未來計算機的發(fā)展趨勢9717

.未來計算機的發(fā)展趨勢目前，中間件技術已經發(fā)展成為企業(yè)應用的主流技術，如交易中間件、消息中間件、專有系統(tǒng)中間件、面向對象中間件、數(shù)據(jù)存取中間件、遠程調用中間件等。隨著計算機應用的廣泛和深入，又向計算機術本身提出了更高的要求。要起提高計算機的工作速度和存儲量，關鍵是實現(xiàn)更高的集成度。傳統(tǒng)的計算機的芯片是用半導體材料制成的，這在當時是最佳的選擇。但隨著集成的提高，它的弱點也日益顯現(xiàn)出來。專家們認識到，盡管隨著工藝的改進，集成電路的規(guī)模越來越大，但在單位面積上容納的元件有限的，在1毫米見的硅片上最多不能超過25萬個，并且它的散熱、防漏電等因素制約著集成電路的規(guī)模，現(xiàn)在的半導體芯片發(fā)展即將達到理論上的極限。因此，有人預測現(xiàn)行的計算機系統(tǒng)將在2010年遇到無法逾越的障礙。為此，世界各國研究人員正在加緊研究開發(fā)新一代計算機，從體系結構的變革到器件與技術革命都要產生一次量的乃至質的飛躍。計算機的發(fā)展趨勢表現(xiàn)為4種，即巨型化、微型化、網(wǎng)絡化和智能化。未來新一代的計算機可分為模糊、量子、超導、光子和DNA5種類型。1計算要的發(fā)展趨勢1）巨型化巨型化是指計算機速度更快、存儲容量更大、功能更強、可靠性更高的計算機。其運算能力一般在每秒百億次以上，存容量在幾百G字節(jié)以上。巨型計算機主要用于尖端科學技術和軍事國防系統(tǒng)的研究開發(fā)。巨型計算機的發(fā)展集中體現(xiàn)了計算機科學技術的發(fā)展水平。Word文檔.2）微型化微型化是指發(fā)展體積更小、功能更強、可靠性更高、攜帶更便、價格更便宜、適用圍更廣的計算機系統(tǒng)。因為微型機可滲透到諸如儀表、家用電器、導彈彈頭等中、小型機無法進入的領域，所以20世紀80年代以來發(fā)展異常迅速。預計微型機性在一起，今后將逐步發(fā)展到對存儲器、通道處理機、高速運算部件、圖形卡、聲卡的集成，進一步將系統(tǒng)的軟件固化，達到整個微型機系統(tǒng)的集成。3）網(wǎng)絡化網(wǎng)絡化是指利用通信技術，把分布在不同地點的計算機互聯(lián)起來，按照網(wǎng)絡協(xié)議相互通信，以達到所有用戶都可共軟件、硬件和數(shù)據(jù)資源的目的。目前計算機聯(lián)網(wǎng)已經非常普遍，但是計算機網(wǎng)絡化仍然有多工作要做。如網(wǎng)絡上資源雖多，利用卻并不便；聯(lián)網(wǎng)的計算機雖多，計算機特別是服務器的利用率并不高；網(wǎng)絡雖然便，但是卻不安全，等等。計算機網(wǎng)絡化在提供便、及時、可靠、安全、高效的信息服務面還有很多的工作要做。目前各國在開發(fā)三網(wǎng)合一的系統(tǒng)工程，即將計算機網(wǎng)、電信網(wǎng)和有線電視網(wǎng)合為一體。將來通過網(wǎng)絡能更好地傳送數(shù)據(jù)、文體資料、聲音、圖形和圖像，用戶可隨時隨地在全世界圍撥打可視和收看任意的電視和電影。4）智能化5）智能化是指讓計算機具有模擬人的感覺和思維過程的能力。智能計算機具有解決問題和邏輯推理的功能，以及知識處理和知識庫管理的功能等。人與計算機的聯(lián)系是通過智能接口，用文字、聲音、圖像等與計算機自然對話。智能化的研究領域很多，其中最有代表性的領域是專家系統(tǒng)和Word文檔.機器人。在21世紀，以計算機為基礎的人工智能技術將得到極大發(fā)展，各種智能機器人會大量出現(xiàn)，要使計算機能代替人類做更多的工作，就要使計算機有更接近人類的思維和智能。