時(shí)間：2023-09-19 16:27:39
開(kāi)篇：寫(xiě)作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
【關(guān)鍵詞】 超級(jí)計(jì)算 物理學(xué) 研究
1 計(jì)算科學(xué)的重要性日益凸顯
當(dāng)前，超級(jí)計(jì)算已成為繼理論和實(shí)驗(yàn)之后科學(xué)研究的第三大研究方法，已經(jīng)滲透到科學(xué)研究與工程設(shè)計(jì)的各個(gè)層面，成為促進(jìn)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科技進(jìn)步的重要手段。在一些新興的學(xué)科，如新材料新能源技術(shù)和生物技術(shù)領(lǐng)域，超級(jí)計(jì)算機(jī)已成為科學(xué)研究的必備工具。同時(shí)，超級(jí)計(jì)算也越來(lái)越多地滲透到能源開(kāi)發(fā)、高端裝備制造等一些傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，以提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。金融、政府信息化、企業(yè)等更廣泛的領(lǐng)域?qū)Τ?jí)計(jì)算的需求也迅猛增長(zhǎng)?，F(xiàn)今超級(jí)計(jì)算是國(guó)家科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵要素，是體現(xiàn)國(guó)家科學(xué)技術(shù)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志，是支撐國(guó)家綜合國(guó)力持續(xù)提升的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。
同時(shí)，應(yīng)用領(lǐng)域的快速擴(kuò)展，也對(duì)超級(jí)計(jì)算發(fā)展提出了更大需求和更高要求。尤其當(dāng)代科技對(duì)計(jì)算的要求越來(lái)越高，應(yīng)用領(lǐng)域要達(dá)到全物理、全系統(tǒng)、三維、高分辨、高逼真的建模能力，這一要求已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前的計(jì)算能力。這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，帶來(lái)了一系列世界性難題，形成了當(dāng)代科學(xué)計(jì)算的學(xué)科前沿。正是由于需求的牽引和計(jì)算科學(xué)自身發(fā)展的推動(dòng)，各發(fā)達(dá)國(guó)家都大力發(fā)展超級(jí)計(jì)算。我國(guó)也在《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》、《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》等關(guān)系國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展方向的重要文件都指出，要大力發(fā)展新一代信息技術(shù)，突破制約高端信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，掌握超級(jí)計(jì)算、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等核心技術(shù)，以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，重視和加強(qiáng)創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)支撐和帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)和關(guān)鍵產(chǎn)品，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)改造和技術(shù)升級(jí)。
2 超級(jí)計(jì)算發(fā)展迅速及各國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略
超級(jí)計(jì)算的核心是超級(jí)計(jì)算機(jī)，超級(jí)計(jì)算機(jī)并沒(méi)有明確定義，通常指能夠執(zhí)行一般個(gè)人電腦無(wú)法處理的大資料量與高速運(yùn)算的電腦，具有很強(qiáng)的計(jì)算和處理數(shù)據(jù)的能力，配有多種外部和設(shè)備及豐富的、高功能的軟件系統(tǒng)。1976年世界上首臺(tái)商用巨型機(jī)Cray-1問(wèn)世，成為超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展起步的標(biāo)志。超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速，截止2013年底，短短37年的時(shí)間，性能提升超過(guò)100，000，000倍，Cray-1浮點(diǎn)計(jì)算性能只有160Mflops（現(xiàn)在普通電腦的性能已達(dá)到1，000Mflops量級(jí)），而2013年排名世界第一的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)峰值計(jì)算速度每秒達(dá)5.49億億次（54，900，000，000，000Mflops）、持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次[1]。
從技術(shù)發(fā)展角度來(lái)說(shuō)，單個(gè)CPU性能提升基本滿(mǎn)足“摩爾定律”，也就是每18個(gè)月左右CPU性能提升1倍，但是超級(jí)計(jì)算機(jī)性能的提升遠(yuǎn)高于高CPU性能提升的速度，基本按指數(shù)方式在提升（參看圖1）。超級(jí)計(jì)算機(jī)之所以能獲得如此卓越性能和發(fā)展速度，主要得益于并行技術(shù)的支撐[2]。
世界上許多國(guó)家對(duì)計(jì)算能力的建設(shè)和計(jì)算科學(xué)的發(fā)展都給予了高度重視，不少?lài)?guó)家都制定了國(guó)家層面的計(jì)劃[3，4，5]。
（1）美國(guó)：從1970年代起就實(shí)施了一系列推動(dòng)計(jì)算科學(xué)發(fā)展的國(guó)家計(jì)劃，包括“戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)計(jì)劃”（SCP）、“高性能計(jì)算和通訊計(jì)劃”（HPCC）、“加速戰(zhàn)略計(jì)算計(jì)劃”（ASCI）、“先進(jìn)計(jì)算設(shè)施伙伴計(jì)劃”（PACI）等。2005年，美國(guó)總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢(xún)委員會(huì)（PITAC）的報(bào)告《計(jì)算科學(xué)：確保美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)力》中指出，“二十一世紀(jì)最偉大的科學(xué)突破將是計(jì)算科學(xué)所獲得的成就”，建議“聯(lián)邦政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界必須共同制定一個(gè)數(shù)十年的發(fā)展藍(lán)圖，在科學(xué)和工程學(xué)科方面推動(dòng)計(jì)算科學(xué)的發(fā)展?！辈⑶揖嬲f(shuō)：“美國(guó)現(xiàn)正處在關(guān)鍵時(shí)刻，如果我們還不高瞻遠(yuǎn)矚和承擔(dān)自己的義務(wù)，長(zhǎng)此以往，國(guó)家的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)地位、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)家安全后果不堪設(shè)想?！?006年，NSF提出了到2010年建設(shè)千萬(wàn)億次計(jì)算規(guī)模的國(guó)家超級(jí)計(jì)算環(huán)境[6]。
（2）歐盟：歐盟“歐洲高性能計(jì)算任務(wù)組（HET―High Performance Computing in Europe Taskforce）”在2007年1月了歐洲在高性能計(jì)算領(lǐng)域的政策框架建議[7]，提出在歐洲建立一個(gè)可持續(xù)的科學(xué)研究超級(jí)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，其中包括一個(gè)位于“高性能計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)（HPC Ecosystem）”金字塔頂端的千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)。2010年6月，歐盟在西班牙巴塞羅那宣布啟動(dòng)一項(xiàng)投入經(jīng)費(fèi)5億歐元的計(jì)劃，該計(jì)劃被命名為歐洲先進(jìn)計(jì)算伙伴關(guān)系（PRACE），將聯(lián)合歐委會(huì)與20個(gè)歐洲國(guó)家的力量，使歐洲科學(xué)家能夠共享其它國(guó)家的超級(jí)計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度將達(dá)到每秒1千兆次。通過(guò)PRACE計(jì)劃，德國(guó)的目前歐洲最快運(yùn)算速度的Jugene將成為第一個(gè)為歐洲科學(xué)家提供服務(wù)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。到2015年，位于德國(guó)、法國(guó)、意大利和西班牙的更多超級(jí)計(jì)算機(jī)將陸續(xù)提供類(lèi)似服務(wù)。該計(jì)劃將對(duì)具有提供超級(jí)計(jì)算機(jī)落戶(hù)條件的國(guó)家開(kāi)放[8]。
（3）日本、澳大利亞、韓國(guó)等國(guó)家都對(duì)超級(jí)計(jì)算能力建設(shè)和應(yīng)用高度重視，提出了國(guó)家級(jí)計(jì)劃。日本在2002年依靠“地球模擬器”、2011年“京”兩次獲得世界排名第一，更是與2013年啟動(dòng)了“E”超級(jí)計(jì)算機(jī)的研制計(jì)劃。
（4）中國(guó)：我國(guó)科技部的國(guó)家863計(jì)劃于2006年啟動(dòng)了“高效能計(jì)算機(jī)及網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境”重大專(zhuān)項(xiàng)，已連續(xù)“十五”、“十一五”、“十二五”三個(gè)五年計(jì)劃支持我國(guó)超級(jí)計(jì)算發(fā)展，先后支持自主百億次、千萬(wàn)億次、十億億次超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研制和應(yīng)用。同時(shí)，我國(guó)也于近期啟動(dòng)了“E”級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)研制計(jì)劃。
3 物理研究中重大挑戰(zhàn)性問(wèn)題需要超級(jí)計(jì)算來(lái)解決
物理學(xué)研究是科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)從近代物理到現(xiàn)代物理數(shù)百年的發(fā)展，物理學(xué)從理論到應(yīng)用已經(jīng)形成的比較完善的體系，但是在物理學(xué)研究領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)性問(wèn)題絲毫沒(méi)有減少，而且越來(lái)越多的問(wèn)題已經(jīng)無(wú)法用單純的理論或?qū)嶒?yàn)的方法進(jìn)行解決，超級(jí)計(jì)算的發(fā)展使得計(jì)算在這些重大挑戰(zhàn)性問(wèn)題的研究中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
3.1 高能物理與核物理
在該領(lǐng)域?qū)Τ?jí)計(jì)算的需求來(lái)源于兩個(gè)方面。
（1）海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理：以歐洲核子研究組織CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC為例，加速器每秒鐘在檢測(cè)器中心產(chǎn)生4000萬(wàn)次粒子碰撞事件。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地從這4000萬(wàn)事件中挑選出100個(gè)“好”事件，也就是符合物理學(xué)家要求的事件，并以每秒100-1000MB的速度記錄在光盤(pán)或磁帶上。加速器將產(chǎn)生空前的數(shù)據(jù)：每秒產(chǎn)生100MB原始數(shù)據(jù)，每年將產(chǎn)生需記錄的事件約為1億個(gè)，每年的數(shù)據(jù)量就達(dá)到15PB（1015Byte）。存儲(chǔ)這15PB數(shù)據(jù)量每年需要使用兩千萬(wàn)張CD，分析則需要使用100萬(wàn)臺(tái)當(dāng)今最快的計(jì)算機(jī)處理器。因此，在未來(lái)的二十年中，主要的高能物理實(shí)驗(yàn)，特別是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)會(huì)使高能物理以及計(jì)算科學(xué)研究面臨前所未有的挑戰(zhàn)。
（2）物質(zhì)起源、物質(zhì)相互作用的大規(guī)模模擬：在高能物理與核物理層面開(kāi)展物質(zhì)起源、物質(zhì)相互作用研究，需要基于量子色動(dòng)力學(xué)、相對(duì)論、量子場(chǎng)論等復(fù)雜理論，構(gòu)建復(fù)雜數(shù)學(xué)模型對(duì)夸克、膠子、質(zhì)子、中子等粒子進(jìn)行大規(guī)模數(shù)值模擬，從而得到有價(jià)值的模擬結(jié)果來(lái)指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)或理論研究，但這些大規(guī)模計(jì)算工作，必須要依賴(lài)超級(jí)計(jì)算的支撐。
3.2 材料物理
材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能、服役性能是材料研究的四大要素，傳統(tǒng)的材料研究以實(shí)驗(yàn)室研究為主。但是，隨著對(duì)材料性能的要求不斷的提高，材料學(xué)研究對(duì)象的空間尺度在不斷變小，只對(duì)微米級(jí)的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究不能揭示材料性能的本質(zhì)，納米結(jié)構(gòu)、原子像已成為材料研究的內(nèi)容，對(duì)功能材料甚至要研究到電子層次。因此，僅僅依靠實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行材料研究已難以滿(mǎn)足現(xiàn)代新材料研究和發(fā)展的要求。然而計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以根據(jù)有關(guān)的基本理論，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下從納觀(guān)、微觀(guān)、介觀(guān)、宏觀(guān)尺度對(duì)材料進(jìn)行多層次研究，也可以模擬超高溫、超高壓等極端環(huán)境下的材料服役性能，模擬材料在服役條件下的性能演變規(guī)律、失效機(jī)理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料服役性能的改善和材料設(shè)計(jì)。因此，在現(xiàn)代材料學(xué)領(lǐng)域中，隨著計(jì)算材料學(xué)的不斷發(fā)展，“計(jì)算實(shí)驗(yàn)”作用會(huì)越來(lái)越大，已成為與實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)具有同樣重要地位的研究手段。
3.3 流體力學(xué)
計(jì)算流體力學(xué)從20世紀(jì)中葉快速發(fā)展起來(lái)，目前已成為國(guó)際上一個(gè)強(qiáng)有力的研究領(lǐng)域，是進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心和重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航天設(shè)計(jì)、汽車(chē)設(shè)計(jì)、生物醫(yī)學(xué)工業(yè)、化工處理工業(yè)、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等諸多工程領(lǐng)域。計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域最復(fù)雜、最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題是湍流的直接模擬，其一直受到計(jì)算機(jī)速度與容量的限制。主要困難在于湍流脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)中包含著大大小小不同尺度的渦運(yùn)動(dòng)，其最大尺度L可與平均運(yùn)動(dòng)的特征長(zhǎng)度相比，而最小尺度則取決于粘性耗散尺度，即為Kolmogorov定義的內(nèi)尺度，其尺度的比例隨著雷諾數(shù)的升高而迅速增大。目前已經(jīng)證明，直接數(shù)值模擬的計(jì)算量與雷諾數(shù)的三次方成正比。鑒于這些原因，目前直接數(shù)值模擬的雷諾數(shù)與實(shí)際的復(fù)雜流動(dòng)還差好幾個(gè)量級(jí)。即使目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)也只能開(kāi)展有限條件下的湍流直接模擬。
3.4 大氣物理
大氣物理是研究大氣的物理現(xiàn)象、物理過(guò)程及其演變規(guī)律的學(xué)科，重點(diǎn)應(yīng)用在數(shù)值氣象預(yù)報(bào)和氣候變化研究領(lǐng)域。氣象預(yù)報(bào)基于大氣物理等研究成果，形成可進(jìn)行氣象預(yù)報(bào)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，基于超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行短期內(nèi)時(shí)效性數(shù)值預(yù)報(bào)，因此為了保證給出更長(zhǎng)時(shí)間的可靠預(yù)報(bào)，并保障預(yù)報(bào)結(jié)果及時(shí)，要求超級(jí)計(jì)算平臺(tái)提供高性能、穩(wěn)定的計(jì)算資源。氣候變化基于大氣物理開(kāi)發(fā)的模式，依托超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期的氣候變化預(yù)測(cè)研究，由于氣候變化研究成效越來(lái)越依賴(lài)于模擬覆蓋區(qū)域范圍及網(wǎng)格精度，而且模擬時(shí)限要達(dá)到數(shù)百年甚至上千年，因此它對(duì)超級(jí)計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算性能、數(shù)據(jù)訪(fǎng)存性能、任務(wù)可擴(kuò)展性都提出了挑戰(zhàn)。氣候氣象領(lǐng)域是超級(jí)計(jì)算應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域，也是促進(jìn)超級(jí)計(jì)算發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?/p>
3.5 地球物理
地球物理學(xué)是地球科學(xué)的主要學(xué)科，用物理學(xué)的方法和原理研究地球的形成和動(dòng)力，研究廣泛系列的地質(zhì)現(xiàn)象。地球物理傳統(tǒng)上又分為小地球物理和大地球物理，小地球物理主要是指油氣等能源勘探過(guò)程中的地球物理研究，大地球物理主要是指?jìng)?cè)重地質(zhì)構(gòu)造、地震及涉及水圈和大氣層的系統(tǒng)性、大尺度研究。油氣能源勘探中的地震法勘探數(shù)據(jù)的三維成像處理具有計(jì)算密集、訪(fǎng)存密集、處理數(shù)據(jù)規(guī)模大等特點(diǎn)，需要大規(guī)模超級(jí)計(jì)算平臺(tái)為支撐，特別是逆時(shí)偏移處理RTM、全波形反演FWI等新興技術(shù)的發(fā)展，更是為超級(jí)計(jì)算發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。大地球物理研究領(lǐng)域的計(jì)算處理，雖然精度要求沒(méi)有小地球物理高，但是由于系統(tǒng)尺度更大、系統(tǒng)更復(fù)雜，計(jì)算能力需求甚至更大。
3.6 天體物理與天文學(xué)
在天文學(xué)研究領(lǐng)域，不論是大規(guī)模天文觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)處理，還是天文數(shù)值模擬領(lǐng)域都產(chǎn)生了大規(guī)模計(jì)算需求?，F(xiàn)在我們已經(jīng)進(jìn)入精確天文學(xué)研究時(shí)代，數(shù)值模擬正扮演越來(lái)越重要的角色，為了開(kāi)展宇宙演化模擬，美國(guó)、歐洲等開(kāi)展的并行模擬規(guī)模達(dá)到了上萬(wàn)處理核心，產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)超過(guò)100TB量級(jí)，其自身模擬計(jì)算和后續(xù)數(shù)據(jù)處理都需要超級(jí)計(jì)算平成。而在天文觀(guān)測(cè)領(lǐng)域，現(xiàn)在大的天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)每天采集的數(shù)據(jù)已經(jīng)超過(guò)TB量級(jí)，而未來(lái)的SKA等系統(tǒng)每天觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)達(dá)到PB（1PB=1，000TB=1，000，000GB）級(jí)，必須用超強(qiáng)性能的超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)來(lái)完成數(shù)據(jù)處理。
歸結(jié)起來(lái)，物理學(xué)研究對(duì)超級(jí)計(jì)算帶來(lái)的需求和挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：超強(qiáng)的計(jì)算性能，高速的互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)，良好的數(shù)據(jù)訪(fǎng)存（I/O），海量存儲(chǔ)能力。新興的超級(jí)計(jì)算技術(shù)正在努力從不同方面解決上面所面臨的重大挑戰(zhàn)。
4 新興超級(jí)計(jì)算技術(shù)將為物理學(xué)研究帶來(lái)新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
隨著以“天河一號(hào)”、“星云”等為代表的國(guó)產(chǎn)千萬(wàn)億次異構(gòu)超級(jí)計(jì)算機(jī)的研制成功，中國(guó)也成為繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)能夠研制千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)的國(guó)家。“天河一號(hào)”率先采用CPU+GPU異構(gòu)架構(gòu)，成為世界上首臺(tái)異構(gòu)架構(gòu)的千萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)。新型的異構(gòu)體系架構(gòu)使超級(jí)計(jì)算機(jī)在性能、體積和功耗等方面取得的巨大進(jìn)步，使中國(guó)成為全球當(dāng)代異構(gòu)融合超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的典型代表。由于傳統(tǒng)CPU受制作工藝和功耗限制，芯片單位面積內(nèi)集成的晶體管已接近上限，在計(jì)算性能和功耗等方面有更有優(yōu)勢(shì)的GPU、MIC等加速芯片越來(lái)越多地應(yīng)用于高性能計(jì)算，2013年世界排名前十中，已有近一半采用異構(gòu)架構(gòu)，因此異構(gòu)架構(gòu)成為超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展的主流趨勢(shì)。
我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，旺盛的計(jì)算需求和日益成熟的高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)極大地促進(jìn)了高性能計(jì)算在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。然而我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)際可有效利用的處理器核數(shù)相對(duì)較少，高性能計(jì)算應(yīng)用軟件的研發(fā)水平和性能水平與硬件相比相對(duì)滯后，如何高效利用以“天河一號(hào)”、“天河二號(hào)”為代表的超級(jí)計(jì)算機(jī)，成為物理學(xué)研究等領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。因?yàn)?，新型體系架構(gòu)的高性能計(jì)算實(shí)現(xiàn)，需要適應(yīng)其體系架構(gòu)的高性能軟件的支持，在物理學(xué)研究領(lǐng)域，大量軟件是歷史積累軟件，這就需要在新型編程框架、功能完善的開(kāi)發(fā)及支持環(huán)境方面不斷完善。
同時(shí)，異構(gòu)體系架構(gòu)超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展，也給物理學(xué)研究帶來(lái)了新的機(jī)遇。計(jì)算物理學(xué)研究領(lǐng)域，受超級(jí)計(jì)算能力制約，大量問(wèn)題被簡(jiǎn)化、被分割，無(wú)法系統(tǒng)、全面的研究，新型體系機(jī)構(gòu)的超級(jí)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了整體性能的大幅提升、功耗降低、穩(wěn)定性增強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，為物理學(xué)研究帶來(lái)了更強(qiáng)大的工具。
隨著超級(jí)計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，與計(jì)算在物理學(xué)研究中作用的不斷增強(qiáng)，超級(jí)計(jì)算與物理學(xué)研究的結(jié)合，必將產(chǎn)生更多影響人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的重大成果。
參考文獻(xiàn)：
[1]http：///
[2]Parallel Supercomputing： Past， Present and Future， The Wall Street Journal， Irving Wladawsky-Berger， August 2，2013.
[3]http：//.cn/server/jssc/htm2007/20070516_259532.shtml.
[4]http：//.cn/article/2007/0517/A20070517592681.shtml.
[5]我院超級(jí)計(jì)算需求及布局研究，中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算專(zhuān)家委員會(huì)，2007年7月20日.
[6]Leadership-Class System Acquisition - Creating a Petascale Computing Environment for Science and Engineering（美國(guó)科學(xué)基金會(huì)建造千萬(wàn)億次計(jì)算環(huán)境計(jì)劃），2007年3月.
