時間：2023-09-19 16:27:39
開篇：寫作不僅是一種記錄，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篇超級計算機技術(shù)，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
【關(guān)鍵詞】 超級計算 物理學(xué) 研究
1 計算科學(xué)的重要性日益凸顯
當前，超級計算已成為繼理論和實驗之后科學(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)計的各個層面，成為促進重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和科技進步的重要手段。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，超級計算機已成為科學(xué)研究的必備工具。同時，超級計算也越來越多地滲透到能源開發(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売嬎愕男枨笠惭该驮鲩L。現(xiàn)今超級計算是國家科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵要素，是體現(xiàn)國家科學(xué)技術(shù)核心競爭力的重要標志，是支撐國家綜合國力持續(xù)提升的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。
同時，應(yīng)用領(lǐng)域的快速擴展，也對超級計算發(fā)展提出了更大需求和更高要求。尤其當代科技對計算的要求越來越高，應(yīng)用領(lǐng)域要達到全物理、全系統(tǒng)、三維、高分辨、高逼真的建模能力，這一要求已遠遠超過目前的計算能力。這是一個巨大的挑戰(zhàn)，帶來了一系列世界性難題，形成了當代科學(xué)計算的學(xué)科前沿。正是由于需求的牽引和計算科學(xué)自身發(fā)展的推動，各發(fā)達國家都大力發(fā)展超級計算。我國也在《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》、《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》等關(guān)系國家戰(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，掌握超級計算、云計算、大數(shù)據(jù)等核心技術(shù)，以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，重視和加強創(chuàng)新，開發(fā)支撐和帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)和關(guān)鍵產(chǎn)品，促進產(chǎn)業(yè)改造和技術(shù)升級。
2 超級計算發(fā)展迅速及各國發(fā)展戰(zhàn)略
超級計算的核心是超級計算機，超級計算機并沒有明確定義，通常指能夠執(zhí)行一般個人電腦無法處理的大資料量與高速運算的電腦，具有很強的計算和處理數(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年世界上首臺商用巨型機Cray-1問世，成為超級計算機發(fā)展起步的標志。超級計算機發(fā)展迅速，截止2013年底，短短37年的時間，性能提升超過100，000，000倍，Cray-1浮點計算性能只有160Mflops（現(xiàn)在普通電腦的性能已達到1，000Mflops量級），而2013年排名世界第一的“天河二號”超級計算機峰值計算速度每秒達5.49億億次（54，900，000，000，000Mflops）、持續(xù)計算速度每秒3.39億億次[1]。
從技術(shù)發(fā)展角度來說，單個CPU性能提升基本滿足“摩爾定律”，也就是每18個月左右CPU性能提升1倍，但是超級計算機性能的提升遠高于高CPU性能提升的速度，基本按指數(shù)方式在提升（參看圖1）。超級計算機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]。
世界上許多國家對計算能力的建設(shè)和計算科學(xué)的發(fā)展都給予了高度重視，不少國家都制定了國家層面的計劃[3，4，5]。
（1）美國：從1970年代起就實施了一系列推動計算科學(xué)發(fā)展的國家計劃，包括“戰(zhàn)略計算機計劃”（SCP）、“高性能計算和通訊計劃”（HPCC）、“加速戰(zhàn)略計算計劃”（ASCI）、“先進計算設(shè)施伙伴計劃”（PACI）等。2005年，美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會（PITAC）的報告《計算科學(xué)：確保美國的競爭力》中指出，“二十一世紀最偉大的科學(xué)突破將是計算科學(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數(shù)十年的發(fā)展藍圖，在科學(xué)和工程學(xué)科方面推動計算科學(xué)的發(fā)展。”并且警告說：“美國現(xiàn)正處在關(guān)鍵時刻，如果我們還不高瞻遠矚和承擔自己的義務(wù)，長此以往，國家的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)地位、經(jīng)濟競爭力和國家安全后果不堪設(shè)想。”2006年，NSF提出了到2010年建設(shè)千萬億次計算規(guī)模的國家超級計算環(huán)境[6]。
（2）歐盟：歐盟“歐洲高性能計算任務(wù)組（HET―High Performance Computing in Europe Taskforce）”在2007年1月了歐洲在高性能計算領(lǐng)域的政策框架建議[7]，提出在歐洲建立一個可持續(xù)的科學(xué)研究超級計算基礎(chǔ)設(shè)施，其中包括一個位于“高性能計算生態(tài)系統(tǒng)（HPC Ecosystem）”金字塔頂端的千萬億次超級計算機。2010年6月，歐盟在西班牙巴塞羅那宣布啟動一項投入經(jīng)費5億歐元的計劃，該計劃被命名為歐洲先進計算伙伴關(guān)系（PRACE），將聯(lián)合歐委會與20個歐洲國家的力量，使歐洲科學(xué)家能夠共享其它國家的超級計算機，運算速度將達到每秒1千兆次。通過PRACE計劃，德國的目前歐洲最快運算速度的Jugene將成為第一個為歐洲科學(xué)家提供服務(wù)的超級計算機。到2015年，位于德國、法國、意大利和西班牙的更多超級計算機將陸續(xù)提供類似服務(wù)。該計劃將對具有提供超級計算機落戶條件的國家開放[8]。
（3）日本、澳大利亞、韓國等國家都對超級計算能力建設(shè)和應(yīng)用高度重視，提出了國家級計劃。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年啟動了“E”超級計算機的研制計劃。
（4）中國：我國科技部的國家863計劃于2006年啟動了“高效能計算機及網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境”重大專項，已連續(xù)“十五”、“十一五”、“十二五”三個五年計劃支持我國超級計算發(fā)展，先后支持自主百億次、千萬億次、十億億次超級計算機系統(tǒng)研制和應(yīng)用。同時，我國也于近期啟動了“E”級超級計算機研制計劃。
3 物理研究中重大挑戰(zhàn)性問題需要超級計算來解決
物理學(xué)研究是科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)，經(jīng)過從近代物理到現(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)性問題絲毫沒有減少，而且越來越多的問題已經(jīng)無法用單純的理論或?qū)嶒灥姆椒ㄟM行解決，超級計算的發(fā)展使得計算在這些重大挑戰(zhàn)性問題的研究中發(fā)揮越來越重要的作用。
3.1 高能物理與核物理
在該領(lǐng)域?qū)Τ売嬎愕男枨髞碓从趦蓚€方面。
（1）海量實驗數(shù)據(jù)的分析和處理：以歐洲核子研究組織CERN的大型強子對撞機LHC為例，加速器每秒鐘在檢測器中心產(chǎn)生4000萬次粒子碰撞事件。計算機實時地從這4000萬事件中挑選出100個“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，每年的數(shù)據(jù)量就達到15PB（1015Byte）。存儲這15PB數(shù)據(jù)量每年需要使用兩千萬張CD，分析則需要使用100萬臺當今最快的計算機處理器。因此，在未來的二十年中，主要的高能物理實驗，特別是大型強子對撞機，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)會使高能物理以及計算科學(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展物質(zhì)起源、物質(zhì)相互作用研究，需要基于量子色動力學(xué)、相對論、量子場論等復(fù)雜理論，構(gòu)建復(fù)雜數(shù)學(xué)模型對夸克、膠子、質(zhì)子、中子等粒子進行大規(guī)模數(shù)值模擬，從而得到有價值的模擬結(jié)果來指導(dǎo)實現(xiàn)或理論研究，但這些大規(guī)模計算工作，必須要依賴超級計算的支撐。
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)的材料研究以實驗室研究為主。但是，隨著對材料性能的要求不斷的提高，材料學(xué)研究對象的空間尺度在不斷變小，只對微米級的顯微結(jié)構(gòu)進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，對功能材料甚至要研究到電子層次。因此，僅僅依靠實驗室的實驗來進行材料研究已難以滿足現(xiàn)代新材料研究和發(fā)展的要求。然而計算機模擬技術(shù)可以根據(jù)有關(guān)的基本理論，在計算機虛擬環(huán)境下從納觀、微觀、介觀、宏觀尺度對材料進行多層次研究，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、失效機理，進而實現(xiàn)材料服役性能的改善和材料設(shè)計。因此，在現(xiàn)代材料學(xué)領(lǐng)域中，隨著計算材料學(xué)的不斷發(fā)展，“計算實驗”作用會越來越大，已成為與實驗室的實驗具有同樣重要地位的研究手段。
3.3 流體力學(xué)
計算流體力學(xué)從20世紀中葉快速發(fā)展起來，目前已成為國際上一個強有力的研究領(lǐng)域，是進行傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞及燃燒、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、汽車設(shè)計、生物醫(yī)學(xué)工業(yè)、化工處理工業(yè)、渦輪機設(shè)計等諸多工程領(lǐng)域。計算流體力學(xué)領(lǐng)域最復(fù)雜、最具挑戰(zhàn)性的問題是湍流的直接模擬，其一直受到計算機速度與容量的限制。主要困難在于湍流脈動運動中包含著大大小小不同尺度的渦運動，其最大尺度L可與平均運動的特征長度相比，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)與實際的復(fù)雜流動還差好幾個量級。即使目前最快的超級計算機也只能開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、物理過程及其演變規(guī)律的學(xué)科，重點應(yīng)用在數(shù)值氣象預(yù)報和氣候變化研究領(lǐng)域。氣象預(yù)報基于大氣物理等研究成果，形成可進行氣象預(yù)報的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，基于超級計算系統(tǒng)進行短期內(nèi)時效性數(shù)值預(yù)報，因此為了保證給出更長時間的可靠預(yù)報，并保障預(yù)報結(jié)果及時，要求超級計算平臺提供高性能、穩(wěn)定的計算資源。氣候變化基于大氣物理開發(fā)的模式，依托超級計算系統(tǒng)進行長期的氣候變化預(yù)測研究，由于氣候變化研究成效越來越依賴于模擬覆蓋區(qū)域范圍及網(wǎng)格精度，而且模擬時限要達到數(shù)百年甚至上千年，因此它對超級計算平臺的計算性能、數(shù)據(jù)訪存性能、任務(wù)可擴展性都提出了挑戰(zhàn)。氣候氣象領(lǐng)域是超級計算應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域，也是促進超級計算發(fā)展的重要動力。
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程中的地球物理研究，大地球物理主要是指側(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算密集、訪存密集、處理數(shù)據(jù)規(guī)模大等特點，需要大規(guī)模超級計算平臺為支撐，特別是逆時偏移處理RTM、全波形反演FWI等新興技術(shù)的發(fā)展，更是為超級計算發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。大地球物理研究領(lǐng)域的計算處理，雖然精度要求沒有小地球物理高，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)模天文觀測數(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)模計算需求。現(xiàn)在我們已經(jīng)進入精確天文學(xué)研究時代，數(shù)值模擬正扮演越來越重要的角色，為了開展宇宙演化模擬，美國、歐洲等開展的并行模擬規(guī)模達到了上萬處理核心，產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)超過100TB量級，其自身模擬計算和后續(xù)數(shù)據(jù)處理都需要超級計算平成。而在天文觀測領(lǐng)域，現(xiàn)在大的天文望遠鏡系統(tǒng)每天采集的數(shù)據(jù)已經(jīng)超過TB量級，而未來的SKA等系統(tǒng)每天觀測數(shù)據(jù)會達到PB（1PB=1，000TB=1，000，000GB）級，必須用超強性能的超級計算系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)處理。
歸結(jié)起來，物理學(xué)研究對超級計算帶來的需求和挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在四個方面：超強的計算性能，高速的互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)，良好的數(shù)據(jù)訪存（I/O），海量存儲能力。新興的超級計算技術(shù)正在努力從不同方面解決上面所面臨的重大挑戰(zhàn)。
4 新興超級計算技術(shù)將為物理學(xué)研究帶來新的挑戰(zhàn)與機遇
隨著以“天河一號”、“星云”等為代表的國產(chǎn)千萬億次異構(gòu)超級計算機的研制成功，中國也成為繼美國之后世界上第二個能夠研制千萬億次超級計算機的國家。“天河一號”率先采用CPU+GPU異構(gòu)架構(gòu)，成為世界上首臺異構(gòu)架構(gòu)的千萬億次超級計算機。新型的異構(gòu)體系架構(gòu)使超級計算機在性能、體積和功耗等方面取得的巨大進步，使中國成為全球當代異構(gòu)融合超級計算機技術(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，在計算性能和功耗等方面有更有優(yōu)勢的GPU、MIC等加速芯片越來越多地應(yīng)用于高性能計算，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)成為超級計算機發(fā)展的主流趨勢。
我國超級計算機的計算能力取得了突飛猛進的發(fā)展，旺盛的計算需求和日益成熟的高性能計算機技術(shù)極大地促進了高性能計算在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。然而我國超級計算機實際可有效利用的處理器核數(shù)相對較少，高性能計算應(yīng)用軟件的研發(fā)水平和性能水平與硬件相比相對滯后，如何高效利用以“天河一號”、“天河二號”為代表的超級計算機，成為物理學(xué)研究等領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。因為，新型體系架構(gòu)的高性能計算實現(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、功能完善的開發(fā)及支持環(huán)境方面不斷完善。
同時，異構(gòu)體系架構(gòu)超級計算機的發(fā)展，也給物理學(xué)研究帶來了新的機遇。計算物理學(xué)研究領(lǐng)域，受超級計算能力制約，大量問題被簡化、被分割，無法系統(tǒng)、全面的研究，新型體系機構(gòu)的超級計算機實現(xiàn)了整體性能的大幅提升、功耗降低、穩(wěn)定性增強等優(yōu)勢，為物理學(xué)研究帶來了更強大的工具。
隨著超級計算技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，與計算在物理學(xué)研究中作用的不斷增強，超級計算與物理學(xué)研究的結(jié)合，必將產(chǎn)生更多影響人類社會發(fā)展的重大成果。
參考文獻：
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[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]我院超級計算需求及布局研究，中國科學(xué)院超級計算專家委員會，2007年7月20日.
[6]Leadership-Class System Acquisition - Creating a Petascale Computing Environment for Science and Engineering（美國科學(xué)基金會建造千萬億次計算環(huán)境計劃），2007年3月.
