凌智華

（廣西云龍招標有限公司 廣西南寧 530012）

對于計算機科研提速及計算科學發(fā)展的分析

凌智華

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理論性的研究科學不僅有深遠的科學意義，同時研究科學的應用功能也十分豐富，也是計算機科學基礎的組成部分。在國際上一直很受重視，但相對來說在國內卻是很多人不太了解的部分。本文筆者由對計算機發(fā)展歷史與人類對計算的本質認識，回顧量子計算系統(tǒng)的發(fā)展與成熟并且提出人類最初開始認識未知世界的規(guī)律：“計算的工具持續(xù)發(fā)展-整體思維能力在不斷的增強-公理的系統(tǒng)一直持續(xù)擴大-舊的神諭被丟棄-新的神諭一直產(chǎn)生一直循環(huán)。”

計算科學；科研；計算工具

引言

據(jù)研究表明，從1998年成立到現(xiàn)在，微軟在亞洲研究院已經(jīng)確定了五大研究方向，包括多媒體、數(shù)字游戲娛樂、用戶的界面、無線及網(wǎng)絡科學技術與互聯(lián)網(wǎng)信息搜索和挖掘等領域。本次確立的理論研究組將和原本五個研究組平行的同時運作，給他們提供理論支持，在拓展研究的深度和廣度方面給予他們進一步的幫助。

1 計算的實質和古代計算工具

從類型上來說，計算主要分為兩大類：數(shù)值計算與符號推導。伴隨著數(shù)學科學的不斷發(fā)展，在未來還可能會出現(xiàn)新的計算類型。在公元前5世紀的時候，中國人就早已開始用算籌當作計算工具，并且在公元前3世紀的時候，算籌得到了普遍采用，一直使用到了二千年。同時中國人還把算法進行口訣化，從而使得計算速度加快了很多。

抽象來說，計算就是由一個符號串f換算成另一個符號串g。例如說從符號串12+3換算成15就是一個加法運算。如果符號串f是x2，且符號串g是2x，所以從f到g的計算就是微分。用定理證明推導也是如此，用f來表示一組公理與推導規(guī)則，使得g是一個定理，那么從由f到g的一系列換算就是定理g的證明。從這個方面來看，文字的翻譯也是一種計算，比如f表示一個英文句子，而g表示含意相同的中文句子，所以從f到g就是把英文翻譯變換成中文。這些變換之間有什么共同相似點，為什么要把它們都叫做計算。因為，它們都是由己知的符號（串）開始，一步接一步地改變符號（串），通過有限的步驟，最后可以得到一個滿足預先規(guī)定的符號（串）的換算過程。

2 計算機科研提速介紹

2.1 摩爾定律和計算的極限

人類能否將電子計算機的計算速度一直不斷地提升?傳統(tǒng)的電腦計算機的計算能力如果需要進一步提高，是否有極限?對于這個問題，專家們在實行嚴密的論證之后確定了否定答案。假如電子計算機的計算能力永無止境的提高，最后地球上所有的能量都將轉換為的結果就會導致熵的降低，這種向低熵方向無限度的發(fā)展運動是被哲學界所認為不應該發(fā)生的。因此，傳統(tǒng)的電子計算機的計算能力一定是有限度的。而以IBM研究中心的朗道（R.Landauer）為代表的理論科學一直到21世紀30年代，芯片內導線的寬度將生產(chǎn)到納米尺度（1nm=10-9m），這個時候，導線里運動的電子將不再遵守物理定律中牛頓力學沿著導線運行，而是依照量子力學的規(guī)律表現(xiàn)出電子亂竄現(xiàn)象，進而造成芯片沒有辦法正常工作：同樣，當芯片中晶體管的體積縮小到一定的臨界尺寸（約5nm）之后，晶體管也將會受到量子效應的干擾而表現(xiàn)出奇特的反常效應。

2.2 量子計算系統(tǒng)

