计算机软件技术本原、现状与未来.ppt

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1、计算机软件的本原、现状与未来段银田2009.07一、背景 技术进步和潜在（预期）需求是构成一技术进步和潜在（预期）需求是构成一切重大科学变革的原动力。切重大科学变革的原动力。2121世纪计算机将世纪计算机将从元器件到它的组成原理、体系结构以及软从元器件到它的组成原理、体系结构以及软硬件形态等方面，经历一场重大的革命性变硬件形态等方面，经历一场重大的革命性变革。其原动力是：革。其原动力是：集成电路发展所带来的困惑与希望集成电路发展所带来的困惑与希望 人工智能已显示出强烈的潜在需求人工智能已显示出强烈的潜在需求 集成电路发展所带来的困惑 19581958世界上出现第一个把世界上出现第一个把5 5个

2、晶体管扁平化、集成化的个晶体管扁平化、集成化的硅集成电路，掀起了硅集成电路，掀起了“硅集成电路硅集成电路”革命热。革命热。19651965年摩尔定律的提出年摩尔定律的提出,并被后来的实践并被后来的实践所印证。集成所印证。集成电路技术成为电路技术成为2020世纪最伟大的发明之一。世纪最伟大的发明之一。20082008年集成电路线宽采用了年集成电路线宽采用了4545纳米技术，整机运算速度纳米技术，整机运算速度达到达到10001000万亿次秒。万亿次秒。注：中国曙光注：中国曙光60006000首次采用国产龙芯首次采用国产龙芯CPUCPU，将在，将在20102010年问世，年问世，10001000万亿

3、次秒（差距两年）。万亿次秒（差距两年）。20082008年中国采用年中国采用9090纳米技术，纳米技术，INTELINTEL采用采用4545纳米技术（差两代，中间是纳米技术（差两代，中间是6565纳米技术）。纳米技术）。纳米技术带来的困惑纳米技术带来的困惑:摩尔定律会终结吗？摩尔定律会终结吗？新一代计算机技术将化解由此带来的困惑！新一代计算机技术将化解由此带来的困惑！摩尔定律会终结吗？预计到预计到20122012年，集成电路的线宽将小于年，集成电路的线宽将小于10nm10nm，只相当于，只相当于若干个分子直径的大小。到那时，材料的几何形态、理化性若干个分子直径的大小。到那时，材料的几何形态、理

4、化性能将发生质的变化；此外，由于线宽变窄会导致电路故障率能将发生质的变化；此外，由于线宽变窄会导致电路故障率急剧上升，从而给故障监测带来了新的难题。急剧上升，从而给故障监测带来了新的难题。因此，预计当线宽达到采用光电刻蚀技术进行细分的极因此，预计当线宽达到采用光电刻蚀技术进行细分的极限时，摩尔定律要么终结，要么在某些全新技术支持下仍保限时，摩尔定律要么终结，要么在某些全新技术支持下仍保持有效！持有效！注：注：纳米和介观世界纳米和介观世界。介观意指介于宏观和微观之间。介观意指介于宏观和微观之间。纳米是介观纳米是介观世界尺度的度量单位，世界尺度的度量单位，1 1纳米等于十亿分之一米，是人类毛发直径

5、的万分纳米等于十亿分之一米，是人类毛发直径的万分之一，是可见光最短波长的四百分之一。这是一个比微观尺度之一，是可见光最短波长的四百分之一。这是一个比微观尺度(原子大小原子大小为为0.10.1纳米纳米)大，又比宏观尺度大，又比宏观尺度(微米微米,光学显微镜分辨极限光学显微镜分辨极限)小的世界。小的世界。人工智能展示潜在需求计算机自始至终都是围绕着对人类智能的 模仿 创造 和 代替这一目标创新和发展的。认识人的智能 人是有智能的，人的智能表现为对信息人是有智能的，人的智能表现为对信息的识别能力、超越能力和综合处理能力。的识别能力、超越能力和综合处理能力。例如，人可以越过许多中间信息识别事例如，人可

