计算机(应用)前沿技术简介.ppt

计算机 应用 前沿技术简介 计算机出现以来 给我们的生活和工作带来了巨大的变化影响和变化 而且发展速度之快超出了其他任何行业 它的发展似乎永无止境 给人们的感觉是信息处理技术方面没有任何极限 从某种程度来说 信息可以从自身得到滋养 你拥有的越多 能得到的就越多 处理信息的速度越快 能做的事就越多 由于处理能力和软件是共同发展的 我们用不了多久就可以把计算机当做口授 语言指挥 机器使用 你可以对着计算机口授指令 然后它把你说的打印出来 或者你可以用英语打出一段话 计算机立刻将它翻译成日语或印地安语或汉语 讲英语的你也许一个汉字也不认识 但是有计算机作翻译 你就可以和不懂英语的中国人 日本人等交谈 计算机很快会变成全球化的通信工具以及即时印刷机 它将沟通不同大陆 不同文化 将它们连接起来 电视只是带给你图像和声音 图像也许是彩色的 但计算机可以带给你图像和声音 除此而外 它还可能提供电视所不能提供的交互式服务以及编写文本和制图功能 计算机已经使某些职业过时 英特尔公司已经减少了许多秘书 当计算机能够发挥图书馆的功能时 需要的图书馆管理员就支减少 律师助手以及各种各样的职员的命运也如此 计算机发展史简介 人类所使用的计算工具是随着生产的发展和社会的进步 从简单到复杂 从低级到高级的发展过程 计算工具相继出现了如算盘 计算尺 手摇机械计算机 电动机械计算机等 1946年 世界上第一台电子数字计算机 ENIAC 在美国诞生 这台计算机共用了18000多个电于管组成 占地170m2 总重量为30t 耗电140kw 运算速度达到每秒能进行5000次加法 300次乘法 电子计算机在短短的50多年里经过了电子管 晶体管 集成电路 IC 和超大规模集成电路 VLSI 四个阶段的发展 使计算机的体积越来越小 功能越来越强 价格越来越低 应用越来越广泛 目前正朝智能化 第五代 计算机方向发展 1 第一代电子计算机第一代电于计算机是从1946年至1958年 它们体积较大 运算速度较低 存储容量不大 而且价格昂贵 使用也不方便 为了解决一个问题 所编制的程序的复杂程度难以表述 这一代计算机主要用于科学计算 只在重要部门或科学研究部门使用 2 第二代电子计算机第二代计算机是从1958年到1965年 它们全部采用晶体管作为电子器件 其运算速度比第一代计算机的速度提高了近百倍 体积为原来的几十分之一 在软件方面开始使用计算机算法语言 这一代计算机不仅用于科学计算 还用于数据处理和事务处理及工业控制 3 第三代电子计算机第三代计算机是从1965年到1970年 这一时期的主要特征是以中 小规模集成电路为电子器件 并且出现操作系统 使计算机的功能越来越强 应用范围越来越广 它们不仅用于科学计算 还用于文字处理 企业管理 自动控制等领域 出现了计算机技术与通信技术相结合的信息管理系统 可用于生产管理 交通管理 情报检索等领域 4 第四代电子计算机第四代计算机是指从1970年以后采用大规模集成电路 LSI 和超大规模集成电路 VLSI 为主要电子器件制成的计算机 例如80386微处理器 在面积约为10mmXl0mm的单个芯片上 可以集成大约32万个晶体管 5 第五代计算机第五代计算机将把信息采集 存储 处理 通信和人工智能结合一起具有形式推理 联想 学习和解释能力 它的系统结构将突破传统的冯 诺依曼机器的概念 实现高度的并行处理 计算机的特点1 记忆能力强在计算机中有容量很大的存储装置 它不仅可以长久性地存储大量的文字 图形 图像 声音等信息资料 还可以存储指挥计算机工作的程序 2 计算精度高与逻辑判断准确它具有人类无能为力的高精度控制或高速操作任务 也具有可靠的判断能力 以实现计算机工作的自动化 从而保证计算机控制的判断可靠 反应迅速 控制灵敏 3 高速的处理能力它具有神奇的运算速度 其速度以达到每秒几十亿次乃至上百亿次 例如 为了将圆周率兀的近似值计算到707位 一位数学家曾为此花十几年的时间 而如果用现代的计算机来计算 可能瞬间就能完成 同时可达到小数点后200万位 4 能自动完成各种操作计算机是由内部控制和操作的 只要将事先编制好的应用程序输入计算机 计算机就能自动按照程序规定的步骤完成预定的处理任务 计算机应用领域 1 科学计算 或称为数值计算 早期的计算机主要用于科学计算 目前 科学计算仍然是计算机应用的一个重要领域 如高能物理 工程设计 地震预测 气象预报 航天技术等 由于计算机具有高运算速度和精度以及逻辑判断能力 因此出现了计算力学 计算物理 计算化学 生物控制论等新的学科 2 过程检测与控制利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测 并把检测到的数据存入计算机 再根据需要对这些数据进行处理 这样的系统称为计算机检测系统 特别是仪器仪表引进计算机技术后所构成的智能化仪器仪表 