第1章 信息科学与信息技术的发展.ppt

1、第1章 信息科学与信息技术的发展,人类社会已经从以资源经济为主的农业社会和以资本经济为主的工业社会发展到了今天以知识经济为主的信息社会。20世纪90年代初，世界十大富翁的头衔还几乎被那些石油大王、船舶大王等所垄断，而2000年，微软总裁比尔盖茨（Bill Gates）以770亿美元的资产赫然名列前茅。以计算机软件的生产和销售为其主业的微软公司，从1975年以两千美元注册资金成立到今天已成为美国第一赢利公司，而具有200年发展历史的美国洛克菲勒公司才仅有50亿美元的资产。我们的邻邦印度，演绎了一出现代无烟工业的奇迹，成为仅次于美国的软件大国，其软件产品出口75个国家，美国和日本是其最大的购买国，

2、2000年和2001年印度的软件出口额分别达到63亿和79.9亿美元，2003年已超过100亿美元。,第1章 信息科学与信息技术的发展,在漫长的人类社会发展的历史长河中，曾经历了四次信息技术革命：语言的形成，文字的创造，造纸术和印刷技术的发明，电报电话、广播电视的普及应用。以电子计算机的普及应用和计算机与现代通信技术有机结合而产生的因特网为主要特征的信息处理技术，则被人们称之为“第五次信息技术革命”。从1946年2月14日正式启用的第一台电子数字计算机ENIAC至今，谁也没有料到，时隔不到60年，这硕大无比的“怪物”竟经历了从主机、微机到网络三个时期的飞跃，并且开创了一个人类文明的新时代信息时

3、代。本章将介绍以计算机技术为代表的信息技术的发展历程、计算机系统构成等内容。,第1章 信息科学与信息技术的发展,以高新技术为主导的信息化社会也有其 “三个代表”,以因特网为代表的网络技术以纳米为代表的新型材料技术以基因（基因工程、人类基因组图谱）为代表的生命科学和生物技术,第1章 信息科学与信息技术的发展,第1章 目录,人类各种传载信息的手段古代：烽火台、指南针、语言、文字、纸张、印刷术、风标、号角、邮传驿站、了望塔楼等。 近代：望远镜、显微镜、算盘、手摇机械计算器。 现代： 计算机、人造卫星、C4IRS系统、机器人、无人驾驶系统。,1.1 信息资源与信息科学,1.1 信息资源与信息科学,“明

4、代烽燧信号制度”表，是陈列在山海关长城博物馆中的一块石帖。它使我们明了，烽火台的信息传递不仅有烟火，还辅有炮声。明代烽燧信号制度通过烽燧数和炮号数两种信息形式，可同时利用人的视觉和听觉来报告和传递进犯之敌的数量信息，而且这种信息传输方式不会受雨天和雾天的气候影响，增强了该信息系统的可靠性和安全性。,1.1 信息资源与信息科学,1.1 信息资源与信息科学,1.1.1 信息及其主要特征,1信息的定义 信息的含义与特征：信息是用数据作为载体来描述和表示的客观现象；信息可以用数值、文字、声音、图像等多种形式表示；信息是对数据加工提炼的结果，是对人类有用的知识；信息是具有含义的符号或消息，而数据是计算机

5、内信息的载体。显而易见，若想得到信息，必须要将客观世界中的现象和问题通过数据这种媒体记载下来。通常把对各种数据经过加工转换而得到信息的过程称为信息处理（或称数据处理）。 数据含义与特征：数据应该是原始的、广义的、可鉴别的抽象符号；数据可以用来描述事物的属性、状态、程度、方式等等；数据符号单独表示时没有任何含义，只有把它们放入特定的场合进行解释和加工，才能使其具有意义并升华为信息。,计算机（computer）信息处理机 事实（fact）+ 景象（phenomenon）信息（information） 信息同物质和能源一样，是人类社会赖以生存与发展的重要资源,1.1.1 信息及其主要特征,2信息的传

6、递与应用 信息的传递目前主要有两种方式：通信和广播。通信包括交换、传输，广播包括发射、接收。信息传递方式包括点到点（专线）、一点到多点（组播）、点到面（广播）和可选择的点到点（交换）等。 信息的应用非常广阔。认知、科学探索、知识传播、生产流程的控制、管理（宏观管理、微观管理）、娱乐（与声像设备结合）以及人与人之间的交流等，发展都很迅速。,1.1.1 信息及其主要特征,3. 信息的主要特征（1）信息具有不灭性（2）可传递性和共享性（3）信息的可处理性,1.1.1 信息及其主要特征,1关于信息科学的定义信息科学是研究信息的获取、表述、存储、识别、编码、处理等传输过程和处理阶段中各种信息问题的科学。

