计算机应用与展望：科学计算、过程控制、多媒体技术

1.计算机的应用领域

计算机最早应用于科学计算，而后扩展到了生产过程的自动控制和事务处理。科学计算、过程控制、事务处理成为计算机应用的三个主要领域。20世纪70年代以后，随着微处理器和微型计算机的出现以及计算机网络的发展，计算机的应用已广泛而深入地渗透到人类社会各个领域。从科研、生产、国防、文化、教育、卫生直到家庭生活都离不开计算机提供的服务。计算机正在改变着人们传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。归纳起来可分为以下几个方面：

（1）科学计算。科学计算也称数值计算，是计算机最早的应用领域。随着现代科学技术的进一步发展，各种领域中的计算模型日趋复杂，人工计算已无法解决这些复杂的计算问题。利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以解决科学研究和工程设计中遇到的一些复杂的数学问题，实现人工无法解决的各种科学计算问题。例如，在自然科学中诸如数学、物理、化学、天文、地理等领域，在尖端科学领域中，在人造卫星轨迹的计算、房屋抗震强度的计算、水坝建造、桥梁设计、飞机制造、火箭、宇宙飞船的研究设计等方面，都离不开计算机的精确计算。

（2）信息处理。现代社会是信息化社会，随着社会的高度发展，在科学研究和工程技术中，会得到大量的原始数据信息，其中包括大批图片资料以及多媒体信息。信息处理是指对各种数据（文字、声音、图片、视频等）进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传输、制表、传播等一系列活动的统称，目的是获取有用的信息作为决策的依据。目前计算机的信息处理应用已非常普遍，如人事管理、库存管理、财务管理、图书资料管理、商业数据交流、情报检索、经济管理等都属于这方面的应用。

（3）过程控制。过程控制又称实时控制，是指用计算机实时采集检测数据，进行处理和判断，按最佳值迅速地对控制对象进行自动控制或自动调节。利用计算机进行过程控制，不仅能大大提高控制的自动化水平，而且可以大大提高控制的及时性和准确性，从而达到改善劳动条件、提高质量、节约能源、降低成本的目的。目前计算机过程控制已在冶金、石油、化工、水电、纺织、机械等许多部门得到广泛的应用。另外，计算机自动控制还在国防和航空航天中起决定性作用，如无人驾驶飞机、导弹、人造卫星和宇宙飞船等飞行器的控制，都是靠计算机实现的，可以说计算机是现代国防和航空航天的神经中枢。

（4）计算机辅助系统。计算机辅助系统是指利用计算机运算速度快、精确度高、模拟能力强等特点，设计专用软件辅助人们完成复杂而繁重的工作的一门技术系统。通常包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机集成制造系统（CIMS）和计算机辅助教育（CAE）。

①计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）。是指利用计算机系统辅助设计人员进行工程技术设计或进行产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。

②计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）。利用计算机系统进行对生产设备的控制和管理，实现无图纸加工。

③计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacture System，CIMS）。是指以计算机为中心的现代化信息技术应用于企业管理与产品开发制造的新一代制造系统，是集设计、制造、管理三大功能为一体的现代化工厂生产系统，具有生产率高、生产周期短等特点，是21世纪制造工业的主要生产模式。

④计算机辅助教育（Computer Aided Education，CAE）。是计算机在教育领域的应用，也是近20年来新兴的一种教育技术。计算机辅助教育包含计算机辅助教学（CAI）和计算机管理教学（CMI）两个部分。

（5）人工智能。人工智能（Artificial Intelligence，AI），是指利用计算机系统模仿人类的感知、思维、推理等智能活动，使计算机对知识具有“推理”和“学习”的功能。人工智能是计算机应用研究的一个新领域，它涉及计算机科学、控制论、信息论、仿生学、神经生理学和心理学等诸多学科。现在人工智能的研究已取得不少成果，在医疗诊断、定理证明、语言翻译、机器人等方面已有了显著的成效，有些已开始走向实用阶段。例如，医院的专家系统（能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统），具有一定“思维能力”的智能机器人等。

