對計算科學(xué)與計算機發(fā)展的若干思考

朱景芝++江淼

摘 要：所謂計算科學(xué)，就是對描述和變換信息的一種算法過程。里面包括理論、分析、設(shè)計、效率分析、實現(xiàn)和應(yīng)用的系統(tǒng)研究。從世界上第一臺計算機產(chǎn)生至今，計算機的應(yīng)用不斷拓展，類型不斷分化。不可否認(rèn)，計算機技術(shù)正朝著巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向飛速發(fā)展，在不久的將來，還會有更新技術(shù)會融入到計算機的發(fā)展歷程。筆者通過多年的教學(xué)經(jīng)驗，對計算科學(xué)和計算機發(fā)展的歷程進(jìn)行了探析研究，希望能夠?qū)Ω魑煌视兴鶐椭?/p>

關(guān)鍵詞：計算；科學(xué)；計算機發(fā)展

一、計算的定義

了解一個事物，先從定義著手?；\統(tǒng)地說，所謂的計算，就是從一個符號串f 變換成另一個符號串g 。比方說， 從符號串2 + 3 變換成5， 就是一個簡單的加法計算。如果符號串f 是x2，而符號串g 是2x，從f 到g 的計算就是常見的微分。

算式計算是這樣，定理證明也不例外。如果 令f 表示一組公理和推導(dǎo)規(guī)則， 令g 是一個定理， 那么從f 到g 的一系列變換就是定理g的證明。由此可以得出推論， 文字的翻譯，也是一種變相的計算。比如說，如f代表英文句子， 而g 為y意思相等的中文句子， 那么從f 到g ，就是把英文翻譯成中文的過程。

不難發(fā)現(xiàn)，這些變換間的過程，就是我們常說的計算。在這個過程中，它們都有共同的特點，從己知符號（ 串） 開始，有序改變成符號（ 串） ， 經(jīng)過幾個步驟以后， 最終得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號（ 串） 的變換過程。

如果從類型進(jìn)行， 計算主要有數(shù)值計算和符號推導(dǎo)這兩類。其中，數(shù)值計算包括實數(shù)和函數(shù)的加減乘除、開方運算、方程的求解等情況。而符號推導(dǎo)則涵蓋了代數(shù)與各種函數(shù)的恒等式、幾何命題的證明等。

但是，有一定需要注意的是，無論是數(shù)值計算，抑或符號推導(dǎo)，二者之間在本質(zhì)上是等價的、對等的， 它們相輔相成，相得益彰， 可以實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化， 同時還具有共同的計算本質(zhì)。當(dāng)然，隨著科學(xué)不斷進(jìn)步發(fā)展，也許，不久的將來，還可能出現(xiàn)嶄新的的計算類型。

二、計算的歷史

人類文明，不斷發(fā)展進(jìn)步。在開始生產(chǎn)生活的遠(yuǎn)古時期，便與計算結(jié)下了不解之緣。為了更好讓計算服務(wù)生活，人們發(fā)揮自己的聰明才智，不斷探索計算的工具。因此，計算和計算工具是息息相關(guān)的，更是一脈相承的。

公元前5世紀(jì)的時候，炎黃子孫已經(jīng)學(xué)會用籌碼當(dāng)做日常工具。并在公元前3世紀(jì)普及下來，一直沿用了兩千多年。再后來，人們發(fā)明了算盤，更加便捷的為生活提供服務(wù)。在15世紀(jì)的時候，取代了算籌的地位，得到了大力推廣。經(jīng)過一代代人的智慧結(jié)晶，還羅列了很多算法口訣化，大大提高了計算速度。

三、計算系統(tǒng)的近代史

到了近代，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，大大提高了計算工具的發(fā)展速度和計算效率、早在1614年的時候，就已經(jīng)發(fā)明了對數(shù)，從此，乘除運算，可以巧妙的轉(zhuǎn)化為加減運算。在這個時候，發(fā)明設(shè)計了一個重要的計算輔助工具：對數(shù)計算尺。到了1620年，岡特最早利用對算計算尺來計算乘除，開創(chuàng)了計算的先河。