将工业自动化推向了一个更高的水平 3 信息管理 数据处理 信息管理是目前计算机应用最广泛的一个领域 利用计算机来加工 管理与操作任何形式的数据资料 如企业管理 物资管理 报表统计 帐目计算 信息情报检索等 近年来 国内许多机构纷纷建设自己的管理信息系统 MIS 生产企业也开始采用制造资源规划软件 MRP 商业流通领域则逐步使用电子信息交换系统 EDI 即所谓无纸贸易 4 计算机辅助系统1 计算机辅助设计 CAD 是指利用计算机来帮助设计人员进行工程设计 以提高设计工作的自动化程度 节省人力和物力 目前 此技术已经在电路 机械 土木建筑 服装等设计中得到了广泛的应用 2 计算机辅助制造 CAM 是指利用计算机进行生产设备的管理 控制与操作 从而提高产品质量 降低生产成本 缩短生产周期 并且还大大改善了制造人员的工作条件 3 计算机辅助测试 CAT 是指利用计算机进行复杂而大量的测试工作 4 计算机辅助教学 CAI 指利用计算机帮助教师讲授和帮助学生学习的自动化系统 使学生能够轻松自如地从中学到所需要的知识 5 计算机仿真计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构 功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿 它是一种描述性技术 是一种定量分析方法 通过建立某一过程和某一系统的模式 来描述该过程或该系统 然后用一系列有目的 有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征 从而得出数量指标 为决策者提供有关这一过程或系统得定量分析结果 作为决策的理论依据 美国波音 BOEING 公司可以把777飞机的研制 生产做到几乎 无图纸 的程度 波音777飞机的研制 整机设计 装配 部件测试以及各种试飞 都是由计算机完成的 它能将开发周期从原来的8年缩短到5年 节约了数百万美元经费随着计算机应用技术和网络技术的发展 计算机仿真技术也在不断的发展之中 如利用网络技术实现异地仿真 应用虚拟现实技术进行的虚拟制造等 1 网络化仿真现在已经开发出来的仿真系统 多数不能相互兼容 可移植性差 实现共享困难 较之于开发的高成本和长时间 实在物未尽其用 解决这些问题 第一就是采用兼容性好的计算机语言编写仿真系统 第二就是采用网络化技术实现仿真系统共享 尤其是后者 在将来的仿真系统开发中有着重要地位 实现仿真系统的网络共享 既可以在一定程度上避免重复开发以节约社会资源 又可以通过适当收费以补偿部分开发成本 2 虚拟制造技术计算机仿真技术发展的另一大方向就是在虚拟制造技术领域的深入应用 虚拟制造技术是20世纪90年代发展起来的一种先进制造技术 它利用计算机仿真技术与虚拟现实技术 在计算机上实现从产品设计到产品出厂以及企业各级过程的管理与控制等制造的本质 这使得制造技术不再主要依靠经验 并可以实现对制造的全方位预测 为机械制造领域开辟了一个广阔的新天地 计算机的发展方向 1 巨型化巨型化是指计算机的运算速度更高 存储容量更大 功能更强 目前正在研制的巨型计算机其运算速度可达每秒百亿次 2 微型化微型计算机已进入仪器 仪表 家用电器等小型仪器设备中 同时也作为工业控制过程的心脏 使仪器设备实现 智能化 随着微电子技术的进一步发展 笔记本型 掌上型等微型计算机必将以更优的性能价格比受到人们的欢迎 3 网络化随着计算机应用的深入 特别是家用计算机越来越普及 一方面希望众多用户能共享信息资源 另一方面也希望各计算机之间能互相传递信息进行通信 计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物 计算机网络己在现代企业的管理中发挥着越来越重要的作用 如银行系统 商业系统 交通运输系统等 4 智能化计算机人工智能的研究是建立在现代科学基础之上 智能化是计算机发展的一个重要方向 新一代计算机 将可以模拟人的感觉行为和思维过程的机理 进行 看 听 说 想 做 具有逻辑推理 学习与证明的能力 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 智能化的超级计算机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 新型高性能计算机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 将会在不久的将来走进我们的生活 遍布各个领域 这些高性能计算机包括 1 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PentiumDI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 