计算机研究与发展

计算机科学前沿热点及发展趋势

摘要：计算机科学围绕信息、知识、智能等主题发展迅速。文章系统地介绍了信息处理、

文字与自然语言的理解、数据仓库和数据挖掘；知识科学；人工智能、人工神经网络的研究、

遗传算法、逻辑学等领域研究中前沿的若干问题，并提出未来计算机科学的发展趋势.

关键词：信息技术知识科学智能技术发展趋势

在短短的60年里,计算机科学发展至今，取得了巨人的成就.从观念上改变了人们对世

界的认识，将人类社会带入了信息时代。加速T人类社会的发展.在今天计算机科学技术已

经成为人们日常生活工作中不可或缺的重要组成部分，而计算机技术的发展也将越来越多影

响人类社会的进步。

1计算机科学前沿热点

近年来,计算机科学中前沿的问题主要围绕信息、知识、智能三大研究领域展开讨论.

本文中所指的信息是指客观事物的属性。而知识不同于信息，它是人们对信息经过大脑的加

工与处理后，形成的规律、规则、方法及认识。智能则是指大脑从历史信息、知识的基础之

上形成的对现有信息、知识的推理、演绎、判断的方法。

根据研究分析表明，在三大研究领域中，主要有以下前沿热点研究：

(1）信息方面：信息处理、数据仓库和数据挖掘、生物信息学。

（2）知识方面：以知识科学与知识工程为主要研究的问题。

（3）智能方面：以人工神经网络的研究,机器证明，人工智能与专家系统,遗传算法,代

数逻辑学形成了本研究领域的主要特色。

1.1信息科学

1。1.1信息处理技术

信息处理技术是当今计算机科学发展的重点，目前计算机处理的信息可分为符号和数

据，因而一切要由计算机处理的对象首先是符号化和数字化。信息科学正在形成和迅速发展，

现在主要的研究课题集中在以下六个方面:

(1）信息源理论和信息的获取。主要研究自然信息源和社会信息源,以及从信息源提取信息

的方法和技术。

（2)信息的传输、存储、检索、转化和处理。

(3)信号的测量、分析、处理及显示。

（4）模式信息处理。研究对文字、声音，图像等信息的处理、分类和识别，研制机器图像

和语音识别系统。

（5）知识信息处理.研究知识的表示、获取和应用，建立具有推理和自动解决问题能力的知

识信息处理系统，即专家系统.

（6）决策和控制。在对信息的采集、分析、处理、识别和理解的基础上作出判断、决策或

控制，从而建立各种控制系统、管理信息系统和决策支持系统。

1.1.2数据挖掘技术

传统的数据库技术是单一的数据资源，即以数据库为中心，对事务处理、批处理到决策

分析等各种类型的数据处理工作。近年来，随着计算机技术的发展，对数据库中数据操作提

出了更高的要求，希望计算机能够更多的参与数据分析与决策的制定等领域。数据库处理可

以大致划分为两大类：操作型处理和分析型处理(或信息型处理）。这种分离,划清了数据处

理的分析型环境与操作型环境之间的界限，从而由原来的以单一数据库为中心的数据环境发

展为一种体系化环境，因而产生了数据挖掘技术。在这方面目前主要解决的前沿问题有:

(1)异构数据的接口机制；（2)数据仓库的体系结构问题;（3)数据仓库的数据优化问题；（4）

数据仓库中数据的获取与整理；(5）历史数据的提出和信息挖掘；(6）信息挖掘的方法学问

题；（7）数据的存储和数据模型。

1.2知识科学

知识进步是人类社会发展的永恒动力,知识经济是推动其他经济发展的原动力，知识产

权关系国家命运。可见知识在计算机科学中发展的重要意义.计算机科学虽然是一门刚刚兴

起的学科，但它与数学、逻辑学、语言学、认知科学、心理学、哲学等关系相当大。目前知

识科学主要的研究领域表现在：

(1）知识模型研究,常识性知识研究;（2）非规范知识研究,知识处理的数学理论；（3)知识

获取理论和技术；(4)知识科学和软件科学；(5）基于知识的计算机艺术.

1.3智能处理技术

1。3。1人工智能

从第一台电子计算机诞生至今，其主要功能都是进行数值计算和数据处理。但随着基于

符号的运算、推理逻辑的迅速发展和对人类大脑的思维形式的研究逐步清晰，人们开始研制

具有“智能”的计算机,这是人工智能的基本思想.

人工智能（ArtificialIntelligence,简称AI），是一门正在发展中的综合性前沿学科,

主要由计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、语言学等多个学科相互渗透发展而来,

研究和应用领域概括起来有以下六个方面:

（1)问题答疑；（2）语言、模式识别;(3）智能数据库；（4）智能博奕;（5）智能机器人；

(6)程序自动设计。

1。3。2人工神经网络

人工神经网络(ArtificialNeuralNetwork，简称ANN）理论取得巨大的成果，其主要

前沿研究方向与以下五个方面结合:

（1）人工神经网络与人工智能、专家系统的结合；（2)人工神经网络与模糊数学结合产生新

的人工智能方法；(3)与计算机硬件结合产生神经计算机；（4)符号化神经计算和进化计算；

（5）神经网络控制理论。

1。3。3遗传算法

遗传算法是一门新兴科学智能的计算方法.目前在遗传算法中需要研究和解决的主要问

题有：(1)遗传算法与其它人工智能的方法结合，如与神经网络、模糊数学等结合产生新的

科学方法；（2)遗传算法的并行理论、计算、程序设计问题；（3）遗传计算机、遗传生物芯

片的研究；(4)遗传智能控制;（5)遗传方法的应用与推广。

1。3.4逻辑学

代数逻辑学从经典的二值逻辑，即真值取到｛0,1｝上的逻辑,发展到多值逻辑即真值取

到[0,1].包括经典逻辑学的形式系统的建立，及命题逻辑、一阶谓词逻辑及其公理系统的建

立,目前研究的热点有以下几方面：

(1)建立在经典逻辑上的推理方法；（2)多值逻辑上的推理方法；(3）基于格上的逻辑系统

建立和推理方法等。

这些计算机科学的众多研究热点在我国国家自然科学、863计划、攻关项目等均有较大

的投入。这将使大量的科学研究者投入于这些前沿问题的的攻克,可以想象这些问题的解决

将会给计算机科学带来新的发展机遇，未来的计算机将会像人一样去说话、做事、发现和解

决现实生活中的问题,把人类社会生活方式带向了另一境界。信息是计算机的源,知识是信息

的模型,人工智能是知识挖掘的动力，三者协调发展是非常必要的。

2计算机发展趋势

2。1智能化的超级计算机

超高速计算机采用平行处理技术改进计算机结构，可以使计算机系统同时执行多条指

令，或同时对多个数据进行处理，进一步提高计算机运行速度。超级计算机通常是由成百数

千甚至更多的处理器构成,能完成普通计算机和服务器所不能计算的大型的复杂任务.从超

级计算机获得的数据分析和模拟成果，能推动各个领域高精尖项目的研究与开发，为我们的

日常生活带来更多的便利。

2.2新型高性能计算机问世

随着硅芯片技术的高速发展，硅技术越来越接近了其自身的物理发展极限。因此，迫切

要求计算机从结构变革，到器件与技术的革命这一系列的技术都要产生一次质的飞跃才行。

新型的量子计算机、光子计算机、分子计算机和纳米计算机由此应运而生.

2.2。1量子计算机

量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究，量子计算机是一类遵循量子力学规律进行

高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机是在量子效应基础上开

发的，利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状

态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算。量子计算机中的数据用量子位存储。

2。2。2光子计算机

光子计算机是利用光子取代电子进行数据运算、传输及存储。光子计算机即全光数字计

算机，以光子代替电子,光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件,光运算代替

电运算.在光子计算机中，不同波长的光代表不同的数据，可以对复杂度高、计算量大的任

务实现快速地并行处理.光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。

2。2.3分子计算机

分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子计算机的运行是吸收分子晶体上

以电荷形式存在的信息，并以更有效的方式进行组织排列.由于分子芯片的原材料是蛋白质

分子,所以分子计算机既有自我修复的功能，又可直接与分子活体相联。美国已研制出分子

计算机分子电路的基础元器件，可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流.以色列科学

家已经研制出一种由DNA分子和酶分子构成的微型分子计算机。预计20年后，分子计算机

将进人实用阶段。

2.2。4纳米计算机

纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机.纳米技术是从20世纪80年代初迅

速发展起来的新的前沿科研领域,最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子,制造

出具有特定功能的产品。现在纳米技术正从微电子机械系统起步,把传感器、电动机和各种

处理器都放在一个硅芯片上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积

只有数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费

任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍.纳米计算机体积小、造价低、存量大、

性能好,将逐渐取代芯片计算机，推动计算机行业的快速发展。

综上所述，计算机技术主要朝着三个方向发展：

一是向“快”的方向。速度越来越快，性能越来越高，计算机的主频越来越快。专用计

算机的并行程度比通用机更高，并行计算机的关键技术是如何高效率地把大量计算机互相连

接起来，即各处理机之间的高速通信,以及如何有效地管理成千上万台计算机使之协调工作,

这就是并行计算机的系统软件——操作系统的功能.

另一个方向就是向“广"度方向发展，计算机发展的趋势无处不在，应用范围更加广泛。

近年来更明显的趋势是网络化与向各个领域的渗透，即在广度上的发展开拓。国外称这种趋

势为普适计算或者叫无处不在的计算。未来计算机将存在于家中的各种电器中，到那时笔记

本,书籍都将电子化、数字化。再过十几、二十几年,可能学生们上课用的将不再是教科书，

而只是一个笔记本大小的计算机，学生可以根据自己的需要方便地从中查到想要的资料.所

以有人预言未来计算机也将成为最常用的日用品.

第三个方向是向“深”度方向发展，即向信息的智能化发展。网络上有大量的信息，为

了使这些信息转变成所需要的知识,同时又具有更加友好的人机界面，计算机将具备更多的

智能成分.未来计算机将具有多种感知能力及一定的思考能力。人们可以用自然语言、手写

的文字，甚至可以用表情、手势来与计算机沟通，使人机交流更加快捷.让人能产生身临其

境感觉的虚拟现实技术是这一领域发展的集中体现。

参考文献

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