紐約Lime經(jīng)紀公司COO約翰?賈考布著文稱，現(xiàn)在高頻股票自動交易規(guī)模迅速擴大，但是有的炒股商并未經(jīng)過驗證是否持有保證金，實際上是買空賣空。他告誡要防止出現(xiàn)“多種形式的多米諾式破產(chǎn)”，而不受約束的計算機處理股市交易可能對美國國家市場體系帶來災(zāi)難性的損失。
世界金融危機充分暴露了美國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的弱點：重虛擬而輕實體。或也正因此，在經(jīng)濟遭到重創(chuàng)后，美國金融產(chǎn)業(yè)很快恢復(fù)元氣。2010年前3季度，銀行連續(xù)盈利，第三季度凈利145億美元，遠遠超過上年同期的20億。尤其是股票大經(jīng)紀公司，炒股規(guī)模空前膨脹獲得豐盈。其主要玄機之一是投資公司利用超級計算機以光速高頻自動處理股市交易，以微小的差價購進、出手海量股票，瞬息之間巨額利潤入賬。
僅以設(shè)于新澤西州紅岸市的Tradeworx對沖基金和金融技術(shù)公司為例，它利用預(yù)先編制的算法(algorithms)和超級計算機，一般每天自動高頻進出6000萬到8000萬股股票。大量交易在下午三至四點之間進行，盈利多達上億美元。公司主管馬諾杰?納倫說，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，該公司屬于美國50家高頻交易大公司中的中等水平。公司同時利用超級計算機及時收集全國股市信息，分析行情趨勢，以作出正確對策。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，用以迷惑競爭對手，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1500萬股交易，而無需動口，這里同喧囂的紐約證券交易所相比真是兩重天，堪稱運籌帷幄，日進斗金。
5年前自動股市交易約占市場的30％，交易速度也慢得多，現(xiàn)在已占到61％，交易速度由于超級計算機技術(shù)升級而倍增，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％。現(xiàn)在在股市取勝之道主要依靠虛擬技術(shù)水平和超級計算機的功能。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40萬平方英尺的數(shù)據(jù)中心，配置的超級計算機運算速度達400億次／秒，每秒可處理100萬條信息，足以解決全球所有股市的每筆交易結(jié)算。另據(jù)報道，設(shè)在新澤西州東塞托凱特市的復(fù)興技術(shù)對沖基金公司宣稱，它的計算能力堪同美國主要核武器研制中心之一的勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室的超級計算機比肩。要知道，為了模擬核爆炸，美國速度最陜的超級計算機首先可是部署在該所。
隨著計算機性能的提高，10年前股民做500股高頻交易需要付費150美元，現(xiàn)已降為10美元。自動高頻交易成為了股市交易方式的主流，但股市已為少數(shù)大戶所操縱。據(jù)咨詢公司Tabb集團估計，美國全國交易所每日處理10多億股票，其中自動高頻交易于2009年頭蚧月盈利80億美元。高頻股市交易明顯助長了炒股大戶在股市興風作浪的不法行為。參議員愛德華?考夫曼擔心“美國股市正被少數(shù)大投機商利用政策的空子盈利”。國會證券交易委員會正在研究如何限制“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)模愈來愈大，成交速度愈來愈快，參與股民愈來愈多，而且趨向一個模式交易，這很容易導(dǎo)致“股市暴跌”。美國金融IT專家伯納德?杜納弗認為，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，當時股價一天猛降22％。而且人為的機器操作差錯，比如重按一次機紐或編碼出現(xiàn)紕漏，在數(shù)秒鐘之內(nèi)可使股市出現(xiàn)震蕩，或者無股票可售，釀成大禍。
即便是高頻股市交易商本人也對不測后果憂心忡忡。紐約Lime經(jīng)紀公司首席營業(yè)官(COO)約翰?賈考布于2009年著文稱，現(xiàn)在高頻股票自動交易規(guī)模迅速擴大，但是有的炒股商并未經(jīng)過驗證是否持有保證金，實際上是買空賣空。他說服務(wù)器的算法每秒可處理1000筆交易，一旦出現(xiàn)人為差錯，在2分鐘內(nèi)可錯誤處理12萬筆交易，如果每筆1000股，每股均價20美元，這就會造成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“不受約束的計算機處理股市交易可能對美國國家市場體系帶來災(zāi)難性的損失。”
超高速計算機采用平行處理技術(shù)改進計算機結(jié)構(gòu)，使計算機系統(tǒng)同時執(zhí)行多條指令或同時對多個數(shù)據(jù)進行處理，進一步提高計算機運行速度。超級計算機通常是由數(shù)百數(shù)千甚至更多的處理器(機)組成，能完成普通計算機和服務(wù)器不能計算的大型復(fù)雜任務(wù)。從超級計算機獲得數(shù)據(jù)分析和模擬成果，能推動各個領(lǐng)域高精尖項目的研究與開發(fā)，為我們的日常生活帶來各種各樣的好處。最大的超級計算機接近于復(fù)制人類大腦的能力，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畫片、很多耗巨資拍攝的電影中，使用的特技效果都是在超級計算機上完成的。日本、美國、以色列、中國和印度首先成為世界上擁有每秒運算1萬億次的超級計算機的國家，超級計算機已在科技界內(nèi)引起開發(fā)與創(chuàng)新狂潮。
二、
計算機的發(fā)展將趨向超高速、超小型、并行處理和智能化。自從1944年世界上第一臺電子計算機誕生以來，計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)計算機的性能受到挑戰(zhàn)，開始從基本原理上尋找計算機發(fā)展的突破口，新型計算機的研發(fā)應(yīng)運而生。未來量子、光子和分子計算機將具有感知、思考、判斷、學(xué)習(xí)以及一定的自然語言能力，使計算機進人人工智能時代。這種新型計算機將推動新一輪計算技術(shù)革命，對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。
三、新型高性能計算機問世
硅芯片技術(shù)高速發(fā)展的同時，也意味看硅技術(shù)越來越接近其物理極限。為此，世界各國的研究人員正在加緊研究開發(fā)新型計算機，計算機的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)都將產(chǎn)生一次量與質(zhì)的飛躍。新型的量子計算機、光子計算機、分子計算機、納米計算機等，將會在二十一世紀走進我們的生活，遍布各個領(lǐng)域。
1.量子計算機
量子計算機的概念源于對可逆計算機的研究，量子計算機是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進行高速數(shù)學(xué)和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機是基于量子效應(yīng)基礎(chǔ)上開發(fā)的，它利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開與關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài).使信息沿著聚合物移動.從而進行運算。量子計算機中的數(shù)據(jù)用量子位存儲。由于量子疊加效應(yīng)，一個量子位可以是0或1，也可以既存儲0又存儲1。因此，一個量子位可以存儲2個數(shù)據(jù)，同樣數(shù)量的存儲位，量子計算機的存儲量比通常計算機大許多。同時量子計算機能夠?qū)嵭辛孔硬⑿杏嬎悖溥\算速度可能比目前計算機的PentiumDI晶片快10億倍。除具有高速并行處理數(shù)據(jù)的能力外，量子計算機還將對現(xiàn)有的保密體系、國家安全意識產(chǎn)生重大的沖擊。
無論是量子并行計算還是量子模擬計算，本質(zhì)上都是利用了量子相干性。世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。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、量子點操縱、超導(dǎo)量子干涉等。量子編碼采用糾錯、避錯和防錯等。量子計算機使計算的概念煥然一新。
2.光子計算機
光子計算機是利用光子取代電子進行數(shù)據(jù)運算、傳翰和存儲。光子計算機即全光數(shù)字計算機，以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。在光子計算機中，不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，可以對復(fù)雜度高、計算量大的任務(wù)實現(xiàn)快速地并行處理。光子計算機將使運算速度在目前基礎(chǔ)上呈指數(shù)上升。
3.分子計算機
分子計算機體積小、耗電少、運算快、存儲量大。分子計算機的運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行組織排列。分子計算機的運算過程就是蛋白質(zhì)分子與周圍物理化學(xué)介質(zhì)的相互作用過程。轉(zhuǎn)換開關(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。生物分子組成的計算機具備能在生化環(huán)境下，甚至在生物有機體中運行，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、自動機模型、仿生算法、分子化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類型。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，分子計算機完成一項運算，所需的時間僅為10微微秒，比人的思維速度快100萬倍。分子計算機具有驚人的存貯容量，1立方米的DNA溶液可存儲1萬億億的二進制數(shù)據(jù)。分子計算機消耗的能量非常小，只有電子計算機的十億分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白質(zhì)分子，所以分子計算機既有自我修復(fù)的功能，又可直接與分子活體相聯(lián)。美國已研制出分子計算機分子電路的基礎(chǔ)元器件，可在光照幾萬分之一秒的時間內(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)成的微型分子計算機。預(yù)計20年后，分子計算機將進人實用階段。
4.納米計算機
納米計算機是用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計算機。納米管元件尺寸在幾到幾十納米范圍，質(zhì)地堅固，有著極強的導(dǎo)電性，能代替硅芯片制造計算機。“納米”是一個計量單位，大約是氫原子直徑的10倍。納米技術(shù)是從20世紀80年代初迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域，最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。現(xiàn)在納米技術(shù)正從微電子機械系統(tǒng)起步，把傳感器、電動機和各種處理器都放在一個硅芯片上而構(gòu)成一個系統(tǒng)。應(yīng)用納米技術(shù)研制的計算機內(nèi)存芯片，其體積只有數(shù)百個原子大小，相當于人的頭發(fā)絲直徑的千分之一。納米計算機不僅幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能要比今天的計算機強大許多倍。美國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)揮電子開關(guān)、放大和晶體管的功能。專家預(yù)測，10年后納米技術(shù)將會走出實驗室，成為科技應(yīng)用的一部分。納米計算機體積小、造價低、存量大、性能好，將逐漸取代芯片計算機，推動計算機行業(yè)的快速發(fā)展。
我們相信，新型計算機與相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，是二十一世紀科技領(lǐng)域的重大創(chuàng)新，必將推進全球經(jīng)濟社會高速發(fā)展，實現(xiàn)人類發(fā)展史上的重大突破。科學(xué)在發(fā)展，人類在進步，歷史上的新生事物都要經(jīng)過一個從無到有的艱難歷程，隨著一代又一代科學(xué)家們的不斷努力，未來的計算機一定會是更加方便人們的工作、學(xué)習(xí)、生活的好伴侶。
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EW：回溯近20年來中國超級計算機的發(fā)展歷程，你覺得中間哪幾個重要轉(zhuǎn)折點不能不提？
LJ：20年前，中國高性能計算機是被西方禁運的，而現(xiàn)在我們已經(jīng)基本實現(xiàn)了自主可控。這其中經(jīng)歷了四個階段：第一個階段是上世紀90年代中期，我們只能實現(xiàn)軟件層面的自主，器件層面還是大量采購國外的部件來做機器。這也是現(xiàn)在中國高性能計算機生態(tài)環(huán)境不好的緣由之一，無法標準化，導(dǎo)致很多應(yīng)用有問題，在商業(yè)化市場上，大家習(xí)慣的軟件很難被應(yīng)用。
第二個階段是上世紀90年代后期，國家開始重視工業(yè)通用標準，很多器件甚至軟件就都得用國外廠商的，離自主又遠了一點。那個時候大部件都通過進口，就像汽車，可能分成幾大塊進口，只在國內(nèi)組裝。
第三個階段是本世紀初期。2005年，我們就開始大量地把過去從國外進口的大部件自己進行設(shè)計。大概到2007年、2008年的時候，這些大部件已經(jīng)完全可以自己設(shè)計，但是核心的那些器件、軟件模塊還是用國外的，這個問題一直延續(xù)到今天。
第四個階段就是要真正地實現(xiàn)對所有技術(shù)的掌握和突破，而且讓它能和今天的工業(yè)通用標準很好地銜接。如果最后這一步走出去了，我想中國這個產(chǎn)業(yè)就能跑到全球的潮頭。
EW：目前中國超算行業(yè)格局是怎樣的？
LJ：國內(nèi)有三支隊伍在做：國防科技大學(xué)、江南計算所、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)，它們能獲得很多國家的資源支撐。而曙光則是跟外國企業(yè)在市場上靠商業(yè)競爭，且人力成本要高于其他兩家。企業(yè)的特點是，它做什么東西，都要有市場價值。
在核心優(yōu)勢方面，國防科技大學(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)方面也非常獨到；江南計算所有很好的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)計能力、工程設(shè)計能力、用戶推廣能力等，此外，曙光是三家機構(gòu)中唯一完全市場化運作的企業(yè)，在商業(yè)化方面，曙光是做得比較好的，更加注重高性能計算機的產(chǎn)品化和市場占有率。
在與國際上的IBM等公司的市場競爭中，我們的策略是，產(chǎn)品做好、技術(shù)做好、做得穩(wěn)定可靠，讓機器好用又耐用，價格適中。市場競爭就是這么回事。
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”是中國第一個進入全球高性能計算機TOP500排行榜且位列前十名的系統(tǒng)。這對于那時的我們來說，已經(jīng)是非常好的成績了，因為從過去的默默無名，突然排到了前十。后來到“曙光5000A”，也是排到了全球前十名。在“曙光6000”出來的時候，已經(jīng)是全球第二名。“曙光6000”的設(shè)計目標是市場化的需求，所以它的應(yīng)用非常好用，裝在深圳超算中心，一年能收取兩個億的服務(wù)費，非常完美。
現(xiàn)在，曙光新一代高性能計算機正在研發(fā)。它是一款面向某一類特殊應(yīng)用的機器，比如氣象、航空航天等，大概明年就能完成。它針對某一族應(yīng)用去做優(yōu)化，因為不同類型的應(yīng)用所需的架構(gòu)都不一樣。曙光新一代高性能計算機經(jīng)歷了長時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《華爾街日報》 報道“神威?太湖之光”時曾稱，中國的超算已經(jīng)超過了美國。對此，你怎么看？
LJ：雖然中國的“神威?太湖之光”的性能超過了美國現(xiàn)有計算機的性能，但這個性能是指Linpack的性能，這個話得說嚴謹。
從行業(yè)角度來說，我不認為中國超算已經(jīng)超越美國。美國超算做得非常扎實，它的機器跟應(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，中國超算對應(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)計算，還沒有延伸到信息服務(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、國防、教育、醫(yī)療、金融、電信、政務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算等各個領(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算機，才能進行處理和分析。
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、中科院計算所、中科院計算機網(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)家可以實現(xiàn)對大氣、洋流、地殼、生態(tài)等的仿真研究，用于還原或預(yù)測地球自然變化過程，可用于應(yīng)對全球變化、防災(zāi)減災(zāi)和環(huán)境治理等問題。
此外，2013年“嫦娥三號”在月面成功軟著陸。這個過程中，曙光高性能計算機對“嫦娥三號”的軌道設(shè)計、實時計算、預(yù)報等也起到了非常重要的保障作用。
再舉幾個跟我們?nèi)粘Ｉ钕嚓P(guān)的例子。高性能計算集群能夠助力霧霾預(yù)報，通過對污染源、區(qū)域污染數(shù)據(jù)的精細化分析，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”和G20的“西湖藍”都是基于超算的預(yù)測分析和追因溯源才得以實現(xiàn)的。