6、以越过许多中间信息识别事物而不贻误工作和学习。这种情况经常发生物而不贻误工作和学习。这种情况经常发生在对动态目标的观察和阅读过程中。在对动态目标的观察和阅读过程中。再如，当正常人处在紧急状态下或复杂再如，当正常人处在紧急状态下或复杂的环境中时，能够迅速作出反应和决策。表的环境中时，能够迅速作出反应和决策。表现出对复杂信息的综合处理能力。现出对复杂信息的综合处理能力。人工智能的概念 人工智能是探索和模拟人类智能规律的科学。人工智能是探索和模拟人类智能规律的科学。例例1.1.图灵实验（简述）图灵实验（简述）:把一台终端机同时与把一台终端机同时与远方的一台由人操纵的设备和一台计算机相连（此远方的一台

7、由人操纵的设备和一台计算机相连（此环境对终端机操作员透明），当操作员通过终端向环境对终端机操作员透明），当操作员通过终端向远方对象发出相同的一组询问后，如果在它们的反远方对象发出相同的一组询问后，如果在它们的反馈答案中有半数以上操作员分辨不出两者的差别，馈答案中有半数以上操作员分辨不出两者的差别，那么就说那台计算机是有智能的。那么就说那台计算机是有智能的。例例2.2.演义图灵实验演义图灵实验:暗设人暗设人机对弈赛局。机对弈赛局。人工智能人工智能定义：定义：人工智能是使机器去做某些如人工智能是使机器去做某些如果由人来做是需要智能的事情的科学（明斯基）果由人来做是需要智能的事情的科学（明斯基）人工

8、智能的期盼 科学家们科学家们 对人工智能的对人工智能的期盼期盼 预示了预示了 计算机技术产生重大变革的计算机技术产生重大变革的 潜在需求潜在需求 听听他们是怎么说的。听听他们是怎么说的。斯蒂芬霍金认为：“就像人类可以凭借其高超的捣弄数字的能力就像人类可以凭借其高超的捣弄数字的能力来设计计算机一样，智能机器将创造出性能更好的来设计计算机一样，智能机器将创造出性能更好的计算机。最迟到计算机。最迟到2121世纪中叶（可能还要快得多）计世纪中叶（可能还要快得多）计算机的智能也许会超出人类的理解能力算机的智能也许会超出人类的理解能力”。也有不少科学家断言，智能机器的智慧会迅速也有不少科学家断言，智能机器

9、的智慧会迅速超过爱因斯坦和霍金智慧的总和。超过爱因斯坦和霍金智慧的总和。注注 斯蒂芬斯蒂芬霍金：创立宇宙之始是霍金：创立宇宙之始是“无限密度的一点无限密度的一点”理论，并理论，并撰写撰写时间简史时间简史的的英国著名数学家、物理学家、宇宙学家。著名数学家、物理学家、宇宙学家。罗伯特纽纳姆预测：宾夕法尼亚州立大学的材料学家罗伯特宾夕法尼亚州立大学的材料学家罗伯特纽纳纽纳姆预测，硅甚至会产生多种新的生命形式。其优势姆预测，硅甚至会产生多种新的生命形式。其优势在于它不会死亡，并拥有难以想象的智能。这有可在于它不会死亡，并拥有难以想象的智能。这有可能启发科学家制造出能启发科学家制造出“拥有可以超越所有生

10、物共同拥有可以超越所有生物共同意识意识”的的人人硅复合生命形式。硅复合生命形式。需要指出的是，不同的生命形式对世界会产生需要指出的是，不同的生命形式对世界会产生不同的理解。不同的理解。例如，能看见无线电波、可以倾听星光的生物例如，能看见无线电波、可以倾听星光的生物对于现实世界的理解将和人类截然不同。这也激发对于现实世界的理解将和人类截然不同。这也激发人们去研制对自己人们去研制对自己“透明透明”的人造大脑的想法。的人造大脑的想法。日本德加里斯认为：日本高级通信技术国际研究所硅脑制造日本高级通信技术国际研究所硅脑制造工程的负责人工程的负责人雨果雨果德加里斯确信，他创造德加里斯确信，他创造的东西可能