紐約Lime經(jīng)紀(jì)公司COO約翰?賈考布著文稱(chēng)，現(xiàn)在高頻股票自動(dòng)交易規(guī)模迅速擴(kuò)大，但是有的炒股商并未經(jīng)過(guò)驗(yàn)證是否持有保證金，實(shí)際上是買(mǎi)空賣(mài)空。他告誡要防止出現(xiàn)“多種形式的多米諾式破產(chǎn)”，而不受約束的計(jì)算機(jī)處理股市交易可能對(duì)美國(guó)國(guó)家市場(chǎng)體系帶來(lái)災(zāi)難性的損失。
世界金融危機(jī)充分暴露了美國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)：重虛擬而輕實(shí)體?；蛞舱虼?，在經(jīng)濟(jì)遭到重創(chuàng)后，美國(guó)金融產(chǎn)業(yè)很快恢復(fù)元?dú)狻?010年前3季度，銀行連續(xù)盈利，第三季度凈利145億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)上年同期的20億。尤其是股票大經(jīng)紀(jì)公司，炒股規(guī)模空前膨脹獲得豐盈。其主要玄機(jī)之一是投資公司利用超級(jí)計(jì)算機(jī)以光速高頻自動(dòng)處理股市交易，以微小的差價(jià)購(gòu)進(jìn)、出手海量股票，瞬息之間巨額利潤(rùn)入賬。
僅以設(shè)于新澤西州紅岸市的Tradeworx對(duì)沖基金和金融技術(shù)公司為例，它利用預(yù)先編制的算法(algorithms)和超級(jí)計(jì)算機(jī)，一般每天自動(dòng)高頻進(jìn)出6000萬(wàn)到8000萬(wàn)股股票。大量交易在下午三至四點(diǎn)之間進(jìn)行，盈利多達(dá)上億美元。公司主管馬諾杰?納倫說(shuō)，公司可在1秒鐘之內(nèi)做成數(shù)千筆交易，一般情況下，股票只保留數(shù)分鐘即出手。納倫說(shuō)，該公司屬于美國(guó)50家高頻交易大公司中的中等水平。公司同時(shí)利用超級(jí)計(jì)算機(jī)及時(shí)收集全國(guó)股市信息，分析行情趨勢(shì)，以作出正確對(duì)策。它也可以把海量交易化整為零，分化成多筆300到500股小筆交易，用以迷惑競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，使其難以摸透公司意向。
在Tradeworx總部，靜謐異常，員工總共僅12人，他們都是拔尖院校的高才生，擁有理、工科和數(shù)學(xué)學(xué)位。每天上午一上班，就可處理1500萬(wàn)股交易，而無(wú)需動(dòng)口，這里同喧囂的紐約證券交易所相比真是兩重天，堪稱(chēng)運(yùn)籌帷幄，日進(jìn)斗金。
5年前自動(dòng)股市交易約占市場(chǎng)的30％，交易速度也慢得多，現(xiàn)在已占到61％，交易速度由于超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)升級(jí)而倍增，紐約證券交易所處理的股市交易量已由2005年的80％下降到現(xiàn)在的40％?，F(xiàn)在在股市取勝之道主要依靠虛擬技術(shù)水平和超級(jí)計(jì)算機(jī)的功能。為此紐約證券交易所已于2010年春遷移至新澤西州馬沃市，它在該市修建了有40萬(wàn)平方英尺的數(shù)據(jù)中心，配置的超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度達(dá)400億次／秒，每秒可處理100萬(wàn)條信息，足以解決全球所有股市的每筆交易結(jié)算。另?yè)?jù)報(bào)道，設(shè)在新澤西州東塞托凱特市的復(fù)興技術(shù)對(duì)沖基金公司宣稱(chēng)，它的計(jì)算能力堪同美國(guó)主要核武器研制中心之一的勞倫斯?利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的超級(jí)計(jì)算機(jī)比肩。要知道，為了模擬核爆炸，美國(guó)速度最陜的超級(jí)計(jì)算機(jī)首先可是部署在該所。
隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，10年前股民做500股高頻交易需要付費(fèi)150美元，現(xiàn)已降為10美元。自動(dòng)高頻交易成為了股市交易方式的主流，但股市已為少數(shù)大戶(hù)所操縱。據(jù)咨詢(xún)公司Tabb集團(tuán)估計(jì)，美國(guó)全國(guó)交易所每日處理10多億股票，其中自動(dòng)高頻交易于2009年頭蚧月盈利80億美元。高頻股市交易明顯助長(zhǎng)了炒股大戶(hù)在股市興風(fēng)作浪的不法行為。參議員愛(ài)德華?考夫曼擔(dān)心“美國(guó)股市正被少數(shù)大投機(jī)商利用政策的空子盈利”。國(guó)會(huì)證券交易委員會(huì)正在研究如何限制“閃電股票交易”。
牛津大學(xué)金融數(shù)學(xué)計(jì)劃倡導(dǎo)人保羅?韋爾蒙特指出，現(xiàn)在股市交易規(guī)模愈來(lái)愈大，成交速度愈來(lái)愈快，參與股民愈來(lái)愈多，而且趨向一個(gè)模式交易，這很容易導(dǎo)致“股市暴跌”。美國(guó)金融IT專(zhuān)家伯納德?杜納弗認(rèn)為，這種交易模式很可能導(dǎo)致出現(xiàn)1987年式小規(guī)模股市暴跌，當(dāng)時(shí)股價(jià)一天猛降22％。而且人為的機(jī)器操作差錯(cuò)，比如重按一次機(jī)紐或編碼出現(xiàn)紕漏，在數(shù)秒鐘之內(nèi)可使股市出現(xiàn)震蕩，或者無(wú)股票可售，釀成大禍。
即便是高頻股市交易商本人也對(duì)不測(cè)后果憂(yōu)心忡忡。紐約Lime經(jīng)紀(jì)公司首席營(yíng)業(yè)官(COO)約翰?賈考布于2009年著文稱(chēng)，現(xiàn)在高頻股票自動(dòng)交易規(guī)模迅速擴(kuò)大，但是有的炒股商并未經(jīng)過(guò)驗(yàn)證是否持有保證金，實(shí)際上是買(mǎi)空賣(mài)空。他說(shuō)服務(wù)器的算法每秒可處理1000筆交易，一旦出現(xiàn)人為差錯(cuò)，在2分鐘內(nèi)可錯(cuò)誤處理12萬(wàn)筆交易，如果每筆1000股，每股均價(jià)20美元，這就會(huì)造成24億美元的意外交易。他告誡要防止出現(xiàn)“多種形式的多米諾式破產(chǎn)”，指出“不受約束的計(jì)算機(jī)處理股市交易可能對(duì)美國(guó)國(guó)家市場(chǎng)體系帶來(lái)災(zāi)難性的損失。”
超高速計(jì)算機(jī)采用平行處理技術(shù)改進(jìn)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行多條指令或同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度。超級(jí)計(jì)算機(jī)通常是由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器(機(jī))組成，能完成普通計(jì)算機(jī)和服務(wù)器不能計(jì)算的大型復(fù)雜任務(wù)。從超級(jí)計(jì)算機(jī)獲得數(shù)據(jù)分析和模擬成果，能推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域高精尖項(xiàng)目的研究與開(kāi)發(fā)，為我們的日常生活帶來(lái)各種各樣的好處。最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)接近于復(fù)制人類(lèi)大腦的能力，具備更多的智能成份.方便人們的生活、學(xué)習(xí)和工作。世界上最受歡迎的動(dòng)畫(huà)片、很多耗巨資拍攝的電影中，使用的特技效果都是在超級(jí)計(jì)算機(jī)上完成的。日本、美國(guó)、以色列、中國(guó)和印度首先成為世界上擁有每秒運(yùn)算1萬(wàn)億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)的國(guó)家，超級(jí)計(jì)算機(jī)已在科技界內(nèi)引起開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新狂潮。
二、
計(jì)算機(jī)的發(fā)展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。自從1944年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的性能受到挑戰(zhàn)，開(kāi)始從基本原理上尋找計(jì)算機(jī)發(fā)展的突破口，新型計(jì)算機(jī)的研發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。未來(lái)量子、光子和分子計(jì)算機(jī)將具有感知、思考、判斷、學(xué)習(xí)以及一定的自然語(yǔ)言能力，使計(jì)算機(jī)進(jìn)人人工智能時(shí)代。這種新型計(jì)算機(jī)將推動(dòng)新一輪計(jì)算技術(shù)革命，對(duì)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
三、新型高性能計(jì)算機(jī)問(wèn)世
硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，也意味看硅技術(shù)越來(lái)越接近其物理極限。為此，世界各國(guó)的研究人員正在加緊研究開(kāi)發(fā)新型計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)都將產(chǎn)生一次量與質(zhì)的飛躍。新型的量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、分子計(jì)算機(jī)、納米計(jì)算機(jī)等，將會(huì)在二十一世紀(jì)走進(jìn)我們的生活，遍布各個(gè)領(lǐng)域。
1.量子計(jì)算機(jī)
量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究，量子計(jì)算機(jī)是一類(lèi)遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來(lái)表示開(kāi)與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來(lái)改變分子的狀態(tài).使信息沿著聚合物移動(dòng).從而進(jìn)行運(yùn)算。量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)用量子位存儲(chǔ)。由于量子疊加效應(yīng)，一個(gè)量子位可以是0或1，也可以既存儲(chǔ)0又存儲(chǔ)1。因此，一個(gè)量子位可以存儲(chǔ)2個(gè)數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲(chǔ)位，量子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量比通常計(jì)算機(jī)大許多。同時(shí)量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏?jì)算，其運(yùn)算速度可能比目前計(jì)算機(jī)的PentiumDI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計(jì)算機(jī)還將對(duì)現(xiàn)有的保密體系、國(guó)家安全意識(shí)產(chǎn)生重大的沖擊。
無(wú)論是量子并行計(jì)算還是量子模擬計(jì)算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室正在以巨大的熱情追尋著這個(gè)夢(mèng)想。目前已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯(cuò)、避錯(cuò)和防錯(cuò)等。量子計(jì)算機(jī)使計(jì)算的概念煥然一新。
2.光子計(jì)算機(jī)
光子計(jì)算機(jī)是利用光子取代電子進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳翰和存儲(chǔ)。光子計(jì)算機(jī)即全光數(shù)字計(jì)算機(jī)，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線(xiàn)互連，光硬件代替計(jì)算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。在光子計(jì)算機(jī)中，不同波長(zhǎng)的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對(duì)復(fù)雜度高、計(jì)算量大的任務(wù)實(shí)現(xiàn)快速地并行處理。光子計(jì)算機(jī)將使運(yùn)算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。
3.分子計(jì)算機(jī)
分子計(jì)算機(jī)體積小、耗電少、運(yùn)算快、存儲(chǔ)量大。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行是吸收分子晶體上以電荷形式存在的信息，并以更有效的方式進(jìn)行組織排列。分子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過(guò)程就是蛋白質(zhì)分子與周?chē)锢砘瘜W(xué)介質(zhì)的相互作用過(guò)程。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為酶，而程序則在酶合成系統(tǒng)本身和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中極其明顯地表示出來(lái)。生物分子組成的計(jì)算機(jī)具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機(jī)體中運(yùn)行，并能以其它分子形式與外部環(huán)境交換。因此它將在醫(yī)療診治、遺傳追蹤和仿生工程中發(fā)揮無(wú)法替代的作用。目前正在研究的主要有生物分子或超分子芯片、自動(dòng)機(jī)模型、仿生算法、分子化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類(lèi)型。分子芯片體積可比現(xiàn)在的芯片大大減小，而效率大大提高，分子計(jì)算機(jī)完成一項(xiàng)運(yùn)算，所需的時(shí)間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬(wàn)倍。分子計(jì)算機(jī)具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲(chǔ)1萬(wàn)億億的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。分子計(jì)算機(jī)消耗的能量非常小，只有電子計(jì)算機(jī)的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計(jì)算機(jī)既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。美國(guó)已研制出分子計(jì)算機(jī)分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬(wàn)分之一秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。以色列科學(xué)家已經(jīng)研制出一種由DNA分子和酶分子構(gòu)成的微型分子計(jì)算機(jī)。預(yù)計(jì)20年后，分子計(jì)算機(jī)將進(jìn)人實(shí)用階段。
4.納米計(jì)算機(jī)
納米計(jì)算機(jī)是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計(jì)算機(jī)。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅(jiān)固，有著極強(qiáng)的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計(jì)算機(jī)?！凹{米”是一個(gè)計(jì)量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀(jì)80年代初迅速發(fā)展起來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標(biāo)是人類(lèi)按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品?，F(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子機(jī)械系統(tǒng)起步，把傳感器、電動(dòng)機(jī)和各種處理器都放在一個(gè)硅芯片上而構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個(gè)原子大小，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計(jì)算機(jī)不僅幾乎不需要耗費(fèi)任何能源，而且其性能要比今天的計(jì)算機(jī)強(qiáng)大許多倍。美國(guó)正在研制一種連接納米管的方法，用這種方法連接的納米管可用作芯片元件，發(fā)揮電子開(kāi)關(guān)、放大和晶體管的功能。專(zhuān)家預(yù)測(cè)，10年后納米技術(shù)將會(huì)走出實(shí)驗(yàn)室，成為科技應(yīng)用的一部分。納米計(jì)算機(jī)體積小、造價(jià)低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計(jì)算機(jī)，推動(dòng)計(jì)算機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展。
我們相信，新型計(jì)算機(jī)與相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，是二十一世紀(jì)科技領(lǐng)域的重大創(chuàng)新，必將推進(jìn)全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)發(fā)展史上的重大突破?？茖W(xué)在發(fā)展，人類(lèi)在進(jìn)步，歷史上的新生事物都要經(jīng)過(guò)一個(gè)從無(wú)到有的艱難歷程，隨著一代又一代科學(xué)家們的不斷努力，未來(lái)的計(jì)算機(jī)一定會(huì)是更加方便人們的工作、學(xué)習(xí)、生活的好伴侶。
參考文獻(xiàn)：
[1]劉科偉，黃建國(guó).量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī).計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002，(38).
[2]王延汀.談?wù)劰庾佑?jì)算機(jī).現(xiàn)代物理知識(shí)，2004，(16).
[3]陳連水，袁鳳輝，鄧放.分子計(jì)算機(jī).分子信息學(xué)，2005，(3).
[4]官自強(qiáng).納米科技與計(jì)算機(jī)技術(shù).現(xiàn)代物理知識(shí)，2003，(15).
[5]張鎮(zhèn)九，張昭理.量子計(jì)算機(jī)進(jìn)展，計(jì)算機(jī)工程，2004，(4).
EW：回溯近20年來(lái)中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程，你覺(jué)得中間哪幾個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)不能不提？
LJ：20年前，中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)是被西方禁運(yùn)的，而現(xiàn)在我們已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自主可控。這其中經(jīng)歷了四個(gè)階段：第一個(gè)階段是上世紀(jì)90年代中期，我們只能實(shí)現(xiàn)軟件層面的自主，器件層面還是大量采購(gòu)國(guó)外的部件來(lái)做機(jī)器。這也是現(xiàn)在中國(guó)高性能計(jì)算機(jī)生態(tài)環(huán)境不好的緣由之一，無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)致很多應(yīng)用有問(wèn)題，在商業(yè)化市場(chǎng)上，大家習(xí)慣的軟件很難被應(yīng)用。
第二個(gè)階段是上世紀(jì)90年代后期，國(guó)家開(kāi)始重視工業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)，很多器件甚至軟件就都得用國(guó)外廠(chǎng)商的，離自主又遠(yuǎn)了一點(diǎn)。那個(gè)時(shí)候大部件都通過(guò)進(jìn)口，就像汽車(chē)，可能分成幾大塊進(jìn)口，只在國(guó)內(nèi)組裝。
第三個(gè)階段是本世紀(jì)初期。2005年，我們就開(kāi)始大量地把過(guò)去從國(guó)外進(jìn)口的大部件自己進(jìn)行設(shè)計(jì)。大概到2007年、2008年的時(shí)候，這些大部件已經(jīng)完全可以自己設(shè)計(jì)，但是核心的那些器件、軟件模塊還是用國(guó)外的，這個(gè)問(wèn)題一直延續(xù)到今天。
第四個(gè)階段就是要真正地實(shí)現(xiàn)對(duì)所有技術(shù)的掌握和突破，而且讓它能和今天的工業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)很好地銜接。如果最后這一步走出去了，我想中國(guó)這個(gè)產(chǎn)業(yè)就能跑到全球的潮頭。
EW：目前中國(guó)超算行業(yè)格局是怎樣的？
LJ：國(guó)內(nèi)有三支隊(duì)伍在做：國(guó)防科技大學(xué)、江南計(jì)算所、中科曙光。其他兩家更多地可能是在某一領(lǐng)域去完成它的任務(wù)，它們能獲得很多國(guó)家的資源支撐。而曙光則是跟外國(guó)企業(yè)在市場(chǎng)上靠商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，且人力成本要高于其他兩家。企業(yè)的特點(diǎn)是，它做什么東西，都要有市場(chǎng)價(jià)值。
在核心優(yōu)勢(shì)方面，國(guó)防科技大學(xué)有很好的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在自主高性能互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)方面也非常獨(dú)到；江南計(jì)算所有很好的CPU技術(shù)，在其他自主技術(shù)方面也很好；曙光則有很好的應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)能力、工程設(shè)計(jì)能力、用戶(hù)推廣能力等，此外，曙光是三家機(jī)構(gòu)中唯一完全市場(chǎng)化運(yùn)作的企業(yè)，在商業(yè)化方面，曙光是做得比較好的，更加注重高性能計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品化和市場(chǎng)占有率。
在與國(guó)際上的IBM等公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，我們的策略是，產(chǎn)品做好、技術(shù)做好、做得穩(wěn)定可靠，讓機(jī)器好用又耐用，價(jià)格適中。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)就是這么回事。
EW：中科曙光在超算業(yè)務(wù)上有哪些關(guān)鍵產(chǎn)品？
LJ：十多年前，“曙光4000A”是中國(guó)第一個(gè)進(jìn)入全球高性能計(jì)算機(jī)TOP500排行榜且位列前十名的系統(tǒng)。這對(duì)于那時(shí)的我們來(lái)說(shuō)，已經(jīng)是非常好的成績(jī)了，因?yàn)閺倪^(guò)去的默默無(wú)名，突然排到了前十。后來(lái)到“曙光5000A”，也是排到了全球前十名。在“曙光6000”出來(lái)的時(shí)候，已經(jīng)是全球第二名?！笆锕?000”的設(shè)計(jì)目標(biāo)是市場(chǎng)化的需求，所以它的應(yīng)用非常好用，裝在深圳超算中心，一年能收取兩個(gè)億的服務(wù)費(fèi)，非常完美。
現(xiàn)在，曙光新一代高性能計(jì)算機(jī)正在研發(fā)。它是一款面向某一類(lèi)特殊應(yīng)用的機(jī)器，比如氣象、航空航天等，大概明年就能完成。它針對(duì)某一族應(yīng)用去做優(yōu)化，因?yàn)椴煌?lèi)型的應(yīng)用所需的架構(gòu)都不一樣。曙光新一代高性能計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間研制的原因就在于，它不斷地根據(jù)應(yīng)用的變化在調(diào)整。
EW：之前《華爾街日?qǐng)?bào)》 報(bào)道“神威?太湖之光”時(shí)曾稱(chēng)，中國(guó)的超算已經(jīng)超過(guò)了美國(guó)。對(duì)此，你怎么看？
LJ：雖然中國(guó)的“神威?太湖之光”的性能超過(guò)了美國(guó)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的性能，但這個(gè)性能是指Linpack的性能，這個(gè)話(huà)得說(shuō)嚴(yán)謹(jǐn)。
從行業(yè)角度來(lái)說(shuō)，我不認(rèn)為中國(guó)超算已經(jīng)超越美國(guó)。美國(guó)超算做得非常扎實(shí)，它的機(jī)器跟應(yīng)用匹配著做，應(yīng)用層面我們盡管在快速追趕，但仍然稍有脫節(jié)。系統(tǒng)和應(yīng)用的結(jié)合、和應(yīng)用的匹配，這是最重要的。這也是我們現(xiàn)在跟人家相比最大的短板：一方面，中國(guó)超算對(duì)應(yīng)用的支持還不是很好；另一方面，它的應(yīng)用領(lǐng)域也太窄，僅限于科學(xué)計(jì)算，還沒(méi)有延伸到信息服務(wù)領(lǐng)域中去。
“神威?太湖之光”雖然在TOP500中已經(jīng)排名第一，但它是獨(dú)立自己做的CPU，很多市面上的應(yīng)用它跑不了，而且本身架構(gòu)不適合做信息的處理，它主要還是在解方程。
EW：能否詳細(xì)講述一下，超算是如何應(yīng)用在這些科學(xué)尖端領(lǐng)域的，對(duì)我們?nèi)粘Ｉ钣钟心男┯绊懀?/p>
LJ：超算在包括航空航天、石油、電力、水利、生物、制藥、環(huán)境、國(guó)防、教育、醫(yī)療、金融、電信、政務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在這些領(lǐng)域，以數(shù)字形式存在的海量信息，只有依靠這種大型計(jì)算機(jī)，才能進(jìn)行處理和分析。
