計算機的發(fā)展趨勢~

弱水知寒

<P>記 者：計算機科學(xué)從誕生的那一天起就和其他的學(xué)科有著密不可分的關(guān)系，它有力地促進(jìn)其他學(xué)科的發(fā)展，同時也使自己迅速成長。在您看來，未來的計算機科學(xué)的發(fā)展趨勢如何，它與其他學(xué)科之間的關(guān)系是否會愈來愈緊密？ <BR><BR>　　李國杰院士：我在看待計算機科學(xué)發(fā)展趨勢時，通常是把它分為三維考慮。一維是是向"高"的方向。性能越來越高，速度越來越快，主要表現(xiàn)在計算機的主頻越來越高。像前幾年我們使用的都是286、386、主頻只有幾十兆。90年代初，集成電路集成度已達(dá)到100萬門以上，從VLSI開始進(jìn)入ULSI，即特大規(guī)模集成電路時期。而且由于RISC技術(shù)的成熟與普及，CPU性能年增長率由80年代的35%發(fā)展到90年代的60%。到后來出現(xiàn)奔騰系列，到現(xiàn)在已出現(xiàn)了奔騰4微處理器，主頻達(dá)到2GHz以上。而且計算機向高的方面發(fā)展不僅是芯片頻率的提高，而且是計算機整體性能的提高。一個計算機中可能不只用一個處理器，而是用幾百個幾千個處理器，這就是所謂并行處理。也就是說提高計算機的性能有兩個途徑：一是提高器件速度，二是并行處理。與前所述，器件速度通過發(fā)明新器件（如量子器件等），采用納米工藝、片上系統(tǒng)等技術(shù)還可以提高幾個數(shù)量級。以大規(guī)模并行為標(biāo)志的體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新與進(jìn)步是提高計算機系統(tǒng)性能的另一重要途徑。目前世界上性能最高的通用計算機已采用上萬臺計算機并行，美國的ASCI計劃已經(jīng)完成每秒12。3萬億次并行機。目前正在研制30萬億次和100萬億次并行計算機。美國另一項計劃的目標(biāo)是2010年左右推出每秒一千萬億次并行計算機（Petaflops計算機），其處理機將采用超導(dǎo)量子器件，每個處理機每秒100億次，共用10萬個處理機并行。專用計算機的并行程度比通用機更高。IBM公司正在研制一臺用于計算蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)的專用計算機，稱做蘭色基因（Blue Gene）計算機，一塊芯片中就包括32個處理機，峰值速度達(dá)每秒一千萬億次，計劃2004年實現(xiàn)。將幾千幾萬臺計算機連結(jié)起來構(gòu)成一臺并行機，就如同組織成千上萬工人生產(chǎn)一個產(chǎn)品一樣，決不是一件容易的事。并行計算機的關(guān)鍵技術(shù)是如何高效率地把大量計算機互相連接起來，即各處理機之間的高速通信，以及如何有效地管理成千上萬臺計算機使之協(xié)調(diào)工作，這就是并行計算機的系統(tǒng)軟件---操作系統(tǒng)的功能。如何處理高性能與通用性以及應(yīng)用軟件可移植性的矛盾也是研制并行計算機必須面對的技術(shù)選擇，也是計算機科學(xué)發(fā)展的重大課題。 <BR><BR>　　另一個方向就是向“廣”度方向發(fā)展，計算機發(fā)展的趨勢就是無處不在，以至于像“沒有計算機一樣”。近年來更明顯的趨勢是網(wǎng)絡(luò)化與向各個領(lǐng)域的滲透，即在廣度上的發(fā)展開拓。國外稱這種趨勢為普適計算（Pervasive Computing）或叫無處不在的計算。舉個例子，問你家里有多少馬達(dá)，誰也說不清。洗衣機里有，電冰箱里有，錄音機里也有，幾乎無處不在，我們誰也不會去統(tǒng)計它。未來，計算機也會像現(xiàn)在的馬達(dá)一樣，存在于家中的各種電器中。那時問你家里有多少計算機，你也數(shù)不清。