計算機在藥學中的應用

第一章引論?計算機在藥學中的應用

本章概要

?介紹計算機的發(fā)展

?介紹信息科學與技術(shù)的發(fā)展

?介紹計算機在藥學中的應用

第一節(jié)計算機的發(fā)展

計算機(Computer)是電子數(shù)字計算機的簡稱，是一種自動地、高速地進行數(shù)

值運算和信息處理的電子設備。它主要由一些機械的、電子的器件組成，再配以

適當?shù)某绦蚝蛿?shù)據(jù)。程序及數(shù)據(jù)輸入后可以自動執(zhí)行，用以解決某些實際問題。

因為計算機能增強人們執(zhí)行智能任務的能力常被稱為“電腦”。計算機擅長于執(zhí)

行如快速計算、大型表格分類和在大型信息庫中檢索信息等工作。人類都能做這

些事，但計算機可以做得更快、更精確。使用計算機可以補充我們的智能，使我

們更具創(chuàng)造力。有效使用計算機的關(guān)鍵是要知道計算機能做什么，它如何工作，

以及如何使用它。

一、計算機發(fā)展沿革

以往許多書都說“世界公認的第一臺電子數(shù)字計算機”是1946年由美國賓

夕法尼亞大學莫爾電工學院制造的“ENIAC”。事實上在1973年根據(jù)美國最高法

院的裁定，最早的電子數(shù)字計算機，應該是美國愛何華大學的物理系副教授約

翰?阿坦那索夫(JohnV.Atanasoff,1903-1995)和其研究生助手克利夫?貝瑞

(CliffordE.Berry,1818-1963)于1939年制造的ABC(Atanasoff-Berry-

Computer)”。之所以會有這樣的誤會，是因為“ENIAC”的研究小組中的一個人

于1941年剽竊了約翰?阿坦那索夫的研究成果，并在1946年時，申請了專利。

由于種種原因直到1973年這個錯誤才被糾正過來。

關(guān)于計算機的定義，來自于美國杰出的數(shù)學家約翰?馮?諾依曼(如圖1-1)。

人們根據(jù)他在1945年的一份被稱為“在計算機科學史上最具影響力的論文”中

的描述，定義''計算機”為一種nJ以接受輸入數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并產(chǎn)生

輸出數(shù)據(jù)的裝置。

短短兒十年，計算機技術(shù)經(jīng)歷了巨大的變革。習慣上根據(jù)計算機的系統(tǒng)所采

用的硬件技術(shù)來劃分計算機的發(fā)展階段。從1939年到50年代后期(1939-1953)

為電子管計算機時期。計算機的元器件主要由電子管組成。其特點是體積龐大、

功耗高、運算速度較低。如ENIAC占地170平方米，重達30噸，功耗為140

千瓦，有18000多個電子管，每秒鐘能運行5000次加法計算。這一階段，計算

機主要用于軍事、國防等尖端技術(shù)領域。除了ENIAC以外，1945年左右，馮?諾

依曼等人研制了EDVACoIBM公司1954年12月推出的IBM650是第一代計算

機的杰出代表。

從20世紀50年代后期到60年代中期(1954-1964)為晶體管計算機時期。

自從1947年晶體管在貝爾實驗室誕生后，引發(fā)了一場影響深遠的電子革命。體

積小、功耗低、價格便宜的晶體管取代電子管，不僅提高了計算機性能，也使計

算機在科研、商業(yè)等領域內(nèi)廣泛的應用。第二代計算機不僅采用了晶體管器件，

而且存儲器改用速度更快的磁芯存儲器；與此同時高級編程語言和系統(tǒng)軟件的出

現(xiàn)，也大大提高了計算機的性能和拓寬了其應用領域。這一時期的計算機的代

表主要有DEC公司1957年推出的PDP-I、IBM公司于1962年推出的709以及

CDC公司1964年研制成功的CDC6600o1969年CDC公司研制的CDC7600T

均速度達到每秒千萬次浮點運算。

從20世紀60年代中期到70年代初期(1965-1974)為集成電路計算機時代。

第?代和第二代計算機均采用分離器件組成。集成電路的出現(xiàn)，宣告了第三代計

算機的來臨。由于采用了集成電路，使得計算機的制造成本迅速下降；同時因為

邏輯和存儲器件集成化的封裝，大大提高了運行速度，功耗也隨之下降；集成電

路的使用，使得計算機內(nèi)各部分的互聯(lián)更加簡單和可靠，計算機的體積也進一步

縮小。這一時期的代表為IBM的system/360和DEC的PDP-8。

從20世紀70年代初期到90年代后期(1975-1999)為大規(guī)模集成電路計算

機的時代。20世紀70年代初半導體存儲器的出現(xiàn)，迅速取代了磁芯存儲器，計

算機的存儲器向大容量、高速度的方向飛速發(fā)展，微型計算機迅速發(fā)展。接著就

進入了超大規(guī)模集成電路計算機時代。巨型計算機也得到了長足的發(fā)展。

隨著計算機技術(shù)的日新月異，軟件和通信的重要性也逐步上升，成為和硬件

一樣舉足輕重的因素。同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點對計算機的性能也有巨大的影響（中

斷系統(tǒng)、Cache存儲器、流水線技術(shù)等等）?，F(xiàn)在，人們更愿意拉大時間尺度或

換個角度來把所謂的計算機時代重新劃分成研究型計算機時代、個人計算機時代

和網(wǎng)絡計算機時代。其中：

研究型計算機時■代大約從1950年開始，以一些昂貴的被放在溫度可以控制

的機房里的大型機為標志，這些機器由一些專家控制并進入了軍隊、政府部門和

一些大公司。

個人計算機時代大約從1975年開始，以數(shù)百萬的微型計算機為標志，這些

計算機被廣泛用在辦公室、學校、家庭、工廠和其他地方，迅速改變了人們生活

的面貌。

網(wǎng)絡計算機時代大約從1995年開始，以辦公室、家庭、學校、車輛和其他

地方的相互連接的網(wǎng)絡計算機為標志，已經(jīng)開始對社會產(chǎn)生更大的影響。

我國計算機的發(fā)展稍晚，但很快跟上了國際上發(fā)展的步伐。現(xiàn)在，我國不但

擁有世界所有類型的計算機制造能力，計算機應用的普及早已使其在國民經(jīng)濟和

綜合國力中占有越來越大的比重。

二、計算機的特點

從古到今，人類發(fā)明了數(shù)不清的機器，兒乎所有的機器都是人類體能的一種

延伸，惟獨計算機有別于其它任何機器，它是個電腦，在一定條件下能代替人腦

自動工作。它具有如下一些特點：

1.運算能力

計算機內(nèi)部有個承擔運算的部件，叫做運算器。現(xiàn)在高性能電腦每秒能進行

幾十億次運算。很多場合下，運算速度起決定作用。例如，計算機控制導航，要

求“運算速度比飛機飛的還快”。再如，氣象預報要分析大量資料］運算速度必

須跟上天氣變化，否則便會失去預報的意義。以往很多工程計算限于計算工具的

落后，只能憑經(jīng)驗公式估計，如今可以利用電腦進行精確求值，省時省料，使產(chǎn)