在尖端科學(xué)領(lǐng)域，以氣象為例，由中科院大氣物理所、曙光公司、中科院計(jì)算所、中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心聯(lián)合研發(fā)和創(chuàng)制的“地球數(shù)值模擬裝置”原型系統(tǒng)，讓科學(xué)家可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣、洋流、地殼、生態(tài)等的仿真研究，用于還原或預(yù)測(cè)地球自然變化過(guò)程，可用于應(yīng)對(duì)全球變化、防災(zāi)減災(zāi)和環(huán)境治理等問(wèn)題。
此外，2013年“嫦娥三號(hào)”在月面成功軟著陸。這個(gè)過(guò)程中，曙光高性能計(jì)算機(jī)對(duì)“嫦娥三號(hào)”的軌道設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)計(jì)算、預(yù)報(bào)等也起到了非常重要的保障作用。
再舉幾個(gè)跟我們?nèi)粘Ｉ钕嚓P(guān)的例子。高性能計(jì)算集群能夠助力霧霾預(yù)報(bào)，通過(guò)對(duì)污染源、區(qū)域污染數(shù)據(jù)的精細(xì)化分析，為污染防控提供決策指導(dǎo)。如大家熟悉的去年9月抗戰(zhàn)勝利 70 周年閱兵期間的“閱兵藍(lán)”和G20的“西湖藍(lán)”都是基于超算的預(yù)測(cè)分析和追因溯源才得以實(shí)現(xiàn)的。
去年閱兵期間，以曙光高性能計(jì)算集群為核心的中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站針對(duì)京津冀及周邊區(qū)域大氣污染過(guò)程進(jìn)行不少于未來(lái)7天的預(yù)報(bào)預(yù)警、潛勢(shì)預(yù)測(cè)以及污染源貢獻(xiàn)追因。今年9月在杭州舉辦的 G20，曙光高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建立了適用于浙江省及杭州市的區(qū)域空氣質(zhì)量數(shù)值模型。利用這個(gè)模型，再結(jié)合氣象條件、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和大氣污染物排放清單，制定了 G20 峰會(huì)空氣質(zhì)量保障控制措施。
從超算到E級(jí)超算
EW：時(shí)下超算已成為深度學(xué)習(xí)的引擎。曙光在人工智能方面有哪些想法？
LJ：當(dāng)我們把這個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用擴(kuò)展到信息服務(wù)、信息處理這個(gè)領(lǐng)域，包括大數(shù)據(jù)平臺(tái)，大數(shù)據(jù)的處理、分析、挖掘，再加上一些新的技術(shù)，它就變成了人工智能，變成了可以通過(guò)機(jī)器去深度地學(xué)習(xí)。它的脈絡(luò)就是這么過(guò)來(lái)的。不過(guò)，對(duì)于人工智能來(lái)說(shuō)，雖然計(jì)算能力很重要，但更重要的還是算法、模型、軟件等。二者相結(jié)合，加上市場(chǎng)上有商業(yè)利益驅(qū)動(dòng)，我相信會(huì)發(fā)展得非?？?。
對(duì)曙光自身來(lái)說(shuō)，今年4月跟寒武紀(jì)簽約合作，此前也跟如NVIDIA、致生聯(lián)發(fā)等公司在人工智能方面有合作。以寒武紀(jì)為例，它的芯片技術(shù)在人工智能領(lǐng)域是比較優(yōu)秀的，但因?yàn)槿斯ぶ悄艿膽?yīng)用領(lǐng)域很廣泛，只一個(gè)寒武紀(jì)是不行的，所以我們也在積極地跟其他企業(yè)尋求合作，面向E級(jí)機(jī)開(kāi)發(fā)新一代的所謂的加速部件。比如，我們還跟NVIDIA一起合作進(jìn)行這方面的研究，以便讓我們的E級(jí)機(jī)在推出的時(shí)候能有非常好的面向人工智能應(yīng)用的性能。
EW：“十三五”規(guī)劃里面，國(guó)家對(duì)E級(jí)超算十分重視。研制E級(jí)超算的時(shí)間表是怎樣的？
LJ：大型計(jì)算機(jī)的研制周期平均約為3～5年。E級(jí)超算還有一段相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，計(jì)劃在2020年去完成一臺(tái)有百億億次計(jì)算能力的機(jī)器，其研發(fā)經(jīng)費(fèi)預(yù)計(jì)約為30億元。
預(yù)計(jì)在2018年，能夠拿出一個(gè)原型系統(tǒng)。它是一個(gè)縮小比例的、1/16計(jì)算能力的機(jī)器，但內(nèi)部構(gòu)造基本相同。按照預(yù)期目標(biāo)，該原型系統(tǒng)能效比為10GFlops/W以上，保證可擴(kuò)展至10萬(wàn)節(jié)點(diǎn)、PUE（Power Usage Effectiveness，是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo)）低至一定水平。在完成原型機(jī)的過(guò)程中，所有相關(guān)的技術(shù)就基本都完成了，再花兩年左右的時(shí)間進(jìn)一步完善，然后把規(guī)模做大。
在“十三五”規(guī)劃里面，江南計(jì)算所、國(guó)防科技大學(xué)、中科曙光三家會(huì)一起來(lái)推動(dòng)E級(jí)超算。最后根據(jù)對(duì)這三家原型系統(tǒng)的評(píng)估，誰(shuí)的架構(gòu)最優(yōu)就以誰(shuí)為主，另外兩家合作。比如“十二五”規(guī)劃的無(wú)錫那臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，雖然主計(jì)算分區(qū)是由江南計(jì)算所搭建，但服務(wù)分區(qū)是曙光搭建的。
EW：如今在全球范圍內(nèi)超算性能排第一的“神威?太湖之光”，它的性能峰值達(dá)到了125Pflops。如果再邁到E級(jí)超算，性能再提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，會(huì)不會(huì)面臨性能過(guò)剩而應(yīng)用跟不上的情況？
LJ：現(xiàn)在的問(wèn)題就是超級(jí)計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展正面臨左右兩難的狀況。很多超級(jí)計(jì)算機(jī)一味地去追求性能，而這種性能的測(cè)算體系是以一道題做基準(zhǔn)去測(cè)出來(lái)的。比方如Linpack，它是一種數(shù)學(xué)方法，解一個(gè)方程組，看誰(shuí)用的時(shí)間短，決定它的效率。但是在今天看，這一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)會(huì)解方程組，不代表它會(huì)做別的，超級(jí)計(jì)算機(jī)在面對(duì)不同算法、不同應(yīng)用時(shí)，效率差距極大。
100Pflops級(jí)別的性能已經(jīng)很好了，而未來(lái)的E級(jí)機(jī)，性能又高了10倍，如果依然像現(xiàn)在這樣，應(yīng)用層面依然做不好的話(huà)，等于弄了一堆廢鐵，肯定是不行的。所以要在追求應(yīng)用靈活性、廣泛性的基礎(chǔ)上，兼顧它的性能峰值，這才是未來(lái)的方向。
EW：相較你剛才提到的Linpack測(cè)試，有沒(méi)有更加能反映機(jī)器實(shí)際性能的測(cè)試方法？
LJ：Linpack的方法已經(jīng)使用20年了。在20年前，因?yàn)槌?jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域很窄，基本上是以解代數(shù)方程為最主要的應(yīng)用，所以那時(shí)的測(cè)試方法就用了Linpack?？墒窃诮裉欤?jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)五花八門(mén)，用一個(gè)指標(biāo)已經(jīng)不能完全衡量其性能了?，F(xiàn)在又出來(lái)如HPCG等一系列的測(cè)試方法，它們是一個(gè)綜合體系，用一組應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)應(yīng)用的測(cè)試結(jié)果最后進(jìn)行加權(quán)，用一個(gè)算法平均出其綜合的性能，這就更容易反映機(jī)器在復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境里面的真實(shí)性能。
EW：之前“神威?太湖之光”能效比是6GFlops/W，而按照當(dāng)前國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)， E級(jí)超算的能效比至少要達(dá)到50GFlops/W。實(shí)現(xiàn)這一跨越，會(huì)面臨哪些方面的困難？
LJ：整個(gè)計(jì)算機(jī)里面，最耗電的就是CPU，其他如內(nèi)存等相對(duì)耗電量很小。對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，似乎唯一的方法就是在相同功耗的情況下提高芯片的性能，或者說(shuō)提高它的集成度?，F(xiàn)在芯片都是用28納米的工藝，很快就要用到14納米甚至7納米的工藝。在摩爾定律下，線(xiàn)寬越來(lái)越窄，它集成電路的數(shù)量就越來(lái)越多，并行起來(lái)的性能就越來(lái)越高。
此外，業(yè)界也有討論用異構(gòu)加速或異構(gòu)綜合的方式來(lái)降低功耗。目前有大量的算法是通過(guò)軟件迭代來(lái)產(chǎn)生結(jié)果的，耗時(shí)非常長(zhǎng)。異構(gòu)加速這種加速部件，里面是硬件的CPU單元，它用硬件來(lái)處理一些特定的應(yīng)用，能將耗時(shí)的、效率很低的東西，更高速地去進(jìn)行處理和計(jì)算。未來(lái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的架構(gòu)，既要滿(mǎn)足工業(yè)的通用標(biāo)準(zhǔn)，又要滿(mǎn)足性能要求，這種異構(gòu)的通過(guò)高性能加速部件來(lái)構(gòu)成的超級(jí)計(jì)算機(jī)，在我看來(lái)是未來(lái)的主流。
最后，在能耗這方面還有一個(gè)名詞叫PUE，“1”是最好的，我們追求的目標(biāo)就是讓它趨近于1，即不需要花額外的能耗去處理冷卻的問(wèn)題，這是一個(gè)終極目標(biāo)。我想，我們的E級(jí)機(jī)在這個(gè)上面會(huì)有重要的突破，讓PUE趨近于“1”，讓機(jī)器自己來(lái)冷卻自己。
EW：與現(xiàn)在相比，E級(jí)超算在應(yīng)用層面會(huì)有哪些不同？
LJ：一方面，現(xiàn)在的超算在應(yīng)用層面問(wèn)題依然突出；另一方面，不同用戶(hù)對(duì)應(yīng)用的需求也不一樣。這都是我們正在面臨的挑戰(zhàn)。
但在E級(jí)超算出來(lái)后，通過(guò)軟件定義系統(tǒng)，一個(gè)大機(jī)器可以分成若干個(gè)適應(yīng)不同應(yīng)用的區(qū)域，通過(guò)軟件來(lái)定義這個(gè)區(qū)域。比如如果是人工智能應(yīng)用的話(huà)，我們的加速部件的性能和數(shù)量就要更多，這樣的話(huà)，就可以通過(guò)軟件在實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景下去重新配置這個(gè)機(jī)器，讓它更適合這類(lèi)應(yīng)用。
這樣一來(lái)，在應(yīng)用層面將幾乎沒(méi)有限制。在全球范圍內(nèi)，99%的科學(xué)計(jì)算應(yīng)用，它都能良好地支持；同時(shí)能夠支持采用全球工業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)的云計(jì)算、大數(shù)據(jù)，云服務(wù)、云存儲(chǔ)等方面的應(yīng)用。如果騰訊愿意，甚至微信也可以在這上面得到支持，但這里面就涉及一系列的技術(shù)，不在芯片上做文章是很難實(shí)現(xiàn)的。
戰(zhàn)略布局再縱深
EW：國(guó)產(chǎn)芯片這個(gè)行業(yè)，它跟國(guó)外的差距到底有多大？
LJ：這就是全面的差距了。英特爾從1968年就開(kāi)始了。在這幾十年當(dāng)中，數(shù)千億美元、數(shù)萬(wàn)名工程師的投入，才造就了他們的現(xiàn)在。中國(guó)的龍芯是1998年開(kāi)始，差30年，投入了數(shù)億元人民幣、數(shù)百名工程師，這個(gè)差距是顯然的。但是從趨勢(shì)上來(lái)看，國(guó)內(nèi)芯片行業(yè)是越來(lái)越好了。
EW：未來(lái)在E級(jí)超算研發(fā)方面，中科曙光還有哪些重要舉措？
LJ：我們目前一系列的技術(shù)創(chuàng)新都圍繞著E級(jí)機(jī)在展開(kāi)，這里面包括高性能的冷卻系統(tǒng)、高性能的網(wǎng)絡(luò)、高性能的計(jì)算部件等，都有不同的團(tuán)隊(duì)在工作。預(yù)計(jì)到明年年底，可以公布成果。
EW：這些團(tuán)隊(duì)的人才從何而來(lái)？
LJ：這里面就有中科院的優(yōu)勢(shì)，人才是中科院對(duì)這個(gè)產(chǎn)業(yè)的重大貢獻(xiàn)之一。超算這個(gè)東西不僅要懂計(jì)算機(jī)，還得懂化學(xué)、力學(xué)等各個(gè)學(xué)科的知識(shí)，才能去幫助人家做一些事。而中科院有那么多不同領(lǐng)域的研究所和學(xué)習(xí)不同學(xué)科的學(xué)生，我們會(huì)從各個(gè)研究所找來(lái)這些跨界的人才。
EW：除了高端計(jì)算機(jī)，中科曙光其他業(yè)務(wù)現(xiàn)在發(fā)展得如何？
LJ：在存儲(chǔ)方面，像今天互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，大規(guī)模的、高可靠性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，是并行存儲(chǔ)的。曙光有一個(gè)分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，完全自主，性能也非常好。這個(gè)東西我們做了接近10年的時(shí)間，一直在不斷地發(fā)展，存儲(chǔ)業(yè)務(wù)營(yíng)收今年上半年增長(zhǎng)了14.53%。另外，我們?cè)谛畔踩阮I(lǐng)域也都有不同的團(tuán)隊(duì)在做。
EW：據(jù)8月23日公布的中科曙光2016年中報(bào)，軟件、系統(tǒng)集成及技術(shù)服務(wù)營(yíng)收增速比較快，相較上年，增幅達(dá)到了60.63%。這和云計(jì)算以及智慧城市發(fā)展有關(guān)系嗎？
LJ：有關(guān)系。2008年，我們?cè)诔啥冀⒘巳珖?guó)第一個(gè)云計(jì)算中心。后來(lái)，隨著我們“數(shù)據(jù)中國(guó)”戰(zhàn)略往前發(fā)展，目前，曙光已在全國(guó)20多個(gè)城市建成了云計(jì)算中心，運(yùn)行的政務(wù)應(yīng)用和智慧城市應(yīng)用種類(lèi)超過(guò)了1000個(gè)。此外，中科曙光已經(jīng)參與了30多個(gè)城市云的建設(shè)，匯集數(shù)據(jù)達(dá)30多PB。城市云和行業(yè)云的建設(shè)使得公司在全國(guó)范圍初步建成了一個(gè)云數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。
包括云計(jì)算，包括大數(shù)據(jù)，市場(chǎng)上也有其他的一些公司在做，但中科曙光有自己的優(yōu)勢(shì)：第一是軟硬件的體系，都是我們自己的，這使得我們能夠更高效、更快速地提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)；第二是我們的城市云，它不是萬(wàn)金油，而是完全針對(duì)這個(gè)城市的應(yīng)用需求去設(shè)計(jì)，所以它涉及的目標(biāo)極其明確，是非常收斂的系統(tǒng)。
EW：你是如何定義智慧城市這一概念的，它能夠幫助人們改變生活中的哪些事情？
LJ：我們不叫智慧城市，就叫城市云――城市的數(shù)據(jù)體系。今天所謂的人工智能大部分是基于歷史的數(shù)據(jù)記錄，然后去預(yù)測(cè)未來(lái)，這樣的人工智能，僅僅靠數(shù)學(xué)模型，它的精度還比較差。
我們的“數(shù)據(jù)中國(guó)”戰(zhàn)略希望把超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)、今天的云計(jì)算技術(shù)以及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)能做一個(gè)充分地融合。我們打算在各處，比方說(shuō)在全國(guó)，在百個(gè)城市分別建立以城市云計(jì)算中心為載體的一個(gè)城市大腦，把一個(gè)城市所有信息放在里面，形成一個(gè)大的數(shù)據(jù)平臺(tái)。
這個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)是一個(gè)可視化地理信息系統(tǒng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一張大地圖，在地圖上有各種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分為不同的圖層，一類(lèi)數(shù)據(jù)就是一個(gè)圖層，比如，老年人的住址、公交路線(xiàn)數(shù)據(jù)、天氣狀況等都可以成為一個(gè)圖層。
在這樣的大數(shù)據(jù)體系里面，通過(guò)應(yīng)用把不同圖層之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)，這些數(shù)據(jù)就像真的神經(jīng)元，等這樣的神經(jīng)元聯(lián)系建立得足夠多，它就是個(gè)大腦了。今天已經(jīng)能使用一些了，但還要邊使用邊完善，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。
EW：之前曙光還提出過(guò)“云和計(jì)劃”，這是怎樣一個(gè)體系呢？
LJ：在城市云的推動(dòng)過(guò)程中，一家企業(yè)的力量還是太單薄了，所以我們希望在一個(gè)城市里面找到合作伙伴，能夠并行地處理一些事。我們自己做，一年建設(shè)5個(gè)、7個(gè)已經(jīng)是很大的工作量了，但請(qǐng)一些合伙人一起建設(shè)，這樣能快一點(diǎn)。曙光也會(huì)為加盟者提供統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)，包括當(dāng)?shù)刂腔鄢鞘许?xiàng)目的頂層設(shè)計(jì)、技術(shù)架構(gòu)，以及城市云中心的業(yè)務(wù)范圍、發(fā)展規(guī)劃等方面。
EW：在信息安全方面，目前國(guó)內(nèi)整體發(fā)展?fàn)顟B(tài)是怎樣的？
LJ：我們以前提“全面自主”，但全面自主并不意味著安全?，F(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始提“安全可控”。信息安全這個(gè)東西最重要的一點(diǎn)是可控?？煽刂傅氖?，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，我們有對(duì)策解決。對(duì)于我們產(chǎn)業(yè)界來(lái)說(shuō)，就是要有自己的設(shè)計(jì)能力，這樣一來(lái)，應(yīng)對(duì)安全威脅的能力就大幅度提高了。
此外，安全也分不同的級(jí)別。不同的部門(mén)，不同的機(jī)構(gòu)，對(duì)安全級(jí)別的要求千差萬(wàn)別。比方說(shuō)國(guó)家的機(jī)要系統(tǒng)，對(duì)安全級(jí)別要求較高，而信息安全的威脅其中之一就是入侵，通過(guò)你的各種漏洞，軟件的漏洞、硬件的漏洞入侵，去偷走你的數(shù)據(jù)。對(duì)這些系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，使用龍芯的機(jī)器就很難入侵，因?yàn)槟切┤肟趧e人都不知道，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)是我們自己的而非通用的。不過(guò)，需要這一安全級(jí)別的機(jī)器占比不多，曙光的產(chǎn)品中每年約1萬(wàn)臺(tái)，占比不到10%。
EW：對(duì)于超算來(lái)說(shuō)，安全也是很重要的一個(gè)方面嗎？
LJ：超級(jí)計(jì)算機(jī)最重要的追求倒不是信息安全，它更多的是從產(chǎn)業(yè)安全的角度出發(fā)。比如，在“神威?太湖之光”之前的“天河二號(hào)”使用了英特爾公司研發(fā)的芯片，而去年出臺(tái)的一項(xiàng)美國(guó)出口禁令使該系統(tǒng)未能獲得升級(jí)所需芯片。現(xiàn)在要做的就是，突破這些技術(shù)，達(dá)到自主可控。如果再給你禁運(yùn)怎么辦？不怕，可以自己做。
關(guān)鍵詞： 網(wǎng)格技術(shù) 計(jì)算機(jī) 因特網(wǎng) 研究與應(yīng)用
當(dāng)今計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已成為人們工作、生活不可或缺的一部分，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)特別是Internet的出現(xiàn)使人類(lèi)文明進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代，它不僅使人們從日常繁雜的事務(wù)性工作中解脫出來(lái)，而且大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。
一、網(wǎng)格技術(shù)出現(xiàn)的背景
因特網(wǎng)（Internet）始建于上世紀(jì)60年代，從60年代至80年代，互聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用是收發(fā)電子郵件、傳輸文件、文字新聞及言論等，我們稱(chēng)之為第一代互聯(lián)網(wǎng)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，歐洲高能物理研究中心發(fā)明了超文本格式，把分布在網(wǎng)上的文件鏈接在一起。這樣用戶(hù)只要在圖形界面上點(diǎn)擊鼠標(biāo)，就能從一個(gè)網(wǎng)頁(yè)跳到另一個(gè)網(wǎng)頁(yè)，不僅可以看到文字信息，而且可以欣賞到豐富多彩的圖片、聲音、動(dòng)畫(huà)等多媒體信息。這個(gè)階段的互聯(lián)網(wǎng)被稱(chēng)作環(huán)球網(wǎng)（又叫萬(wàn)維網(wǎng)），它用超文本和多媒體技術(shù)改造了第一代互聯(lián)網(wǎng)，被稱(chēng)為第二代互聯(lián)網(wǎng)。第二代互聯(lián)網(wǎng)雖然比第一代互聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)了許多，但它也暴露出了嚴(yán)重的弱點(diǎn)。一方面，由于Internet在早期缺乏規(guī)劃，造成了IP地址分配“貧富不均”的現(xiàn)象，將嚴(yán)重制約互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。另一方面，互聯(lián)網(wǎng)上的信息未經(jīng)過(guò)有效的規(guī)范和整理，使用起來(lái)非常不方便。
克服第二代互聯(lián)網(wǎng)所暴露問(wèn)題的一個(gè)角度就是發(fā)展網(wǎng)格技術(shù)，來(lái)更好地管理網(wǎng)上的資源，將之虛擬成為一個(gè)空前強(qiáng)大的一體化信息系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，共享資源和協(xié)同解決問(wèn)題，從而讓用戶(hù)從中享受可靈活控制的、智能的、協(xié)作式的信息服務(wù)，并獲得前所未有的使用方便性和超強(qiáng)能力。
二、網(wǎng)格的發(fā)展歷史
網(wǎng)格的思想早在1960年就被提出來(lái)了，但對(duì)網(wǎng)格的大規(guī)模研究只是近十年的事。以超級(jí)計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算模式存在明顯的不足，超級(jí)計(jì)算機(jī)雖然是一臺(tái)處理能力強(qiáng)大的巨無(wú)霸，但它造價(jià)極高。通常只有一些國(guó)家級(jí)的部門(mén)，如航天、氣象等部門(mén)才有能力配置這樣的設(shè)備。隨著人們?nèi)粘９ぷ饔龅降纳虡I(yè)計(jì)算越來(lái)越復(fù)雜，人們?cè)絹?lái)越需要數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。然而，超級(jí)計(jì)算機(jī)的價(jià)格阻止了它進(jìn)入普通人的工作領(lǐng)域。于是，人們開(kāi)始尋找一種造價(jià)低廉而數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)的計(jì)算模式，最終科學(xué)家們找到了答案――網(wǎng)格計(jì)算。
網(wǎng)格技術(shù)是近年來(lái)國(guó)際上信息技術(shù)領(lǐng)域的熱門(mén)課題。因此目前許多組織開(kāi)發(fā)了支持網(wǎng)格計(jì)算的系統(tǒng)。我國(guó)同世界其他各國(guó)政府一樣，為大幅度地提高我國(guó)的綜合國(guó)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力，對(duì)于網(wǎng)格的建設(shè)也十分關(guān)注，同時(shí)在網(wǎng)格計(jì)算方面做了大量基礎(chǔ)性和前瞻性研究工作，并在863專(zhuān)項(xiàng)中提出了具體的目標(biāo)，專(zhuān)項(xiàng)確立了“戰(zhàn)略與系統(tǒng)綜合研究”、“高性能計(jì)算機(jī)”、“網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)”、“網(wǎng)格軟件”和“應(yīng)用網(wǎng)格”五個(gè)方面的課題。
三、網(wǎng)格的概念
網(wǎng)格就是一個(gè)集成的計(jì)算與資源環(huán)境，能夠吸納各種計(jì)算資源，并將它們轉(zhuǎn)化成一種隨處可得的、可靠的、標(biāo)準(zhǔn)的、經(jīng)濟(jì)的計(jì)算能力。除了各種類(lèi)型的計(jì)算機(jī)，這里的計(jì)算資源還包括網(wǎng)絡(luò)通信能力、數(shù)據(jù)資料、儀器設(shè)備，甚至是人等各種相關(guān)的資源?；诰W(wǎng)格的問(wèn)題求解就是網(wǎng)格計(jì)算，其應(yīng)用包括分布式計(jì)算、高吞吐量計(jì)算、協(xié)同工程和數(shù)據(jù)查詢(xún)等諸多功能。
