大學計算機基礎(chǔ)（第六版）課件 11計算機發(fā)展前沿技術(shù)

第11章計算機發(fā)展前沿技術(shù)01新型計算模型02人工智能Contents目錄01新型計算模型介紹多種新型的計算模型并行計算就是同時使用多個計算資源來解決一個計算問題。并行計算可分為時間上的并行和空間上的并行。時間并行（流水線思想）計算機CPU的工作可以分為指令的獲取、解碼、運算和寫入結(jié)果4個步驟。指令也可以連續(xù)不斷地進行處理，在同一個較長的時間段內(nèi)，擁有流水線設(shè)計的CPU能夠處理更多的指令，實現(xiàn)多條指令的并行運行?？臻g并行：即通過網(wǎng)絡(luò)將兩個以上的處理機連接起來，達到同時計算同一個任務(wù)的不同部分，或者單個處理機無法解決的大型問題。并行計算的優(yōu)點是具有巨大的數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理能力，能夠被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟、國防建設(shè)和科技發(fā)展中，如石油勘探、地震預(yù)測和預(yù)報、氣候模擬和大范圍天氣預(yù)報、新型武器設(shè)計、核武器系統(tǒng)的研究模擬、航空航天飛行器、衛(wèi)星圖像處理、天體和地球科學、實時電影動畫系統(tǒng)及虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等。在提高計算性能方面，大規(guī)模并行計算具有獨特的優(yōu)勢。1并行計算1982年，諾貝爾物理學獎獲得者費曼提出了量子計算機的設(shè)想。從此，量子理論與計算機科學開始了完美的結(jié)合。量子計算機（QuantumComputer）是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。量子計算機理論上具有模擬任意自然系統(tǒng)的能力，同時也是發(fā)展人工智能的關(guān)鍵。由于量子計算機在并行運算上的強大能力，使它有能力快速完成普通計算機無法完成的計算。這種優(yōu)勢在加密和破譯等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用。2021年2月，中科院量子信息重點實驗室的科技成果轉(zhuǎn)化平臺合肥本源量子科技公司，發(fā)布具有自主知識產(chǎn)權(quán)的量子計算機操作系統(tǒng)“本源司南”。量子計算由演示轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用，仍需要科學家長時間的努力。2量子計算1．云計算云計算（CloudComputing）也是分布式計算的一種，指的是通過網(wǎng)絡(luò)“云”將巨大的數(shù)據(jù)計算處理程序分解成無數(shù)個小程序，然后，通過多部服務(wù)器組成的系統(tǒng)進行處理和分析這些小程序得到結(jié)果并返回給用戶?，F(xiàn)在的云計算，準確地說，是一種云服務(wù)概念，是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進入可配置的計算機資源共享池（包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應(yīng)用軟件、服務(wù)），這些資源能夠被快速提供。云計算按服務(wù)類型可以分為三類：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructureasaservice，IaaS）、平臺即服務(wù)（platformasaservice，PaaS）、軟件即服務(wù)（softwareasaservice，SaaS）。按部署形式可以分為三類：公有云、私有云、混合云。3網(wǎng)格計算和云計算2．網(wǎng)格計算網(wǎng)格計算是分布式計算的一種，利用互聯(lián)網(wǎng)地理位置相對分散的計算機組成一個“虛擬的超級計算機”，其中每臺參與計算的計算機就是一個“節(jié)點”，而整個計算是由數(shù)以萬計個“節(jié)點”組成的“網(wǎng)格”。網(wǎng)格計算是專門針對復雜科學計算的計算模式。網(wǎng)格計算模式的數(shù)據(jù)處理能力超強，使用分布式計算，而且充分利用了網(wǎng)絡(luò)上閑置的處理能力，網(wǎng)格計算模式把要計算的數(shù)據(jù)分割成若干“小片”，而計算這些“小片”的軟件通常是預(yù)先編制好的程序，不同節(jié)點的計算機根據(jù)自己的處理能力下載一個或多個數(shù)據(jù)片段進行計算。