未來的計算機將能接受自然語言的命令，有視覺、聽覺和觸覺。將來的計算機可能不再有現(xiàn)在計算機這樣的外形，體系結構也會不同。目前已研制出的機器人有的可以代替人從事危險環(huán)境的勞動，有的能與人下棋寺，這都從本質上擴充了計算機的能，使計算機成為可以越來越多地替代人的思維活動和腦力勞動的電視。2未來新一代的計算機1）模糊計算機1956年，英國人查德創(chuàng)立了模糊信息理論。依照模糊理論，判斷問題不是以是、非兩種絕對的值或0與1兩種數(shù)碼來表示，而是取多值，如接近、幾乎、差不多及差得遠等模糊值來表示。用這種模糊的、不確切的判斷進行工程處理的計算機就是模糊計算機。模糊計算機是建立在模糊數(shù)學基礎上的計算機。模糊計算機除具有一般計算機的功能外，還具有學習、思考、判斷和對話的能發(fā)，可以立即辯識外界物體的形狀和特征，甚至可幫助人從事復雜技腦力勞動。日本科學家把模糊計算機應用地鐵管理上。日本東京以北320km的仙臺市的地鐵列車，在模糊計算機控制下，自1986年以來一直安全、平穩(wěn)地行駛著。車上的乘客可以必攀扶拉手吊帶，這是因為，在列車行進中模糊邏輯計算機芯片。此外，人們又把模糊計算機裝在吸塵器里，可以根據(jù)灰塵量以及地毯的厚實程度調整吸塵器的功率。模糊計算機還能用于地震災情判斷、疾病醫(yī)療診斷、發(fā)酵工程控特、海空導航巡視等多個面。Word文檔.2）生物計算機微電子技術和生物工程這兩項高科技的互相滲透，為研制生物計算機提供了可能。20世紀70年代以來，人們發(fā)現(xiàn)脫氧核酸（DNA）處在不同的狀態(tài)下，可產生有信息和無信息的變化。聯(lián)想到邏輯電路中的0與1、晶體管的導通或截止、電壓的高或低、脈沖信號的有或無等，激發(fā)了科學家們研制生物元件的靈感。1995年，來自各國的200多位有關專家共同探討了DNA計算機的可行性，認為生物計算機是以生物電子元件構建的計算機，而不是模仿生物大腦和神經系統(tǒng)息傳遞，處理等相關原理來設計的計算機。其生物電子元件是利用蛋白質具有的開關性，用蛋白質分子制成集成電路，形成質芯片、紅血素芯片等。利用DNA化學反應，通過和酶的相互作用可以使某基因代碼通過生物化學的反應轉變?yōu)榱硪环N基因代碼可以作為輸入數(shù)據(jù)，反應后的基因代碼可以作為運算結果。利用這一過程可以制成新型的生物計算機。科學家們認為生物計算機的發(fā)展可能要經歷一個較長的過程。3）光子計算機光子計算機是一種用光信號進行數(shù)字運算、信息存儲和處理的新型計算機，運用集成光路技術，把光開關、光存儲器等集成在一塊芯片上，再用光導纖維連接成計算機。1990年1月底，貝爾實驗室研制成第一臺光子計算機，盡管它的裝置奶粗糙，由激光器、透鏡、棱鏡等組成，只能用來計算。但是，它畢竟是光子計算機領域中的一大突破。正像忠心耿耿計算機的發(fā)展依賴于電子器件，尤其是集成光路一樣，光子計算機的發(fā)展也主要取決于光邏輯元件和光存儲元件，即集成光路的突破。近十年來CD-ROM光盤、VCD光盤和DVD光盤的接踵出現(xiàn)，是光存儲研究的巨大進展。網(wǎng)絡技術中的光纖信Word文檔.道和光轉換器技術已相當成熟。光子計算機的關鍵技術，即光存儲技術、光互聯(lián)網(wǎng)、光集成器件等面的研究都已取得突破性的進展，為光子計算機的研制、開發(fā)和應用奠定了基礎?，F(xiàn)在，全世界除了貝爾實驗室外，日本和德國的其他公司都投入巨資研制光了計算機，預計未來將出現(xiàn)更加先進的光子計算機。4）超導計算機1911年昂尼斯發(fā)現(xiàn)純汞在4.2K低溫下電阻變?yōu)榱愕某瑢КF(xiàn)象。