量子計算思想的提出，最開始可以追溯到20世紀80年代。物理學家費曼RichardP.Feynman曾嘗試用傳統(tǒng)的電子計算機來模擬量子力學對象的行為。他碰到一個棘手的問題：量子力學系統(tǒng)對象的行為一般是難以理解也是難以求解的。例如光的干涉現(xiàn)象，在干涉的過程中，相互作用的光子每增加一個，有可能出現(xiàn)的情況就會多出一倍，也就是產(chǎn)生問題的規(guī)模會呈指數(shù)級增加。模擬這樣的實驗所需要的計算量太大了。但是在費曼的眼里，這卻正好提供了一個契機。只要在計算機的運行過程中，允許它在真實的量子力學系統(tǒng)對象上完成實驗，并將實驗的結果整合到計算中去，就能獲得遠遠超出傳統(tǒng)計算機的運算速度。量子計算的產(chǎn)生，徹底的打破了這種認識和創(chuàng)新規(guī)律。它主要是建立在量子力學實驗在現(xiàn)實世界的不可計算性之上的。嘗試利用一個實驗來替代一系列繁冗的運算。電子計算機與互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，很大程度加強了人類的整體科研能力。因此量子計算的出現(xiàn)，會給人類帶來愈加強大的科研能力與思考能力。不僅僅如此，量子計算會更進一步揭示出計算的本質，把人類對計算實質的認識從牛頓世界中擴展到量子世界中。

3 理論計算機科學與提速

理論研究科學不僅有深遠的科學意義，同時研究科學的應用功能也十分豐富，也是計算機科學的基礎的組成部分。在國際上一直很受重視，但相對來說在國內卻是很多人不太了解的部分。直到2004年，計算機理論學界的大師姚期智從執(zhí)教多年的普林斯頓大學回到清華大學的時候，理論研究科學才算剛剛開始起步。微軟的亞洲研究院院長沈向洋則認為，從科研的角度來說，理論就相當于最底層的基礎支撐。理論資源的豐富性、深度性、堅實性會使基礎研發(fā)走得越來越快越來越遠。他認為對于微軟的亞洲研究院來說，促進區(qū)域的整體科研實力提高是他們的重要使命之一。理論研究組的創(chuàng)建，除了給研究院其他部門的研究還有微軟產(chǎn)品的開發(fā)研制打下堅實的理論基礎。除了進一步的促進研究院的發(fā)展與創(chuàng)新之外，還希望能夠與清華大學等高級科研院所一起促進理論計算科學在中國的研究和發(fā)展。

4 理論計算機科學應用案例

4.1 精益研發(fā)

精益研發(fā)方針的傳統(tǒng)的產(chǎn)品工程策略中，會犧牲產(chǎn)品的技術含量而追求成本最低，要么就要增加成本而追求高技術含量，產(chǎn)品的特性在BAC弧線上移動（見圖1，該弧線半徑表示競爭力），顯然這種移動不可以顯著提升產(chǎn)品的競爭力。如需要將半徑擴大，精益策略則是最有效的策略。

圖1 傳統(tǒng)策略與精益策略比較

通過精益生產(chǎn)措施（沿著AE射線水平行進），可以大幅度降低產(chǎn)品的成本，但不降低產(chǎn)品技術含量。可以比同類產(chǎn)品具有更低的價格，但是仍然不賠錢，在不顯著增加產(chǎn)品成本的前提下，可以提高產(chǎn)品的品質和技術含量，從而提升產(chǎn)品價值，達到提高競爭力的目的。精益研發(fā)相對于生產(chǎn)來說，具有更大的空間加強企業(yè)競爭力。因此，精益策略獲得的產(chǎn)品屬性曲線EF是橢圓弧，技術軸是長軸。精益研發(fā)技術工程技術創(chuàng)新及質量管理技術是精益研發(fā)中的主要技術，在產(chǎn)品進化歷程中，分別具有各自的價值。工程仿真，通過定量分析技術驅動產(chǎn)品研發(fā)，對企業(yè)產(chǎn)品提供具有改善意義的優(yōu)化方案；技術創(chuàng)新，通過定性分析技術拓展研發(fā)思維，對企業(yè)產(chǎn)品提供具有突破性的創(chuàng)新方案；質量管理，通過統(tǒng)計分析技術提升研發(fā)品質，將仿真技術和創(chuàng)新技術帶給產(chǎn)品的技術附加值變的更有價值。1.工程仿真，驅動產(chǎn)品研發(fā)工程仿真技術被稱為現(xiàn)代企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的“發(fā)動機”，可以通過精確的建模來模擬真實世界，幫助企業(yè)優(yōu)化產(chǎn)品性能，減少物理樣機及試驗，從概念（見圖2）。在產(chǎn)品研發(fā)流程中，越早采用仿真技術，越能發(fā)揮仿真技術的優(yōu)化作用，對研發(fā)的驅動作用效果越好。