7、信息科学由计算机科学、电子与信息系统科学、半导体、光学和自动化科学等学科组成。学者们提出：“信息科学”中的信息范围不应该再局限于某些特定领域，而应该是多元化的，只有统一的信息科学才是真正的信息科学。但建立统一信息科学理论是项艰巨复杂的工作，它代表着人类对纷繁信息世界的了解，并在理论上有了进一步的升华。信息科学涵盖着从电子学到哲学的许多基本问题，涉猎自然科学、技术科学、人文科学、社会科学。由于统一信息科学关注的信息对象分布在不同领域里，所以，要发现不同领域里信息现象的共同规律是很困难的。所有部门信息科学所涉及的信息问题和人类的生产实践直接相关。而生产实践，也只有生产实践才是推动科学发展的真正动力

8、。,1.1.2 信息科学与信息技术,2信息技术与信息产业 信息技术是指对信息的搜集、存储、传递、分析、使用等的处理技术和智能技术。具体地讲，包括软件开发技术、通讯网络技术、微电子技术、信息处理技术和多媒体技术，而传感、自控和新材料技术等是信息技术的相关技术。信息技术是目前各领域高新技术的关键和核心，更是信息产业的基础。信息技术的发展趋势 高速、大容量 综合化,包括业务综合以及网络综合 数字化 个性化信息技术不仅在民事部门而且在军事领域也得到广泛应用。在1991年的海湾战争中，以美国为首的多国部队以情报信息优势为基础，以指挥自动化系统为核心，采取陆海空一体化的电子战和精确打击，仅以6周的时间和极

9、小的代价，打败了拥有120万兵力、5800辆坦克、770余架飞机的伊拉克军队。人们形容这场战争是用“芯片打败了钢铁”。信息技术不仅成为提高军队作战效能的“倍增器”，而且在改变现代战争形态，对现代军事的发展起到巨大的推动作用。,1.1.2 信息科学与信息技术,信息产业是建立在信息科学和高、精、尖技术基础之上的产业，信息技术的发展不仅为信息产业部门开发高附加值的信息和开展经济、可靠、快捷、方便的信息服务提供了技术保障，而且其本身也是信息市场的交易对象，包括微电子、计算机、网络通信、多媒体技术的业化。信息产业的主要技术和产品范围包括： 多媒体技术，其中包括多媒体计算机技术、PC技术、液晶等高清晰度显

10、示技术等。 数据存储和处理技术，其中包括超巨型和超微型计算机技术、语言识别和神经网络等智能计算机技术、分子电子技术、计算机免疫系统技术等。 传输技术，包括光纤和卫星等通讯技术、数字声像技术、各种调制和解调技术、各种传感器技术、交互式网络技术等。,1.1.2 信息科学与信息技术,1.1.2 信息科学与信息技术,信息产业的分类从我国的信息产业发展现状出发，有学者把信息产业分为信息工业、信息技术业、信息服务业和非信息产业内部信息业，其中信息技术业是信息工业的重要基础，是信息服务业开展的前提条件，即信息技术业是整体信息产业的先导。广义的信息产业包括信息技术业（或称信息产品与设备制造业）、信息传输流通业

11、和信息服务业。从专业角度看，分为通信业、计算机业和声像业。信息产业发展特点合并与分离并存，既有大量的合并，又有不少的分离。竞争与垄断并存。,1.1.2 信息科学与信息技术,现代信息技术电子信息技术: 电子感测技术、电子通信技术、电子计算机技术、电子控制技术量子信息技术:量子计算机激光信息技术:激光遥感、光导纤维通讯、激光全息存贮、激光控制 技术、激光计算机生物信息技术:生物开关器件、生物存贮器件、生物逻辑器件、生物计算机,1.1.2 信息科学与信息技术,3信息经济与信息社会 信息经济（或称知识经济）就是在充分知识化的社会中以信息智力资源的占有、投入和配置，知识产品的生产、分配（传播）和消费（使

12、用）为最重要因素的经济。信息经济与工业社会的资本经济相比，除前者依赖于知识的程度高于后者，以及知识在经济增长中的作用和价值大于后者外，最本质的不同是：信息和知识本身已成为知识经济中的一种最积极、最重要的投入要素。信息社会是以信息活动为社会发展的基本活动，以信息技术为技术基础，以信息经济为主导经济，以信息产业为主导产业，以信息文化改变人类教育、生活和工作方式以及价值观念的新型社会形态。,1.1.2 信息科学与信息技术,1854年，英国数学家乔治 布尔创建了逻辑代数理论 1924年，尼奎斯特发表了题为 “ 影响电报速率因素的确定 ” 的文章 1928年，哈特莱又发表了题为 “ 信息传输 ” 的文章