去年閱兵期間，以曙光高性能計算集群為核心的中國環(huán)境監(jiān)測總站針對京津冀及周邊區(qū)域大氣污染過程進行不少于未來7天的預(yù)報預(yù)警、潛勢預(yù)測以及污染源貢獻追因。今年9月在杭州舉辦的 G20，曙光高性能計算機系統(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。利用這個模型，再結(jié)合氣象條件、監(jiān)測數(shù)據(jù)和大氣污染物排放清單，制定了 G20 峰會空氣質(zhì)量保障控制措施。
從超算到E級超算
EW：時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：當我們把這個超級計算機的應(yīng)用擴展到信息服務(wù)、信息處理這個領(lǐng)域，包括大數(shù)據(jù)平臺，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，變成了可以通過機器去深度地學(xué)習(xí)。它的脈絡(luò)就是這么過來的。不過，對于人工智能來說，雖然計算能力很重要，但更重要的還是算法、模型、軟件等。二者相結(jié)合，加上市場上有商業(yè)利益驅(qū)動，我相信會發(fā)展得非常快。
對曙光自身來說，今年4月跟寒武紀簽約合作，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，但因為人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，只一個寒武紀是不行的，所以我們也在積極地跟其他企業(yè)尋求合作，面向E級機開發(fā)新一代的所謂的加速部件。比如，我們還跟NVIDIA一起合作進行這方面的研究，以便讓我們的E級機在推出的時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，國家對E級超算十分重視。研制E級超算的時間表是怎樣的？
LJ：大型計算機的研制周期平均約為3～5年。E級超算還有一段相當長的路要走，計劃在2020年去完成一臺有百億億次計算能力的機器，其研發(fā)經(jīng)費預(yù)計約為30億元。
預(yù)計在2018年，能夠拿出一個原型系統(tǒng)。它是一個縮小比例的、1/16計算能力的機器，但內(nèi)部構(gòu)造基本相同。按照預(yù)期目標，該原型系統(tǒng)能效比為10GFlops/W以上，保證可擴展至10萬節(jié)點、PUE（Power Usage Effectiveness，是評價數(shù)據(jù)中心能源效率的指標）低至一定水平。在完成原型機的過程中，所有相關(guān)的技術(shù)就基本都完成了，再花兩年左右的時間進一步完善，然后把規(guī)模做大。
在“十三五”規(guī)劃里面，江南計算所、國防科技大學(xué)、中科曙光三家會一起來推動E級超算。最后根據(jù)對這三家原型系統(tǒng)的評估，誰的架構(gòu)最優(yōu)就以誰為主，另外兩家合作。比如“十二五”規(guī)劃的無錫那臺超級計算機，雖然主計算分區(qū)是由江南計算所搭建，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”，它的性能峰值達到了125Pflops。如果再邁到E級超算，性能再提高一個數(shù)量級，會不會面臨性能過剩而應(yīng)用跟不上的情況？
LJ：現(xiàn)在的問題就是超級計算機的技術(shù)發(fā)展正面臨左右兩難的狀況。很多超級計算機一味地去追求性能，而這種性能的測算體系是以一道題做基準去測出來的。比方如Linpack，它是一種數(shù)學(xué)方法，解一個方程組，看誰用的時間短，決定它的效率。但是在今天看，這一臺大型計算機會解方程組，不代表它會做別的，超級計算機在面對不同算法、不同應(yīng)用時，效率差距極大。
100Pflops級別的性能已經(jīng)很好了，而未來的E級機，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，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，這才是未來的方向。
EW：相較你剛才提到的Linpack測試，有沒有更加能反映機器實際性能的測試方法？
LJ：Linpack的方法已經(jīng)使用20年了。在20年前，因為超級計算機的應(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，所以那時的測試方法就用了Linpack。可是在今天，超級計算機的應(yīng)用已經(jīng)五花八門，用一個指標已經(jīng)不能完全衡量其性能了。現(xiàn)在又出來如HPCG等一系列的測試方法，它們是一個綜合體系，用一組應(yīng)用進行測試，每個應(yīng)用的測試結(jié)果最后進行加權(quán)，用一個算法平均出其綜合的性能，這就更容易反映機器在復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境里面的真實性能。
EW：之前“神威?太湖之光”能效比是6GFlops/W，而按照當前國際公認標準， E級超算的能效比至少要達到50GFlops/W。實現(xiàn)這一跨越，會面臨哪些方面的困難？
LJ：整個計算機里面，最耗電的就是CPU，其他如內(nèi)存等相對耗電量很小。對于我們來說，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，或者說提高它的集成度。現(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，線寬越來越窄，它集成電路的數(shù)量就越來越多，并行起來的性能就越來越高。
此外，業(yè)界也有討論用異構(gòu)加速或異構(gòu)綜合的方式來降低功耗。目前有大量的算法是通過軟件迭代來產(chǎn)生結(jié)果的，耗時非常長。異構(gòu)加速這種加速部件，里面是硬件的CPU單元，它用硬件來處理一些特定的應(yīng)用，能將耗時的、效率很低的東西，更高速地去進行處理和計算。未來超級計算機的架構(gòu)，既要滿足工業(yè)的通用標準，又要滿足性能要求，這種異構(gòu)的通過高性能加速部件來構(gòu)成的超級計算機，在我看來是未來的主流。
最后，在能耗這方面還有一個名詞叫PUE，“1”是最好的，我們追求的目標就是讓它趨近于1，即不需要花額外的能耗去處理冷卻的問題，這是一個終極目標。我想，我們的E級機在這個上面會有重要的突破，讓PUE趨近于“1”，讓機器自己來冷卻自己。
EW：與現(xiàn)在相比，E級超算在應(yīng)用層面會有哪些不同？
LJ：一方面，現(xiàn)在的超算在應(yīng)用層面問題依然突出；另一方面，不同用戶對應(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級超算出來后，通過軟件定義系統(tǒng)，一個大機器可以分成若干個適應(yīng)不同應(yīng)用的區(qū)域，通過軟件來定義這個區(qū)域。比如如果是人工智能應(yīng)用的話，我們的加速部件的性能和數(shù)量就要更多，這樣的話，就可以通過軟件在實時應(yīng)用場景下去重新配置這個機器，讓它更適合這類應(yīng)用。
這樣一來，在應(yīng)用層面將幾乎沒有限制。在全球范圍內(nèi)，99%的科學(xué)計算應(yīng)用，它都能良好地支持；同時能夠支持采用全球工業(yè)通用標準的云計算、大數(shù)據(jù)，云服務(wù)、云存儲等方面的應(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現(xiàn)的。
戰(zhàn)略布局再縱深
EW：國產(chǎn)芯片這個行業(yè)，它跟國外的差距到底有多大？
LJ：這就是全面的差距了。英特爾從1968年就開始了。在這幾十年當中，數(shù)千億美元、數(shù)萬名工程師的投入，才造就了他們的現(xiàn)在。中國的龍芯是1998年開始，差30年，投入了數(shù)億元人民幣、數(shù)百名工程師，這個差距是顯然的。但是從趨勢上來看，國內(nèi)芯片行業(yè)是越來越好了。
EW：未來在E級超算研發(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級機在展開，這里面包括高性能的冷卻系統(tǒng)、高性能的網(wǎng)絡(luò)、高性能的計算部件等，都有不同的團隊在工作。預(yù)計到明年年底，可以公布成果。
EW：這些團隊的人才從何而來？
LJ：這里面就有中科院的優(yōu)勢，人才是中科院對這個產(chǎn)業(yè)的重大貢獻之一。超算這個東西不僅要懂計算機，還得懂化學(xué)、力學(xué)等各個學(xué)科的知識，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，我們會從各個研究所找來這些跨界的人才。
EW：除了高端計算機，中科曙光其他業(yè)務(wù)現(xiàn)在發(fā)展得如何？
LJ：在存儲方面，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，是并行存儲的。曙光有一個分布式存儲系統(tǒng)，完全自主，性能也非常好。這個東西我們做了接近10年的時間，一直在不斷地發(fā)展，存儲業(yè)務(wù)營收今年上半年增長了14.53%。另外，我們在信息安全等領(lǐng)域也都有不同的團隊在做。
EW：據(jù)8月23日公布的中科曙光2016年中報，軟件、系統(tǒng)集成及技術(shù)服務(wù)營收增速比較快，相較上年，增幅達到了60.63%。這和云計算以及智慧城市發(fā)展有關(guān)系嗎？
LJ：有關(guān)系。2008年，我們在成都建立了全國第一個云計算中心。后來，隨著我們“數(shù)據(jù)中國”戰(zhàn)略往前發(fā)展，目前，曙光已在全國20多個城市建成了云計算中心，運行的政務(wù)應(yīng)用和智慧城市應(yīng)用種類超過了1000個。此外，中科曙光已經(jīng)參與了30多個城市云的建設(shè)，匯集數(shù)據(jù)達30多PB。城市云和行業(yè)云的建設(shè)使得公司在全國范圍初步建成了一個云數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。
包括云計算，包括大數(shù)據(jù)，市場上也有其他的一些公司在做，但中科曙光有自己的優(yōu)勢：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，它不是萬金油，而是完全針對這個城市的應(yīng)用需求去設(shè)計，所以它涉及的目標極其明確，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)測未來，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”戰(zhàn)略希望把超級計算機技術(shù)、今天的云計算技術(shù)以及大數(shù)據(jù)處理技術(shù)能做一個充分地融合。我們打算在各處，比方說在全國，在百個城市分別建立以城市云計算中心為載體的一個城市大腦，把一個城市所有信息放在里面，形成一個大的數(shù)據(jù)平臺。
這個數(shù)據(jù)平臺是一個可視化地理信息系統(tǒng)，簡單來說就是一張大地圖，在地圖上有各種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分為不同的圖層，一類數(shù)據(jù)就是一個圖層，比如，老年人的住址、公交路線數(shù)據(jù)、天氣狀況等都可以成為一個圖層。
在這樣的大數(shù)據(jù)體系里面，通過應(yīng)用把不同圖層之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，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，這是一個動態(tài)的過程。
EW：之前曙光還提出過“云和計劃”，這是怎樣一個體系呢？
LJ：在城市云的推動過程中，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、7個已經(jīng)是很大的工作量了，但請一些合伙人一起建設(shè)，這樣能快一點。曙光也會為加盟者提供統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計，包括當?shù)刂腔鄢鞘许椖康捻攲釉O(shè)計、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，目前國內(nèi)整體發(fā)展狀態(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。現(xiàn)在已經(jīng)開始提“安全可控”。信息安全這個東西最重要的一點是可控。可控指的是，發(fā)現(xiàn)問題后，我們有對策解決。對于我們產(chǎn)業(yè)界來說，就是要有自己的設(shè)計能力，這樣一來，應(yīng)對安全威脅的能力就大幅度提高了。
此外，安全也分不同的級別。不同的部門，不同的機構(gòu)，對安全級別的要求千差萬別。比方說國家的機要系統(tǒng)，對安全級別要求較高，而信息安全的威脅其中之一就是入侵，通過你的各種漏洞，軟件的漏洞、硬件的漏洞入侵，去偷走你的數(shù)據(jù)。對這些系統(tǒng)來說，使用龍芯的機器就很難入侵，因為那些入口別人都不知道，因為標準是我們自己的而非通用的。不過，需要這一安全級別的機器占比不多，曙光的產(chǎn)品中每年約1萬臺，占比不到10%。
EW：對于超算來說，安全也是很重要的一個方面嗎？
LJ：超級計算機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”使用了英特爾公司研發(fā)的芯片，而去年出臺的一項美國出口禁令使該系統(tǒng)未能獲得升級所需芯片。現(xiàn)在要做的就是，突破這些技術(shù)，達到自主可控。如果再給你禁運怎么辦？不怕，可以自己做。
關(guān)鍵詞： 網(wǎng)格技術(shù) 計算機 因特網(wǎng) 研究與應(yīng)用
當今計算機網(wǎng)絡(luò)已成為人們工作、生活不可或缺的一部分，計算機網(wǎng)絡(luò)特別是Internet的出現(xiàn)使人類文明進入了一個新時代，它不僅使人們從日常繁雜的事務(wù)性工作中解脫出來，而且大大提高了勞動生產(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，我們稱之為第一代互聯(lián)網(wǎng)。進入20世紀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。這樣用戶只要在圖形界面上點擊鼠標，就能從一個網(wǎng)頁跳到另一個網(wǎng)頁，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、動畫等多媒體信息。這個階段的互聯(lián)網(wǎng)被稱作環(huán)球網(wǎng)（又叫萬維網(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)先進了許多，但它也暴露出了嚴重的弱點。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)過有效的規(guī)范和整理，使用起來非常不方便。
克服第二代互聯(lián)網(wǎng)所暴露問題的一個角度就是發(fā)展網(wǎng)格技術(shù)，來更好地管理網(wǎng)上的資源，將之虛擬成為一個空前強大的一體化信息系統(tǒng)，在動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，共享資源和協(xié)同解決問題，從而讓用戶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年就被提出來了，但對網(wǎng)格的大規(guī)模研究只是近十年的事。以超級計算機為中心的計算模式存在明顯的不足，超級計算機雖然是一臺處理能力強大的巨無霸，但它造價極高。通常只有一些國家級的部門，如航天、氣象等部門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)計算越來越復(fù)雜，人們越來越需要數(shù)據(jù)處理能力更強大的計算機。然而，超級計算機的價格阻止了它進入普通人的工作領(lǐng)域。于是，人們開始尋找一種造價低廉而數(shù)據(jù)處理能力超強的計算模式，最終科學(xué)家們找到了答案――網(wǎng)格計算。
網(wǎng)格技術(shù)是近年來國際上信息技術(shù)領(lǐng)域的熱門課題。因此目前許多組織開發(fā)了支持網(wǎng)格計算的系統(tǒng)。我國同世界其他各國政府一樣，為大幅度地提高我國的綜合國力和國際競爭能力，對于網(wǎng)格的建設(shè)也十分關(guān)注，同時在網(wǎng)格計算方面做了大量基礎(chǔ)性和前瞻性研究工作，并在863專項中提出了具體的目標，專項確立了“戰(zhàn)略與系統(tǒng)綜合研究”、“高性能計算機”、“網(wǎng)格結(jié)點”、“網(wǎng)格軟件”和“應(yīng)用網(wǎng)格”五個方面的課題。
三、網(wǎng)格的概念
網(wǎng)格就是一個集成的計算與資源環(huán)境，能夠吸納各種計算資源，并將它們轉(zhuǎn)化成一種隨處可得的、可靠的、標準的、經(jīng)濟的計算能力。除了各種類型的計算機，這里的計算資源還包括網(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。基于網(wǎng)格的問題求解就是網(wǎng)格計算，其應(yīng)用包括分布式計算、高吞吐量計算、協(xié)同工程和數(shù)據(jù)查詢等諸多功能。
網(wǎng)格是借鑒電力網(wǎng)的概念提出來的，網(wǎng)格的最終目的是希望用戶在使用網(wǎng)格計算能力時，就如同現(xiàn)在使用電力一樣方便。我們在使用電力時，不需要知道它是從哪個地點的發(fā)電站輸送出來的，也不需要知道該電力是通過什么樣的發(fā)電機產(chǎn)生的。不管是水力發(fā)電，還是通過核反應(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關(guān)、與具體的計算設(shè)施無關(guān)的通用的計算能力。
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:“將先進計算基礎(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，信息高速公路是信息傳輸和獲取的信息基礎(chǔ)設(shè)施；而先進計算基礎(chǔ)設(shè)施則是信息處理的信息基礎(chǔ)設(shè)施。雖然，國內(nèi)外都有不斷把信息高速公路擴充頻帶寬度、改進路由器性能的計劃；但是，國外科學(xué)家認為:真正的下一代信息基礎(chǔ)設(shè)施是先進計算基礎(chǔ)設(shè)施。它將使以計算機為主體的信息處理發(fā)生根本性的變化。”
四、網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
為什么需要網(wǎng)格？因為網(wǎng)格有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。一旦建立起網(wǎng)格，就可以開展許多以前無法進行的工作和研究。
