第9章 未来计算机展望

第9章新型计算机展望Neumann计算机的一些致命弱点(1)计算机硬件方面的研究表明，不管CPU和主存的吞吐能力有多高，也不管主存的容量有多大，在CPU和主存之间只有一条每次只能交换一个字的狭窄数据通道。J.Backus在1977年接受ACM图灵奖时所作的学术报告中，把这个通道称为“Neumann瓶颈”。并行处理技术的采用，只不过是基于Neumann体系的计算机系统性能的改进，随着器件的物理性能接近极限，这些改进所花费的代价会越来越高。(2)按照“程序存储控制”体系原理工作的Neumann计算机，只能解释事先所存储的程序，只要针对问题的性质，提出相应的算法，并编制有效的计算程序，即可对问题进行求解。这种求解方法采用的是串行的信息处理过程，即每次从计算机的存储器中取出其中的一个存储信息加以计算，并进行逻辑判断，然后决定下一步应该继续执行存储器中的哪一条指令。由于它充分利用了计算机的快速运算能力，因此，不管问题多么复杂，只要有算法，问题就可以求解。近半个世纪以来的实践证明，它在高精度计算和一些可编程问题的求解以及过程模拟、过程控制等方面已经取得了巨大的成功。但是反过来，它也同时带来了问题的局限性，即对于那些还找不到有效计算算法和明确的计算方法的问题，例如在模糊识别、动力学过程模拟等方面，就碰到了有限时间和空间的障碍。9.1人工智能与智能计算机9.1.1人工智能及其定义1.人工智能学科的诞生公元前5世纪左右，中国人从手算开始发明了算盘和算筹，使人的一部分脑力劳动转移到了工具上。公元前十世纪左右，中国农村妇女发明了提花机，后经逐步改造，将控制机器的程序记忆在花板之中，把人的部分记忆功能转移到了工具上。1834年，英国学者巴贝奇在提花机的启发下，设计了分析机，不仅承担了人的部分记忆功能、计算功能，还在计算程序中引入判断，使之智力活动的能力进一步增强．1947年，著名的数学家、计算机科学艾伦·麦席森·图灵（AlanMathisonTuring，1912—1954），在一次计算机学术会议上作了题为“智能机器”的报告，论述了他关于机器思维的设想。1956年夏季，数学家和计算机专家麦卡锡与数学家和神经学家明斯基、IBM公司信息中心主任罗彻斯特、贝尔实验室信息部数学家和信息学家香农等共同发起组织，邀请IBM公司的莫尔（More）和塞缪尔（Samuel）、美国麻省理工学院的塞尔夫里奇（Selfridge）和索罗蒙夫（Solomonff）、兰德公司的纽厄尔（Newell）和卡内基-梅隆大学的西蒙（Simon）共10人，在达特茅斯大学（DartmouthCollege）举办了一个长达2个月的人工智能夏季研讨会。第9章未来计算机展望2.人工智能的定义麦卡锡教授在1956年给出的定义是：人工智能就是要让机器的行为看起来就像是人所表现出来的智能行为一样。尼尔逊教授给出的定义是：人工智能是关于知识的学科——怎样表示知识以及怎样获得知识并使用知识的科学。美国麻省理工学院的温斯顿教授给出的定义是：人工智能就是研究如何使计算机去做过去只有人才能做的智能工作。第9章未来计算机展望3．图灵测试第9章未来计算机展望9.1.2人工智能研究学派与关注的内容1.人工智能的研究学派1）符号主义学派符号主义（symbolicism）又称为逻辑主义（logicism）、心理学派（psychlogism）或计算机学派（computerism），这是一批最早踏入人工智能领域的研究者的思想。符号主义学派的理论基础与工具是数理逻辑．2）连接主义学派连接主义