超導線圈中的電流可以無損耗地流動。在計算機誕生之后，超導技術的發(fā)展使科學家們想到用超導材料來替代半導體制造計算機。早期的工作主要是延續(xù)傳統(tǒng)的半導體計算機的設計思路，只不過是將半導體材制備的邏輯門電路改為用超導體材料制備的邏輯門電路。從本質上講并沒有突破傳統(tǒng)計算機的設計構架，而且，在20世紀80年中代期以前，超導材料的超導臨界溫度僅在液氦溫區(qū)，實施超導計算機的計劃費用昂貴。然而，在1986年左右出現(xiàn)重大轉機，高溫超導體的發(fā)現(xiàn)使人們可以在液氦溫區(qū)獲得新型超導材料，于是超導計算機的研究又獲得了各面的廣泛重視。超導計算機具有超導邏輯電路和超導存儲器，運算速度是傳統(tǒng)計算機無法比擬的。所以，世界各國科學家都在研究超導計算機，但還有多技術難關有待突破。5）量子計算機現(xiàn)在放在我們面前的高速現(xiàn)代化的計算機處計算機的祖先“ENIAC”機相比并沒有什么本質的區(qū)別，盡管計算機體積已經變得更加小巧，而且執(zhí)行任務也非?？?，但是計算機的任務卻并沒有改變，即對二進制位0和1的編碼進行處理并解釋為計算結果。每個位的物理實現(xiàn)是通過一個肉眼可見的物理系統(tǒng)Word文檔.完成，例如從數(shù)字和字母到我們所用的鼠標或調制解調器的狀態(tài)等都可以用一系列我0和1的組合來代表。傳統(tǒng)計算機與量子計算機之間的區(qū)別是傳統(tǒng)計算機遵循著眾所知的經典物理規(guī)律，而量子計算機中，用‘量子位’來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子計算機的二進制位。二進制位只能用‘0’和‘1’兩個狀態(tài)表示信息，而量子位則用粒子的量子力學狀態(tài)來表示信息，兩個狀態(tài)可以在一個‘量子位’中并存。量子位即可以用與二進制位類似的‘0’和‘1’，也可以用這兩個狀態(tài)的組合來表示信息。正因如此，量子計算機被認為可以進行傳統(tǒng)電子計算機無法完成的復雜計算，其運算速度將是傳統(tǒng)電子計算機無法經擬的。最近，由年輕的華裔科學家艾薩克莊領銜的IBM公司科研小組向公眾展示了迄今最尖端的‘5比特量子計算機’。研究量子計算機的目的不是要用它來取代現(xiàn)有的計算機，而是要使計算的概念煥然一新，這是量子計算機與其他計算機，如光子計算機和生物計算機等的不同之處。目前關一量子計算機所應用的材料研究仍然是其中的一個基礎研究問題。1.１．５信息技術的發(fā)展信息社會的到來，給全球帶來了信息技術飛速發(fā)展的契機。半個多世紀以來，人類社會正由工業(yè)社會全面進入信息社會，其主要動力就是以計算機技術、通信技術和控制技術為核心的現(xiàn)代信息技術的飛速發(fā)展和廣泛應用?？v觀人類社會發(fā)展史和科學技術史，信息技術在眾多的科學技術群體中越來越顯示出強大的生命力。隨著科學技術的飛速發(fā)展，各種高新技術層出不窮，日新月異，但是最主要的、發(fā)展最快的仍然是信息技術。１數(shù)據(jù)與信息數(shù)值、文字、語言、圖形、圖像等都是不同形式的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是信息的載體。Word文檔.一般來說，信息即是對各種事物的變化和特征的反映，又是事物之間相互作用和聯(lián)系的表征。人通過接受信息來認識事物，從這個意義上來說，信息是一種知識，是接受者原來不了解的知識。信息同物質、能源一樣重要，是人類生存和社會發(fā)展的三大基本資源之一?？