2 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 3 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 4 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 当代的社会 计算机技术的应用已经渗透到社会生活的各个方面 已经成为推动社会进步的重要引擎 已被称为 计算机文化 当今的计算机技术已经比较成熟发达 世界上不少前沿技术的得到了部分应用 主要有以下六点 1 GIS与 数字地球 2 虚拟现实3 智能化与个性化的WEB信息检索技术4 智能信息处理技术5 网格技术与云计算6 下一代网络 从三个具有代表性的方面具体的展开说明 1 计算机图像识别新技术有望成为医学诊断帮手最近 以色列魏兹曼研究院计算机科学家艾坦 沙龙博士正与美国马萨诸塞综合医院梅拉夫 格伦博士合作开发一种分级比较提高计算机识别物体新方法 该技术将有望使计算机具备与人脑类似图像识别能力 研究人员先让计算机比较图像中每个像素 并亮度将其分组 然后结构 形状等特征进一步比较 将特点相同进行合并 识别深入 比较参数越来越多 也越来越复杂 这样由低到高一系列比较分类 计算机即可从背景中将物体区分出来 接下来是更具挑战性工作 识别物体 让计算机识别所见到物体 如一副眼镜 研究人员先让计算机将眼镜图像分解为不同片断 然后将其与数据库中所有眼镜片断相比较 不同特征进行比较分类 最后从数据库中找出特征与之完全相同眼镜 实现图像识别目的 2 新技术可满足学习需求虽然新技术似乎使弱势群体更加难以在招聘中获得成功 但是它们确实为无法接受传统教育的残疾人带来了便利 行动受到限制的人可以借此在家学习 英国公开大学在过去的30多年里一直以 书本 影音材料 的方式为学生提供 传统 的远程教育 以满足有视障或听障学生的需求 然而 如今公开大学的7000余名残疾学生在网络学习材料面前却又遇到了新的障碍 除非教育机构采用专门为残疾人设计的程序 以及使用必要的帮助技术 例如 屏幕放大软件可以使视力极差的学生充分利用课程材料 语音合成器则能够帮助盲人学生通过听来 读 新技术的运用还有可能帮助那些已经疏离教育的人 比如说 那些在学校学习成绩不好而又不愿再回去接受任何教育的年轻人 新技术同时还能够增加学生获得信息和指导的机会 通过网络浏览器 学生可以获得大量与课程相关的信息 公开大学通过网络提供了丰富的多媒体学习材料 学生可以根据自己的进度在家学习 3 计算机技术来源于军事 反过来又服务于军事 应用于各行各业自计算机诞生以来 计算机技术不断发展 各种新技术新功能不断涌现 90年代网络 多媒体技术形成计算机学科的主干 日趋成熟 95年人们体验了Internet国际互联网络带来的冲击 96年又经历了多媒体的发展热潮 97年我们已经看到了两者水乳交融的情景 这些新技术的产生和发展 对现代军事教育训练 军事人才的培养及未来战争都产生了深远的影响 特别是近几年来 随着计算机技术 信息技术的发展 普及和在军事上的广泛应用 现代军事教育的教学方法 教学内容等都发生了根本性的变化 一些先进的技术 设备不断地运用到军事教学 训练中来 服务于军事教学 促进教学手段的提高 加快教学进程 逐渐改变了过去僵硬的教学手段 组织方式 乃至军事教学模式 教育思想的改变 4 人工智能的最新进展机器学习模式识别自然语言处理 5服务计算与服务科学的发展一张从北美寄往国内亲人的照片可能需要花价格不菲的邮寄费 如果经过互联网传送 在中国当地城市代为印制 并附上热情洋溢的问候祝福 精美的包装 甚至送上一束鲜花 一定会让在国内的家人倍感亲切 对很多留学生和其他海外同胞来说 这是一项非常普通的服务项目 花钱不多 需求却不少 就在这项普通的服务项目中 已经蕴含了很多 服务计算 的概念 服务计算是跨越计算机与信息技术 商业管理 商业质询服务等领域的一个新的学科 是应用面向服务架构 SOA 技术在消除商业服务与信息支撑技术之间的横沟方面的直接产物 它在形成自己独特的科学与技术体系的基础上有机整合了一系列最新技术成果 SOA ServiceOrientedArchitecture 面向服务的体系架构 及Web服务 网格 效用计算 Grid UtilityComputing 以及业务流程整合及管理 BusinessProcessIntegration Management 第一部分解决的是技术平台和架构的问题 第二部分解决是服务交付的问题 第三部分则是业务本身的整合和管理 6移动计算及其应用移动计算使用各种无线电射频 RF 技术或蜂窝通信技术 使用户携带他们的移动计算机 个人数字助手 pDA BP机和其他电讯设备自由漫游 使用调制解调器的移动计算机用户也应该属于这一范畴 但他们侧重于无线远程用户 