13、 1936年，图灵发表了“ 论可计算数及其在判定问题中的应用 ”论文，提出了著名的理论计算机模型图灵机。 1945年，冯 诺伊曼首次发表题为“ 电子计算机逻辑结构初探 ”的报告 1947年，美国计算机协会 ACM 在华盛顿哥伦比亚大学成立 1950年，图灵在 Mind 杂志发表文章，提出了测试机器智能的Turing规范。 1951年，莫里斯 威尔克斯提出微程序的设计概念 1952年，无线电工程师协会创办了电子计算机方面的I.R.E学报,信息科学理论发展的百年历史,1.2 信息理论的奠基人与ACM图灵奖,查尔斯巴贝奇 巴贝奇的差分机 爱达奥古斯塔洛夫莱,1.2.1 计算机之父巴贝奇,巴贝奇的差分

14、机,信息理论的奠基人,1.2 信息理论的奠基人与ACM图灵奖,1.2 信息理论的奠基人与ACM图灵奖,香农博士其人 香农的硕士论文是关于布尔代数在逻辑开关理论中的应用 并证明布尔代数的逻辑运算，可以通过继电器电路来实现 1941年加入贝尔实验室数学部，在此工作了15年 1948年6月贝尔系统技术发表了通信的数学原理 香农在该文中用数理统计方法来研究通信系统 定义了信息时代的基本概念：熵和信道容量 无失真通讯的传输速率的极限，被称为香农极限 图灵其人 论可计算数及其在判定问题中的应用(1936)获史密斯奖 提出了著名的理论计算机的抽象模型图灵机 1938年，图灵取得美国普林斯顿大学博士学位 他的

15、博士论文题目是“基于序数的逻辑系统” 1951年他被选为英国皇家学会院士。 1950年10月发表论文“计算机和智能” 提出了测试机器是否有智能的方法图灵测试,1.2 信息理论的奠基人与ACM图灵奖,1.2 信息理论的奠基人与ACM图灵奖,冯诺伊曼冯诺伊曼在普林斯顿大学任教，对图灵十分欣赏并曾邀请他到他那里工作 1945年冯诺伊曼首次发表了题为“电子计算机逻辑结构初探”的报告 将“存储程序”的设想确立为冯氏结构机的设计体系，开始研制EDVAC计算机 “存储程序”(stored program)的概念，是现代电子计算机的最基本概念之一 1945年6月30日，发表了关于离散变量自动电子计算机的草案长

16、文EDVAC突出的优点在于：（1）把计算机要执行的指令和要处理的数据都用二进制数表示； （2）把执行指令和处理的数据均按照顺序编成程序存储到计算机内部让它自动执行。,1.2 信息理论的奠基人与ACM图灵奖,计算机界的诺贝尔奖ACM图灵奖 1. ACM图灵奖1966年，ACM在纪念电子计算机诞生20周年时(亦即图灵逝世12周年)，决定设立计算机世界的第一个奖项“图灵奖”。到2003年，被誉为“计算机界的诺贝尔奖”的图灵奖已经颁发了38届，共有45位计算机科学家获此殊荣。1997年图灵奖获得者道格拉斯恩格尔巴特,鼠标器的发明人和超文本研究的先驱。2000年图灵奖获得者姚期智对计算理论有众多贡献，其

17、中包括伪随机数生成理论的复杂性、密码学、通信复杂性等。近百篇学术论文几乎覆盖了计算复杂性的所有方面；也涉及算法设计与分析的许多重要问题；他的研究结果和所采用的证明方法，常常使一些核心课题的认识和理解产生飞跃。他近期的研究集中于量子通信、量子计算和量子密码学上。在荣获图灵奖之前，在1987年获得波利亚奖，在1996年获得首届克努斯奖，2000年4月当选为美国艺术和科学院数学部院士。现已在清华大学执教。,50多年的光辉历程，开创了人类 信息社会发展史的三个新纪元,40年代ENIAC为代表开创了人类开始用机器代替部分脑力劳动的新纪元80年代微型机为代表开创了计算机不再为少数专业人员所拥有和使用并走向

18、普及化的新纪元90年代因特网为代表开创了把许多微机连接起来最大限度实现资源共享的新纪元,1.3 计算工具的演变和计算机的发展,1.3.1 最古老的计算工具算筹和算盘,数术记遗系中国古算书， 位列我国算术的“十经”之一， 介绍了我国古代14种算法，除第 14种“计数”为心算无须计算工 具外，其余13种均有计算工具， 分别是：积算(即筹算)、太乙算、两仪算、三才 算、五行算、八卦算、九宫算、运筹算、了知算、 成数算、把头算、龟算和珠算。“珠算”之名， 首见于此。珠算被称为我国“第五大发明”，至 今仍在加减运算和教育启智领域发挥着电子计 算机无法替代的作用。,1.3.2 古算史上的“哥德巴赫猜想”,

19、1992年，曾长期师从李培业教授进行珠算研究的经济师程文茂，率先破译了失传一千多年的“太乙算”，并发明出“太乙算棋”。1999年，程文茂又发明了“世界算盘”，“世界算盘”不仅能随意拆卸拼装俄罗斯、日本及中国的10珠、5珠和7珠算盘，而且可将失传的“太乙算、两仪算、三才算和珠算”四种古算具一一再现。2002年5月下旬，程文茂受汉中石门十三品的启发，依据李培业的汉中甄鸾古算十三品草图，历经10年时间潜心研究，制作完成了国内第一个完整、系统、科学地将我国古代13种计算工具恢复旧制的“古算十三品”。13种算具中，最令程文茂兴奋的是“九宫算”。因为以往人们所熟悉的所有计算方法，均为“数动位不动”的位置制