你的筆記本，書籍都已電子化。包括未來的中小學(xué)教材，再過十幾、二十幾年，可能學(xué)生們上課用的不再是教科書，而只是一個筆記本大小的計算機，所有的中小學(xué)的課程教材，輔導(dǎo)書，練習(xí)題都在里面。不同的學(xué)生可以根據(jù)自己的需要方便地從中查到想要的資料。而且這些計算機與現(xiàn)在的手機合為一體，隨時隨地都可以上網(wǎng)，相互交流信息。所以有人預(yù)言未來計算機可能像紙張一樣便宜，可以一次性使用，計算機將成為不被人注意的最常用的日用品。 <BR><BR>　　第三個方向是向"深"度方向發(fā)展，即向信息的智能化發(fā)展。網(wǎng)上有大量的信息，怎樣把這些浩如煙海的東西變成你想要的知識，這是計算科學(xué)的重要課題，同時人機界面更加友好。未來你可以用你的自然語言與計算機打交道，也可以用手寫的文字打交道，甚至可以用你的表情、手勢來與計算機溝通，使人機交流更加方便快捷。電子計算機從誕生起就致力于模擬人類思維，希望計算機越來越聰明，不僅能做一些復(fù)雜的事情，而且能做一些需“智慧”才能做的事，比如推理、學(xué)習(xí)、聯(lián)想等。自從1956年提出“人工智能”以來，計算機在智能化方向邁進(jìn)的步伐不盡人意�？茖W(xué)家多次關(guān)于人工智能的預(yù)期目標(biāo)都沒有實現(xiàn)，這說明探索人類智能的本質(zhì)是一件十分艱巨的任務(wù)。目前計算機"思維"的方式與人類思維方式有很大區(qū)別，人機之間的間隔還不小。人類還很難以自然的方式，如語言、手勢、表情與計算機打交道，計算機難用已成為阻礙計算機進(jìn)一步普及的巨大障礙。隨著nternet的普及，普通老百姓使用計算機的需求日益增長，這種強烈需求將大大促進(jìn)計算機智能化方向的研究。近幾年來計算機識別文字（包括印刷體、手寫體）和口語的技術(shù)已有較大提高，已初步達(dá)到商品化水平，估計5-10年內(nèi)手寫和口語輸入將逐步成為主流的輸入方式。手勢（特別是啞語手勢）和臉部表情識別也已取得較大進(jìn)展。使人沉浸在計算機世界的虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)是近幾年來發(fā)展較快的技術(shù)，21世紀(jì)將更加迅速的發(fā)展。 <BR><BR>圖１ 納米級的DNA計算機 <BR><BR><BR><BR>圖2 我國納米電子學(xué)應(yīng)用研究取得新進(jìn)展<BR><BR><BR><BR>圖3 Intel公司生產(chǎn)的<BR>奔騰第四代CPU <BR><BR><BR><BR>圖4 AMD公司生產(chǎn)的Duron系列CPU <BR><BR><BR>圖5 威盛公司生產(chǎn)的系列CPU <BR><BR><BR>　　說到計算機科學(xué)同其他學(xué)科的關(guān)系，我認(rèn)為有幾個學(xué)科和計算機科學(xué)的發(fā)展關(guān)系很密切。從技術(shù)的角度說，通信技術(shù)與計算機科學(xué)是密不可分的，實際上，通信技術(shù)中的很多設(shè)備就是一臺專用的計算機。另外是各種工業(yè)制造中也離不開計算機。例如，將來的汽車、飛機中的大量部件都是計算機構(gòu)成的。未來一部汽車主要的成本可能不是車身、輪子、發(fā)動機，而是其中的微處理器芯片和軟件。從科學(xué)的角度說，我認(rèn)為計算機科學(xué)與生物學(xué)的關(guān)系會越來越密切�？茖W(xué)的發(fā)展的一般規(guī)律是每隔四五十年就會有新的技術(shù)出現(xiàn)，來拉動其他學(xué)科的發(fā)展。最近二三十年是以是以微電子、信息技術(shù)為標(biāo)志的科技浪潮。