（一）在科學(xué)計算領(lǐng)域，網(wǎng)格計算可以在以下幾個方面得到廣泛應(yīng)用。
1.分布式超級計算。網(wǎng)格計算可以把分布式的超級計算機集中起來，協(xié)同解決復(fù)雜的大規(guī)模的問題。使大量閑置的計算機資源得到有效的組織，提高了資源的利用效率，使用戶的需求得到了及時滿足。
2.高吞吐率計算。網(wǎng)格技術(shù)能夠十分有效地提高計算的吞吐率，它利用CPU的周期竊取技術(shù)，將大量空閑的計算機的計算資源集中起來，提供給對時間不太敏感的問題，可作為計算資源的重要來源。
3.數(shù)據(jù)密集型計算。數(shù)據(jù)密集型的問題的求解往往同時產(chǎn)生很大的通訊和計算需求，需要網(wǎng)格能力才可以解決。如高能物理實驗、數(shù)字化天空掃描、氣象預(yù)測等都是數(shù)據(jù)密集型問題，網(wǎng)格可以在這類問題的求解中發(fā)揮巨大的作用。
（二）在社會經(jīng)濟生活領(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。原來人與人的交互受到地理位置、交互能力、共享對象，等等許多條件的限制。比如一個國際會議往往需要許多人在旅途上消耗大量的時間，如果每個人都可以在自己的工作地點，與參加會議的其他人員在一個虛擬的共享空間中進行交互，共同討論問題，可以產(chǎn)生面對面的效果，無疑將會是十分理想的。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實現(xiàn)人與人之間的智慧共享。
2.更廣泛的資源貿(mào)易。隨著大型機的性能的提高和微機的更加普及，及其資源的閑置的問題也越來越突出，網(wǎng)格技術(shù)能夠有效地組織這些閑置的資源，使得有大量的計算需求的用戶能夠獲得這些資源，資源的提供者的應(yīng)用也不會受到太大的干擾。需要計算能力的人可以不必購買大的計算機，只要根據(jù)自己的任務(wù)的需求，向網(wǎng)格購買計算能力就可以滿足計算需求。除了計算資源，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)，而更多的是對現(xiàn)有技術(shù)的補充。《福布斯》雜志預(yù)測，網(wǎng)格技術(shù)將在3、4年后進入迅速發(fā)展時期，在2020年網(wǎng)格技術(shù)產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值將達到20萬億美元。網(wǎng)格，一個更好應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，其前景廣闊，讓我們共同迎接網(wǎng)格時代的到來。
參考文獻：
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關(guān)鍵詞:美國的計算機產(chǎn)業(yè)在世界上占主導(dǎo)地位，政府起了重要作用。美國政府對計算機產(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，改進資助體系和管理。總結(jié)美國聯(lián)邦政府支持計算機技術(shù)研究開發(fā)的經(jīng)驗，對我國政府支持產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展有著重要的借鑒作用。
一、美國政府對計算機技術(shù)發(fā)展的支持
第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，聯(lián)邦政府一直是計算機技術(shù)的強有力支持者。按1995年不變價計算，1976-1995年間，聯(lián)邦政府對計算機科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)的支持由1.8億美元增加到9.6億美元，增長了5倍。其中，基礎(chǔ)研究投入由6500萬美元增加到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%投向政府實驗室和產(chǎn)業(yè)界；政府基礎(chǔ)研究資金的70%投向大學(xué)。聯(lián)邦政府還對其他與計算機技術(shù)相關(guān)的研究給予資助。聯(lián)邦政府對與計算機研究相關(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方面。
(一)重點支持長期的基礎(chǔ)性研究
美國政府在長期基礎(chǔ)性研究和共性應(yīng)用技術(shù)的研究開發(fā)方面發(fā)揮了重要作用。長期基礎(chǔ)性研究的主要特點，一是其效益往往在短期內(nèi)無法顯現(xiàn)出來，風險較大。特別是在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，企業(yè)沒有實力進行這樣的研究工作；二是其應(yīng)用領(lǐng)域往往比較廣泛，一家公司無法完全利用，而且又無力阻止競爭者利用其研究成果。因此，產(chǎn)業(yè)界較少對長期基礎(chǔ)性研究進行投資。
美國聯(lián)邦政府對計算機技術(shù)的長期基礎(chǔ)性研究的資助項目已經(jīng)取得了明顯的效果。如，政府資助的計算機人工智能技術(shù)研究開始于70年代早期，直到1997年才研制出能夠成功識別持續(xù)性語音的個人電腦。與此相似的是，國防基金從60年代就開始資助可用于三維圖像的基礎(chǔ)性系統(tǒng)研究，直到90年代才形成消費性產(chǎn)品。盡管這項成果在高性能儀器中早已開始應(yīng)用，但近些年才廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、娛樂及國防產(chǎn)業(yè)。
(二)資助計算機研究的基礎(chǔ)設(shè)施
聯(lián)邦政府在計算機基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為美國發(fā)展計算機產(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)邦政府的資助計劃培養(yǎng)了一大批電子工程和計算機科學(xué)的研究生和優(yōu)秀研究人員，為計算機和電子工程的發(fā)展提供源源不斷的后續(xù)人才。國家科學(xué)基金的數(shù)據(jù)表明，1985-1996年間，獲得聯(lián)邦資金資助的計算機和電子工程專業(yè)的研究生比例從14%增加到20%。聯(lián)邦政府對研究生的資助主要采取助教獎學(xué)金的形式，助教獎學(xué)金占總資助額的75%以上。1985年到1995年，全國最好的計算機系里，如MIT、卡內(nèi)基·梅隆、加利弗尼亞大學(xué)勃克力分校等的計算機和電子工程專業(yè)的研究生中約有56%得到了聯(lián)邦政府的資助，其中一半是助教獎學(xué)金。1997年，斯坦福大學(xué)電子工業(yè)和計算機專業(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，政府資助的一些大型研究項目還培養(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
府采取多種形式來支持大學(xué)購買計算機設(shè)備，主要有兩種形式：一種是為大學(xué)教學(xué)提供計算機設(shè)備；另一種是通過資助特定研究項目為大學(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，一是支持建立大學(xué)計算中心，資助大學(xué)計算機系開展研究工作。國家科學(xué)基金（以下簡稱“NSF”）于1956年就開始了為大學(xué)提供普通教學(xué)和研究用計算機的資助計劃。該計劃每年提供的資助金額增長很快，1958-1970年間，共資助了66,00萬美元。60年代，國防部高級項目處(以下簡稱“DARPA”)重點資助了少數(shù)幾個基礎(chǔ)好的大學(xué)計算機系（如MIT，卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)，斯坦福大學(xué)）開展專門項目研究，資助項目的大部分資金用來采購設(shè)備。據(jù)估計，60年代，全美大學(xué)中約一半的計算設(shè)備是由政府機構(gòu)資助提供。1981-1995年間，聯(lián)邦政府資助了計算機科學(xué)系研究設(shè)備采購的65%，1985年高達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啟動了兩套專門為計算機科學(xué)系提供設(shè)備的計劃：計算機研究設(shè)備計劃和一個更加廣泛的協(xié)作實驗研究計劃。
二是研制高性能計算設(shè)備和建設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。80年代中期，政府資助了IBM701等高性能計算機
的研制，造出了供研究人員進行各種研究使用的大型計算機系統(tǒng)。1985年，NSF啟動了一項建立超級計算機中心的計劃，資助建立了5個全國范圍的計算機中心，為那些不能在普通計算機上進行的高級的、運算復(fù)雜的研究提供了條件。后來，這些中心成為高性能計算機的早期試驗場，還對一些計算機科學(xué)系的教學(xué)起了重要作用。同時，這項計劃還帶動州、私人部門出資在其他大學(xué)建立超級計算機中心。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，政府加大對網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的資助力度。1973年起，NSF著手進行一項科學(xué)網(wǎng)絡(luò)的計劃，每年提供60萬美元到75萬美元為大學(xué)的研究人員建立計算機網(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)的研究開發(fā)項目。DARPA支持了計算機間相互聯(lián)結(jié)的分批轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)（ARPANET）的研究項目。這項研究促進了有關(guān)入網(wǎng)協(xié)議、分批轉(zhuǎn)換及路線安排等項研究。同時也推進了對大型網(wǎng)絡(luò)管理模式的開發(fā)研究，如，域名系統(tǒng)及開發(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)的價值，促進了其他網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)。NSF網(wǎng)絡(luò)的建立形成了網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。政府通過資助大型高新技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，把學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究者匯聚起來共同建立共用的實驗室，交流思想，從而創(chuàng)造出一支有能力最終推動技術(shù)發(fā)展的研究力量。如，50年代的SAGE項目組織了來自MIT、IBM及其它研究實驗室的研究者，整個項目過程中出現(xiàn)了許多創(chuàng)新思想，目前在計算機行業(yè)已經(jīng)獲得廣泛認可的想法都是當時提出來的。許多計算機行業(yè)中的先驅(qū)人物也從50-60年代的控制計算機系統(tǒng)(SAGE)項目中獲得了經(jīng)驗，后來這些人在代表著計算機及通訊事業(yè)新興的公司及實驗室中工作。SAGE的影響在后來的幾十年中才逐步顯現(xiàn)出來。
構(gòu)造大型應(yīng)用系統(tǒng)的實踐表明，有些研究并不一定直接導(dǎo)致某一項技術(shù)的創(chuàng)新，而是導(dǎo)致開發(fā)與技術(shù)推廣。應(yīng)用開發(fā)是對已經(jīng)研究出來的技術(shù)進行分析和合理組合，形成新的應(yīng)用系統(tǒng)。如，建立大型應(yīng)用系統(tǒng)的研究項目就是把電子通訊系統(tǒng)的原理應(yīng)用到ARPANET項目開發(fā)中，形成了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)。
(四)對產(chǎn)業(yè)技術(shù)的早期資助
20世紀50年代，聯(lián)邦政府資助了絕大部分計算機技術(shù)的研究。那時，政府對計算機技術(shù)研究
開發(fā)的資助超過工業(yè)界R&D投入的3倍，幾乎覆蓋了整個計算機界的研究與開發(fā)。直到1963年，政府還資助著IBM計算機R&D的35%，Burroughs公司的50%，Control-Data公司的40%。從60年代末開始，因為整個計算機行業(yè)快速發(fā)展，政府對計算機R&D資助的比例急劇下降。直到70年代中期，政府資助僅占計算機R&D投入的25%，1979年達到戰(zhàn)后的最低點15%。隨著新項目的啟動和里根執(zhí)政時期的國防建設(shè)，1983年，政府對計算機技術(shù)研究的資助比例又有回升，約占20%。
美國政府對產(chǎn)業(yè)界的資助重點放在推動技術(shù)商業(yè)化方面。一是對產(chǎn)業(yè)界早期研究的資助。政府對企業(yè)實驗室提出的一些有市場前景的技術(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)庫的構(gòu)想，但IBM考慮到這項技術(shù)構(gòu)想可能對自己已經(jīng)成熟的產(chǎn)品造成潛在的競爭威脅，沒有繼續(xù)進行商業(yè)化研究開發(fā)投入。而NSF資助加州大學(xué)伯克立分校對這一構(gòu)想進行深入研究，并將其推向商業(yè)化；二是支持共性技術(shù)研究開發(fā)。有些研究開發(fā)具有商業(yè)價值，但屬于共性技術(shù)，單個企業(yè)難以研究開發(fā)，或者企業(yè)擔心難以控制競爭者使用技術(shù)成果。IBM最先開發(fā)了RISC(精簡指令系統(tǒng)計算機)，但直到DARPA資助加州大學(xué)伯克立分校及斯坦福大學(xué)進行深入研究時，RISC才實現(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）項目的一部分來進行的。后來許多公司把以RISC為基礎(chǔ)的產(chǎn)品引入了市場領(lǐng)域。
(五)聯(lián)邦政府的資助對創(chuàng)新起到重要作用
聯(lián)邦政府的資助計劃促進了計算機技術(shù)的創(chuàng)新。據(jù)統(tǒng)計，1993至1994年間，美國全國共批準了1619項與計算機產(chǎn)業(yè)有關(guān)的專利。盡管這些專利的所有者75%是美國企業(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的。在按資助來源分類統(tǒng)計的論文中，51%的資助來自于聯(lián)邦政府，37%來自產(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)僅限于兩年的專利統(tǒng)計，但反映出聯(lián)邦所資助的項目，特別是在大學(xué)里進行的資助研究，推動了計算機行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。
二、美國政府在計算機產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展各階段中的主要作用
政府在計算機科學(xué)技術(shù)發(fā)展過程中的作用，隨計算機產(chǎn)業(yè)成長和發(fā)展階段不同而變化。(一)50年代——計算機技術(shù)發(fā)展的初期階段，政府的主要作用是用戶和資助者在1960年以前，美國政府作為用戶和資助者，主導(dǎo)著電子計算機技術(shù)的研究開發(fā)。這一期間，政府支持計算機技術(shù)主要出于國防需要，資助面比較窄，重點是對技術(shù)本身的試驗，而且沒有一個系統(tǒng)的長期戰(zhàn)略計劃。但是，這一時期的政府資助項目嘗試了不同類型的資助機制，對私營部門產(chǎn)生了非常重要的影響。
50年代，幾個主要計算機公司的R&D都得到過聯(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私營部門提供資助，而且從項目設(shè)計、技術(shù)思路、人力資源等方面提供了支持。資助的項目涉及到有關(guān)國家安全、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、具有長期影響的技術(shù)開發(fā)項目。政府資助的許多項目研究出了設(shè)備的原型，在這些原型基礎(chǔ)上，研究人員可以進行更深入的探索。
(二)60-70年代——技術(shù)擴散和產(chǎn)業(yè)增長階段，政府扶持的重點轉(zhuǎn)向長期基礎(chǔ)性研究和培養(yǎng)人才
60年代初期，美國的計算機行業(yè)開始商業(yè)化，可以獨立于政府的資助和采購，全國出現(xiàn)了幾個大型的計算機公司。這些大型公司建立了自己的實驗室，并且有能力自己研究開發(fā)計算機應(yīng)用技術(shù)，從而促進了計算機產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化。如，IBM公司與美國航空公司在部分采用軍事指揮和SAGE技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了計算機訂票系統(tǒng)（SABRE系統(tǒng)）。計算機定票系統(tǒng)的迅速發(fā)展成為推動計算機產(chǎn)業(yè)化的一個重要動力。與此同時，產(chǎn)業(yè)界對計算機人才的需求大大增加。出現(xiàn)了計算機科學(xué)領(lǐng)域，幾個重要學(xué)校的計算機系已經(jīng)成立。
隨著計算機技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，政府的資助重點開始轉(zhuǎn)向長期基礎(chǔ)性研究和培養(yǎng)人才。60年代后期至70年代，由于計算機產(chǎn)業(yè)界對R&D的投入增加，盡管政府資助產(chǎn)業(yè)界的絕對數(shù)額還在上升，但比例卻急劇下降。
(三)80-90年代——計算機產(chǎn)業(yè)成熟階段，政府積極組織和支持聯(lián)合研究開發(fā)
隨著產(chǎn)業(yè)界增加對計算機技術(shù)研究開發(fā)的投入，政府資助所占比例開始下降。80年代初期，日本的電子工程和計算機存儲器等技術(shù)開發(fā)，使美國的計算機產(chǎn)業(yè)感到了競爭威脅。同時，美國半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的國際市場份額從75%下降到了40%。“增強競爭力”成了美國80年代技術(shù)政策的關(guān)鍵字眼，國內(nèi)要求政府采取行動的呼聲提高。同時，大學(xué)與實業(yè)界開始以合資、協(xié)議等方式進行合作，或組織行業(yè)協(xié)會抵制來自日本的威脅。
