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計算機的展望
摘要
文章通過對計算機集群技術、網格技術、WebService技術和分布式虛擬現實技術的分析，認為計算機中重要的思想在於對已有軟件硬件系統的復用，從而實現資源的優化整合，進而實現在海量信息環境下的信息協同，這將是計算機科學的壹個發展方向。
關鍵詞集群技術；網格技術；軟件復用技術；WebService技術
作者簡介龔茜茹，女，河南南陽人，河南工業職業技術學院信息工程系教師。
1引言
計算機技術發展至今，在短短的六十年裏，取得了巨大的輝煌，從觀念上改變了人們對世界的熟悉，將人類社會帶入了信息時代，加速了人類社會的發展。在今天計算機技術已經成為人們日常生活工作中不可或缺的重要組成部分，而計算機技術的發展也將越來越多影響人類社會的進步。在現階段，集群技術、網格技術等壹系列技術的發展和進步，對人們的生活產生了巨大的影響。這些技術在某些層面上存在著壹定的***同性。
2計算機發展趨勢
2。1綜述
在現今的條件下，計算機學科的理論基礎日漸成熟。要想從理論基礎上推動計算機技術的進步，在壹定程度上講，需要付出較大的努力。而網格技術，集群技術，WebService技術以及軟件的復用技術，在很大程度上推動了計算機技術的發展，從而推動了計算機技術的應用。這些技術都是在壹定的層面上，對已有系統，包括軟件和硬件系統的復用，進而實現優化組合，產生巨大的效能。
2。2集群技術
集群計算機利用高速通信網絡將壹組高檔工作站或PC按某種結構連接起來，通過並行程序設計及可視化人機交互集成開發環境的支持，實現統壹調度，協調處理，組成高效並行處理的系統。多臺計算機通過高速局域網相互連接起來，配備壹定的並行支撐軟件，從而使各自具有壹定的特定的功能，從而在現有網絡體系結構下，形成壹個松散耦合的並行計算環境，協同地並行求解同壹個問題。集群技術通過利用網絡中多個節點的計算能力把它們虛擬成壹臺具有更高計算能力的計算機。對比其他結構，在保持現有系統結構和組成的條件下，集群系統具有性價比高、可擴展性好、高可用性和高能用性的優點，尤其是集群系統系統開發周期短、用戶投資風險小、節約系統資源、用戶編程方便。
目前，集群技術已成為並行處理的熱點和主流，有關專家猜測：“未來的高性能計算機和超級服務器都將基於集群結構”。集群技術通過對現有計算機的“復用”，在不對現有體系結構進行重大修改的前提下，通過互聯互通，組成壹個具有壹定體系結構的復雜系統，從而實現並行高性能計算。其與網格技術無論是在體系結構上還是設計的思想上具，都有壹定相似性。
2。3網格技術
網格技術是最近新興的壹種技術，包括計算網格、信息網格、知識網格等，被譽為第三次信息技術浪潮，得到了廣泛的應用，它利用現有的網絡結構，協議和數據庫技術，實現分布式、協同化、智能化的信息處理。網格技術充分發揮了松偶合網絡中各計算機的性能和資源，利用現有互聯網的架構，把地理上廣泛分布的各種資源，包括計算資源、存儲資源、帶寬資源、軟件資源、數據資源、信息資源、知識資源等整合成壹個邏輯整體——壹臺虛擬的超級計算機，為用戶提供壹體化的信息和計算、存儲、訪問等應用服務，虛擬的組織最終實現在這個虛擬環境下進行資源***享和協同工作。它通過對已有資源的充分利用，實現了網絡海量信息環境下的協同。網格信息資源的獲取、傳輸、***享和利用帶來了壹場革命，也必將對人類的生產和生活方式帶來巨大的變化。
在目前，網格技術主要應用在分布式超級計算上。通過利用高速互連的網絡通路，實現分布式的計算。這樣，通過整體的整和，在邏輯上實現壹臺性能更高，容量更大的巨型虛擬機，形成壹個比單臺計算機更高效的計算處理平臺。其典型應用主要是在虛擬現實領域中。通過分布式的處理，單臺機只要進行很少的模擬和計算，就可以在整體上實現對壹個復雜環境的虛擬。
可以說，網格技術對現有網絡中已有計算機，通過軟件層次上的整合，實現壹種硬件層面上的復用，從而充分利用了網絡中的閑置資源，實現整體的性能提高，為解決資源需求巨大的問題，提供了壹條廉價有效的解決途徑。
