CS教程 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教程

Chapter9

高級(jí)主題

CS,ZJU2/4/2023Overview高性能計(jì)算人工智能虛擬現(xiàn)實(shí)可計(jì)算理論自動(dòng)機(jī)理論停機(jī)問題計(jì)算復(fù)雜性2023/2/42計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)科學(xué)9.1高性能計(jì)算高性能計(jì)算HPC，HighPerformanceComputing高性能計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，旨在研究復(fù)雜體系結(jié)構(gòu)、算法和開發(fā)相關(guān)軟件，致力于開發(fā)高性能計(jì)算機(jī)。高性能計(jì)算主題之間的差異性的弱化——并沒有一個(gè)明顯的界線給這些主題進(jìn)行分類定義9.1.1并行計(jì)算并行計(jì)算（ParallelComputing）傳統(tǒng)意義上是指計(jì)算資源應(yīng)包括一臺(tái)配有多處理機(jī)（并行處理）的計(jì)算機(jī)具有超級(jí)計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這是獲得高性能計(jì)算的重要手段在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，并行計(jì)算幾乎就是HPC的代名詞并行計(jì)算1980年代，并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（多處理器同時(shí)對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行同一個(gè)操作）達(dá)到了鼎盛時(shí)期90年代，超大規(guī)模并行計(jì)算（MassivelyParallelProcessing，MPP）開始占主導(dǎo)地位對(duì)稱多處理器（SymmetricMulti-Processor，SMP）結(jié)構(gòu)的并行系統(tǒng)1993年成立的Top500機(jī)構(gòu)開始進(jìn)行全球高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)排名并行計(jì)算據(jù)2005年11月Top500公布的數(shù)據(jù)排名第一的BlueGene/L系統(tǒng)——IBM公司——處理速度達(dá)到280.6TFlop/s（每秒萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算），系統(tǒng)有131,072個(gè)處理器。我國(guó)曙光公司生產(chǎn)的曙光4000A超級(jí)計(jì)算機(jī)，在2004年Top500中躋身前十名，標(biāo)志著我國(guó)高性能計(jì)算進(jìn)入世界先進(jìn)水平中國(guó)聯(lián)想集團(tuán)生產(chǎn)的深騰6800高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也達(dá)到了10TFlop/s級(jí)2010年11月，中國(guó)天河-1A排名第一。9.1.2 分布式計(jì)算一個(gè)分布式系統(tǒng)是為解決單個(gè)問題而緊密結(jié)合在一起工作的多處理機(jī)的集合Or，一個(gè)分布式系統(tǒng)可能意味著一個(gè)由地理上分散的、各自獨(dú)立的計(jì)算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)，這些計(jì)算機(jī)連接在一起以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同資源的共享分布式系統(tǒng)：邏輯或物理分布的部件或機(jī)器，以網(wǎng)絡(luò)連接的形式組成的一個(gè)（計(jì)算機(jī)）系統(tǒng)并行意義的根本是將兩臺(tái)以上的機(jī)器（處理器）連接起來(lái)解決一些計(jì)算問題9.1.3集群計(jì)算集群計(jì)算（ClusterComputing）也是基于并行系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的它作為并行計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中最為成功的集成和運(yùn)用，也是目前性價(jià)比最好的系統(tǒng)在2005年11月的Top500中，集群系統(tǒng)占到了70％以上集群系統(tǒng)集群系統(tǒng)——是以高速網(wǎng)絡(luò)（如光纜局域網(wǎng)）連接起來(lái)的高性能工作站或微機(jī)組成集群系統(tǒng)在運(yùn)行中像一個(gè)統(tǒng)一的整合資源，所有節(jié)點(diǎn)使用單一的界面本質(zhì)上說，集群是一種并行或者分布式系統(tǒng)集群的同義詞是工作站網(wǎng)絡(luò)（NetworkofWorkstation，NOW）9.1.4云計(jì)算云計(jì)算是一種基于因特網(wǎng)的計(jì)算方式。通過這種方式，共享的軟硬件資源和信息按需提供給用戶。云的基本概念是：通過網(wǎng)絡(luò)將龐大的計(jì)算處理程序自動(dòng)拆分成無(wú)數(shù)個(gè)較小的子程序，再由多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)搜索、計(jì)算、分析之后將處理結(jié)果回傳給用戶。人工智能ArtificialIntelligence，AI，也叫智能計(jì)算計(jì)算機(jī)還不能具備人腦的思考能力，但模仿人的部分行為已經(jīng)取得進(jìn)展人工智能已經(jīng)被運(yùn)用在機(jī)器人、識(shí)別語(yǔ)音、疾病診斷以及語(yǔ)言翻譯等方面，如機(jī)器下棋人工智能作為計(jì)算機(jī)研究的重要領(lǐng)域，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的一個(gè)目標(biāo)除了計(jì)算機(jī)科學(xué)，人工智能還涉及到信息論、控制論、自動(dòng)化、仿生學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、數(shù)理邏輯、語(yǔ)言學(xué)、醫(yī)學(xué)和哲學(xué)等多門學(xué)科圖靈測(cè)試人工智能最基本的問題——“計(jì)算機(jī)能夠象人一樣思考嗎？圖靈測(cè)試——黑盒測(cè)試圖靈測(cè)試本身也被人提出了疑問——中國(guó)屋思考試驗(yàn)塞爾認(rèn)為：機(jī)器不能思考，它只是一個(gè)工具，符號(hào)識(shí)別不能夠滿足語(yǔ)義，只有大腦引起思考現(xiàn)在還沒有機(jī)器通過了圖靈測(cè)試，關(guān)于機(jī)器思考的爭(zhēng)論還在持續(xù)之中，但計(jì)算機(jī)科學(xué)家并沒有停止或者放棄對(duì)AI的研究，相反地這種爭(zhēng)論促進(jìn)了AI的研究進(jìn)展推理：知識(shí)表達(dá)人工智能一直在研究計(jì)算機(jī)的推理能力解決問題需要有效信息，有效信息還需要有效表達(dá)計(jì)算機(jī)使用符號(hào)語(yǔ)言科學(xué)家們?cè)噲D在人類的自然語(yǔ)言和機(jī)器的符號(hào)處理之間找到一種關(guān)系，使得機(jī)器能夠具有人類的推理能力語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)是一種知識(shí)表達(dá)法——定義它非常困難相比語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)，搜索樹易于實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一種智能計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，它能像某一領(lǐng)域?qū)＜夷菢酉蛴脩籼峁┙鉀Q問題的方法專家系統(tǒng)有用編程語(yǔ)言創(chuàng)建的，更多的是使用專家系統(tǒng)工具創(chuàng)建專家系統(tǒng)——擁有的知識(shí)是主要是經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)知識(shí)工程——隨專家系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展而發(fā)展神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)善于處理大量的線性的、邏輯的過程，計(jì)算機(jī)被設(shè)計(jì)成按照順序處理信息人類的大腦包含了數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)元，它們?cè)谝粋€(gè)龐大的、分布式的結(jié)構(gòu)中與其他神經(jīng)元發(fā)生聯(lián)系，在大多數(shù)感性的、創(chuàng)造性的活動(dòng)中，這種結(jié)構(gòu)賦予人腦獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)——人類的神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)生物神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)理的深入研究，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究開始興起神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人機(jī)器人（Robot）機(jī)器人——綜合了人和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人化的電子機(jī)械裝置對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境某種意義上說機(jī)器人是機(jī)器進(jìn)化過程的產(chǎn)物，是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備盡管機(jī)器人看起來(lái)很奇特，但它和一個(gè)普通計(jì)算機(jī)所采用的技術(shù)類似，它以嵌入式處理器充當(dāng)了“大腦”Robot機(jī)器人裝有所需要的傳感器視覺傳感器為機(jī)器人移動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)航接近覺系統(tǒng)機(jī)器人語(yǔ)言智能機(jī)器人——在研究階段自然語(yǔ)言處理語(yǔ)音識(shí)別自然語(yǔ)言理解語(yǔ)音合成最新的進(jìn)展：IBM公司的智能計(jì)算機(jī)“沃森”最困難的是自然語(yǔ)言的理解