（6）多媒体技术应用。随着电子技术特别是通信和计算机技术的发展，人们已经有能力把文本、音频、视频、动画、图形和图像等各种“媒体”综合起来。多媒体技术是应用计算机技术将文字、图像、图形和声音等信息以数字化的方式进行综合处理，从而使计算机具有表现、处理、存储各种媒体信息的能力。多媒体技术的关键是数据压缩技术。多媒体的应用以很快的步伐在医疗、教育、商业、银行、保险、行政管理、军事、工业、广播和出版等领域出现。

（7）网络应用。计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通信，各种软、硬件资源的共享，同时也大大促进了国际的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。随着网络技术的发展，计算机的应用更深入到社会的各行各业，给人们的生活、工作、学习带来巨大的变化。人们可以在网上浏览信息、接受教育，可以进行网上娱乐、网上通信、网上理财、网上购物、远程医疗和会诊等。

2.计算机的消极影响

计算机技术已经应用到社会的各个领域，其对社会积极而深远的影响是显而易见的。就个人而言，掌握计算机技术，能够提高就业竞争力、提高生存适应能力并能够奠定终身学习的知识基础。但是，计算机所产生的消极影响也在日益引起人们的关注，这里列举以下几个比较主要的方面：

（1）信息泄露。由于计算机使个人信息的搜集变得相当容易，如姓名、住址、电话、电子邮件地址、购物习惯等，都会在本人不知不觉的情况下被一些公司或个人搜集，而用于其他目的。所以，计算机可能给个人的隐私带来威胁。

（2）长期在计算机前工作，可能导致一些疾病。比如，美国增长最快的职业病是由于过多地操作计算机而引起的腕关节综合征。此外，屏幕的辐射对人体健康也是不利的。

（3）计算机的生产和报废过程，也会对环境造成一定的污染。

（4）上网产生的问题。

①一些青少年由于缺乏自制力，以至于沉溺网络，导致学业荒废，身体健康受到严重影响。(www.xing528.com)

②网络上的不良信息严重地腐蚀着青少年的灵魂，对他们良好道德品质的形成，产生了强大的冲击。

③网络导致一些青少年走上违法犯罪的道路。由于网上活动的隐蔽性大，网上常有制造、传播色情暴力信息等道德失范行为和黑客攻击、诈骗、赌博等犯罪行为。

④青少年网上交友缺乏自我保护意识，容易上当受骗，给身心造成创伤。

21世纪是信息时代，应该让自己保持一种积极的心态，正确地使用网络，而不要沉湎于其中，以便使当代青少年能在网络天地里健康遨游，认识世界，走向社会，创造未来。

3.未来计算机

按照摩尔定律，每过18个月，微处理器硅芯片上晶体管的数量就会翻一番。随着大规模集成电路工艺的发展，芯片的集成度越来越高，然而硅芯片技术的高速发展同时也意味着硅技术越来越接近其物理极限，为此，世界各国的科研人员正在加紧研究开发新型计算机，计算机从体系结构的变革到器件与技术革命都要产生一次量的乃至质的飞跃。由此，新型的量子计算机、光子计算机、生物计算机、纳米计算机等将会在21世纪走进我们的生活，遍布各个领域。

（1）量子计算机。量子计算机是指利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机。这种多现实态是量子力学的标志。量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，利用原子的量子特性进行信息处理。在某种条件下，原子在同一时间可以处于不同位置，可以同时表现出高速和低速，可以同时向上或向下运动。这样一来，无论从数据存储还是处理的角度，量子位的能力都是晶体管电子位的两倍。

由于量子计算机利用了量子力学违反直觉的法则，能够实行量子并行计算，它们的潜在运算速度将大大快于电子计算机。一台具有5 000个左右量子位的量子计算机可以在大约30秒内解决传统超级计算机需要100亿年才能解决的素数问题。事实上，它们速度的提高差不多是没有止境的。