connectionism)，又称为仿生学派(bionicsism)或生理学派(physiologism)，是一个基于从人脑模型的角度进入人工智能领域的学派．3）行为主义学派行为主义(actionism)，又称为进化主义(evolutionism)或控制论学派(cyberneticsism)，是一批从控制论思想角度研究人工智能领域的学派。第9章未来计算机展望2.人工智能研究的主要关注内容1）认知建模与知识表示2）知识搜索与推理3）数据挖掘与知识发现4）知识应用5）机器感知、交流与互动6）机器思维与自动程序设计7）知识获取与机器学习8）机器行为9）自我进化10）智能系统构建与层次化的智力社会模第9章未来计算机展望9.1.3智能计算机1.智能计算机的提出“像人一样会思考的计算机”．第9章未来计算机展望２.智能计算机的研制目标(1)智能计算机的解题能力主要取决于知识。应当是以知识库为中心的系统。它与传统计算机最大的不同之处在于，要变“程序存储”为“知识存储”，为此还要解决知识的表示问题。(2)知识是一个不断积累的过程，这个过程称为知识获取。因此，智能计算机应当有知识获取，即学习功能。(3)问题的求解过程是知识的应用过程，是根据已有知识对问题进行理解和推理过程，因此，理解与推理是智能计算机的核心部件。第9章未来计算机展望3.智能计算机模型第9章未来计算机展望1）智能机软件系统的组成（1）基本知识库。它包括3种知识库。①一般知识库②系统知识库③应用知识库（2）基础软件系统。它由3部分组成。①智能接口系统：提供智能接口所需知识，完成各项功能。②问题求解推理系统：提供知识库推理机，便于推理机求解问题。③知识库管理系统：提供知识给知识库，并支持知识库管理。（3）智能系统化支援系统。向用户提供知识，支援用户进行各种系统的设计，从而减轻人的脑力劳动。它有3个支援系统。①用于处理程序的智能程序设计系统。②用于处理知识库的设计系统。③用于处理计算机结构的智能设计系统。第9章未来计算机展望（4）智能使用系统。为用户提供各种规程，帮助用户构造应用系统。它包含4种软件。①传递系统：将程序式数据库从现有机器中传输到目标机中去。②教学系统：说明智能机的功能及使用方法。③咨询系统：为用户提供使用规程。④故障诊断：系统维护，自动检查和恢复功能，指导维修。（5）基本应用系统。提供基本应用功能，如翻译、问题回答、声音应用、图像/图形应用、问题求解等，是各应用系统的共享核心。（6）应用系统。按用户需要建立的具体应用对象的系统，由基本应用系统提供共享

资源。第9章未来计算机展望2）智能接口技术智能接口是智能计算机的一个重要组成部分。智能接口技术包括视觉系统、听觉系统、自然语言理解等研究领域。（1）视觉系统。用于模拟人的视觉功能。（2）听觉系统。自然听觉是人类通信的常用工具。其核心是语声信号处理，包括词的端点识别、词的识别、语义分析等部分。它们分别用到系统建立的“语义字典”及“语言规则和背景知识库”。（3）自然语言理解。自然语言理解可以使用户能够用普通的语言与计算机相互通信，使计算机的应用、操作更为方便。如果能达到下面的4条标准，该计算机系统就具备了自然语言理解的能力。①能成功地回答语音提问的有关问题。②能对大量数据做出摘要。③能用自然语言语言复述这些问题。④能从一种语言转译到另一种语言。第9章未来计算机展望3）智能计算机解题过程第9章未来计算机展望9.2量子计算机9.2.1量子计算机的基本原理1.量子叠加性与量子存储qubit位数所具有的状态存储的数据量1(0and1)212(0and1)and(0and1)22=43(0and1)and(0and1)and(0and1)23=8

300(0and1)and(0and1)and(0and1)and(0and1)…2300≈1090

qubit的存储2.量子相干性与量子并行计算量子计算机对N个存储单元进行实施一次的运算，实际上就是对2N个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2N次操作，或者相当于用2N处理器实行并行操作。可见，量子计算机可以节省大量的运算资源（如时间、记忆单元等）。第9章未来计算机展望3．量子退相干与量子编码量子计算机不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干（Quantumdecoherence。也称退相干）。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。目前找到的克服消相干最有效方法是量子编码。第9章未来计算机展望4.量子纠缠与量子算法两个叠加态的量子不管分别处于太空宇宙的哪个角落，如果一个量子改变了状态，那么相对应的另一个量子必然也会同时改变状态。第9章未来计算机展望9.2.2量子比特与计算基1．单量子比特与计算基第9章未来计算机展望第9章未来计算机展望2.双量子比特与计算基第9章未来计算机展望3.多量子比特与计算基第9章未来计算机展望9.2.3量子比特门与量子线路图量子比特门也称量子逻辑门，简称量子门，使用酉矩阵表示。酉矩阵的特征值都是模为1的复数，即分布在复平面的单位圆上，因此酉矩阵行列式的值为±1。常用的量子门可以以2×2或者4×4的酉矩阵表示第9章未来计算机展望第9章未来计算机展望9.2.4量子算法量子算法是在量子计算机上执行的解题思路。对于某些问题的求解，量子算法要胜过最著名的经典算法。这被称为量子加速。1.Shor算法2.Grover搜索算法3.量子系统模拟第9章未来计算机展望9.2.5量子编程语言第9章未来计算机展望9.3未来计算机的其他探索9.3.1数据流计算机、归约机

