姚靖（包頭醫(yī)學(xué)院職業(yè)技術(shù)學(xué)院（包頭市衛(wèi)校） 內(nèi)蒙古 包頭 014030）

對計(jì)算科學(xué)和計(jì)算機(jī)發(fā)展的思考

姚靖
（包頭醫(yī)學(xué)院職業(yè)技術(shù)學(xué)院（包頭市衛(wèi)校） 內(nèi)蒙古 包頭 014030）

隨著社會的快速發(fā)展，計(jì)算科學(xué)以及人們所使用的工具也在逐步發(fā)展，從傳統(tǒng)的算盤到電子計(jì)算機(jī)再到量子計(jì)算系統(tǒng)，持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。計(jì)算工具的改革創(chuàng)新，使得人們具有更強(qiáng)的科研力量，進(jìn)而促進(jìn)了計(jì)算科學(xué)的發(fā)展。

計(jì)算科學(xué)；計(jì)算機(jī)；量子計(jì)算

1.引言

計(jì)算科學(xué)的發(fā)展大多數(shù)情況是隨著計(jì)算工具的發(fā)展而發(fā)展，在促進(jìn)人類發(fā)展中起到了非常關(guān)鍵的作用。計(jì)算工具主要應(yīng)用于人們的計(jì)算中，在近些年中計(jì)算工具不斷的改革發(fā)展。同時(shí)，就計(jì)算機(jī)來說，發(fā)展更加迅猛，現(xiàn)已經(jīng)由電子計(jì)算機(jī)逐步向量子計(jì)算發(fā)展，日新月異。

2.論述計(jì)算

所謂計(jì)算就是經(jīng)過法則將符號串進(jìn)行變換的過程。減法是多數(shù)計(jì)算中的一個(gè)，一般情況下，有兩種方式，包括數(shù)值的計(jì)算和符號的推導(dǎo)。但是，不管是數(shù)值計(jì)算，還是符號推導(dǎo)，在一致性和等價(jià)性方面都相同。而且，二者關(guān)系密切，能夠相互轉(zhuǎn)換。科學(xué)在進(jìn)步，新的計(jì)算類型也會隨之出現(xiàn)，而計(jì)算科學(xué)也會促進(jìn)計(jì)算工具的發(fā)展。

3.計(jì)算工具的發(fā)展歷史

從開始利用計(jì)算開始，人們就把探求更為方便和快捷的計(jì)算工具作為發(fā)展目標(biāo)，不斷推動其向前發(fā)展。計(jì)算工具的發(fā)展進(jìn)步與計(jì)算科技的發(fā)展非常密不可分，從算籌到算盤的進(jìn)步階段，算籌為算盤的基礎(chǔ)，而算盤口訣化以后，計(jì)算起來更實(shí)用和方便，從而加快了計(jì)算的速度。伴隨科技的快速發(fā)展與進(jìn)步，人們發(fā)明了對數(shù)，按照加減乘除的特性繼而發(fā)明了對數(shù)計(jì)算尺。在計(jì)算尺上安裝上光標(biāo)以后，其應(yīng)用變得更普遍。與之同時(shí)發(fā)明的還有機(jī)械式計(jì)算器，隨著進(jìn)一步發(fā)展，在科學(xué)家們不懈的探索改進(jìn)后，計(jì)算工具的應(yīng)用越來越廣泛。

4.電動和電子計(jì)算機(jī)

在程序控制分析機(jī)之后，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，老式的人工計(jì)算器逐步被新式的電動式計(jì)算器所替代。進(jìn)而出現(xiàn)了過程控制計(jì)算器。在20世紀(jì)初的時(shí)候，電子管革新了計(jì)算器，電子計(jì)算機(jī)問世。從這以后，人類邁入計(jì)算的新時(shí)代。電子計(jì)算機(jī)是科技快速發(fā)展而產(chǎn)生的工具，是最偉大的發(fā)明之一。從20世紀(jì)60年代后，芯片集成度發(fā)展迅猛，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度更加快速。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)時(shí)代隨之帶來，一般分為如下三個(gè)階段，第一階段是ARPAnet階段，即美國研究和試用的階段；第二階段是NSF網(wǎng)絡(luò)階段，即互聯(lián)網(wǎng)科研的應(yīng)用階段，提出了開放式系統(tǒng)的互聯(lián)參考模式，解決互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)等問題；第三階段是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化的發(fā)展階段，是互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的階段，其作用影響全世界。