網(wǎng)格是借鑒電力網(wǎng)的概念提出來(lái)的，網(wǎng)格的最終目的是希望用戶(hù)在使用網(wǎng)格計(jì)算能力時(shí)，就如同現(xiàn)在使用電力一樣方便。我們?cè)谑褂秒娏r(shí)，不需要知道它是從哪個(gè)地點(diǎn)的發(fā)電站輸送出來(lái)的，也不需要知道該電力是通過(guò)什么樣的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的。不管是水力發(fā)電，還是通過(guò)核反應(yīng)發(fā)電，我們使用的是一種統(tǒng)一形式的“電能”。網(wǎng)格也希望給最終的使用者提供的是與地理位置無(wú)關(guān)、與具體的計(jì)算設(shè)施無(wú)關(guān)的通用的計(jì)算能力。
清華大學(xué)李三立院士將網(wǎng)格與寬帶網(wǎng)絡(luò)作了比較，他說(shuō):“將先進(jìn)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施（即網(wǎng)格）與信息高速公路（寬帶網(wǎng)絡(luò)）相比較，可以說(shuō)，信息高速公路是信息傳輸和獲取的信息基礎(chǔ)設(shè)施；而先進(jìn)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施則是信息處理的信息基礎(chǔ)設(shè)施。雖然，國(guó)內(nèi)外都有不斷把信息高速公路擴(kuò)充頻帶寬度、改進(jìn)路由器性能的計(jì)劃；但是，國(guó)外科學(xué)家認(rèn)為:真正的下一代信息基礎(chǔ)設(shè)施是先進(jìn)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施。它將使以計(jì)算機(jī)為主體的信息處理發(fā)生根本性的變化?！?/p>
四、網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
為什么需要網(wǎng)格？因?yàn)榫W(wǎng)格有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。一旦建立起網(wǎng)格，就可以開(kāi)展許多以前無(wú)法進(jìn)行的工作和研究。
（一）在科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域，網(wǎng)格計(jì)算可以在以下幾個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用。
1.分布式超級(jí)計(jì)算。網(wǎng)格計(jì)算可以把分布式的超級(jí)計(jì)算機(jī)集中起來(lái)，協(xié)同解決復(fù)雜的大規(guī)模的問(wèn)題。使大量閑置的計(jì)算機(jī)資源得到有效的組織，提高了資源的利用效率，使用戶(hù)的需求得到了及時(shí)滿(mǎn)足。
2.高吞吐率計(jì)算。網(wǎng)格技術(shù)能夠十分有效地提高計(jì)算的吞吐率，它利用CPU的周期竊取技術(shù)，將大量空閑的計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源集中起來(lái)，提供給對(duì)時(shí)間不太敏感的問(wèn)題，可作為計(jì)算資源的重要來(lái)源。
3.數(shù)據(jù)密集型計(jì)算。數(shù)據(jù)密集型的問(wèn)題的求解往往同時(shí)產(chǎn)生很大的通訊和計(jì)算需求，需要網(wǎng)格能力才可以解決。如高能物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化天空掃描、氣象預(yù)測(cè)等都是數(shù)據(jù)密集型問(wèn)題，網(wǎng)格可以在這類(lèi)問(wèn)題的求解中發(fā)揮巨大的作用。
（二）在社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活領(lǐng)域，網(wǎng)格可以在如下領(lǐng)域得到應(yīng)用。
1.基于廣泛信息共享的人與人交互。原來(lái)人與人的交互受到地理位置、交互能力、共享對(duì)象，等等許多條件的限制。比如一個(gè)國(guó)際會(huì)議往往需要許多人在旅途上消耗大量的時(shí)間，如果每個(gè)人都可以在自己的工作地點(diǎn)，與參加會(huì)議的其他人員在一個(gè)虛擬的共享空間中進(jìn)行交互，共同討論問(wèn)題，可以產(chǎn)生面對(duì)面的效果，無(wú)疑將會(huì)是十分理想的。網(wǎng)格的出現(xiàn)更加突破了人與人之間地理界線(xiàn)的限制，使得科技工作者之間的交流更加方便，從某種程度上可以說(shuō)實(shí)現(xiàn)人與人之間的智慧共享。
2.更廣泛的資源貿(mào)易。隨著大型機(jī)的性能的提高和微機(jī)的更加普及，及其資源的閑置的問(wèn)題也越來(lái)越突出，網(wǎng)格技術(shù)能夠有效地組織這些閑置的資源，使得有大量的計(jì)算需求的用戶(hù)能夠獲得這些資源，資源的提供者的應(yīng)用也不會(huì)受到太大的干擾。需要計(jì)算能力的人可以不必購(gòu)買(mǎi)大的計(jì)算機(jī)，只要根據(jù)自己的任務(wù)的需求，向網(wǎng)格購(gòu)買(mǎi)計(jì)算能力就可以滿(mǎn)足計(jì)算需求。除了計(jì)算資源，包括貴重儀器、程序、數(shù)據(jù)、信息、文化產(chǎn)品，等等，各種資源都可以在貿(mào)易的基礎(chǔ)上廣泛使用。
網(wǎng)格是一種面向問(wèn)題和應(yīng)用的技術(shù)，隨著網(wǎng)格技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，網(wǎng)格可以在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如銀行、航空、石油、氣象、電子商務(wù)、遠(yuǎn)程教育、生命科學(xué)，等等。
網(wǎng)格技術(shù)僅僅是許多技術(shù)中的一種，它的出現(xiàn)不是要取代現(xiàn)有的技術(shù)，而更多的是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的補(bǔ)充?！陡２妓埂冯s志預(yù)測(cè)，網(wǎng)格技術(shù)將在3、4年后進(jìn)入迅速發(fā)展時(shí)期，在2020年網(wǎng)格技術(shù)產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值將達(dá)到20萬(wàn)億美元。網(wǎng)格，一個(gè)更好應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，其前景廣闊，讓我們共同迎接網(wǎng)格時(shí)代的到來(lái)。
參考文獻(xiàn)：
［1］許樂(lè)平.計(jì)算機(jī)信息技術(shù)基礎(chǔ)［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2003.
［2］胡存生.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)［M］.西安：電子工業(yè)出版社，2004.
［3］都志輝，陳渝，劉鵬.網(wǎng)格計(jì)算［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002：3-5.
關(guān)鍵詞:美國(guó)的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)在世界上占主導(dǎo)地位，政府起了重要作用。美國(guó)政府對(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的支持
之所以能夠產(chǎn)生明顯的效果，關(guān)鍵是政府職能明確，不斷根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要調(diào)整支持方向，改進(jìn)資助體系和管理?？偨Y(jié)美國(guó)聯(lián)邦政府支持計(jì)算機(jī)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)政府支持產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展有著重要的借鑒作用。
一、美國(guó)政府對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的支持
第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，聯(lián)邦政府一直是計(jì)算機(jī)技術(shù)的強(qiáng)有力支持者。按1995年不變價(jià)計(jì)算，1976-1995年間，聯(lián)邦政府對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)的支持由1.8億美元增加到9.6億美元，增長(zhǎng)了5倍。其中，基礎(chǔ)研究投入由6500萬(wàn)美元增加到2.65億美元；應(yīng)用研究投入由1.16億美元增加到7億美元。聯(lián)邦政府資助中約35-45%投向大學(xué)，其余55-65%投向政府實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)界；政府基礎(chǔ)研究資金的70%投向大學(xué)。聯(lián)邦政府還對(duì)其他與計(jì)算機(jī)技術(shù)相關(guān)的研究給予資助。聯(lián)邦政府對(duì)與計(jì)算機(jī)研究相關(guān)的其他技術(shù)和電子工程研究方面的投入由1972年的不到10億美元增加到1995年的17億美元，占聯(lián)邦總投入的比重由5%增至7%。
聯(lián)邦政府從其職能出發(fā)決定資助方向，政府資金主要投向以下幾個(gè)方面。
(一)重點(diǎn)支持長(zhǎng)期的基礎(chǔ)性研究
美國(guó)政府在長(zhǎng)期基礎(chǔ)性研究和共性應(yīng)用技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)方面發(fā)揮了重要作用。長(zhǎng)期基礎(chǔ)性研究的主要特點(diǎn)，一是其效益往往在短期內(nèi)無(wú)法顯現(xiàn)出來(lái)，風(fēng)險(xiǎn)較大。特別是在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，企業(yè)沒(méi)有實(shí)力進(jìn)行這樣的研究工作；二是其應(yīng)用領(lǐng)域往往比較廣泛，一家公司無(wú)法完全利用，而且又無(wú)力阻止競(jìng)爭(zhēng)者利用其研究成果。因此，產(chǎn)業(yè)界較少對(duì)長(zhǎng)期基礎(chǔ)性研究進(jìn)行投資。
美國(guó)聯(lián)邦政府對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的長(zhǎng)期基礎(chǔ)性研究的資助項(xiàng)目已經(jīng)取得了明顯的效果。如，政府資助的計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)研究開(kāi)始于70年代早期，直到1997年才研制出能夠成功識(shí)別持續(xù)性語(yǔ)音的個(gè)人電腦。與此相似的是，國(guó)防基金從60年代就開(kāi)始資助可用于三維圖像的基礎(chǔ)性系統(tǒng)研究，直到90年代才形成消費(fèi)性產(chǎn)品。盡管這項(xiàng)成果在高性能儀器中早已開(kāi)始應(yīng)用，但近些年才廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、娛樂(lè)及國(guó)防產(chǎn)業(yè)。
(二)資助計(jì)算機(jī)研究的基礎(chǔ)設(shè)施
聯(lián)邦政府在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為美國(guó)發(fā)展計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)提供了源源不斷的人才。
1.為產(chǎn)業(yè)發(fā)展培養(yǎng)了大量人力資源
聯(lián)邦政府的資助計(jì)劃培養(yǎng)了一大批電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究生和優(yōu)秀研究人員，為計(jì)算機(jī)和電子工程的發(fā)展提供源源不斷的后續(xù)人才。國(guó)家科學(xué)基金的數(shù)據(jù)表明，1985-1996年間，獲得聯(lián)邦資金資助的計(jì)算機(jī)和電子工程專(zhuān)業(yè)的研究生比例從14%增加到20%。聯(lián)邦政府對(duì)研究生的資助主要采取助教獎(jiǎng)學(xué)金的形式，助教獎(jiǎng)學(xué)金占總資助額的75%以上。1985年到1995年，全國(guó)最好的計(jì)算機(jī)系里，如MIT、卡內(nèi)基·梅隆、加利弗尼亞大學(xué)勃克力分校等的計(jì)算機(jī)和電子工程專(zhuān)業(yè)的研究生中約有56%得到了聯(lián)邦政府的資助，其中一半是助教獎(jiǎng)學(xué)金。1997年，斯坦福大學(xué)電子工業(yè)和計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)27%的研究生獲得聯(lián)邦政府資助，50-60%的博士得到資助。同時(shí)，政府資助的一些大型研究項(xiàng)目還培養(yǎng)了一批學(xué)術(shù)帶頭人。
2.為大學(xué)教育和研究提供了良好的設(shè)備和設(shè)施
配備和維護(hù)研究的硬件設(shè)備需要較高的資金投入，一般的大學(xué)很難籌集到這筆資金。聯(lián)邦政
府采取多種形式來(lái)支持大學(xué)購(gòu)買(mǎi)計(jì)算機(jī)設(shè)備，主要有兩種形式：一種是為大學(xué)教學(xué)提供計(jì)算機(jī)設(shè)備；另一種是通過(guò)資助特定研究項(xiàng)目為大學(xué)提供精良設(shè)備。
聯(lián)邦政府在支持大學(xué)研究設(shè)備方面的主要貢獻(xiàn)，一是支持建立大學(xué)計(jì)算中心，資助大學(xué)計(jì)算機(jī)系開(kāi)展研究工作。國(guó)家科學(xué)基金（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“NSF”）于1956年就開(kāi)始了為大學(xué)提供普通教學(xué)和研究用計(jì)算機(jī)的資助計(jì)劃。該計(jì)劃每年提供的資助金額增長(zhǎng)很快，1958-1970年間，共資助了66,00萬(wàn)美元。60年代，國(guó)防部高級(jí)項(xiàng)目處(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“DARPA”)重點(diǎn)資助了少數(shù)幾個(gè)基礎(chǔ)好的大學(xué)計(jì)算機(jī)系（如MIT，卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)，斯坦福大學(xué)）開(kāi)展專(zhuān)門(mén)項(xiàng)目研究，資助項(xiàng)目的大部分資金用來(lái)采購(gòu)設(shè)備。據(jù)估計(jì)，60年代，全美大學(xué)中約一半的計(jì)算設(shè)備是由政府機(jī)構(gòu)資助提供。1981-1995年間，聯(lián)邦政府資助了計(jì)算機(jī)科學(xué)系研究設(shè)備采購(gòu)的65%，1985年高達(dá)83%。在電子工程方面，聯(lián)邦政府的設(shè)備資助也維持在較高的水平，1982年為75%，1995年為60%。NSF啟動(dòng)了兩套專(zhuān)門(mén)為計(jì)算機(jī)科學(xué)系提供設(shè)備的計(jì)劃：計(jì)算機(jī)研究設(shè)備計(jì)劃和一個(gè)更加廣泛的協(xié)作實(shí)驗(yàn)研究計(jì)劃。
二是研制高性能計(jì)算設(shè)備和建設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。80年代中期，政府資助了IBM701等高性能計(jì)算機(jī)
的研制，造出了供研究人員進(jìn)行各種研究使用的大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1985年，NSF啟動(dòng)了一項(xiàng)建立超級(jí)計(jì)算機(jī)中心的計(jì)劃，資助建立了5個(gè)全國(guó)范圍的計(jì)算機(jī)中心，為那些不能在普通計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的高級(jí)的、運(yùn)算復(fù)雜的研究提供了條件。后來(lái)，這些中心成為高性能計(jì)算機(jī)的早期試驗(yàn)場(chǎng)，還對(duì)一些計(jì)算機(jī)科學(xué)系的教學(xué)起了重要作用。同時(shí)，這項(xiàng)計(jì)劃還帶動(dòng)州、私人部門(mén)出資在其他大學(xué)建立超級(jí)計(jì)算機(jī)中心。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，政府加大對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的資助力度。1973年起，NSF著手進(jìn)行一項(xiàng)科學(xué)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)劃，每年提供60萬(wàn)美元到75萬(wàn)美元為大學(xué)的研究人員建立計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。
(三)支持利用高新技術(shù)的大型應(yīng)用系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)和推廣
聯(lián)邦政府有效資助了大型應(yīng)用系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。DARPA支持了計(jì)算機(jī)間相互聯(lián)結(jié)的分批轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)（ARPANET）的研究項(xiàng)目。這項(xiàng)研究促進(jìn)了有關(guān)入網(wǎng)協(xié)議、分批轉(zhuǎn)換及路線(xiàn)安排等項(xiàng)研究。同時(shí)也推進(jìn)了對(duì)大型網(wǎng)絡(luò)管理模式的開(kāi)發(fā)研究，如，域名系統(tǒng)及開(kāi)發(fā)電子郵件等。DARPA的研究成果顯示了大型分批轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值，促進(jìn)了其他網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)。NSF網(wǎng)絡(luò)的建立形成了網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。政府通過(guò)資助大型高新技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，把學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究者匯聚起來(lái)共同建立共用的實(shí)驗(yàn)室，交流思想，從而創(chuàng)造出一支有能力最終推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的研究力量。如，50年代的SAGE項(xiàng)目組織了來(lái)自MIT、IBM及其它研究實(shí)驗(yàn)室的研究者，整個(gè)項(xiàng)目過(guò)程中出現(xiàn)了許多創(chuàng)新思想，目前在計(jì)算機(jī)行業(yè)已經(jīng)獲得廣泛認(rèn)可的想法都是當(dāng)時(shí)提出來(lái)的。許多計(jì)算機(jī)行業(yè)中的先驅(qū)人物也從50-60年代的控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(SAGE)項(xiàng)目中獲得了經(jīng)驗(yàn)，后來(lái)這些人在代表著計(jì)算機(jī)及通訊事業(yè)新興的公司及實(shí)驗(yàn)室中工作。SAGE的影響在后來(lái)的幾十年中才逐步顯現(xiàn)出來(lái)。
構(gòu)造大型應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)踐表明，有些研究并不一定直接導(dǎo)致某一項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)新，而是導(dǎo)致開(kāi)發(fā)與技術(shù)推廣。應(yīng)用開(kāi)發(fā)是對(duì)已經(jīng)研究出來(lái)的技術(shù)進(jìn)行分析和合理組合，形成新的應(yīng)用系統(tǒng)。如，建立大型應(yīng)用系統(tǒng)的研究項(xiàng)目就是把電子通訊系統(tǒng)的原理應(yīng)用到ARPANET項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，形成了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)。
(四)對(duì)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的早期資助
20世紀(jì)50年代，聯(lián)邦政府資助了絕大部分計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究。那時(shí)，政府對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)研究
開(kāi)發(fā)的資助超過(guò)工業(yè)界R&D投入的3倍，幾乎覆蓋了整個(gè)計(jì)算機(jī)界的研究與開(kāi)發(fā)。直到1963年，政府還資助著IBM計(jì)算機(jī)R&D的35%，Burroughs公司的50%，Control-Data公司的40%。從60年代末開(kāi)始，因?yàn)檎麄€(gè)計(jì)算機(jī)行業(yè)快速發(fā)展，政府對(duì)計(jì)算機(jī)R&D資助的比例急劇下降。直到70年代中期，政府資助僅占計(jì)算機(jī)R&D投入的25%，1979年達(dá)到戰(zhàn)后的最低點(diǎn)15%。隨著新項(xiàng)目的啟動(dòng)和里根執(zhí)政時(shí)期的國(guó)防建設(shè)，1983年，政府對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)研究的資助比例又有回升，約占20%。
美國(guó)政府對(duì)產(chǎn)業(yè)界的資助重點(diǎn)放在推動(dòng)技術(shù)商業(yè)化方面。一是對(duì)產(chǎn)業(yè)界早期研究的資助。政府對(duì)企業(yè)實(shí)驗(yàn)室提出的一些有市場(chǎng)前景的技術(shù)給予資助，將其推向商業(yè)化。例如，IBM最先提出了相關(guān)性數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)想，但I(xiàn)BM考慮到這項(xiàng)技術(shù)構(gòu)想可能對(duì)自己已經(jīng)成熟的產(chǎn)品造成潛在的競(jìng)爭(zhēng)威脅，沒(méi)有繼續(xù)進(jìn)行商業(yè)化研究開(kāi)發(fā)投入。而NSF資助加州大學(xué)伯克立分校對(duì)這一構(gòu)想進(jìn)行深入研究，并將其推向商業(yè)化；二是支持共性技術(shù)研究開(kāi)發(fā)。有些研究開(kāi)發(fā)具有商業(yè)價(jià)值，但屬于共性技術(shù)，單個(gè)企業(yè)難以研究開(kāi)發(fā)，或者企業(yè)擔(dān)心難以控制競(jìng)爭(zhēng)者使用技術(shù)成果。IBM最先開(kāi)發(fā)了RISC(精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī))，但直到DARPA資助加州大學(xué)伯克立分校及斯坦福大學(xué)進(jìn)行深入研究時(shí)，RISC才實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。該研究是作為70年代末、80年代初“大規(guī)模集成電路”（VLSI）項(xiàng)目的一部分來(lái)進(jìn)行的。后來(lái)許多公司把以RISC為基礎(chǔ)的產(chǎn)品引入了市場(chǎng)領(lǐng)域。
(五)聯(lián)邦政府的資助對(duì)創(chuàng)新起到重要作用
聯(lián)邦政府的資助計(jì)劃促進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1993至1994年間，美國(guó)全國(guó)共批準(zhǔn)了1619項(xiàng)與計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)有關(guān)的專(zhuān)利。盡管這些專(zhuān)利的所有者75%是美國(guó)企業(yè)，但它們所引用的論文大部分是由大學(xué)或政府的研究人員撰寫(xiě)的。在按資助來(lái)源分類(lèi)統(tǒng)計(jì)的論文中，51%的資助來(lái)自于聯(lián)邦政府，37%來(lái)自產(chǎn)業(yè)界的資助。政府資助中NSF占22%，DARPA占6%。盡管這些數(shù)據(jù)僅限于兩年的專(zhuān)利統(tǒng)計(jì)，但反映出聯(lián)邦所資助的項(xiàng)目，特別是在大學(xué)里進(jìn)行的資助研究，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。
二、美國(guó)政府在計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展各階段中的主要作用
政府在計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的作用，隨計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)和發(fā)展階段不同而變化。(一)50年代——計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的初期階段，政府的主要作用是用戶(hù)和資助者在1960年以前，美國(guó)政府作為用戶(hù)和資助者，主導(dǎo)著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。這一期間，政府支持計(jì)算機(jī)技術(shù)主要出于國(guó)防需要，資助面比較窄，重點(diǎn)是對(duì)技術(shù)本身的試驗(yàn)，而且沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期戰(zhàn)略計(jì)劃。但是，這一時(shí)期的政府資助項(xiàng)目嘗試了不同類(lèi)型的資助機(jī)制，對(duì)私營(yíng)部門(mén)產(chǎn)生了非常重要的影響。