2。4WebService技術
WebService技術定義了如何在Internet上實現互操作，拓展了應用程序的功能，實現了軟件的動態提供。確切的說，WebService是部署在Web上的對象，它具有對象技術的優點，具有很強的開放性和互操作性。WebService建立在XML為主，開放Web規範技術基礎上，能夠建立具有良好可互操作的分布式應用程序平臺。它具有良好的封裝性，松偶合性，標準協議規範，高度可集成性的特征。WebService主要有四個技術：XML，簡單對象訪問協議SOAP，Web服務描述語言WSDL和統壹描述、發現和集成協議UDD。WebService技術通過向外界暴露接口，使其能夠通過Internet來進行調用。換句話說，WebService就是壹個能夠通過接口，在Internet上被調用的應用程序。它答應在Web站點放置可編程元素，使得基於Web的分布式計算和處理得以進行。獨立的應用程序部件以壹種標準的方式發布到Web站點上，其它Web應用程序可以方便地找到並使用它們，從而協同完成某個功能邏輯。從某種意義上說，webService是由某些企業發布的完成其特定商務需求的應用服務，其它公司或應用軟件能夠通過Internet來訪問並使用這項服務。它為構造壹些復雜的功能提供了必要的構件。
WebService技術可以說是軟件復用技術在網絡服務提供上的壹個成功應用。通過統壹的協議和規範，使得壹個功能模塊在網絡上可以通過接口被多次調用，這樣，大大提高了網絡服務的開發效率，縮短了開發周期。同時，有利於新技術的快速推廣和應用。
2。5軟件復用技術
軟件復用技術通過對現有的軟件技術和產品重復利用，它充分利用已有的軟件開發經驗和構件的積累，使得軟件的開發不在是從零開始。這樣，在軟件開發過程當中，就可以充分利用現有的高效的軟件模塊或產品，避免重復的勞動，而將開發的重點，集中在為實現功能而需要實現的特定模塊上。同時，通過，不斷的構件積累，從而形成壹定規模的構件庫，這樣，就為軟件的流水線開發提供了支持，並且能夠方便的利用快速原型法進行軟件的需求分析和架構設計。並且，通過對相應模塊的更新和改進，就能夠很快的實現軟件的版本升級。從用戶的角度來講，復用技術有利與減少培訓支出，方便用戶使用。軟件復用技術的優勢可歸結為：提高生產率、減少維護代價、提高互操作性、支持快速原型、減少培訓開銷。從現實來看，用友軟件公司的成功就是壹個很好的例子。正是基於在財務領域多年構件和技術的積累，使得用友公司能夠在財務軟件領域取得巨大的成功。
現在，面向對象技術逐步發展，日益成為軟件開發的主流，從而為軟件復用技術的發展提供了必要的技術基礎。軟件復用技術被人們視為解決目前軟件危機，提高軟件質量，縮短軟件開發周期的壹個有效途徑。
3總結
在計算機領域中，壹直都強調的壹種思想是復用的思想。因為計算機發展速度快，更新換代快。尤其是在網絡日益流行的今天，依據摩爾定律，CPU性能18個月翻壹番，根據光纖定律，骨幹網帶寬9個月翻壹番，而邁特卡爾夫定律預言網絡設備增加N倍，其效率提高N2。因而假如能夠充分利用現有設備，通過壹定的手段，實現資源的整和，將是壹個高效快速經濟的開發途徑。因此，設備程序的復用是壹個重要的手段。這也是WebService和集群技術能夠得到廣泛應用的壹個重要原因。
現在，網絡廣泛流行，大量的計算機通過Internet實現了互聯，僅中國接入互聯網的計算機數量在2005年就達到790萬臺。可以說網絡蘊涵了巨大的資源，換句話說，海量信息，假如能夠通過相關的硬件軟件系統技術，實現在這樣壹個海量信息環境下的信息協同，進而實現知識的發現，信息的提取。這將利用以有的技術，實現先進的功能。這也符合人工智能連接主義學派的觀點，這也是從更高的壹個層面上實現人腦的模擬。並且，在這個系統中，基本的組成單元擁有自己獨立的存儲系統，在壹定程度上實現了對記憶的模擬。通過必要的手段，對已有計算機硬件軟件系統進行的復用，實現多機器多系統之間的合作，將是計算機的壹個重要發展方向。