20、，而“九宫算”则为位动数不动。,1.3.2 古算史上的“哥德巴赫猜想”,1.3.2 古算史上的“哥德巴赫猜想”,1.3.2 古算史上的“哥德巴赫猜想”,1.3.2 古算史上的“哥德巴赫猜想”,1.3.2 古算史上的“哥德巴赫猜想”,明代以来，珠算逐渐取代了筹算，珠算算法及口诀也逐渐趋于完善。在这种变化的过程中，贡献最大的是明代数学家程大位(15331606年),被誉为珠算一代宗师。程大位是安徽休宁人，少年时期就极爱读书，对书法和数学很感兴趣，一生没有做过官。20 岁起，他便在长江中、下游一带经商。因商业计算的需要，他非常留心数学，遍访名师，搜集很多数学书籍，刻苦钻研，并把心得随时记录下来。约4

21、0 岁时，他弃商回家，专心研究珠算。他参考各家学说，加上自己的见解，于60 岁时完成其杰作直指算法统宗。全书共17 卷，万历二十年（1592 年）刻印。书中把各种算法都编写成口诀形式，便于人们学习和使用；内收595 个数学应用题，全用珠算进行解答。该书流传极为广泛和长久，不仅为中国民间普及珠算起了很大的作用，而且于明朝末年传入朝鲜、日本及东南亚各地，对这些地方珠算术的传播和发展，也起到了极大的促进作用。,1.3.2 古算史上的“哥德巴赫猜想”,这里应该指出的是，算盘一词并不专指中国算盘。从现有文献资料来看，许多文明古国都有过各自的算盘。古今中外的各式算盘大致可以分为三类：沙盘类，算板类，穿珠算

22、盘类。沙盘是在桌面、石板等平板上，铺上细沙，人们用木棍等在细沙上写字、画图和计算。后来逐渐不铺沙子，而是在板上刻上若干平行的线纹，上面放置小石子(称为“算子”)来记数和计算，这就是算板。穿珠算盘指中国算盘、日本算盘和俄罗斯算盘。日本算盘叫“十露盘”，和中国算盘不同的地方是算珠的纵截面不是扁圆形而是菱形，尺寸较小而档数较多。俄罗斯算盘有若干弧形木条，横镶在木框内，每条穿着10 颗算珠。在世界各种古算盘中，中国算盘是最先进的，已基本具备了现代计算机的主要结构特征。例如，拨动算珠，也就是向算盘输入数据，这时算盘起着“存贮器”的作用；运算时，珠算口诀起着“运算指令”的作用，而算盘则起“运算器”的作用。

23、,1.3.2 古算史上的“哥德巴赫猜想”,1.3.3 信息技术及计算工具发展大事记,人类在同大自然斗争中，创造并逐步发展了计算工具 早在公元前3000年，中国人就发明了算筹和竹筹计数 唐末创造出算盘，南宋1274年已有算盘和歌诀的记载 1633年，奥芙特德（Oughtred）发明了计算尺。 1642年，法国数学家帕斯卡制成第一台机械计算机 1671年，德国数学家莱布尼茨发明了自动四则运算器 1746年，英国工程师沃森在电线上传递了电信号 1832年，S.F.B.莫尔斯发明了电报 1876年，亚力山大.G.贝尔(Graham Bell)发明了电话装置并获得专利 1915年，电传打字机问世，电报员

24、用它发送气象公报给国家气象服务台,人类追求的计算工具,1822 差分机,1833 分析机,MARK I,ENIAC,电子计算机时代,人类追求的计算工具,人类追求的计算工具,1.3.4 最早与目前最快的计算机,1世界上第一台电子数字计算机ENIAC 由美国宾夕法尼亚大学的莫克利和埃克特领导研制 1946年2月14日正式启用ENIAC（电子数值积分计算机） ENIAC采用变速电子器件电子管作为基本逻辑部件 运算速度每秒可进行5000次加减运算，3毫秒一次乘法 它约3000立方英尺，重30吨，占地约170平方米 运行时耗电量很大，功耗25千瓦；存储容量小 ENIAC仅运行了十年，1956年它被送进了

25、博物馆,第一台电子计算机（ENIAC）,5000次加法/秒 体重28吨 占地170M2 18800只电子管 1500个继电器 耗电150KW,世界上最快的计算机Roadrunner（“走鹃”）,2008年6月9日，美国IBM公司和美国能源部宣布，IBM已经研制出一台全球最快的超级计算机，运算速度达到了突破性的1 PetaFLOP，即每秒钟可进行1000万亿次浮点运算，比此前速度最快的超级计算机IBM“蓝色基因L”快一倍。这款新型超级计算机由IBM和新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室联合开发，取名“走鹃”(Roadrunner，新墨西哥州州鸟之名)。“走鹃”历时6年完成，价值1.33亿美元，目前放