這一段時期預(yù)計到2020年基本結(jié)束。下一次科技浪潮將是以生物技術(shù)為標(biāo)志的科學(xué)的飛躍。而與以生物信息學(xué)為代表的生物與計算機科學(xué)的交叉學(xué)科正在蓬勃地興起。例如用信息學(xué)的理論和方法去研究生命科學(xué)，未來可能會有很多學(xué)計算機的人去從事生物信息學(xué)的研究，這是未來研究的一大熱點。 <BR><BR>　　從另外一方面來說，其他學(xué)科反過來也會促進(jìn)計算機科學(xué)的發(fā)展。目前計算機用的幾乎都是半導(dǎo)體集成電路，但現(xiàn)在人們也在努力研究基于其他材料的計算機，如超導(dǎo)計算機，光學(xué)計算機，生物計算機等，比如我們常聽到的生物芯片技術(shù)。但目前的生物芯片還只是作測試用，還不能夠用來計算。雖然這些技術(shù)現(xiàn)在還都不成熟，與實際應(yīng)用有很大的差距，但可以預(yù)計這些技術(shù)的發(fā)展必將使計算機科學(xué)的前景更加美好。 <BR><BR>　　記 者：網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)極大地改變了我們的生活，也使得計算機技術(shù)走進(jìn)了千家萬戶。它的發(fā)展前景十分美好。但是我們知道，在科學(xué)研究中經(jīng)常會遇到意想不到的困難。您認(rèn)為當(dāng)前計算機科學(xué)發(fā)展遇到的主要困難什么？ <BR><BR>　　李國杰院士：當(dāng)前計算機科學(xué)的主要問題有三方面。首先是復(fù)雜性的問題。計算機科學(xué)的實質(zhì)是動態(tài)的復(fù)雜性問題。一個芯片的晶體管有上億甚至幾十億個，這個數(shù)目已和大腦里的神經(jīng)元的數(shù)目一樣多，如何保證這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)能夠正常的工作而不出現(xiàn)錯誤，這已不止是一般的測量能夠解決的問題了。另外一個問題就是功耗。當(dāng)前功耗似乎不是什么問題或者說不是重要問題，但再過十幾年它就會變得十分重要。根據(jù)摩爾定律，大約每隔一年半，芯片的性能翻一翻,但是性能翻一翻可能會造成功耗也翻一翻。功耗越大,放熱越多�，F(xiàn)在一個芯片可能放熱一兩百瓦,還可以用風(fēng)扇來散熱,但再翻一翻幾百瓦,相當(dāng)于一個電爐了。這時的散熱就十分困難了。所以,如何在提高性能的同時不增大功耗甚至減小功耗是當(dāng)前計算機科學(xué)發(fā)展的重大問題。功耗問題極為復(fù)雜,由于集成電路的微型化,將來的工藝達(dá)到0.1微米以下,每一層芯片只有幾個原子,這時的單位面積上的熱量已經(jīng)極高了。所以在計算機科學(xué)發(fā)展的早期就有一位著名的科學(xué)家說過計算機科學(xué)是制冷的科學(xué)。最后一個問題是智能化的問題。現(xiàn)在網(wǎng)上有很多信息,如何讓計算機把這些信息變成你所需要的知識。這是一件很難的事情。這不是說簡單的我點一個網(wǎng)站,里面能搜索到與我輸入的字符匹配的內(nèi)容，而是說計算機要將收集到的知識系統(tǒng)化。比如,你想找一個人,你問計算機："拉登是什么人？" 未來的計算機有這個能力,它能在千千萬萬的網(wǎng)頁中找到與拉登是什么人相關(guān)的內(nèi)容,組織一篇文章來告訴你答案。再如,你想知道什么是納米技術(shù),你就可以問計算機什么是納米技術(shù),計算機就會為你搜索網(wǎng)頁,找到你所需要的答案。</P>

弱水知寒

