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文檔簡介
Chapter10
高級主題
浙江大學(xué)計算機學(xué)院
基礎(chǔ)教學(xué)中心
2010年4月16日
Overview
?高性能計算
?計算機與科學(xué)研究
?計算機集成制造系統(tǒng)
?人工智能
?虛擬現(xiàn)實
?電子服務(wù)
?醫(yī)學(xué)信息學(xué)
?計算機與教育
?計算機與交通
?計算機與藝術(shù)和娛樂
10.1高性能計算
?高性能計算HPC,HighPerformance
Computing
-計算機科學(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)高性能計算機
?高性能計算主題之間的差異性的弱化一
—并沒有一個明顯的界線給這些主題進
行分類定義
10.1.1并行計算
?并行計算(ParallelComputing)
-傳統(tǒng)意義上是指計算資源應(yīng)包括一臺配有多處
理機(并行處理)的計算機
-具有超級計算能力的計算機系統(tǒng),這是獲得高
性能計算的重要手段
?今天,并行計算也是指一個通過網(wǎng)絡(luò)連接
的計算機群,或者兩者結(jié)合使用
?在過去很長一段時間內(nèi),并行計算幾乎就
是HPC的代名詞
并行計算
?1980年代,并行計算機系統(tǒng)(多處理器同時
對一組數(shù)據(jù)進行同一個操作)達到了鼎盛
時期
?90年代,超大規(guī)模并行計算(Massively
ParallelProcessing,MPP)開始占主導(dǎo)地位
?對稱多處理器(SymmetricMulti-Processor,
SMP)結(jié)構(gòu)的并行系統(tǒng)
■1993年成立的Top500機構(gòu)開始進行全球高性
能計算機系統(tǒng)排名
并行計算
?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——
處理速度達到280.6TFlop/s(每秒萬億次浮點
運算),系統(tǒng)有131,072個處理器。
?我國曙光公司生產(chǎn)的曙光4000A超級計算機,
在2004年Top500中躋身前十名,標(biāo)志著我國
高性能計算進入世界先進水平
■中國聯(lián)想集團生產(chǎn)的深騰6800高性能計算機
系統(tǒng)也達到了10TFlop/s級
10.1.2分布式計算
?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
?一個分布式系統(tǒng)是為解決單個問題而緊密結(jié)合在
一起工作的多處理機的集合
?Or,一個分布式系統(tǒng)可能意味著一個由地理上分
散的、各自獨立的計算機組成的網(wǎng)絡(luò),這些計算
機連接在一起以實現(xiàn)對不同資源的共享
10.1.2分布式計算
?分布式系統(tǒng)這個詞義方面的混亂
-源于對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
?更多的觀點認為,分布式系統(tǒng):
-邏輯或物理分布的部件或機器,以網(wǎng)絡(luò)連接的
形式組成的一個(計算機)系統(tǒng)
-并行意義的根本是將兩臺以上的機器(處理器)
連接起來解決一些計算問題
10.3.3集群計算
?集群計算(ClusterComputing)
-也是基于并行系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的
-它作為并行計算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在高性能計算機體
系結(jié)構(gòu)中最為成功的集成和運用,也是目前性
價比最好的系統(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組成
?集群系統(tǒng)在運行中像一個統(tǒng)一的整合資源,
所有節(jié)點使用單一的界面
?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)——最廉價的高性能計算機系統(tǒng)
?主要原因:
(1)微機或工作站的性能越來越強
(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)工作站和微機系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化程度高
(6)集群系統(tǒng)采用的平臺便宜而且易于獲得,如Unix、
Linux和WindowsServer都可以作為集群系統(tǒng)的平臺
10.3.4網(wǎng)格計算
?網(wǎng)格計算(GridComputing)
-是上個世紀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
式計算的基礎(chǔ)設(shè)施
?因特網(wǎng)上有成千上萬的各種計算機
-把這些分散的機器組成一個“虛擬的超級計算
機”
—其中每一臺計算機就是一個“節(jié)點”,而整個
計算是由成千上萬個“節(jié)點”組成的“一張網(wǎng)
格”
-所以這種計算方式叫網(wǎng)格計算
網(wǎng)格計算
?Intel公司和SGI公司曾聯(lián)合進行過一項網(wǎng)格
計算的試驗
-因特網(wǎng)上的100萬臺計算機相聯(lián),其總處理能力
大約比現(xiàn)有的最快的超級計算機還要快五倍
?今天,網(wǎng)格已經(jīng)是一個龐大的概念
-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)
庫等實體以及
-這些實體運行時使用的軟件和數(shù)據(jù)
網(wǎng)格計算
?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的功能:
-讓人們共享計算資源、存儲資源和其他資源
-如知識資源、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到的目標(biāo)
?從研究的角度,網(wǎng)格是一種技術(shù)
網(wǎng)格計算
?要準(zhǔn)確地解釋網(wǎng)格是比較困難的
?一個可以類比的是網(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)格就是一個像電力設(shè)施一樣的基礎(chǔ)設(shè)置
-我們在網(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
-這是一個令人神往的未來
10.2計算機與科學(xué)研究
?計算機與科學(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)域都使用計算機幫助開展研
究工作
-這里只是列舉了幾個主題給予簡單的介紹
10.2.1電腦與人腦
?設(shè)計出和人腦一樣會學(xué)習(xí)、會思考的電腦?