和拟态计算机1.数据流计算机1）数据流计算机中指令的执行有如下5个特点。(1)异步性：只要本条指令所需要的数据齐备，指令便可以独立地执行，而不关心其他指令和数据的情况。（2）独立性：计算结果直接在指令间传递。一条指令产生的数据可以被复制成多个副本，直接送其他需要的指令。数据驱动程序中的数据保存在指令中，而不是保存在共享存储器中。这些指令不需要用任何方式排定次序。(3)局部性：各指令间的数据传送是直接的，不需将操作数作为“地址”变量，一条指令的输出，同时指向使用它的一条或多条指令(目标指令)，数据经过一条指令执行后随即消失，不产生长远或全局的影响。(4)并行性：只要有足够的处理单元，凡是相互间不存在数据依赖关系的指令都可以并行执行。这种并行性是隐含的。(5)“单赋值”性：程序中的任何变量只允许在赋值语句的赋值号左边出现一次，即不允许对一个变量多次赋值，这也有利于开发运算的并行性。

数据流计算机指令第9章未来计算机展望操作包操作包由操作码（operrationcode）、一个或几个源操作数（sourcedata）以及零个或多个后继指令地址（nextaddress）组成。后继指令地址用于和结果数据组成使用结果数据的后继指令的数据令牌，如果一条指令的运算结果要送几个目的地址，则分别形成几个数据令牌。

第9章未来计算机展望数据令牌数据令牌用以传送数据并激活(点火)指令。每个数据令牌由两部分组成：结果数据和目标地址。结果数据就是一条指令执行的结果，是数据令牌携带的内容。目标地址，即使用该结果的数据。这是数据流计算机工作的一个重要特征：数据由数据令牌携带，在指令间直接传送。当一条指令的所有数据令牌均到达时，该指令即被点火，可开始执行。因此数据令牌中还应含有各种标志和特征等。第9章未来计算机展望

数据流程序图及其操作规则

1）数据流图基本结构x=(a+b)×(c+d)/a的数据流程图与逻辑数据有关的节点有如下几种：·逻辑运算节点，·条件门节点。·条件分支节点)所。·条件汇合节点。·判定节点。 运算规则·节点所有输入弧上都有数据令牌时，节点被“点火”；·节点的操作开始后，其输入弧上的数据令牌消失；·节点的操作执行完后，其输出弧上出现数据令牌；·弧上有复制节点时，要首先执行复制操作，即把复制节点前面的数据令牌复制到其后的各分支。

ifpthenG1elseG2数据流程图2.归约机1）需求驱动·控制驱动：

指令指针指向时。·数据驱动：

输入到齐时。·需求驱动：

需要输出时。也就是说，在需求驱动系统中，一个操作符仅在需要它的输出结果时才开始启动它，而不管这个操作符所需的输入是否已经到齐第9章未来计算机展望2）FFP归约机结构(1)线性L单元阵列：是一个带有逻辑功能的存储系统，它不仅存放FFP表达式(即程序)，还执行大部分处理工作，相当于人脑中的细胞单元，既有记忆功能，又有处理功能。L单元的线性连接仅仅是为了存储管理。(2)前端机：控制整个系统，包括对FFP机使用的基本操作进行定义、控制辅助存储器、管理I/O等。(3)辅助存储器：作为L存储器的扩充。L中的内容溢出时，要把溢出部分移入辅助存储器。(4)互连网：L单元间经互联连网进行通信，互连网还具有某些处理功能。最简单的互连网结构是二叉树第9章未来计算机展望辅助存储器辅助存储器前端机互连网LL…L图6.42二叉树结构的FFP机TTTTTTTLLLLLLLL返回3）FFP工作过程（1）

几个术语·可归约表达式：一个操作符及其复元的组合。·归约程序：表现为嵌套的可归约表达式(一个可归约表达式中又含有别的可归约表达式)。·最内层可归约表达式：在嵌套的多个表达式中，已计算出其多元值的可归约表达式。第9章未来计算机展望（2）FFP机的工作过程①分解阶段。分解阶段的工作是按可归约表达式各最内层可归约表达式，对二叉树结构的机器进行分解，重新构造成一组互相独立的二叉树结构的子机，为每个最内层可归约表达式分配一台子机。②执行阶段。由各子机独立地对其上的最内层可归约表达式作归约处理。③存储管理阶段。L阵列的主要用途是存储可归约表达式。当对一个表达式的最内层可归约表达式计值之后，表达式的形成将发生变化，通常是规模变大，需要重新安排存储。FFP机重复执行上述3个周期，直到归约结束。第9章未来计算机展望3.拟态计算机第9章未来计算机展望9.３.2摩尔定律与未来计算机元器件研发1.摩尔定律第9章未来计算机展望·每个芯片中含晶体管的数量，每18个月翻一番，即每年增长60%；·芯片的价格每18个月降低一半。第9章未来计算机展望第9章未来计算机展望30多年间计算机CPU集成度的发展状况

第9章未来计算机展望2