梢哉f信息不僅維系著社會的生存和發(fā)展，而且在不斷的推動著社會和經濟的發(fā)展。數(shù)據(jù)與信息的區(qū)別；數(shù)據(jù)處理之后產生的結果為信息，信息且有針對性、時效性。盡管人們在多場合把這兩個詞互換使用。信息有意義，而數(shù)據(jù)沒有。例如，當測量一個病人的體溫時，假定病人的體溫是３９`Ｃ，則寫在病歷上的３９`Ｃ實際上是數(shù)據(jù)。３９`Ｃ這個數(shù)據(jù)本身是沒有意義的；３９`Ｃ是什么意思?什么物質是３９Ｃ？但是，當數(shù)據(jù)以某種形式經過處理、描述或與其他數(shù)據(jù)比較時，便賦予了意義。例如，這個病人的體溫是３９`Ｃ，這才是信息，信息是有意義的。２信息技術隨著信息技術的發(fā)展，其涵也在不斷變化，因此至今仍沒有統(tǒng)一的定義。一般來說，信息采集、加工、存儲、傳輸和利用過程中的每一種技術都是信息技術，這是一種狹義的定義。在現(xiàn)代信息社會中，技術發(fā)展能夠導致虛擬現(xiàn)實的產生，信息本質也被改寫，一切可以用二進制進行編碼的東西都被稱為信息。因此，聯(lián)合國教科文組織對信息技術的定義是；應用在信息加工和處理中和科學、技術與工程的訓練法和管理技巧；上述面的技巧和應用；計算機及其與人、機的相互作用；與之相應的社會、經濟和文化等諸種事物。在這個目前世界圍較為統(tǒng)一的定義中，信息技術一般是指一系列與計算機等相關的技術。該定義側重于信息技術的應用，對信息技術可能對社會、科技、人們的日常生活產生的影響及其相互Word文檔.作用進行了廣泛的研究。信息技術不僅包括現(xiàn)代信息技術，還包括在現(xiàn)代文明之前的原始時人和古代社會中與那個時代相對應的信息技術。不能把信息技術等同為現(xiàn)代信息技術。３現(xiàn)代信息技術的容一般來說，信息技術（ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ,ＩＴ）包含三個層次的容；信息基礎技術、信息系統(tǒng)技術和信息應用技術。１）信息基礎技術信息基礎技術是信息技術的基礎，包括新材料、新能源、新器件的開發(fā)和制造技術。近見十年來，發(fā)展最快、應用最廣泛、對信息技術以及整個高科技領域的發(fā)展影響最大的是微電子技術和光電子技術。２）信息系統(tǒng)技術信息系統(tǒng)技術是指有關信息的獲取、傳輸、處理、控制的設備和系統(tǒng)的技術。感測技術、通信技術、計算機與智能技術和控制技術是它的核心和支撐技術。３）信息應用技術信息應用技術是針對種種實用目的，如由信息管理、信息控制、信息決策而發(fā)展起來的具體的技術群類，如工廠的自動化、辦公自動化、家庭自動化、人工智能和互聯(lián)能信技術等。它們是信息技術開發(fā)的根本目的的所在。信息技術在社會的各個領域得到廣泛的應用，顯示出強大的生命力?？v觀人類科技發(fā)展的歷程，還沒有一項技術像信息技術一樣對人類社會產生如此巨大的影響。Word文檔.４現(xiàn)代信息技術的特點展望未來，在社會生產力發(fā)展、人類認識和實踐活動的推動下，信息技術將才得到更深、更廣、更快的發(fā)展，其發(fā)展趨勢可以概括為數(shù)字化、多媒體化、高速化、網(wǎng)絡化、寬頻帶、智能化等。１）數(shù)字化當信息被數(shù)字化并經由數(shù)字網(wǎng)絡流通時，一個擁有無數(shù)可能性的全新世界是便由此揭開序幕。大量信息可以被壓縮，并以光速進行傳輸，數(shù)字傳輸?shù)钠焚|又比模擬傳輸?shù)钠焚|要好得多。多種信息形態(tài)能夠被結合、被創(chuàng)造，例如多媒體文件。