網(wǎng)格計算的目的就是通過任何一臺計算機都可以提供無限的計算能力，提高或拓展型企業(yè)內(nèi)所有計算資源的效率和利用率，滿足最終用戶的需求，同時能夠解決以前由于計算、數(shù)據(jù)或存儲資源的短缺而無法解決的問題。3網(wǎng)格計算和云計算3．網(wǎng)格計算與云計算的區(qū)別云計算是從網(wǎng)格計算發(fā)展演化而來的，網(wǎng)格計算為云計算提供了基本的框架支持。網(wǎng)格計算關(guān)注于提供計算能力和存儲能力，而云計算側(cè)重于在此基礎(chǔ)上提供抽象的資源和服務(wù)。①網(wǎng)格計算重在資源共享，強調(diào)轉(zhuǎn)移工作量到遠程的可用計算資源上。云計算則強調(diào)專有，任何人都可以獲取自己的專有資源。②網(wǎng)格計算是盡可能地聚合網(wǎng)絡(luò)上的各種分布資源，來支持挑戰(zhàn)性的應(yīng)用或者完成某一個特定的任務(wù)需要。云計算一般都是為了通用應(yīng)用而設(shè)計的，其資源相對集中，以Internet的形式提供底層資源的獲得和使用。③網(wǎng)格計算使用中間件技術(shù)屏蔽異構(gòu)系統(tǒng)，力圖使用戶面向同樣的環(huán)境，把困難留在中間件，讓中間件完成任務(wù)。實現(xiàn)跨組織、跨信任域、跨平臺的復雜異構(gòu)環(huán)境中的資源共享和協(xié)同解決問題。而云計算，是不同的服務(wù)采用不同的方法對待異構(gòu)型，一般通過鏡像執(zhí)行，或者提供服務(wù)的機制來解決系統(tǒng)異構(gòu)性的問題。3網(wǎng)格計算和云計算物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，IoT）“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展。早期物聯(lián)網(wǎng)是以物流系統(tǒng)為背景提出的，以射頻識別技術(shù)（RFID）作為條碼識別的替代品，實現(xiàn)對物流系統(tǒng)的智能化管理。隨著傳感器、芯片、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)將信息傳感器、射頻識別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種信息傳感設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，實現(xiàn)在任何時間、任何地點，人、機、物的互聯(lián)互通。物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)就是云計算。物聯(lián)網(wǎng)將獲取的大量數(shù)據(jù)利用高性能的云計算對其進行處理，賦予這些數(shù)據(jù)智能，才能最終轉(zhuǎn)換成對終端用戶有用的信息。感知性和智能性是物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的兩大重要特性。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間。物聯(lián)網(wǎng)在智能家居、智慧交通、智能物流、智能農(nóng)業(yè)和智能城市等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的又一次新浪潮。4物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)”是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力來適應(yīng)海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)。大數(shù)據(jù)具有4個基本特征：數(shù)據(jù)規(guī)模大（Volume）、數(shù)據(jù)種類多（Variety）、數(shù)據(jù)處理速度快（Velocity）、數(shù)據(jù)價值密度低（Value），即所謂的4V特性。這些特性使得大數(shù)據(jù)區(qū)別于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)概念。從龐雜的數(shù)據(jù)背后挖掘、分析用戶的行為習慣和喜好，找出更符合用戶“口味”的產(chǎn)品和服務(wù)，并結(jié)合用戶需求有針對性地調(diào)整和優(yōu)化自身，就是大數(shù)據(jù)的價值。大數(shù)據(jù)的類型大致可分為三類：傳統(tǒng)企業(yè)數(shù)據(jù)，包括CRMSystems的消費者數(shù)據(jù)、傳統(tǒng)的ERP數(shù)據(jù)、庫存數(shù)據(jù)以及賬目數(shù)據(jù)等；機器和傳感器數(shù)據(jù)，包括呼叫記錄、智能儀表、工業(yè)設(shè)備傳感器、設(shè)備日志、交易數(shù)據(jù)等；社交數(shù)據(jù)，包括用戶行為記錄、反饋數(shù)據(jù)等。