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        對計算科學(xué)與計算機(jī)發(fā)展的若干思考

        2017-03-15 16:42:06朱景芝江淼
        科學(xué)與財富 2017年3期
        關(guān)鍵詞:計算科學(xué)

        朱景芝++江淼

        摘 要:所謂計算科學(xué),就是對描述和變換信息的一種算法過程。里面包括理論、分析、設(shè)計、效率分析、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的系統(tǒng)研究。從世界上第一臺計算機(jī)產(chǎn)生至今,計算機(jī)的應(yīng)用不斷拓展,類型不斷分化。不可否認(rèn),計算機(jī)技術(shù)正朝著巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向飛速發(fā)展,在不久的將來,還會有更新技術(shù)會融入到計算機(jī)的發(fā)展歷程。筆者通過多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),對計算科學(xué)和計算機(jī)發(fā)展的歷程進(jìn)行了探析研究,希望能夠?qū)Ω魑煌视兴鶐椭?/p>

        關(guān)鍵詞:計算;科學(xué);計算機(jī)發(fā)展

        一、計算的定義

        了解一個事物,先從定義著手?;\統(tǒng)地說,所謂的計算,就是從一個符號串f 變換成另一個符號串g 。比方說, 從符號串2 + 3 變換成5, 就是一個簡單的加法計算。如果符號串f 是x2,而符號串g 是2x,從f 到g 的計算就是常見的微分。

        算式計算是這樣,定理證明也不例外。如果 令f 表示一組公理和推導(dǎo)規(guī)則, 令g 是一個定理, 那么從f 到g 的一系列變換就是定理g的證明。由此可以得出推論, 文字的翻譯,也是一種變相的計算。比如說,如f代表英文句子, 而g 為y意思相等的中文句子, 那么從f 到g ,就是把英文翻譯成中文的過程。

        不難發(fā)現(xiàn),這些變換間的過程,就是我們常說的計算。在這個過程中,它們都有共同的特點(diǎn),從己知符號( 串) 開始,有序改變成符號( 串) , 經(jīng)過幾個步驟以后, 最終得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號( 串) 的變換過程。

        如果從類型進(jìn)行, 計算主要有數(shù)值計算和符號推導(dǎo)這兩類。其中,數(shù)值計算包括實(shí)數(shù)和函數(shù)的加減乘除、開方運(yùn)算、方程的求解等情況。而符號推導(dǎo)則涵蓋了代數(shù)與各種函數(shù)的恒等式、幾何命題的證明等。

        但是,有一定需要注意的是,無論是數(shù)值計算,抑或符號推導(dǎo),二者之間在本質(zhì)上是等價的、對等的, 它們相輔相成,相得益彰, 可以實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化, 同時還具有共同的計算本質(zhì)。當(dāng)然,隨著科學(xué)不斷進(jìn)步發(fā)展,也許,不久的將來,還可能出現(xiàn)嶄新的的計算類型。

        二、計算的歷史

        人類文明,不斷發(fā)展進(jìn)步。在開始生產(chǎn)生活的遠(yuǎn)古時期,便與計算結(jié)下了不解之緣。為了更好讓計算服務(wù)生活,人們發(fā)揮自己的聰明才智,不斷探索計算的工具。因此,計算和計算工具是息息相關(guān)的,更是一脈相承的。

        公元前5世紀(jì)的時候,炎黃子孫已經(jīng)學(xué)會用籌碼當(dāng)做日常工具。并在公元前3世紀(jì)普及下來,一直沿用了兩千多年。再后來,人們發(fā)明了算盤,更加便捷的為生活提供服務(wù)。在15世紀(jì)的時候,取代了算籌的地位,得到了大力推廣。經(jīng)過一代代人的智慧結(jié)晶,還羅列了很多算法口訣化,大大提高了計算速度。

        三、計算系統(tǒng)的近代史

        到了近代,隨著科學(xué)的不斷發(fā)展,大大提高了計算工具的發(fā)展速度和計算效率、早在1614年的時候,就已經(jīng)發(fā)明了對數(shù),從此,乘除運(yùn)算,可以巧妙的轉(zhuǎn)化為加減運(yùn)算。在這個時候,發(fā)明設(shè)計了一個重要的計算輔助工具:對數(shù)計算尺。到了1620年,岡特最早利用對算計算尺來計算乘除,開創(chuàng)了計算的先河。