26、置于IBM位于纽约波基普西的实验室中，占地557平方米，连接光纤长91.7公里，重226.8吨，80TB的存储空间，运行红帽子(Red Hat)Linux操作系统，运行时功率接近3兆瓦。“走鹃”不久将移至新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室，未来将隶属于美国能源部国家核安全管理局。,世界上最快的计算机Roadrunner（“走鹃”）,ENIAC与新一代计算机,计算机从“数字计算”到“信息处理”的转变 信息压缩与全数字化带来了丰富多彩的多媒体技术 以多媒体技术为基础的虚拟现实技术也正在向我们走来 3S(GIS，GPS，RS)技术实现的电子地图系统、卫星遥感定位跟踪监控系统 网络技术实现的远程教育、远

27、程医疗诊断系统 无线接入技术（蓝牙技术、WAP）实现的手机上网、无线局域网(WLAN) 电脑卡已由早期的光电卡、条码卡、磁卡发展到今天的IC卡、射频卡 美国五角大楼(DoD)一直就是IBM的第一大用户，现代军事与信息技术已密不可分 1998年美国副总统戈尔提出了“数字地球”的概念（数字化智能小区、数字化图书馆）,CRAY-,新一代计算机（未来的计算机）,运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机 1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I” 超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、 石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计 算的高科技领域。,中国超级计算机： 国防科技大学研制的 “银河1号”

28、、 “银河2号”和“银河3号” 国家职能计算机中心推出的 “曙光1000”和“曙光2000”,银河,巨型化,Altair 8800,微型化,计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。,网络化,计算机网络： 计算机技术与通信技术结合的产物。计算机网络的发展动力： 使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。,智能化,“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的 没有灵魂的机械来”。笛卡尔（1637）,人类第一个“工业机器人”： 一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年） 第一代机器人 机械手（1962年出现） 第二代机器人 具有“感觉”的机器人 第三代机器人

29、装有启发式计算机的“智能机器人”,第一代 （19461956） 电子管 5千4万（次/秒）,第二代 （19571964） 晶体管 几十万百万（次/秒）,第三代 （19651970） 集成电路 百万几百万（次/秒）,第四代 （197190年代） 集成电路 几百万几亿（次/秒）,计算机发展的几个阶段,将电脑浓缩在一颗芯片上,0.18微米芯片,10微米芯片,晶 体 管 数,每18个月芯片能力增长一倍。,计算机第一定律摩尔定律,计算机在兰大,从兰大小精灵公司的光电卡 、条码卡 、 磁卡,IC 卡到目前全球最流行的射频卡,1958年, 我校研制成功了模拟电子管计算机1973年, DJS121: 第二代晶

30、体管计算机1974年, DJS130: 第三代小规模集成电路计算机1985年, M340-S: 第四代大规模集成电路计算机,1.3.5 高性能计算和网格计算,高性能计算机一般指信息处理能力比个人计算机快一到两个数量级以上的计算机。作为一种信息处理基础设施，无论是已经进入全球超级计算机500强排名第14位的联想“深腾6800”，还是具备了十万亿次计算能力的曙光4000A，高性能计算都和老百姓的生活息息相关，行业研究领域也将包含气象、环保、船舶、飞机制造、汽车、建筑、钢铁、石油、机电、高校、科学院等各个方面。,发展高性能计算可以有两条途径，一是基于现有的半导体集成电路技术和微处理机技术，通过提高并

31、行处理能力来实现；二是突破硅半导体器件的物理限制，发展非传统的新技术，包括超导计算、量子计算、生物计算与光计算等。提高计算性能也可以有两条途径，一是硬件方面，即研制超高性能器件或部件，如量子器件、超导芯片、光互连和光存储部件、生物分子部件等；二是计算模型和算法设计方面，从根本上突破冯诺依曼计算机和电子技术的局限，如量子计算和DNA计算模型都为求解复杂问题开辟了崭新的思路,1.3.5 高性能计算和网格计算,半个世纪以来电子计算机的基本原理图灵机模型没有任何改变，它建立在对二进制中的位“比特”的操作和运算上。1994年美国贝尔实验室的Peter W. Shor设计出大数分解（将一个复合实数分解为两

32、个素数的乘积）的量子算法。也是在1994年，分布在全世界的1600台工作站，花了8个月时间成功地分解了一个129位数，引起巨大轰动。如仍用这1600台工作站来分解一个1000位的大数，其计算时间将大大超过宇宙的年龄。而用Shor的量子算法，只须几百万步计算，这是多么了不起的突破！Shor的量子算法意味着以大数因式分解算法为依据的电子银行、网络等领域的RSA公开密钥密码体系在量子计算机面前将不堪一击。,1量子计算机,1.3.5 高性能计算和网格计算,1995年Grover提出“量子搜寻算法”，计算时间从传统算法的n降为n的平方根，可以破译DES密码。上述这两个算法的提出意义重大，因为它们从理论上

