第9章 未來計算機展望

第9章新型計算機展望Neumann計算機的一些致命弱點(1)計算機硬件方面的研究表明，不管CPU和主存的吞吐能力有多高，也不管主存的容量有多大，在CPU和主存之間只有一條每次只能交換一個字的狹窄數據通道。J.Backus在1977年接受ACM圖靈獎時所作的學術報告中，把這個通道稱為“Neumann瓶頸”。并行處理技術的采用，只不過是基于Neumann體系的計算機系統性能的改進，隨著器件的物理性能接近極限，這些改進所花費的代價會越來越高。(2)按照“程序存儲控制”體系原理工作的Neumann計算機，只能解釋事先所存儲的程序，只要針對問題的性質，提出相應的算法，并編制有效的計算程序，即可對問題進行求解。這種求解方法采用的是串行的信息處理過程，即每次從計算機的存儲器中取出其中的一個存儲信息加以計算，并進行邏輯判斷，然后決定下一步應該繼續(xù)執(zhí)行存儲器中的哪一條指令。由于它充分利用了計算機的快速運算能力，因此，不管問題多么復雜，只要有算法，問題就可以求解。近半個世紀以來的實踐證明，它在高精度計算和一些可編程問題的求解以及過程模擬、過程控制等方面已經取得了巨大的成功。但是反過來，它也同時帶來了問題的局限性，即對于那些還找不到有效計算算法和明確的計算方法的問題，例如在模糊識別、動力學過程模擬等方面，就碰到了有限時間和空間的障礙。9.1人工智能與智能計算機9.1.1人工智能及其定義1.人工智能學科的誕生公元前5世紀左右，中國人從手算開始發(fā)明了算盤和算籌，使人的一部分腦力勞動轉移到了工具上。公元前十世紀左右，中國農村婦女發(fā)明了提花機，后經逐步改造，將控制機器的程序記憶在花板之中，把人的部分記憶功能轉移到了工具上。1834年，英國學者巴貝奇在提花機的啟發(fā)下，設計了分析機，不僅承擔了人的部分記憶功能、計算功能，還在計算程序中引入判斷，使之智力活動的能力進一步增強．1947年，著名的數學家、計算機科學艾倫·麥席森·圖靈（AlanMathisonTuring，1912—1954），在一次計算機學術會議上作了題為“智能機器”的報告，論述了他關于機器思維的設想。1956年夏季，數學家和計算機專家麥卡錫與數學家和神經學家明斯基、IBM公司信息中心主任羅徹斯特、貝爾實驗室信息部數學家和信息學家香農等共同發(fā)起組織，邀請IBM公司的莫爾（More）和塞繆爾（Samuel）、美國麻省理工學院的塞爾夫里奇（Selfridge）和索羅蒙夫（Solomonff）、蘭德公司的紐厄爾（Newell）和卡內基-梅隆大學的西蒙（Simon）共10人，在達特茅斯大學（DartmouthCollege）舉辦了一個長達2個月的人工智能夏季研討會。第9章未來計算機展望2.人工智能的定義麥卡錫教授在1956年給出的定義是：人工智能就是要讓機器的行為看起來就像是人所表現出來的智能行為一樣。尼爾遜教授給出的定義是：人工智能是關于知識的學科——怎樣表示知識以及怎樣獲得知識并使用知識的科學。美國麻省理工學院的溫斯頓教授給出的定義是：人工智能就是研究如何使計算機去做過去只有人才能做的智能工作。第9章未來計算機展望3．圖靈測試第9章未來計算機展望9.1.2人工智能研究學派與關注的內容1.人工智能的研究學派1）符號主義學派符號主義（symbolicism）又稱為邏輯主義（logicism）、心理學派（psychlogism）或計算機學派（computerism），這是一批最早踏入人工智能領域的研究者的思想。符號主義學派的理論基礎與工具是數理邏輯．2）連接主義學派連接主義