品不斷更新?lián)Q代。

2.計算精度

數(shù)字式電子計算機用離散的數(shù)字信號形式模擬自然界的連續(xù)物理量，無疑存

在一個精度問題。但是，除特殊情況外，一味地追求高精度是沒有意義的，只

要相對誤差在允許范圍內(nèi)就夠了。實際上，計算機的計算精度在理論上并不受限

制，一般的計算機均能達到15位有效數(shù)字，通過一定技術(shù)手段，可以實現(xiàn)任何

精度要求。

3.記憶能力

在計算機中有一個承擔記憶職能的部件，稱為存儲器。如果沒有存儲器，計

算機就喪失了記憶能力，就不能叫電腦了。計算機存儲器的容量可以做得很大，

能存儲大量數(shù)據(jù)。除能記住各種數(shù)據(jù)信息外，存儲器還能記住加工這些數(shù)據(jù)的程

序。程序是人設計的，反應了人的思想方法和行為動作，記住程序就能模擬和部

分代替人的思維和活動。

4.邏輯判斷能力

邏輯判斷能力就是因果關(guān)系分析能力，分析命題是否成立以便做出相應對

策。例如，讓計算機檢測一個開關(guān)的閉合狀態(tài)，如開路做什么，閉路又做什么。

計算機的邏輯判斷能力是通過程序?qū)崿F(xiàn)的，可以讓它做各種復雜的推理。例如藥

學中的“模式識別”就是藥學科學家用計算機解決的。

5.自動執(zhí)行程序的能力

計算機是個自動化電子裝置，能自動執(zhí)行存放在存儲器中的程序。程序是人

經(jīng)過仔細規(guī)劃事先安排好了的。一旦設計好并將程序輸入計算機后，向計算機

發(fā)出命令，隨后它便成為人的替身不知疲勞地工作起來。我們可以利用計算機這

個特點，去完成那些枯燥乏味令人厭煩的重復性勞動；也可讓計算機控制機器深

入到人類軀體難以勝任的、有毒的、有害的作業(yè)場所。機器人、自動化機床、無

人駕駛飛機、藥物體內(nèi)跟蹤等都是利用計算機的這個能力。

6.多媒體連接能力

計算機具有良好的多媒體外部通訊接口，通過各種多媒體網(wǎng)絡設備，就可以

組成功能強大的多媒體計算機網(wǎng)絡，實現(xiàn)計算機軟件和硬件資源共享。如銀行、

碼頭、機場、車站、郵局、醫(yī)院、學校、機關(guān)等地無處不在的網(wǎng)絡信息系統(tǒng)，隨

時使用手機、收聽廣播、收看電視、接受醫(yī)療和藥物代謝監(jiān)視等項無時不在的網(wǎng)

絡服務系統(tǒng)，背后都一定存在一個大型的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。

7.使用簡便

比起早期的計算機必須由專業(yè)人士才能使用，現(xiàn)在的大多數(shù)計算機使用非常

簡單。從牙牙學語的孩童到蒼蒼白發(fā)的老人，現(xiàn)在都可以使用計算機了。計算機

應用的場合與范圍也不可同日而語了。計算機已經(jīng)從計算機專家的手中解放出來

了，成為了最廣大的普通人群可以把玩的常用工具了。

換個角度考察計算機系統(tǒng)的組成，它又具有分層次的特點。如圖1-2所示，

一個計算機應用系統(tǒng)由硬件、系統(tǒng)軟件和應用軟件組成。

應用軟件

系統(tǒng)軟件

硬件

圖1-2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

硬件是實現(xiàn)計算的平臺，所“會的”是不過的一些簡單計算，軟件是把要做

的事情逐漸分解，拆分為計算機可以做的簡單工序，先輸入給計算機內(nèi)，計算完

后再輸出結(jié)果。這個過程有些像工廠流水線的管理，原料從這邊進去，產(chǎn)品從那

邊出來。

當用戶啟動計算機硬件的電源后，計算機硬件會自動引導系統(tǒng)軟件（如操作

系統(tǒng)，OperatingSystem）進入計算機存儲器，并啟動控制器和運算器開始執(zhí)行

操作系統(tǒng)程序，連接并控制計算機各部分硬件，提供用戶和計算機對話的界面，

以便用戶啟動應用程序，讓計算機完成相關(guān)任務。

當然不同用戶也可以在不同層次上和計算機系統(tǒng)打交道，于是就有了計算機

專業(yè)硬件研究人員和軟件研究人員的區(qū)分。不過大多數(shù)非計算機專業(yè)的用戶不必

經(jīng)常深入研究計算機軟件和硬件，仍然可以學會使用計算機完成各種任務。所有

藥學科學人才只要學好計算機基礎，也一定能夠出色的完成計算機在藥學中應用

的各項任務。

三、計算機的新發(fā)展

隨著計算機應用的需求不斷加大，計算機系統(tǒng)研究機構(gòu)和生產(chǎn)廠商不斷推出

新產(chǎn)品。進入21世紀，上網(wǎng)本（Netbook,上網(wǎng)筆記本計算機）、上網(wǎng)機（Nettop,

上網(wǎng)臺式計算機)、4G通信和第一批無鍵盤智能手機等紛紛涌現(xiàn)，移動領域?qū)?/p>

會更加吸引人們的關(guān)注，各種新的技術(shù)將會讓人們獲得更高的生產(chǎn)效率。根據(jù)有

關(guān)機構(gòu)的數(shù)據(jù)，筆記本計算機的銷量去年首次超過臺式機，顯示了移動生活方式

的興起，這些重大進展的出現(xiàn)，將會徹底改變我們的學習、工作和生活方式，有

人預言現(xiàn)在開始，進入了移動計算的黃金時代。下面列出幾個微型計算機新發(fā)展

的實例：

1.高性能上網(wǎng)本和上網(wǎng)機

2008年已經(jīng)使上網(wǎng)本從一個營銷理念轉(zhuǎn)變成了1400萬臺的銷售數(shù)字。這些

上網(wǎng)本足夠小，足夠輕，便于隨身攜帶，而性能又可足以滿足大多數(shù)用戶的需要。

2009年，隨著英特爾雙核凌動處理器(Atom)330擁有一對計算用的內(nèi)核(與

酷睿2處理器類似)，系統(tǒng)的性能將提升50%,功耗只有2.5瓦，達到主流系統(tǒng)

的需求標準，專為上網(wǎng)本和上網(wǎng)機使用。在未來幾年內(nèi)，每家電腦廠商都會制定

有關(guān)策略，生產(chǎn)各種類型的上網(wǎng)本和上網(wǎng)機，價格也會大大降低，功能卻會極大

改善。

2.固態(tài)存儲磁盤(SolidStateDisk,SSD)

它是一種新型的固態(tài)存儲裝置，不僅能耗更少，讀寫數(shù)據(jù)更快，而且不易損

壞。由于采用新的存儲介質(zhì)，它內(nèi)部沒有機械結(jié)構(gòu)，沒有數(shù)據(jù)查找時間、延遲時

間和尋道時間，性能至少相當于一個15000轉(zhuǎn)的硬盤，因此常被稱為“閃存(Flash

Memory)"o目前，主流的SSD固態(tài)存儲器在操作系統(tǒng)中表現(xiàn)為一塊普通的HDD

(HardDiskDrive)硬盤，用戶可以完全把它作為一塊硬盤來使用?？梢灶A測，

“閃存是計算的未來”。

如今，硬盤廠商都在為傳統(tǒng)硬盤增加兒個G的閃存。這種混合式硬盤利用了

閃存的優(yōu)勢，但價格卻要便宜很多。除此之外，還有一種新技術(shù)將會改變數(shù)據(jù)在

硬盤上的存儲方式，從而使硬盤進入TB時代(1TB=1O24GB)。其中的關(guān)鍵就是

“熱輔助磁寫入(HeatAssistedMagneticRecording,HAMR)”技術(shù)。

3.更優(yōu)良的電池技術(shù)

現(xiàn)在筆記本計算機的電源使用鋰電池仍是主流，鋰電池技術(shù)也正在出現(xiàn)一次

大的飛躍，大大提高電池的性能與使用年限。每塊鋰電池差不多就是一個微型化

工廠，它把存儲在鋰化合物中的化學能轉(zhuǎn)變成電能。電能耗盡之后，便需要充電

以補充化學能。這種反復的充放電過程會在電池內(nèi)收集電流的碳極上產(chǎn)生多層氧

化膜，最終導致電池徹底失效。于是有人研究了一種新燃料電池，它能將甲醇轉(zhuǎn)

變成電能來為筆記本計算機或其他移動設備供電，使用后只剩下水和二氧化碳。

已經(jīng)有一些筆記本計算機廠商花費了數(shù)年時間在改進采用燃料電池的筆記

本計算機原型，有一家公司的燃料電池所設計的使用壽命長達10年，大小和重

量與傳統(tǒng)電池相當，但卻可以用5盎司(約140毫升)甲醇續(xù)航大約20個小時。

筆記本計算機不必再攜帶拖著長長電纜線的電源了。一旦筆記本沒電了，或者出

門忘帶電源線了，也只需要換一個新的燃料罐，便可再次續(xù)航20個小時。

4.隨處在線

設想一下，假如無論在哪兒都可以大約3MBps的速度接入網(wǎng)絡，這差不多就

是4G(4rdGeneration)的概念了。這個速度不僅可以下載大量豐富的圖片，無

間斷地播放視頻，甚至可以召開移動視頻會議，而且這些任務可以在同一時間同

時進行。

另一方面，高速大型計算機也沒有停止發(fā)展。IBM近日宣布，公司正全力研

發(fā)全球速度最快的超級計算機“紅杉(Sequoia)",并預計將于2011年提交使

用。該計算機擁有每秒鐘20千萬億次(petaflop)的浮點運算能力，遠遠超過上代

超級計算機的速度。該計算機效能較高，能耗較低，但體積相對較大，相當于

96臺冰箱。因此，需要一間面積至少為3422平方英尺(合318平方米)的房間來

存放。

還有許多計算機的新發(fā)展，將可以處理終端用戶的設備、傳感器、制動器等

擴展并將其連接到后臺系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以對大量的數(shù)據(jù)進行智能轉(zhuǎn)換，將其變