為了提高美國計算機產(chǎn)業(yè)的競爭力，使其在世界占據(jù)領(lǐng)先地位，聯(lián)邦政府不僅繼續(xù)支持計算機科學(xué)和技術(shù)的研究，而且調(diào)整了支持重點和資助方式。政府對計算機技術(shù)的資助重點開始轉(zhuǎn)向支持各界聯(lián)合開發(fā)，通過支持行業(yè)協(xié)會等一些新機構(gòu)，組織和促進產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合開發(fā)。1984年的國家合作研究法案從不信任法案中把研究協(xié)會的名字去掉了，從而使研究協(xié)會的合作合法化。政府支持半導(dǎo)體制造技術(shù)協(xié)會（SEMATECH）等行業(yè)性組織機構(gòu)，發(fā)揮其在計算機技術(shù)聯(lián)合開發(fā)中的組織作用。那一時期，半導(dǎo)體制造技術(shù)協(xié)會和高性能計算機研究所等受到政府資助的行業(yè)性機構(gòu)，成為計算機技術(shù)研究開發(fā)和政策議程的主導(dǎo)者。
90年代，政府一方面對現(xiàn)存的政府所有的成熟的計算機基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)商業(yè)化和私有化；另一
方面又開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，NSF和其他聯(lián)邦機構(gòu)還在繼續(xù)進行下一代互聯(lián)網(wǎng)（NGI）的開發(fā)與擴展工作，計劃將互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速度提高100倍。NGI計劃將建立一個試驗性的、范圍廣闊的、可升級的測試系統(tǒng)，用以開發(fā)那些對國家至關(guān)重要的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)，如國防和醫(yī)療等。
三、幾點啟示
美國政府資助計算機技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗，對我們有以下幾點啟示。
(一)政府職能明確
在美國的計算機革命中，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)界研究機構(gòu)的研究，特別在建立前沿研究需要的實物基礎(chǔ)設(shè)施，培養(yǎng)大學(xué)生、研究生和技術(shù)隊伍等方面起到關(guān)鍵性作用。盡管有些在市場中處于主導(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)展目標及產(chǎn)品開發(fā)有緊密聯(lián)系的研究項目。而政府則在長期基礎(chǔ)性研究、應(yīng)用前途廣泛的共性技術(shù)研究開發(fā)方面發(fā)揮了重要作用。
隨著計算機產(chǎn)業(yè)從幼稚產(chǎn)業(yè)發(fā)展為成熟產(chǎn)業(yè)，美國聯(lián)邦政府的作用經(jīng)歷了一系列變化。從50年代的用戶和資助者，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。資助機構(gòu)和管理也從分散、無戰(zhàn)略計劃逐步發(fā)展到由專門機構(gòu)統(tǒng)一協(xié)調(diào)。
(二)資助來源多元化和機制多樣化，發(fā)揮政府機構(gòu)的作用
聯(lián)邦政府對于計算機技術(shù)與電子工程技術(shù)的資助主要是通過幾個機構(gòu)來完成的。例如國防部、國家科學(xué)基金、國家航空航天部、能源部及國家健康機構(gòu)。這些機構(gòu)的特點是，專業(yè)技術(shù)能力比較強，機構(gòu)內(nèi)部有許多專業(yè)技術(shù)人員，有些機構(gòu)本身就是國家研究機構(gòu)。除國家科學(xué)基金外，這些機構(gòu)大都是計算機技術(shù)的直接需求和應(yīng)用方，經(jīng)常根據(jù)部門自身的需要資助計算機技術(shù)研究開發(fā)。
多元化的優(yōu)點，一是有利于技術(shù)發(fā)展的多樣性。由于計算機技術(shù)是工具性技術(shù)，各個領(lǐng)域有不同的需求，因此，每一個機構(gòu)都有各自的資助重點及資助方式，從而促進計算機技術(shù)多樣化發(fā)展；二是提供多種潛在的支持，增加了研究機構(gòu)和研究人員的選擇余地，有利于競爭；三是研究成果可以在不同的機構(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)加強統(tǒng)一協(xié)調(diào)
盡管美國政府對計算機技術(shù)的資助計劃是由專業(yè)管理部門分別執(zhí)行的，但是，隨著計算機產(chǎn)業(yè)的成熟和資助規(guī)模的擴大，各專業(yè)管理部門和聯(lián)邦政府不斷加強對計算機資助項目計劃的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和戰(zhàn)略規(guī)劃。60年代以前，軍方對計算機技術(shù)的資助是根據(jù)各軍兵種自己的需求分散進行的。60年代初，國防部成立了高級研究項目處，并成立了專門的信息處理技術(shù)辦公室。一個重要目的就是協(xié)調(diào)軍方各部門的長期戰(zhàn)略性資助計劃，實行統(tǒng)一管理。
90年代，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會中設(shè)置計算機、信息和通訊委員會，該機構(gòu)通過下級委員
會，協(xié)調(diào)12個政府部門或機構(gòu)的有關(guān)計算機和通訊技術(shù)的R&D項目，并重點組織實施了5個具有長期戰(zhàn)略意義的項目計劃。
這種體制即發(fā)揮了專業(yè)機構(gòu)的積極性和技術(shù)特長，又加強了統(tǒng)一協(xié)調(diào)，避免重復(fù)研究和
分散競爭資源的局面，提高了政府資助的整體效果。
(四)以多種方式支持計算機技術(shù)
除了資助研究開發(fā)以外，美國政府對計算機技術(shù)市場的形成發(fā)揮了重要作用。美國政府是高新技術(shù)的最大用戶，政府采購為高新技術(shù)創(chuàng)造了巨大的市場。
從半導(dǎo)體到超級計算機，在許多領(lǐng)域中，政府創(chuàng)造了計算機及其技術(shù)的市場，促進新技術(shù)的標準化和核心技術(shù)在計算機行業(yè)的推廣。例如，聯(lián)邦政府為阿波羅號航天飛機采購的集成電路以及國防部的洲際彈道導(dǎo)彈項目都對集成電路生產(chǎn)能力的提高形成了一種刺激。為開發(fā)核武器，能源部及其前身機構(gòu)對高性能計算機的需求驅(qū)動了早期超級計算機市場的形成。美國政府的統(tǒng)計體系也是早期計算機及其軟件的大用戶。在軟件方面，通過建立聯(lián)邦數(shù)據(jù)處理標準，聯(lián)邦政府促使市場向“美國國家標準機構(gòu)”制定的COBOL(面向商用的通用計算機語言)不斷靠近；為使FORTRAN程序語言擴展應(yīng)用于并聯(lián)計算機，政府資助了高級FORTRAN論壇項目。
反壟斷訴訟也具有深遠的影響。例如，1952年出現(xiàn)了針對IBM的反壟斷訴訟案，要求IBM公司出賣或出租其設(shè)備，以幫助其它公司進入這一商業(yè)領(lǐng)域。同時要求IBM公司對其包括電子計算機在內(nèi)的所有有關(guān)信息處理設(shè)備的現(xiàn)有及未來專利實施許可制度，并規(guī)定了許可的比率。“司法部反壟斷部門”的負責人認為，IBM訴訟案是“開放電子領(lǐng)域的一個進步”，為其他公司進入計算機行業(yè)打開了方便之門。
(五)保持戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)在國際競爭中的領(lǐng)先地位
美國政府對計算機技術(shù)的貢獻中最發(fā)人深省的是，政府不僅在計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展初期發(fā)揮了作用，而且在計算機產(chǎn)業(yè)逐步趨于成熟時，仍然起著重要作用。
【關(guān)鍵詞】生物技術(shù)；計算機；應(yīng)用
【中圖分類號】Q50 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）01―0046-01
進入二十一世紀以來，由于研究的深入，對知識的進一步認識和了解，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，廣泛滲透更是對科學(xué)的發(fā)展起了很大的促進作用，人們進一步提升對自然界的認識，對人類本身也有了進一步的了解。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機在其中的應(yīng)用范圍也日益擴大，計算機和藥學(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)濟中并非此消彼長的關(guān)系，而是相輔相成，共同推進21世紀經(jīng)濟的快速發(fā)展。信息技術(shù)為生物技術(shù)的發(fā)展提供強有力的計算工具。在現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展過程中，計算機與高性能的計算技術(shù)發(fā)揮了巨大的推動作用。如今，人們越來越清醒地認識到，超級計算機在創(chuàng)造新品種的藥物、治愈疾病以及最終使我們能夠修復(fù)人類基因缺陷等方面是至關(guān)重要的，高性能計算可以為人類作出更大的貢獻。生物技術(shù)推動超級計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著人類基因組計劃各項任務(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。面對如此巨大而復(fù)雜的數(shù)據(jù)，只有運用計算機進行數(shù)據(jù)管理、控制誤差、加速分析過程，使得人類最終能夠從中受益。然而要完成這些過程，并非一般的計算機力所能及，而需要具有超級計算能力的計算機。因此，生物技術(shù)的發(fā)展將對信息技術(shù)提出更高的需求，從而推動信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。生物技術(shù)將從根本上突破計算機的物理極限。運用數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)和生物學(xué)的各種工具，來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，從而形成了一個新的學(xué)科。生物信息學(xué)或信息生物學(xué)，它的進步所帶來的效益是不可估量的。
2、計算機在生物技術(shù)中的應(yīng)用分析
生物醫(yī)學(xué)工程運用現(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)問題，即研究和開發(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)之問的差異，這些內(nèi)容形成了這個學(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)備則形成這個學(xué)科的應(yīng)用部分。
2.1 計算機技術(shù)在生物信息學(xué)中的應(yīng)用
生物信息學(xué)在今后的無論是生物醫(yī)藥科研還是開發(fā)中都具有廣泛而關(guān)鍵的應(yīng)用價值；而且，由于生物信息學(xué)是生物科學(xué)與計算科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等密切結(jié)合的交叉性學(xué)科，使其具有非常強的專業(yè)性，這就使得專業(yè)的生物醫(yī)藥科研或開發(fā)機構(gòu)自身難以勝任它們所必需的生物信息學(xué)業(yè)務(wù)，殘酷的市場競爭及其所帶來的市場高度專業(yè)化分工的趨勢，使得專業(yè)的生物醫(yī)藥開發(fā)機構(gòu)不可能在自身內(nèi)部解決對生物信息學(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)科研機構(gòu)是遠遠不能滿足的。可見，在生命科學(xué)的新世紀，生物信息學(xué)綜合服務(wù)將是一個非常重要的也是一個極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。
2.2 計算機在微生物學(xué)中細菌生化反應(yīng)上的應(yīng)用
細菌學(xué)的計量檢驗是醫(yī)學(xué)檢驗現(xiàn)代化的種重要手段。此檢驗技術(shù)是通過收集已確證的統(tǒng)計資料，并將系列生化反應(yīng)試驗的反應(yīng)結(jié)果數(shù)值化，按照一定的數(shù)學(xué)模型進行多元分析，利計算機的運算速度和記憶能力，檢驗標本作出規(guī)范化的定量鑒定。實現(xiàn)這一計量鑒定，我采用了計算機輔助編碼撿索系統(tǒng)（CAIS）菌科細菌系列生化反應(yīng)機輔檢索程序（CAE-15）、（eAE-I）輸入微機。通過各項生化反應(yīng)結(jié)果及增補試驗結(jié)果所得的編碼數(shù)經(jīng)過人工查詢，從計算機編程的“縮碼檢索手冊”中直接查找指定編碼的細菌概率分布和相應(yīng)的補充試驗。計算機在微生物中的應(yīng)用，不僅節(jié)約了時間和人力，而且鑒定結(jié)果準確可靠，避免主觀誤。
2.3 計算機在破譯遺傳密碼和管理基因數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用
計算機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)。他們在年進行的工作中只通過分析計算機打印輸出的數(shù)據(jù)就獲得了一個重要的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)。杜利特爾教授的研究小組比較了兩個由計算機打印輸出的蛋白質(zhì)序列，發(fā)現(xiàn)一種與癌癥發(fā)生有關(guān)的序列和一種與細胞生長有關(guān)的序列完全一樣，揭示出癌基因引起了細胞的不正常生長。這一發(fā)現(xiàn)在沒有進行過任何一實驗的情況下就獲得了。
2.4 計算機在創(chuàng)造生物的虛擬環(huán)境方面的應(yīng)用
計算機還正被用于創(chuàng)造一個虛擬的生物環(huán)境，以便對復(fù)雜的生物網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)系統(tǒng)進行模擬。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，并在實驗室里被用于檢測新的農(nóng)業(yè)和制藥產(chǎn)品以及醫(yī)學(xué)活體實驗。在虛擬世界里，生物學(xué)家敲敲鍵盤就可以產(chǎn)生新的合成分，而在實驗室經(jīng)常需要幾年時間才可能合成一個真正的分子。有了三維的計算機模型，研究人員可以在屏幕上將各種基因和分子進行組合，然后觀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，通過使用最先進的計算機首次設(shè)計了一種極有價值的合成分子。這種被命名為的化合物是在計算機屏幕上構(gòu)想出來的，幾家生物技術(shù)實驗室正在進行該化合物的批量生產(chǎn)。科學(xué)家們打算通過使用新的信息時代的計算技術(shù)造出多種多樣的新分子。
2.5 計算機在生物醫(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)問題，即研究和開發(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)備則形成這個學(xué)科的應(yīng)用部分。
3、發(fā)展前景
計算機在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用的例子還很多，并且發(fā)揮著越來越重要的作用，同時對計算機技術(shù)水平的要求也越來越高。比如在生物醫(yī)學(xué)信號處理方面，普通的計算機已經(jīng)很難勝任實時處理的能力，使人們轉(zhuǎn)向研究處理速度更快的專門處理器件DSP芯片。在人工智能方面，往往還需要功耗更低、存儲更大的微計算機。因此，生物醫(yī)學(xué)工程在利用計算機的同時也促進了計算機的發(fā)展。二十一世紀是生物技術(shù)的世紀，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，并且為人類帶來了很大的便利與貢獻。不難看出，生物計算機研制成功以后，又會帶來一次革命，它將會給人類帶來更多的福祉，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，它將越來越離不開計算機。不但如此，計算機和生物技術(shù)更越來越緊密結(jié)合。將更快地促進兩者的發(fā)展。
參考文獻
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關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：下一代數(shù)據(jù)保護技術(shù)；數(shù)據(jù)恢復(fù)；數(shù)據(jù)安全；數(shù)據(jù)保護
中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2013）008012502
作者簡介作者簡介：李春霞（1975-），女，碩士，蘭州文理學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心講師，研究方向為計算機技術(shù)。
0 引言
數(shù)據(jù)安全與保護一直是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心和超級計算中心的研究重點。隨著互聯(lián)網(wǎng)與高性能計算速度的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)幾何級增長、數(shù)據(jù)更新頻繁等特點。現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心和超級計算中心都面臨著快速備份和恢復(fù)的時間點越來越多，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越嚴重等問題，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護解決方案已經(jīng)無法應(yīng)對數(shù)據(jù)的過快增長以及復(fù)雜性的加劇，取而代之的是下一代數(shù)據(jù)保護（next-generation data protection，NGDP）技術(shù)。
