凌智華

（廣西云龍招標(biāo)有限公司 廣西南寧 530012）

對于計(jì)算機(jī)科研提速及計(jì)算科學(xué)發(fā)展的分析

凌智華

（廣西云龍招標(biāo)有限公司 廣西南寧 530012）

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

計(jì)算科學(xué)；科研；計(jì)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(luò)科學(xué)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)信息搜索和挖掘等領(lǐng)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(yùn)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(jìn)一步的幫助。

1 計(jì)算的實(shí)質(zhì)和古代計(jì)算工具

從類型上來說，計(jì)算主要分為兩大類：數(shù)值計(jì)算與符號推導(dǎo)。伴隨著數(shù)學(xué)科學(xué)的不斷發(fā)展，在未來還可能會出現(xiàn)新的計(jì)算類型。在公元前5世紀(jì)的時候，中國人就早已開始用算籌當(dāng)作計(jì)算工具，并且在公元前3世紀(jì)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(jìn)行口訣化，從而使得計(jì)算速度加快了很多。

抽象來說，計(jì)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(yùn)算。如果符號串f是x2，且符號串g是2x，所以從f到g的計(jì)算就是微分。用定理證明推導(dǎo)也是如此，用f來表示一組公理與推導(dǎo)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(jì)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(diǎn)，為什么要把它們都叫做計(jì)算。因?yàn)?，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(yù)先規(guī)定的符號（串）的換算過程。

2 計(jì)算機(jī)科研提速介紹

2.1 摩爾定律和計(jì)算的極限

人類能否將電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度一直不斷地提升?傳統(tǒng)的電腦計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力如果需要進(jìn)一步提高，是否有極限?對于這個問題，專家們在實(shí)行嚴(yán)密的論證之后確定了否定答案。假如電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力永無止境的提高，最后地球上所有的能量都將轉(zhuǎn)換為的結(jié)果就會導(dǎo)致熵的降低，這種向低熵方向無限度的發(fā)展運(yùn)動是被哲學(xué)界所認(rèn)為不應(yīng)該發(fā)生的。因此，傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)的計(jì)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(xué)一直到21世紀(jì)30年代，芯片內(nèi)導(dǎo)線的寬度將生產(chǎn)到納米尺度（1nm=10-9m），這個時候，導(dǎo)線里運(yùn)動的電子將不再遵守物理定律中牛頓力學(xué)沿著導(dǎo)線運(yùn)行，而是依照量子力學(xué)的規(guī)律表現(xiàn)出電子亂竄現(xiàn)象，進(jìn)而造成芯片沒有辦法正常工作：同樣，當(dāng)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(yīng)的干擾而表現(xiàn)出奇特的反常效應(yīng)。

2.2 量子計(jì)算系統(tǒng)

量子計(jì)算思想的提出，最開始可以追溯到20世紀(jì)80年代。物理學(xué)家費(fèi)曼RichardP.Feynman曾嘗試用傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)來模擬量子力學(xué)對象的行為。他碰到一個棘手的問題：量子力學(xué)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(shí)驗(yàn)所需要的計(jì)算量太大了。但是在費(fèi)曼的眼里，這卻正好提供了一個契機(jī)。只要在計(jì)算機(jī)的運(yùn)行過程中，允許它在真實(shí)的量子力學(xué)系統(tǒng)對象上完成實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果整合到計(jì)算中去，就能獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。量子計(jì)算的產(chǎn)生，徹底的打破了這種認(rèn)識和創(chuàng)新規(guī)律。它主要是建立在量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)世界的不可計(jì)算性之上的。嘗試?yán)靡粋€實(shí)驗(yàn)來替代一系列繁冗的運(yùn)算。電子計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，很大程度加強(qiáng)了人類的整體科研能力。因此量子計(jì)算的出現(xiàn)，會給人類帶來愈加強(qiáng)大的科研能力與思考能力。不僅僅如此，量子計(jì)算會更進(jìn)一步揭示出計(jì)算的本質(zhì)，把人類對計(jì)算實(shí)質(zhì)的認(rèn)識從牛頓世界中擴(kuò)展到量子世界中。