成行為，使整個系統(tǒng)、過程和設施更有效率、生產(chǎn)力更高、響應更快，也就是更

智能。這意味著整個世界的數(shù)字設施和物理設施正在相互融合，計算能力將以

一種不同于計算機的方式呈現(xiàn)在我們面前。

全世界的許多專家不斷探討可令未來世界和人類生活發(fā)生重大變革的技術(shù)

創(chuàng)新，預測了5項具備這種潛力的技術(shù)趨勢，它們分別是：

1.綠色計算的最終目標。能源優(yōu)化技術(shù)的進步，將使人們?yōu)橛嬎銠C等消費

類電子設備找到和利用全新的電源方式，讓它們無需從電網(wǎng)中獲取電力供應。這

代表著綠色計算的終極目標。

2.更好地生活、工作、娛樂。利用在多核計算和傳感器技術(shù)上的進步，未

來的計算機也許可以辨認出人的面孔、建筑物和其它物體。電視遙控器將知道是

誰在掌握著它，并可以根據(jù)其偏好自動選擇節(jié)目。由于未來計算機的處理器芯片

將從集成幾個內(nèi)核發(fā)展到擁有許多內(nèi)核，裝備它們的主流超級計算機將提供可讓

用戶實時體驗、具備電影畫質(zhì)的視覺計算效果。

3.智能微型機器人。未來的家庭機器人不光會用吸塵器打掃房間，或者模

擬寵物恐龍，或者用洗碗機洗碗等。最重要的是，它們或許還能自主學習移動和

使用任意物體、感覺并辨認出周圍物體的移動，并學會適應新的環(huán)境。

4.一切無線化，輕裝上陣，暢享生活。未來無處不在的無線技術(shù)，可以利

用小巧的個人設備享受到原本在大型設備上才能實現(xiàn)的應用體驗。手機或移動互

聯(lián)網(wǎng)設備（MID）將自動搜尋并連接到附近的顯示屏，然后就近進行數(shù)據(jù)計算和

存儲。視頻內(nèi)容將自動地從手持設備中傳輸?shù)狡嚴锏娘@示屏、或家里的平板顯

示器上。

5.互聯(lián)計算改進醫(yī)療保健?？梢韵胂螅抑斜椴贾砂偕锨€由電池供電

的微型計算機，它們構(gòu)成一個傳感器網(wǎng)絡，負責收集人的健康數(shù)據(jù)并發(fā)送到指定

地點進行處理和進一步分析。通過這種數(shù)據(jù)收集和處理方式，人們待在家里，而

無需奔波于醫(yī)療機構(gòu)，生活質(zhì)量因此得以提高。這些數(shù)據(jù)還有助于預防和發(fā)現(xiàn)早

期疾病，從而達到改進衛(wèi)生保健、降低醫(yī)療成本的目的。

當然，這些美好愿景需要人們積極行動，用不斷的發(fā)明創(chuàng)造來實現(xiàn)。

第二節(jié)信息科學與技術(shù)的發(fā)展

信息科學是以信息為主要研究對象，以信息的運動規(guī)律和應用方法為主要研

究內(nèi)容，以計算機等技術(shù)為主要研究工具，以擴展人類的信息功能為主要目標的

一門新興的綜合性學科。信息科學由信息論、控制論、計算機科學、仿生學、系

統(tǒng)工程與人工智能等學科互相滲透、互相結(jié)合而形成的。由于信息科學關(guān)注的信

息對象分布在不同領域里，因而很難發(fā)現(xiàn)不同領域里的信息現(xiàn)象的共同規(guī)律，所

以發(fā)現(xiàn)不同領域中信息現(xiàn)象的共同規(guī)律是信息科學的根本出發(fā)點。

信息技術(shù)（InformationTechnology,簡稱IT）是主要用于管理和處理信息所

采用的各種技術(shù)的總稱。它主要是應用計算機科學和通信技術(shù)來設計、開發(fā)、安

裝和實施信息系統(tǒng)及應用軟件。它也常被稱為信息和通信技術(shù)(Informationand

CommunicationsTechnology,ICT)O主要包括傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)。

信息技術(shù)的應用包括計算機硬件、軟件、網(wǎng)絡、通訊技術(shù)和應用軟件開發(fā)工具等。

計算機和互聯(lián)網(wǎng)的普及以來，人們?nèi)找嫫毡榈厥褂糜嬎銠C來生產(chǎn)、處理、交換和

傳播各種形式的信息(如書籍、商業(yè)文件、報刊、唱片、電影、電視節(jié)目、語音、

圖形、影像等)。

一、信息技術(shù)的基礎

信息技術(shù)的基礎包括新材料、新能源、新器件的開發(fā)和制造技術(shù)。近兒十年

來，發(fā)展最快、應用最廣泛、對信息技術(shù)以及整個高科技領域的發(fā)展影響最大的

是微電子技術(shù)和光電子技術(shù)。

1.微電子技術(shù)

微電子技術(shù)是以集成電路為核心的各種半導體器件基礎上的高新電子技術(shù)。

集成電路的生產(chǎn)始于1959年，其特點是體積小、重量輕、可靠性高、工作速度

快。大規(guī)模集成電路指每一單晶硅片上可以集成制作1000個以上的元器件。集

成度在104To5以上元器件的為超大規(guī)模集成電路。國際上80年代大規(guī)模和超

大規(guī)模集成電路光刻標準線條寬度為0.7至0.8微米，集成度為10\90年代的

標準線條寬度為0.3—0.5um,集成度為109o目前，標準線條寬度已經(jīng)達到0.03

微米的水平。集成電路有專用電路和通用電路。通用電路中最典型的是存儲器和

處理器，應用極為廣泛。計算機的換代就取決于這兩種集成電路的集成規(guī)模。微

電子技術(shù)是當今世界新技術(shù)革命的基石，給各行各業(yè)帶來了革命性的變化。

市場上英特爾2009年發(fā)布的名為凌動的處理器，由于采用45納米Hi-k金屬

柵極技術(shù)生產(chǎn)，每個芯片中封裝了4700萬個晶體管，尺寸還不到25平方毫米，

11個芯片也只有人民幣一角錢硬幣的大小，功耗規(guī)格在0.6瓦至2.5瓦之間，速

度可以達到1.8GHz,是目前最小的最低功耗的處理器。

2.光電子技術(shù)

光電子技術(shù)是繼微電子技術(shù)之后近30年來迅猛發(fā)展的綜合性高新技術(shù)。1962

年半導體激光器的誕生是近代科學技術(shù)史上的一個重大事件。經(jīng)歷十多年的初期

探索，從70年代后期起，隨著半導體光電子器件和硅基光導纖維兩大基礎元件

在原理和制造工藝上的突破，光子技術(shù)與電子技術(shù)開始結(jié)合并形成了具有強大生

命力的信息光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。光電子技術(shù)是一個比較龐大的體系，它包括信息

