CS教程 計算機基礎(chǔ)教程

Chapter9

高級主題

CS,ZJU5/13/2024Overview高性能計算人工智能虛擬現(xiàn)實可計算理論自動機理論停機問題計算復(fù)雜性2024/5/132計算機基礎(chǔ)科學(xué)9.1高性能計算高性能計算HPC，HighPerformanceComputing高性能計算是計算機科學(xué)的一個分支，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)高性能計算機。高性能計算主題之間的差異性的弱化——并沒有一個明顯的界線給這些主題進(jìn)行分類定義9.1.1并行計算并行計算（ParallelComputing）傳統(tǒng)意義上是指計算資源應(yīng)包括一臺配有多處理機（并行處理）的計算機具有超級計算能力的計算機系統(tǒng)，這是獲得高性能計算的重要手段在過去很長一段時間內(nèi)，并行計算幾乎就是HPC的代名詞并行計算1980年代，并行計算機系統(tǒng)（多處理器同時對一組數(shù)據(jù)進(jìn)行同一個操作）達(dá)到了鼎盛時期90年代，超大規(guī)模并行計算（MassivelyParallelProcessing，MPP）開始占主導(dǎo)地位對稱多處理器（SymmetricMulti-Processor，SMP）結(jié)構(gòu)的并行系統(tǒng)1993年成立的Top500機構(gòu)開始進(jìn)行全球高性能計算機系統(tǒng)排名并行計算據(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（每秒萬億次浮點運算），系統(tǒng)有131,072個處理器。我國曙光公司生產(chǎn)的曙光4000A超級計算機，在2004年Top500中躋身前十名，標(biāo)志著我國高性能計算進(jìn)入世界先進(jìn)水平中國聯(lián)想集團生產(chǎn)的深騰6800高性能計算機系統(tǒng)也達(dá)到了10TFlop/s級2010年11月，中國天河-1A排名第一。9.1.2 分布式計算一個分布式系統(tǒng)是為解決單個問題而緊密結(jié)合在一起工作的多處理機的集合Or，一個分布式系統(tǒng)可能意味著一個由地理上分散的、各自獨立的計算機組成的網(wǎng)絡(luò)，這些計算機連接在一起以實現(xiàn)對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器，以網(wǎng)絡(luò)連接的形式組成的一個（計算機）系統(tǒng)并行意義的根本是將兩臺以上的機器（處理器）連接起來解決一些計算問題9.1.3集群計算集群計算（ClusterComputing）也是基于并行系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的它作為并行計算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在高性能計算機體系結(jié)構(gòu)中最為成功的集成和運用，也是目前性價比最好的系統(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)）連接起來的高性能工作站或微機組成集群系統(tǒng)在運行中像一個統(tǒng)一的整合資源，所有節(jié)點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云計算云計算是一種基于因特網(wǎng)的計算方式。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)將龐大的計算處理程序自動拆分成無數(shù)個較小的子程序，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，也叫智能計算計算機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)被運用在機器人、識別語音、疾病診斷以及語言翻譯等方面，如機器下棋人工智能作為計算機研究的重要領(lǐng)域，已經(jīng)成為計算機科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的一個目標(biāo)除了計算機科學(xué)，人工智能還涉及到信息論、控制論、自動化、仿生學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、數(shù)理邏輯、語言學(xué)、醫(yī)學(xué)和哲學(xué)等多門學(xué)科圖靈測試人工智能最基本的問題——“計算機能夠象人一樣思考嗎？圖靈測試——黑盒測試圖靈測試本身也被人提出了疑問——中國屋思考試驗塞爾認(rèn)為：機器不能思考，它只是一個工具，符號識別不能夠滿足語義，只有大腦引起思考現(xiàn)在還沒有機器通過了圖靈測試，關(guān)于機器思考的爭論還在持續(xù)之中，但計算機科學(xué)家并沒有停止或者放棄對AI的研究，相反地這種爭論促進(jìn)了AI的研究進(jìn)展推理：知識表達(dá)人工智能一直在研究計算機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)計算機使用符號語言科學(xué)家們試圖在人類的自然語言和機器的符號處理之間找到一種關(guān)系，使得機器能夠具有人類的推理能力語義網(wǎng)絡(luò)是一種知識表達(dá)法——定義它非常困難相比語義網(wǎng)絡(luò)，搜索樹易于實現(xiàn)專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一種智能計算機軟件系統(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)——擁有的知識是主要是經(jīng)驗性知識知識工程——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)計算機善于處理大量的線性的、邏輯的過程，計算機被設(shè)計成按照順序處理信息人類的大腦包含了數(shù)以億計的神經(jīng)元，它們在一個龐大的、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)造性的活動中，這種結(jié)構(gòu)賦予人腦獨一無二的優(yōu)勢——人類的神經(jīng)系統(tǒng)對生物神經(jīng)系統(tǒng)機理的深入研究，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究開始興起神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機器人機器人（Robot）機器人——綜合了人和機器特長的一種擬人化的電子機械裝置對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境某種意義上說機器人是機器進(jìn)化過程的產(chǎn)物，是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備盡管機器人看起來很奇特，但它和一個普通計算機所采用的技術(shù)類似，它以嵌入式處理器充當(dāng)了“大腦”Robot機器人裝有所需要的傳感器視覺傳感器為機器人移動進(jìn)行導(dǎo)航接近覺系統(tǒng)機器人語言智能機器人——在研究階段自然語言處理語音識別自然語言理解語音合成最新的進(jìn)展：IBM公司的智能計算機“沃森”最困難的是自然語言的理解

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

自然語言理解需要進(jìn)行語法分析、語義分析和上下文分析自然語言處理研究的另一個方面是整個文件而不是一個句子——機器翻譯？2024/5/1319計算機基礎(chǔ)科學(xué)人工智能的研究困難圖靈機的啟示計算機博奕的困難自動定理證明及其局限模式識別的困惑自動程序設(shè)計的困難

2024/5/1320計算機基礎(chǔ)科學(xué)9.3

虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實（VR）或稱虛擬環(huán)境(VE)：由計算機生成的、使人具有身臨其境感覺的計算機模擬環(huán)境，它是一種全新的人機交互系統(tǒng)。虛擬環(huán)境能對介入者——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)實的概念模型可以看做“顯示／檢測”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，包括光、聲、力、嗅、味等各種刺激信號。檢測是指虛擬環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)視用戶的各種動作，檢測并辨識用戶的視點變化，頭、手、肢體和身軀的動作。2024/5/1321計算機基礎(chǔ)科學(xué)9.4可計算理論可計算函數(shù)哥德爾數(shù)阿克曼函數(shù)2024/5/1322計算機基礎(chǔ)科學(xué)9.5自動機理論有限自動機圖靈機細(xì)胞自動機

2024/5/1323計算機基礎(chǔ)科學(xué)9.6停機問題停機問題：是否有那么一個程序T能夠預(yù)測任何一個程序的執(zhí)行是否會停機。結(jié)論：沒有一個程序T能夠測試用哥德爾數(shù)表示的程序是否會終止，也就是說，預(yù)測程序是否被終止是不可能的。

2024/5/1324計算機基礎(chǔ)科學(xué)9.7計算復(fù)雜性復(fù)雜性的度量定量描述算法的復(fù)雜程度完成計算（算法）所需要的時間和存儲器資源大O表示法：主要考慮其數(shù)量級而