11、会把他自己像苍蝇一样拍死，这的东西可能会把他自己像苍蝇一样拍死，这种想法一直搅得他心绪不宁。种想法一直搅得他心绪不宁。人造大脑的优势还在于，其体积将不像人造大脑的优势还在于，其体积将不像人脑那样，受到头盖骨大小的限制。人脑那样，受到头盖骨大小的限制。英国亚历山大嘲弄说：那种认为智能机器怀有恶意的想法，是假设智能机器那种认为智能机器怀有恶意的想法，是假设智能机器的行为方式与人类非常接近，的行为方式与人类非常接近，具有人类的弱点和所有的特具有人类的弱点和所有的特征，征，这是一种错误的假设。这是一种错误的假设。他认为，争夺领土和配偶是人类残暴和虐待低级生命他认为，争夺领土和配偶是人类残暴和虐待低级生

12、命形态的两个主要原因。而没有性别又知道自己是机器，并形态的两个主要原因。而没有性别又知道自己是机器，并能相对永远存在的能相对永远存在的“生物生物”，定会与事无争。，定会与事无争。因此，具有超级智能的机器一旦认为，自己不适宜与因此，具有超级智能的机器一旦认为，自己不适宜与人类共同生存在地球上，它们也许会在自己的身上建造一人类共同生存在地球上，它们也许会在自己的身上建造一圈助推器，然后飞向太空。圈助推器，然后飞向太空。美国库茨魏尔预言：雷蒙德雷蒙德库茨魏尔预计库茨魏尔预计，到到20202020年，人造大脑年，人造大脑将达到人类将达到人类“湿件湿件”的水平。他认为，的水平。他认为，1010亿个人脑亿

13、个人脑的处理能力将能被压缩到的处理能力将能被压缩到1 1立方英寸的量子电路中。立方英寸的量子电路中。库茨魏尔预计，到库茨魏尔预计，到20252025年之后，机器人将代替年之后，机器人将代替人类在工厂和农场中工作。人类在工厂和农场中工作。库茨魏尔甚至认为，到库茨魏尔甚至认为，到20992099年将只有很少一部年将只有很少一部分人仍然保留着生物躯体。大多数人将把自己的思分人仍然保留着生物躯体。大多数人将把自己的思想转换成量子电路想转换成量子电路结果就可以获得结果就可以获得“永生永生”。人脑的复制 按照科学家们的幻想，人脑作为地球上最聪按照科学家们的幻想，人脑作为地球上最聪明东西的日子已经不多了。明

14、东西的日子已经不多了。到那时，一台体积不到那时，一台体积不大的计算机将拥有人脑的处理能力。大的计算机将拥有人脑的处理能力。20122012年之后，奇异的年之后，奇异的量子芯片和生物芯片量子芯片和生物芯片有有望取得突破性进展。这种新型的芯片将不像硅芯望取得突破性进展。这种新型的芯片将不像硅芯片那样拥有线宽，新型芯片没有线宽，并具有高片那样拥有线宽，新型芯片没有线宽，并具有高度并行处理信息的能力。度并行处理信息的能力。因此预计，完全复制人脑并不需要很久。因此预计，完全复制人脑并不需要很久。生命本质也将发生变化 未来，超级人造大脑将改变人类的生活方式。未来，超级人造大脑将改变人类的生活方式。原本在自