無論在世界任的角落，都可以立即存儲和取用信息，這是即時存取了大部分人類文明進化的記錄。新的數(shù)字產品也將被制造出來，有些小巧得足以放進你的口袋里，有些則大得足以對商業(yè)和個人生活的各層面都造成重大影響。２）多媒體化隨著未來信息的發(fā)展，多媒體技術將文字、聲音、圖形、圖像、視頻等信息媒體與計算機集成一起，使計算機的應用由單純的文字處理進入文、圖、聲、影集成處理。隨著數(shù)字化技術的發(fā)展和成熟，以上每一種媒體都將被數(shù)字化并容納進多媒體的集合里，系統(tǒng)將信息整合在人們的日常生活中，以接近于人類的工作式和思考式來設計與操作。３）高速度、網(wǎng)絡化、寬頻帶目前，幾乎所有的都在進行最新一代的信息基礎建設，即建設寬頻高速公路。盡管今日的ＩＮＴＥＲＮＥＴ已經能夠傳輸多媒體信息，但仍然被認為是一條低容量頻寬的網(wǎng)絡路徑，被形象地稱為一條花園小徑。下Word文檔.一代的ＩＮＴＥＲＮＥＴ技術（ＩＮＴＥＲＮＥＴ２）的傳輸速率將可以達到２．４ＧＢ/S。實現(xiàn)寬帶的多媒體網(wǎng)絡是未來信息技術的發(fā)展趨勢之一。４）智能化直到今日，不僅是信息處理裝置本身幾乎沒有智慧，作為傳輸信息的網(wǎng)絡也幾乎沒有智能。對于大多數(shù)人而言，只是為了找有限的信息，卻要在網(wǎng)絡上耗費多時間。隨著未來信息技術向著智能的向發(fā)展，在超媒體的世界里，‘軟件代理’可以替我們在網(wǎng)絡上漫游?！浖怼辉傩枰獮g覽器，它本身就是信息的尋找器，它能夠收集任可能想要在網(wǎng)絡上獲取的信息。１.２數(shù)據(jù)在計算機中的表示計算機所表示和使用的數(shù)據(jù)可分為兩大類：數(shù)值數(shù)據(jù)和字符數(shù)據(jù)。數(shù)值數(shù)據(jù)用以表示量的大小、正負，如整數(shù)、小數(shù)等。字符數(shù)據(jù)也叫非數(shù)值數(shù)據(jù)，用以表示一些符號、標記，如漢字、圖形、聲音數(shù)也據(jù)屬非數(shù)值數(shù)。據(jù)任形式的數(shù)據(jù)，無論是數(shù)字、文字、圖形、圖像、聲音、視頻，進入計算機都必須進行二進制編碼轉換。１．２.１計算機采用二進制編碼ＥＮＩＡＣ計算機是一臺十進制的計算機，它采用十個真空管來表示一位十進制數(shù)。．諾依曼在研ＩＡＳ時，發(fā)覺這種十進制的表示和實現(xiàn)式十分麻煩，提出了二進制的表示法，從此改變了整個計算的發(fā)展歷史。二進制只有‘１’和‘０’兩個數(shù)，相對十進制面言，采用二進制表示不但運算簡單、易于物理實現(xiàn)、通用性強，更重要的優(yōu)點是所占用的空間和所消耗的能量要小得多，機器可靠性高。計算機部均用二進制數(shù)來表示各種信息，但計算機也外部交往仍采用人們熟悉和便于閱讀的形式，如十進制數(shù)據(jù)、文字顯示以及圖形描述等。其間的轉換，則由計算機系統(tǒng)的硬件和軟污染上來實現(xiàn)。轉換過程如圖１－３所示。Word文檔.１.２.２進位計數(shù)制日常生活中，我們使用的數(shù)據(jù)一般是十進制表示，而計算機中所有的數(shù)據(jù)都是使用二進制。但為了書便，也采用八進制或十六進制形式表示。下面介紹數(shù)制的基本概念。為了簡化分析，均以整數(shù)為例。如果數(shù)制只采用Ｒ個基本符號（例如：１，２――，Ｒ－１）表示數(shù)值則稱為Ｒ數(shù)制稱為‘數(shù)碼’。處于不同位置的代表的值不，與它所在位置的“權”值有關。表１－２給出了計算機中常用的幾種進位計數(shù)制。