伴隨計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，面對可能出現(xiàn)的問題需要對網(wǎng)絡(luò)予以長遠(yuǎn)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，這就需要弄清網(wǎng)絡(luò)的分類方式。首先，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可將其分成星型、環(huán)形以及總線型三種網(wǎng)絡(luò)，除此以外還有樹型和簇星型等多種網(wǎng)絡(luò)其實(shí)是在上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上的構(gòu)建起來的。其次，可把網(wǎng)絡(luò)的位置作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，把網(wǎng)絡(luò)分成局域網(wǎng)、城域網(wǎng)以及廣域網(wǎng)三種類型，這其中局域網(wǎng)以及廣域網(wǎng)是關(guān)鍵，局域網(wǎng)是另外二種網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，而廣域網(wǎng)中最有名的便是人們熟知的Internet。

5.論述量子計(jì)算系統(tǒng)

在20世紀(jì)80年代時(shí)，量子思想開始計(jì)算的新萌芽。費(fèi)曼打算利用電子計(jì)算機(jī)來模擬量子力學(xué)系統(tǒng)行為。但是，在模擬的過程中，費(fèi)曼遇到了一個(gè)非常難搞的問題，就是難以理解或者求解的量子力學(xué)系統(tǒng)的行為。舉例說明，在光干涉的現(xiàn)象之內(nèi)，相互作用的光子在干涉的時(shí)候每增多一個(gè)，都會使得有可能情況出現(xiàn)的概率翻倍，其問題的數(shù)量是根據(jù)指數(shù)級增多的。這種試驗(yàn)?zāi)M中的計(jì)算量十分龐大，不過這恰恰為量子計(jì)算創(chuàng)造了一個(gè)很好的機(jī)會。因?yàn)榱孔恿W(xué)行為的可預(yù)測性非常強(qiáng)，在進(jìn)行光干涉現(xiàn)象試驗(yàn)的時(shí)候，若是其初始條件已經(jīng)明確，便可推出屏幕中出現(xiàn)的影子的形狀。參考此種現(xiàn)象，費(fèi)曼推理得到：若是干涉實(shí)驗(yàn)內(nèi)需做大規(guī)模計(jì)算的現(xiàn)象，則假如模擬這種實(shí)驗(yàn)同時(shí)測量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，就相當(dāng)于做完了相應(yīng)的計(jì)算。故而，借助在量子力學(xué)對象中做實(shí)驗(yàn)的手段，可在相當(dāng)大的程度上提升計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速率。

費(fèi)曼在運(yùn)用量子計(jì)算機(jī)的時(shí)候，認(rèn)為可不必考慮如何去實(shí)現(xiàn)計(jì)算，而是把計(jì)算當(dāng)成“神諭”而完成的，故而在量子計(jì)算的時(shí)候，一般叫這種計(jì)算為“神諭”。其實(shí)在很多不同的領(lǐng)域?qū)嵺`里，量子計(jì)算的功能確實(shí)是比傳統(tǒng)的計(jì)算強(qiáng)大的多。例如：把某個(gè)十進(jìn)制數(shù)且為1024位的大整數(shù)轉(zhuǎn)變成兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積，那么在如此比較難的計(jì)算中，傳統(tǒng)的計(jì)算工具很難或根本不能實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的計(jì)算，其所花費(fèi)的時(shí)間要大大超出人們可以忍受的時(shí)間。然而，若是運(yùn)用量子計(jì)算機(jī)去計(jì)算的話，僅僅需短短的半個(gè)多小時(shí)便可把1024位的整數(shù)完成分解。因此，可以說量子計(jì)算極大的提升了計(jì)算的效率。量子計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)明某種程度上給予了人類更好的思考以及科研能力，促進(jìn)人們?nèi)ヅ鉀Q量子計(jì)算“神諭”的內(nèi)部作用機(jī)制。除此之外，量子計(jì)算系統(tǒng)還揭開了何為計(jì)算科學(xué)的本質(zhì)，使得人們對計(jì)算的認(rèn)識進(jìn)一步擴(kuò)展深入。

6.結(jié)語

綜上，隨著計(jì)算科學(xué)的快速發(fā)展，人類的計(jì)算工具也隨之發(fā)展，人們在創(chuàng)新思維，改進(jìn)計(jì)算工作的同時(shí)，越來越發(fā)現(xiàn)其計(jì)算本質(zhì)的重要性。計(jì)算工具是否進(jìn)步、先進(jìn)，這個(gè)問題關(guān)乎到計(jì)算科學(xué)的發(fā)展。而計(jì)算機(jī)作為人們目前所用的最先進(jìn)的計(jì)算工具，也在快速發(fā)展進(jìn)步之中。從最早的電子管以及晶體管計(jì)算機(jī)到現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算，計(jì)算工具的變革與進(jìn)步不斷的促進(jìn)人們科研能力體積思維水平的提高，反過來又推動了計(jì)算科學(xué)的變革與發(fā)展，從而進(jìn)入一個(gè)互相促進(jìn)的良性循環(huán)之中，也就是計(jì)算機(jī)與計(jì)算科學(xué)相互促進(jìn)、持續(xù)發(fā)展。

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