15、然科学、工程科学、医学，乃至社会学领原本在自然科学、工程科学、医学，乃至社会学领域中某些难以解决的问题将变得非常容易。域中某些难以解决的问题将变得非常容易。预计到本世纪中叶，人类生命的本质也会发生预计到本世纪中叶，人类生命的本质也会发生某些变化。某些变化。神经植入技术将大大扩展人类的知识领神经植入技术将大大扩展人类的知识领域和思考能力，并开始向一种域和思考能力，并开始向一种“人一机复合体人一机复合体”的的形态过渡，这种复合体形态的出现、发展和不断完形态过渡，这种复合体形态的出现、发展和不断完善，善，将会使人类逐渐减少乃至最终停止对生物躯体将会使人类逐渐减少乃至最终停止对生物躯体的依赖。的依赖。

16、二、现阶段软件的概念和特性现阶段软件的概念和特性 软件的概念和构成 极其重要的计算机软件 知识借助软件流入各类产品 软件产品的优势和问题 程序设计技术的演变 软件的概念和构成 计算机软件的概念（狭义软件概念）计算机软件的概念（狭义软件概念）软件是软件是程序集合、数据集合和文档集合程序集合、数据集合和文档集合的总称。的总称。一般任务软件的概念（广义软件概念）一般任务软件的概念（广义软件概念）软件是用算法及算法描述工具对任务及其实施软件是用算法及算法描述工具对任务及其实施过程进行的描述。过程进行的描述。高度抽象的软件概念（泛化软件概念）高度抽象的软件概念（泛化软件概念）若经过高度抽象，则可称若经过

17、高度抽象，则可称软件是软件是“秩序秩序”。注：“秩序”就是规律、观念或思维逻辑。是相对于物质（硬件）而言的。极其重要的计算机软件 数字电子计算机（系统）是由硬件和软件两大数字电子计算机（系统）是由硬件和软件两大部分组成的。硬件是对离散信息进行处理的物理设部分组成的。硬件是对离散信息进行处理的物理设备，是物质基础；软件要解决的才是处理什么和如备，是物质基础；软件要解决的才是处理什么和如何处理的问题。可以说，何处理的问题。可以说，没有软件就没有应用。没有软件就没有应用。计算机软件是知识经济时代最具有代表性的产计算机软件是知识经济时代最具有代表性的产品，也是主要产品。品，也是主要产品。计算机软件产业

18、和集成电路产业现阶段信息产计算机软件产业和集成电路产业现阶段信息产业发展战略的两翼，是产业发展的基石。业发展战略的两翼，是产业发展的基石。知识借助软件流入各类产品 今天，人类正进入知识经济时代，在这个时代今天，人类正进入知识经济时代，在这个时代里，把知识注里，把知识注入（嵌入）各类产品（包括物质和非入（嵌入）各类产品（包括物质和非物质）的主要途径是过计算机软件物质）的主要途径是过计算机软件。事实上，我们已经感受到在各个领域里，无论事实上，我们已经感受到在各个领域里，无论是物质产品还是非物质产品，其增值空间和智能化是物质产品还是非物质产品，其增值空间和智能化水平都越来越依赖于软件。水平都越来越依

19、赖于软件。可以说，知识经济时代的所有产品将无不被打可以说，知识经济时代的所有产品将无不被打上软件的烙印上软件的烙印。软件产品的优势和问题 软件产品的优势软件产品的优势 低成本，低消耗，一次投入，永久使用；低成本，低消耗，一次投入，永久使用；无折旧，无磨损，并且往往随着应用而增值。无折旧，无磨损，并且往往随着应用而增值。软件产品复制简单、传输方便。软件产品复制简单、传输方便。软件产品的问题软件产品的问题 知识产权保护是软件产品的一大难题。知识产权保护是软件产品的一大难题。可喜的是，随着越来越多开源软件的出现，在可喜的是，随着越来越多开源软件的出现，在使软件产品有广泛的用户参与性的同时，应用市场使