connectionism)，又稱為仿生學派(bionicsism)或生理學派(physiologism)，是一個基于從人腦模型的角度進入人工智能領域的學派．3）行為主義學派行為主義(actionism)，又稱為進化主義(evolutionism)或控制論學派(cyberneticsism)，是一批從控制論思想角度研究人工智能領域的學派。第9章未來計算機展望2.人工智能研究的主要關注內容1）認知建模與知識表示2）知識搜索與推理3）數據挖掘與知識發(fā)現4）知識應用5）機器感知、交流與互動6）機器思維與自動程序設計7）知識獲取與機器學習8）機器行為9）自我進化10）智能系統構建與層次化的智力社會模第9章未來計算機展望9.1.3智能計算機1.智能計算機的提出“像人一樣會思考的計算機”．第9章未來計算機展望２.智能計算機的研制目標(1)智能計算機的解題能力主要取決于知識。應當是以知識庫為中心的系統。它與傳統計算機最大的不同之處在于，要變“程序存儲”為“知識存儲”，為此還要解決知識的表示問題。(2)知識是一個不斷積累的過程，這個過程稱為知識獲取。因此，智能計算機應當有知識獲取，即學習功能。(3)問題的求解過程是知識的應用過程，是根據已有知識對問題進行理解和推理過程，因此，理解與推理是智能計算機的核心部件。第9章未來計算機展望3.智能計算機模型第9章未來計算機展望1）智能機軟件系統的組成（1）基本知識庫。它包括3種知識庫。①一般知識庫②系統知識庫③應用知識庫（2）基礎軟件系統。它由3部分組成。①智能接口系統：提供智能接口所需知識，完成各項功能。②問題求解推理系統：提供知識庫推理機，便于推理機求解問題。③知識庫管理系統：提供知識給知識庫，并支持知識庫管理。（3）智能系統化支援系統。向用戶提供知識，支援用戶進行各種系統的設計，從而減輕人的腦力勞動。它有3個支援系統。①用于處理程序的智能程序設計系統。②用于處理知識庫的設計系統。③用于處理計算機結構的智能設計系統。第9章未來計算機展望（4）智能使用系統。為用戶提供各種規(guī)程，幫助用戶構造應用系統。它包含4種軟件。①傳遞系統：將程序式數據庫從現有機器中傳輸到目標機中去。②教學系統：說明智能機的功能及使用方法。③咨詢系統：為用戶提供使用規(guī)程。④故障診斷：系統維護，自動檢查和恢復功能，指導維修。（5）基本應用系統。提供基本應用功能，如翻譯、問題回答、聲音應用、圖像/圖形應用、問題求解等，是各應用系統的共享核心。（6）應用系統。按用戶需要建立的具體應用對象的系統，由基本應用系統提供共享

資源。第9章未來計算機展望2）智能接口技術智能接口是智能計算機的一個重要組成部分。智能接口技術包括視覺系統、聽覺系統、自然語言理解等研究領域。（1）視覺系統。用于模擬人的視覺功能。（2）聽覺系統。自然聽覺是人類通信的常用工具。其核心是語聲信號處理，包括詞的端點識別、詞的識別、語義分析等部分。它們分別用到系統建立的“語義字典”及“語言規(guī)則和背景知識庫”。（3）自然語言理解。自然語言理解可以使用戶能夠用普通的語言與計算機相互通信，使計算機的應用、操作更為方便。如果能達到下面的4條標準，該計算機系統就具備了自然語言理解的能力。①能成功地回答語音提問的有關問題。②能對大量數據做出摘要。③能用自然語言語言復述這些問題。④能從一種語言轉譯到另一種語言。第9章未來計算機展望3）智能計算機解題過程第9章未來計算機展望9.2量子計算機9.2.1量子計算機的基本原理1.量子疊加性與量子存儲qubit位數所具有的狀態(tài)存儲的數據量1(0and1)212(0and1)and(0and1)22=43(0and1)and(0and1)and(0and1)23=8