創(chuàng)意無極限，1642年，帕斯卡發(fā)明了加法器，1671年，萊布尼茨發(fā)明了手搖計算器，到了1850年，曼南在計算尺上嘗試裝上了光標(biāo)，此舉便捷高效，得到了科學(xué)工作者，尤其是工程技術(shù)專業(yè)人員的認(rèn)可和贊同。后來，機械式計算器通計算尺一同發(fā)明，并得到應(yīng)用，在計算工具的發(fā)展史上，具有里程碑的重要意義。

四、電動計算機問世

1834年，英國科學(xué)家巴蓓奇設(shè)計了一款完全由程序掌握控制的分析機，令人遺憾的是，由于當(dāng)時的機械技術(shù)能力有限，一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)由于技術(shù)問題，最終成為泡影。雖然胎死腹中，但是，巴蓓奇的理念中，已經(jīng)涵蓋了現(xiàn)代計算的基本框架和中心思想。

隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展，在很長一段時間內(nèi)，電動式計算器，正在逐步取代人工式計算器。在1941年，德國科學(xué)家楚澤發(fā)明了繼電器，制造出世界上第一步過程控制計算器。至此，巴蓓奇在一百多年前的構(gòu)想，得以最終實施。

五、電子計算機改變了世界

20世紀(jì)初，電子管的出現(xiàn)，猶如一聲春雷，促使計算機的改革，實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。在1946年，美利堅合眾國的賓夕法尼亞大學(xué)與有關(guān)單位聯(lián)合在一起，支撐了第一臺電子計算機。隨著它的面世，人類的計算進(jìn)入了一個嶄新的時代。毫不夸張的說，電子計算機的出現(xiàn)，堪稱20世界最偉大、為實用、最具有歷史意義的重要發(fā)明之一。它的面世，當(dāng)仁不讓的摘走了最具影響力的現(xiàn)代工具的桂冠。

就在電子計算機飛速發(fā)展的時候， 因特爾公司的創(chuàng)始人戈登·摩爾高瞻遠(yuǎn)矚，對電子計算機產(chǎn)業(yè)所依賴的半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展作出大膽預(yù)測預(yù)： 今后，半導(dǎo)體芯片的集成度將每兩年翻一番。事實證明， 戈登·摩爾的預(yù)測完全正確。自2 0 世紀(jì)6 0 年代以后，半導(dǎo)體芯片的集成度和電子計算機的計算速度就呈現(xiàn)了飛速發(fā)展的模式，每18個月就要翻一番， 需求越來越多，成本卻越來越低。這種獨具特色的發(fā)展速度，就是有名的“摩爾定律”。

六、計算是否有極限

追求永無止境，電子計算機的發(fā)展也不例外。人類能不能把計算機的運行速度再次提升？ 傳統(tǒng)計算機的計算能力何時才會到達(dá)極限？ 對于這個問題， 很多科學(xué)家在進(jìn)行嚴(yán)密、謹(jǐn)慎的討論后，最終給出的答案是否定。因為有一個不能忽視的問題擺在那里，如果計算機的計算能力無限飛躍， 把地球上全部的能量轉(zhuǎn)換為計算的結(jié)果，就會造成熵的降低。無限發(fā)展的運動，在哲學(xué)界里，是被禁止的， 所以， 傳統(tǒng)電子計算機的計算能力，不可能永遠(yuǎn)前進(jìn)，必須要有一個屬于計算機自身的必上限。

對于計算機的上限問題，無數(shù)哲學(xué)家和科學(xué)家的觀點出奇的一致。他們認(rèn)為：最多到21世紀(jì)30年代，摩爾定律將不再適用郁計算機的發(fā)展。到那個時候，計算機將達(dá)到自身的歷史峰值，并逐步走下神壇。

哈佛大學(xué)終身教授、著名科學(xué)家威爾遜教授曾經(jīng)說過： “我們所追尋的科學(xué)，始終代表著一個時代最大膽、最瘋狂的猜想。盡管它純粹是人為的，但我們有理由相信， 通過追尋“夢想，發(fā)現(xiàn)，解釋，夢想”的不斷循環(huán)， 我們完全可以開拓一個個全新的領(lǐng)域， 世界在大家的共同努力下，最終會變得更加清晰， 我們最終會探索到宇宙的奧秘。所有的美妙，都有存在的目的和意義?！?