自然語(yǔ)言特有的二義性理解單詞的意義需要根據(jù)上下文理解自然語(yǔ)言，人類需要依賴他們所具有的知識(shí)和聯(lián)想記憶力

自然語(yǔ)言理解需要進(jìn)行語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析和上下文分析自然語(yǔ)言處理研究的另一個(gè)方面是整個(gè)文件而不是一個(gè)句子——機(jī)器翻譯？2023/2/419計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)科學(xué)人工智能的研究困難圖靈機(jī)的啟示計(jì)算機(jī)博奕的困難自動(dòng)定理證明及其局限模式識(shí)別的困惑自動(dòng)程序設(shè)計(jì)的困難

2023/2/420計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)科學(xué)9.3

虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）或稱虛擬環(huán)境(VE)：由計(jì)算機(jī)生成的、使人具有身臨其境感覺的計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境，它是一種全新的人機(jī)交互系統(tǒng)。虛擬環(huán)境能對(duì)介入者——人產(chǎn)生各種感官刺激，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等，同時(shí)人能以自然方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互操作虛擬現(xiàn)實(shí)的概念模型可以看做“顯示／檢測(cè)”模型。顯示是指虛擬環(huán)境系統(tǒng)向用戶提供各種感官刺激信號(hào)，包括光、聲、力、嗅、味等各種刺激信號(hào)。檢測(cè)是指虛擬環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)視用戶的各種動(dòng)作，檢測(cè)并辨識(shí)用戶的視點(diǎn)變化，頭、手、肢體和身軀的動(dòng)作。2023/2/421計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)科學(xué)9.4可計(jì)算理論可計(jì)算函數(shù)哥德爾數(shù)阿克曼函數(shù)2023/2/422計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)科學(xué)9.5自動(dòng)機(jī)理論有限自動(dòng)機(jī)圖靈機(jī)細(xì)胞自動(dòng)機(jī)

2023/2/423計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)科學(xué)9.6停機(jī)問題停機(jī)問題：是否有那么一個(gè)程序T能夠預(yù)測(cè)任何一個(gè)程序的執(zhí)行是否會(huì)停機(jī)。結(jié)論：沒有一個(gè)程序T能夠測(cè)試用哥德爾數(shù)表示的程序是否會(huì)終止，也就是說，預(yù)測(cè)程序是否被終止是不可能的。

2023/2/424計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)科學(xué)9.7計(jì)算復(fù)雜性復(fù)雜性的度量定量描述算法的復(fù)雜程度完成計(jì)算（算法）所需要的時(shí)間和存儲(chǔ)器資源大O表示法：主要考慮其數(shù)量級(jí)