        創(chuàng)意無極限,1642年,帕斯卡發(fā)明了加法器,1671年,萊布尼茨發(fā)明了手搖計算器,到了1850年,曼南在計算尺上嘗試裝上了光標(biāo),此舉便捷高效,得到了科學(xué)工作者,尤其是工程技術(shù)專業(yè)人員的認(rèn)可和贊同。后來,機(jī)械式計算器通計算尺一同發(fā)明,并得到應(yīng)用,在計算工具的發(fā)展史上,具有里程碑的重要意義。

        四、電動計算機(jī)問世

        1834年,英國科學(xué)家巴蓓奇設(shè)計了一款完全由程序掌握控制的分析機(jī),令人遺憾的是,由于當(dāng)時的機(jī)械技術(shù)能力有限,一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)由于技術(shù)問題,最終成為泡影。雖然胎死腹中,但是,巴蓓奇的理念中,已經(jīng)涵蓋了現(xiàn)代計算的基本框架和中心思想。

        隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展,在很長一段時間內(nèi),電動式計算器,正在逐步取代人工式計算器。在1941年,德國科學(xué)家楚澤發(fā)明了繼電器,制造出世界上第一步過程控制計算器。至此,巴蓓奇在一百多年前的構(gòu)想,得以最終實(shí)施。

        五、電子計算機(jī)改變了世界

        20世紀(jì)初,電子管的出現(xiàn),猶如一聲春雷,促使計算機(jī)的改革,實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。在1946年,美利堅合眾國的賓夕法尼亞大學(xué)與有關(guān)單位聯(lián)合在一起,支撐了第一臺電子計算機(jī)。隨著它的面世,人類的計算進(jìn)入了一個嶄新的時代。毫不夸張的說,電子計算機(jī)的出現(xiàn),堪稱20世界最偉大、為實(shí)用、最具有歷史意義的重要發(fā)明之一。它的面世,當(dāng)仁不讓的摘走了最具影響力的現(xiàn)代工具的桂冠。

        就在電子計算機(jī)飛速發(fā)展的時候, 因特爾公司的創(chuàng)始人戈登·摩爾高瞻遠(yuǎn)矚,對電子計算機(jī)產(chǎn)業(yè)所依賴的半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展作出大膽預(yù)測預(yù): 今后,半導(dǎo)體芯片的集成度將每兩年翻一番。事實(shí)證明, 戈登·摩爾的預(yù)測完全正確。自2 0 世紀(jì)6 0 年代以后,半導(dǎo)體芯片的集成度和電子計算機(jī)的計算速度就呈現(xiàn)了飛速發(fā)展的模式,每18個月就要翻一番, 需求越來越多,成本卻越來越低。這種獨(dú)具特色的發(fā)展速度,就是有名的“摩爾定律”。

        六、計算是否有極限

        追求永無止境,電子計算機(jī)的發(fā)展也不例外。人類能不能把計算機(jī)的運(yùn)行速度再次提升? 傳統(tǒng)計算機(jī)的計算能力何時才會到達(dá)極限? 對于這個問題, 很多科學(xué)家在進(jìn)行嚴(yán)密、謹(jǐn)慎的討論后,最終給出的答案是否定。因?yàn)橛幸粋€不能忽視的問題擺在那里,如果計算機(jī)的計算能力無限飛躍, 把地球上全部的能量轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果,就會造成熵的降低。無限發(fā)展的運(yùn)動,在哲學(xué)界里,是被禁止的, 所以, 傳統(tǒng)電子計算機(jī)的計算能力,不可能永遠(yuǎn)前進(jìn),必須要有一個屬于計算機(jī)自身的必上限。

        對于計算機(jī)的上限問題,無數(shù)哲學(xué)家和科學(xué)家的觀點(diǎn)出奇的一致。他們認(rèn)為:最多到21世紀(jì)30年代,摩爾定律將不再適用郁計算機(jī)的發(fā)展。到那個時候,計算機(jī)將達(dá)到自身的歷史峰值,并逐步走下神壇。

        哈佛大學(xué)終身教授、著名科學(xué)家威爾遜教授曾經(jīng)說過: “我們所追尋的科學(xué),始終代表著一個時代最大膽、最瘋狂的猜想。盡管它純粹是人為的,但我們有理由相信, 通過追尋“夢想,發(fā)現(xiàn),解釋,夢想”的不斷循環(huán), 我們完全可以開拓一個個全新的領(lǐng)域, 世界在大家的共同努力下,最終會變得更加清晰, 我們最終會探索到宇宙的奧秘。所有的美妙,都有存在的目的和意義?!?