傳輸如光纖通信、空間和海底光通信等；信息處理如計算機光互連、光計算、光

交換等；信息獲取如光學傳感和遙感、光纖傳感等；信息存儲如光盤、全息存儲

技術(shù)等；信息顯示如大屏幕平板顯示、激光打印和印刷等，還包括光化學、生物

光子學及激光醫(yī)學、有機光子學與材料、激光加工、激光慣性約束核聚變、光子

武器等諸多分支學科和應用領域。其中信息光電子技術(shù)是光電子學領域中最為活

躍的分支，對國民經(jīng)濟和國防建設有舉足輕重的影響。在信息技術(shù)發(fā)展過程中，

電子作為信息的載體做出了巨大的貢獻。但它也在速率、容量和空間相容性等方

面受到嚴峻的挑戰(zhàn)。采用光子作為信息的載體，其響應速度可達到飛秒（10一4）

量級，比電子快三個數(shù)量級以上。加之光子的高度并行處理能力使其具有遠超出

電子的信息容量與處理速度的潛力。充分地綜合利用電子和光子兩大微觀信息載

體各自的優(yōu)點，必將大大改善電子通信設備、電子計算機和電子儀器的性能，促

使目前的信息技術(shù)躍進到一個新的階段。

二、信息技術(shù)的范疇

信息技術(shù)的范疇包括有關(guān)信息的獲取、傳輸、處理、控制的設備和系統(tǒng)的所

有技術(shù)。其中感測技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、智能技術(shù)和控制技術(shù)是整個信

息技術(shù)的核心。

1.信息獲取技術(shù)

獲取信息是利用信息的先決條件。目前，主要的信息獲取技術(shù)是數(shù)據(jù)采集、

傳感技術(shù)、遙測技術(shù)和遙感技術(shù)。這些技術(shù)的主要功能是將各種信息及時準確地

捕獲并轉(zhuǎn)化成計算機可以處理的數(shù)據(jù)。

2.信息處理技術(shù)

信息處理是指對獲取的信息進行識別、轉(zhuǎn)換、加工，使信息安全地存儲、傳

輸，并能方便地檢索、再生、利用，或便于人們從中提煉知識、發(fā)現(xiàn)規(guī)律的工作

手段。

長期以來，人類都是以人工的方式對信息進行處理，在計算機誕生以來，計

算機技術(shù)（包括計算機硬件和計算機軟件等技術(shù)）成為現(xiàn)代信息技術(shù)的核心。

3.信息傳輸技術(shù)

信息傳輸技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要支撐，如電子通訊技術(shù)、光纖通信技術(shù)、

衛(wèi)星通信技術(shù)等。通信技術(shù)的功能是使信息在大范圍內(nèi)迅速、準確、有效地傳遞,

以便讓廣大用戶共享，從而充分發(fā)揮其作用。

4.信息控制技術(shù)

信息控制技術(shù)就是利用信息傳遞和信息反饋來實現(xiàn)對目標系統(tǒng)進行控制的

技術(shù)，如導彈控制系統(tǒng)技術(shù)等。在信息系統(tǒng)中，對信息實施有效的控制一直是信

息活動的一個重要方面，也是利用信息的重要前提。

5.信息存儲技術(shù)

中國四大發(fā)明之一的紙是一種古老的信息存儲介質(zhì)，近、現(xiàn)代以來發(fā)明的縮

微品、磁盤、光盤、固盤是現(xiàn)代信息存儲介質(zhì)，與它們相對應的技術(shù)便構(gòu)成了古

老的和現(xiàn)代的信息存儲技術(shù)。

三、信息技術(shù)的應用

針對信息管理、信息控制、信息決策等種種實用需求，信息技術(shù)的應用日益

發(fā)展，工業(yè)自動化、辦公自動化、家庭自動化、人工智能化、信息網(wǎng)絡化逐步實

現(xiàn)。信息技術(shù)在社會的各個領域得到廣泛的應用，顯示出強大的生命力。

縱觀人類科技發(fā)展的歷程，還沒有一項技術(shù)像信息技術(shù)一樣對人類社會產(chǎn)生

如此巨大的影響。它已滲透到社會的各行各業(yè)，正在改變著傳統(tǒng)的工作、學習和

生活方式，推動著社會的發(fā)展。下面僅舉幾例即可窺見一斑。

1.工商

工商是應用計算機較早的領域之一，現(xiàn)在大多數(shù)的公司都嚴重地依賴計算機

維持自己的正常運轉(zhuǎn)。

在銀行，計算機每天要處理大量的文檔，如支票、存款單、取款單、貸款和

抵押清償?shù)葞缀跛械钠睋?jù)，賬戶的結(jié)算更是通過計算機完成的。另外，大多數(shù)

銀行都提供了自動化服務，如24小時服務的自動柜員機（ATM）、電子轉(zhuǎn)賬、

賬單自動支付等，這些服務都需要計算機來完成。對銀行業(yè)來說，計算機技術(shù)最

大的優(yōu)點是提高了票據(jù)處理的效率。每天都有幾十億的票據(jù)由計算機處理，效率

提圖了20%-30%o

在商業(yè)，不僅零售商店運用計算機管理商品的銷售情況和庫存情況，為經(jīng)理

提供最佳的決策，而且實現(xiàn)了電子商務，即利用計算機和網(wǎng)絡進行商務活動。

在建筑業(yè)，建筑物的內(nèi)部和外部都可以用計算機進行詳細的設計，生成動畫

形式的三維視圖。在正式動工之前，可以預覽完工后的效果，還可以檢測設計是

否完整以及是否符合標準。

在制造業(yè)，從而包機到航天器等各種類型的產(chǎn)品都可以用計算機設計。計算

機設計的圖形可以是三維圖形，可在屏幕上自由旋轉(zhuǎn)，從不同的角度表現(xiàn)設計，

清晰地展現(xiàn)所有獨立的部件。計算機還可以生產(chǎn)設備，實現(xiàn)從設計到生產(chǎn)的完全

自動化。

2.教育

早期的計算機輔助教育是非常機械的。通常計算機在屏幕上顯示一道題，讓

學生輸入或選擇答案。顯然，這種軟件不能激發(fā)學生的創(chuàng)造力和想象力，很快讓

人厭煩。隨著多媒體的廣泛應用，教育軟件不僅僅是顯示簡單的文字和圖形，甚

至還包括音樂、語音、三維動畫及視頻。有些軟件采用真人發(fā)音方式，讓學生更

加投人地練習語言發(fā)音。有些軟件采用了“仿真技術(shù)”，試圖在屏幕上再現(xiàn)現(xiàn)實

世界的某些事物，例如讓醫(yī)學院的學生在計算機上進行人體解剖實驗。開展計算

機輔助教育不僅使學校教育發(fā)生了根本變化，還可以使學生在學校里就能體驗計

算機的應用，使學生牢固地樹立計算機的應用意識，培養(yǎng)出跨世紀的復合型人才。

計算機在教育領域的另一個重要應用是遠程教育。當今的網(wǎng)絡技術(shù)和通信技

術(shù)已經(jīng)能夠在不同的站點之間建立起一種快速的雙向通信，使得學生可以在家里

向遠地的老師提問，教師也可以及時地回復學生的問題。目前，許多大學都建立

了網(wǎng)絡學院，開展遠程授課。

3.政府

所謂電子政府，就是在網(wǎng)上成立一個虛擬的政府，在Internet上實現(xiàn)政府的

職能工作。凡是在網(wǎng)下可以實現(xiàn)的政府職能工作，在網(wǎng)上基本上都要實現(xiàn)（一些

特殊情況除外）。政府上網(wǎng)以后，可以在網(wǎng)上向所有公眾公開政府部門的有關(guān)資

料、檔案、日?；顒拥?。在網(wǎng)上建立起政府與公眾之間相互交流的橋梁，為公眾

與政府部門打交道提供方便，并從網(wǎng)上行使對政府的民主監(jiān)督權(quán)利。同時，公眾

也可從網(wǎng)上完成如納稅、項目審批等與政府有關(guān)的各項工作。在政府內(nèi)部，各部

門之間也可以通過Internet互相聯(lián)系，各級領導也可以在網(wǎng)上向各部門做出各項

指示，指導各部門機構(gòu)的工作。

4.娛樂

計算機游戲已經(jīng)不再像早期的下棋游戲那樣簡單，而是多媒體網(wǎng)絡游戲。遠

隔千山萬水的玩家可以把自己置身于虛擬現(xiàn)實中，通過Internet可以對戰(zhàn)。今后

有一個趨勢是游戲與影視劇的互動，即在拍攝影視劇的同時制作相應的游戲。在

影視劇的主人翁與游戲中的主人翁會相互切換，真正做到劇中有我，游戲中有你,

游戲與影視劇情融為一體。

5.科研

計算機在科研中一直占有重要的地位。第一臺計算機ENIAC就是為科研發(fā)

