計算機科學前沿熱點及發(fā)展趨勢

1、計算機科學前沿熱點及發(fā)展趨勢摘要 : 計算機科學圍繞信息、知識、智能等主題發(fā)展迅速。文章系統(tǒng)地介紹了信息處理、 文字與自然語言的理解、 數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘； 知識科學； 人工智能、 人工神經(jīng)網(wǎng)絡的研究、 遺傳算法、邏輯學等領域研究中前沿的若干問題，并提出未來計算機科學的發(fā)展趨勢。關鍵詞 : 信息技術 知識科學 智能技術 發(fā)展趨勢在短短的 60 年里，計算機科學發(fā)展至今，取得了巨人的成就。從觀念上改變了人們對 世界的認識， 將人類社會帶入了信息時代。 加速 T 人類社會的發(fā)展。 在今天計算機科學技術 已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ髦胁豢苫蛉钡闹匾M成部分， 而計算機技術的發(fā)展也將越來越多 影響人類社會

2、的進步。1 計算機科學前沿熱點 近年來，計算機科學中前沿的問題主要圍繞信息、知識、智能三大研究領域展開討論。本文中所指的信息是指客觀事物的屬性。 而知識不同于信息， 它是人們對信息經(jīng)過大腦的加 工與處理后，形成的規(guī)律、規(guī)則、方法及認識。智能則是指大腦從歷史信息、知識的基礎之 上形成的對現(xiàn)有信息、知識的推理、演繹、判斷的方法。根據(jù)研究分析表明，在三大研究領域中，主要有以下前沿熱點研究：(1) 信息方面 : 信息處理、數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘、生物信息學。(2) 知識方面：以知識科學與知識工程為主要研究的問題。(3) 智能方面：以人工神經(jīng)網(wǎng)絡的研究 , 機器證明 ,人工智能與專家系統(tǒng) ,遺傳算法 ,代數(shù)

3、邏 輯學形成了本研究領域的主要特色。1.1 信息科學1.1.1 信息處理技術 信息處理技術是當今計算機科學發(fā)展的重點，目前計算機處理的信息可分為符號和數(shù)據(jù)，因而一切要由計算機處理的對象首先是符號化和數(shù)字化。 信息科學正在形成和迅速發(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信息源 , 以及從信息源提取信息的 方法和技術。(2) 信息的傳輸、存儲、檢索、轉化和處理。(3) 信號的測量、分析、處理及顯示。(4) 模式信息處理。研究對文字、聲音，圖像等信息的處理、分類和識別，研制機器圖像和 語音識別系統(tǒng)。(5) 知識信息處理。研究知識的表

4、示、獲取和應用，建立具有推理和自動解決問題能力的知 識信息處理系統(tǒng)，即專家系統(tǒng)。(6) 決策和控制。在對信息的采集、分析、處理、識別和理解的基礎上作出判斷、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)挖掘技術傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術是單一的數(shù)據(jù)資源， 即以數(shù)據(jù)庫為中心， 對事務處理、 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，隨著計算機技術的發(fā)展 , 對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)操作提 出了更高的要求， 希望計算機能夠更多的參與數(shù)據(jù)分析與決策的制定等領域。 數(shù)據(jù)庫處理可 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

5、析型環(huán)境與操作型環(huán)境之間的界限 , 從而由原來的以單一數(shù)據(jù)庫為中心的數(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。在這方面目前主要解決的前沿問題有 :(1) 異構數(shù)據(jù)的接口機制； (2) 數(shù)據(jù)倉庫的體系結構問題； (3) 數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)優(yōu)化問題； (4) 數(shù)據(jù)倉庫中數(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) 信息挖掘的方法學問題；(7) 數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)模型。1.2 知識科學 知識進步是人類社會發(fā)展的永恒動力 , 知識經(jīng)濟是推動其他經(jīng)濟發(fā)展的原動力，知識產(chǎn) 權關系國家命運。 可見知識在計算機科學中發(fā)展的重要意義。 計算機科學雖然是一門剛剛興 起的學科，但它與數(shù)