33、说明了量子计算机的确可以解决传统计算机难以解决的实际问题，扫清了人们对量子计算机计算能力的疑虑。量子力学和计算机这两个看似互不相干的理论，其结合却产生了一门也许会从根本上影响人类未来发展的新兴学科量子信息学，通常人们通俗地称之为“量子计算机”。,1量子计算机,1.3.5 高性能计算和网格计算,有科学家认为，21世纪将是生物计算机的时代 生物技术将从根本上突破电子计算机的物理极限 计算机的硅芯片将不可避免地面临耗能和散热等发展极限问题 DNA有可能成为新一代功能更强大的计算机的基础,2. 生物计算机,1.3.5 高性能计算和网格计算,生物技术为信息技术发展开辟着新的道路1994年11月，美国南加

34、州大学的计算机科学家阿德尔曼在科学杂志上公布了他的DNA计算机理论通过DNA分子上碱基不同的排列次序，可表示计算机的数据然后酶对这些DNA上的碱基链进行操作，就能实现计算功能1立方分米的DNA溶液可以存储1万亿亿位二进制的数据2000年美国加利福尼亚大学洛杉矶分校研制出了分子开关2001年11月，以色列魏茨曼研究所的科学家研制出了一种由DNA分子和酶分子构成的世界首台“生物计算机”。 2002年1月28日，日本奥林巴斯光学工业公司与东京大学联合开发出了全球第一台能够真正投入商业应用的DNA计算机。 2004年1月27日，上海交通大学Bio-X生命科学研究中心和中科院上海生科院营养科学研究所已在

35、试管中完成了DNA计算机的雏形研制工作。,2. 生物计算机,1.3.5 高性能计算和网格计算,2. 生物计算机,(2) 生物计算机的优点和缺陷 密集度高 运行速度快 具备自我修复功能，增强计算机的可靠性 能量消耗极 超强的存储能力,当然，生物计算机要真正超越电子计算机，还需要在DNA大分子操纵技术等方面有大的突破，还有许多技术问题需要解决。如有时轻微的振荡就会使DNA断裂；有些DNA由于粘在试管壁上，在计算过程中被丢失了。也许更大的障碍是控制生物的演变以便创造出准确的计算结果，因为DNA并不总是像人们预计得那样变化。中科院计算所夏培肃院士曾这样评价DNA计算机：“DNA计算机也存在两大缺陷,由

36、于生化反应本身存在一定的随机性，所以这种运算的结果也就不完全精确。另外，参与运算的DNA分子之间不能像传统计算机一样进行通讯，只能各自为战，这对于DNA计算机今后处理一些大型计算也是一种缺陷”,1.3.5 高性能计算和网格计算,3.网格计算,网格计算在构建网格系统时将其分为三个基本层次：网格资源层（包括各种计算资源）、网格中间件层和网格应用层（体现用户具体需求）。其中，网格中间件层包括一系列工具和协议软件，也称为网格操作系统。其功能是屏蔽资源层各资源的地理分布与异构特性，向网格应用层提供透明、一致的使用接口，提供用户编程接口和开发环境。网格计算应用的实例有：美国Argonne国家实验室与12所

37、大学、研究机构合作，开发了网格计算工具软件（Globus项目），已用于气象预报。1997年，欧洲的3500台工作站协同破译了48位RSA密码。同年，使用78000台计算机破译了56位DES密码。,1.3.5 高性能计算和网格计算,1.3.6 信息电器与机器动物,机器人1956年提出的人工智能是指计算机模拟人类的某些智能行为。计算机专家咨询系统和机器人是人工智能研究的两个重要方面。计算机专家咨询系统可用于医疗诊断、模拟法官和律师、风险评估等领域。机器人可以有遥控机器人、程序机器人、示教-再现机器人和智能机器人等。,检测爬行器、异物抓取机器人、水下机器人,1.3.6 信息电器与机器动物,机器人足球

38、世界杯是从1997年开始举办的，每年一届 赛事是世界范围内检验智能控制与机器人研究的良好平台 中国第一支机器人足球队是1998年11月在哈工大诞生 1999年6月，东北大学的“牛牛”机器人足球队在第四届 机器人足球世界杯亚太区预选赛上获得小组第二名 2001年8月，清华大学在美国西雅图首次参加第五届 机器人足球世界杯赛决赛，以1:0夺得仿真组冠军 2002年6月17日至25日，在日本福冈举行的第六届机器人足球世界杯比赛上，清华大学的“清华风神队”又一次荣获仿真组冠军，清华大学成功卫冕,2.机器人足球世界杯,1.3.6 信息电器与机器动物,美国制造出了世界上第一只能飞翔的“机器蝇”,美国五角大楼