50年代，幾個(gè)主要計(jì)算機(jī)公司的R&D都得到過(guò)聯(lián)邦政府的各種形式的資助。例如，在IBM公司的R&D投入中，政府合同資助投入占50%以上，直到1963年還有35%。聯(lián)邦政府不僅在資金上對(duì)私營(yíng)部門(mén)提供資助，而且從項(xiàng)目設(shè)計(jì)、技術(shù)思路、人力資源等方面提供了支持。資助的項(xiàng)目涉及到有關(guān)國(guó)家安全、人力資源培養(yǎng)等各方面，還包括一些綜合性、高投入、不確定性大、具有長(zhǎng)期影響的技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。政府資助的許多項(xiàng)目研究出了設(shè)備的原型，在這些原型基礎(chǔ)上，研究人員可以進(jìn)行更深入的探索。
(二)60-70年代——技術(shù)擴(kuò)散和產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)階段，政府扶持的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向長(zhǎng)期基礎(chǔ)性研究和培養(yǎng)人才
60年代初期，美國(guó)的計(jì)算機(jī)行業(yè)開(kāi)始商業(yè)化，可以獨(dú)立于政府的資助和采購(gòu)，全國(guó)出現(xiàn)了幾個(gè)大型的計(jì)算機(jī)公司。這些大型公司建立了自己的實(shí)驗(yàn)室，并且有能力自己研究開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，從而促進(jìn)了計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化。如，IBM公司與美國(guó)航空公司在部分采用軍事指揮和SAGE技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)訂票系統(tǒng)（SABRE系統(tǒng)）。計(jì)算機(jī)定票系統(tǒng)的迅速發(fā)展成為推動(dòng)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)重要?jiǎng)恿ΑＥc此同時(shí)，產(chǎn)業(yè)界對(duì)計(jì)算機(jī)人才的需求大大增加。出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，幾個(gè)重要學(xué)校的計(jì)算機(jī)系已經(jīng)成立。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，政府的資助重點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向長(zhǎng)期基礎(chǔ)性研究和培養(yǎng)人才。60年代后期至70年代，由于計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)界對(duì)R&D的投入增加，盡管政府資助產(chǎn)業(yè)界的絕對(duì)數(shù)額還在上升，但比例卻急劇下降。
(三)80-90年代——計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)成熟階段，政府積極組織和支持聯(lián)合研究開(kāi)發(fā)
隨著產(chǎn)業(yè)界增加對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的投入，政府資助所占比例開(kāi)始下降。80年代初期，日本的電子工程和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器等技術(shù)開(kāi)發(fā)，使美國(guó)的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)感到了競(jìng)爭(zhēng)威脅。同時(shí)，美國(guó)半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的國(guó)際市場(chǎng)份額從75%下降到了40%。“增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力”成了美國(guó)80年代技術(shù)政策的關(guān)鍵字眼，國(guó)內(nèi)要求政府采取行動(dòng)的呼聲提高。同時(shí)，大學(xué)與實(shí)業(yè)界開(kāi)始以合資、協(xié)議等方式進(jìn)行合作，或組織行業(yè)協(xié)會(huì)抵制來(lái)自日本的威脅。
為了提高美國(guó)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，使其在世界占據(jù)領(lǐng)先地位，聯(lián)邦政府不僅繼續(xù)支持計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的研究，而且調(diào)整了支持重點(diǎn)和資助方式。政府對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的資助重點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向支持各界聯(lián)合開(kāi)發(fā)，通過(guò)支持行業(yè)協(xié)會(huì)等一些新機(jī)構(gòu)，組織和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合開(kāi)發(fā)。1984年的國(guó)家合作研究法案從不信任法案中把研究協(xié)會(huì)的名字去掉了，從而使研究協(xié)會(huì)的合作合法化。政府支持半導(dǎo)體制造技術(shù)協(xié)會(huì)（SEMATECH）等行業(yè)性組織機(jī)構(gòu)，發(fā)揮其在計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)合開(kāi)發(fā)中的組織作用。那一時(shí)期，半導(dǎo)體制造技術(shù)協(xié)會(huì)和高性能計(jì)算機(jī)研究所等受到政府資助的行業(yè)性機(jī)構(gòu)，成為計(jì)算機(jī)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)和政策議程的主導(dǎo)者。
90年代，政府一方面對(duì)現(xiàn)存的政府所有的成熟的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和私有化；另一
方面又開(kāi)始資助新的更高層次的技術(shù)研究。如，NSF于1992年將其互聯(lián)網(wǎng)向商業(yè)應(yīng)用開(kāi)放之后，又于1995年成功地把NSF的互聯(lián)網(wǎng)推向私有化。與此同時(shí)，NSF和其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)還在繼續(xù)進(jìn)行下一代互聯(lián)網(wǎng)（NGI）的開(kāi)發(fā)與擴(kuò)展工作，計(jì)劃將互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速度提高100倍。NGI計(jì)劃將建立一個(gè)試驗(yàn)性的、范圍廣闊的、可升級(jí)的測(cè)試系統(tǒng)，用以開(kāi)發(fā)那些對(duì)國(guó)家至關(guān)重要的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)，如國(guó)防和醫(yī)療等。
三、幾點(diǎn)啟示
美國(guó)政府資助計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我們有以下幾點(diǎn)啟示。
(一)政府職能明確
在美國(guó)的計(jì)算機(jī)革命中，政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)校起了不同的作用。政府主要引導(dǎo)大學(xué)和產(chǎn)業(yè)界研究機(jī)構(gòu)的研究，特別在建立前沿研究需要的實(shí)物基礎(chǔ)設(shè)施，培養(yǎng)大學(xué)生、研究生和技術(shù)隊(duì)伍等方面起到關(guān)鍵性作用。盡管有些在市場(chǎng)中處于主導(dǎo)地位的大公司，如AT&T、IBM、微軟和英特爾等在基礎(chǔ)研究方面也投入了大量資金。但大公司更傾向投資于與其發(fā)展目標(biāo)及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有緊密聯(lián)系的研究項(xiàng)目。而政府則在長(zhǎng)期基礎(chǔ)性研究、應(yīng)用前途廣泛的共性技術(shù)研究開(kāi)發(fā)方面發(fā)揮了重要作用。
隨著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)從幼稚產(chǎn)業(yè)發(fā)展為成熟產(chǎn)業(yè)，美國(guó)聯(lián)邦政府的作用經(jīng)歷了一系列變化。從50年代的用戶(hù)和資助者，60-70年代的資助基礎(chǔ)研究和培養(yǎng)人才，到80-90年代的合作者。資助機(jī)構(gòu)和管理也從分散、無(wú)戰(zhàn)略計(jì)劃逐步發(fā)展到由專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)統(tǒng)一協(xié)調(diào)。
(二)資助來(lái)源多元化和機(jī)制多樣化，發(fā)揮政府機(jī)構(gòu)的作用
聯(lián)邦政府對(duì)于計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子工程技術(shù)的資助主要是通過(guò)幾個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)完成的。例如國(guó)防部、國(guó)家科學(xué)基金、國(guó)家航空航天部、能源部及國(guó)家健康機(jī)構(gòu)。這些機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是，專(zhuān)業(yè)技術(shù)能力比較強(qiáng)，機(jī)構(gòu)內(nèi)部有許多專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，有些機(jī)構(gòu)本身就是國(guó)家研究機(jī)構(gòu)。除國(guó)家科學(xué)基金外，這些機(jī)構(gòu)大都是計(jì)算機(jī)技術(shù)的直接需求和應(yīng)用方，經(jīng)常根據(jù)部門(mén)自身的需要資助計(jì)算機(jī)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)。
多元化的優(yōu)點(diǎn)，一是有利于技術(shù)發(fā)展的多樣性。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)是工具性技術(shù)，各個(gè)領(lǐng)域有不同的需求，因此，每一個(gè)機(jī)構(gòu)都有各自的資助重點(diǎn)及資助方式，從而促進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)多樣化發(fā)展；二是提供多種潛在的支持，增加了研究機(jī)構(gòu)和研究人員的選擇余地，有利于競(jìng)爭(zhēng)；三是研究成果可以在不同的機(jī)構(gòu)間轉(zhuǎn)移，形成廣泛的用途，提高了研究成果的利用效率。
(三)加強(qiáng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)
盡管美國(guó)政府對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的資助計(jì)劃是由專(zhuān)業(yè)管理部門(mén)分別執(zhí)行的，但是，隨著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的成熟和資助規(guī)模的擴(kuò)大，各專(zhuān)業(yè)管理部門(mén)和聯(lián)邦政府不斷加強(qiáng)對(duì)計(jì)算機(jī)資助項(xiàng)目計(jì)劃的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和戰(zhàn)略規(guī)劃。60年代以前，軍方對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的資助是根據(jù)各軍兵種自己的需求分散進(jìn)行的。60年代初，國(guó)防部成立了高級(jí)研究項(xiàng)目處，并成立了專(zhuān)門(mén)的信息處理技術(shù)辦公室。一個(gè)重要目的就是協(xié)調(diào)軍方各部門(mén)的長(zhǎng)期戰(zhàn)略性資助計(jì)劃，實(shí)行統(tǒng)一管理。
90年代，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)中設(shè)置計(jì)算機(jī)、信息和通訊委員會(huì)，該機(jī)構(gòu)通過(guò)下級(jí)委員
會(huì)，協(xié)調(diào)12個(gè)政府部門(mén)或機(jī)構(gòu)的有關(guān)計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的R&D項(xiàng)目，并重點(diǎn)組織實(shí)施了5個(gè)具有長(zhǎng)期戰(zhàn)略意義的項(xiàng)目計(jì)劃。
這種體制即發(fā)揮了專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)的積極性和技術(shù)特長(zhǎng)，又加強(qiáng)了統(tǒng)一協(xié)調(diào)，避免重復(fù)研究和
分散競(jìng)爭(zhēng)資源的局面，提高了政府資助的整體效果。
(四)以多種方式支持計(jì)算機(jī)技術(shù)
除了資助研究開(kāi)發(fā)以外，美國(guó)政府對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)市場(chǎng)的形成發(fā)揮了重要作用。美國(guó)政府是高新技術(shù)的最大用戶(hù)，政府采購(gòu)為高新技術(shù)創(chuàng)造了巨大的市場(chǎng)。
從半導(dǎo)體到超級(jí)計(jì)算機(jī)，在許多領(lǐng)域中，政府創(chuàng)造了計(jì)算機(jī)及其技術(shù)的市場(chǎng)，促進(jìn)新技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和核心技術(shù)在計(jì)算機(jī)行業(yè)的推廣。例如，聯(lián)邦政府為阿波羅號(hào)航天飛機(jī)采購(gòu)的集成電路以及國(guó)防部的洲際彈道導(dǎo)彈項(xiàng)目都對(duì)集成電路生產(chǎn)能力的提高形成了一種刺激。為開(kāi)發(fā)核武器，能源部及其前身機(jī)構(gòu)對(duì)高性能計(jì)算機(jī)的需求驅(qū)動(dòng)了早期超級(jí)計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的形成。美國(guó)政府的統(tǒng)計(jì)體系也是早期計(jì)算機(jī)及其軟件的大用戶(hù)。在軟件方面，通過(guò)建立聯(lián)邦數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)邦政府促使市場(chǎng)向“美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)”制定的COBOL(面向商用的通用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言)不斷靠近；為使FORTRAN程序語(yǔ)言擴(kuò)展應(yīng)用于并聯(lián)計(jì)算機(jī)，政府資助了高級(jí)FORTRAN論壇項(xiàng)目。
反壟斷訴訟也具有深遠(yuǎn)的影響。例如，1952年出現(xiàn)了針對(duì)IBM的反壟斷訴訟案，要求IBM公司出賣(mài)或出租其設(shè)備，以幫助其它公司進(jìn)入這一商業(yè)領(lǐng)域。同時(shí)要求IBM公司對(duì)其包括電子計(jì)算機(jī)在內(nèi)的所有有關(guān)信息處理設(shè)備的現(xiàn)有及未來(lái)專(zhuān)利實(shí)施許可制度，并規(guī)定了許可的比率?！八痉ú糠磯艛嗖块T(mén)”的負(fù)責(zé)人認(rèn)為，IBM訴訟案是“開(kāi)放電子領(lǐng)域的一個(gè)進(jìn)步”，為其他公司進(jìn)入計(jì)算機(jī)行業(yè)打開(kāi)了方便之門(mén)。
(五)保持戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中的領(lǐng)先地位
美國(guó)政府對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的貢獻(xiàn)中最發(fā)人深省的是，政府不僅在計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展初期發(fā)揮了作用，而且在計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)逐步趨于成熟時(shí)，仍然起著重要作用。
【關(guān)鍵詞】生物技術(shù)；計(jì)算機(jī)；應(yīng)用
【中圖分類(lèi)號(hào)】Q50 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2013）01―0046-01
進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，由于研究的深入，對(duì)知識(shí)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和了解，許多學(xué)科之間都有了一些交叉，尤其是一些新興學(xué)科之間的相互交叉，廣泛滲透更是對(duì)科學(xué)的發(fā)展起了很大的促進(jìn)作用，人們進(jìn)一步提升對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)，對(duì)人類(lèi)本身也有了進(jìn)一步的了解。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在其中的應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大，計(jì)算機(jī)和藥學(xué)兩者互相影響、互相滲透、互相結(jié)合，密不可分。
1、生物技術(shù)與信息技術(shù)的關(guān)系
信息技術(shù)和生物技術(shù)都是高新技術(shù)，二者在新經(jīng)濟(jì)中并非此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，而是相輔相成，共同推進(jìn)21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。信息技術(shù)為生物技術(shù)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的計(jì)算工具。在現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，計(jì)算機(jī)與高性能的計(jì)算技術(shù)發(fā)揮了巨大的推動(dòng)作用。如今，人們?cè)絹?lái)越清醒地認(rèn)識(shí)到，超級(jí)計(jì)算機(jī)在創(chuàng)造新品種的藥物、治愈疾病以及最終使我們能夠修復(fù)人類(lèi)基因缺陷等方面是至關(guān)重要的，高性能計(jì)算可以為人類(lèi)作出更大的貢獻(xiàn)。生物技術(shù)推動(dòng)超級(jí)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著人類(lèi)基因組計(jì)劃各項(xiàng)任務(wù)的完成，有關(guān)核酸、蛋白質(zhì)的序列和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長(zhǎng)。面對(duì)如此巨大而復(fù)雜的數(shù)據(jù)，只有運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、控制誤差、加速分析過(guò)程，使得人類(lèi)最終能夠從中受益。然而要完成這些過(guò)程，并非一般的計(jì)算機(jī)力所能及，而需要具有超級(jí)計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)。因此，生物技術(shù)的發(fā)展將對(duì)信息技術(shù)提出更高的需求，從而推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。生物技術(shù)將從根本上突破計(jì)算機(jī)的物理極限。運(yùn)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和生物學(xué)的各種工具，來(lái)闡明和理解大量基因組研究獲得數(shù)據(jù)中所包含的生物學(xué)意義，生物學(xué)和信息學(xué)交叉、結(jié)合，從而形成了一個(gè)新的學(xué)科。生物信息學(xué)或信息生物學(xué)，它的進(jìn)步所帶來(lái)的效益是不可估量的。
2、計(jì)算機(jī)在生物技術(shù)中的應(yīng)用分析
生物醫(yī)學(xué)工程運(yùn)用現(xiàn)代自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的原理和方法，從工程學(xué)的角度研究人體的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系以及其他生命現(xiàn)象。其目的是解決醫(yī)學(xué)問(wèn)題，即研究和開(kāi)發(fā)為防病、治病以及人體功能輔助等醫(yī)學(xué)應(yīng)用的裝置和系統(tǒng)。用技術(shù)科學(xué)的概念和方法來(lái)解釋和描述人體各層次的成份、結(jié)構(gòu)和功能，以及人體各種正常生理功能和病理狀態(tài)之問(wèn)的差異，這些內(nèi)容形成了這個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)部分。而防病、診斷、治療及功能輔助的具體技術(shù)和設(shè)備則形成這個(gè)學(xué)科的應(yīng)用部分。
2.1 計(jì)算機(jī)技術(shù)在生物信息學(xué)中的應(yīng)用
生物信息學(xué)在今后的無(wú)論是生物醫(yī)藥科研還是開(kāi)發(fā)中都具有廣泛而關(guān)鍵的應(yīng)用價(jià)值；而且，由于生物信息學(xué)是生物科學(xué)與計(jì)算科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等密切結(jié)合的交叉性學(xué)科，使其具有非常強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性，這就使得專(zhuān)業(yè)的生物醫(yī)藥科研或開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)自身難以勝任它們所必需的生物信息學(xué)業(yè)務(wù)，殘酷的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)及其所帶來(lái)的市場(chǎng)高度專(zhuān)業(yè)化分工的趨勢(shì)，使得專(zhuān)業(yè)的生物醫(yī)藥開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)不可能在自身內(nèi)部解決對(duì)生物信息學(xué)服務(wù)的迫切需求，學(xué)術(shù)界內(nèi)的生物醫(yī)藥科研機(jī)構(gòu)也是如此，而這種需求，僅靠那些高度分支化和學(xué)術(shù)化的分散的生物信息學(xué)科研機(jī)構(gòu)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足的?？梢?jiàn)，在生命科學(xué)的新世紀(jì)，生物信息學(xué)綜合服務(wù)將是一個(gè)非常重要的也是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。
2.2 計(jì)算機(jī)在微生物學(xué)中細(xì)菌生化反應(yīng)上的應(yīng)用
細(xì)菌學(xué)的計(jì)量檢驗(yàn)是醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)現(xiàn)代化的種重要手段。此檢驗(yàn)技術(shù)是通過(guò)收集已確證的統(tǒng)計(jì)資料，并將系列生化反應(yīng)試驗(yàn)的反應(yīng)結(jié)果數(shù)值化，按照一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多元分析，利計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和記憶能力，檢驗(yàn)標(biāo)本作出規(guī)范化的定量鑒定。實(shí)現(xiàn)這一計(jì)量鑒定，我采用了計(jì)算機(jī)輔助編碼撿索系統(tǒng)（CAIS）菌科細(xì)菌系列生化反應(yīng)機(jī)輔檢索程序（CAE-15）、（eAE-I）輸入微機(jī)。通過(guò)各項(xiàng)生化反應(yīng)結(jié)果及增補(bǔ)試驗(yàn)結(jié)果所得的編碼數(shù)經(jīng)過(guò)人工查詢(xún)，從計(jì)算機(jī)編程的“縮碼檢索手冊(cè)”中直接查找指定編碼的細(xì)菌概率分布和相應(yīng)的補(bǔ)充試驗(yàn)。計(jì)算機(jī)在微生物中的應(yīng)用，不僅節(jié)約了時(shí)間和人力，而且鑒定結(jié)果準(zhǔn)確可靠，避免主觀(guān)誤。
2.3 計(jì)算機(jī)在破譯遺傳密碼和管理基因數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用
計(jì)算機(jī)在破譯遺傳密碼和管理基因數(shù)據(jù)方面的潛力，在加利福尼亞大學(xué)圣迭分校的生物化學(xué)教授杜利特爾及其同事的工作中得以體現(xiàn)。他們?cè)谀赀M(jìn)行的工作中只通過(guò)分析計(jì)算機(jī)打印輸出的數(shù)據(jù)就獲得了一個(gè)重要的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)。杜利特爾教授的研究小組比較了兩個(gè)由計(jì)算機(jī)打印輸出的蛋白質(zhì)序列，發(fā)現(xiàn)一種與癌癥發(fā)生有關(guān)的序列和一種與細(xì)胞生長(zhǎng)有關(guān)的序列完全一樣，揭示出癌基因引起了細(xì)胞的不正常生長(zhǎng)。這一發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有進(jìn)行過(guò)任何一實(shí)驗(yàn)的情況下就獲得了。