而我們所有研究的新一代的數(shù)據(jù)保護方案，是基于磁盤的、備份/恢復(fù)為中心的全面的數(shù)據(jù)保護方案，是整合的數(shù)據(jù)保護技術(shù)平臺，而不是一種單獨的技術(shù)研究或者產(chǎn)品。
下一代數(shù)據(jù)保護方案考慮的研究要素，一個是如何提高數(shù)據(jù)備份的效率，另一個是縮短數(shù)據(jù)恢復(fù)的時間。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)、本地磁盤備份技術(shù)、深度集成智能備份和磁帶庫、異構(gòu)快照和持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)等。縮短數(shù)據(jù)恢復(fù)時間的核心是數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)，主要研究提高恢復(fù)數(shù)據(jù)的時間和恢復(fù)數(shù)據(jù)的有效率。
1 下一代數(shù)據(jù)保護技術(shù)研究現(xiàn)狀
隨著計算機系統(tǒng)和Internet服務(wù)的廣泛應(yīng)用，社會信息化程度不斷提高，數(shù)據(jù)信息在當今社會已經(jīng)成為非常重要的財富。作為信息的載體，存儲系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，信息的可靠性存儲對于企業(yè)來說生死攸關(guān)，一旦數(shù)據(jù)丟失，將會帶來難以估量的損失。各種數(shù)據(jù)保護技術(shù)在人們對數(shù)據(jù)安全的需求下產(chǎn)生并不斷地改進提高。較為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護技術(shù)有備份和快照等，但是這些數(shù)據(jù)保護技術(shù)存在著明顯的弱點，它們保證不了數(shù)據(jù)保護的連續(xù)性，而對于許多關(guān)鍵應(yīng)用來說，一秒鐘的數(shù)據(jù)都是極其寶貴的。
計算機存儲的信息越來越多，而且越來越重要，為防止計算機中的數(shù)據(jù)意外丟失，現(xiàn)有主要的數(shù)據(jù)保護技術(shù)一般都采用許多重要的安全防護技術(shù)來確保數(shù)據(jù)的安全，在建立容災(zāi)系統(tǒng)時會涉及到多種技術(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VTL技術(shù)等。
2 下一代數(shù)據(jù)保護技術(shù)實施方案和技術(shù)路線
下一代數(shù)據(jù)保護方案考慮的要素研究，一個是如何提高數(shù)據(jù)備份的效率，另一個縮短數(shù)據(jù)恢復(fù)時間。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)、本地磁盤備份技術(shù)、深度集成智能備份和磁帶庫、異構(gòu)快照和持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)等。縮短數(shù)據(jù)恢復(fù)時間的核心是數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)，主要研究提高恢復(fù)數(shù)據(jù)的時間和恢復(fù)數(shù)據(jù)的有效率。下一代數(shù)據(jù)保護技術(shù)平臺是整合的數(shù)據(jù)保護技術(shù)平臺，它要具備3個關(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，必須以磁盤為動力，從而能夠利用現(xiàn)有的磁盤陣列投入并同時提高備份與恢復(fù)服務(wù)等級；第三，要以恢復(fù)為中心，備份操作能在任何時間都可進行最為快速有效的恢復(fù)。應(yīng)將持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)和云存儲災(zāi)備技術(shù)集成應(yīng)用到下一代數(shù)據(jù)保護技術(shù)應(yīng)用模型中。下一代數(shù)據(jù)保護技術(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)保護平臺內(nèi)，采用磁盤陣列作為數(shù)據(jù)存儲備份的存儲介質(zhì)，產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)通過存儲即能避免過度占用系統(tǒng)資源，也能避免浪費適應(yīng)性重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)，將冗余的數(shù)據(jù)進行刪除并存儲到磁盤陣列中用以容災(zāi)備份。在大型服務(wù)器和超級計算機系統(tǒng)中部署基于文件的持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(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），并及時將文件的變動以日志的形式進行記錄，產(chǎn)生持續(xù)的日志鏈實現(xiàn)持續(xù)的數(shù)據(jù)保護。當系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生災(zāi)難時，參考磁盤陣列中經(jīng)過重復(fù)數(shù)據(jù)刪除后的數(shù)據(jù)備份，實現(xiàn)任意時間點的快速系統(tǒng)恢復(fù)。
圖1 下一代數(shù)據(jù)保護技術(shù)應(yīng)用模型
最后，通過高速網(wǎng)絡(luò)鏈接異地的遠端云存儲設(shè)備，在云災(zāi)備應(yīng)用環(huán)境中，通過高性能、大容量云存儲系統(tǒng)和遠程數(shù)據(jù)備份軟件，將用戶業(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)和遠程數(shù)據(jù)備份服務(wù)功能，建立自己的遠程備份和容災(zāi)系統(tǒng)，以保證當本地發(fā)生重大災(zāi)難時，可通過遠程備份或遠程容災(zāi)系統(tǒng)進行快速恢復(fù)。
下一代數(shù)據(jù)保護技術(shù)解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)保護系統(tǒng)中運行維護成本高、備份和恢復(fù)效率慢、可靠性低的缺點，但是現(xiàn)行的持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(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)保護方案之間的平衡性和復(fù)合構(gòu)件數(shù)據(jù)中心問題上，還有很多的改進空間，下一代數(shù)據(jù)保護技術(shù)是未來數(shù)據(jù)保護市場的主要發(fā)展方向。
3 下一代數(shù)據(jù)保護技術(shù)創(chuàng)新點及推廣應(yīng)用
3.1 技術(shù)創(chuàng)新點
（1）研究了下一代數(shù)據(jù)保護技術(shù)綜合應(yīng)用模型，采用磁盤陣列作為數(shù)據(jù)存儲備份的存儲介質(zhì)，產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)通過存儲即能避免過度占用系統(tǒng)資源，也能避免浪費適應(yīng)性重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)，將冗余的數(shù)據(jù)進行刪除并存儲到磁盤陣列中用以容災(zāi)備份。在大型服務(wù)器和超級計算機系統(tǒng)中部署基于文件的持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(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），并及時將文件的變動以日志的形式進行記錄，產(chǎn)生持續(xù)的日志鏈實現(xiàn)持續(xù)的數(shù)據(jù)保護，實現(xiàn)任意時間點的快速系統(tǒng)恢復(fù)。
（2）在原有持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于文件的持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)，對恢復(fù)時間點附近的數(shù)據(jù)和日志的保存進行了改進，使資源占用和恢復(fù)時間得到均衡，消滅了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)保護技術(shù)中的備份窗口，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的連續(xù)性保護，能夠有效提高系統(tǒng)和數(shù)據(jù)恢復(fù)的RTO和RPO。
（3）本項目針對重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)中數(shù)據(jù)對比檢測算法繁瑣問題，對重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)提出了改進，降低了存儲容量，大大縮短了多種應(yīng)用程序的恢復(fù)時間，減少了對硬件設(shè)備的依賴，同時也降低了耗電量、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)保護技術(shù)綜合應(yīng)用模型中，通過高速網(wǎng)絡(luò)鏈接異地的遠端云存儲設(shè)備，在云災(zāi)備應(yīng)用環(huán)境中，通過遠程數(shù)據(jù)備份軟件，將用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存放在云存儲設(shè)備中，建立自己的遠程備份和容災(zāi)系統(tǒng)，以保證當本地發(fā)生重大災(zāi)難時，可通過遠程備份或遠程容災(zāi)系統(tǒng)進行快速恢復(fù)。
3.2 推廣應(yīng)用
（1）下一代數(shù)據(jù)保護方案，解決了在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)保護系統(tǒng)中，由于數(shù)據(jù)快速增長，特別是云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，導(dǎo)致的運行維護成本高、備份和恢復(fù)效率慢、可靠性低的缺點。
（2）針對持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)和實際數(shù)據(jù)恢復(fù)的需求，研究的基于文件的持續(xù)數(shù)據(jù)保護技術(shù)，消滅了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)保護技術(shù)中的備份窗口，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的連續(xù)性保護，提高了系統(tǒng)和數(shù)據(jù)恢復(fù)的RTO和RPO。
（3）針對重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)中數(shù)據(jù)對比檢測過程問題，對重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)提出改進，降低了存儲容量，大大縮短了多種應(yīng)用程序的恢復(fù)時間，減少了對硬件設(shè)備的依賴，同時也降低了耗電量、冷卻成本和占地面積，提高了資源效率。
（4）利用云存儲進行容災(zāi)備份，是未來數(shù)據(jù)保護技術(shù)的發(fā)展趨勢，客戶可以利用云災(zāi)備快速實現(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)保護技術(shù)經(jīng)濟效益
數(shù)據(jù)安全與保護一直是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心和超級計算中心的研究重點，隨著互聯(lián)網(wǎng)與高性能計算速度的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)幾何級增長、數(shù)據(jù)更新頻繁等特點。現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心和超級計算中心都面臨著快速備份和恢復(fù)的時間點越來越多、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越嚴重等問題，而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護解決方案已經(jīng)無法應(yīng)對數(shù)據(jù)的過快增長以及復(fù)雜性的加劇，取而代之的是下一代數(shù)據(jù)保護（next-generation data protection，NGDP）技術(shù)。
隨著數(shù)據(jù)的快速增長，特別是云計算和物聯(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)的不斷增長也導(dǎo)致數(shù)據(jù)備份窗口和系統(tǒng)恢復(fù)時間的不斷增加，每次的數(shù)據(jù)備份工作占用了大量系統(tǒng)資源，同時也增加了技術(shù)維護人員的工作量。各個數(shù)據(jù)中心和超算中心都在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護技術(shù)基礎(chǔ)上進行
改進，尋求更為高效、節(jié)能的數(shù)據(jù)保護技術(shù)。下一代數(shù)據(jù)保護技術(shù)的興起，解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)保護系統(tǒng)中運行維護成本高、備份和恢復(fù)效率慢、可靠性低的缺點。
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1.科研裝備在科學(xué)發(fā)現(xiàn)活動中的作用
人類在認識自然、探索未知的科學(xué)發(fā)現(xiàn)活動中，始終都離不開從自然界中獲取信息。這種獲取信息的手段和方法有一個從簡單到復(fù)雜的歷史演進過程。在古代，希臘人獲取信息的方法是靠感官直接感知的，并通過猜測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”—本體論設(shè)想，“顯然，在今天看來，古希臘人對萬物運動原因的各種解釋都是臆想，不過勇敢和大膽的探索精神卻使人們驚嘆。因為他們居然在幾千年前企圖用一個人的思想來回答人類全部科學(xué)所追求的東西”。圈‘P49’在近代，自伽利略研制出第一臺望遠鏡開始，人類科學(xué)發(fā)現(xiàn)活動的手段主要依靠科學(xué)儀器和設(shè)備而實現(xiàn)，從而延長了人類的感官，擴大了人們感知自然的范圍和種類，提高了人類對于自然界的感應(yīng)能力和精確度。19世紀末至20世紀初以來，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)，人類科學(xué)發(fā)現(xiàn)活動的視野已從宏觀進入到微觀，從地面延伸到宇觀。這種當代自然科學(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)備為微觀和宇觀領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供了有力的工具和手段。正如國家自然科學(xué)基金委員會主任陳宜瑜院士所說“科學(xué)發(fā)展的歷史表明，一種新的科研儀器或工具，往往成為開辟新研究領(lǐng)域的金鑰匙。”[6J‘P，‘)美國新實驗主義者羅伯特•阿克曼(R.J.AcKermann)早在20世紀80年代就指出“科學(xué)的進步的確是儀器與技術(shù)的進步。更好的儀器與技術(shù)告訴我們同一個世界里更多的東西，因此，它們經(jīng)常迫使理論觀念的改變。”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線衍射法及其X線晶體儀才得以實現(xiàn)的，這一發(fā)現(xiàn)徹底導(dǎo)致了傳統(tǒng)生物學(xué)所認為的生物遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)理論觀念的革命性變革。同樣，在微觀領(lǐng)域里如果沒有由數(shù)萬臺計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的世界規(guī)模最大的粒子對撞機，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。而在宇觀領(lǐng)域里，正是由于有數(shù)字化、信息化、計算機化程度非常高的“好奇”號火星車，美國人才發(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水流淌過的歷史;我國嫦娥二號飛往距地球150萬公里的拉格朗日L2點繞太陽運行，對太陽及其行星進行深空探索，并最終飛往700萬公里遙遠的太空進行高深空探索，這正是由數(shù)字化、信息化、計算機化的現(xiàn)代空間飛行裝備所完成的。總之，在當代自然科學(xué)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)活動中，數(shù)字化、信息化、計算機化的科學(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鏡，從高能加速器到太空站，從粒子碰撞機到遙控遙感技術(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，無不與現(xiàn)代化的科學(xué)儀器息息相關(guān)。