表１－２計算機中常用的幾種計數(shù)制的表示進位制基數(shù)基本符號形式表示二進制２８０，１２８ＢＯＤＨ八進制０，１，２，３，４，５，６，７十進制１００，１，２，３，４，５，６，７，８，９１０１十六進制１６０，１，２，３，４，５，６，７，８，９１６Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄ,Ｅ,Ｆ表１－２中十六進制的數(shù)字符號除了十進制中的１０個數(shù)字符號以外，還使用了６個英文字母：Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄ,Ｅ,Ｆ，它們分別等于十進制的１０，１１，１２，１３，１４，１５.Word文檔.在數(shù)制中有一個規(guī)則，就是Ｎ進制一定采用“逢Ｎ進一”的進位礁巖則。如十進制就是“逢十進一”，二進制說是“逢二進一”。１，２，３Ｒ進制轉換為十進制在我們熟悉的十進制系統(tǒng)中，９６５８還可以表示成如下的多藏匿項式形式：（９６５８）D＝９x10３+６x１０+５x１０+８x１００２１上式中的１０，１０，１０１０是各位數(shù)碼的權，可以看出，個３２１０位、十位、百位和千位上的數(shù)字只有乘上它們的權值，才能真正表示它的實際數(shù)值。基數(shù)為Ｒ的數(shù)字，要將Ｒ進制數(shù)按權開求和，這就實現(xiàn)了Ｒ進制對十進制的轉換。如：１.２.４十進制轉換為Ｒ進制將十進制轉換為Ｒ進制數(shù)時，可將此數(shù)分成整數(shù)與小數(shù)兩部分分別轉換，然后再拼接起來即可。將一個十進制整數(shù)轉換成Ｒ進制數(shù)采用“除Ｒ取整”法，即將十進制小數(shù)不斷乘以Ｒ取整數(shù)，直到小數(shù)部分為０或達到要求的精度為止（小數(shù)部分可能永遠不會得到０）；所得的整數(shù)從小數(shù)點自左往右排列，取有效精度，首次取得的整數(shù)排在最左邊。Word文檔.例：將十進制數(shù)２２５.８１２５轉換成二進制數(shù)。１.２.５八進制轉換為十六制二進制數(shù)非常適合計算機部數(shù)據(jù)的表示和運算，但書寫起來位數(shù)比較長，如表示一個十進制數(shù)１０２４，寫成等值的二進制數(shù)就需１１位，很不便，也不直觀。而八進制和十六進制數(shù)比等值的二進制數(shù)的長度短得多，而且它們之間轉換也非常便。因此在書寫程序數(shù)據(jù)用到十進制數(shù)的地，往往采用八進制數(shù)或十六進制數(shù)的形式。由于二進制、八進制和十六進制之間存在特殊關系：8=216=2,即13,14１位八進制數(shù)相當于３位二進制數(shù)，位十六進制數(shù)相當于４位二進制數(shù)，因此轉換法就比較容易，見表１－４根據(jù)這種對應關系，十進制數(shù)轉換成八進制數(shù)時，以小數(shù)點為中心向左右兩邊分組，每３務工一組，兩頭不足３位補０即可。同樣二進制數(shù)轉換成十六進制數(shù)只要４位為一組進行分組。例如：將二進制數(shù)１（０１０１０１１.１１０１０１）Ｂ轉換成八進制數(shù)。１.２.６計算機中的信息單位１．位（bit）位是度量數(shù)據(jù)的最小單位，在數(shù)字電路和電腦技術中采用二Word文檔.進制，代碼只有０和１，其中無論０還是１在ＣＰＵ中都是１位。２.字節(jié)一個字節(jié)由八位二進制數(shù)字組成（1Byte=8bit）。字節(jié)是信息組織和存儲的基本單位，也是計算機體系結構的基本單位。早期的計算機并無字節(jié)的概念。２０世紀５０年代中期，隨著計算機逐漸從單純用于