明的?，F(xiàn)在許多實驗室都用計算機監(jiān)視與收集實驗及模擬期間的數(shù)據(jù)，隨后用軟

件對結(jié)果進行統(tǒng)計分析，并判斷它們的重要性。在許許多多的科研工作中，計算

機都是不可少的工具。

6.家庭

從迄今為止的技術(shù)來看，未來家庭所有的信息產(chǎn)品都將實現(xiàn)數(shù)字化，報紙、

雜志和書籍以及照片、音樂、聲音和影像等信息的處理、存儲和傳輸也在應用數(shù)

字化技術(shù)。在家庭的大容量計算機不僅能夠接收報紙、雜志和書籍，而且能夠通

過有線或無線接收電影、音樂等信息產(chǎn)品和新聞、天氣預報等電視節(jié)目，它不僅

僅是信息接收裝置，而且還是從家庭向外播發(fā)信息的中心。家庭內(nèi)的所有電子和

電氣產(chǎn)品都將相互或者與Internet連接，家庭、學校、政府機關(guān)、醫(yī)院、企事業(yè)

單位等都被連接在一起，申請、申報、定貨、咨詢等過去通過電話和到郵局去辦

理的手續(xù)今后都可以在電子認證的前提下改用網(wǎng)絡，并且由于采用了移動通信技

術(shù)，因而出差在外地也能夠享受像在家里那樣的服務。嵌入了計算機的數(shù)字化家

庭電器經(jīng)由家庭內(nèi)網(wǎng)絡與因特網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，從外部可以對水、電、氣等進行有效的控

制，達到節(jié)約能源和資源的目的。

四、信息技術(shù)的特點

在社會生產(chǎn)力發(fā)展、人類認識和實踐活動的推動下，信息技術(shù)將得到更深、

更廣、更快的發(fā)展，其主要特點可以概括為數(shù)字化、多媒體化、高速度、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(jīng)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)男畔⑵焚|(zhì)

又比模擬傳輸?shù)钠焚|(zhì)要好得多。許多種信息形態(tài)能夠被結(jié)合、被創(chuàng)造，例如多媒

體文件。無論在世界任何的角落，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)字式用品也將被制造出來，有些小巧得足以

放進口袋里，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

多媒體技術(shù)將文字、聲音、圖形、圖像、視頻等信息媒體與計算機集成在一

起，使計算機的應用由單純的文字處理進人文、圖、聲、影集成處理。隨著數(shù)字

化技術(shù)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方式和思考方式來設

計與操作。

3.高速度、網(wǎng)絡化、寬頻帶

目前.，幾乎所有的國家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(jīng)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?條花園小徑。下?代的Internet技術(shù)(Internet

2)的傳輸速率將可以達到2.4Gb/So

4.智能化

直到今日，不僅是信息處理裝置本身兒乎沒有智慧，作為傳輸信息的網(wǎng)絡也

兒乎沒有智能。對于大多數(shù)人而言，只是為了找到有限的信息，卻要在網(wǎng)絡上耗

費許多時間。隨著未來信息技術(shù)向著智能化的方向發(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。“軟件代理”不再需要瀏覽器，它本身就是

信息的尋找器，它能夠收集任何可能想要在網(wǎng)絡上取得的信息，不但速度快，而

且容量大。各行各業(yè)都依賴于信息決策，而智能化、高速度和大容量是信息綜合

決策的基礎條件。Internet帶寬越來越大，信息內(nèi)容越來越豐富，為人類社會的

信息需求提供了有益的幫助。

五、信息技術(shù)的影響

信息技術(shù)的發(fā)展對社會具有重大意義。主要表現(xiàn)在：促進了社會生產(chǎn)力的發(fā)

展，大大提高勞動生產(chǎn)率；對全社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生了重大影響，形成了新

的產(chǎn)業(yè)；使信息的收集和處理加快，信息的生產(chǎn)、收集、處理和傳播，在社會生

產(chǎn)中的位置越來越重要，促進了社會的進步。具體地說，信息技術(shù)對社會具有以

下一些影響。

1.信息技術(shù)在社會中起著決定作用

在信息社會里，信息技術(shù)代表世界上最新的生產(chǎn)力。信息技術(shù)中囊括了眾多

同智能有關(guān)的技術(shù)即用機器代替人腦的技術(shù)，因而它的發(fā)展能帶動整個高新技術(shù)

的發(fā)展，實現(xiàn)裝備的微型化、自動化，并使產(chǎn)品變得短、小、薄、精。更重要的

是，信息技術(shù)通過蛛網(wǎng)一樣縱橫交錯、高速運行的網(wǎng)絡和終端，把所有產(chǎn)業(yè)部門

和服務部門聯(lián)系起來，縮小了空間范圍，縮短了作業(yè)時間，從而形成了新的產(chǎn)業(yè)

格局。這里所說的服務部門，包括商業(yè)、銀行業(yè)、保險業(yè)、郵電通信業(yè)、交通運

輸業(yè)、教科文事業(yè)和行政事業(yè)。信息技術(shù)能將原始狀態(tài)的信息從無序變?yōu)橛行颍?/p>

經(jīng)過通信網(wǎng)絡“飛”往世界各地，在生活和生產(chǎn)中發(fā)揮巨大作用。信息技術(shù)能將

勞動者、勞動資料和勞動對象緊密地“粘”在一起。信息技術(shù)將在社會中無處不

在、無孔不入。

2.信息知識成了社會的最重要資源

在農(nóng)業(yè)社會中，戰(zhàn)略資源是土地；在工業(yè)社會中，戰(zhàn)略資源是資本；而在信

息社會中，戰(zhàn)略資源是信息。價值的增加主要靠知識，而不是復雜勞動。

由于信息的猛增，急需高度發(fā)達的信息收集、處理、傳輸和檢索系統(tǒng)，因此,

在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和服務性行業(yè)之外，形成了新的產(chǎn)業(yè)，即信息產(chǎn)業(yè)，它不生產(chǎn)物質(zhì)

和能源，而是生產(chǎn)信息.如科研、設計部門生產(chǎn)知識性信息；文化教育、郵電、

新聞出版、廣告和情報等部門進行信息傳播和傳遞；計算機服務、醫(yī)務以及各種

辦公室人員，進行知識或數(shù)據(jù)等信息處理，產(chǎn)生新的信息等。信息產(chǎn)業(yè)人員的共

同特點是運用知識進行工作。就是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務行業(yè)里，知識在勞動中也

越來越占有重要的比重。所謂信息產(chǎn)業(yè)，狹義上是指電子信息工業(yè)，廣義上是指

信息設備業(yè)、信息網(wǎng)絡業(yè)和信息服務業(yè)。其中，信息服務業(yè)包括信息處理服務、

信息提供服務、軟件開發(fā)服務、信息咨詢服務等，是國民經(jīng)濟的倍增器。隨著信

息服務業(yè)的迅猛發(fā)展，世界市場的競爭將不僅是資本、產(chǎn)品的競爭，而更加激烈

的是信息的競爭。信息產(chǎn)業(yè)超過了其他行業(yè)的總和，成為國民經(jīng)濟的主導。

3.大多數(shù)人從事信息知識的管理和生產(chǎn)工作

在這個社會中，大多數(shù)人從事信息的管理和生產(chǎn)工作，主要是腦力勞動，只

有少數(shù)人從事商品生產(chǎn)工作.人們必須擁有知識信息，才能參與社會活動，適應

環(huán)境的變化。

有一篇文章，形象地說明了在信息社會里，勞動力的主體將變?yōu)樾畔⒐ぷ髡摺?/p>

文章中寫道：“我們將來有些什么工作呢？將來是這樣一個金字塔：最高層是信

息生產(chǎn)者一科學家、技術(shù)員和個人信息服務員；接下來是信息傳播者一教師、公

共信息傳播人員、交流人員等；再接下來是協(xié)調(diào)和管理人員一信息分析員、市場

調(diào)查專家、計劃人員和監(jiān)督人員；再接下來還有信息處理人員；最后是信息業(yè)基

礎設施工作人員，包括機器操作人員和通信工作人員?！?/p>

4.職業(yè)更新頻繁，人際交往頻繁

由于信息技術(shù)的發(fā)展，知識以加速度方式積累，知識更新的速度也越來越快,

信息知識流通量劇增，形成了所謂的知識爆炸。特別是近30年來，許多國家投

入了大量的人力、物力、財力發(fā)展科學技術(shù)的研究，并且使科研與生產(chǎn)緊密結(jié)合,

大大縮短了科研成果使用化的周期。知識更新的加快,必然會影響到職業(yè)的更換,

由于科學技術(shù)發(fā)展帶來的知識密集型的生產(chǎn)具有科學技術(shù)高度分化又高度綜合

化的特點，新產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)，老產(chǎn)業(yè)不斷更換，人們必須具有較廣泛的知識基礎，

