对于计算机科研提速及计算科学发展的分析

凌智华

（广西云龙招标有限公司 广西南宁 530012）

对于计算机科研提速及计算科学发展的分析

凌智华

（广西云龙招标有限公司 广西南宁 530012）

理论性的研究科学不仅有深远的科学意义，同时研究科学的应用功能也十分丰富，也是计算机科学基础的组成部分。在国际上一直很受重视，但相对来说在国内却是很多人不太了解的部分。本文笔者由对计算机发展历史与人类对计算的本质认识，回顾量子计算系统的发展与成熟并且提出人类最初开始认识未知世界的规律：“计算的工具持续发展-整体思维能力在不断的增强-公理的系统一直持续扩大-旧的神谕被丢弃-新的神谕一直产生一直循环。”

计算科学；科研；计算工具

引言

据研究表明，从1998年成立到现在，微软在亚洲研究院已经确定了五大研究方向，包括多媒体、数字游戏娱乐、用户的界面、无线及网络科学技术与互联网信息搜索和挖掘等领域。本次确立的理论研究组将和原本五个研究组平行的同时运作，给他们提供理论支持，在拓展研究的深度和广度方面给予他们进一步的帮助。

1 计算的实质和古代计算工具

从类型上来说，计算主要分为两大类：数值计算与符号推导。伴随着数学科学的不断发展，在未来还可能会出现新的计算类型。在公元前5世纪的时候，中国人就早已开始用算筹当作计算工具，并且在公元前3世纪的时候，算筹得到了普遍采用，一直使用到了二千年。同时中国人还把算法进行口诀化，从而使得计算速度加快了很多。

抽象来说，计算就是由一个符号串f换算成另一个符号串g。例如说从符号串12+3换算成15就是一个加法运算。如果符号串f是x2，且符号串g是2x，所以从f到g的计算就是微分。用定理证明推导也是如此，用f来表示一组公理与推导规则，使得g是一个定理，那么从由f到g的一系列换算就是定理g的证明。从这个方面来看，文字的翻译也是一种计算，比如f表示一个英文句子，而g表示含意相同的中文句子，所以从f到g就是把英文翻译变换成中文。这些变换之间有什么共同相似点，为什么要把它们都叫做计算。因为，它们都是由己知的符号（串）开始，一步接一步地改变符号（串），通过有限的步骤，最后可以得到一个满足预先规定的符号（串）的换算过程。

2 计算机科研提速介绍

2.1 摩尔定律和计算的极限

人类能否将电子计算机的计算速度一直不断地提升?传统的电脑计算机的计算能力如果需要进一步提高，是否有极限?对于这个问题，专家们在实行严密的论证之后确定了否定答案。假如电子计算机的计算能力永无止境的提高，最后地球上所有的能量都将转换为的结果就会导致熵的降低，这种向低熵方向无限度的发展运动是被哲学界所认为不应该发生的。因此，传统的电子计算机的计算能力一定是有限度的。而以IBM研究中心的朗道（R.Landauer）为代表的理论科学一直到21世纪30年代，芯片内导线的宽度将生产到纳米尺度（1nm=10-9m），这个时候，导线里运动的电子将不再遵守物理定律中牛顿力学沿着导线运行，而是依照量子力学的规律表现出电子乱窜现象，进而造成芯片没有办法正常工作：同样，当芯片中晶体管的体积缩小到一定的临界尺寸（约5nm）之后，晶体管也将会受到量子效应的干扰而表现出奇特的反常效应。

2.2 量子计算系统

量子计算思想的提出，最开始可以追溯到20世纪80年代。物理学家费曼RichardP.Feynman曾尝试用传统的电子计算机来模拟量子力学对象的行为。他碰到一个棘手的问题：量子力学系统对象的行为一般是难以理解也是难以求解的。例如光的干涉现象，在干涉的过程中，相互作用的光子每增加一个，有可能出现的情况就会多出一倍，也就是产生问题的规模会呈指数级增加。模拟这样的实验所需要的计算量太大了。但是在费曼的眼里，这却正好提供了一个契机。只要在计算机的运行过程中，允许它在真实的量子力学系统对象上完成实验，并将实验的结果整合到计算中去，就能获得远远超出传统计算机的运算速度。量子计算的产生，彻底的打破了这种认识和创新规律。它主要是建立在量子力学实验在现实世界的不可计算性之上的。尝试利用一个实验来替代一系列繁冗的运算。电子计算机与互联网的出现，很大程度加强了人类的整体科研能力。因此量子计算的出现，会给人类带来愈加强大的科研能力与思考能力。不仅仅如此，量子计算会更进一步揭示出计算的本质，把人类对计算实质的认识从牛顿世界中扩展到量子世界中。

3 理论计算机科学与提速

理论研究科学不仅有深远的科学意义，同时研究科学的应用功能也十分丰富，也是计算机科学的基础的组成部分。在国际上一直很受重视，但相对来说在国内却是很多人不太了解的部分。直到2004年，计算机理论学界的大师姚期智从执教多年的普林斯顿大学回到清华大学的时候，理论研究科学才算刚刚开始起步。微软的亚洲研究院院长沈向洋则认为，从科研的角度来说，理论就相当于最底层的基础支撑。理论资源的丰富性、深度性、坚实性会使基础研发走得越来越快越来越远。他认为对于微软的亚洲研究院来说，促进区域的整体科研实力提高是他们的重要使命之一。理论研究组的创建，除了给研究院其他部门的研究还有微软产品的开发研制打下坚实的理论基础。除了进一步的促进研究院的发展与创新之外，还希望能够与清华大学等高级科研院所一起促进理论计算科学在中国的研究和发展。

