計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿?zé)狳c(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì).doc

計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿?zé)狳c(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)摘要:計(jì)算機(jī)科學(xué)圍繞信息、知識(shí)、智能等主題發(fā)展迅速。文章系統(tǒng)地介紹了信息處理、文字與自然語(yǔ)言的理解、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘；知識(shí)科學(xué)；人工智能、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究、遺傳算法、邏輯學(xué)等領(lǐng)域研究中前沿的若干問(wèn)題，并提出未來(lái)計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞:信息技術(shù) 知識(shí)科學(xué) 智能技術(shù) 發(fā)展趨勢(shì) 在短短的60年里，計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展至今，取得了巨人的成就。從觀念上改變了人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)，將人類社會(huì)帶入了信息時(shí)代。加速T人類社會(huì)的發(fā)展。在今天計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ髦胁豢苫蛉钡闹匾M成部分，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也將越來(lái)越多影響人類社會(huì)的進(jìn)步。1 計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿?zé)狳c(diǎn)近年來(lái)，計(jì)算機(jī)科學(xué)中前沿的問(wèn)題主要圍繞信息、知識(shí)、智能三大研究領(lǐng)域展開(kāi)討論。本文中所指的信息是指客觀事物的屬性。而知識(shí)不同于信息，它是人們對(duì)信息經(jīng)過(guò)大腦的加工與處理后，形成的規(guī)律、規(guī)則、方法及認(rèn)識(shí)。智能則是指大腦從歷史信息、知識(shí)的基礎(chǔ)之上形成的對(duì)現(xiàn)有信息、知識(shí)的推理、演繹、判斷的方法。根據(jù)研究分析表明，在三大研究領(lǐng)域中，主要有以下前沿?zé)狳c(diǎn)研究：(1)信息方面:信息處理、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)據(jù)挖掘、生物信息學(xué)。(2)知識(shí)方面：以知識(shí)科學(xué)與知識(shí)工程為主要研究的問(wèn)題。(3)智能方面：以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究,機(jī)器證明,人工智能與專家系統(tǒng),遺傳算法,代數(shù)邏輯學(xué)形成了本研究領(lǐng)域的主要特色。1.1 信息科學(xué) 1.1.1信息處理技術(shù)信息處理技術(shù)是當(dāng)今計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)，目前計(jì)算機(jī)處理的信息可分為符號(hào)和數(shù)據(jù)，因而一切要由計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象首先是符號(hào)化和數(shù)字化。信息科學(xué)正在形成和迅速發(fā)展，現(xiàn)在主要的研究課題集中在以下六個(gè)方面:(1)信息源理論和信息的獲取。主要研究自然信息源和社會(huì)信息源,以及從信息源提取信息的方法和技術(shù)。(2)信息的傳輸、存儲(chǔ)、檢索、轉(zhuǎn)化和處理。(3)信號(hào)的測(cè)量、分析、處理及顯示。(4)模式信息處理。研究對(duì)文字、聲音，圖像等信息的處理、分類和識(shí)別，研制機(jī)器圖像和語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)。(5)知識(shí)信息處理。研究知識(shí)的表示、獲取和應(yīng)用，建立具有推理和自動(dòng)解決問(wèn)題能力的知識(shí)信息處理系統(tǒng)，即專家系統(tǒng)。(6)決策和控制。在對(duì)信息的采集、分析、處理、識(shí)別和理解的基礎(chǔ)上作出判斷、決策或控制，從而建立各種控制系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。1.1.2數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是單一的數(shù)據(jù)資源，即以數(shù)據(jù)庫(kù)為中心，對(duì)事務(wù)處理、批處理到?jīng)Q策分析等各種類型的數(shù)據(jù)處理工作。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)操作提出了更高的要求，希望計(jì)算機(jī)能夠更多的參與數(shù)據(jù)分析與決策的制定等領(lǐng)域。數(shù)據(jù)庫(kù)處理可以大致劃分為兩大類:操作型處理和分析型處理(或信息型處理)。這種分離,劃清了數(shù)據(jù)處理的分析型環(huán)境與操作型環(huán)境之間的界限,從而由原來(lái)的以單一數(shù)據(jù)庫(kù)為中心的數(shù)據(jù)環(huán)境發(fā)展為一種體系化環(huán)境,因而產(chǎn)生了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。在這方面目前主要解決的前沿問(wèn)題有:(1)異構(gòu)數(shù)據(jù)的接口機(jī)制；(2)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的體系結(jié)構(gòu)問(wèn)題；(3)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)優(yōu)化問(wèn)題；(4)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中數(shù)據(jù)的獲取與整理；(5)歷史數(shù)據(jù)的提出和信息挖掘；(6)信息挖掘的方法學(xué)問(wèn)題；(7)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)模型。