才能適應職業(yè)更換的需要。

由于信息流通十分發(fā)達，信息傳送速度越來越快，并且信息傳送距離也越來

越遠。因此，人們之間的聯(lián)系將比以前大為頻繁，世界將變?yōu)橐粋€地球村;

5.促進人類信息素養(yǎng)提高

由于信息的流通變得十分方便，可供人們選擇的物質(zhì)和精神生活將十分豐富

多彩，作為處理信息的工具,計算機將成為信息社會中每個公民的有力助手,

計算機網(wǎng)絡面向每個人，人民信息素養(yǎng)普遍提高，不懂計算機的人將成為新的

文盲。

六、信息技術(shù)的新發(fā)展

進入21世紀，信息技術(shù)不但一刻也沒有停止發(fā)展，反而發(fā)展速度越來越快，

適應的情形也越來越復雜。信息科學與技術(shù)的核心是計算機，計算機最底層的工

作，就是“重復”地計算，而且每次做事情時，可以重復利用以前的軟件，工作

就大大簡化，若不能重復使用，計算機其實比人還“笨”，也就是因為這個“重

用”，讓計算機的能力越來越神奇。下面就從計算機軟件與硬件兩個方面說明一

下重用的發(fā)展：

1.從模塊編程到面向?qū)ο?，再到SOA

我們知道，雖然計算機有很多語言，但其設計思路只有順序、轉(zhuǎn)折、循環(huán)三

種，其中轉(zhuǎn)折是條件的判斷，這一點計算機不如人，人可以多個判斷條件兼顧，

并很快選擇重要的條件因素，而計算機只會一個一個看，再高明的“算法”也是

人思路總結(jié)的便捷判斷方式；但在循環(huán)方面，計算機就表現(xiàn)得非常優(yōu)秀，讓計算

機重復兒萬次，可以完全一樣；而人來做這件事情，很快就會“找不到北了”，

所以計算機的出現(xiàn)在求解方程的疊代計算、財務的記帳、資料的統(tǒng)計等方面，計

算機簡直就是“千百人”能力的疊加。循環(huán)就是部分程序的重用，重復是計算機

的強項。

所以在計算機軟件設計時，重用…直是設計中的靈魂，軟件發(fā)展思想一直是

在不斷地加強重用的能力。參見圖1-3所示。

業(yè)務.戶一

業(yè)務流.設計者I?……-SOA-業(yè)務功能重用

軟件系統(tǒng)設計者卜……一面向?qū)ο笠还δ苤赜?/p>

I

軟件編寫者——模塊編程一軟件內(nèi)重用

丁

軟件程序

圖1-3軟件重用技術(shù)的發(fā)展

模塊編程：在早期編程時，比較流行的設計思想是模塊編程，也就是通過設

計可以重復使用的程序功能塊，作為過程或函數(shù)來調(diào)用，讓程序結(jié)構(gòu)化，設計簡

單化。在那個時代，能讓自己的軟件最大的重用是很不錯的事，要設計個下拉菜

單、畫個小圖標，需要自己不斷完善自己的“軟件庫”。

正是由于這種軟件低度共享的緣故，軟件開發(fā)人員一般是比較“專業(yè)”的人

員，而開發(fā)的應用軟件又都是業(yè)務管理軟件，計算機人員與業(yè)務使用人員對業(yè)務

的理解與對計算機能力的理解相差甚遠，確認大家溝通的“語言與方式”往往是

軟件設計成敗的關(guān)鍵。

面向?qū)ο螅耗苤赜酶嗟能浖K的開發(fā)管理，讓大家的工作能有積累效應,

軟件設計思路從編程人員到軟件系統(tǒng)設計者的角度，出現(xiàn)了功能與數(shù)據(jù)封裝在一

起的‘'重用"，這就是面向?qū)ο蟮木幊獭?/p>

面向?qū)ο蠓绞阶寯?shù)據(jù)與程序一起重用，等于應用功能的重用，讓軟件界的工

作得到共同積累，專門為其他軟件開發(fā)者提供中間件的專業(yè)軟件公司相繼出現(xiàn)。

現(xiàn)在軟件設計者再也不用為菜單、打印等“通用”的功能而花時間，開發(fā)者有了

更多的時間研究業(yè)務的流程、用戶化的設計，IT人員開始與業(yè)務人員進行更多

的交流，敏捷編程思想開始流行，IT管理者也逐步走到企業(yè)核心管理者的團隊

中。

SOA（Service-OrientedArchitecture,面向服務架構(gòu)體系）：S0A的出現(xiàn)不是

為了軟件編程，它讓很多人不理解，所謂的服務究竟是要干什么，有些象系統(tǒng)集

成中的搭積木，我們順著模塊編程到面向?qū)ο蟮陌l(fā)展思路，再向前走一步就明白

T：既然應用中的對象已經(jīng)可以重用，下一步就是把業(yè)務流程拆解為可重用的子

流程，重用的程度上升為業(yè)務流程設計層面，所謂服務就是為業(yè)務流程用戶提供

的實現(xiàn)平臺，能盡可能地重用，企業(yè)的業(yè)務支撐就可以快速組建，業(yè)務流程可以

快速重造。S0A的五大關(guān)鍵因素有兩個是作基礎支撐的，一個是連通，另一個就

是重用，重用是S0A快捷支撐企業(yè)業(yè)務能力的靈魂。

所以說S0A是高級可重用的編程思路，把軟件設計的著眼點從編程人員轉(zhuǎn)移

到業(yè)務流程設計人員，讓業(yè)務用戶與IT人員的“對話”更加“職業(yè)”，計算機已

經(jīng)成為最為普通的工具，軟件開發(fā)成為業(yè)務人員的工作，而不再是計算機專業(yè)人

員的工作了。

軟件開發(fā)思路的變化，體現(xiàn)在計算機普及的歷程上，但其重用的思想不僅沒

有改變，而且在不斷地光大，“可重用”也不再只是計算機專業(yè)理解的專業(yè)術(shù)語,

而是使用計算機所有人員的新思維方式。

2.從虛擬計算機到云計算

重用在軟件開發(fā)思路上的展現(xiàn)是計算機設計者開始就有的想法，硬件設計者

也一直在希望硬件的重用。在單臺的計算機上運行多用戶的系統(tǒng)，讓多個人使用

不同應用在早期的計算機上就開始了，因為那時計算機是奇缺資源；后來PC普

及后，在PC上運行單用戶的多線程，讓一個用戶可以同時做不同的事情。隨著

CPU的功能日漸強大，人們開始希望更多、更靈活的硬件平臺了，計算機的虛擬

技術(shù)開始流行。

如何理解虛擬呢？在計算機網(wǎng)絡設計時，為了處理不同廠家、不同技術(shù)的共

同開發(fā)，提出了分層的概念，網(wǎng)絡分為7層(OSI)或5層(Internet),每個層實

現(xiàn)本層次的功能，對上提供實現(xiàn)接口，對下提供調(diào)用接口，層次概念簡化了復雜

系統(tǒng)的設計難度，也讓不同層面的設計者有了不同的設計思路，不再擔心下面層

次的具體實現(xiàn)方式。用層次的概念理解虛擬計算機就容易多了。參見圖1-4所

/J、.O

虛擬計算機II虛擬計算機II虛擬計算機

虛擬機管理

外

輸

U網(wǎng)

絡

存

CPUCP入

儲

輸

內(nèi)