2.4 計(jì)算機(jī)在創(chuàng)造生物的虛擬環(huán)境方面的應(yīng)用
計(jì)算機(jī)還正被用于創(chuàng)造一個(gè)虛擬的生物環(huán)境，以便對(duì)復(fù)雜的生物網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行模擬。這種虛擬環(huán)境創(chuàng)造不同的情境，幫助研究人員產(chǎn)生新的假說(shuō)，并在實(shí)驗(yàn)室里被用于檢測(cè)新的農(nóng)業(yè)和制藥產(chǎn)品以及醫(yī)學(xué)活體實(shí)驗(yàn)。在虛擬世界里，生物學(xué)家敲敲鍵盤(pán)就可以產(chǎn)生新的合成分，而在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常需要幾年時(shí)間才可能合成一個(gè)真正的分子。有了三維的計(jì)算機(jī)模型，研究人員可以在屏幕上將各種基因和分子進(jìn)行組合，然后觀(guān)察它們的相互作用情況。年，賓夕法尼亞州立大學(xué)和位于加利福尼亞拉霍亞的斯克里普斯臨床研究所的研究人員，通過(guò)使用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)首次設(shè)計(jì)了一種極有價(jià)值的合成分子。這種被命名為的化合物是在計(jì)算機(jī)屏幕上構(gòu)想出來(lái)的，幾家生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行該化合物的批量生產(chǎn)?？茖W(xué)家們打算通過(guò)使用新的信息時(shí)代的計(jì)算技術(shù)造出多種多樣的新分子。
2.5 計(jì)算機(jī)在生物醫(yī)學(xué)工程中的具體應(yīng)用
生物醫(yī)學(xué)工程運(yùn)用現(xiàn)代自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的原理和方法，從工程學(xué)的角度研究人體的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系以及其他生命現(xiàn)象。其目的是解決醫(yī)學(xué)問(wèn)題，即研究和開(kāi)發(fā)為防病、治病以及人體功能輔助等醫(yī)學(xué)應(yīng)用的裝置和系統(tǒng)。用技術(shù)科學(xué)的概念和方法來(lái)解釋和描述人體各層次的成份、結(jié)構(gòu)和功能，以及人體各種正常生理功能和病理狀態(tài)之間的差異，這些內(nèi)容形成了這個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)部分。而防病、診斷、治療及功能輔助的具體技術(shù)和設(shè)備則形成這個(gè)學(xué)科的應(yīng)用部分。
3、發(fā)展前景
計(jì)算機(jī)在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用的例子還很多，并且發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的要求也越來(lái)越高。比如在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理方面，普通的計(jì)算機(jī)已經(jīng)很難勝任實(shí)時(shí)處理的能力，使人們轉(zhuǎn)向研究處理速度更快的專(zhuān)門(mén)處理器件DSP芯片。在人工智能方面，往往還需要功耗更低、存儲(chǔ)更大的微計(jì)算機(jī)。因此，生物醫(yī)學(xué)工程在利用計(jì)算機(jī)的同時(shí)也促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的發(fā)展。二十一世紀(jì)是生物技術(shù)的世紀(jì)，信息生物學(xué)是自然科學(xué)中發(fā)展最迅速、最具活力和生氣的領(lǐng)域，并且為人類(lèi)帶來(lái)了很大的便利與貢獻(xiàn)。不難看出，生物計(jì)算機(jī)研制成功以后，又會(huì)帶來(lái)一次革命，它將會(huì)給人類(lèi)帶來(lái)更多的福祉，世人將以期盼的心情等待它的出現(xiàn)。隨著科技的發(fā)展，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，它將越來(lái)越離不開(kāi)計(jì)算機(jī)。不但如此，計(jì)算機(jī)和生物技術(shù)更越來(lái)越緊密結(jié)合。將更快地促進(jìn)兩者的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1]張宜，湯韌.計(jì)算機(jī)單機(jī)及局域網(wǎng)在藥學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展回顧及現(xiàn)狀[J].武漢總醫(yī)院雜志，2005，13（4）：12
關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)；數(shù)據(jù)恢復(fù)；數(shù)據(jù)安全；數(shù)據(jù)保護(hù)
中圖分類(lèi)號(hào)：TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2013）008012502
作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：李春霞（1975-），女，碩士，蘭州文理學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)。
0 引言
數(shù)據(jù)安全與保護(hù)一直是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算中心的研究重點(diǎn)。隨著互聯(lián)網(wǎng)與高性能計(jì)算速度的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)幾何級(jí)增長(zhǎng)、數(shù)據(jù)更新頻繁等特點(diǎn)。現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算中心都面臨著快速備份和恢復(fù)的時(shí)間點(diǎn)越來(lái)越多，管理保存數(shù)據(jù)的成本及數(shù)據(jù)中心空間和能耗也變得越來(lái)越嚴(yán)重等問(wèn)題，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)解決方案已經(jīng)無(wú)法應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)的過(guò)快增長(zhǎng)以及復(fù)雜性的加劇，取而代之的是下一代數(shù)據(jù)保護(hù)（next-generation data protection，NGDP）技術(shù)。
而我們所有研究的新一代的數(shù)據(jù)保護(hù)方案，是基于磁盤(pán)的、備份/恢復(fù)為中心的全面的數(shù)據(jù)保護(hù)方案，是整合的數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)平臺(tái)，而不是一種單獨(dú)的技術(shù)研究或者產(chǎn)品。
下一代數(shù)據(jù)保護(hù)方案考慮的研究要素，一個(gè)是如何提高數(shù)據(jù)備份的效率，另一個(gè)是縮短數(shù)據(jù)恢復(fù)的時(shí)間。數(shù)據(jù)備份效率的核心是數(shù)據(jù)備份技術(shù)，主要有數(shù)據(jù)重復(fù)刪除技術(shù)、本地磁盤(pán)備份技術(shù)、深度集成智能備份和磁帶庫(kù)、異構(gòu)快照和持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)等。縮短數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間的核心是數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)，主要研究提高恢復(fù)數(shù)據(jù)的時(shí)間和恢復(fù)數(shù)據(jù)的有效率。
1 下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀
隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和Internet服務(wù)的廣泛應(yīng)用，社會(huì)信息化程度不斷提高，數(shù)據(jù)信息在當(dāng)今社會(huì)已經(jīng)成為非常重要的財(cái)富。作為信息的載體，存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，信息的可靠性存儲(chǔ)對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)生死攸關(guān)，一旦數(shù)據(jù)丟失，將會(huì)帶來(lái)難以估量的損失。各種數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)在人們對(duì)數(shù)據(jù)安全的需求下產(chǎn)生并不斷地改進(jìn)提高。較為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)有備份和快照等，但是這些數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)存在著明顯的弱點(diǎn)，它們保證不了數(shù)據(jù)保護(hù)的連續(xù)性，而對(duì)于許多關(guān)鍵應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一秒鐘的數(shù)據(jù)都是極其寶貴的。
計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的信息越來(lái)越多，而且越來(lái)越重要，為防止計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)意外丟失，現(xiàn)有主要的數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)一般都采用許多重要的安全防護(hù)技術(shù)來(lái)確保數(shù)據(jù)的安全，在建立容災(zāi)系統(tǒng)時(shí)會(huì)涉及到多種技術(shù)，如：拷貝技術(shù)、備份（backup）技術(shù)、復(fù)制技術(shù)、鏡像技術(shù)、RAID技術(shù)、快照（snapshot）技術(shù)、虛擬磁帶庫(kù)VTL技術(shù)等。
2 下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)實(shí)施方案和技術(shù)路線(xiàn)
下一代數(shù)據(jù)保護(hù)方案考慮的要素研究，一個(gè)是如何提高數(shù)據(jù)備份的效率，另一個(gè)縮短數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間。數(shù)據(jù)備份效率的核心是數(shù)據(jù)備份技術(shù)，主要有數(shù)據(jù)重復(fù)刪除技術(shù)、本地磁盤(pán)備份技術(shù)、深度集成智能備份和磁帶庫(kù)、異構(gòu)快照和持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)等。縮短數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)間的核心是數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)，主要研究提高恢復(fù)數(shù)據(jù)的時(shí)間和恢復(fù)數(shù)據(jù)的有效率。下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)平臺(tái)是整合的數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)平臺(tái)，它要具備3個(gè)關(guān)鍵特征。首先，必須要全面，能夠全面覆蓋復(fù)雜的環(huán)境；其次，必須以磁盤(pán)為動(dòng)力，從而能夠利用現(xiàn)有的磁盤(pán)陣列投入并同時(shí)提高備份與恢復(fù)服務(wù)等級(jí)；第三，要以恢復(fù)為中心，備份操作能在任何時(shí)間都可進(jìn)行最為快速有效的恢復(fù)。應(yīng)將持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)和云存儲(chǔ)災(zāi)備技術(shù)集成應(yīng)用到下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)應(yīng)用模型中。下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)應(yīng)用模型如圖1所示。
其次，在大型數(shù)據(jù)中心和超算中心數(shù)據(jù)保護(hù)平臺(tái)內(nèi)，采用磁盤(pán)陣列作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份的存儲(chǔ)介質(zhì)，產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)通過(guò)存儲(chǔ)即能避免過(guò)度占用系統(tǒng)資源，也能避免浪費(fèi)適應(yīng)性重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)，將冗余的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除并存儲(chǔ)到磁盤(pán)陣列中用以容災(zāi)備份。在大型服務(wù)器和超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中部署基于文件的持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)，捕捉文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)或者元數(shù)據(jù)的變化事件（如創(chuàng)建、修改、刪除等），并及時(shí)將文件的變動(dòng)以日志的形式進(jìn)行記錄，產(chǎn)生持續(xù)的日志鏈實(shí)現(xiàn)持續(xù)的數(shù)據(jù)保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生災(zāi)難時(shí)，參考磁盤(pán)陣列中經(jīng)過(guò)重復(fù)數(shù)據(jù)刪除后的數(shù)據(jù)備份，實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間點(diǎn)的快速系統(tǒng)恢復(fù)。
圖1 下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)應(yīng)用模型
最后，通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)鏈接異地的遠(yuǎn)端云存儲(chǔ)設(shè)備，在云災(zāi)備應(yīng)用環(huán)境中，通過(guò)高性能、大容量云存儲(chǔ)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)備份軟件，將用戶(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存放在向企事業(yè)單位提供的空間租賃中。普通的企事業(yè)單位、中小企業(yè)可租用數(shù)據(jù)中心提供的空間服務(wù)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)備份服務(wù)功能，建立自己的遠(yuǎn)程備份和容災(zāi)系統(tǒng)，以保證當(dāng)本地發(fā)生重大災(zāi)難時(shí)，可通過(guò)遠(yuǎn)程備份或遠(yuǎn)程容災(zāi)系統(tǒng)進(jìn)行快速恢復(fù)。
下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)中運(yùn)行維護(hù)成本高、備份和恢復(fù)效率慢、可靠性低的缺點(diǎn)，但是現(xiàn)行的持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)和重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)在系統(tǒng)資源占用和更加高效的數(shù)據(jù)保護(hù)方案之間的平衡性和復(fù)合構(gòu)件數(shù)據(jù)中心問(wèn)題上，還有很多的改進(jìn)空間，下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)是未來(lái)數(shù)據(jù)保護(hù)市場(chǎng)的主要發(fā)展方向。
3 下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及推廣應(yīng)用
3.1 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)
（1）研究了下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)綜合應(yīng)用模型，采用磁盤(pán)陣列作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份的存儲(chǔ)介質(zhì)，產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)通過(guò)存儲(chǔ)即能避免過(guò)度占用系統(tǒng)資源，也能避免浪費(fèi)適應(yīng)性重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)，將冗余的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除并存儲(chǔ)到磁盤(pán)陣列中用以容災(zāi)備份。在大型服務(wù)器和超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中部署基于文件的持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)，捕捉文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)或者元數(shù)據(jù)的變化事件（如創(chuàng)建、修改、刪除等），并及時(shí)將文件的變動(dòng)以日志的形式進(jìn)行記錄，產(chǎn)生持續(xù)的日志鏈實(shí)現(xiàn)持續(xù)的數(shù)據(jù)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間點(diǎn)的快速系統(tǒng)恢復(fù)。
（2）在原有持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于文件的持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)，對(duì)恢復(fù)時(shí)間點(diǎn)附近的數(shù)據(jù)和日志的保存進(jìn)行了改進(jìn)，使資源占用和恢復(fù)時(shí)間得到均衡，消滅了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)中的備份窗口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的連續(xù)性保護(hù)，能夠有效提高系統(tǒng)和數(shù)據(jù)恢復(fù)的RTO和RPO。
（3）本項(xiàng)目針對(duì)重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)中數(shù)據(jù)對(duì)比檢測(cè)算法繁瑣問(wèn)題，對(duì)重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)提出了改進(jìn)，降低了存儲(chǔ)容量，大大縮短了多種應(yīng)用程序的恢復(fù)時(shí)間，減少了對(duì)硬件設(shè)備的依賴(lài)，同時(shí)也降低了耗電量、冷卻成本和占地面積，提高了資源效率。
（4）在下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)綜合應(yīng)用模型中，通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)鏈接異地的遠(yuǎn)端云存儲(chǔ)設(shè)備，在云災(zāi)備應(yīng)用環(huán)境中，通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)備份軟件，將用戶(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存放在云存儲(chǔ)設(shè)備中，建立自己的遠(yuǎn)程備份和容災(zāi)系統(tǒng)，以保證當(dāng)本地發(fā)生重大災(zāi)難時(shí)，可通過(guò)遠(yuǎn)程備份或遠(yuǎn)程容災(zāi)系統(tǒng)進(jìn)行快速恢復(fù)。
3.2 推廣應(yīng)用
（1）下一代數(shù)據(jù)保護(hù)方案，解決了在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)中，由于數(shù)據(jù)快速增長(zhǎng)，特別是云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，導(dǎo)致的運(yùn)行維護(hù)成本高、備份和恢復(fù)效率慢、可靠性低的缺點(diǎn)。
（2）針對(duì)持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)和實(shí)際數(shù)據(jù)恢復(fù)的需求，研究的基于文件的持續(xù)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)，消滅了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)中的備份窗口，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的連續(xù)性保護(hù)，提高了系統(tǒng)和數(shù)據(jù)恢復(fù)的RTO和RPO。
（3）針對(duì)重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)中數(shù)據(jù)對(duì)比檢測(cè)過(guò)程問(wèn)題，對(duì)重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)提出改進(jìn)，降低了存儲(chǔ)容量，大大縮短了多種應(yīng)用程序的恢復(fù)時(shí)間，減少了對(duì)硬件設(shè)備的依賴(lài)，同時(shí)也降低了耗電量、冷卻成本和占地面積，提高了資源效率。
（4）利用云存儲(chǔ)進(jìn)行容災(zāi)備份，是未來(lái)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，客戶(hù)可以利用云災(zāi)備快速實(shí)現(xiàn)災(zāi)備，降低災(zāi)備系統(tǒng)的總體擁有成本。
4 下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益
數(shù)據(jù)安全與保護(hù)一直是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算中心的研究重點(diǎn)，隨著互聯(lián)網(wǎng)與高性能計(jì)算速度的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)幾何級(jí)增長(zhǎng)、數(shù)據(jù)更新頻繁等特點(diǎn)。現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算中心都面臨著快速備份和恢復(fù)的時(shí)間點(diǎn)越來(lái)越多、管理保存數(shù)據(jù)的成本及數(shù)據(jù)中心空間和能耗也變得越來(lái)越嚴(yán)重等問(wèn)題，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)解決方案已經(jīng)無(wú)法應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)的過(guò)快增長(zhǎng)以及復(fù)雜性的加劇，取而代之的是下一代數(shù)據(jù)保護(hù)（next-generation data protection，NGDP）技術(shù)。
隨著數(shù)據(jù)的快速增長(zhǎng)，特別是云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心和超算中心面臨著更加繁重的數(shù)據(jù)服務(wù)需求。另外，數(shù)據(jù)的不斷增長(zhǎng)也導(dǎo)致數(shù)據(jù)備份窗口和系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間的不斷增加，每次的數(shù)據(jù)備份工作占用了大量系統(tǒng)資源，同時(shí)也增加了技術(shù)維護(hù)人員的工作量。各個(gè)數(shù)據(jù)中心和超算中心都在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行
改進(jìn)，尋求更為高效、節(jié)能的數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)。下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)的興起，解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)中運(yùn)行維護(hù)成本高、備份和恢復(fù)效率慢、可靠性低的缺點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)：
[1] 田全紅，劉光明. 下一代數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用，2011（16）.
[2] G DUZY.Match snaps to apps[M].Storage，Special Issue on Managing the Information that Drives the Enterprise[Z].2005.
[3] 薛華成.管理信息系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.