1.2 知識(shí)科學(xué)知識(shí)進(jìn)步是人類社會(huì)發(fā)展的永恒動(dòng)力,知識(shí)經(jīng)濟(jì)是推動(dòng)其他經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動(dòng)力，知識(shí)產(chǎn)權(quán)關(guān)系國(guó)家命運(yùn)?？梢?jiàn)知識(shí)在計(jì)算機(jī)科學(xué)中發(fā)展的重要意義。計(jì)算機(jī)科學(xué)雖然是一門(mén)剛剛興起的學(xué)科，但它與數(shù)學(xué)、邏輯學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)等關(guān)系相當(dāng)大。目前知識(shí)科學(xué)主要的研究領(lǐng)域表現(xiàn)在:(1)知識(shí)模型研究,常識(shí)性知識(shí)研究;(2)非規(guī)范知識(shí)研究,知識(shí)處理的數(shù)學(xué)理論;(3)知識(shí)獲取理論和技術(shù);(4)知識(shí)科學(xué)和軟件科學(xué);(5)基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)藝術(shù)。1.3智能處理技術(shù)1.3.1人工智能從第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生至今,其主要功能都是進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)處理。但隨著基于符號(hào)的運(yùn)算、推理邏輯的迅速發(fā)展和對(duì)人類大腦的思維形式的研究逐步清晰，人們開(kāi)始研制具有“智能”的計(jì)算機(jī)，這是人工智能的基本思想。人工智能(Artificial Intelligence,簡(jiǎn)稱AI)，是一門(mén)正在發(fā)展中的綜合性前沿學(xué)科，主要由計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、語(yǔ)言學(xué)等多個(gè)學(xué)科相互滲透發(fā)展而來(lái)，研究和應(yīng)用領(lǐng)域概括起來(lái)有以下六個(gè)方面：(1)問(wèn)題答疑； (2)語(yǔ)言、模式識(shí)別； (3)智能數(shù)據(jù)庫(kù)；(4)智能博奕；(5)智能機(jī)器人；(6)程序自動(dòng)設(shè)計(jì)。1.3.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network，簡(jiǎn)稱ANN)理論取得巨大的成果，其主要前沿研究方向與以下五個(gè)方面結(jié)合:(1)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與人工智能、專家系統(tǒng)的結(jié)合；(2)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊數(shù)學(xué)結(jié)合產(chǎn)生新的人工智能方法；(3)與計(jì)算機(jī)硬件結(jié)合產(chǎn)生神經(jīng)計(jì)算機(jī)；(4)符號(hào)化神經(jīng)計(jì)算和進(jìn)化計(jì)算；(5)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論。1.3.3遺傳算法遺傳算法是一門(mén)新興科學(xué)智能的計(jì)算方法。目前在遺傳算法中需要研究和解決的主要問(wèn)題有:(1)遺傳算法與其它人工智能的方法結(jié)合，如與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)等結(jié)合產(chǎn)生新的科學(xué)方法；(2)遺傳算法的并行理論、計(jì)算、程序設(shè)計(jì)問(wèn)題；(3)遺傳計(jì)算機(jī)、遺傳生物芯片的研究；(4)遺傳智能控制；(5)遺傳方法的應(yīng)用與推廣。1.3.4邏輯學(xué)代數(shù)邏輯學(xué)從經(jīng)典的二值邏輯,即真值取到0,1上的邏輯,發(fā)展到多值邏輯即真值取到0,1。包括經(jīng)典邏輯學(xué)的形式系統(tǒng)的建立，及命題邏輯、一階謂詞邏輯及其公理系統(tǒng)的建立,目前研究的熱點(diǎn)有以下幾方面：(1)建立在經(jīng)典邏輯上的推理方法； (2)多值邏輯上的推理方法；(3)基于格上的邏輯系統(tǒng)建立和推理方法等。這些計(jì)算機(jī)科學(xué)的眾多研究熱點(diǎn)在我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)、863計(jì)劃、攻關(guān)項(xiàng)目等均有較大的投入。這將使大量的科學(xué)研究者投入于這些前沿問(wèn)題的的攻克,可以想象這些問(wèn)題的解決將會(huì)給計(jì)算機(jī)科學(xué)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇,未來(lái)的計(jì)算機(jī)將會(huì)像人一樣去說(shuō)話、做事、發(fā)現(xiàn)和解決現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題,把人類社會(huì)生活方式帶向了另一境界。信息是計(jì)算機(jī)的源,知識(shí)是信息的模型,人工智能是知識(shí)挖掘的動(dòng)力，三者協(xié)調(diào)發(fā)展是非常必要的。2 計(jì)算機(jī)發(fā)展趨勢(shì)2.1智能化的超級(jí)計(jì)算機(jī)超高速計(jì)算機(jī)采用平行處理技術(shù)改進(jìn)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，可以使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行多條指令，或同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度。超級(jí)計(jì)算機(jī)通常是由成百數(shù)千甚至更多的處理器構(gòu)成，能完成普通計(jì)算機(jī)和服務(wù)器所不能計(jì)算的大型的復(fù)雜任務(wù)。從超級(jí)計(jì)算機(jī)獲得的數(shù)據(jù)分析和模擬成果，能推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域高精尖項(xiàng)目的研究與開(kāi)發(fā)，為我們的日常生活帶來(lái)更多的便利。2.2新型高性能計(jì)算機(jī)問(wèn)世隨著硅芯片技術(shù)的高速發(fā)展，硅技術(shù)越來(lái)越接近了其自身的物理發(fā)展極限。