300(0and1)and(0and1)and(0and1)and(0and1)…2300≈1090

qubit的存儲2.量子相干性與量子并行計算量子計算機對N個存儲單元進行實施一次的運算，實際上就是對2N個輸入數進行數學運算。其效果相當于經典計算機要重復實施2N次操作，或者相當于用2N處理器實行并行操作?？梢姡孔佑嬎銠C可以節(jié)省大量的運算資源（如時間、記憶單元等）。第9章未來計算機展望3．量子退相干與量子編碼量子計算機不是一個孤立的系統，它會與外部環(huán)境發(fā)生相互作用，導致量子相干性的衰減，即消相干（Quantumdecoherence。也稱退相干）。因此，要使量子計算成為現實，一個核心問題就是克服消相干。目前找到的克服消相干最有效方法是量子編碼。第9章未來計算機展望4.量子糾纏與量子算法兩個疊加態(tài)的量子不管分別處于太空宇宙的哪個角落，如果一個量子改變了狀態(tài)，那么相對應的另一個量子必然也會同時改變狀態(tài)。第9章未來計算機展望9.2.2量子比特與計算基1．單量子比特與計算基第9章未來計算機展望第9章未來計算機展望2.雙量子比特與計算基第9章未來計算機展望3.多量子比特與計算基第9章未來計算機展望9.2.3量子比特門與量子線路圖量子比特門也稱量子邏輯門，簡稱量子門，使用酉矩陣表示。酉矩陣的特征值都是模為1的復數，即分布在復平面的單位圓上，因此酉矩陣行列式的值為±1。常用的量子門可以以2×2或者4×4的酉矩陣表示第9章未來計算機展望第9章未來計算機展望9.2.4量子算法量子算法是在量子計算機上執(zhí)行的解題思路。對于某些問題的求解，量子算法要勝過最著名的經典算法。這被稱為量子加速。1.Shor算法2.Grover搜索算法3.量子系統模擬第9章未來計算機展望9.2.5量子編程語言第9章未來計算機展望9.3未來計算機的其他探索9.3.1數據流計算機、歸約機

和擬態(tài)計算機1.數據流計算機1）數據流計算機中指令的執(zhí)行有如下5個特點。(1)異步性：只要本條指令所需要的數據齊備，指令便可以獨立地執(zhí)行，而不關心其他指令和數據的情況。（2）獨立性：計算結果直接在指令間傳遞。一條指令產生的數據可以被復制成多個副本，直接送其他需要的指令。數據驅動程序中的數據保存在指令中，而不是保存在共享存儲器中。這些指令不需要用任何方式排定次序。(3)局部性：各指令間的數據傳送是直接的，不需將操作數作為“地址”變量，一條指令的輸出，同時指向使用它的一條或多條指令(目標指令)，數據經過一條指令執(zhí)行后隨即消失，不產生長遠或全局的影響。(4)并行性：只要有足夠的處理單元，凡是相互間不存在數據依賴關系的指令都可以并行執(zhí)行。這種并行性是隱含的。(5)“單賦值”性：程序中的任何變量只允許在賦值語句的賦值號左邊出現一次，即不允許對一個變量多次賦值，這也有利于開發(fā)運算的并行性。

數據流計算機指令第9章未來計算機展望操作包操作包由操作碼（operrationcode）、一個或幾個源操作數（sourcedata）以及零個或多個后繼指令地址（nextaddress）組成。后繼指令地址用于和結果數據組成使用結果數據的后繼指令的數據令牌，如果一條指令的運算結果要送幾個目的地址，則分別形成幾個數據令牌。

