计算机科学与技术的发展趋势探析

张 瑞

ZHANG Rui

（驻马店教育学院 计算机系，驻马店 463000）

0 引言

自从1946年第一台计算机的出现，它的发展己经经历了60多年来的变迁。计算机在运算速度、增进性能、缩小性强、降低成本以及开发应用等方面得到了空前发展。随着知识经济的不断深入，计算机的发展趋势不仅继续深化，而且节奏加快。在计算机本身发展的同时，它的应用领域从过去的单一化走向了多元化。在日常生活中，计算机的应用已无处不在，无论是军事领域、教育领域、工业领域还是其他商业领域，它已渗透到国民经济各个部门及社会生活的各个方面。

1 计算机技术发展迅速的原因

1.1 经常性的、连续性的创造活动的出现

计算机技术快速发展的原因之一就是创造活动经常的、连续性的出现。现实需求的驱动、关于计算机技术认识部分或者说是计算机科学的发展、信息的共享可以用来解释这种经常性的创造活动。

1.1.1 持续不断的创新是在需求的驱动下发生的

正是二战对信息的紧迫需求减少了创造的障碍，使得资源可以运用于基本的技术试验，促进了计算机的出现。早期阶段各研究所、大公司、大学和政府部门对科学运算的需求导致了计算机迅速地转为民用、转为工业产品，促进了计算机工业的发展。随着计算机在尖端科学技术和其他科学技术与工程设计方面(如数学、物理、力学、化学天文、晶体结构分析、石油勘探与开发、桥梁设计、大地测量等)的普遍应用，对计算机的性能、容量也提出了更高的要求，使创造活动经常性、连续性的出现。在计算机行业，按照技术轨道领先一步推出新计算机技术产品意味着可能提前占有市场。竞争的压力和对利润最大化的要求往往在技术的发展上表现为：计算机技术的进步比市场实际需求发展的更快。这无疑给创造活动的速度、时间快慢提出了更高的要求。

1.1.2 关于计算机技术的认识部分经常提供计算机技术如何改进的相对有力的指导

计算机领域的工程师和科学家们的实践是往复的，科学知识暗含在数量和种类极为可观的设计中而这些设计又体现在计算机产品中，不但在理论上是可行的还必须经过真实世界的约束检验。试错、偶然的运气，甚至有时是错误的原理，也极有可能导致行之有效的新的计算机技术。集成电路中的铝—硅触面，虽然理论上没有问题，但在实际应用时却经常出差错，经过反复的试错，终于发现了“铝—硅—氧化物”触面控制，极大地促进了后来超大型集成电路的发展。这些蕴含在新技术中的知识又被往复地用以产生新的知识，如“铝—硅—氧化物”触面控制的发现有利于攻破铝—硅肖特基势垒。新知识成为成功实践的基础，往复地使用将产生更进一步的创新，有时候这种往复过程能够激发出全新的技术创造。计算机技术中大量的创造活动，是从试错法进行的经验学习，到精心开发的程序“RDD&D”(研究、开发、设计和演化的简称)的变化，这种在科学知识的指导下进行的精心策划、性能和解释方面的煞费苦心的推理和往复的实践，不断地使关于新技术的信息涌现出来，进而指导创造活动的经常性的发生。此外，计算机中的新技术迅速转化为产品首先运用于开发研制下一代的新技术，如计算机辅助设计在芯片制作、软件开发中的运用，极大地缩短了研发周期，加快了创新活动的步伐。

1.1.3 计算机技术(准确说是自PC机以后)越来越建立在共享信息的基础上

如同恩格尔巴特所认为的那样，这种信息共享思想是科学技术进步的关键，这使得创造活动可以建立在最新信息的平台上，极大的缩短研制时间、提高了研发的质量。

1.2 稳定的、明显的和迅速的选择机制

在对相互竞争的技术价值做出一个共识性判断之前需要一段时间，这段时间内不确定因素可能影响到最后的选择机制。大多数情况下，围绕计算机技术的若干选择判据和机制及其影响要素在同时发挥作用，选择的环境常常是非常敏锐和稳定的，这是计算机技术迅速发展的一个重要原因。

在实践方面，用户和市场同时对新计算机技术进行选择，在市场判据一定的情况下，优于他者的技术取胜，这样经济之间的竞争转化为技术竞争。但由于选择是复杂的，不仅是物性上技术先进性，还包括了社会的认同和接受。RISC相对于CISC是更高一数量级的技术和架构，可以使微处理器的工作变得单纯，速度也随之增快，但最终由于各种原因没有得到市场的认同。这种关于实践上的理论自然地把对选择的分析指向如何很好地满足用户的需求。然而计算机技术不仅被看成是实践的，而且是认识的，这使得选择过程的实质就变得更加复杂了，当前一方面的选择判据非常“适合”计算机用户的需求时，后一方面的判据似乎“能够解释所观察到的相关事实并能使问题得到解决和发展得以进行”。选择过程以及控制创新的过程可能截然不同，对实践而言，过程最终在用户的控制之下，对认识而言，过程由计算机技术专家共同体来控制。在实践中，从最早的IBM用户联盟到霍姆布鲁计算机俱乐部为代表的各种计算机俱乐部和用户群体，关于计算机的用户团体是多种多样的，而且他们建立在信息共享的基础上不断地采用新技术或新方法，为选择机制提供了有效的支持，使计算机技术在应用中繁荣发展。