3 理論計(jì)算機(jī)科學(xué)與提速

理論研究科學(xué)不僅有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義，同時研究科學(xué)的應(yīng)用功能也十分豐富，也是計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)的組成部分。在國際上一直很受重視，但相對來說在國內(nèi)卻是很多人不太了解的部分。直到2004年，計(jì)算機(jī)理論學(xué)界的大師姚期智從執(zhí)教多年的普林斯頓大學(xué)回到清華大學(xué)的時候，理論研究科學(xué)才算剛剛開始起步。微軟的亞洲研究院院長沈向洋則認(rèn)為，從科研的角度來說，理論就相當(dāng)于最底層的基礎(chǔ)支撐。理論資源的豐富性、深度性、堅(jiān)實(shí)性會使基礎(chǔ)研發(fā)走得越來越快越來越遠(yuǎn)。他認(rèn)為對于微軟的亞洲研究院來說，促進(jìn)區(qū)域的整體科研實(shí)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(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。除了進(jìn)一步的促進(jìn)研究院的發(fā)展與創(chuàng)新之外，還希望能夠與清華大學(xué)等高級科研院所一起促進(jìn)理論計(jì)算科學(xué)在中國的研究和發(fā)展。

4 理論計(jì)算機(jī)科學(xué)應(yīng)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(shù)含量而追求成本最低，要么就要增加成本而追求高技術(shù)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(kuò)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(jìn)），可以大幅度降低產(chǎn)品的成本，但不降低產(chǎn)品技術(shù)含量?？梢员韧惍a(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(zhì)和技術(shù)含量，從而提升產(chǎn)品價值，達(dá)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(qiáng)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(shù)軸是長軸。精益研發(fā)技術(shù)工程技術(shù)創(chuàng)新及質(zhì)量管理技術(shù)是精益研發(fā)中的主要技術(shù)，在產(chǎn)品進(jìn)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(shù)驅(qū)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(shù)創(chuàng)新，通過定性分析技術(shù)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(zhì)量管理，通過統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)提升研發(fā)品質(zhì)，將仿真技術(shù)和創(chuàng)新技術(shù)帶給產(chǎn)品的技術(shù)附加值變的更有價值。1.工程仿真，驅(qū)動產(chǎn)品研發(fā)工程仿真技術(shù)被稱為現(xiàn)代企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的“發(fā)動機(jī)”，可以通過精確的建模來模擬真實(shí)世界，幫助企業(yè)優(yōu)化產(chǎn)品性能，減少物理樣機(jī)及試驗(yàn)，從概念（見圖2）。在產(chǎn)品研發(fā)流程中，越早采用仿真技術(shù)，越能發(fā)揮仿真技術(shù)的優(yōu)化作用，對研發(fā)的驅(qū)動作用效果越好。

在工程實(shí)踐中對仿真技術(shù)的需求千差萬別，使得仿真技術(shù)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(jī)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(jì)算、多場耦合及協(xié)同仿真作為工程仿真技術(shù)發(fā)展的三個重要方向，值得關(guān)注。

圖2 仿真驅(qū)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(shù)發(fā)展的一大特點(diǎn)主張將企業(yè)離散的仿真技術(shù)、流程、數(shù)據(jù)和知識綜合起來，形成協(xié)同優(yōu)勢，支持復(fù)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(jìn)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(shù)而受益。

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

圖3 PERA.Simulation技術(shù)架構(gòu)

5 理論計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的機(jī)會和挑戰(zhàn)

理論計(jì)算機(jī)科學(xué)要怎樣才可以做出一些突破性的研究，讓中國理論科學(xué)的研究更進(jìn)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(jì)算機(jī)科學(xué)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(nèi)所做的事情，基本上都是理論計(jì)算科學(xué)所涵蓋的問題。要是能在算法上實(shí)行改進(jìn)的話，就可以在科學(xué)技術(shù)、時間長短、商業(yè)利益上獲得十分顯著的效果，進(jìn)而得到強(qiáng)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(rèn)在信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全這部分，沒有一個足夠好的理論架構(gòu)與基礎(chǔ)可以做到完全避免黑客的攻擊。所以，一定要在理論科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)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(jì)算機(jī)的硬件比如說量子計(jì)算機(jī)，另外一方面則是計(jì)算機(jī)軟件。

6 結(jié)束語

不管量子計(jì)算科學(xué)的實(shí)質(zhì)是否會被發(fā)現(xiàn)，也無法阻礙量子計(jì)算科學(xué)時代的到來。量子計(jì)算是計(jì)算科學(xué)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(jì)算工具的快速發(fā)展而得到解決，它將理論計(jì)算科學(xué)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(yuǎn)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(jì)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(jì)算機(jī)發(fā)展的思考[J].（科教縱橫），2010（9）：1.

[2]張曉麗.對計(jì)算科學(xué)和計(jì)算機(jī)發(fā)展的思考山西煤炭管理[J].學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（5）：08～09.

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

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1004-7344（2016）25-0279-02

2016－8－20