存儲

內(nèi)存儲出

物理計算機物理計算機一

圖1-4虛擬計算機的概念示意圖

虛擬計算機：虛擬計算機實際就是計算機硬件組件的重用。

首先是存儲資源，存儲技術(shù)已經(jīng)從計算資源中分離，形成規(guī)模宏大的網(wǎng)絡存

儲技術(shù)，如網(wǎng)絡附屬存儲(NetworkAttachedStorage,NAS)＞存儲域網(wǎng)絡

(StorageAreaNetwork,SAN),以及虛擬磁帶庫(VirtualTapeLibrary,

VTL),離線存儲磁帶與光盤系統(tǒng)等，不同廠家的存儲虛擬為一個大存儲池，對

于應用系統(tǒng)來說，不再關(guān)心數(shù)據(jù)具體存在哪里，只要交給存儲系統(tǒng)就可以，至于

如何保證數(shù)據(jù)在系統(tǒng)的可用是存儲系統(tǒng)自己的事情，備份、容災、RAID技術(shù)等

數(shù)據(jù)安全都不用應用系統(tǒng)的人再關(guān)心了。

其次是計算資源，尤其是目前多核CPU的出現(xiàn)，應用程序需要兒個CPU、多

大內(nèi)存、什么操作系統(tǒng)、什么數(shù)據(jù)庫支持，在虛擬計算機中都是可以動態(tài)分配的,

也就是隨時根據(jù)需要，從目前的所有計算機硬件中虛擬出一臺最適合的計算機。

由于資源是按需分配，所以硬件的利用率自然提高。

虛擬就是把計算機的硬件變成可以隨意組裝的積木。

云計算：云計算是IBM提出的新技術(shù)，采用單個性能一般的計算機群體，完

成超級計算機才能提供的計算性能。IBM給出的定義：云計算是一種通過虛擬化

的方式共享資源的計算，計算資源可以動態(tài)部署、動態(tài)調(diào)度、動態(tài)回收。在云計

算的設施中，各種計算機被連接在一起，形成統(tǒng)一的資源池，這些資源會被動態(tài)

地分配給不同的應用和服務，滿足它們在不同時刻的需求。云計算有兒個顯著的

特點：

(1)分布式：計算機可以部署在不同的網(wǎng)絡點上，可以虛擬統(tǒng)一管理，也

可以單獨使用。分布方式方便了可重用的構(gòu)架實現(xiàn)，可以把計算機資源分成更細

的重用單元，可重用的組合越精細，復雜度也會增加。

(2)虛擬化：應用與計算機硬件不綁定，根據(jù)應用的需要虛擬出應用需求

的計算機使用，實際上就是增加了虛擬管理層。

(3)動態(tài)可擴展：虛擬的計算機比非虛擬的好處，就是動態(tài)擴展的方便，

因為業(yè)務的發(fā)展，對計算機、存儲等資源的需求會動態(tài)增大，而也不希望業(yè)務因

系統(tǒng)升級而中斷，動態(tài)擴展也是虛擬計算的天生亮點。

(4)靈活：云計算的虛擬可以支持不同應用的環(huán)境需求，包括CPU、存儲的

硬件需求，也包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、中間件等軟件環(huán)境。

云計算可以說是虛擬計算機的高級階段，它與網(wǎng)格計算的差異是網(wǎng)格計算允

許計算資源的不同構(gòu)，當然也犧牲了管理性能的代價。云計算機采用同構(gòu)計算資

源，對于效率的提高是有好處的，適合企業(yè)的計算中心整合。

3.SOA與云計算的聯(lián)合

重用的思路貫穿到計算機的軟硬件設計中，但兩者也是融合的，把兩者放在

一起，就是目前的計算機構(gòu)架。參見圖15所示。

流程服務交互服務(門戶)信息服務

企業(yè)服務總線ESB

云計算架構(gòu)(虛擬計算機管理)

硬件基礎設施

圖1-5未來的計算機系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

未來的計算機從軟到硬都是“虛擬”的，真正為人類提供互聯(lián)網(wǎng)上的“虛擬”

社會就是更加方便了。

還有一些計算機的新技術(shù)如IPv6技術(shù)、電力線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、超桌面計算、服

務器及相關(guān)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)倉庫和知識發(fā)現(xiàn)、企業(yè)資源計劃（ERP）、

計算機游戲開發(fā)技術(shù)、UML、WebServices技術(shù)、流媒體和虛擬現(xiàn)實等內(nèi)容。

第三節(jié)計算機在藥學中的應用

近兒十年來，由于計算機在藥學中的應用促進藥學學科產(chǎn)生了一系列的重要

成就。到目前為止已經(jīng)產(chǎn)生如下諸多方面的影響：

1、計算機與藥學的結(jié)合，產(chǎn)生了一系列新興的邊緣學科，如計算藥劑學、

計算藥理學、計算藥物分析學、計算藥物代謝與計算藥物動力學、藥學模式識別

等。

2、使用計算機擺脫了憑經(jīng)驗作圖或表格式數(shù)據(jù)處理的方式，大規(guī)模試驗設

計和統(tǒng)計分析成為可能，促進了藥學實驗數(shù)據(jù)處理方式與方法的發(fā)展。

3、用計算機自動控制分析測試儀器，采集測試數(shù)據(jù)并進行相應處理，提高

了儀器測試精度和實驗室的自動化程度，加快了測試速度，保證了測試精度和靈

敏度。

4、使用計算機和國際互聯(lián)網(wǎng)檢索文獻，加速了情報信息的交流，為科學研

究和生產(chǎn)活動贏得了大量寶貴時間，減少不必要的浪費。

5、使用計算機搜集情報數(shù)據(jù)，建立和完善了諸多數(shù)據(jù)庫，加之人工智能活

動，可以組成諸多專家系統(tǒng)，促進知識提取、儲藏、開發(fā)和應用。

6、使用計算機促進了藥學理論體系的完善，如中藥中大量藥學信息的模式

識別、有效物質(zhì)基礎研究、藥理藥效活性成分研究、藥物代謝和藥物動力學研究

方面等。

7、使用計算機促進了藥物設計、高通量藥物篩選和實驗室成果放大生產(chǎn)，

大大加速了制藥工程工藝的改革，提高了產(chǎn)量，降低了消耗，保證了質(zhì)量。

8、使用計算機模擬藥學實驗、處理實驗數(shù)據(jù)等，促進了高等藥學大專院校

開展計算機輔助教學、輔助實驗和輔助管理，教學質(zhì)量有所提高。

一、藥學信息學

隨著藥學科學的飛速發(fā)展和與其他相關(guān)學科的相互滲透，文獻數(shù)量劇增，人

工檢索已難于適應要求。借助計算機檢索服務，可以在兒分鐘內(nèi)完成一個課題的

全面檢索工作，大大節(jié)省科研人員查找資料的時間。世界各科技強國都致力于發(fā)

展計算機檢索系統(tǒng)，并進行國際性大協(xié)作，把科學技術(shù)情報作為世界各國共享的

財富。

使用計算機可進行定期情報檢索，根據(jù)用戶預定的主題詞定期從現(xiàn)刊中檢索

出有關(guān)情報，跟蹤同類專題的動態(tài)和進展；也可進行追溯檢索，普查一定時段內(nèi)

的情報資料，全面系統(tǒng)了解有關(guān)課題的信息；還可進行國際聯(lián)機檢索，解決某些

課題檢索的急需，有著較高的時效性。國際聯(lián)檢系統(tǒng)終端往往通過電話線或通訊

網(wǎng)絡與世界上多個聯(lián)機系統(tǒng)多達幾百個數(shù)據(jù)庫相聯(lián)，具有極大的信息量，數(shù)據(jù)庫

更新周期又較短。缺點是上機操作復雜，檢索費用高。

DIALOG是目前世界上最大的國際聯(lián)檢系統(tǒng)，從1963年開始建造，1972年

正式使用，存儲專業(yè)面很廣，包括自然科學和社會科學各個領域，其中與藥物設

計有關(guān)的有CASEARCH等數(shù)據(jù)庫。據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)已開通十多個國際聯(lián)檢系統(tǒng),

