大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)10

Chapter10

高級(jí)主題

浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

基礎(chǔ)教學(xué)中心

2010年4月16日

Overview

?高性能計(jì)算

?計(jì)算機(jī)與科學(xué)研究

?計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

?人工智能

?虛擬現(xiàn)實(shí)

?電子服務(wù)

?醫(yī)學(xué)信息學(xué)

?計(jì)算機(jī)與教育

?計(jì)算機(jī)與交通

?計(jì)算機(jī)與藝術(shù)和娛樂

10.1高性能計(jì)算

?高性能計(jì)算HPC,HighPerformance

Computing

-計(jì)算機(jī)科學(xué)中最富有挑戰(zhàn)意義的研究方向

-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一

—并沒有一個(gè)明顯的界線給這些主題進(jìn)

行分類定義

10.1.1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

?今天，并行計(jì)算也是指一個(gè)通過網(wǎng)絡(luò)連接

的計(jì)算機(jī)群，或者兩者結(jié)合使用

?在過去很長一段時(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(Massively

ParallelProcessing,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■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(diǎn)

運(yùn)算），系統(tǒng)有131,072個(gè)處理器。

?我國曙光公司生產(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

高性能計(jì)算進(jìn)入世界先進(jìn)水平

■中國聯(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)

10.1.2分布式計(jì)算

?分布式系統(tǒng)—研究組件的異構(gòu)性、開發(fā)性、安

全性和可伸縮性、并發(fā)性、透明性及故障處理

?分布式計(jì)算的主題是多種多樣的，包括

-分布式硬件結(jié)構(gòu)和分布式軟件設(shè)計(jì)

?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

10.1.2分布式計(jì)算

?分布式系統(tǒng)這個(gè)詞義方面的混亂

-源于對(duì)物理的分布和邏輯的分布的區(qū)分

-分布式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間的相互滲透和交融

?更多的觀點(diǎn)認(rèn)為，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）

連接起來解決一些計(jì)算問題

10.3.3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■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(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)(Networkof

Workstation,NOW)

集群系統(tǒng)

?集群系統(tǒng)——最廉價(jià)的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

?主要原因：

(1)微機(jī)或工作站的性能越來越強(qiáng)

(2)LAN特別是高速光纖LAN的延遲越來越小，網(wǎng)絡(luò)帶

寬增加

(3)工作站網(wǎng)絡(luò)易于集成，和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)更容易整合

(4)相比大型并行系統(tǒng)，微機(jī)或工作站的開發(fā)工具更成

熟，而且更易于被大批專業(yè)人員掌握

(5)工作站和微機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化程度高

(6)集群系統(tǒng)采用的平臺(tái)便宜而且易于獲得，如Unix、

Linux和WindowsServer都可以作為集群系統(tǒng)的平臺(tái)

10.3.4網(wǎng)格計(jì)算

?網(wǎng)格計(jì)算(GridComputing)

-是上個(gè)世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)的

?最初被用來描述適用于科學(xué)和工程的分布

式計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施

?因特網(wǎng)上有成千上萬的各種計(jì)算機(jī)

-把這些分散的機(jī)器組成一個(gè)“虛擬的超級(jí)計(jì)算

機(jī)”

—其中每一臺(tái)計(jì)算機(jī)就是一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”，而整個(gè)

計(jì)算是由成千上萬個(gè)“節(jié)點(diǎn)”組成的“一張網(wǎng)

格”

-所以這種計(jì)算方式叫網(wǎng)格計(jì)算

網(wǎng)格計(jì)算

?Intel公司和SGI公司曾聯(lián)合進(jìn)行過一項(xiàng)網(wǎng)格

計(jì)算的試驗(yàn)

-因特網(wǎng)上的100萬臺(tái)計(jì)算機(jī)相聯(lián)，其總處理能力

大約比現(xiàn)有的最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)還要快五倍

?今天，網(wǎng)格已經(jīng)是一個(gè)龐大的概念

-它涵蓋未來網(wǎng)絡(luò)所具有的所有資源

-包括了各種各類儀器設(shè)備、傳感器、大型數(shù)據(jù)

庫等實(shí)體以及

-這些實(shí)體運(yùn)行時(shí)使用的軟件和數(shù)據(jù)