4 理论计算机科学应用案例

4.1 精益研发

精益研发方针的传统的产品工程策略中，会牺牲产品的技术含量而追求成本最低，要么就要增加成本而追求高技术含量，产品的特性在BAC弧线上移动（见图1，该弧线半径表示竞争力），显然这种移动不可以显著提升产品的竞争力。如需要将半径扩大，精益策略则是最有效的策略。

图1 传统策略与精益策略比较

通过精益生产措施（沿着AE射线水平行进），可以大幅度降低产品的成本，但不降低产品技术含量。可以比同类产品具有更低的价格，但是仍然不赔钱，在不显著增加产品成本的前提下，可以提高产品的品质和技术含量，从而提升产品价值，达到提高竞争力的目的。精益研发相对于生产来说，具有更大的空间加强企业竞争力。因此，精益策略获得的产品属性曲线EF是椭圆弧，技术轴是长轴。精益研发技术工程技术创新及质量管理技术是精益研发中的主要技术，在产品进化历程中，分别具有各自的价值。工程仿真，通过定量分析技术驱动产品研发，对企业产品提供具有改善意义的优化方案；技术创新，通过定性分析技术拓展研发思维，对企业产品提供具有突破性的创新方案；质量管理，通过统计分析技术提升研发品质，将仿真技术和创新技术带给产品的技术附加值变的更有价值。1.工程仿真，驱动产品研发工程仿真技术被称为现代企业产品研发的“发动机”，可以通过精确的建模来模拟真实世界，帮助企业优化产品性能，减少物理样机及试验，从概念（见图2）。在产品研发流程中，越早采用仿真技术，越能发挥仿真技术的优化作用，对研发的驱动作用效果越好。

在工程实践中对仿真技术的需求千差万别，使得仿真技术百花齐放，按照不同物理场发展出许多适用于所有行业的通用仿真体系，如机械仿真、流体仿真和电磁仿真等，还有许多为不同行业定制开发的专用软件。另外，高性能计算、多场耦合及协同仿真作为工程仿真技术发展的三个重要方向，值得关注。

图2 仿真驱动产品研发

4.2 协同仿真研发创新与优化

协同仿真研发信息化技术发展的一大特点主张将企业离散的仿真技术、流程、数据和知识综合起来，形成协同优势，支持复杂产品的创新与优化。同时利用知识工程手段，降低仿真门槛，让新手更快地进入高产能状态。利用协同手段，将仿真纳入企业的协同大环境，让更多的人因仿真技术而受益。

图3是研发的协同仿真平台PERA.Simulation的架构。其中包含仿真流程集成（Workflow）、仿真技术集成（CAXMan）、仿真数据管理（DataMan）、仿真知识管理（KnowleMan）及多学科优化（MDOMan）等模块。

图3 PERA.Simulation技术架构

5 理论计算机科学研究的机会和挑战

理论计算机科学要怎样才可以做出一些突破性的研究，让中国理论科学的研究更进一步，姚期智院士举了两个例子：

（1）有些问题属于效率问题，比如互联网的信息搜索就能有利于理论计算机科学的快速发展。互联网是一个非常大的图形，在这个图形内所做的事情，基本上都是理论计算科学所涵盖的问题。要是能在算法上实行改进的话，就可以在科学技术、时间长短、商业利益上获得十分显著的效果，进而得到强大的效益。

（2）有些问题不仅仅是效率问题，而是是否够做到的问题。比如安全问题，过去30年的研究表明，大家公认在信息安全和网络安全这部分，没有一个足够好的理论架构与基础可以做到完全避免黑客的攻击。所以，一定要在理论科学发展的基础上确保各种各样的信息的安全，以后可能会从两个方面来解决摩尔定律的极限问题，一方面就是计算机的硬件比如说量子计算机，另外一方面则是计算机软件。

6 结束语

不管量子计算科学的实质是否会被发现，也无法阻碍量子计算科学时代的到来。量子计算是计算科学历史上一次崭新的革命，也许很多困扰人类很久的问题，都将会伴随着量子计算工具的快速发展而得到解决，它将理论计算科学从牛顿时代向量子时代过渡，同时也会给人类文明产生更加深远的影响。要是我们使用最好的方法，编写的软件程序可以比现在更加有效率的话，计算能力的本身就可以帮我们做很多现在我们无法做到的事情。

[1]卢森森，沙棘.计算机发展的思考[J].（科教纵横），2010（9）：1.

[2]张晓丽.对计算科学和计算机发展的思考山西煤炭管理[J].学院学报，2009（5）：08～09.

[3]方 洁.对计算科学和计算机发展的思考[J].科技资讯，2009（8）：12～13.

G353.1

A

1004-7344（2016）25-0279-02

2016－8－20