?最初的方法是每當(dāng)發(fā)現(xiàn)人腦的一種功能,設(shè)計師就編出一
套軟件,讓電腦實現(xiàn)同樣的功能——“從上至下”
■“從下到上”——模仿人腦,先繪出一份詳細的大腦地圖,
把大腦內(nèi)所有彎彎繞的細枝末節(jié)搞得清清楚楚,然后按照
這份大腦地圖,設(shè)計“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。
?專家認為,本世紀人類將在腦科學(xué)和認知神經(jīng)科學(xué)研究的
幾人重大問題上取得突破性進展,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“人機世
?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32億個字符組成,相當(dāng)于一部
350卷的大百科全書——需要計算機!
?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“生物計算機”,一
萬億個這樣的計算機僅有一滴水那樣大,而運
算速度達到每秒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)家們使用計算
-可以分離夸克,還需要進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算機的幫助下才可以實現(xiàn)。
?環(huán)境科學(xué)研究中的跟蹤
-可以通過資源衛(wèi)星對生物環(huán)境進行定位標(biāo)記,然后對
這個標(biāo)記的環(huán)境進行寢眇掃施士將每達尋隔的數(shù)據(jù)進
行處理,可以研究環(huán)境的變化情況和變化期律
-利用里晏和計算機技術(shù)進行跟蹤是科學(xué)研究中的一個
有意義的應(yīng)用
10.2.4計算機模擬
?科學(xué)研究中經(jīng)常使用的工具就是模型和模
-計算機技術(shù)使模擬和模型的結(jié)果比以前更為精
確和準(zhǔn)確
-計算機還不能夠在模型的正確性和適當(dāng)性上有
更多的作為
-計算機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)”
計算機集成制造系統(tǒng)
______任務(wù)
n
2生
質(zhì)
產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)研究
—?----?量
事計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計算機輔助設(shè)計
?計算機是工業(yè)設(shè)計的主要工具
-設(shè)計者在計算機上畫圖——幫助完成設(shè)計工作
?計算機輔助設(shè)計(ComputerAidedDesign,CAD)
?CAD包括設(shè)計與分析兩個方面
?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
-今天,CAD的延伸到許多傳統(tǒng)的設(shè)計領(lǐng)域,本章
的許多主題都是帶有計算機“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計算機輔助制造
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,也叫智能計算
?計算機還不能具備人腦的思考能力,但模仿人的
部分行為已經(jīng)取得進展
?人工智能已經(jīng)被運用在機器人、識別語音、疾病
診斷以及語言翻譯等方面,如機器下棋
?人工智能作為計算機研究的重要領(lǐng)域,已經(jīng)成為
計算機科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的一個目標(biāo)
?除了計算機科學(xué),人工智能還涉及到信息論、控
制論、自動化、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“計算機能夠象人一樣
思
考
嗎
圖
靈
-、
測黑盒測試
靈
圖la
H、
測
驗中國屋思考
試
前
爾
騫
垓
個
符
魯
考
為
不
植
受
t5^工^
一
:八
,
,
八
識
還
節(jié)
能
起
只
不
尼
酒
過
思
,
引
考
大
考
在
了
有
現(xiàn)
機
沒
通
靈
論
器
圖
測
思
中
機
關(guān)
試
,
爭
器
在
還
之
的
科
續(xù)^4
者
但
深
研
,
種
或
用
棄
錯
展
放
的
究
這
止
^一
研
,
的
進
究AI
AI
10.4.2推理:知識表達
?人工智能一直在研究計算機的推理能力
?人類的智能是基于行為的進化而不是復(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
?計算機使用符號語言
-科學(xué)家們試圖在人類的自然語言和機器的符號處理之間
找到一種關(guān)系,使得機器能夠具有人類的推理能力
?語義網(wǎng)絡(luò)是一種知識表達法—定義它非常困難
?相比語義網(wǎng)絡(luò),搜索樹易于實現(xiàn)
10.4.3專家系統(tǒng)
?專家——對越來越窄的領(lǐng)域懂得越來越多的人
?專家系統(tǒng)是一種智能計算機軟件系統(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)一擁有的知識是主要是經(jīng)驗性知識
>知識系統(tǒng)——
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