因此，迫切要求計(jì)算機(jī)從結(jié)構(gòu)變革，到器件與技術(shù)的革命這一系列的技術(shù)都要產(chǎn)生一次質(zhì)的飛躍才行。新型的量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)和納米計(jì)算機(jī)由此應(yīng)運(yùn)而生。2.2.1量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究，量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)是在量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，利用一種鏈狀分子聚合物的特性來(lái)表示開(kāi)與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來(lái)改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)。2.2.2光子計(jì)算機(jī)光子計(jì)算機(jī)是利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳輸及存儲(chǔ)。光子計(jì)算機(jī)即全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計(jì)算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速地并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。2.2.3分子計(jì)算機(jī)分子計(jì)算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算快、存儲(chǔ)量大。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。美國(guó)已研制出分子計(jì)算機(jī)分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬(wàn)分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。以色列科學(xué)家已經(jīng)研制出一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型分子計(jì)算機(jī)。預(yù)計(jì)20年后，分子計(jì)算機(jī)將進(jìn)人實(shí)用階段。2.2.4納米計(jì)算機(jī)納米計(jì)算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初迅速發(fā)展起來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品?，F(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子機(jī)械系統(tǒng)起步，把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。納米計(jì)算機(jī)體積小、造價(jià)低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計(jì)算機(jī)，推動(dòng)計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。綜上所述，計(jì)算機(jī)技術(shù)主要朝著三個(gè)方向發(fā)展：一是向“快”的方向。速度越來(lái)越快，性能越來(lái)越高，計(jì)算機(jī)的主頻越來(lái)越快。專用計(jì)算機(jī)的并行程度比通用機(jī)更高，并行計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是如何高效率地把大量計(jì)算機(jī)互相連接起來(lái)，即各處理機(jī)之間的高速通信，以及如何有效地管理成千上萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)使之協(xié)調(diào)工作，這就是并行計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)的功能。另一個(gè)方向就是向“廣”度方向發(fā)展，計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)無(wú)處不在，應(yīng)用范圍更加廣泛。近年來(lái)更明顯的趨勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)化與向各個(gè)領(lǐng)域的滲透，即在廣度上的發(fā)展開(kāi)拓。國(guó)外稱這種趨勢(shì)為普適計(jì)算或者叫無(wú)處不在的計(jì)算。未來(lái)計(jì)算機(jī)將存在于家中的各種電器中，到那時(shí)筆記本，書(shū)籍都將電子化、數(shù)字化。再過(guò)十幾、二十幾年，可能學(xué)生們上課用的將不再是教科書(shū)，而只是一個(gè)筆記本大小的計(jì)算機(jī)，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要方便地從中查到想要的資料。所以有人預(yù)言未來(lái)計(jì)算機(jī)也將成為最常用的日用品。第三個(gè)方向是向“深”度方向發(fā)展，即向信息的智能化發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)上有大量的信息，為了使這些信息轉(zhuǎn)變成所需要的知識(shí)，同時(shí)又具有更加友好的人機(jī)界面，計(jì)算機(jī)將具備更多的智能成分。未來(lái)計(jì)算機(jī)將具有多種感知能力及一定的思考能力。人們可以用自然語(yǔ)言、手寫(xiě)的文字，甚至可以用表情、手勢(shì)來(lái)與計(jì)算機(jī)溝通，使人機(jī)交流更加快捷。讓人能產(chǎn)生身臨其境感覺(jué)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是這一領(lǐng)域發(fā)展的集中體現(xiàn)。參考文獻(xiàn)1杜亞軍.計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿問(wèn)題綜述與評(píng)價(jià)J.四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2004.2劉永紅.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的發(fā)展與前沿問(wèn)題J.信息與控制,1999。3莫智文,舒蘭