同時，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，科技原理的先進程度直接決定著儀器設(shè)備的先進性、可靠性和精密度，而儀器設(shè)備的先進性和精確度又在很大程度決取于其信息化、數(shù)字化和計算機化的程度。所以，運用已有的科技成果，構(gòu)思先進的科技原理，設(shè)計各種不同的技術(shù)原理模型和科學(xué)儀器運行規(guī)則，開發(fā)具有不同特性和功能的軟件控制系統(tǒng)，研制能夠識別各種自然現(xiàn)象的數(shù)字化、信息化和自動化的科學(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，認識的范圍更廣泛，對自然界的物質(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，由于當時沒有驗證這一可疑現(xiàn)象的科學(xué)儀器和設(shè)備，他花費了好幾年的時間才研制出了能夠驗證這一發(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。這一科學(xué)史案例說明了“在儀器精確度不高的早期實驗，理論解釋的分歧往往比較大，但是，‘儀器的進步可消除這些模糊，在那些理論預(yù)期導(dǎo)致觀點分歧的地方，得到共同認可的數(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)和計算機技術(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作原理。它是運用已有的科技成果經(jīng)過理論推導(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)原理的先進性、科學(xué)性和可靠性，作為發(fā)明創(chuàng)造者必須借助于計算機技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)，從網(wǎng)絡(luò)信息和數(shù)據(jù)庫中，了解和掌握最新的科技發(fā)展動態(tài)，搜集與發(fā)明創(chuàng)造對象相關(guān)的科技信息情報資料，尋找和發(fā)現(xiàn)各種科學(xué)原理、技術(shù)知識之間的關(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)其初露出來的技術(shù)端倪，并經(jīng)過理論推導(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。正是由于美國生物學(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)的限制性內(nèi)切酶等科學(xué)理論中所初露出來的技術(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70年代初對基因片段的切割與重組技術(shù)變成現(xiàn)實，而且內(nèi)森斯、伯格所實現(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，搜索和掌握已有的科學(xué)原理和技術(shù)知識，不論是舊有的還是新提出的，只要對發(fā)明創(chuàng)造對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，以實現(xiàn)其設(shè)定的技術(shù)特性和功能，1969年美國阿波羅登月計劃中的飛船技術(shù)原理沒有一項是新發(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)思過程中，把所構(gòu)思出來的技術(shù)原理數(shù)模化，利用超級計算機進行仿真實驗，并通過對數(shù)模化的技術(shù)原理的不斷修改，以達到技術(shù)原理的最優(yōu)化。技術(shù)方法是一種知識形態(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。這種技術(shù)方法的產(chǎn)生不僅需要現(xiàn)代化的科學(xué)儀器和檢測設(shè)備來驗證，其生產(chǎn)制作過程更需要信息化、自動化的生產(chǎn)工藝來完成。作為程序模式等發(fā)明創(chuàng)造成果，它是通過程序化信息的傳遞、加工、處理、變換和控制而實現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的目的性運作，且其信息的傳遞是靠信息符號的識別、認知而進行的，例如一臺數(shù)字化機床、一條現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝、一個管理系統(tǒng)、一個對飛行器之所以能夠?qū)ζ溥M行有效的控制都是通過數(shù)字化、信息化的軟件系統(tǒng)或信息傳遞而實現(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)過構(gòu)思、設(shè)計、創(chuàng)造出來的，更是利用現(xiàn)代化的科學(xué)儀器和檢測設(shè)備通過技術(shù)試驗而獲得的。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、測試一種技術(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，它還不是準備批量生產(chǎn)性的樣機，它僅是一種發(fā)明創(chuàng)造物。在技術(shù)物品的發(fā)明創(chuàng)造過程中，所發(fā)明的技術(shù)物品是否為首創(chuàng)，需要運用現(xiàn)代信息技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和專業(yè)化的圖書資料，搜集相關(guān)的知識性和技術(shù)性的海量信息加以實證。(9J(P4，并把被挖掘出來的數(shù)字或信息，通過嚴密的技術(shù)論證、技術(shù)篩選、技術(shù)組合和技術(shù)推導(dǎo)，經(jīng)過原理構(gòu)思和方案設(shè)計，才能創(chuàng)造出一個數(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)備進行技術(shù)試驗和檢測。這種試驗或檢測不是一次能完成的，它可能需要數(shù)百次乃至上千次，才可能取得滿意的效果。在這樣一個復(fù)雜性的技術(shù)試驗和技術(shù)檢測中，所使用的試驗或檢測的儀器和設(shè)備越先進，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)計中如果我們能夠運用發(fā)明創(chuàng)造的方法(聯(lián)想法、類比法、仿生法、綜合法、轉(zhuǎn)移法、經(jīng)驗法等)，并借助于以D技術(shù)(計算機輔助設(shè)計技術(shù))和計算機仿真實驗的方法，必然會提高發(fā)明創(chuàng)造物構(gòu)思設(shè)計的質(zhì)量和速度。
3.科研裝備在技術(shù)創(chuàng)新活動中的作用
技術(shù)創(chuàng)新是一個由原理構(gòu)思、方案設(shè)計、技術(shù)試驗、產(chǎn)品試制、技術(shù)鑒定、產(chǎn)品制造、市場銷售等環(huán)節(jié)構(gòu)成的復(fù)雜性過程。技術(shù)創(chuàng)新的成功，不僅取決于技術(shù)原理構(gòu)思的先進性和技術(shù)方案設(shè)計的科學(xué)性，而且取決于在技術(shù)試驗和產(chǎn)品研制中所使用的儀器、設(shè)備等研發(fā)設(shè)施的先進性和精密度。一般說來，在技術(shù)試驗、產(chǎn)品試制和技術(shù)鑒定過程中所使用的儀器和設(shè)備，數(shù)字化、信息化、計算機化程序越高，其精密度、準確性也就越高。因為，只有這樣才能對新產(chǎn)品、新工藝、新材料的硬度、強度、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)給予準確的測試。〔“〕‘P•助同時，技術(shù)試驗等過程中所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)需要借助于現(xiàn)代化的超級計算機進行數(shù)理統(tǒng)計和分析處理，甚至需要運用超級計算機進行仿真試驗。這種復(fù)雜性的技術(shù)試驗、試制和鑒定對于一些大中型企業(yè)在開發(fā)技術(shù)密集性產(chǎn)品過程中顯得尤為重要。因此，研制先進的科學(xué)儀器和設(shè)備，構(gòu)思和設(shè)計數(shù)字化的測試系統(tǒng)，加強對技術(shù)試驗本身所使用的儀器、設(shè)備的研究與開發(fā)，不斷提高其數(shù)字化、計算機化和自動化的程度，不僅是我們在技術(shù)創(chuàng)新活動中的一個基礎(chǔ)性裝備問題，也是當今科學(xué)儀器的研發(fā)向著“多功能、自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展”。在產(chǎn)品制造過程中，計算機輔助制造(CAM)技術(shù)是當代社會制造業(yè)領(lǐng)域的核心技術(shù)。它不僅能夠提高勞動生產(chǎn)率，而且對降低勞動生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量都是至關(guān)重要的。正因為如此，目前在全球范圍內(nèi)正在廣泛開展著對數(shù)字化機床、計算機控制下的生產(chǎn)工藝流程等自動化生產(chǎn)設(shè)備的軟件開發(fā)和工藝研制。從本質(zhì)上講，生產(chǎn)自動化就是在計算機控制下的信息接收、傳遞、加工和處理(轉(zhuǎn)換)的程序化過程，只要我們善于構(gòu)思，開發(fā)出適用于特定產(chǎn)品生產(chǎn)的計算機軟件，并經(jīng)過精心的工藝設(shè)計，我們就不難研制出具有特定功能的生產(chǎn)工藝和數(shù)字化機床。〔同時，我們應(yīng)該看到，一種以軟件開發(fā)、產(chǎn)品工藝設(shè)計和計算機管理活動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，運用現(xiàn)代計算機技術(shù)和信息技術(shù)，組建數(shù)字化的自動控制系統(tǒng)，加強對技術(shù)創(chuàng)新生產(chǎn)過程中所使用的勞動生產(chǎn)工具的信息化、數(shù)字化、計算機化和自動化水平的研究，是我們提高“中國制造”產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是我們變“中國制造”為“中國創(chuàng)造”的必經(jīng)之路。
作者：陳九龍 單位：西安交通大學(xué)
1新形勢下的計算機技術(shù)
計算機應(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)勢較多，計算能力突出，已經(jīng)對我國社會經(jīng)濟發(fā)展做出巨大貢獻。而程序設(shè)計、計算機維護、計算機管理，都少不了計算機智能化設(shè)備的支持。當下較為常見的計算機包含嵌入式計算機網(wǎng)絡(luò)計算機、超級計算機工程控制計算機等，而在時代前沿，光子計算機和生物計算機的應(yīng)用還有待推廣。實際應(yīng)用中要求相應(yīng)操作人員能夠掌握計算機應(yīng)用技術(shù)的核心技術(shù)，同時自身有扎實的計算機理論基礎(chǔ)和相應(yīng)的使用經(jīng)驗，可以對信息進行分析、處理、歸納，還可以利用計算機軟件系統(tǒng)完成一些復(fù)雜信息的處理工作。要求對應(yīng)操作人員能靈活應(yīng)變，根據(jù)行業(yè)不同單位不同，針對其訴求，對信息優(yōu)化整合，以網(wǎng)絡(luò)渠道傳播信息，滿足實際需求，發(fā)揮計算機應(yīng)用技術(shù)的最大化價值。
2計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展狀況
計算機應(yīng)用技術(shù)以及自身的優(yōu)勢受到大眾追捧，各行各業(yè)都引進了相應(yīng)的計算機技術(shù)。但是相較于西方發(fā)達國家，我國對計算機應(yīng)用技術(shù)的研究領(lǐng)域還處于冰山一角，我國對該技術(shù)的研究時間較晚，雖投入大量精力，但整體發(fā)展仍和西方發(fā)達國家存在一定差距。此外，計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展還受到我國東西部地區(qū)經(jīng)濟差異影響，在東部地區(qū)普及率高，而在西部地區(qū)普及率較低。由于人們對計算機應(yīng)用技術(shù)的使用需求，計算機硬件設(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)化計算機應(yīng)用技術(shù)，滿足市場需求。在計算機應(yīng)用技術(shù)人才方面，我國整體展現(xiàn)出來的狀況是缺乏高專業(yè)水平的應(yīng)用型人才，這就導(dǎo)致我國計算機應(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算機搜索相關(guān)資訊，完成簡單操作，但這僅限于滿足日常生活行業(yè)發(fā)展需要，專業(yè)化的人員完成安全維護工作，故障處理工作等專業(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，還要能夠針對客戶的要求，開發(fā)有創(chuàng)意的軟件、開發(fā)功能性較強的硬件，為客戶提供優(yōu)質(zhì)化的服務(wù)。
3新形勢下計算機應(yīng)用技術(shù)如何實現(xiàn)創(chuàng)新
3.1進一步強化專業(yè)人員綜合素質(zhì)
時代在不斷發(fā)展，我國計算機應(yīng)用技術(shù)也會不斷發(fā)展，但其發(fā)展必須依靠有專業(yè)能力且綜合素質(zhì)較強的優(yōu)秀團隊，以此為計算機應(yīng)用技術(shù)發(fā)展提供源源不斷的力量。基于此，需不斷強化專業(yè)人員綜合素質(zhì)，滿足技術(shù)發(fā)展要求。相應(yīng)的，研發(fā)機構(gòu)可針對機構(gòu)現(xiàn)有人員的綜合素質(zhì)，為人員安排具有針對性和側(cè)重點的培訓(xùn)，將國外發(fā)達國家的先進計算機應(yīng)用技術(shù)引進研究機構(gòu)中，引導(dǎo)科研人員對其攻破學(xué)習(xí)，并結(jié)合我國社會的發(fā)展狀況，創(chuàng)新為適應(yīng)我國經(jīng)濟發(fā)展規(guī)律的全新技術(shù)。此外，要對計算機領(lǐng)域出現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)和信息給予重視，將國際前沿的研發(fā)理念及技術(shù)引入到實際的研究創(chuàng)新中，跟上國際上相關(guān)技術(shù)的發(fā)展步伐。此外，在人員聘用上，要求研究機構(gòu)優(yōu)先對高學(xué)歷專業(yè)對口的技術(shù)人員優(yōu)先錄取，在人員聘用上開出較高的薪資待遇，以吸引綜合素質(zhì)較高的專業(yè)技術(shù)人員加入研究團隊，實現(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)機構(gòu)建立合作關(guān)系，聘請計算機專業(yè)人員到公司開展教學(xué)講座，通過交流和協(xié)商的方式，進一步提高公司員工綜合素質(zhì)。必要情況下，可以針對研發(fā)各個階段的要求，吸收一些國外研發(fā)工作人員，壯大公司實力也打破計算機技術(shù)創(chuàng)新瓶頸。
3.2強化應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新
計算機應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)對我們正常的工作和生活造成巨大的影響，且這個影響還在不斷加深，經(jīng)濟發(fā)展和生活水平不斷提高，使得人們對計算機業(yè)務(wù)技術(shù)的要求逐漸嚴格。在此背景下，對應(yīng)工作人員需全面了解計算機應(yīng)用技術(shù)，將應(yīng)用技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)+結(jié)合，開展新型計算機應(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，但實際成本較低的技術(shù)為基礎(chǔ)，如半導(dǎo)體技術(shù)、封裝技術(shù)、裝配技術(shù)等，對現(xiàn)有的領(lǐng)域進行革新，在將其應(yīng)用到計算機應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中。也可以將時代前沿快至人口的一些技術(shù)和計算機應(yīng)用技術(shù)結(jié)合，如人工智能、人機交互、超級計算、嵌入式技術(shù)等，以此充分提高計算機性能，為用戶提供良好的操作體驗。此外，可以將先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，云計算，云儲存技術(shù)應(yīng)用到，實際的操作管理工作中去，構(gòu)建新時期網(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)實現(xiàn)對整體生產(chǎn)過程的監(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。再比如，在手機研發(fā)中，可針對不同受眾的使用需求，開發(fā)智能機型，對APP進行優(yōu)化，實現(xiàn)智能服務(wù)、精準服務(wù)、個性化服務(wù)。在醫(yī)療領(lǐng)域則可以利用人工智能技術(shù)，對一些醫(yī)療影像數(shù)據(jù)實現(xiàn)極速分析，設(shè)備對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)。一些計算機應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，甚至?xí)ξ磥砉ぷ鬈壽E造成重大影響，例如語音識別技術(shù)可強化人工智能虛擬助理研發(fā)，大大提高人們生活質(zhì)量。比如以語音識別技術(shù)應(yīng)用，在醫(yī)療領(lǐng)域可構(gòu)建全新電子病歷，配備對應(yīng)的網(wǎng)站，使患者可以足不出戶的和醫(yī)生進行面對面交流，了解醫(yī)囑、也了解對應(yīng)的檢查結(jié)果。現(xiàn)階段研發(fā)人員還需對以往的計算機應(yīng)用技術(shù)有足夠的經(jīng)驗，了解市場變化和社會需求，分析不同區(qū)域，不同行業(yè)的不同需求，從而研發(fā)出有針對性或應(yīng)用性較全面的軟件。同時，計算機系統(tǒng)的脆弱性及安全風險也是不能忽略的，技術(shù)研發(fā)需考慮到信息篡改，信息泄露可能對使用者造成的巨大損失，從而針對非法使用資源，網(wǎng)絡(luò)資源錯誤等作出調(diào)整，設(shè)計好計算機系統(tǒng)的安全防護。例如可以將先進的人臉認證技術(shù)和聲音認證技術(shù)引入到信息管理系統(tǒng)當中，只有對應(yīng)使用者按照要求驗證之后才能查閱信息。針對一些企業(yè)的核心研發(fā)技術(shù)，其對計算機系統(tǒng)的安全等級要求較高，可以在該類系統(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)，且通過驗證才能夠解讀相關(guān)信息。即使如此，也要注重防火墻技術(shù)的研發(fā)，不斷引進入侵檢測，做好病毒預(yù)防，不斷更新防火墻。