39、的高级官员们和许多生物研究所 正在以前所未有的热情来关注这种不起眼的动物。 苍蝇个头虽小，却能以40公里的时速飞行；如果 发现情况，能在3%秒的瞬间迅速起飞；苍蝇飞行 一整天却只消耗食物1/10克。加州大学展示的这只机器蝇名叫“黑寡妇”，重 量只有100毫克，身高不到3厘米。该项目负责人 马特金侬介绍说：“它在100米上空飞行，人们用 肉眼几乎发现不了它，而它却可以拍出极为清晰 的照片传回。” 虽然机器蝇的研制目前还处于初级阶段，但其 广泛的应用前景已引起多方关注。美国五角大楼 对有望成为“微型间谍”的机器蝇极为重视。在未来 战争中，机器蝇甚至可以带上微型炸药，飞到敌 方总部，炸掉其指挥中心的

40、所有仪器。,1.3.6 信息电器与机器动物,中科院自动化所研制出移动机器人和仿生机器鱼 2003年1月11日11:47,新华社北京一月十日电(记者孙自法)它身高八十厘米、能向你问好、能与你对话、还能听命于你的指挥它就是中国科学院自动化研究所最新研制的移动机器人。 记者今天从中科院自动化所获悉，该所已成功研制出集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人和仿生机器鱼。 该所复杂系统与智能科学实验室侯增广副研究员介绍说，移动机器人的基本结构包括传感器、控制器和运动机构，传感器由位于机器人底层的十六个触觉红外传感器、位于机器人中间两层的十六个超声传感器和十六个红外传感器、位于机器人顶

41、部的摄像机(CCD)等组成。,1.3.6 信息电器与机器动物,1.4.1 中国计算机的发展初期,1952年，在清华大学成立中国第一个计算机三人研究小组（组长：电机系教授 闵大可） 1954年，小组经扩充和调整，并入中科院近代物理研究所（负责人 ：钱三强） 1956年，国家制定科学技术12年远景规划时，把计算机技术列为四大技术之首，成立了计算机技术工作小组。 1958年，完成第一台电子计算机103 1959年，完成大型电子计算机104 1959年，中国自行研究的107计算机问世 1965年，中国开始研制第三代计算机（集成电路） 1977年，研制成功中国第一台微机DJS050,1.4 中国特色的信

42、息化道路,华罗庚教授是我国计算机技术的奠基人和我国第一台电子计算机的主要创始人之一 1956年，国家制定科学技术12年远景规划时，把计算机技术列为四大技术之首 1958年，我国根据前苏联提供的设计图纸造出了第一台电子管计算机（103机） 1959年，根据前苏联的设计图纸完成了我国第一台大型通用电子计算机（104机） 1960年，我国第一台自行设计的通用电子计算机（107机）开始运行 1964年，我国开始推出第二代晶体管计算机。如中科院计算所的“109”、15所的“108”等。 1971年，我国研制成功第三代集成电路计算机“150机”,1.4 中国特色的信息化道路,1973年，电子工业部开展了计

43、算机系列化的研制，形成了DJS-100系列国产机 1974年，DJS-130通过鉴定，它是采用小规模集成电路制造的 1979年，DJS-140是采用中规模集成电路制造的 1982年，DJS-150是采用大、中规模集成电路制造的16位机 1983年，我国研制成功757大型向量计算机，每秒向量运算1000万次 1992年，向量运算10亿次的银河号投入使用 1996年，银河号机投入运行，速度为每秒百亿次,1.4 中国特色的信息化道路,90年代以来，联想、方正、同方、华硕、七喜、TCL、长城、实达、海信等国产微机形成势头 国标GB2312-80与GB18030-2000的颁布实施 汉字扫描输入、手写输

44、入和语音识别输入软件的推广应用 红旗中文2000和红旗Office 北京大学“激光照排之父”王选教授 西北民院藏文信息处理创始人于洪志教授 中国上网第一人钱天白 中国首家知识银行的创办人魏同悟,1.4 中国特色的信息化道路,“金”字工程：如最初的“三金”工程就包括国家公用信息网（金桥）、外贸企业间信息系统（金关）、金融业电子货币（金卡）。 1999年5月，清华大学 “探索108”计算机 1999年10月，首届高交会（中国国际高新技术成果交易会） 2000年5月，北京首次举办的“21世纪数字城市论坛” 中国的互联网时代经历了“接入为王”(1998年以前)到“内容为王”(1998-2001年)再到

45、“应用为王”(2001年以来)的三个阶段。,1.4 中国特色的信息化道路,2001年3月9日，中科院计算所研制成功“曙光3000超级服务器” 2001年7月13日，北京申奥成功 2001年8月28日，Inter公司经过18个月的努力推出2GHz的Pentium 4处理器 2001年9月4日，美国IT业的两大公司HP和Compaq以220亿美元的价格合并 2001年9月11日，“9.11”事件3500亿美元的损失，Nasdaq股市指数一路下跌 2001年10月13日，我国第一款通用CPU芯片“龙芯”诞生 2001年10月25日，微软公司在全球发布了Windows XP 2001年11月10日，在

