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第11章计算机发展前沿技术01新型计算模型02人工智能Contents目录01新型计算模型介绍多种新型的计算模型并行计算就是同时使用多个计算资源来解决一个计算问题。并行计算可分为时间上的并行和空间上的并行。时间并行(流水线思想)计算机CPU的工作可以分为指令的获取、解码、运算和写入结果4个步骤。指令也可以连续不断地进行处理,在同一个较长的时间段内,拥有流水线设计的CPU能够处理更多的指令,实现多条指令的并行运行。空间并行:即通过网络将两个以上的处理机连接起来,达到同时计算同一个任务的不同部分,或者单个处理机无法解决的大型问题。并行计算的优点是具有巨大的数值计算和数据处理能力,能够被广泛地应用于国民经济、国防建设和科技发展中,如石油勘探、地震预测和预报、气候模拟和大范围天气预报、新型武器设计、核武器系统的研究模拟、航空航天飞行器、卫星图像处理、天体和地球科学、实时电影动画系统及虚拟现实系统等。在提高计算性能方面,大规模并行计算具有独特的优势。1并行计算1982年,诺贝尔物理学奖获得者费曼提出了量子计算机的设想。从此,量子理论与计算机科学开始了完美的结合。量子计算机(QuantumComputer)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。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。量子计算机理论上具有模拟任意自然系统的能力,同时也是发展人工智能的关键。由于量子计算机在并行运算上的强大能力,使它有能力快速完成普通计算机无法完成的计算。这种优势在加密和破译等领域有着巨大的应用。2021年2月,中科院量子信息重点实验室的科技成果转化平台合肥本源量子科技公司,发布具有自主知识产权的量子计算机操作系统“本源司南”。量子计算由演示转向实际应用,仍需要科学家长时间的努力。2量子计算1.云计算云计算(CloudComputing)也是分布式计算的一种,指的是通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序,然后,通过多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。现在的云计算,准确地说,是一种云服务概念,是一种按使用量付费的模式,这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问,进入可配置的计算机资源共享池(包括网络、服务器、存储、应用软件、服务),这些资源能够被快速提供。云计算按服务类型可以分为三类:基础设施即服务(Infrastructureasaservice,IaaS)、平台即服务(platformasaservice,PaaS)、软件即服务(softwareasaservice,SaaS)。按部署形式可以分为三类:公有云、私有云、混合云。3网格计算和云计算2.网格计算网格计算是分布式计算的一种,利用互联网地理位置相对分散的计算机组成一个“虚拟的超级计算机”,其中每台参与计算的计算机就是一个“节点”,而整个计算是由数以万计个“节点”组成的“网格”。网格计算是专门针对复杂科学计算的计算模式。网格计算模式的数据处理能力超强,使用分布式计算,而且充分利用了网络上闲置的处理能力,网格计算模式把要计算的数据分割成若干“小片”,而计算这些“小片”的软件通常是预先编制好的程序,不同节点的计算机根据自己的处理能力下载一个或多个数据片段进行计算。网格计算的目的就是通过任何一台计算机都可以提供无限的计算能力,提高或拓展型企业内所有计算资源的效率和利用率,满足最终用户的需求,同时能够解决以前由于计算、数据或存储资源的短缺而无法解决的问题。3网格计算和云计算3.网格计算与云计算的区别云计算是从网格计算发展演化而来的,网格计算为云计算提供了基本的框架支持。网格计算关注于提供计算能力和存储能力,而云计算侧重于在此基础上提供抽象的资源和服务。①网格计算重在资源共享,强调转移工作量到远程的可用计算资源上。云计算则强调专有,任何人都可以获取自己的专有资源。②网格计算是尽可能地聚合网络上的各种分布资源,来支持挑战性的应用或者完成某一个特定的任务需要。云计算一般都是为了通用应用而设计的,其资源相对集中,以Internet的形式提供底层资源的获得和使用。③网格计算使用中间件技术屏蔽异构系统,力图使用户面向同样的环境,把困难留在中间件,让中间件完成任务。实现跨组织、跨信任域、跨平台的复杂异构环境中的资源共享和协同解决问题。而云计算,是不同的服务采用不同的方法对待异构型,一般通过镜像执行,或者提供服务的机制来解决系统异构性的问题。