在工程實踐中對仿真技術的需求千差萬別，使得仿真技術百花齊放，按照不同物理場發(fā)展出許多適用于所有行業(yè)的通用仿真體系，如機械仿真、流體仿真和電磁仿真等，還有許多為不同行業(yè)定制開發(fā)的專用軟件。另外，高性能計算、多場耦合及協(xié)同仿真作為工程仿真技術發(fā)展的三個重要方向，值得關注。

圖2 仿真驅動產(chǎn)品研發(fā)

4.2 協(xié)同仿真研發(fā)創(chuàng)新與優(yōu)化

協(xié)同仿真研發(fā)信息化技術發(fā)展的一大特點主張將企業(yè)離散的仿真技術、流程、數(shù)據(jù)和知識綜合起來，形成協(xié)同優(yōu)勢，支持復雜產(chǎn)品的創(chuàng)新與優(yōu)化。同時利用知識工程手段，降低仿真門檻，讓新手更快地進入高產(chǎn)能狀態(tài)。利用協(xié)同手段，將仿真納入企業(yè)的協(xié)同大環(huán)境，讓更多的人因仿真技術而受益。

圖3是研發(fā)的協(xié)同仿真平臺PERA.Simulation的架構。其中包含仿真流程集成（Workflow）、仿真技術集成（CAXMan）、仿真數(shù)據(jù)管理（DataMan）、仿真知識管理（KnowleMan）及多學科優(yōu)化（MDOMan）等模塊。

圖3 PERA.Simulation技術架構

5 理論計算機科學研究的機會和挑戰(zhàn)

理論計算機科學要怎樣才可以做出一些突破性的研究，讓中國理論科學的研究更進一步，姚期智院士舉了兩個例子：

（1）有些問題屬于效率問題，比如互聯(lián)網(wǎng)的信息搜索就能有利于理論計算機科學的快速發(fā)展?；ヂ?lián)網(wǎng)是一個非常大的圖形，在這個圖形內所做的事情，基本上都是理論計算科學所涵蓋的問題。要是能在算法上實行改進的話，就可以在科學技術、時間長短、商業(yè)利益上獲得十分顯著的效果，進而得到強大的效益。

（2）有些問題不僅僅是效率問題，而是是否夠做到的問題。比如安全問題，過去30年的研究表明，大家公認在信息安全和網(wǎng)絡安全這部分，沒有一個足夠好的理論架構與基礎可以做到完全避免黑客的攻擊。所以，一定要在理論科學發(fā)展的基礎上確保各種各樣的信息的安全，以后可能會從兩個方面來解決摩爾定律的極限問題，一方面就是計算機的硬件比如說量子計算機，另外一方面則是計算機軟件。

6 結束語

不管量子計算科學的實質是否會被發(fā)現(xiàn)，也無法阻礙量子計算科學時代的到來。量子計算是計算科學歷史上一次嶄新的革命，也許很多困擾人類很久的問題，都將會伴隨著量子計算工具的快速發(fā)展而得到解決，它將理論計算科學從牛頓時代向量子時代過渡，同時也會給人類文明產(chǎn)生更加深遠的影響。要是我們使用最好的方法，編寫的軟件程序可以比現(xiàn)在更加有效率的話，計算能力的本身就可以幫我們做很多現(xiàn)在我們無法做到的事情。

[1]盧森森，沙棘.計算機發(fā)展的思考[J].（科教縱橫），2010（9）：1.

[2]張曉麗.對計算科學和計算機發(fā)展的思考山西煤炭管理[J].學院學報，2009（5）：08～09.

[3]方 潔.對計算科學和計算機發(fā)展的思考[J].科技資訊，2009（8）：12～13.

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2016－8－20