        七、難以求解的量子計算系統(tǒng)

        20世紀(jì)80年代,量子計算初具規(guī)模。著名物理學(xué)家費(fèi)曼在進(jìn)行計算試驗(yàn)的時候,嘗試用傳統(tǒng)的電子計算機(jī),去模擬量子力學(xué)。在實(shí)驗(yàn)的過程中,費(fèi)曼遇到一個問題:量子力學(xué)系統(tǒng)的行為。通常是難以理解,也是難以求解。

        比如,以光的干涉現(xiàn)象為例,在這個干涉過程中,每增加一個相互作用的光子, 有可能產(chǎn)生的狀況就會多出翻一番,問題的規(guī)模會呈指數(shù)級增加。當(dāng)然,模擬光子的實(shí)驗(yàn),所需的計算量實(shí)在太大了,一般人很難堅持下去??上В龅降氖菆?zhí)著的費(fèi)曼, 在他眼里,眼前的困難,正好提供一個鉆研的契機(jī)。費(fèi)曼一直認(rèn)為, 量子力學(xué)系統(tǒng)的行為,自身具備良好的可預(yù)測性: 在干涉實(shí)驗(yàn)中, 只要給定初始條件, 就可以推測出屏幕上影子的形狀。通過不斷的模擬實(shí)驗(yàn),費(fèi)曼做出判斷:如果能夠算出干涉實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象,就必須完成大量的計算, 那么只要搭建這樣一個實(shí)驗(yàn), 就能測量其結(jié)果, 無形當(dāng)中,潛移默化的完成了一個復(fù)雜的計算。所以, 在計算機(jī)運(yùn)行的過程中, 只要讓它在真實(shí)的量子力學(xué)對象上完成實(shí)驗(yàn), 并把實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合到計算中來, 就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計算機(jī)的運(yùn)算速度。

        八、量子計算的革命性思考

        回顧人類計算工具的發(fā)展歷程, 從最初的木棒、石塊到珠盤, 經(jīng)過電子管計算機(jī)、 晶體管計算機(jī)的演化,到現(xiàn)在的普及的電子計算機(jī), 再進(jìn)化到到量子計算。筆者發(fā)現(xiàn),當(dāng)中的進(jìn)化過程,就像浩瀚的人類文明史,有很多值得深思的地方。

        首先,遠(yuǎn)古時期,人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以輔助計算, 開始摸索,嘗試。到后來,發(fā)明了算盤, 來提升人們的計算效率。后來,聰明的人類發(fā)現(xiàn),不僅的雙人手可以撥弄“算珠”, 機(jī)器也可以用來讓“算珠”自主運(yùn)動, 而且效率更高, 速度更快,更能解放生產(chǎn)力。隨后, 人們用繼電器替代了純機(jī)械, 最后用電子取代了繼電器。就在科學(xué)家不斷改進(jìn)計算工具的時候,數(shù)學(xué)家們開始對計算的本質(zhì)展開了探究。

        總結(jié)

        筆者通過回顧計算科學(xué)的發(fā)展史,發(fā)現(xiàn)璀璨的人類文明正在不斷進(jìn)步,不斷提高。他們的探索和發(fā)現(xiàn),已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界、認(rèn)知真理、探索人生的最有權(quán)威的“ 公理”, 而且這個公理系統(tǒng)還在不斷的擴(kuò)大,在擴(kuò)大的過程中,我們不斷發(fā)現(xiàn)問題,不斷解決問題,不斷摸索計算的科學(xué)規(guī)律。

        當(dāng)然,無論量子計算的本質(zhì)最終是否會被發(fā)現(xiàn),都不會阻止量子計算時代的到來?;仡欉@段歷史,不難發(fā)現(xiàn),量子計算是計算科學(xué)本身的一次全新的革命, 在不久的將來,我們可以大膽想象,很多困擾人類的問題,?將會隨著量子計算機(jī)工具的不斷發(fā)展,問題迎刃而解, 它將“計算科學(xué)”從牛頓時代引向量子時代, 并會給人類文明帶來更加深遠(yuǎn)、厚重的歷史影響。

        作者簡介:朱景芝(1979年4月),女,河南商丘人,商丘工學(xué)院教師,本科,主要從事計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)研究。

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