第9章未來計算機展望數據令牌數據令牌用以傳送數據并激活(點火)指令。每個數據令牌由兩部分組成：結果數據和目標地址。結果數據就是一條指令執(zhí)行的結果，是數據令牌攜帶的內容。目標地址，即使用該結果的數據。這是數據流計算機工作的一個重要特征：數據由數據令牌攜帶，在指令間直接傳送。當一條指令的所有數據令牌均到達時，該指令即被點火，可開始執(zhí)行。因此數據令牌中還應含有各種標志和特征等。第9章未來計算機展望

數據流程序圖及其操作規(guī)則

1）數據流圖基本結構x=(a+b)×(c+d)/a的數據流程圖與邏輯數據有關的節(jié)點有如下幾種：·邏輯運算節(jié)點，·條件門節(jié)點。·條件分支節(jié)點)所。·條件匯合節(jié)點?！づ卸ü?jié)點。 運算規(guī)則·節(jié)點所有輸入弧上都有數據令牌時，節(jié)點被“點火”；·節(jié)點的操作開始后，其輸入弧上的數據令牌消失；·節(jié)點的操作執(zhí)行完后，其輸出弧上出現數據令牌；·弧上有復制節(jié)點時，要首先執(zhí)行復制操作，即把復制節(jié)點前面的數據令牌復制到其后的各分支。

ifpthenG1elseG2數據流程圖2.歸約機1）需求驅動·控制驅動：

指令指針指向時?！祿寗樱?/p>

輸入到齊時?！ば枨篁寗樱?/p>

需要輸出時。也就是說，在需求驅動系統中，一個操作符僅在需要它的輸出結果時才開始啟動它，而不管這個操作符所需的輸入是否已經到齊第9章未來計算機展望2）FFP歸約機結構(1)線性L單元陣列：是一個帶有邏輯功能的存儲系統，它不僅存放FFP表達式(即程序)，還執(zhí)行大部分處理工作，相當于人腦中的細胞單元，既有記憶功能，又有處理功能。L單元的線性連接僅僅是為了存儲管理。(2)前端機：控制整個系統，包括對FFP機使用的基本操作進行定義、控制輔助存儲器、管理I/O等。(3)輔助存儲器：作為L存儲器的擴充。L中的內容溢出時，要把溢出部分移入輔助存儲器。(4)互連網：L單元間經互聯連網進行通信，互連網還具有某些處理功能。最簡單的互連網結構是二叉樹第9章未來計算機展望輔助存儲器輔助存儲器前端機互連網LL…L圖6.42二叉樹結構的FFP機TTTTTTTLLLLLLLL返回3）FFP工作過程（1）

幾個術語·可歸約表達式：一個操作符及其復元的組合?！w約程序：表現為嵌套的可歸約表達式(一個可歸約表達式中又含有別的可歸約表達式)?！ぷ顑葘涌蓺w約表達式：在嵌套的多個表達式中，已計算出其多元值的可歸約表達式。第9章未來計算機展望（2）FFP機的工作過程①分解階段。分解階段的工作是按可歸約表達式各最內層可歸約表達式，對二叉樹結構的機器進行分解，重新構造成一組互相獨立的二叉樹結構的子機，為每個最內層可歸約表達式分配一臺子機。②執(zhí)行階段。由各子機獨立地對其上的最內層可歸約表達式作歸約處理。③存儲管理階段。L陣列的主要用途是存儲可歸約表達式。當對一個表達式的最內層可歸約表達式計值之后，表達式的形成將發(fā)生變化，通常是規(guī)模變大，需要重新安排存儲。FFP機重復執(zhí)行上述3個周期，直到歸約結束。第9章未來計算機展望3.擬態(tài)計算機第9章未來計算機展望9.３.2摩爾定律與未來計算機元器件研發(fā)1.摩爾定律第9章未來計算機展望·每個芯片中含晶體管的數量，每18個月翻一番，即每年增長60%；·芯片的價格每18個月降低一半。第9章未來計算機展望第9章未來計算機展望30多年間計算機CPU集成度的發(fā)展狀況

第9章未來計算機展望2