20、软件产品有广泛的用户参与性的同时，应用市场的扩大，也给软件开发商带来了深层次的利益，产的扩大，也给软件开发商带来了深层次的利益，产生了软件增值的新理念。这也许能给解决软件产权生了软件增值的新理念。这也许能给解决软件产权保护问题提供一种新思路。保护问题提供一种新思路。程序设计技术的演变 “程序程序”作为构成软件的主要载体，其研作为构成软件的主要载体，其研发技术的发展大体可分为四个阶段：发技术的发展大体可分为四个阶段：采用自由演绎逻辑的非结构阶段采用自由演绎逻辑的非结构阶段 采用规范受控逻辑的结构化阶段采用规范受控逻辑的结构化阶段 采用事件驱动逻辑的对象化阶段采用事件驱动逻辑的对象化阶段 采用感知

21、作用逻辑的智能化阶段采用感知作用逻辑的智能化阶段注：感知作用是通过软件智能体实现的，智能体可自觉地感知环境、作用环境，并完成预定任务。三、软件的 本原 现在 未来本原：高度并行的智能软件 处理对象：处理对象：自然界固有或大脑派生的近乎原始自然界固有或大脑派生的近乎原始的过程。的过程。描述对象的算法：描述对象的算法：自然界固有的高度并行的生自然界固有的高度并行的生物网络算法或大脑拥有的并行智能网络算法。物网络算法或大脑拥有的并行智能网络算法。算法的信息工具：算法的信息工具：依靠自然语言或自然规律本依靠自然语言或自然规律本身（如生化、理化过程）实现对算法的描述。身（如生化、理化过程）实现对算法的描

22、述。信息处理方式：信息处理方式：靠人的智能或自然机理实现对靠人的智能或自然机理实现对信息的处理。信息的处理。这类软件是本原的。如三十六计，光这类软件是本原的。如三十六计，光合作用等。合作用等。本原软件的特征：本原软件的特征：软件、硬件一体，连续方式软件、硬件一体，连续方式处理。处理。现在：一维上的串行软件 处理对象：处理对象：把原始对象离散化得到的离散模型。把原始对象离散化得到的离散模型。描述对象的算法：描述对象的算法：离散算法，且本质上仍是顺序的。离散算法，且本质上仍是顺序的。注意：目前的并行处理无非是在存储和注意：目前的并行处理无非是在存储和CPUCPU共享上打主意。然而双共享上打主意。然

23、而双核也好，多核也罢，整机的速度最高也只有核也好，多核也罢，整机的速度最高也只有10001000万亿次秒，而万亿次秒，而光合作光合作用中，叶绿素最初吸收光子只在一千万亿分之一秒的瞬间完成，视觉过用中，叶绿素最初吸收光子只在一千万亿分之一秒的瞬间完成，视觉过程和高能电离辐射最初始的能量吸收也都是瞬间完成的，而且是连续发程和高能电离辐射最初始的能量吸收也都是瞬间完成的，而且是连续发生的，你怎么办？生的，你怎么办？算法的信息工具：算法的信息工具：以计算机语言为主体的信息工具。以计算机语言为主体的信息工具。信息处理方式：信息处理方式：采用离散设备采用离散设备数字电子计算机对离散数字电子计算机对离散化信

24、息进行处理。化信息进行处理。现行软件的特征：现行软件的特征：从在二进制（从在二进制（0 0、1 1）上实现软硬件统）上实现软硬件统一到走向软硬件分离。一到走向软硬件分离。未来：模拟回归并行智能软件 处理对象：处理对象：对原始对象的一种对原始对象的一种“模拟回归对象模型模拟回归对象模型”。描述对象的算法：描述对象的算法：采用人工智能算法，依照采用人工智能算法，依照“本原算法本原算法”的机理，建立人工智能算法模型。的机理，建立人工智能算法模型。算法的信息工具：算法的信息工具：采用（例如）类量子语言或类生物语采用（例如）类量子语言或类生物语言作为描述算法的工具。言作为描述算法的工具。信息处理方式：信