<p><img src="attachments/bbsxp/2007-11/2007111921755.jpg" border=0 />記 者：計算機科學(xué)從誕生的那一天起就和其他的學(xué)科有著密不可分的關(guān)系，它有力地促進(jìn)其他學(xué)科的發(fā)展，同時也使自己迅速成長。在您看來，未來的計算機科學(xué)的發(fā)展趨勢如何，它與其他學(xué)科之間的關(guān)系是否會愈來愈緊密？ <br /><br />　　李國杰院士：我在看待計算機科學(xué)發(fā)展趨勢時，通常是把它分為三維考慮。一維是是向"高"的方向。性能越來越高，速度越來越快，主要表現(xiàn)在計算機的主頻越來越高。像前幾年我們使用的都是286、386、主頻只有幾十兆。90年代初，集成電路集成度已達(dá)到100萬門以上，從VLSI開始進(jìn)入ULSI，即特大規(guī)模集成電路時期。而且由于RISC技術(shù)的成熟與普及，CPU性能年增長率由80年代的35%發(fā)展到90年代的60%。到后來出現(xiàn)奔騰系列，到現(xiàn)在已出現(xiàn)了奔騰4微處理器，主頻達(dá)到2GHz以上。而且計算機向高的方面發(fā)展不僅是芯片頻率的提高，而且是計算機整體性能的提高。一個計算機中可能不只用一個處理器，而是用幾百個幾千個處理器，這就是所謂并行處理。也就是說提高計算機的性能有兩個途徑：一是提高器件速度，二是并行處理。與前所述，器件速度通過發(fā)明新器件（如量子器件等），采用納米工藝、片上系統(tǒng)等技術(shù)還可以提高幾個數(shù)量級。以大規(guī)模并行為標(biāo)志的體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新與進(jìn)步是提高計算機系統(tǒng)性能的另一重要途徑。目前世界上性能最高的通用計算機已采用上萬臺計算機并行，美國的ASCI計劃已經(jīng)完成每秒12。3萬億次并行機。目前正在研制30萬億次和100萬億次并行計算機。美國另一項計劃的目標(biāo)是2010年左右推出每秒一千萬億次并行計算機（Petaflops計算機），其處理機將采用超導(dǎo)量子器件，每個處理機每秒100億次，共用10萬個處理機并行。專用計算機的并行程度比通用機更高。IBM公司正在研制一臺用于計算蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)的專用計算機，稱做蘭色基因（Blue Gene）計算機，一塊芯片中就包括32個處理機，峰值速度達(dá)每秒一千萬億次，計劃2004年實現(xiàn)。將幾千幾萬臺計算機連結(jié)起來構(gòu)成一臺并行機，就如同組織成千上萬工人生產(chǎn)一個產(chǎn)品一樣，決不是一件容易的事。并行計算機的關(guān)鍵技術(shù)是如何高效率地把大量計算機互相連接起來，即各處理機之間的高速通信，以及如何有效地管理成千上萬臺計算機使之協(xié)調(diào)工作，這就是并行計算機的系統(tǒng)軟件---操作系統(tǒng)的功能。如何處理高性能與通用性以及應(yīng)用軟件可移植性的矛盾也是研制并行計算機必須面對的技術(shù)選擇，也是計算機科學(xué)發(fā)展的重大課題。 <br /><br />　　另一個方向就是向“廣”度方向發(fā)展，計算機發(fā)展的趨勢就是無處不在，以至于像“沒有計算機一樣”。近年來更明顯的趨勢是網(wǎng)絡(luò)化與向各個領(lǐng)域的滲透，即在廣度上的發(fā)展開拓。國外稱這種趨勢為普適計算（Pervasive Computing）或叫無處不在的計算。舉個例子，問你家里有多少馬達(dá)，誰也說不清。洗衣機里有，電冰箱里有，錄音機里也有，幾乎無處不在，我們誰也不會去統(tǒng)計它。未來，計算機也會像現(xiàn)在的馬達(dá)一樣，存在于家中的各種電器中。那時問你家里有多少計算機，你也數(shù)不清。你的筆記本，書籍都已電子化。