6、學、邏輯學、語言學、認知科學、心理學、哲學等關系相當大。目前知 識科學主要的研究領域表現(xiàn)在 :(1) 知識模型研究 , 常識性知識研究 ;(2) 非規(guī)范知識研究 , 知識處理的數(shù)學理論 ;(3) 知識獲取 理論和技術 ;(4) 知識科學和軟件科學 ;(5) 基于知識的計算機藝術。1.3 智能處理技術1.3.1 人工智能 從第一臺電子計算機誕生至今 , 其主要功能都是進行數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理。但隨著基于符號的運算、 推理邏輯的迅速發(fā)展和對人類大腦的思維形式的研究逐步清晰， 人們開始研制 具有“智能”的計算機，這是人工智能的基本思想。人工智能 (Artificial Intelligence, 簡稱

7、 AI) ，是一門正在發(fā)展中的綜合性前沿學科， 主要由計算機科學、控制論、信息論、神經(jīng)生理學、語言學等多個學科相互滲透發(fā)展而來， 研究和應用領域概括起來有以下六個方面：(1) 問題答疑； (2) 語言、模式識別； (3) 智能數(shù)據(jù)庫； (4) 智能博奕； (5) 智能機器人； (6) 程序自動設計。1.3.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡人工神經(jīng)網(wǎng)絡(Artificial Neural Network，簡稱 ANN理論取得巨大的成果，其主要前沿研究方向與以下五個方面結合 :(1) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡與人工智能、 專家系統(tǒng)的結合； (2) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊數(shù)學結合產(chǎn)生新的 人工智能方法； (3) 與計算機硬件結合產(chǎn)

8、生神經(jīng)計算機； (4) 符號化神經(jīng)計算和進化計算； (5) 神經(jīng)網(wǎng)絡控制理論。1.3.3 遺傳算法 遺傳算法是一門新興科學智能的計算方法。 目前在遺傳算法中需要研究和解決的主要問題有 :(1) 遺傳算法與其它人工智能的方法結合， 如與神經(jīng)網(wǎng)絡、 模糊數(shù)學等結合產(chǎn)生新的科 學方法； (2) 遺傳算法的并行理論、計算、程序設計問題； (3) 遺傳計算機、遺傳生物芯片的 研究； (4) 遺傳智能控制； (5) 遺傳方法的應用與推廣。1.3.4 邏輯學 代數(shù)邏輯學從經(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)典邏輯學的形式系統(tǒng)的建立，及命題邏輯、一階謂

9、詞邏輯及其公理系統(tǒng)的建 立, 目前研究的熱點有以下幾方面：(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。這些計算機科學的眾多研究熱點在我國國家自然科學、 863 計劃、攻關項目等均有較大 的投入。這將使大量的科學研究者投入于這些前沿問題的的攻克,可以想象這些問題的解決將會給計算機科學帶來新的發(fā)展機遇 , 未來的計算機將會像人一樣去說話、做事、發(fā)現(xiàn)和解 決現(xiàn)實生活中的問題 ,把人類社會生活方式帶向了另一境界。 信息是計算機的源 , 知識是信息 的模型 ,人工智能是知識挖掘的動力，三者協(xié)調(diào)發(fā)展是非常必要的。2 計算機發(fā)展趨勢2.

10、1 智能化的超級計算機 超高速計算機采用平行處理技術改進計算機結構，可以使計算機系統(tǒng)同時執(zhí)行多條指令，或同時對多個數(shù)據(jù)進行處理， 進一步提高計算機運行速度。 超級計算機通常是由成百數(shù) 千甚至更多的處理器構成， 能完成普通計算機和服務器所不能計算的大型的復雜任務。 從超 級計算機獲得的數(shù)據(jù)分析和模擬成果， 能推動各個領域高精尖項目的研究與開發(fā)， 為我們的 日常生活帶來更多的便利。2.2 新型高性能計算機問世 隨著硅芯片技術的高速發(fā)展， 硅技術越來越接近了其自身的物理發(fā)展極限。 因此， 迫切 要求計算機從結構變革，到器件與技術的革命這一系列的技術都要產(chǎn)生一次質(zhì)的飛躍才行。 新型的量子計算機、光子計