25、息处理方式：由量子计算机或生物计算机实现高度并由量子计算机或生物计算机实现高度并行智能化的连续性处理。行智能化的连续性处理。未来软件的特征：多态的、软件与硬件合一的智能体。未来软件的特征：多态的、软件与硬件合一的智能体。问题是问题是，目前尚没有生物芯片和量子芯片，以及相应的目前尚没有生物芯片和量子芯片，以及相应的算法和描述工具。算法和描述工具。四、软件的发展阶段 从当前计算机技术发展的趋势来看，软件技术从当前计算机技术发展的趋势来看，软件技术会经历会经历“不透明不透明”的生命周期过程和的生命周期过程和“透明透明”的生的生命周期过程两个发展阶段。命周期过程两个发展阶段。在在“不透明不透明”阶段，

26、也就是现阶段，软件的生阶段，也就是现阶段，软件的生命周期过程是完全可以命周期过程是完全可以“人工人工”控制的。控制的。而发展到而发展到“透明透明”阶段时，软件会重新与硬件阶段时，软件会重新与硬件融为一体，这就意味着软件的生命周期过程将在一融为一体，这就意味着软件的生命周期过程将在一个全新的环境中完成。人工对软件的干与也将变得个全新的环境中完成。人工对软件的干与也将变得越来越不可能。越来越不可能。“不透明”阶段 这里所说的这里所说的“不透明不透明”是指软件的研制者对软是指软件的研制者对软件内部结构和运行机理件内部结构和运行机理“了如指掌了如指掌”。在这个阶段，在这个阶段，研制者能够通过各种测试手

27、段（白盒的、黑盒的）研制者能够通过各种测试手段（白盒的、黑盒的）对软件的生命周期过程进行人工干与。对软件的生命周期过程进行人工干与。软件的作用及其与硬件的关系正如一部分人认软件的作用及其与硬件的关系正如一部分人认同的那样：同的那样：“无论计算机的功能如何强大，在人们无论计算机的功能如何强大，在人们知道如何用软件来模仿人脑的功能之前，计算机是知道如何用软件来模仿人脑的功能之前，计算机是不会产生不会产生不会产生不会产生智能的智能的”。这也就是说，软件与硬件是相这也就是说，软件与硬件是相对独立的。软件对人脑的模仿完全是按照研制人员对独立的。软件对人脑的模仿完全是按照研制人员的预定计划进行的。的预定计

28、划进行的。“透明透明”阶段阶段 在在“透明透明”阶段，软件的研制者将退居为需求者。因此，阶段，软件的研制者将退居为需求者。因此，他并不能完全甚至完全不能了解软件的内部机理和它的生命他并不能完全甚至完全不能了解软件的内部机理和它的生命周期过程。周期过程。当智能机器能够生产出更高智慧（超出人）的计算机，当智能机器能够生产出更高智慧（超出人）的计算机，达到软件与硬件重新融合时，人类将失去对软件的掌控能力。达到软件与硬件重新融合时，人类将失去对软件的掌控能力。正如具有数学背景的英国机器人专家英曼正如具有数学背景的英国机器人专家英曼哈维所认为哈维所认为（基于仿生学的成就）的那样，（基于仿生学的成就）的那

29、样，“人类有可能创造出并不真人类有可能创造出并不真正了解它们是如何工作的人造大脑，它们完全有可能像人类正了解它们是如何工作的人造大脑，它们完全有可能像人类大脑那样发展出自己的内部程序编制方法大脑那样发展出自己的内部程序编制方法”，从而自动形成，从而自动形成软件。软件。注：注：量子概念与量子状态量子概念与量子状态 量子的概念：所谓量子指的是微观量子的概念：所谓量子指的是微观粒子如电子、原子、分子等。粒子如电子、原子、分子等。量子状态：量子物体可以被同时认量子状态：量子物体可以被同时认为存在多种状态，例如除了上和下或者为存在多种状态，例如除了上和下或者 0 0和和 1 1之外还能够表示它们之间的任何值。之外还能够表示它们之间的任何值。END