包括未來的中小學(xué)教材，再過十幾、二十幾年，可能學(xué)生們上課用的不再是教科書，而只是一個筆記本大小的計算機，所有的中小學(xué)的課程教材，輔導(dǎo)書，練習(xí)題都在里面。不同的學(xué)生可以根據(jù)自己的需要方便地從中查到想要的資料。而且這些計算機與現(xiàn)在的手機合為一體，隨時隨地都可以上網(wǎng)，相互交流信息。所以有人預(yù)言未來計算機可能像紙張一樣便宜，可以一次性使用，計算機將成為不被人注意的最常用的日用品。 <br /><br />　　第三個方向是向"深"度方向發(fā)展，即向信息的智能化發(fā)展。網(wǎng)上有大量的信息，怎樣把這些浩如煙海的東西變成你想要的知識，這是計算科學(xué)的重要課題，同時人機界面更加友好。未來你可以用你的自然語言與計算機打交道，也可以用手寫的文字打交道，甚至可以用你的表情、手勢來與計算機溝通，使人機交流更加方便快捷。電子計算機從誕生起就致力于模擬人類思維，希望計算機越來越聰明，不僅能做一些復(fù)雜的事情，而且能做一些需“智慧”才能做的事，比如推理、學(xué)習(xí)、聯(lián)想等。自從1956年提出“人工智能”以來，計算機在智能化方向邁進(jìn)的步伐不盡人意�？茖W(xué)家多次關(guān)于人工智能的預(yù)期目標(biāo)都沒有實現(xiàn)，這說明探索人類智能的本質(zhì)是一件十分艱巨的任務(wù)。目前計算機"思維"的方式與人類思維方式有很大區(qū)別，人機之間的間隔還不小。人類還很難以自然的方式，如語言、手勢、表情與計算機打交道，計算機難用已成為阻礙計算機進(jìn)一步普及的巨大障礙。隨著nternet的普及，普通老百姓使用計算機的需求日益增長，這種強烈需求將大大促進(jìn)計算機智能化方向的研究。近幾年來計算機識別文字（包括印刷體、手寫體）和口語的技術(shù)已有較大提高，已初步達(dá)到商品化水平，估計5-10年內(nèi)手寫和口語輸入將逐步成為主流的輸入方式。手勢（特別是啞語手勢）和臉部表情識別也已取得較大進(jìn)展。使人沉浸在計算機世界的虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)是近幾年來發(fā)展較快的技術(shù)，21世紀(jì)將更加迅速的發(fā)展。 <br /><br />圖１ 納米級的DNA計算機 <br /><br /><br /><br />圖2 我國納米電子學(xué)應(yīng)用研究取得新進(jìn)展<br /><br /><br /><br />圖3 Intel公司生產(chǎn)的<br />奔騰第四代CPU <br /><br /><br /><br />圖4 AMD公司生產(chǎn)的Duron系列CPU <br /><br /><br />圖5 威盛公司生產(chǎn)的系列CPU <br /><br /><br />　　說到計算機科學(xué)同其他學(xué)科的關(guān)系，我認(rèn)為有幾個學(xué)科和計算機科學(xué)的發(fā)展關(guān)系很密切。從技術(shù)的角度說，通信技術(shù)與計算機科學(xué)是密不可分的，實際上，通信技術(shù)中的很多設(shè)備就是一臺專用的計算機。另外是各種工業(yè)制造中也離不開計算機。例如，將來的汽車、飛機中的大量部件都是計算機構(gòu)成的。未來一部汽車主要的成本可能不是車身、輪子、發(fā)動機，而是其中的微處理器芯片和軟件。從科學(xué)的角度說，我認(rèn)為計算機科學(xué)與生物學(xué)的關(guān)系會越來越密切。科學(xué)的發(fā)展的一般規(guī)律是每隔四五十年就會有新的技術(shù)出現(xiàn)，來拉動其他學(xué)科的發(fā)展。