另一方面，作为技术专家共同体的认识也是统一的，如帕洛阿尔托研究中心可以与外界共享技术知识，对计算机技术的发展方向和最新技术产品的发展相互反馈的良好进程。研究新的、更好的计算机产品和实用技术尝试，几乎总涉及到技术的不确定性或用户反应不确定性的情形，既然技术共同体和用户团体之间的认识是一致的，那么计算机技术的进展也是可以预见的，选择机制的论据也就变得稳定、迅速和明显的了。

此外，认识和实践的相互转换是选择机制稳定化、迅速化的另一论据。计算机技术的大多数领域以应用学科和工程学科的出现为标志，这些学科的职责是促进与实践有关的认识的发展，这些学科常吸收更为基础的学科，其本身也是当之无愧的认识部分。传统认为，有认识的提高就能有实践的进步，在对计算机技术研究中，发现常有另外一条路径，这个过程存在着强烈的相互作用，在肖克利及其同事制造出一个运行的晶体管后，作为一个科学领域的热力学建立起来，有关半导体是如何运行的理论也建立了起来，这是用来证明认识随着实践的提高而提高的经典实例。在工程学科和应用学科中，与实践的密切联系给我们这样的启发，认识的提高可以让选择判据更加明显，它们能够使计算机技术的实践中普遍存在的问题得到解决，或者说是促进实践的发展。如果没有所说的认识的帮助，这一切会变的不可能实现或更困难一些。显然，选择机制在计算机技术的实践进化和认识进化之间明显地提供了一种双向的连接，推动计算机技术的快速发展。

2 计算机科学计算发展趋势

2.1 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。

2.2 新型高性能计算机问世

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，将会在二十一世纪走进我们的生活，遍布各个领域。

2.2.1 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Pentium DI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。

2.2.2 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。

2.2.3 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。美国已研制出分子计算机分子电路的基础元器件，可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。以色列科学家已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型分子计算机。预计20年后，分子计算机将进人实用阶段。

2.2.4 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。专家预测，10年后纳米技术将会走出实验室，成为科技应用的一部分。纳米计算机体积小、造价低、存量大、性能好，将逐渐取代芯片计算机，推动计算机行业的快速发展。

3 结束语

综上所述，我们可以看到计算机技术主要朝着三个方向发展：

一是向“高”的方向。性能越来越高，速度越来越快，主要表现在计算机的主频越来越高。Inter公司预计在2010年推出集成10亿以上个晶体管的微处理器，一个计算机中可能不只用一个处理器，而是用几百个几千个处理器，这就是所谓并行处理，目前世界上性能最高的通用计算机已采用上万台计算机并行。专用计算机的并行程度比通用机更高，并行计算机的关键技术是如何高效率地把大量计算机互相连接起来，即各处理机之间的高速通信，以及如何有效地管理成千上万台计算机使之协调工作，这就是并行计算机的系统软件——操作系统的功能。

另一个方向就是向“广”度方向发展，计算机发展的趋势无处不在，以至于像“没有计算机一样”。近年来更明显的趋势是网络化与向各个领域的渗透，即在广度上的发展开拓。国外称这种趋势为普适计算或叫无处不在的计算。未来计算机也会像现在的马达一样，存在于家中的各种电器中，那时问你家里有多少计算机，你也数不清，你的笔记本，书籍都已电子化。再过十几、二十几年，可能学生们上课用的不再是教科书，而只是一个笔记本大小的计算机，不同的学生可以根据自己的需要方便地从中查到想要的资料。所以有人预言未来计算机可能像纸张一样便宜，可以一次性使用，计算机将成为不被人注意的最常用的日用品。

第三个方向是向“深”度方向发展，即向信息的智能化发展。网上有大量的信息，怎样把这些浩如烟海的东西变成你想要的知识，这是计算科学的重要课题，同时人机界面更加友好。计算机将具备更多的智能成分，它将具有多种感知能力、一定的思考能力，未来你可以用你的自然语言与计算机打交道，也可以用手写的文字打交道，甚至可以用你的表情、手势来与计算机沟通，使人机交流更加方便快捷。让人能产生身临其境感觉的各种交互设备已经出现，虚拟现实技术是这一领域发展的集中体现。

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