1.科研裝備在科學(xué)發(fā)現(xiàn)活動(dòng)中的作用
人類(lèi)在認(rèn)識(shí)自然、探索未知的科學(xué)發(fā)現(xiàn)活動(dòng)中，始終都離不開(kāi)從自然界中獲取信息。這種獲取信息的手段和方法有一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的歷史演進(jìn)過(guò)程。在古代，希臘人獲取信息的方法是靠感官直接感知的，并通過(guò)猜測(cè)性的思辯而提出了許多關(guān)于自然界是怎樣形成的“科學(xué)假說(shuō)”—本體論設(shè)想，“顯然，在今天看來(lái)，古希臘人對(duì)萬(wàn)物運(yùn)動(dòng)原因的各種解釋都是臆想，不過(guò)勇敢和大膽的探索精神卻使人們驚嘆。因?yàn)樗麄兙尤辉趲浊昵捌髨D用一個(gè)人的思想來(lái)回答人類(lèi)全部科學(xué)所追求的東西”。圈‘P49’在近代，自伽利略研制出第一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡開(kāi)始，人類(lèi)科學(xué)發(fā)現(xiàn)活動(dòng)的手段主要依靠科學(xué)儀器和設(shè)備而實(shí)現(xiàn)，從而延長(zhǎng)了人類(lèi)的感官，擴(kuò)大了人們感知自然的范圍和種類(lèi)，提高了人類(lèi)對(duì)于自然界的感應(yīng)能力和精確度。19世紀(jì)末至20世紀(jì)初以來(lái)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和信息化的科學(xué)儀器設(shè)備的出現(xiàn)，人類(lèi)科學(xué)發(fā)現(xiàn)活動(dòng)的視野已從宏觀(guān)進(jìn)入到微觀(guān)，從地面延伸到宇觀(guān)。這種當(dāng)代自然科學(xué)的發(fā)展向著兩極延伸的根本性原因，就是由于現(xiàn)代化的科學(xué)儀器和設(shè)備為微觀(guān)和宇觀(guān)領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供了有力的工具和手段。正如國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)主任陳宜瑜院士所說(shuō)“科學(xué)發(fā)展的歷史表明，一種新的科研儀器或工具，往往成為開(kāi)辟新研究領(lǐng)域的金鑰匙?！盵6J‘P，‘)美國(guó)新實(shí)驗(yàn)主義者羅伯特•阿克曼(R.J.AcKermann)早在20世紀(jì)80年代就指出“科學(xué)的進(jìn)步的確是儀器與技術(shù)的進(jìn)步。更好的儀器與技術(shù)告訴我們同一個(gè)世界里更多的東西，因此，它們經(jīng)常迫使理論觀(guān)念的改變。”t7J‘只溯而沃森和克里克1953年所發(fā)現(xiàn)的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，就是借助了X線(xiàn)衍射法及其X線(xiàn)晶體儀才得以實(shí)現(xiàn)的，這一發(fā)現(xiàn)徹底導(dǎo)致了傳統(tǒng)生物學(xué)所認(rèn)為的生物遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)理論觀(guān)念的革命性變革。同樣，在微觀(guān)領(lǐng)域里如果沒(méi)有由數(shù)萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的世界規(guī)模最大的粒子對(duì)撞機(jī)，歐洲核子研究中心是不可能發(fā)現(xiàn)所謂的“上帝粒子”—希格斯玻色子的。而在宇觀(guān)領(lǐng)域里，正是由于有數(shù)字化、信息化、計(jì)算機(jī)化程度非常高的“好奇”號(hào)火星車(chē)，美國(guó)人才發(fā)現(xiàn)了火星的一些表面含有古老的河床及碎石的痕跡，以證明火星表面確曾有過(guò)水流淌過(guò)的歷史;我國(guó)嫦娥二號(hào)飛往距地球150萬(wàn)公里的拉格朗日L2點(diǎn)繞太陽(yáng)運(yùn)行，對(duì)太陽(yáng)及其行星進(jìn)行深空探索，并最終飛往700萬(wàn)公里遙遠(yuǎn)的太空進(jìn)行高深空探索，這正是由數(shù)字化、信息化、計(jì)算機(jī)化的現(xiàn)代空間飛行裝備所完成的。總之，在當(dāng)代自然科學(xué)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)活動(dòng)中，數(shù)字化、信息化、計(jì)算機(jī)化的科學(xué)儀器和設(shè)備始終起著核心作用。從光電顯微鏡到射電望遠(yuǎn)鏡，從高能加速器到太空站，從粒子碰撞機(jī)到遙控遙感技術(shù)如此等等，能夠感知夸克和宇宙天體等不同層次自然物及其特性和規(guī)律，無(wú)不與現(xiàn)代化的科學(xué)儀器息息相關(guān)。同時(shí)，我們應(yīng)該知道，任何一種科學(xué)儀器和設(shè)備的研制成功都是依據(jù)一定的科技原理而產(chǎn)生的，科技原理的先進(jìn)程度直接決定著儀器設(shè)備的先進(jìn)性、可靠性和精密度，而儀器設(shè)備的先進(jìn)性和精確度又在很大程度決取于其信息化、數(shù)字化和計(jì)算機(jī)化的程度。所以，運(yùn)用已有的科技成果，構(gòu)思先進(jìn)的科技原理，設(shè)計(jì)各種不同的技術(shù)原理模型和科學(xué)儀器運(yùn)行規(guī)則，開(kāi)發(fā)具有不同特性和功能的軟件控制系統(tǒng)，研制能夠識(shí)別各種自然現(xiàn)象的數(shù)字化、信息化和自動(dòng)化的科學(xué)儀器和設(shè)備，是我們從事科學(xué)研究的重要途徑和手段。而且信息化程度愈高，其感知的精確度愈高，認(rèn)識(shí)的范圍更廣泛，對(duì)自然界的物質(zhì)、特性、規(guī)律把握得就更全面。例如:美籍華裔物理學(xué)家丁肇中1970年就發(fā)現(xiàn)了J粒子存在的現(xiàn)象，由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有驗(yàn)證這一可疑現(xiàn)象的科學(xué)儀器和設(shè)備，他花費(fèi)了好幾年的時(shí)間才研制出了能夠驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)的科學(xué)儀器—雙臂能譜儀，終于在1974年發(fā)現(xiàn)了J粒子，也就是所謂的“集夸克”，被記作為C，并因此于1976年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這一科學(xué)史案例說(shuō)明了“在儀器精確度不高的早期實(shí)驗(yàn)，理論解釋的分歧往往比較大，但是，‘儀器的進(jìn)步可消除這些模糊，在那些理論預(yù)期導(dǎo)致觀(guān)點(diǎn)分歧的地方，得到共同認(rèn)可的數(shù)據(jù)將取而代之。”
2.科研裝備在技術(shù)發(fā)明活動(dòng)中的作用
技術(shù)原理的發(fā)明需要借助于現(xiàn)代信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。所謂技術(shù)原理是指所設(shè)想的技術(shù)系統(tǒng)的技術(shù)要素構(gòu)成及其技術(shù)要素之間的有目的性的運(yùn)作原理。它是運(yùn)用已有的科技成果經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)、技術(shù)論證、奇思異構(gòu)等手段而形成的。其核心是為技術(shù)原理尋科學(xué)依據(jù)。因此，要提高技術(shù)原理的先進(jìn)性、科學(xué)性和可靠性，作為發(fā)明創(chuàng)造者必須借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)，從網(wǎng)絡(luò)信息和數(shù)據(jù)庫(kù)中，了解和掌握最新的科技發(fā)展動(dòng)態(tài)，搜集與發(fā)明創(chuàng)造對(duì)象相關(guān)的科技信息情報(bào)資料，尋找和發(fā)現(xiàn)各種科學(xué)原理、技術(shù)知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，以求得技術(shù)原理上的突破。其基本過(guò)程是:從最新的科學(xué)理論研究成果中發(fā)現(xiàn)其初露出來(lái)的技術(shù)端倪，并經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)和技術(shù)提煉產(chǎn)生出一般性的技術(shù)原理，為技術(shù)創(chuàng)新打造技術(shù)平臺(tái)。正是由于美國(guó)生物學(xué)家內(nèi)森斯和伯格從沃森和克里克1953年所發(fā)現(xiàn)的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型以及往后科學(xué)家們所發(fā)現(xiàn)的限制性?xún)?nèi)切酶等科學(xué)理論中所初露出來(lái)的技術(shù)端倪，發(fā)現(xiàn)了理論上升到技術(shù)的可能性，才使20世紀(jì)70年代初對(duì)基因片段的切割與重組技術(shù)變成現(xiàn)實(shí)，而且內(nèi)森斯、伯格所實(shí)現(xiàn)的基因切割與重組技術(shù)又為現(xiàn)代生物工程技術(shù)奠定了基本的技術(shù)原理。同時(shí)，搜索和掌握已有的科學(xué)原理和技術(shù)知識(shí)，不論是舊有的還是新提出的，只要對(duì)發(fā)明創(chuàng)造對(duì)象的特性和功能有用的技術(shù)，都可以移植、借鑒和集成，并經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的構(gòu)思，形成具有特定技術(shù)要素構(gòu)成的技術(shù)系統(tǒng)和技術(shù)原理，以實(shí)現(xiàn)其設(shè)定的技術(shù)特性和功能，1969年美國(guó)阿波羅登月計(jì)劃中的飛船技術(shù)原理沒(méi)有一項(xiàng)是新發(fā)明的技術(shù)，都是現(xiàn)有技術(shù)的集成與綜合。需要指出的是:在技術(shù)原理的構(gòu)思過(guò)程中，把所構(gòu)思出來(lái)的技術(shù)原理數(shù)模化，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)對(duì)數(shù)?；募夹g(shù)原理的不斷修改，以達(dá)到技術(shù)原理的最優(yōu)化。技術(shù)方法是一種知識(shí)形態(tài)的發(fā)明成果，一般表現(xiàn)為新的行為法則、操作方法或程序模式等。這種發(fā)明創(chuàng)造成果具有程式化、規(guī)范化的特征。作為行為法則、操作方法，它規(guī)定了操作主體應(yīng)該做什么和怎樣做的技術(shù)行為，如基因工程技術(shù)中關(guān)于基因的切割與重組的規(guī)范性要求，納米材料在分子水平的研制方法就屬于此類(lèi)。這種技術(shù)方法的產(chǎn)生不僅需要現(xiàn)代化的科學(xué)儀器和檢測(cè)設(shè)備來(lái)驗(yàn)證，其生產(chǎn)制作過(guò)程更需要信息化、自動(dòng)化的生產(chǎn)工藝來(lái)完成。作為程序模式等發(fā)明創(chuàng)造成果，它是通過(guò)程序化信息的傳遞、加工、處理、變換和控制而實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的目的性運(yùn)作，且其信息的傳遞是靠信息符號(hào)的識(shí)別、認(rèn)知而進(jìn)行的，例如一臺(tái)數(shù)字化機(jī)床、一條現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝、一個(gè)管理系統(tǒng)、一個(gè)對(duì)飛行器之所以能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效的控制都是通過(guò)數(shù)字化、信息化的軟件系統(tǒng)或信息傳遞而實(shí)現(xiàn)的。然而，這種程序化的軟件系統(tǒng)則是軟件工程技術(shù)人員，經(jīng)過(guò)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、創(chuàng)造出來(lái)的，更是利用現(xiàn)代化的科學(xué)儀器和檢測(cè)設(shè)備通過(guò)技術(shù)試驗(yàn)而獲得的。所以，發(fā)明一種技術(shù)方法需要科學(xué)儀器和設(shè)備，檢驗(yàn)、測(cè)試一種技術(shù)方法更需要現(xiàn)代化的科學(xué)儀器和設(shè)備。技術(shù)物品也是發(fā)明創(chuàng)造的重要對(duì)象，它是一種物化形態(tài)的技術(shù)成果，一般表現(xiàn)為新設(shè)備、新工藝、新產(chǎn)品的模型或樣品。因而，它還不是準(zhǔn)備批量生產(chǎn)性的樣機(jī)，它僅是一種發(fā)明創(chuàng)造物。在技術(shù)物品的發(fā)明創(chuàng)造過(guò)程中，所發(fā)明的技術(shù)物品是否為首創(chuàng)，需要運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和專(zhuān)業(yè)化的圖書(shū)資料，搜集相關(guān)的知識(shí)性和技術(shù)性的海量信息加以實(shí)證。(9J(P4，并把被挖掘出來(lái)的數(shù)字或信息，通過(guò)嚴(yán)密的技術(shù)論證、技術(shù)篩選、技術(shù)組合和技術(shù)推導(dǎo)，經(jīng)過(guò)原理構(gòu)思和方案設(shè)計(jì)，才能創(chuàng)造出一個(gè)數(shù)字化的技術(shù)產(chǎn)品模型或樣品。另一方面，所發(fā)明的技術(shù)模型或樣品其技術(shù)原理的先進(jìn)性、技術(shù)結(jié)構(gòu)的合理性、技術(shù)功能的可靠性以及構(gòu)成技術(shù)系統(tǒng)的每一個(gè)零部件所用材料的各種物理化學(xué)特性，更需要現(xiàn)代化的科學(xué)儀器和設(shè)備進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn)和檢測(cè)。這種試驗(yàn)或檢測(cè)不是一次能完成的，它可能需要數(shù)百次乃至上千次，才可能取得滿(mǎn)意的效果。在這樣一個(gè)復(fù)雜性的技術(shù)試驗(yàn)和技術(shù)檢測(cè)中，所使用的試驗(yàn)或檢測(cè)的儀器和設(shè)備越先進(jìn)，性能越好，其結(jié)論就越可靠。需要指出的是，在技術(shù)原理的構(gòu)思設(shè)計(jì)中如果我們能夠運(yùn)用發(fā)明創(chuàng)造的方法(聯(lián)想法、類(lèi)比法、仿生法、綜合法、轉(zhuǎn)移法、經(jīng)驗(yàn)法等)，并借助于以D技術(shù)(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù))和計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的方法，必然會(huì)提高發(fā)明創(chuàng)造物構(gòu)思設(shè)計(jì)的質(zhì)量和速度。
3.科研裝備在技術(shù)創(chuàng)新活動(dòng)中的作用
技術(shù)創(chuàng)新是一個(gè)由原理構(gòu)思、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)試驗(yàn)、產(chǎn)品試制、技術(shù)鑒定、產(chǎn)品制造、市場(chǎng)銷(xiāo)售等環(huán)節(jié)構(gòu)成的復(fù)雜性過(guò)程。技術(shù)創(chuàng)新的成功，不僅取決于技術(shù)原理構(gòu)思的先進(jìn)性和技術(shù)方案設(shè)計(jì)的科學(xué)性，而且取決于在技術(shù)試驗(yàn)和產(chǎn)品研制中所使用的儀器、設(shè)備等研發(fā)設(shè)施的先進(jìn)性和精密度。一般說(shuō)來(lái)，在技術(shù)試驗(yàn)、產(chǎn)品試制和技術(shù)鑒定過(guò)程中所使用的儀器和設(shè)備，數(shù)字化、信息化、計(jì)算機(jī)化程序越高，其精密度、準(zhǔn)確性也就越高。因?yàn)?，只有這樣才能對(duì)新產(chǎn)品、新工藝、新材料的硬度、強(qiáng)度、韌度、光滑度、耐磨性、抗腐蝕性、抗氧化性、抗疲勞性、耐高溫高壓性、超低溫性以及靈敏度、感應(yīng)性等物理化學(xué)特性、功能和技術(shù)參數(shù)給予準(zhǔn)確的測(cè)試。〔“〕‘P•助同時(shí)，技術(shù)試驗(yàn)等過(guò)程中所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)需要借助于現(xiàn)代化的超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)和分析處理，甚至需要運(yùn)用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。這種復(fù)雜性的技術(shù)試驗(yàn)、試制和鑒定對(duì)于一些大中型企業(yè)在開(kāi)發(fā)技術(shù)密集性產(chǎn)品過(guò)程中顯得尤為重要。因此，研制先進(jìn)的科學(xué)儀器和設(shè)備，構(gòu)思和設(shè)計(jì)數(shù)字化的測(cè)試系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)技術(shù)試驗(yàn)本身所使用的儀器、設(shè)備的研究與開(kāi)發(fā)，不斷提高其數(shù)字化、計(jì)算機(jī)化和自動(dòng)化的程度，不僅是我們?cè)诩夹g(shù)創(chuàng)新活動(dòng)中的一個(gè)基礎(chǔ)性裝備問(wèn)題，也是當(dāng)今科學(xué)儀器的研發(fā)向著“多功能、自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展”。在產(chǎn)品制造過(guò)程中，計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)技術(shù)是當(dāng)代社會(huì)制造業(yè)領(lǐng)域的核心技術(shù)。它不僅能夠提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且對(duì)降低勞動(dòng)生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量都是至關(guān)重要的。正因?yàn)槿绱?，目前在全球范圍?nèi)正在廣泛開(kāi)展著對(duì)數(shù)字化機(jī)床、計(jì)算機(jī)控制下的生產(chǎn)工藝流程等自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的軟件開(kāi)發(fā)和工藝研制。從本質(zhì)上講，生產(chǎn)自動(dòng)化就是在計(jì)算機(jī)控制下的信息接收、傳遞、加工和處理(轉(zhuǎn)換)的程序化過(guò)程，只要我們善于構(gòu)思，開(kāi)發(fā)出適用于特定產(chǎn)品生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)軟件，并經(jīng)過(guò)精心的工藝設(shè)計(jì)，我們就不難研制出具有特定功能的生產(chǎn)工藝和數(shù)字化機(jī)床?！餐瑫r(shí)，我們應(yīng)該看到，一種以軟件開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)管理活動(dòng)為主的虛擬制造技術(shù)將成為今后制造業(yè)的重要生產(chǎn)方式。因此，運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)，組建數(shù)字化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)技術(shù)創(chuàng)新生產(chǎn)過(guò)程中所使用的勞動(dòng)生產(chǎn)工具的信息化、數(shù)字化、計(jì)算機(jī)化和自動(dòng)化水平的研究，是我們提高“中國(guó)制造”產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是我們變“中國(guó)制造”為“中國(guó)創(chuàng)造”的必經(jīng)之路。
作者：陳九龍 單位：西安交通大學(xué)
1新形勢(shì)下的計(jì)算機(jī)技術(shù)
計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)是基于互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)為核心的一種全新高新技術(shù)，其自身優(yōu)勢(shì)較多，計(jì)算能力突出，已經(jīng)對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。而程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)維護(hù)、計(jì)算機(jī)管理，都少不了計(jì)算機(jī)智能化設(shè)備的支持。當(dāng)下較為常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)包含嵌入式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)工程控制計(jì)算機(jī)等，而在時(shí)代前沿，光子計(jì)算機(jī)和生物計(jì)算機(jī)的應(yīng)用還有待推廣。實(shí)際應(yīng)用中要求相應(yīng)操作人員能夠掌握計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的核心技術(shù)，同時(shí)自身有扎實(shí)的計(jì)算機(jī)理論基礎(chǔ)和相應(yīng)的使用經(jīng)驗(yàn)，可以對(duì)信息進(jìn)行分析、處理、歸納，還可以利用計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)完成一些復(fù)雜信息的處理工作。要求對(duì)應(yīng)操作人員能靈活應(yīng)變，根據(jù)行業(yè)不同單位不同，針對(duì)其訴求，對(duì)信息優(yōu)化整合，以網(wǎng)絡(luò)渠道傳播信息，滿(mǎn)足實(shí)際需求，發(fā)揮計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最大化價(jià)值。
2計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r
計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及自身的優(yōu)勢(shì)受到大眾追捧，各行各業(yè)都引進(jìn)了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)。但是相較于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的研究領(lǐng)域還處于冰山一角，我國(guó)對(duì)該技術(shù)的研究時(shí)間較晚，雖投入大量精力，但整體發(fā)展仍和西方發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差距。此外，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展還受到我國(guó)東西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)差異影響，在東部地區(qū)普及率高，而在西部地區(qū)普及率較低。由于人們對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的使用需求，計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備發(fā)展速度迅猛，但現(xiàn)階段一些半導(dǎo)體的研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入瓶頸，要打破瓶頸，需嘗試不同方向的努力，以不同途徑優(yōu)化計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)人才方面，我國(guó)整體展現(xiàn)出來(lái)的狀況是缺乏高專(zhuān)業(yè)水平的應(yīng)用型人才，這就導(dǎo)致我國(guó)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)全面發(fā)展創(chuàng)新受到制約，所以大部分人員可采用計(jì)算機(jī)搜索相關(guān)資訊，完成簡(jiǎn)單操作，但這僅限于滿(mǎn)足日常生活行業(yè)發(fā)展需要，專(zhuān)業(yè)化的人員完成安全維護(hù)工作，故障處理工作等專(zhuān)業(yè)化工作，要求其按照行業(yè)發(fā)展單位需求完成監(jiān)督管理，還要能夠針對(duì)客戶(hù)的要求，開(kāi)發(fā)有創(chuàng)意的軟件、開(kāi)發(fā)功能性較強(qiáng)的硬件，為客戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)化的服務(wù)。
3新形勢(shì)下計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新
3.1進(jìn)一步強(qiáng)化專(zhuān)業(yè)人員綜合素質(zhì)
時(shí)代在不斷發(fā)展，我國(guó)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)也會(huì)不斷發(fā)展，但其發(fā)展必須依靠有專(zhuān)業(yè)能力且綜合素質(zhì)較強(qiáng)的優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)，以此為計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展提供源源不斷的力量?；诖耍璨粩鄰?qiáng)化專(zhuān)業(yè)人員綜合素質(zhì)，滿(mǎn)足技術(shù)發(fā)展要求。相應(yīng)的，研發(fā)機(jī)構(gòu)可針對(duì)機(jī)構(gòu)現(xiàn)有人員的綜合素質(zhì)，為人員安排具有針對(duì)性和側(cè)重點(diǎn)的培訓(xùn)，將國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)引進(jìn)研究機(jī)構(gòu)中，引導(dǎo)科研人員對(duì)其攻破學(xué)習(xí)，并結(jié)合我國(guó)社會(huì)的發(fā)展?fàn)顩r，創(chuàng)新為適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律的全新技術(shù)。此外，要對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域出現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)和信息給予重視，將國(guó)際前沿的研發(fā)理念及技術(shù)引入到實(shí)際的研究創(chuàng)新中，跟上國(guó)際上相關(guān)技術(shù)的發(fā)展步伐。此外，在人員聘用上，要求研究機(jī)構(gòu)優(yōu)先對(duì)高學(xué)歷專(zhuān)業(yè)對(duì)口的技術(shù)人員優(yōu)先錄取，在人員聘用上開(kāi)出較高的薪資待遇，以吸引綜合素質(zhì)較高的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員加入研究團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，提供更多可能。研發(fā)公司可以和一些研發(fā)機(jī)構(gòu)建立合作關(guān)系，聘請(qǐng)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)人員到公司開(kāi)展教學(xué)講座，通過(guò)交流和協(xié)商的方式，進(jìn)一步提高公司員工綜合素質(zhì)。必要情況下，可以針對(duì)研發(fā)各個(gè)階段的要求，吸收一些國(guó)外研發(fā)工作人員，壯大公司實(shí)力也打破計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新瓶頸。
3.2強(qiáng)化應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新
計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)對(duì)我們正常的工作和生活造成巨大的影響，且這個(gè)影響還在不斷加深，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平不斷提高，使得人們對(duì)計(jì)算機(jī)業(yè)務(wù)技術(shù)的要求逐漸嚴(yán)格。在此背景下，對(duì)應(yīng)工作人員需全面了解計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，將應(yīng)用技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)+結(jié)合，開(kāi)展新型計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新。在相關(guān)技術(shù)研發(fā)中，可以利用綜合效率強(qiáng)，但實(shí)際成本較低的技術(shù)為基礎(chǔ)，如半導(dǎo)體技術(shù)、封裝技術(shù)、裝配技術(shù)等，對(duì)現(xiàn)有的領(lǐng)域進(jìn)行革新，在將其應(yīng)用到計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中。也可以將時(shí)代前沿快至人口的一些技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)結(jié)合，如人工智能、人機(jī)交互、超級(jí)計(jì)算、嵌入式技術(shù)等，以此充分提高計(jì)算機(jī)性能，為用戶(hù)提供良好的操作體驗(yàn)。此外，可以將先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，云計(jì)算，云儲(chǔ)存技術(shù)應(yīng)用到，實(shí)際的操作管理工作中去，構(gòu)建新時(shí)期網(wǎng)絡(luò)生態(tài)化的管理系統(tǒng)。例如在工業(yè)方面，可以以智能化的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整體生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)督和管理，一些智能化的設(shè)備還可以代替人工提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，減少不合格產(chǎn)品造成的成本浪費(fèi)。再比如，在手機(jī)研發(fā)中，可針對(duì)不同受眾的使用需求，開(kāi)發(fā)智能機(jī)型，對(duì)APP進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)智能服務(wù)、精準(zhǔn)服務(wù)、個(gè)性化服務(wù)。在醫(yī)療領(lǐng)域則可以利用人工智能技術(shù)，對(duì)一些醫(yī)療影像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)極速分析，設(shè)備對(duì)人體掃描之后迅速得出結(jié)果，為生判斷和制定治療方案，提供科學(xué)依據(jù)。一些計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，甚至?xí)?duì)未來(lái)工作軌跡造成重大影響，例如語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)可強(qiáng)化人工智能虛擬助理研發(fā)，大大提高人們生活質(zhì)量。比如以語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)應(yīng)用，在醫(yī)療領(lǐng)域可構(gòu)建全新電子病歷，配備對(duì)應(yīng)的網(wǎng)站，使患者可以足不出戶(hù)的和醫(yī)生進(jìn)行面對(duì)面交流，了解醫(yī)囑、也了解對(duì)應(yīng)的檢查結(jié)果。現(xiàn)階段研發(fā)人員還需對(duì)以往的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)有足夠的經(jīng)驗(yàn)，了解市場(chǎng)變化和社會(huì)需求，分析不同區(qū)域，不同行業(yè)的不同需求，從而研發(fā)出有針對(duì)性或應(yīng)用性較全面的軟件。同時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的脆弱性及安全風(fēng)險(xiǎn)也是不能忽略的，技術(shù)研發(fā)需考慮到信息篡改，信息泄露可能對(duì)使用者造成的巨大損失，從而針對(duì)非法使用資源，網(wǎng)絡(luò)資源錯(cuò)誤等作出調(diào)整，設(shè)計(jì)好計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全防護(hù)。例如可以將先進(jìn)的人臉認(rèn)證技術(shù)和聲音認(rèn)證技術(shù)引入到信息管理系統(tǒng)當(dāng)中，只有對(duì)應(yīng)使用者按照要求驗(yàn)證之后才能查閱信息。針對(duì)一些企業(yè)的核心研發(fā)技術(shù)，其對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全等級(jí)要求較高，可以在該類(lèi)系統(tǒng)中加入信息數(shù)據(jù)加密技術(shù)，構(gòu)成復(fù)雜且完善的整體，只有獲得授權(quán)，且通過(guò)驗(yàn)證才能夠解讀相關(guān)信息。即使如此，也要注重防火墻技術(shù)的研發(fā)，不斷引進(jìn)入侵檢測(cè)，做好病毒預(yù)防，不斷更新防火墻。