DIALOG使用最多，占總機時的80%以上，其中的CASEARCH是使用最多的

數(shù)據(jù)庫，又占了80%以上。CASEARCH數(shù)據(jù)庫的信息來源于世界上化學文獻

收藏最全的美國化學文摘（ChemicalAbstract,CA）,使用CASEARCH,可以進

行特定化學物質(zhì)制備與生產(chǎn)的文獻檢索，也可以進行新合成化合物的查新。

美國科學情報研究所出版的科學引文索引（ScienceCitationIndex,SCI）除手

冊外還有光盤版和聯(lián)機檢索，聯(lián)機檢索可快捷方便地檢索到1周前的收錄，時效

性極強。

20世紀80年代，以美國化學文摘社（CAS）為主，由德國專業(yè)信息中心（FIZ）

和日本科技信息中心（JICST）加盟，成立了國際科技信息檢索網(wǎng)（Scientificand

TechnicalInformationNetwork,STNinternational）,提供了多學科數(shù)據(jù)庫的聯(lián)檢。

如由1000多萬個記錄組成的主題CA數(shù)據(jù)庫CAFile；收載1967年以前老文獻

的CAOLDFile；有著1700多萬個CA登錄號的各種化學物質(zhì)登錄號數(shù)據(jù)庫

REGISTRY；反應數(shù)據(jù)庫CASREACT和專利數(shù)據(jù)庫MARPAT；英國Derwent藥

物數(shù)據(jù)庫DDFB/DRUGB（收載1964年至1982年）和DDFU/DRUGU（收載1983

年以后）；新藥物產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫DRUGLAUCH（1982年以后）。

現(xiàn)代藥物分析工作越來越多地使用了儀器分析，各種分析測試儀器與計算機

聯(lián)接，出現(xiàn)了多種儀器的聯(lián)機使用和自動化，不僅用于電化學、波譜學、動力學、

平衡常數(shù)的測定，還能進行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析和結(jié)果存儲，使藥物分析向著靈

敏、精確、快速方向發(fā)展。特別是采用了化學計量學的研究成果，使儀器分析方

法日趨完善?；瘜W計量學(chemometrics)屬化學分支學科，它借助計算機技術(shù),

用數(shù)學和統(tǒng)計方法來設計和選擇最佳的計量和實驗方法，從化學計量中取得相關(guān)

信息。它涉及到統(tǒng)計學、光譜和波形分析、校正技術(shù)、模擬與參數(shù)估算、因子分

析、模式識別、最優(yōu)化、運籌學及控制論等計算機應用技術(shù)。采用化學計量學的

研究成果，可提高藥物分析測試的精密度、準確度、靈敏度和選擇性，促進分析

方法的改革，有利于分析儀器聯(lián)機化與自動化的實現(xiàn)，也可確定最優(yōu)實驗方案，

發(fā)展新的藥物分析方法。

質(zhì)譜、色譜、紅外光譜、核磁譜、X射線衍射譜、各種電子能譜等在藥物的

研究和分析中有廣泛的應用。這些譜圖的數(shù)據(jù)量極大，如何快速、正確地解釋這

些數(shù)據(jù)并從中獲取有用的信息是計算機應用的廣闊領域，計算機不但可以進行簡

單的查閱和檢索，而且可以做更復雜的圖像識別工作。根據(jù)譜圖數(shù)據(jù)庫和已掌握

的規(guī)律，計算機可以處理復雜的、與多種因素有關(guān)的數(shù)據(jù)信息，總結(jié)規(guī)律，進而

解析出結(jié)構(gòu)式。例如，人們已積累了近萬種純化合物的紅外光譜，假定有一未知

的樣品，它的紅外光譜可能是單一化合物的光譜，也可能是多個化合物譜圖的疊

加，有了計算機的數(shù)據(jù)庫和圖像識別法，就不必憑個人記憶和經(jīng)驗，花費很大的

時間和精力去查證、分析，而只需將紅外光譜測量的結(jié)果輸入計算機，計算機將

其與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)或圖像作對比分析，根據(jù)相似程度就能得到有關(guān)化合物種類、

結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的信息。又如NMR譜的解析可一采用NMR譜圖智能化結(jié)構(gòu)分析專家

系統(tǒng)來解決，先根據(jù)大量已知化合物的子結(jié)構(gòu)環(huán)境和匕譜化學位移的相關(guān)性，

建造匕譜數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)庫中子結(jié)構(gòu)-化學位移的歸屬。運用譜圖解釋軟件，

對輸入的未知化合物數(shù)據(jù)進行分析，可推測該化合物的分子結(jié)構(gòu)。

計算機在臨床藥學的應用極其廣泛，無論是臨床藥理學、藥動學、藥效學、

藥物流行病學的研究，還是治療藥物監(jiān)測、藥物不良反應的鑒別診斷、體內(nèi)藥物

及代謝物測定方法、藥物相互作用預測、合理用藥、臨床個體化給藥方案等各方

面，都展示出其巨大潛力和誘人前景。例如，計算機控制的智能化給藥系統(tǒng)，通

過外置的感知器得到的生理生化及病理指標來控制藥物的輸送量，以達到用最合

理的劑量獲得最佳治療效果，并最大限度降低藥物毒副作用的目的。

應用計算機管理和處理醫(yī)院藥劑科藥品入庫、劃價、結(jié)算、用藥查詢、統(tǒng)計

分析等數(shù)據(jù)信息，能提高藥品的自動化和科學化管理水平。將藥庫、門診或急診

藥房、住院病房、制劑室、藥品采購、財務科、主任咨詢等各部門的信息管理系

統(tǒng)進行計算機聯(lián)網(wǎng)，可實現(xiàn)醫(yī)療部門、藥劑科及財務部門對藥品的聯(lián)網(wǎng)管理。通

過數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)，還可實現(xiàn)藥品的網(wǎng)絡上交易、查詢、交流、簽訂合同

和結(jié)算等，既方便又快捷。

?般的藥品開發(fā)都要經(jīng)過實驗室小試、中試，再到工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)這兒個過

程。利用計算機模擬技術(shù)，可以嘗試繞過小試和中試這兩個階段，直接進行一次

放大。這項技術(shù)根據(jù)實驗室所做的化學反應實驗結(jié)果和工業(yè)生產(chǎn)中的各種經(jīng)驗及

規(guī)律，提出合理的數(shù)學模型，通過計算機模擬工業(yè)生產(chǎn)，獲得大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)所

需要的各種數(shù)據(jù)，縮短藥物開發(fā)生產(chǎn)的時間?，F(xiàn)已出現(xiàn)了用計算機和機器人控制

的自動化制藥工廠，藥物在密閉的空間生產(chǎn)，使藥物生產(chǎn)污染少、品質(zhì)優(yōu)、效率

高。

隨著人類基因組計劃的實施和深入，產(chǎn)生了海量的生物信息，使用信息技術(shù)

可以對其進行有效的整理和分析，然后應用于藥物的設計和開發(fā)，以達到合理藥

物設計的目的。這里涉及大量與藥學相關(guān)的生物信息的獲取、分析和在藥物開發(fā)

的應用，包括序列比對及數(shù)據(jù)庫搜索基本方法，核酸序列分析方法，蛋白質(zhì)序列

分析方法，新藥開發(fā)相關(guān)生物信息學軟件，計算機輔助藥物設計，計算機輔助疫

苗設計，生物芯片和藥物基因組學等技術(shù)。

綜上所述，這些共同構(gòu)成了現(xiàn)代藥學信息學。盡管這門新興學科還在發(fā)展，

目前尚未有明確的定義，但是它的發(fā)展是顯而易見、不可阻擋的。藥學信息學的

研究對象是藥學領域中的各種信息，以及信息傳播、信息存儲、信息提取和對知

識表達的邏輯建構(gòu)等信息行為，這是區(qū)別于其他領域的信息學的重要標志之一，

也是藥學信息學能夠成為一門獨立學科的基本條件之一。藥學信息學的研究目的

不僅是信息的利用，還要擴展藥學工作者的智能功能，更重要的是要促進藥學和

人類社會健康保障事業(yè)的現(xiàn)代化。

目前，藥學信息學的研究已經(jīng)越來越受到各國的重視。一些發(fā)達國家已經(jīng)培

養(yǎng)了一大批高層次藥學信息學專門人才。國內(nèi)各學會也相繼成立藥學信息學專業(yè)

學術(shù)機構(gòu)，藥學信息學研究方興未艾。

二、計算機輔助藥物設計

計算機輔助設計（ComputerAidedDesign,CAD）將計算機的數(shù)據(jù)計算、存

儲、圖形處理等各種技術(shù)應用到各種設計領域中，節(jié)省了大量的人力、物力，且

易于發(fā)揮設計師的智慧和創(chuàng)造力。CAD