從理論上說，所有產(chǎn)業(yè)都會從大數(shù)據(jù)的發(fā)展中受益。5大數(shù)據(jù)1．虛擬現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）內(nèi)涵：綜合利用計算機圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制等接口設(shè)備，在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實被認為是多媒體最高級別的應(yīng)用。它是計算機技術(shù)、計算機圖形、計算機視覺、視覺生理學、視覺心理學、仿真技術(shù)、微電子技術(shù)、立體顯示技術(shù)、傳感與測量技術(shù)、語音識別與合成技術(shù)、人機接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及人工智能技術(shù)等多種高新技術(shù)集成的結(jié)晶。其逼真性和實時交互性為系統(tǒng)仿真技術(shù)提供有力的支撐。虛擬現(xiàn)實技術(shù)有以下幾個特點（3I特性）：（1）沉浸性（Immersion）（2）交互性（Interaction）（3）構(gòu)想性（Imagination）應(yīng)用領(lǐng)域：（1）娛樂領(lǐng)域（2）軍事領(lǐng)域（3）醫(yī)療領(lǐng)域（4）教育領(lǐng)域6虛擬現(xiàn)實和3D打印2．3D打印3D打印始于20世紀90年代，基本原理是斷層掃描的逆過程，斷層掃描是把某個東西“切”成無數(shù)疊加的片，3D打印則是一片一片地打印，然后疊加到一起，成為一個立體物體。3D打印本質(zhì)上是一種層層堆疊，增材制造的思想。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，3D打印技術(shù)擁有如下優(yōu)勢：通過摒棄生產(chǎn)線而降低了成本；大幅減少了材料浪費；可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的外形，讓人們可以更有效地設(shè)計出飛機機翼或熱交換器；在具有良好設(shè)計概念和設(shè)計過程的情況下，3D打印技術(shù)還可以簡化生產(chǎn)制造過程，快速有效又廉價地生產(chǎn)出單個物品。6虛擬現(xiàn)實和3D打印02人工智能人工智能是計算機科學、控制論、信息論、神經(jīng)生理學、心理學、語言學等多種學科互相滲透而發(fā)展起來的一門綜合性學科早在1950年，圖靈就提出了著名的“圖靈測試”。1956年8月，在美國達特茅斯學院，科學家聚在一起，討論一個主題：用機器來模仿人類學習以及其他方面的智能。雖然最終大家沒有達成普遍的共識，但是卻為會議討論的內(nèi)容起了一個名字：人工智能。1956年被稱為人工智能元年。1966—1972年，美國斯坦福國際研究所研制出機器人Shakey，這是首臺采用人工智能的移動機器人。1966年，美國麻省理工學院（MIT）發(fā)布了世界上第一個聊天機器人ELIZA，“她”能通過腳本理解簡單的自然語言，并能產(chǎn)生類似人類的互動。1986年，美國發(fā)明家查爾斯·赫爾制造出人類歷史上首個3D打印機。進入21世紀，人工智能的發(fā)展迎來了真正的“春天”。1人工智能的起源與發(fā)展2011年，IBM公司開發(fā)出使用自然語言回答問題的人工智能程序Watson（沃森），參加了美國智力問答節(jié)目，打敗兩位人類冠軍，贏得了110萬美元的獎金。2012年，加拿大神經(jīng)學家團隊創(chuàng)造了一個具備簡單認知能力、有250萬個模擬“神經(jīng)元”的虛擬大腦，命名為Spaun，并通過了最基本的智商測試。2016年3月15日，李世石與AlphaGo總比分定格在1比4。2017年5月，在中國烏鎮(zhèn)圍棋峰會上，它與柯潔對戰(zhàn)，以3比0的總比分獲勝。1人工智能的起源與發(fā)展AI到底能做什么？人工智能涉及的技術(shù)非常復雜，有很多部分，進步最快的一部分是supervisedlearning（監(jiān)督學習）。輸入一種圖片，然后可以知道圖片的內(nèi)容——圖片識別。輸入一段語音，會輸出一個文本——語音識別。輸入一段英文，會輸出一段中文——自動翻譯。輸入一段文本，會輸出一段音頻——語音輸出。輸入一段傳感器信息，會輸出一個汽車的位置——自動駕駛。也就是說，人工智能是指通過學習（深度），對大數(shù)據(jù)進行科學分析，就像人的大腦一樣，模擬人類并最終像人類一樣解決問題。