計算機科學發展至今，其基礎已經日趨成熟。我們更多的應該把眼光放在更高的壹個層面上，實現在已有的系統——包括軟件硬件和系統——的壹種復用，從而推動信息的壹種復用。這種復用是計算機發展的趨勢，其必將導致多臺機器的協同，從而實現海量信息環境下的協同。
參考文獻
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21世紀計算機技術展望
電子計算機的發明是20世紀科學對社會發展最偉大的貢獻之
壹，它大大改變了我們人類工作的方式。計算機的作用在下壹個
世紀仍然是舉足輕重的，因為它不僅將繼續改進我們的工作方式
和效率，還將給人類的生活質量帶來巨大改變。
電子計算機技術可以分為計算機硬件技術、計算機軟件技術
和計算機應用技術三個領域。本文由於篇幅所限，只討論計算機
硬件技術和軟件技術的發展問題。
壹、計算機硬件技術
計算機硬件領域主要研究計算機系統結構原理和設備構造技
術，面對的問題包括結構、速度、存儲、互連、成本和可靠性等
。
計算機系統結構本身的發展經歷了從機械結構、電子模擬結
構、電子數字結構的進化過程。從20世紀40年代開始到現在，電
子數字計算機的結構經歷了從電子管、晶體管、集成電路、超大
規模集成電路等四個階段的進化。從50年代到70年代，計算機是
高級設備，沒有經濟實力的組織是無法擁有或者使用的。到了80
年代，由於微處理器的出現，使得計算機的成本越來越低、應用
越來越普及。50年代初計算速度每秒5000次（運算）機器的體積
和壹座大樓壹樣大，今天擺在我們辦公桌上的普通臺式計算機的
計算能力大約為每秒5億次，也就是說相當於50年代10萬個大樓組
成的計算機的計算能力，目前最好的臺式機的計算速度已經達到
每秒10億次。按照著名的摩爾定律（即集成電路的性能每18個月
翻壹番）計算，今天計算速度為10億次的計算機，到2010年時的
計算速度大約為1280億次，也就是說到那時5000億次的計算機用
4個臺式計算機組合起來就可以了，而今天我們卻需要使用大約5
00個CPU構造壹臺這樣的機器，或者使用500多個臺式計算機連接
起來。所以每過10年，高性能計算機的計算速度就要增加100倍。
也就是說，今天我們研制高性能計算機的計算速度要達到1012（
萬億）次，2010年要達到1014次，2020年要達到1016次……2100
年要達到1032次。
20世紀的電子計算機按照巨型機、大型機、中型機、小型機
、微機（個人計算機）等進行分類。但是巨型、大型等等概念是
相對的，是隨時間變化而改變的，例如60年代的巨型機並不比80
年代的微機計算能力強。今後，計算機將簡單的劃分為服務器（
server）和客戶機（client）兩類。連接在網上提供計算、數據
處理和軟件環境支撐的是服務器，而用戶直接使用的則是客戶機
。從技術的走向預測：服務器的能力今後會越來越強，用於科學
計算的超級服務器會達到千萬億以上，用於數據處理的超級服務
器在數據交換速度和數據倉庫的容量和管理能力方面都會比現在
的服務器高得多；客戶端計算機的發展是越來越智能化（傻瓜化
、個性化）、方便化（可移動、嵌入式）。而智能化要求計算機
中處理器的性能更強，人工智能技術和軟件技術更先進。
目前的計算機是架構在基於微電子理論的半導體技術之上的
，計算機硬件的發展主要取決於集成電路技術和工藝的發展。摩
爾定律成功地預測了半導體技術發展的規律。然而，隨著大規模
集成電路工藝的發展，集成度越來越高，越來越接近於工藝甚至
物理上限。壹般認為，50納米將是超大規模集成電路生產的工藝
較難超越的精度，現在正在使用的最高集成度在180納米左右，估
計到2010年，將達到50納米。因此，很多科學家開始尋找研究新
壹代的計算機硬件。超導計算機、生物計算機和量子計算機是諸
多探索中被註意的較多的三個方向。超導計算機的主頻估計可以
在100吉赫茲以上工作，大約2010年可能成為與現在的超大規模集
