦劳动+正确方法+少说空话,成功,爱因斯坦18791955,=,3.对计算机科学的反思,芯片和计算机性能的提高已经遇到能耗、可靠性和成本三方面的难题一味从提高计算速度上找出路不一定是明智的选择，应反思计算机科学与技术是不是走了弯路，是不是应该探索新的途径,3.1不能一味从提高计算速度上找出路,普遍认为，计算机科学是“算法的科学”美国计算机学会(ACM)对计算机科学定义:计算机科学是系统地研究那些描述、转换信息,包括其理论、分析、设计、效率、实现和应用的算法过程的科学,3.2要学会驾驭复杂性,要研究简单性,信息技术发展的历史证明：信息技术发展遵循简单性法则，过于复杂的技术往往被淘汰或脱离主流，如Ada语言、数据流计算机、B-ISDN（宽带综合业务数字网络）技术等互联网成功的原因之一在于KISS原则（KeepItSimpleandStupid)计算机科学应尽可能用简单方法去处理复杂问题,3.3虚拟化(中间件)技术,1992年B.W.Lampson在获得图灵奖时说过:计算机科学中的任何问题都可以通过增加另外一个中间层次来解决为了解决互操作和兼容等问题,常常通过虚拟机(中间层/中间件)的思路在更高层隐藏下一层次的技术细节虚拟化应该成为计算机科学的重要内容,ThemathematicallyKnowable,Unknowable,可用计算机有效求解的问题,观点源自1990年J.Schwartz院士在国家智能机中心举办的战略研讨会上的发言,3.4确定可有效求解的问题边界,J.Schwartz院士指出:数学上已知的(knowable)问题域边界极不规则(如图).就像油田开采一样,在某个位置钻井有油,偏离一点就没有油.问题的可解性也很类似,某个问题在某些条件下是易解的,但如果条件改变一点点就很难解甚至不可解了确定可有效求解的问题边界,应该是计算机科学的重要内容,将计算机学科分成科学与工程已不合时宜,分成软硬件亦不尽合理南加州大学将计算机学科按分析与综合分类，计算机科学主要内容从事跨学科的分析，计算机工程主要从事面向系统的综合同时计算机学科要加强与物理学、数学及其他科学的交叉研究,3.5计算机学科的框架,需求解的“问题”,对问题本身的深入理解领域专业及数学知识,开发从数据、指令到线程和处理机级的并行提高计算机性能,通过物理发现和器件发明提高器件处理速度和集成度，降低器件成本，为设计新的计算机提供硬件基础,设计优化算法提高求解效率，改善编程环境提高软件生产能力。,计算机体系结构与工程,软件理论与软件工程数学,领域专业知识数学,物理学,注重学科交叉及综合应用,IBM最先倡导服务科学，称为“服务科学,管理和工程（ServicesSciences,ManagementandEngineering）”，美国很多大学如berkeley等大学已开设服务科学课程,将来培养出来的人就是美国的行业工程师商业与技术相融合的方法要求有很高的专业技术。促进技术和商务更紧密结合需要新技能组合。从而诞生了“服务科学”科学,3.6关注服务科学（servicescience),美国NSF的GENI(GlobalEnvironmentforNetworkingInvestigations)项目的新研究方向NSF新的研究方向提出要发明新的网络NSF不再支持研究UNIX或LINUX，而是要创造新的OS,3.7发明网络和操作系统,语义处理已成为网络浏览检索、WebService、网格等大量计算机应用的瓶颈。各类软件技术的成功应用最终都卡在语义上。语义处理已成为需要突破的关键技术,3.8语义处理,冯.诺依曼的最大贡献是在单台计算机上实现程序视同为数据，目前的浏览器已能做到不区分本地和远程的数据;将来可能实现的基于语义的操作系统将不区分本地和远程的程序语义研究的目标是在网络上实现将程序视同为数据。也就是说实现广义的冯.诺依曼计算机联网的计算机真正变成一台计算机,在全球网络上实现程序等同于数据,计算机模拟是实现科学发展观的重要手段，超级计算机不但可以模拟汽车、飞机等人造物，而且可以模拟人类社会（ArtificialSociety）,计算机可以“计算”民意、为促进社会稳定建设和谐社会做贡献计算机与生物、物理、社会的交叉研究不能简单地看成计算机的应用，也不能认为只是其他学科多了一种分析工具。C+P,C+L,C+S或其多元组合将形成新的学科,3.9加强计算机模拟与仿真研究,C:计算机科学P:物理学L:生命科学S:社会科学,计算机科学与物理学、生命科学、社会科学的融合,3.10会聚技术（ConvergingTechnologies),1)发展历史2001年底，美国DoC-BTM、NSF、NSTC-NSEC等机构在华盛顿召开由50余名著名科学家和政府要员参加的题为“会聚四大技术，提升人类能力”的圆桌会议，首次提出“会聚技术”的概念“会聚技术”是指当前四个迅速发展的科学技术领域纳米、生物、信息技术和认知科学的协同融合-这就是所谓“会聚技术”每个领域的发展潜力巨大，其中任何技术的两两融合、三种集成或四者会聚，都将产生难以估量