3网格计算和云计算物联网(InternetofThings,IoT)“万物相连的互联网”,是互联网基础上的延伸和扩展。早期物联网是以物流系统为背景提出的,以射频识别技术(RFID)作为条码识别的替代品,实现对物流系统的智能化管理。随着传感器、芯片、网络等技术的高速发展,物联网将信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种信息传感设备与网络结合起来,实现在任何时间、任何地点,人、机、物的互联互通。物联网的关键技术就是云计算。物联网将获取的大量数据利用高性能的云计算对其进行处理,赋予这些数据智能,才能最终转换成对终端用户有用的信息。感知性和智能性是物联网区别于传统互联网的两大重要特性。物联网是新一代信息技术的重要组成部分,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间。物联网在智能家居、智慧交通、智能物流、智能农业和智能城市等领域有着广泛的应用。物联网被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的又一次新浪潮。4物联网大数据”是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力来适应海量、高增长率和多样化的信息资产。大数据具有4个基本特征:数据规模大(Volume)、数据种类多(Variety)、数据处理速度快(Velocity)、数据价值密度低(Value),即所谓的4V特性。这些特性使得大数据区别于传统的数据概念。从庞杂的数据背后挖掘、分析用户的行为习惯和喜好,找出更符合用户“口味”的产品和服务,并结合用户需求有针对性地调整和优化自身,就是大数据的价值。大数据的类型大致可分为三类:传统企业数据,包括CRMSystems的消费者数据、传统的ERP数据、库存数据以及账目数据等;机器和传感器数据,包括呼叫记录、智能仪表、工业设备传感器、设备日志、交易数据等;社交数据,包括用户行为记录、反馈数据等。从理论上说,所有产业都会从大数据的发展中受益。5大数据1.虚拟现实虚拟现实(VirtualReality,VR)内涵:综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备,在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。虚拟现实被认为是多媒体最高级别的应用。它是计算机技术、计算机图形、计算机视觉、视觉生理学、视觉心理学、仿真技术、微电子技术、立体显示技术、传感与测量技术、语音识别与合成技术、人机接口技术、网络技术及人工智能技术等多种高新技术集成的结晶。其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。虚拟现实技术有以下几个特点(3I特性):(1)沉浸性(Immersion)(2)交互性(Interaction)(3)构想性(Imagination)应用领域:(1)娱乐领域(2)军事领域(3)医疗领域(4)教育领域6虚拟现实和3D打印2.3D打印3D打印始于20世纪90年代,基本原理是断层扫描的逆过程,断层扫描是把某个东西“切”成无数叠加的片,3D打印则是一片一片地打印,然后叠加到一起,成为一个立体物体。3D打印本质上是一种层层堆叠,增材制造的思想。与传统技术相比,3D打印技术拥有如下优势:通过摒弃生产线而降低了成本;大幅减少了材料浪费;可以制造出传统生产技术无法制造出的外形,让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器;在具有良好设计概念和设计过程的情况下,3D打印技术还可以简化生产制造过程,快速有效又廉价地生产出单个物品。6虚拟现实和3D打印02人工智能人工智能是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心理学、语言学等多种学科互相渗透而发展起来的一门综合性学科早在1950年,图灵就提出了著名的“图灵测试”。1956年8月,在美国达特茅斯学院,科学家聚在一起,讨论一个主题:用机器来模仿人类学习以及其他方面的智能。虽然最终大家没有达成普遍的共识,但是却为会议讨论的内容起了一个名字:人工智能。1956年被称为人工智能元年。1966—1972年,美国斯坦福国际研究所研制出机器人Shakey,这是首台采用人工智能的移动机器人。1966年,美国麻省理工学院(MIT)发布了世界上第一个聊天机器人ELIZA,“她”能通过脚本理解简单的自然语言,并能产生类似人类的互动。1986年,美国发明家查尔斯·赫尔制造出人类历史上首个3D打印机。进入21世纪,人工智能的发展迎来了真正的“春天”。