網(wǎng)格計(jì)算

?如果把因特網(wǎng)的服務(wù)歸納為電子郵件、網(wǎng)

頁瀏覽以及信息交流……

?那么網(wǎng)格則能夠提供更多更強(qiáng)的功能：

-讓人們共享計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和其他資源

-如知識(shí)資源、專家資源、設(shè)備資源

-如果說資源共享是網(wǎng)格的根本特征，那么消除

資源孤島則是它期望達(dá)到的目標(biāo)

?從研究的角度，網(wǎng)格是一種技術(shù)

網(wǎng)格計(jì)算

?要準(zhǔn)確地解釋網(wǎng)格是比較困難的

?一個(gè)可以類比的是網(wǎng)格給人們的資源服務(wù)，就像

給居民提供電力服務(wù)的電力設(shè)施一樣：

-只要打開電燈開關(guān)就可以獲得照明所用的電能，只要

給冰箱通電就可以制冷

-電能是通過電網(wǎng)設(shè)施提供的

工網(wǎng)格就是一個(gè)像電力設(shè)施一樣的基礎(chǔ)設(shè)置

-我們?cè)诰W(wǎng)格中獲取資源就如同從電力公共設(shè)施中獲取

電能一樣方便

-這是一個(gè)令人神往的未來

10.2計(jì)算機(jī)與科學(xué)研究

?計(jì)算機(jī)與科學(xué)研究的結(jié)合——自然而然

-從探索太空奧秘的天文學(xué)到研究病毒的分子生

物學(xué)

-從構(gòu)建新材料分子結(jié)構(gòu)到研究大氣環(huán)境變化，

幾乎所有的科學(xué)領(lǐng)域都使用計(jì)算機(jī)幫助開展研

究工作

-這里只是列舉了幾個(gè)主題給予簡單的介紹

10.2.1電腦與人腦

?設(shè)計(jì)出和人腦一樣會(huì)學(xué)習(xí)、會(huì)思考的電腦？

?最初的方法是每當(dāng)發(fā)現(xiàn)人腦的一種功能，設(shè)計(jì)師就編出一

套軟件，讓電腦實(shí)現(xiàn)同樣的功能——“從上至下”

■“從下到上”——模仿人腦，先繪出一份詳細(xì)的大腦地圖,

把大腦內(nèi)所有彎彎繞的細(xì)枝末節(jié)搞得清清楚楚，然后按照

這份大腦地圖，設(shè)計(jì)“電腦”?！@樣做出來的電腦，

應(yīng)該能和人腦具有一樣的思維

-與電腦不同的是，大腦能夠經(jīng)常改變神經(jīng)元之間的連接，

修正處理信息的方式。

?專家認(rèn)為，本世紀(jì)人類將在腦科學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究的

幾人重大問題上取得突破性進(jìn)展，并可能為人的智力開發(fā)

和電腦科學(xué)帶來新的突破

10.2.2生物信息學(xué)

?阿爾溫?托夫勒預(yù)言，第三次浪潮的下一步將集中

鼾"聚麻翻粼瓢睛合個(gè)“人機(jī)世

?2001年2月12日，中、美、日、德、法、英6國科

家家和美國塞萊拉公司聯(lián)合公布了人類基因組圖

?星物技術(shù)離不開信息技術(shù)

噓罐要蠹騙解漆實(shí)現(xiàn)生物信息“海量”數(shù)據(jù)

-其次是分析這些數(shù)據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律。揭示它的

勰鴻譯遺傳密碼，用以生產(chǎn)新的藥物或研究治病

刀《玄寸寸

生物信息學(xué)

?基因組像本“天書”，單人類基因組這本

“天書”就由32億個(gè)字符組成，相當(dāng)于一部

350卷的大百科全書——需要計(jì)算機(jī)！

?利用生物的方法提升信息技術(shù)也是生物信

息學(xué)的發(fā)展趨勢

—2002年底以色列科學(xué)家宣布研制出一種由DNA

分子和酶分子構(gòu)成的微型“生物計(jì)算機(jī)”，一

萬億個(gè)這樣的計(jì)算機(jī)僅有一滴水那樣大，而運(yùn)

算速度達(dá)到每秒10億次，準(zhǔn)確率為99.8%

10.2.3跟蹤和模擬復(fù)雜系統(tǒng)