目前正在开发中的量子计算机有三种类型：核磁共振（NMR）量子计算机、硅基半导体量子计算机和离子阱量子计算机。科学家们预计2030年将普及量子计算机。

（2）光子计算机。光子计算机是利用光作为信息的传输媒体，是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存储和处理的新型计算机。光子计算机的基本组成部件是集成光路，还要有激光器、透镜和核镜。它以不同波长的光代表不同的数据，以大量的透镜、棱镜和反射镜将数据从一个芯片传送到另一个芯片。

光子计算机的工作原理与电子计算机的工作原理基本相同，其本质区别在于光学器件替代了电子器件。电子计算机采用冯·诺依曼方式，用电流传送信息，电子计算机运转时的大部分时间并非花在计算上，而是耗费在电子从一个器件到另一个器件的运动中，在高运算并行运算时，往往会使运算部分和存储部分之间的交换产生阻塞，从而造成“瓶颈”。光计算机采用非冯·诺依曼方式，它是以光作为信息载体来处理数据的，运算部分通过光内连技术直接对存储部分进行高速并行存取。由于光子的速度每秒30万千米，光速开关的转换速度要比电子快数千倍，甚至几百万倍。另外，光信号之间可毫无干扰地沿着各自通道或并行的通道传送，因此光子计算机的各级都能并行处理大量数据，并且能用全息的或图像的方式存储信息，从而大大增加了容量，它的存储量是现代计算机的几万倍。

1990年初，美国贝尔实验室制成世界上第一台光子计算机。目前，许多国家都投入巨资进行光子计算机的研究。随着现代光学与计算机技术、微电子技术相结合，在不久的将来，光子计算机将成为人类普遍的工具。

（3）生物计算机。生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。生物计算机的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片，利用有机化合物存储数据。在这种生物芯片中，信息以波的方式传播。当波沿着蛋白质分子链传播时，引起蛋白质分子链中单键、双键结构顺序的变化，它们就像半导体硅片中的载流子那样来传递信息。生物计算机的运算过程就是蛋白质分子与周围物理化学介质的相互作用过程。计算机的转换开关由酶来充当，而程序则在酶合成系统本身和蛋白质的结构中极其明显地表示出来。

用蛋白质制造的电脑芯片，它的一个存储点只有一个分子大小，所以它的存储容量大，可以达到普通计算机的10亿倍；它构成的集成电路小，其大小只相当于硅片集成电路的十万分之一；它的运转速度更快，比当今最新一代计算机快10万倍；它的能量消耗低，仅相当于普通计算机的十亿分之一；且具有生物体的一些特点，具有自我组织、自我修复功能；它还可以与人体及人脑结合起来，听从人脑指挥，从人体中吸收营养。

生物计算机将具有比电子计算机和光子计算机更优异的性能。现在世界上许多科学家在研制它，不少科学家认为，有朝一日生物计算机出现在科技舞台上，就有可能彻底实现现有计算机无法实现的人类右脑的模糊处理功能和整个大脑的神经网络处理功能。

（4）纳米计算机。“纳米”是一个计量单位，一个纳米等于10-9米，大约是氢原子直径的10倍。应用纳米技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之一，内存容量大大提升，性能大大增强，几乎不需要耗费能源。

目前，在以不同原理实现纳米级计算方面，科学家提出四种工作机制：电子式纳米计算技术、基于生物化学物质与DNA的纳米计算机、机械式纳米计算机和量子波相干计算技术。它们有可能发展成为未来纳米计算机技术的基础。

展望未来，计算机的发展必然要经历很多新的突破。从目前的发展趋势来看，未来的计算机将是微电子技术、光学技术、超导技术和电子仿生技术相互结合的产物。第一台超高速全光数字计算机，已由英国、法国、德国、意大利和比利时等国的70多名科学家和工程师合作研制成功，光子计算机的运算速度比电子计算机快1 000倍。在不久的将来，超导计算机、神经网络计算机等全新的计算机也会诞生。届时计算机将发展到一个更高、更先进的水平。