移动计算机用户依赖于电子信报传送服务 使他们无论走到那里都能和办公室保持联系 一些厂商 Microsoft 正在制造支持移动用户的特殊接口 例如 当移动用户从一个地方到另一个地方时 将恢复桌面排列和在最后会谈中打开的文件 就象计算机从来都不关闭一样 7 云计算与智慧地球云计算概念是由Google提出的 这是一个美丽的网络应用模式 狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式 指通过网络以按需 易扩展的方式获得所需的资源 广义云计算是指服务的交付和使用模式 指通过网络以按需 易扩展的方式获得所需的服务 这种服务可以是IT和软件 互联网相关的 也可以是任意其他的服务 它具有超大规模 虚拟化 可靠安全等独特功效 首先 云计算的特点就是其超大的规模 云 具有相当的规模 Google云计算已经拥有100多万台服务器 Amazon IBM 微软 Yahoo等的 云 均拥有几十万台服务器 企业私有云一般拥有数百上千台服务器 云 能赋予用户前所未有的计算能力 再有 云计算的特点在于它的虚拟化 云计算支持用户在任意位置 使用各种终端获取应用服务 所请求的资源来自 云 而不是固定的有形的实体 应用在 云 中某处运行 但实际上用户无需了解 也不用担心应用运行的具体位置 只需要一台笔记本或者一个手机 就可以通过网络服务来实现我们需要的一切 甚至包括超级计算这样的任务 另外 云计算的特点还有高可靠性 云 使用了数据多副本容错 计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性 使用云计算比使用本地计算机可靠 云计算还不针对特定的应用 在 云 的支撑下可以构造出千变万化的应用 同一个 云 可以同时支撑不同的应用运行 同时 云计算有高可扩展性 云 的规模可以动态伸缩 满足应用和用户规模增长的需要 云 是一个庞大的资源池 你按需购买 云可以象自来水 电 煤气那样计费 由于 云 的特殊容错措施可以采用极其廉价的节点来构成云 云 的自动化集中式管理使大量企业无需负担日益高昂的数据中心管理成本 云 的通用性使资源的利用率较之传统系统大幅提升 因此用户可以充分享受 云 的低成本优势 经常只要花费几百美元 几天时间就能完成以前需要数万美元 数月时间才能完成的任务上述云计算的特点给出了一个大概的面貌 其实 虚拟化是云计算重要的支撑 学以致用 我们中国人一向务实 计算机技术在各行各业广泛的应用正是它为社会创造了大量的财富 随着信息技术的不断发展和计算机应用水平的不断提高 计算机前沿技术的内涵又是不断发展和变化的 因此不能 一劳永逸 人们的需求在不断提高 技术的革新就会不断去满足 相信不久将来计算机技术不仅领域广泛 而且能更细化深入其中 现在有一个很根本的问题摆在了我们面前 是人去适应机器计算 还是让计算融入生活 作为一种计算模式 普适计算 ubiquitous pervasivecomputing 的深远影响正是在于改变了人与计算的关系 普适计算的思想由施乐公司PaloAlto研究中心的首席技术官MarkWeiser在1991年提出 目前在国际上已经成为一个研究热点 普适计算描述了这样一种概念 无处不在的计算能力将融入我们的生活这种计算能力是动态变化的 它能把住宅 汽车 办公室 商店和银行里的计算设备以及个人计算设备连接并协调起来 为信息 服务和应用提供接入点 这种新的计算模式强调把计算机嵌入到人们日常生活和工作环境中 使用户能方便地访问信息和得到计算的服务 在普适计算时代 计算机不是以单独的计算设备的形态出现 而是采用将嵌入式处理器 存储器 通信模块和传感器集成在一起 以信息设备的形式出现 这些信息设备集计算 通信 传感功能于一身 能方便地与各种设备 包括日常用品 结合在一起 不仅如此 信息设备还可以非常廉价地通过无线网络与互联网连接 并按照用户的个性需求进行定制 以嵌入式产品的方式呈现在人们的工作和生活中 随着定位传感器 无线通信尤其是互联网的普及和分布式计算技术的进步 普适计算的实现条件越来越成熟 普适计算的概念得到了更多的认可 间断连接 与 轻量计算 是普适计算最重要的两个特征 间断连接是指服务器能够不时地同用户 特别是移动用户 保持联系 用户能够存取服务器信息 在中断联系的情况下 可以处理这些信息 所以 计算中心的数据和应用服务器能否同用户保持有效的联系就成为一个十分关键的因素 由于有部分数据要存储在普适计算设备上 普适计算中的数据库成为一个很关键的软件基础部件 例如 新型的汽车上安装了许多小型的车载计算机部件 用来控制燃料的使用 根据温度和气压调整发动机的运转 这些部件彼此相连 并把测出数据作为汽车运行保养的分析基础数据 当汽车修理时 修理人员插入一个计算机连接器件 获取这些数据来分析 还可以增加复杂的数据连接功能 如连接到GPS接收机上 让司机准确获知当前