2人工智能求解問題無人駕駛無人駕駛汽車是智能汽車的一種，也稱為輪式移動機器人，主要依靠車內(nèi)以計算機系統(tǒng)為主的智能駕駛控制器來實現(xiàn)無人駕駛。無人駕駛中涉及的技術(shù)包含多個方面，如計算機視覺、自動控制技術(shù)等。Google的GoogleX實驗室積極研發(fā)無人駕駛汽車（GoogleDriverlessCar），百度也啟動了“百度無人駕駛汽車”研發(fā)計劃，其自主研發(fā)的無人駕駛汽車Apollo還曾亮相2018年央視春晚。但是最近兩年，科學家們發(fā)現(xiàn)無人駕駛的復雜程度遠超幾年前所預(yù)期的，要真正實現(xiàn)商業(yè)化還有很長的路要走。3人工智能應(yīng)用領(lǐng)域模式識別模式識別就是通過計算機用數(shù)學技術(shù)來研究模式的自動處理和判讀方法。用計算機實現(xiàn)模式（文字、聲音、人物、物體等）的自動識別。人臉識別也稱人像識別、面部識別，是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術(shù)。人臉識別涉及的技術(shù)主要包括計算機視覺、圖像處理等。目前，人臉識別技術(shù)已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如金融、司法、公安、邊檢、航天、電力、教育、醫(yī)療等。除了人臉識別，生物特征識別技術(shù)包括很多種，目前用得比較多的還有聲紋識別。聲紋識別是一種生物鑒權(quán)技術(shù)，也稱為說話人識別，包括說話人辨認和說話人確認。3人工智能應(yīng)用領(lǐng)域機器翻譯機器翻譯是利用計算機將一種自然語言轉(zhuǎn)換為另一種自然語言的過程。機器翻譯用到的技術(shù)主要是神經(jīng)機器翻譯技術(shù)（NeuralMachineTranslation，NMT），該技術(shù)當前在很多語言上的表現(xiàn)已經(jīng)超過人類。隨著經(jīng)濟全球化進程的加快及互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，機器翻譯技術(shù)在促進政治、經(jīng)濟、文化交流等方面的價值凸顯，也給人們的生活帶來許多便利。例如，人們在閱讀英文文獻時，可以方便地通過有道翻譯、Google翻譯等網(wǎng)站將英文轉(zhuǎn)換為中文，免去了查字典的麻煩，提高了學習和工作的效率。3人工智能應(yīng)用領(lǐng)域智能客服智能客服機器人是一種利用機器模擬人類行為的人工智能實體形態(tài)，它能夠?qū)崿F(xiàn)語音識別和自然語義理解，具有業(yè)務(wù)推理、話術(shù)應(yīng)答等能力。用戶訪問網(wǎng)站并發(fā)出會話時，智能客服機器人會根據(jù)系統(tǒng)獲取的訪客地址、IP和訪問路徑等，快速分析用戶意圖，回復用戶的真實需求。同時，智能客服機器人擁有海量的行業(yè)背景知識庫，能對用戶咨詢的常規(guī)問題進行標準回復，提高應(yīng)答準確率。智能客服機器人廣泛應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)與營銷場景，為客戶解決問題、提供決策依據(jù)。同時，智能客服機器人在應(yīng)答過程中，可以結(jié)合豐富的對話語料進行自適應(yīng)訓練，因此，其在應(yīng)答話術(shù)上將變得越來越精確。廣泛應(yīng)用大大降低了企業(yè)的人工客服成本。3人工智能應(yīng)用領(lǐng)域智能音箱智能音箱被視為智能家居的未來入口。智能音箱就是能完成對話環(huán)節(jié)的擁有語音交互能力的機器。通過與它直接對話，家庭消費者能夠完成自助點歌、控制家居設(shè)備和喚起生活服務(wù)等操作。支撐智能音箱交互功能的前置基礎(chǔ)主要包括將人聲轉(zhuǎn)換成文本的自動語音識別（AutomaticSpeechRecognition，ASR）技術(shù)，對文字進行詞性、句法、語義等分析的自然語言處理（NaturalLanguageProcessing，NLP）技術(shù)，以及將文字轉(zhuǎn)換成自然語音流的語音合成技術(shù)（TextToSpeech，TTS）技術(shù)。在人工智能技術(shù)的加持下，智能音箱也逐漸以更自然的語音交互方式創(chuàng)造出更多家庭場景下的應(yīng)用。3人工智能應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)學圖像處理醫(yī)學圖像處理是目前人工智能在醫(yī)療領(lǐng)域的典型應(yīng)用，處理對象是由各種不同成像機理（如在臨床醫(yī)學中廣泛使用的核磁共振成像、超聲成像等）生成的醫(yī)學影像。利用計算機圖像處理