3.3強化人才培養(yǎng)
在全新時展背景影響下，計算機的操作和軟件逐漸向多元化和智能化方向進一步加深發(fā)展，相應(yīng)的信息產(chǎn)業(yè)對其操作人員的專業(yè)化水平要求越來越高，社會用人單位的要求標準門檻也提高了，工作人員的計算機操作水平，互聯(lián)網(wǎng)思維需達到一定程度，才能更好地生存。而同時計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，也需要源源不斷的專業(yè)化人才。故需進一步強化人才培養(yǎng)。高職院校是國家技術(shù)性人才輸送的重要場所之一，通過高職院校的教育，可以教給學(xué)生更多更專業(yè)的操作技術(shù)，從而直接滿足社會各行各業(yè)的發(fā)展需求。當下眾多高職院校已認識到自身的責任和義務(wù)，其積極開展計算機應(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算機技術(shù)的實踐方面，強化校企合作，積極建設(shè)實踐基地，開展實踐教學(xué)。在此基礎(chǔ)上，高職院校還應(yīng)對計算機技術(shù)教學(xué)體系進行創(chuàng)新，進一步開展學(xué)校和校外計算機企業(yè)的合作交流，注重樹立學(xué)生的互聯(lián)網(wǎng)思維，不斷拓寬學(xué)生的認知，讓學(xué)生能夠運用自身掌握的技術(shù)進行創(chuàng)新。此外，相應(yīng)企業(yè)單位也要重視強化人才培養(yǎng)，主動和高職院校進行合作，開展人才定向培養(yǎng)班，派遣專業(yè)的技術(shù)人員擔當實訓(xùn)教師，為學(xué)生提供切實且專業(yè)的計算機應(yīng)用教學(xué)。計算機應(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業(yè)人才，多多培養(yǎng)，致力于提高自身軟件技術(shù)開發(fā)實力。
關(guān)鍵詞：大學(xué)計算機基礎(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代，社會對人才的信息技術(shù)能力的需求不斷提高。計算機應(yīng)用能力已成為社會衡量一個人全面素質(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)的基本理論知識以及運用信息技術(shù)處理實際問題的基本思維和規(guī)律”。因此，大學(xué)計算機基礎(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)的理論和實踐基礎(chǔ)，提高學(xué)生的計算機應(yīng)用能力和綜合素質(zhì)[1]。
筆者在近十年的計算機基礎(chǔ)教學(xué)中體會到“教就是學(xué)”。從學(xué)生的興趣出發(fā)，找到理論與實踐的結(jié)合點，引導(dǎo)學(xué)生進入學(xué)習(xí)的自由王國，是教與學(xué)的最好方法。基于此理念，下面詳細闡述課堂教學(xué)與組織的具體措施和方法。
1依托精品課程網(wǎng)站，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化自由學(xué)習(xí)
哈佛大學(xué)曾強調(diào)，學(xué)校要賦予學(xué)生三個“法寶”，即給學(xué)生學(xué)習(xí)上選擇的自由；使學(xué)生在所擅長的學(xué)科上有施展才華的機會；使學(xué)生的學(xué)習(xí)從被動行為轉(zhuǎn)化為自主行為，讓學(xué)生從對教師的依賴和從屬關(guān)系中解放出來。學(xué)生只有變成學(xué)習(xí)主體，其主觀能動性和無限的潛力才會被充分激活[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，能夠為學(xué)生提供自由學(xué)習(xí)的環(huán)境[4]。
我校“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”課程于2009年被評為省精品課程。在教學(xué)中，筆者依托精品課程網(wǎng)絡(luò)平臺，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，為了加強和促進網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，筆者主要做以下幾方面的工作：
1) 通過思想教育和啟發(fā)，轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)觀念，讓學(xué)生具有自我學(xué)習(xí)意識，提高學(xué)習(xí)動機。
2) 教會學(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；通過專題講座，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、在線作業(yè)、在線答疑等。我們一直不斷組織教師擴充實驗內(nèi)容，提供參考資料，編寫在線作業(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。
通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生們可以預(yù)先學(xué)習(xí)相關(guān)課程的知識。在不到一年的時間內(nèi)，大學(xué)計算機基礎(chǔ)精品課程的訪問率達到了3萬人次以上，有效地實現(xiàn)了學(xué)生的自由學(xué)習(xí)。
2小組學(xué)習(xí)、分層教學(xué)，實現(xiàn)因材施教
隨著計算機教育的普及，中學(xué)的信息課已經(jīng)使學(xué)生對計算機有一定的認識，學(xué)生不再是“零起點”，而且，不同地區(qū)由于教育資源的差異，學(xué)生的計算機基礎(chǔ)參差不齊，這已成為計算機基礎(chǔ)課程任課教師教學(xué)組織中的一個難題。在教學(xué)中，筆者采取了以下措施解決此問題。
2.1小組學(xué)習(xí)制
組織形式：五人一組，小組長負責制，以小組為單位進行檢查和輔導(dǎo)。
選擇基礎(chǔ)較好的學(xué)生任組長，由組長和學(xué)生進行雙向選擇確定組員。實行分組學(xué)習(xí)后，學(xué)習(xí)效果得到提高。學(xué)生在課后實驗總結(jié)上寫道：“分組后，不會的問題可以馬上問組長，基本上能完成任務(wù)了，覺得上課蠻有意思的，現(xiàn)在計算機課程是我大學(xué)里最有趣的課……”。究其原因，在于小組學(xué)習(xí)體現(xiàn)和促進了學(xué)生學(xué)習(xí)的自尊心和小組長的責任心，因此，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯高漲。實行小組長制后一個月內(nèi)，學(xué)生95%都能按時完成任務(wù)，在實行小組長制后兩個月，50%以上的同學(xué)取得了很大進步，不需要組長指導(dǎo)也能按時完成任務(wù)。
2.2分層教學(xué)，對不同學(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？為了解決這一問題，在教學(xué)時，筆者將教學(xué)內(nèi)容分為“基礎(chǔ)級”和“提高級”，學(xué)生根據(jù)自身能力選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容和目標。表1為計算機軟件系統(tǒng)部分知識模塊的分層內(nèi)容。
基于“案例教學(xué)”和“任務(wù)驅(qū)動”模式教學(xué)時，辦公軟件Office 2007的每次實驗課程都準備了兩份案例，一份是達到教學(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)實驗和設(shè)計型實驗相結(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理論與實踐相結(jié)合，實現(xiàn)興趣驅(qū)動的自主學(xué)習(xí)
前不久，安徽11位教授給教育部長和全國教育界發(fā)出了一封題為“讓我們直面‘錢學(xué)森之問’”的公開信，引發(fā)了一場全國范圍的大討論。無論在哪個時代，培養(yǎng)杰出人才的基本規(guī)律都沒有發(fā)生根本變化。他們必須具有獨立思考的品質(zhì)、從實際出發(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)問題并能夠找到解決問題的途徑和方法。學(xué)生的探索精神和求真欲望從哪里來？興趣是最好的老師，也是最持久的學(xué)習(xí)動力。
3.1教學(xué)與實踐相結(jié)合
例如，在計算機硬件系統(tǒng)組成的教學(xué)過程中組織一次市場調(diào)查任務(wù)。學(xué)生調(diào)查完后，上交調(diào)查報告和調(diào)查時所得的配置單。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，詳細講解相關(guān)的計算機配置參數(shù)，并以拍賣的形式要求學(xué)生對每一份配置單進行估價，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業(yè)參數(shù)和性價比等知識。每一階段的學(xué)習(xí)結(jié)束后，選擇一部分學(xué)生的優(yōu)秀實驗作品，進行演示和展示，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中獲得了較大的滿足感和成就感，學(xué)習(xí)興趣更加高漲。
3.2教學(xué)與時事相聯(lián)系
目前，教材內(nèi)容很難做到與計算機技術(shù)的最新發(fā)展同步，作為教學(xué)主導(dǎo)方的教師應(yīng)該不斷動態(tài)跟蹤計算機技術(shù)的新發(fā)展、新方向，及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，將最新的知識傳授給學(xué)生，以彌補教材內(nèi)容滯后的不足。例如，“天河一號”超級計算機從一開始被報道，到亞洲第一、全球第五，最后技術(shù)升級優(yōu)化躍居世界第一，筆者都在課堂上進行介紹，既讓學(xué)生認識了超級計算機，又加深了運算速度等理論，還增強了學(xué)生的愛國熱情。再如，筆者在講解互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時，與學(xué)生展開“網(wǎng)站如何盈利”的課堂討論，以百度“鳳巢”事件的原因為例，給學(xué)生上了一堂生動的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用課。學(xué)生覺得學(xué)到了有用的知識，就會一直保持學(xué)習(xí)的興趣。
4教學(xué)中“留白”，實現(xiàn)創(chuàng)新研究型學(xué)習(xí)
隨著信息技術(shù)對人們生活和對社會的影響日益深入，社會對大學(xué)生信息技術(shù)的要求不再是簡單的文字處理，而是要具備較好的計算機操作能力、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)能力是比傳授書本知識更重要的任務(wù)。
4.1培養(yǎng)自學(xué)能力
計算機基礎(chǔ)課程是一門實踐性很強的課程，也是一門知識更新快、開放型的課程，涉及的知識面比較廣，內(nèi)容比較多。由于學(xué)時有限，不可能講授所有的知識點，因此，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力既是長遠要求，也是教學(xué)需要。
自學(xué)計算機操作的一個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)會看指導(dǎo)書，就是“授人以漁”。例如，在詳細講解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，提供一個好的案例，使學(xué)生自學(xué)有參照和動力。另外，指導(dǎo)學(xué)生看每個軟件的“幫助”文檔，也是培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力的手段之一。
4.2采用開放式教學(xué)內(nèi)容
非計算機專業(yè)的計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)不同于計算機專業(yè)，也不同于普通的計算機操作職業(yè)培訓(xùn)。教學(xué)內(nèi)容的選取對學(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：
1) 不局限于微軟的產(chǎn)品。例如，在講解操作系統(tǒng)時，將Windows、MS-DOS、Linux三個系統(tǒng)的基本操作進行對比。既可以避免產(chǎn)品式教學(xué)，又能加深學(xué)生對操作系統(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CPU時的進程調(diào)度和雙核CPU的進程調(diào)度，要求學(xué)生了解最新的CPU性能和相關(guān)技術(shù)。這樣，既能開闊學(xué)生眼界，還能提高對本課程的知識理解。
5結(jié)語
教師是教學(xué)的設(shè)計者，是決定教學(xué)成功的關(guān)鍵因素之一。作為大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)的教師，需要對計算機科學(xué)的知識體系有較全面的了解，并在教學(xué)中高屋建瓴，結(jié)合學(xué)生實際，將其融會貫通，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得到學(xué)生的認可和歡迎，課堂教學(xué)獲得了學(xué)校教學(xué)簇擁活動二等獎，和2010年湖南省教學(xué)成果三等獎。社會越來越需要既熟悉專業(yè)又掌握信息技術(shù)的復(fù)合型人才。如何在有限課時的情況下夯實學(xué)生的計算機基礎(chǔ)，提高他們的計算機應(yīng)用能力是我們下一步課程改革的主題。
參考文獻：
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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歲生日過后四個月，Core i7出現(xiàn)了。這塊CPU包含了7.3億個晶體管，是英特爾第一塊CPU晶體管數(shù)量的32萬倍。走到這一步，英特爾只花了不到40年時間。
英特爾或者AMD老牌芯片生產(chǎn)商的歷史，可以看做是個人計算機行業(yè)發(fā)展史的一個縮影。從1971年英特爾開發(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)十萬倍，價格卻沒有變化太多。如果汽車行業(yè)也像CPU技術(shù)的發(fā)展一樣，現(xiàn)在每輛汽車的售價可能只有一毛錢。
1975年，比爾?蓋茨在報攤上看到一本《大眾電子學(xué)》雜志的封面廣告。就是這個廣告讓他退學(xué)創(chuàng)業(yè)，最終構(gòu)建了龐大的微軟帝國。當時那個廣告上有一個方頭方腦的盒子，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-蓋茨看到了未來的計算機發(fā)展方向：體積小，速度快，而且售價便宜。
在比爾?蓋茨和保羅?艾倫專注于這種新生事物的時候。英特爾其他的芯片制造商正在開發(fā)新的CPU。更快，更便宜，更多晶體管。
硬件和軟件開始相互追趕，更快的硬件上運行著更強大的軟件，更強大的軟件又需要更快的硬件。兩股線緊緊擰在一起，個人計算機的時代來到了。
新的更快的CPU源源不斷地被設(shè)計和制造出來。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100萬顆晶體管，計算機的功能也開始日益多元化。除了數(shù)字計算和文字處理之外，影音娛樂也開始成為人們選擇計算機的重要考慮因素。
國內(nèi)計算機用戶最初的記憶，大都和286或者蘋果的AppleⅡ有關(guān)。當年抱著幾盒5寸軟盤匆匆往返于學(xué)校機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。計算機更新?lián)Q代的速度越來越快，現(xiàn)在除了倉庫堆滿灰塵的角落或者博物館里。其他地方很少能見到那些當年讓我們魂牽夢縈的老古董。想想看，才不過是20多年時間。
20多年的時間，對于IT行業(yè)來說，卻猶如傳統(tǒng)行業(yè)的一個世紀般長久。
從286開始，個人計算機行業(yè)開始駛上了快車道。CPU的主頻開始以百萬赫茲為單位，進而變成了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，變成27萬、120萬、2000萬、8000萬，直到上億：單個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，誰還能離得開計算機?
現(xiàn)在的45納米制程CPU，絕緣層只有五個原子厚。要進一步提高CPU的運算速度，需要考慮別的辦法。例如在一塊CPU中安裝多個計算核心，以數(shù)量換取速度。英特爾的首席技術(shù)官說，多核是未來的發(fā)展方向。
2005年，多核CPU奔騰D出現(xiàn)了。2006年上市的被網(wǎng)友們親切地稱為“扣肉2”的Core 2，采用和奔騰3―脈相承的技術(shù)，讓多個計算核心協(xié)同工作。個人計算機的計算能力已經(jīng)超過30年之前的超級計算機。
更逼真的游戲畫面、更清晰的高清電影，這是對個人用戶最大的誘惑。畢竟計算機早已經(jīng)成為生活中不可缺少的工具，而人們的期望永遠沒有止境。更多，更快，更強。計算機展示給我們的另一個世界，讓人們開始分不清現(xiàn)實和虛擬。