糯藕幕鬣翻學(xué)家們使用計(jì)算

-可以分離夸克，還需要進(jìn)一步分離最后一層夸克

-夸克只有亞原子大小，物理學(xué)家是通過跟蹤每秒數(shù)億

舞曼越雪并根據(jù)它們的反應(yīng)結(jié)果反推夸克的行

-這種跟盛處理也只有在計(jì)算機(jī)的幫助下才可以實(shí)現(xiàn)。

?環(huán)境科學(xué)研究中的跟蹤

-可以通過資源衛(wèi)星對(duì)生物環(huán)境進(jìn)行定位標(biāo)記，然后對(duì)

這個(gè)標(biāo)記的環(huán)境進(jìn)行寢眇掃施士將每達(dá)尋隔的數(shù)據(jù)進(jìn)

行處理，可以研究環(huán)境的變化情況和變化期律

-利用里晏和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行跟蹤是科學(xué)研究中的一個(gè)

有意義的應(yīng)用

10.2.4計(jì)算機(jī)模擬

?科學(xué)研究中經(jīng)常使用的工具就是模型和模

-計(jì)算機(jī)技術(shù)使模擬和模型的結(jié)果比以前更為精

確和準(zhǔn)確

-計(jì)算機(jī)還不能夠在模型的正確性和適當(dāng)性上有

更多的作為

-計(jì)算機(jī)在模型和模擬的視野及清晰度方面發(fā)揮

著有效的作用

?“不上天的試飛(Testingwithoutflying)”

計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)

______任務(wù)

n

2生

質(zhì)

產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)研究

—?----?量

事計(jì)CAD

才劃指

7

務(wù)A和標(biāo)

7。

成工藝規(guī)程制定CAPP檢

作*3■伊

本

管業(yè)

7d

控

理調(diào)

設(shè)備控制及加工制

信度---?----?

息過程監(jiān)控CAM

103.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

?計(jì)算機(jī)是工業(yè)設(shè)計(jì)的主要工具

-設(shè)計(jì)者在計(jì)算機(jī)上畫圖——幫助完成設(shè)計(jì)工作

?計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(ComputerAidedDesign,CAD)

?CAD包括設(shè)計(jì)與分析兩個(gè)方面

?CAD不能替代人的判斷和決策，它只能幫助人更

好、更快地設(shè)計(jì)

-今天，CAD的延伸到許多傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，本章

的許多主題都是帶有計(jì)算機(jī)“輔助”的性質(zhì)

?通常CAD軟件是基于圖形的，通用的廣義上可以

分為二位維和三位維CAD軟件

13.2.2計(jì)算機(jī)輔助制造

工藝路線文件NC加工程序

工序內(nèi)容文件1/NC檢測程序

零件信息

加工設(shè)備數(shù)據(jù)庫

CAM軟件

10.4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)別語音、疾病

診斷以及語言翻譯等方面，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、語言學(xué)、醫(yī)學(xué)和哲學(xué)等多門學(xué)科

10.4.1圖靈測試

智

人

工“計(jì)算機(jī)能夠象人一樣

思

考

嗎

圖

靈

-、

測黑盒測試

靈

圖la

H、

測

驗(yàn)中國屋思考

試

前

爾

騫

垓

個(gè)

符

魯

考

為

不

植

受

t5^工^

一

:八

，

，

八

識(shí)

還

節(jié)

能

起

只

不

尼

酒

過

思

，

引

考

大

考

在

了

有

現(xiàn)

機(jī)

沒

通

靈

論

器

圖

測

思

中

機(jī)

關(guān)

試

，

爭

器

在

還

之

的

科

續(xù)^4

者

但

深

研

，

種

或

用

棄

錯(cuò)

展

放

的

究

這

止

^一

研

，

的

進(jìn)

究AI

AI

10.4.2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

?人類的智能是基于行為的進(jìn)化而不是復(fù)雜程序的執(zhí)

行

?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)語言

-科學(xué)家們?cè)噲D在人類的自然語言和機(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

?相比語義網(wǎng)絡(luò)，搜索樹易于實(shí)現(xiàn)

10.4.3專家系統(tǒng)

?專家——對(duì)越來越窄的領(lǐng)域懂得越來越多的人

?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)一擁有的知識(shí)是主要是經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)

＞知識(shí)系統(tǒng)——