CS教程 计算机基础教程

Chapter9

高级主题

CS,ZJU5/13/2024Overview高性能计算人工智能虚拟现实可计算理论自动机理论停机问题计算复杂性2024/5/132计算机基础科学9.1高性能计算高性能计算HPC，HighPerformanceComputing高性能计算是计算机科学的一个分支，旨在研究复杂体系结构、算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机。高性能计算主题之间的差异性的弱化——并没有一个明显的界线给这些主题进行分类定义9.1.1并行计算并行计算（ParallelComputing）传统意义上是指计算资源应包括一台配有多处理机（并行处理）的计算机具有超级计算能力的计算机系统，这是获得高性能计算的重要手段在过去很长一段时间内，并行计算几乎就是HPC的代名词并行计算1980年代，并行计算机系统（多处理器同时对一组数据进行同一个操作）达到了鼎盛时期90年代，超大规模并行计算（MassivelyParallelProcessing，MPP）开始占主导地位对称多处理器（SymmetricMulti-Processor，SMP）结构的并行系统1993年成立的Top500机构开始进行全球高性能计算机系统排名并行计算据2005年11月Top500公布的数据排名第一的BlueGene/L系统——IBM公司——处理速度达到280.6TFlop/s（每秒万亿次浮点运算），系统有131,072个处理器。我国曙光公司生产的曙光4000A超级计算机，在2004年Top500中跻身前十名，标志着我国高性能计算进入世界先进水平中国联想集团生产的深腾6800高性能计算机系统也达到了10TFlop/s级2010年11月，中国天河-1A排名第一。9.1.2 分布式计算一个分布式系统是为解决单个问题而紧密结合在一起工作的多处理机的集合Or，一个分布式系统可能意味着一个由地理上分散的、各自独立的计算机组成的网络，这些计算机连接在一起以实现对不同资源的共享分布式系统：逻辑或物理分布的部件或机器，以网络连接的形式组成的一个（计算机）系统并行意义的根本是将两台以上的机器（处理器）连接起来解决一些计算问题9.1.3集群计算集群计算（ClusterComputing）也是基于并行系统和网络的它作为并行计算和网络技术在高性能计算机体系结构中最为成功的集成和运用，也是目前性价比最好的系统在2005年11月的Top500中，集群系统占到了70％以上集群系统集群系统——是以高速网络（如光缆局域网）连接起来的高性能工作站或微机组成集群系统在运行中像一个统一的整合资源，所有节点使用单一的界面本质上说，集群是一种并行或者分布式系统集群的同义词是工作站网络（NetworkofWorkstation，NOW）9.1.4云计算云计算是一种基于因特网的计算方式。通过这种方式，共享的软硬件资源和信息按需提供给用户。云的基本概念是：通过网络将庞大的计算处理程序自动拆分成无数个较小的子程序，再由多部服务器所组成的庞大系统搜索、计算、分析之后将处理结果回传给用户。人工智能ArtificialIntelligence，AI，也叫智能计算计算机还不能具备人脑的思考能力，但模仿人的部分行为已经取得进展人工智能已经被运用在机器人、识别语音、疾病诊断以及语言翻译等方面，如机器下棋人工智能作为计算机研究的重要领域，已经成为计算机科学和技术发展的一个目标除了计算机科学，人工智能还涉及到信息论、控制论、自动化、仿生学、生物学、心理学、数理逻辑、语言学、医学和哲学等多门学科图灵测试人工智能最基本的问题——“计算机能够象人一样思考吗？图灵测试——黑盒测试图灵测试本身也被人提出了疑问——中国屋思考试验塞尔认为：机器不能思考，它只是一个工具，符号识别不能够满足语义，只有大脑引起思考现在还没有机器通过了图灵测试，关于机器思考的争论还在持续之中，但计算机科学家并没有停止或者放弃对AI的研究，相反地这种争论促进了AI的研究进展推理：知识表达人工智能一直在研究计算机的推理能力解决问题需要有效信息，有效信息还需要有效表达计算机使用符号语言科学家们试图在人类的自然语言和机器的符号处理之间找到一种关系，使得机器能够具有人类的推理能力语义网络是一种知识表达法——定义它非常困难相比语义网络，搜索树易于实现专家系统专家系统是一种智能计算机软件系统，它能像某一领域专家那样向用户提供解决问题的方法专家系统有用编程语言创建的，更多的是使用专家系统工具创建专家系统——拥有的知识是主要是经验性知识知识工程——随专家系统的出现和发展而发展神经网络计算机善于处理大量的线性的、逻辑的过程，计算机被设计成按照顺序处理信息人类的大脑包含了数以亿计的神经元，它们在一个庞大的、分布式的结构中与其他神经元发生联系，在大多数感性的、创造性的活动中，这种结构赋予人脑独一无二的优势——人类的神经系统对生物神经系统机理的深入研究，人工神经网络的研究开始兴起神经网络机器人机器人（Robot）机器人——综合了人和机器特长的一种拟人化的电子机械装置对环境状态的快速反应和分析判断能力长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境某种意义上说机器人是机器进化过程的产物，是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备尽管机器人看起来很奇特，但它和一个普通计算机所采用的技术类似，它以嵌入式处理器充当了“大脑”Robot机器人装有所需要的传感器视觉传感器为机器人移动进行导航接近觉系统机器人语言智能机器人——在研究阶段自然语言处理语音识别自然语言理解语音合成最新的进展：IBM公司的智能计算机“沃森”最困难的是自然语言的理解

自然语言特有的二义性理解单词的意义需要根据上下文理解自然语言，人类需要依赖他们所具有的知识和联想记忆力

自然语言理解需要进行语法分析、语义分析和上下文分析自然语言处理研究的另一个方面是整个文件而不是一个句子——机器翻译？2024/5/1319计算机基础科学人工智能的研究困难图灵机的启示计算机博奕的困难自动定理证明及其局限模式识别的困惑自动程序设计的困难

2024/5/1320计算机基础科学9.3

虚拟现实

虚拟现实（VR）或称虚拟环境(VE)：由计算机生成的、使人具有身临其境感觉的计算机模拟环境，它是一种全新的人机交互系统。虚拟环境能对介入者——人产生各种感官刺激，如视觉、听觉、触觉、嗅觉等，同时人能以自然方式与虚拟环境进行交互操作虚拟现实的概念模型可以看做“显示／检测”模型。显示是指虚拟环境系统向用户提供各种感官刺激信号，包括光、声、力、嗅、味等各种刺激信号。检测是指虚拟环境系统监视用户的各种动作，检测并辨识用户的视点变化，头、手、肢体和身躯的动作。2024/5/1321计算机基础科学9.4可计算理论可计算函数哥德尔数阿克曼函数2024/5/1322计算机基础科学9.5自动机理论有限自动机图灵机细胞自动机

2024/5/1323计算机基础科学9.6停机问题停机问题：是否有那么一个程序T能够预测任何一个程序的执行是否会停机。结论：没有一个程序T能够测试用哥德尔数表示的程序是否会终止，也就是说，预测程序是否被终止是不可能的。

2024/5/1324计算机基础科学9.7计算复杂性复杂性的度量定量描述算法的复杂程度完成计算（算法）所需要的时间和存储器资源大O表示法：主要考虑其数量级而