1人工智能的起源与发展2011年,IBM公司开发出使用自然语言回答问题的人工智能程序Watson(沃森),参加了美国智力问答节目,打败两位人类冠军,赢得了110万美元的奖金。2012年,加拿大神经学家团队创造了一个具备简单认知能力、有250万个模拟“神经元”的虚拟大脑,命名为Spaun,并通过了最基本的智商测试。2016年3月15日,李世石与AlphaGo总比分定格在1比4。2017年5月,在中国乌镇围棋峰会上,它与柯洁对战,以3比0的总比分获胜。1人工智能的起源与发展AI到底能做什么?人工智能涉及的技术非常复杂,有很多部分,进步最快的一部分是supervisedlearning(监督学习)。输入一种图片,然后可以知道图片的内容——图片识别。输入一段语音,会输出一个文本——语音识别。输入一段英文,会输出一段中文——自动翻译。输入一段文本,会输出一段音频——语音输出。输入一段传感器信息,会输出一个汽车的位置——自动驾驶。也就是说,人工智能是指通过学习(深度),对大数据进行科学分析,就像人的大脑一样,模拟人类并最终像人类一样解决问题。2人工智能求解问题无人驾驶无人驾驶汽车是智能汽车的一种,也称为轮式移动机器人,主要依靠车内以计算机系统为主的智能驾驶控制器来实现无人驾驶。无人驾驶中涉及的技术包含多个方面,如计算机视觉、自动控制技术等。Google的GoogleX实验室积极研发无人驾驶汽车(GoogleDriverlessCar),百度也启动了“百度无人驾驶汽车”研发计划,其自主研发的无人驾驶汽车Apollo还曾亮相2018年央视春晚。但是最近两年,科学家们发现无人驾驶的复杂程度远超几年前所预期的,要真正实现商业化还有很长的路要走。3人工智能应用领域模式识别模式识别就是通过计算机用数学技术来研究模式的自动处理和判读方法。用计算机实现模式(文字、声音、人物、物体等)的自动识别。人脸识别也称人像识别、面部识别,是基于人的脸部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术。人脸识别涉及的技术主要包括计算机视觉、图像处理等。目前,人脸识别技术已广泛应用于多个领域,如金融、司法、公安、边检、航天、电力、教育、医疗等。除了人脸识别,生物特征识别技术包括很多种,目前用得比较多的还有声纹识别。声纹识别是一种生物鉴权技术,也称为说话人识别,包括说话人辨认和说话人确认。3人工智能应用领域机器翻译机器翻译是利用计算机将一种自然语言转换为另一种自然语言的过程。机器翻译用到的技术主要是神经机器翻译技术(NeuralMachineTranslation,NMT),该技术当前在很多语言上的表现已经超过人类。随着经济全球化进程的加快及互联网的迅速发展,机器翻译技术在促进政治、经济、文化交流等方面的价值凸显,也给人们的生活带来许多便利。例如,人们在阅读英文文献时,可以方便地通过有道翻译、Google翻译等网站将英文转换为中文,免去了查字典的麻烦,提高了学习和工作的效率。3人工智能应用领域智能客服智能客服机器人是一种利用机器模拟人类行为的人工智能实体形态,它能够实现语音识别和自然语义理解,具有业务推理、话术应答等能力。用户访问网站并发出会话时,智能客服机器人会根据系统获取的访客地址、IP和访问路径等,快速分析用户意图,回复用户的真实需求。同时,智能客服机器人拥有海量的行业背景知识库,能对用户咨询的常规问题进行标准回复,提高应答准确率。智能客服机器人广泛应用于商业服务与营销场景,为客户解决问题、提供决策依据。同时,智能客服机器人在应答过程中,可以结合丰富的对话语料进行自适应训练,因此,其在应答话术上将变得越来越精确。广泛应用大大降低了企业的人工客服成本。3人工智能应用领域智能音箱智能音箱被视为智能家居的未来入口。智能音箱就是能完成对话环节的拥有语音交互能力的机器。通过与它直接对话,家庭消费者能够完成自助点歌、控制家居设备和唤起生活服务等操作。支撑智能音箱交互功能的前置基础主要包括将人声转换成文本的自动语音识别(AutomaticSpeechRecognition,ASR)技术,对文字进行词性、句法、语义等分析的自然语言处理(NaturalLanguageProcessing,NLP)技术,以及将文字转换成自然语音流的语音合成技术(TextToSpeech,TTS)技术。在人工智能技术的加持下,智能音箱也逐渐以更自然的语音交互方式创造出更多家庭场景下的应用。3人工智能应用领域医学图像处理医学图像处理是目前人工智能在医疗领域的典型应用,处理对象是由各种不同成像机理(如在临床医学中广泛使用的核磁共振成像、超声成像等)生成的医学影像。利用计算机图像处理

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