3.3強(qiáng)化人才培養(yǎng)
在全新時(shí)展背景影響下，計(jì)算機(jī)的操作和軟件逐漸向多元化和智能化方向進(jìn)一步加深發(fā)展，相應(yīng)的信息產(chǎn)業(yè)對(duì)其操作人員的專(zhuān)業(yè)化水平要求越來(lái)越高，社會(huì)用人單位的要求標(biāo)準(zhǔn)門(mén)檻也提高了，工作人員的計(jì)算機(jī)操作水平，互聯(lián)網(wǎng)思維需達(dá)到一定程度，才能更好地生存。而同時(shí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，也需要源源不斷的專(zhuān)業(yè)化人才。故需進(jìn)一步強(qiáng)化人才培養(yǎng)。高職院校是國(guó)家技術(shù)性人才輸送的重要場(chǎng)所之一，通過(guò)高職院校的教育，可以教給學(xué)生更多更專(zhuān)業(yè)的操作技術(shù)，從而直接滿(mǎn)足社會(huì)各行各業(yè)的發(fā)展需求。當(dāng)下眾多高職院校已認(rèn)識(shí)到自身的責(zé)任和義務(wù)，其積極開(kāi)展計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)教學(xué)，完善教學(xué)體系，將更多的教育資源放在計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)踐方面，強(qiáng)化校企合作，積極建設(shè)實(shí)踐基地，開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)。在此基礎(chǔ)上，高職院校還應(yīng)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)教學(xué)體系進(jìn)行創(chuàng)新，進(jìn)一步開(kāi)展學(xué)校和校外計(jì)算機(jī)企業(yè)的合作交流，注重樹(shù)立學(xué)生的互聯(lián)網(wǎng)思維，不斷拓寬學(xué)生的認(rèn)知，讓學(xué)生能夠運(yùn)用自身掌握的技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新。此外，相應(yīng)企業(yè)單位也要重視強(qiáng)化人才培養(yǎng)，主動(dòng)和高職院校進(jìn)行合作，開(kāi)展人才定向培養(yǎng)班，派遣專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員擔(dān)當(dāng)實(shí)訓(xùn)教師，為學(xué)生提供切實(shí)且專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用教學(xué)。計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新正處于發(fā)展關(guān)鍵階段，其發(fā)展展現(xiàn)出多元化的特征，企業(yè)要吸納更多具有新思維的專(zhuān)業(yè)人才，多多培養(yǎng)，致力于提高自身軟件技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)力。
關(guān)鍵詞：大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)；信息素養(yǎng)；自由學(xué)習(xí)；因材施教
在日新月異的信息化時(shí)代，社會(huì)對(duì)人才的信息技術(shù)能力的需求不斷提高。計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力已成為社會(huì)衡量一個(gè)人全面素質(zhì)的重要條件。教育部要求“應(yīng)將其內(nèi)容從側(cè)重操作技能轉(zhuǎn)向信息技術(shù)的基本理論知識(shí)以及運(yùn)用信息技術(shù)處理實(shí)際問(wèn)題的基本思維和規(guī)律”。因此，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程最根本的教學(xué)任務(wù)應(yīng)是培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)信息技術(shù)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)[1]。
筆者在近十年的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中體會(huì)到“教就是學(xué)”。從學(xué)生的興趣出發(fā)，找到理論與實(shí)踐的結(jié)合點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)的自由王國(guó)，是教與學(xué)的最好方法?；诖死砟睿旅嬖敿?xì)闡述課堂教學(xué)與組織的具體措施和方法。
1依托精品課程網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化自由學(xué)習(xí)
哈佛大學(xué)曾強(qiáng)調(diào)，學(xué)校要賦予學(xué)生三個(gè)“法寶”，即給學(xué)生學(xué)習(xí)上選擇的自由；使學(xué)生在所擅長(zhǎng)的學(xué)科上有施展才華的機(jī)會(huì)；使學(xué)生的學(xué)習(xí)從被動(dòng)行為轉(zhuǎn)化為自主行為，讓學(xué)生從對(duì)教師的依賴(lài)和從屬關(guān)系中解放出來(lái)。學(xué)生只有變成學(xué)習(xí)主體，其主觀(guān)能動(dòng)性和無(wú)限的潛力才會(huì)被充分激活[2]，教師的教學(xué)才能取得成效。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)采用的是集中式的教學(xué)，學(xué)生的自由度比較小[3]，而基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)平臺(tái)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供自由學(xué)習(xí)的環(huán)境[4]。
我?！按髮W(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程于2009年被評(píng)為省精品課程。在教學(xué)中，筆者依托精品課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，探索網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模式。網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)效果的好壞決定于學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)態(tài)度以及學(xué)習(xí)環(huán)境[5]。因此，為了加強(qiáng)和促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，筆者主要做以下幾方面的工作：
1) 通過(guò)思想教育和啟發(fā)，轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)觀(guān)念，讓學(xué)生具有自我學(xué)習(xí)意識(shí)，提高學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。
2) 教會(huì)學(xué)生基本的網(wǎng)絡(luò)操作，使學(xué)生具備網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的基本能力；通過(guò)專(zhuān)題講座，引導(dǎo)學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)策略。
3) 組織教師改革課堂教學(xué)方式，并布置部分教學(xué)內(nèi)容為學(xué)生網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)內(nèi)容。
4) 豐富網(wǎng)絡(luò)資源，這是學(xué)生網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)是否有效的關(guān)鍵條件。目前，我校精品課程網(wǎng)站上的主要欄目有：電子教材、教學(xué)課件、作業(yè)習(xí)題、參考資料、視頻教學(xué)、課堂錄像、在線(xiàn)作業(yè)、在線(xiàn)答疑等。我們一直不斷組織教師擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提供參考資料，編寫(xiě)在線(xiàn)作業(yè)批閱系統(tǒng)。
5) 定期檢查網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)作業(yè)，在課堂中總結(jié)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)結(jié)果，使網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)與課堂學(xué)習(xí)有效結(jié)合。
通過(guò)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，學(xué)生們可以預(yù)先學(xué)習(xí)相關(guān)課程的知識(shí)。在不到一年的時(shí)間內(nèi)，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)精品課程的訪(fǎng)問(wèn)率達(dá)到了3萬(wàn)人次以上，有效地實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的自由學(xué)習(xí)。
2小組學(xué)習(xí)、分層教學(xué)，實(shí)現(xiàn)因材施教
隨著計(jì)算機(jī)教育的普及，中學(xué)的信息課已經(jīng)使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)有一定的認(rèn)識(shí)，學(xué)生不再是“零起點(diǎn)”，而且，不同地區(qū)由于教育資源的差異，學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)參差不齊，這已成為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程任課教師教學(xué)組織中的一個(gè)難題。在教學(xué)中，筆者采取了以下措施解決此問(wèn)題。
2.1小組學(xué)習(xí)制
組織形式：五人一組，小組長(zhǎng)負(fù)責(zé)制，以小組為單位進(jìn)行檢查和輔導(dǎo)。
選擇基礎(chǔ)較好的學(xué)生任組長(zhǎng)，由組長(zhǎng)和學(xué)生進(jìn)行雙向選擇確定組員。實(shí)行分組學(xué)習(xí)后，學(xué)習(xí)效果得到提高。學(xué)生在課后實(shí)驗(yàn)總結(jié)上寫(xiě)道：“分組后，不會(huì)的問(wèn)題可以馬上問(wèn)組長(zhǎng)，基本上能完成任務(wù)了，覺(jué)得上課蠻有意思的，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)課程是我大學(xué)里最有趣的課……”。究其原因，在于小組學(xué)習(xí)體現(xiàn)和促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自尊心和小組長(zhǎng)的責(zé)任心，因此，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯高漲。實(shí)行小組長(zhǎng)制后一個(gè)月內(nèi)，學(xué)生95%都能按時(shí)完成任務(wù)，在實(shí)行小組長(zhǎng)制后兩個(gè)月，50%以上的同學(xué)取得了很大進(jìn)步，不需要組長(zhǎng)指導(dǎo)也能按時(shí)完成任務(wù)。
2.2分層教學(xué)，對(duì)不同學(xué)生提出不同要求
怎樣讓基礎(chǔ)較差的學(xué)生學(xué)得懂，基礎(chǔ)較好的學(xué)生學(xué)得有興趣呢？為了解決這一問(wèn)題，在教學(xué)時(shí)，筆者將教學(xué)內(nèi)容分為“基礎(chǔ)級(jí)”和“提高級(jí)”，學(xué)生根據(jù)自身能力選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容和目標(biāo)。表1為計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)部分知識(shí)模塊的分層內(nèi)容。
基于“案例教學(xué)”和“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”模式教學(xué)時(shí)，辦公軟件Office 2007的每次實(shí)驗(yàn)課程都準(zhǔn)備了兩份案例，一份是達(dá)到教學(xué)基本要求的案例，要求所有的學(xué)生都要完成。另一份是較高要求的案例，案例內(nèi)容要求較難，甚至超出教材的要求，讓學(xué)有余力的學(xué)生自選完成，這樣，將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，基礎(chǔ)較弱的學(xué)生能夠掌握基本操作，基礎(chǔ)好的學(xué)生可以提高能力。
3理論與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)興趣驅(qū)動(dòng)的自主學(xué)習(xí)
前不久，安徽11位教授給教育部長(zhǎng)和全國(guó)教育界發(fā)出了一封題為“讓我們直面‘錢(qián)學(xué)森之問(wèn)’”的公開(kāi)信，引發(fā)了一場(chǎng)全國(guó)范圍的大討論。無(wú)論在哪個(gè)時(shí)代，培養(yǎng)杰出人才的基本規(guī)律都沒(méi)有發(fā)生根本變化。他們必須具有獨(dú)立思考的品質(zhì)、從實(shí)際出發(fā)不迷信經(jīng)典和權(quán)威、具有科學(xué)的探索精神和求真欲望、善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并能夠找到解決問(wèn)題的途徑和方法。學(xué)生的探索精神和求真欲望從哪里來(lái)？興趣是最好的老師，也是最持久的學(xué)習(xí)動(dòng)力。
3.1教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合
例如，在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成的教學(xué)過(guò)程中組織一次市場(chǎng)調(diào)查任務(wù)。學(xué)生調(diào)查完后，上交調(diào)查報(bào)告和調(diào)查時(shí)所得的配置單。老師在分析學(xué)生的配置單的基礎(chǔ)上，選取幾份具有代表性的配置單，詳細(xì)講解相關(guān)的計(jì)算機(jī)配置參數(shù)，并以拍賣(mài)的形式要求學(xué)生對(duì)每一份配置單進(jìn)行估價(jià)，課堂氣氛非常活躍，學(xué)生在輕松愉快的情境中理解了各種專(zhuān)業(yè)參數(shù)和性?xún)r(jià)比等知識(shí)。每一階段的學(xué)習(xí)結(jié)束后，選擇一部分學(xué)生的優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)作品，進(jìn)行演示和展示，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中獲得了較大的滿(mǎn)足感和成就感，學(xué)習(xí)興趣更加高漲。
3.2教學(xué)與時(shí)事相聯(lián)系
目前，教材內(nèi)容很難做到與計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展同步，作為教學(xué)主導(dǎo)方的教師應(yīng)該不斷動(dòng)態(tài)跟蹤計(jì)算機(jī)技術(shù)的新發(fā)展、新方向，及時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，將最新的知識(shí)傳授給學(xué)生，以彌補(bǔ)教材內(nèi)容滯后的不足。例如，“天河一號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)從一開(kāi)始被報(bào)道，到亞洲第一、全球第五，最后技術(shù)升級(jí)優(yōu)化躍居世界第一，筆者都在課堂上進(jìn)行介紹，既讓學(xué)生認(rèn)識(shí)了超級(jí)計(jì)算機(jī)，又加深了運(yùn)算速度等理論，還增強(qiáng)了學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情。再如，筆者在講解互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，與學(xué)生展開(kāi)“網(wǎng)站如何盈利”的課堂討論，以百度“鳳巢”事件的原因?yàn)槔o學(xué)生上了一堂生動(dòng)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用課。學(xué)生覺(jué)得學(xué)到了有用的知識(shí)，就會(huì)一直保持學(xué)習(xí)的興趣。
4教學(xué)中“留白”，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新研究型學(xué)習(xí)
隨著信息技術(shù)對(duì)人們生活和對(duì)社會(huì)的影響日益深入，社會(huì)對(duì)大學(xué)生信息技術(shù)的要求不再是簡(jiǎn)單的文字處理，而是要具備較好的計(jì)算機(jī)操作能力、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能力及新技術(shù)的學(xué)習(xí)能力。所以，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力是比傳授書(shū)本知識(shí)更重要的任務(wù)。
4.1培養(yǎng)自學(xué)能力
計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，也是一門(mén)知識(shí)更新快、開(kāi)放型的課程，涉及的知識(shí)面比較廣，內(nèi)容比較多。由于學(xué)時(shí)有限，不可能講授所有的知識(shí)點(diǎn)，因此，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力既是長(zhǎng)遠(yuǎn)要求，也是教學(xué)需要。
自學(xué)計(jì)算機(jī)操作的一個(gè)常用方法就是一邊看教材，一邊操作，因此，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)看指導(dǎo)書(shū)，就是“授人以漁”。例如，在詳細(xì)講解Word、Excel內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將PowerPoint的內(nèi)容規(guī)定為學(xué)生自學(xué)。首先，給學(xué)生提供PowerPoint電子教程，使學(xué)生自學(xué)“有路可循”；其次，提供一個(gè)好的案例，使學(xué)生自學(xué)有參照和動(dòng)力。另外，指導(dǎo)學(xué)生看每個(gè)軟件的“幫助”文檔，也是培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力的手段之一。
4.2采用開(kāi)放式教學(xué)內(nèi)容
非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)不同于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)，也不同于普通的計(jì)算機(jī)操作職業(yè)培訓(xùn)。教學(xué)內(nèi)容的選取對(duì)學(xué)生今后學(xué)習(xí)和工作具有指導(dǎo)意義。筆者在教學(xué)中盡量做到以下幾點(diǎn)：
1) 不局限于微軟的產(chǎn)品。例如，在講解操作系統(tǒng)時(shí)，將Windows、MS-DOS、Linux三個(gè)系統(tǒng)的基本操作進(jìn)行對(duì)比。既可以避免產(chǎn)品式教學(xué)，又能加深學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)的理解。
2)“高估”學(xué)生的水平，將最新技術(shù)引入到教學(xué)中。例如，打破教材的限制，與學(xué)生討論一個(gè)CPU時(shí)的進(jìn)程調(diào)度和雙核CPU的進(jìn)程調(diào)度，要求學(xué)生了解最新的CPU性能和相關(guān)技術(shù)。這樣，既能開(kāi)闊學(xué)生眼界，還能提高對(duì)本課程的知識(shí)理解。
5結(jié)語(yǔ)
教師是教學(xué)的設(shè)計(jì)者，是決定教學(xué)成功的關(guān)鍵因素之一。作為大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的教師，需要對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)體系有較全面的了解，并在教學(xué)中高屋建瓴，結(jié)合學(xué)生實(shí)際，將其融會(huì)貫通，將清晰的思路用通俗易懂的方式傳授給學(xué)生。以上所述方法和體會(huì)得到學(xué)生的認(rèn)可和歡迎，課堂教學(xué)獲得了學(xué)校教學(xué)簇?fù)砘顒?dòng)二等獎(jiǎng)，和2010年湖南省教學(xué)成果三等獎(jiǎng)。社會(huì)越來(lái)越需要既熟悉專(zhuān)業(yè)又掌握信息技術(shù)的復(fù)合型人才。如何在有限課時(shí)的情況下夯實(shí)學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，提高他們的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力是我們下一步課程改革的主題。
參考文獻(xiàn)：
[1] 教育部高等學(xué)校非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)．關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的意見(jiàn)(征求意見(jiàn)稿)[J]．中國(guó)大學(xué)教學(xué),2005(5):11-18．
[2] 邱捷,楊鵬,王韞鵬．用“大成智慧學(xué)”教育理念設(shè)計(jì)培養(yǎng)方案培育創(chuàng)新人才[J]．中國(guó)大學(xué)教學(xué),2009(6):20-23．
[3] 李海穎．關(guān)于構(gòu)建高校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)新模式的探討[J]．教育與職業(yè),2008(11):81-82．
[4] 張銀霞,曲偉建,鄧丈新．高校非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)存在的問(wèn)題及對(duì)策[J]．教育探索,2008(11):61-62．
[5] 毛淑賢,朱桂鳳. 利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)行計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討[J]. 計(jì)算機(jī)教育,2009(8):45-46．
Teaching Method and Experience of College Fundamental Computer
YANG Chengqun, CHEN Zhen
(Department of Computer Science and Technology, Hunan International Economics University,
Changsha 410205, China)
Abstract：This article shares some teaching experience from a teacher’s aspect on the basis of difficulties in teaching, such as liberal studies depend on excellent course network; teach students in accordance with their aptitude by way of group instruction and delaminating teaching; autonomic learning motivated by interesting; blank-leaving in teaching and so on, according the requirement of college fundamental computer to improve the students’ information literacy.
英特爾40歲生日過(guò)后四個(gè)月，Core i7出現(xiàn)了。這塊CPU包含了7.3億個(gè)晶體管，是英特爾第一塊CPU晶體管數(shù)量的32萬(wàn)倍。走到這一步，英特爾只花了不到40年時(shí)間。
英特爾或者AMD老牌芯片生產(chǎn)商的歷史，可以看做是個(gè)人計(jì)算機(jī)行業(yè)發(fā)展史的一個(gè)縮影。從1971年英特爾開(kāi)發(fā)出第一塊通用型CPU產(chǎn)品4004到Corei7，CPU中的晶體管數(shù)目已經(jīng)增大數(shù)十萬(wàn)倍，價(jià)格卻沒(méi)有變化太多。如果汽車(chē)行業(yè)也像CPU技術(shù)的發(fā)展一樣，現(xiàn)在每輛汽車(chē)的售價(jià)可能只有一毛錢(qián)。
1975年，比爾?蓋茨在報(bào)攤上看到一本《大眾電子學(xué)》雜志的封面廣告。就是這個(gè)廣告讓他退學(xué)創(chuàng)業(yè)，最終構(gòu)建了龐大的微軟帝國(guó)。當(dāng)時(shí)那個(gè)廣告上有一個(gè)方頭方腦的盒子，面板上有一些二極管，盒子里面裝了一塊英特爾的8080CPU。這讓比爾-蓋茨看到了未來(lái)的計(jì)算機(jī)發(fā)展方向：體積小，速度快，而且售價(jià)便宜。
在比爾?蓋茨和保羅?艾倫專(zhuān)注于這種新生事物的時(shí)候。英特爾其他的芯片制造商正在開(kāi)發(fā)新的CPU。更快，更便宜，更多晶體管。
硬件和軟件開(kāi)始相互追趕，更快的硬件上運(yùn)行著更強(qiáng)大的軟件，更強(qiáng)大的軟件又需要更快的硬件。兩股線(xiàn)緊緊擰在一起，個(gè)人計(jì)算機(jī)的時(shí)代來(lái)到了。
新的更快的CPU源源不斷地被設(shè)計(jì)和制造出來(lái)。1981年的80286，1985年的80386，1989年的80486。英特爾首次在一塊處理器上突破了100萬(wàn)顆晶體管，計(jì)算機(jī)的功能也開(kāi)始日益多元化。除了數(shù)字計(jì)算和文字處理之外，影音娛樂(lè)也開(kāi)始成為人們選擇計(jì)算機(jī)的重要考慮因素。
國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)用戶(hù)最初的記憶，大都和286或者蘋(píng)果的AppleⅡ有關(guān)。當(dāng)年抱著幾盒5寸軟盤(pán)匆匆往返于學(xué)校機(jī)房和宿舍的情形依然如在眼前，那種驚喜和期待卻早就不知所蹤。計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快，現(xiàn)在除了倉(cāng)庫(kù)堆滿(mǎn)灰塵的角落或者博物館里。其他地方很少能見(jiàn)到那些當(dāng)年讓我們魂?duì)繅?mèng)縈的老古董。想想看，才不過(guò)是20多年時(shí)間。
20多年的時(shí)間，對(duì)于IT行業(yè)來(lái)說(shuō)，卻猶如傳統(tǒng)行業(yè)的一個(gè)世紀(jì)般長(zhǎng)久。
從286開(kāi)始，個(gè)人計(jì)算機(jī)行業(yè)開(kāi)始駛上了快車(chē)道。CPU的主頻開(kāi)始以百萬(wàn)赫茲為單位，進(jìn)而變成了10億赫茲、20億赫茲、30億赫茲：小小一塊CPU中的晶體管數(shù)目從13萬(wàn)，變成27萬(wàn)、120萬(wàn)、2000萬(wàn)、8000萬(wàn)，直到上億：?jiǎn)蝹€(gè)晶體管的寬度從以微米為單位縮小到以數(shù)百納米為單位，直到現(xiàn)在的45納米技術(shù)……這一切，都發(fā)生在最近的20多年中。
到了今天，誰(shuí)還能離得開(kāi)計(jì)算機(jī)?
現(xiàn)在的45納米制程CPU，絕緣層只有五個(gè)原子厚。要進(jìn)一步提高CPU的運(yùn)算速度，需要考慮別的辦法。例如在一塊CPU中安裝多個(gè)計(jì)算核心，以數(shù)量換取速度。英特爾的首席技術(shù)官說(shuō)，多核是未來(lái)的發(fā)展方向。
2005年，多核CPU奔騰D出現(xiàn)了。2006年上市的被網(wǎng)友們親切地稱(chēng)為“扣肉2”的Core 2，采用和奔騰3―脈相承的技術(shù)，讓多個(gè)計(jì)算核心協(xié)同工作。個(gè)人計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力已經(jīng)超過(guò)30年之前的超級(jí)計(jì)算機(jī)。
更逼真的游戲畫(huà)面、更清晰的高清電影，這是對(duì)個(gè)人用戶(hù)最大的誘惑。畢竟計(jì)算機(jī)早已經(jīng)成為生活中不可缺少的工具，而人們的期望永遠(yuǎn)沒(méi)有止境。更多，更快，更強(qiáng)。計(jì)算機(jī)展示給我們的另一個(gè)世界，讓人們開(kāi)始分不清現(xiàn)實(shí)和虛擬。