最近二三十年是以是以微電子、信息技術(shù)為標(biāo)志的科技浪潮。這一段時期預(yù)計到2020年基本結(jié)束。下一次科技浪潮將是以生物技術(shù)為標(biāo)志的科學(xué)的飛躍。而與以生物信息學(xué)為代表的生物與計算機科學(xué)的交叉學(xué)科正在蓬勃地興起。例如用信息學(xué)的理論和方法去研究生命科學(xué)，未來可能會有很多學(xué)計算機的人去從事生物信息學(xué)的研究，這是未來研究的一大熱點。 <br /><br />　　從另外一方面來說，其他學(xué)科反過來也會促進(jìn)計算機科學(xué)的發(fā)展。目前計算機用的幾乎都是半導(dǎo)體集成電路，但現(xiàn)在人們也在努力研究基于其他材料的計算機，如超導(dǎo)計算機，光學(xué)計算機，生物計算機等，比如我們常聽到的生物芯片技術(shù)。但目前的生物芯片還只是作測試用，還不能夠用來計算。雖然這些技術(shù)現(xiàn)在還都不成熟，與實際應(yīng)用有很大的差距，但可以預(yù)計這些技術(shù)的發(fā)展必將使計算機科學(xué)的前景更加美好。 <br /><br />　　記 者：網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)極大地改變了我們的生活，也使得計算機技術(shù)走進(jìn)了千家萬戶。它的發(fā)展前景十分美好。但是我們知道，在科學(xué)研究中經(jīng)常會遇到意想不到的困難。您認(rèn)為當(dāng)前計算機科學(xué)發(fā)展遇到的主要困難什么？ <br /><br />　　李國杰院士：當(dāng)前計算機科學(xué)的主要問題有三方面。首先是復(fù)雜性的問題。計算機科學(xué)的實質(zhì)是動態(tài)的復(fù)雜性問題。一個芯片的晶體管有上億甚至幾十億個，這個數(shù)目已和大腦里的神經(jīng)元的數(shù)目一樣多，如何保證這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)能夠正常的工作而不出現(xiàn)錯誤，這已不止是一般的測量能夠解決的問題了。另外一個問題就是功耗。當(dāng)前功耗似乎不是什么問題或者說不是重要問題，但再過十幾年它就會變得十分重要。根據(jù)摩爾定律，大約每隔一年半，芯片的性能翻一翻,但是性能翻一翻可能會造成功耗也翻一翻。功耗越大,放熱越多�，F(xiàn)在一個芯片可能放熱一兩百瓦,還可以用風(fēng)扇來散熱,但再翻一翻幾百瓦,相當(dāng)于一個電爐了。這時的散熱就十分困難了。所以,如何在提高性能的同時不增大功耗甚至減小功耗是當(dāng)前計算機科學(xué)發(fā)展的重大問題。功耗問題極為復(fù)雜,由于集成電路的微型化,將來的工藝達(dá)到0.1微米以下,每一層芯片只有幾個原子,這時的單位面積上的熱量已經(jīng)極高了。所以在計算機科學(xué)發(fā)展的早期就有一位著名的科學(xué)家說過計算機科學(xué)是制冷的科學(xué)。最后一個問題是智能化的問題�，F(xiàn)在網(wǎng)上有很多信息,如何讓計算機把這些信息變成你所需要的知識。這是一件很難的事情。這不是說簡單的我點一個網(wǎng)站,里面能搜索到與我輸入的字符匹配的內(nèi)容，而是說計算機要將收集到的知識系統(tǒng)化。比如,你想找一個人,你問計算機："拉登是什么人？" 未來的計算機有這個能力,它能在千千萬萬的網(wǎng)頁中找到與拉登是什么人相關(guān)的內(nèi)容,組織一篇文章來告訴你答案。再如,你想知道什么是納米技術(shù),你就可以問計算機什么是納米技術(shù),計算機就會為你搜索網(wǎng)頁,找到你所需要的答案。</p><p>［此帖子已被 弱水知寒 在 2007-11-19 2:18:17 編輯過］