11、算機、分子計算機和納米計算機由此應運而生。2.2.1 量子計算機 量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究， 量子計算機是一類遵循量子力學規(guī)律進行 高速數(shù)學和邏輯運算、 存儲及處理量子信息的物理裝置。 量子計算機是在量子效應基礎上開 發(fā)的，利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關的狀態(tài)， 利用激光脈沖來改變分子的狀 態(tài)，使信息沿著聚合物移動，從而進行運算。量子計算機中的數(shù)據(jù)用量子位存儲。2.2.2 光子計算機光子計算機是利用光子取代電子進行數(shù)據(jù)運算、 傳輸及存儲。 光子計算機即全光數(shù)字計 算機， 以光子代替電子， 光互連代替導線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件， 光運算代 替電運算。 在光子計

12、算機中，不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)， 可以對復雜度高、計算量大的 任務實現(xiàn)快速地并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎上呈指數(shù)上升。2.2.3 分子計算機 分子計算機體積小、 耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運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， 所以分子計算機既有自我修復的功能， 又可直接與分子活體相聯(lián)。 美國已研制出分子 計算機分子電路的基礎元器件， 可在光照幾萬分之一秒的時間內(nèi)產(chǎn)生感應電流。 以色列科學 家已經(jīng)研制出一種由 DNA分子和酶分子構成的微型分子計算機。預計20年后，分子計算機將進人實用階段。

13、2.2.4 納米計算機 納米計算機是用納米技術研發(fā)的新型高性能計算機。 納米技術是從 20世紀 80年代初迅 速發(fā)展起來的新的前沿科研領域， 最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子， 制造 出具有特定功能的產(chǎn)品。 現(xiàn)在納米技術正從微電子機械系統(tǒng)起步， 把傳感器、 電動機和各種 處理器都放在一個硅芯片上而構成一個系統(tǒng)。 應用納米技術研制的計算機內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個原子大小， 相當于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。 納米計算機不僅幾乎不需要耗費 任何能源， 而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。 納米計算機體積小、 造價低、 存量大、 性能好，將逐漸取代芯片計算機，推動計算機行業(yè)的快速發(fā)展。

14、綜上所述，計算機技術主要朝著三個方向發(fā)展： 一是向“快”的方向。速度越來越快，性能越來越高，計算機的主頻越來越快。專用計 算機的并行程度比通用機更高， 并行計算機的關鍵技術是如何高效率地把大量計算機互相連 接起來，即各處理機之間的高速通信， 以及如何有效地管理成千上萬臺計算機使之協(xié)調(diào)工作， 這就是并行計算機的系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)的功能。另一個方向就是向 “廣”度方向發(fā)展， 計算機發(fā)展的趨勢無處不在， 應用范圍更加廣泛。 近年來更明顯的趨勢是網(wǎng)絡化與向各個領域的滲透， 即在廣度上的發(fā)展開拓。 國外稱這種趨 勢為普適計算或者叫無處不在的計算。 未來計算機將存在于家中的各種電器中， 到那時筆記 本，書籍

15、都將電子化、 數(shù)字化。 再過十幾、 二十幾年， 可能學生們上課用的將不再是教科書， 而只是一個筆記本大小的計算機， 學生可以根據(jù)自己的需要方便地從中查到想要的資料。 所 以有人預言未來計算機也將成為最常用的日用品。第三個方向是向“深”度方向發(fā)展，即向信息的智能化發(fā)展。網(wǎng)絡上有大量的信息，為了使這些信息轉變成所需要的知識， 同時又具有更加友好的人機界面， 計算機將具備更多的 智能成分。 未來計算機將具有多種感知能力及一定的思考能力。 人們可以用自然語言、 手寫 的文字，甚至可以用表情、手勢來與計算機溝通， 使人機交流更加快捷。讓人能產(chǎn)生身臨其 境感覺的虛擬現(xiàn)實技術是這一領域發(fā)展的集中體現(xiàn)。參考文獻1 杜亞軍 . 計算機科學前沿問題綜述與評價 J. 四川工業(yè)學院學報 ,2004.2 劉永紅 .神經(jīng)網(wǎng)絡理論的發(fā)展與前沿問題 J. 信息與控制 ,1999 。3 莫智文 ,舒蘭, 許彪. 模糊數(shù)學理論及其評述 J. 四川師范