的效能,2)会聚技术的内涵,N纳米科学与技术：人类探索的新空间消弭了自然与人造的分子系统之间的界限B生命科学与技术：永恒研究的老对象通过基因学和蛋白质学来延长人的寿命I信息科学与技术：延伸智能的好工具导向更加自主的智能机器C认知与神经科学：完善人类的总目标创造出人工神经网络并破译人类认知,3)学科会聚的理念,学科会聚的理念来自会聚技术，是指以整体论为基础的多学科协同综合的过程学科交叉两门以上学科渗透、杂交概念、理论、方法上互补形成新学科的交叉产生新学科学科群落多门关联度强的学科以基础或龙头学科为组成互相支撑的学科集合核凝聚辐射相关学科学科会聚以NBIC四大学科为主的产生提升人类能力的多学科协同综合大科学技术和学科群,3.11网格计算(GridComputing),计算机网络只是信息传输的基础设施,计算机网格则是资源共享的基础设施，它使互联网上所有资源，包括计算、存储、通信、信息、软件、知识等全面连通，根据服务等级协定（SLA）之类的协议向用户提供Pervasive/Grid模式的GGG(GreatGlobeGrid)应用服务其含义是把分布在不同地理位置的高性能计算机、各种仪器设备、数据库、软件等资源用高速网络互联起来，使这些资源看起来就象一台超级计算机的部件，用户通过网格可随时随地、单一映像、高效一体化地共享资源、协同开展教学科研及应用开发活动也称网格计算（GridComputing）、先进计算基础设施（ACI，AdvancedComputationalInfrastructure）等。分为计算网格、信息网格、知识网格、服务网格等,我国在网格领域的研究始于最近几年目前最重要的三个项目是:1.中国科学院的“国家高性能计算环境（NHPCE）”项目(“中国国家网格”-CNGrid)2.清华大学的“先进计算基础设施北京上海试点工程（清华ACI系统）”项目3.中国教育科研网格计划ChinaGrid,3.12云计算（CloudComputing）,最近，一些大公司如MS、Google、IBM等都在炒作云计算的概念如IBM跟欧盟合作开展云计算，欧盟拨款1.7亿万欧元Google与IBM联合力推云计算模式Yahoo也把宝押在了云计算上我国也在无锡跟IBM公司联合建立了一个云计算中心IBM、Yahoo和Google等正在使用云计算的概念兜售自己的产品和服务什么是云计算？,“云计算”（CloudComputing）是分布式处理（DistributedComputing）、并行处理（ParallelComputing）和网格计算（GridComputing）的发展，或者说是这些科学概念的商业实现量子物理中有一种“电子云（electroncloud）”现象，即令在原子核周围运动的电子不是在一个经验世界的轨道上,例如像天体一样的运行轨道上，而是弥漫在空间的、类似云状体的存在。电子云有以下特性:概然性、弥漫性、同时性等等“云计算”这个词借用了量子物理中的“电子云”（ElectronCloud）的概念，强调说明计算的弥漫性、无所不在的分布性和社会性特征,云计算（cloudcomputing，分布式计算技术的一种，其最基本的概念，是透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。透过这项技术，网络服务提供者可以在数秒之内，处理数以千万计甚至亿计的信息，达到和“超级计算机”同样强大效能的网络服务云计算技术的例子随处可见，例如搜寻引擎、网络信箱等，使用者只要输入简单指令即能得到大量信息。进一步的云计算不仅只做资料搜寻、分析的功能，未来如分析DNA结构、基因图谱定序、解析癌症细胞等，都可以透过这项技术轻易完成,4.Moore定律,1965年Intel公司创始人之一GordenMoore预言:技术的发展使每个集成电路的晶体管数目大约每18个月翻一番-这就是著名的Moore定律GordenMoore,集成电路的晶体管数目,已经由1971年的2300个增长到今天Pentium4处理器的4200万个目前最快的Pentium4处理器已经拥有5500万个晶体管2007年Intel公司已制造出包含近10亿个晶体管的微处理器,运行速度接近20GHz,Moore本人认为,在未来的10年里,芯片的运算速度仍然会按照Moore定律的曲线-以大约每18个月增加一倍的速度增长.这就是说,Moore定律10-15年内还适用.Moore定律也适合于存储器,处理机速度和通信带宽.,5.两个例子,5.1铱星计划（铱星系统）,1987年摩托罗拉公司的两位工程师提出一个设想:设计一群由低地球轨道的通信卫星组成的星座,以提供全球范围内任意两点的无线通信联络.1991年,摩托罗拉公司决定建立由77颗低轨道卫星(后来卫星的数量减到66颗)组成的空间移动通信网络,并以在元素周期表上第77位的金属“铱”(Iridium)来命名“铱星系统”.投资高达57亿美元.,铱星系统的技术十分先进,采用了星上处理和星间链路技术,相当于把地面蜂窝网倒置在空中解决了卫星网与地面蜂窝网之