七、難以求解的量子計算系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代，量子計算初具規(guī)模。著名物理學(xué)家費曼在進(jìn)行計算試驗的時候，嘗試用傳統(tǒng)的電子計算機，去模擬量子力學(xué)。在實驗的過程中，費曼遇到一個問題：量子力學(xué)系統(tǒng)的行為。通常是難以理解，也是難以求解。

比如，以光的干涉現(xiàn)象為例，在這個干涉過程中，每增加一個相互作用的光子， 有可能產(chǎn)生的狀況就會多出翻一番，問題的規(guī)模會呈指數(shù)級增加。當(dāng)然，模擬光子的實驗，所需的計算量實在太大了，一般人很難堅持下去。可惜，它遇到的是執(zhí)著的費曼， 在他眼里，眼前的困難，正好提供一個鉆研的契機。費曼一直認(rèn)為， 量子力學(xué)系統(tǒng)的行為，自身具備良好的可預(yù)測性： 在干涉實驗中， 只要給定初始條件， 就可以推測出屏幕上影子的形狀。通過不斷的模擬實驗，費曼做出判斷：如果能夠算出干涉實驗中發(fā)生的現(xiàn)象，就必須完成大量的計算， 那么只要搭建這樣一個實驗， 就能測量其結(jié)果， 無形當(dāng)中，潛移默化的完成了一個復(fù)雜的計算。所以， 在計算機運行的過程中， 只要讓它在真實的量子力學(xué)對象上完成實驗， 并把實驗結(jié)果整合到計算中來， 就可以獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)計算機的運算速度。

八、量子計算的革命性思考

回顧人類計算工具的發(fā)展歷程， 從最初的木棒、石塊到珠盤， 經(jīng)過電子管計算機、 晶體管計算機的演化，到現(xiàn)在的普及的電子計算機， 再進(jìn)化到到量子計算。筆者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中的進(jìn)化過程，就像浩瀚的人類文明史，有很多值得深思的地方。

首先，遠(yuǎn)古時期，人們發(fā)現(xiàn)用石頭或者棍棒可以輔助計算， 開始摸索，嘗試。到后來，發(fā)明了算盤， 來提升人們的計算效率。后來，聰明的人類發(fā)現(xiàn)，不僅的雙人手可以撥弄“算珠”， 機器也可以用來讓“算珠”自主運動， 而且效率更高， 速度更快，更能解放生產(chǎn)力。隨后， 人們用繼電器替代了純機械， 最后用電子取代了繼電器。就在科學(xué)家不斷改進(jìn)計算工具的時候，數(shù)學(xué)家們開始對計算的本質(zhì)展開了探究。

總結(jié)

筆者通過回顧計算科學(xué)的發(fā)展史，發(fā)現(xiàn)璀璨的人類文明正在不斷進(jìn)步，不斷提高。他們的探索和發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)構(gòu)成了我們理解世界、認(rèn)知真理、探索人生的最有權(quán)威的“ 公理”， 而且這個公理系統(tǒng)還在不斷的擴大，在擴大的過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)問題，不斷解決問題，不斷摸索計算的科學(xué)規(guī)律。

當(dāng)然，無論量子計算的本質(zhì)最終是否會被發(fā)現(xiàn)，都不會阻止量子計算時代的到來?；仡欉@段歷史，不難發(fā)現(xiàn)，量子計算是計算科學(xué)本身的一次全新的革命， 在不久的將來，我們可以大膽想象，很多困擾人類的問題，？將會隨著量子計算機工具的不斷發(fā)展，問題迎刃而解， 它將“計算科學(xué)”從牛頓時代引向量子時代， 并會給人類文明帶來更加深遠(yuǎn)、厚重的歷史影響。

作者簡介：朱景芝（1979年4月），女，河南商丘人，商丘工學(xué)院教師，本科，主要從事計算機科學(xué)與技術(shù)研究。