46、已完成所有谈判工作之后，中国入世已定,1.4 中国特色的信息化道路,2002年6月底，由中科院、北大、清华联合向国家科技部提出“虚拟中国人计划”立项申请 2002年6月，CERNET已建成2万公里主干线路，通达160多个城市，连网900多家，上网人数800万人 2002年7月23日，CNNIC公布:平均每周至少上网1小时的中国公民人数已超过4580万，排世界第三位 2002年7月，国家信息化指标构成体系公布，共有20项指标 2002年7月12日至14日，来自世界各地的2000多名黑客云集美国纽约，召开所谓的黑客年会 2002年8月29日，中国联想集团在北京中关村推出联想深腾1800大规模计算机

47、系统,1.4 中国特色的信息化道路,中国“天河一号”千万亿次超级计算机系统,2009年10月29日新华网长沙报道，我国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”由国防科学技术大学研制成功。在中国高性能计算机TOP100组织公布的2009年度前100强排名中，天河一号高居榜首。直接参与“天河一号”研发的科技人员有200多人，平均年龄为36岁，目前投资为6亿人民币。从信息技术的发展速度预计，使用寿命预计为10年。“天河一号”的诞生，是我国战略高技术和大型基础科技装备研制领域取得的又一重大创新成果，实现了我国自主研制超级计算机能力从百万亿次到千万亿次的跨越，使我国成为继美国之后世界上第二个能够研制千万亿

48、次超级计算机系统的国家。,中国“天河一号”千万亿次超级计算机系统,1超级计算机系统“天河一号”的性能指标美国早在上个世纪90年代就提出了做千万亿次巨型计算机的目标，直到2008年才实现。截至2009年6月，世界上仅有3台千万亿次的计算机。“天河一号”综合技术水平已进入世界前列。 性能指标1：全系统峰值性能为每秒1206万亿次，Linpack实测性能为每秒5631万亿次。这意味着，“天河一号”计算一天，一台配置Intel双核CPU、主频为25GHz的微机需要计算160年。 性能指标2：共享存储总容量为1PB。按国内数字图书馆应用软件的图片格式PDG为例计算，如果平均每册书大小约10MB的话，“天

49、河一号”的存储量相当于4个藏书量为2700万册的国家图书馆。 性能指标3：“天河一号”由103台机柜组成，每个机柜占地144平方米、高两米、重15吨，系统总重量相当于19个神舟飞船。把通风等条件考虑在内，放置“天河一号”需要一个近千平方米的房间。 性能指标4：全系统包含6144个通用处理器（CPU）和5120个加速处理器（GPU），仅系统级软件就有20多万行代码。按照每人每个小时写20行代码的速度，需要写1万小时。 性能指标5：互联通信网络的单根线传输速率为10Gbps，这是目前国际上最快的速率，相当于在“天河一号”计算机内部修了一条信息高速公路。 性能指标6：全系统运行情况下，每小时耗电12

50、80度。能耗比即每瓦电创造的计算效能为43亿次运算，与目前峰值性能排名世界第一的美国“走鹃”超级计算机相当。,中国“天河一号”千万亿次超级计算机系统,2七大技术四大特点打造“中国第一”“天河一号”的峰值性能提升到了每秒1206万亿次（即10的15次方）。科学家预计，未来10年左右时间，世界上将研制出运算速度超过每秒百万万亿次（即10的18次方）的超级计算机。这个速度是目前世界上最快计算机的1000倍。“天河一号”采用了7项关键技术，包括：多阵列可配置协同并行体系结构、高速率扩展互联通信技术、高效异构协同计算技术、基于隔离的安全控制技术、虚拟化的网络计算支撑技术、多层次的大规模系统容错技术和系统

51、能耗综合控制技术。由于采用了一系列创新技术，这台计算机系统具有四大特点： 高性能。无论是1206万亿次的峰值性能，还是563.1万亿次的Linpack实测性能，均位于国内榜首、世界一流。 低能耗。能耗是每瓦电创造的计算效能，“天河一号”目前能效为每瓦4.3亿次运算，与2009年6月公布的Top500（全球超级计算机前500强）排名第一的美国“走鹃”（Roadrunner）相当。参照2009年6月公布的Green500（全球绿色超级计算机前500强）排名，“天河一号”可以位居第5。 高安全。“天河”实现了不同用户间数据和工作信息的相互隔离。对用户来说，相当于到银行租个保险柜，钥匙掌握自己手里。 易使用。“傻瓜化”的操作界面和菜单、鼠标等常规操作，让机器的使用变得简单。同时，作为一台国际通用的标准化的超级计算机，“天河”上能运行来自各行业的各种程序，不存在兼容性问题。,