成電路計算機***存的計算機體系結構，因為到那時半導體器件已
經達到了工藝極限，摩爾定律或者新的摩爾定律必須要由超導計
算機來維持。在超導計算機之後，將可能是基於光學理論的量子
計算機的天下，量子計算機被認為極有可能在下壹個世紀的頭30
年取得重大突破，並在2040年前後研制成功可以商業使用的計算
機。生物計算機將極有可能是繼量子計算機之後的新壹代計算機
，盡管它的工作機理目前大部分已經清楚，但是何時能夠制造出
可與今天的計算機在速度、可靠性、成本等方面相匹敵的生物計
算機仍然是壹個難以預測的問題。
除了計算機單機結構本身的技術，為了構造高性能計算機的
並行處理技術和分布式處理技術也是計算機系統結構中研究的重
要問題。今天的計算機互連技術已經做到可以把數萬臺計算機連
到壹起，組成壹臺峰值計算速度極高（例如幾十萬億次）的計算
機，然而如何把這臺高性能計算機真正利用起來求解壹個大問題
還存在許多問題。任務分配不均、通信開銷過大、等待前壹處理
的數據相關性等等都是經常面臨的困難。為了解決這些問題，科
學家已經研究了近40年，試圖從互連技術、快速通信技術、並行
編譯理論、網絡操作系統、優化運行時系統、並行函數庫等多方
面進行探索。
計算機硬件所包含的範疇除了傳統的計算機系統結構外，還
包括計算機網絡和外設。計算機網絡包含Internet，Intranet，
Extranet等等。高性能計算機是把互聯和通信作為壹個中間過程
和手段進行使用，但計算機網絡卻是把互連和通信作為核心技術
進行研究。計算機網絡研究的問題是所有上網計算機的可靠有效
連接和資源***享。IP技術和WEB瀏覽技術是20世紀計算機網絡成功
的基石。當然，現在IP技術還存在著沒有服務質量控制的問題，
WEB瀏覽技術也存在著信息檢索效率低和資源管理困難的問題等。
21世紀計算機網絡的網絡路由設備的心臟實際上也是計算機，只
不過是壹臺專門用來進行網絡通信的計算機而已。
打印機、磁帶機、繪圖儀等也都是專門用來控制特定設備的
計算機。
二、計算機軟件技術
計算機軟件領域主要研究計算機使用環境技術，包括系統軟
件、用戶編程環境與工具、應用軟件等等。需要解決的問題包括
進化性、兼容性、重用性、友好性、可靠性等等。
如果說硬件是計算機的身體，則軟件就是計算機的神經和大
腦。因此軟件的好壞直接決定了計算機的效率和應用水平。計算
機軟件作為20世紀人類文明進步的最大成果之壹，必將成為人類
文化的重要組成部分。現在的人類文化是構築在語言、文化環境
和文化作品的架構上，其中語言是基本的、開放的和***享的，這
是人類文明可以不斷進化的根本保證。將計算機軟件與人類文化
相類比，系統軟件相當於人類語言，用戶編程環境和工具相當於
文化環境，而應用軟件相當於文化作品。對比之下，計算機的系
統軟件現在絕大多數還不開放、不***享。從商業的角度看，如果
沒有商業利益的驅使、初期此領域很難發展起來。但發展到了壹
定階段，如果系統軟件不開放將會阻礙本領域的發展速度，不利
於軟件進化。現在的LINUX開放源碼運動從某種程度上正是順應這
個潮流，因此可以預見必將最後取得成功。在操作系統方面，本
世紀技術上最成功的系統是UNIX，在概念上最成功的是美國蘋果
公司所提出的視窗圖形界面，在商業上最成功的是微軟公司的WI
NDOWS操作系統。下壹世紀的操作系統將繼承現在好的操作系統的
主要優點，變成開放的和進化的。在操作系統開放之後，系統軟
件產業將主要集中在軟件環境平臺和工具的研究開發上。可視化
編程環境與工具、辦公套件、家庭套件、學習套件等將會有很大
的發展空間。
計算機硬件發展的速度可以用摩爾定律解釋，即每18個月翻
壹番，軟件的發展速度目前還沒有類似的定律可以使用。從歷史
上看，軟件在計算機程序設計語言的進化方面大約每10年壹代，
從本世紀50年代的機器語言、60年代AL?GOL語言、70年代FORTR
AN語言、80年代C語言、90年代JAVA語言。由於軟件的存在是依附
在硬件之上的，而前些年硬件的發展變化很快，因此從舊平臺向
新平臺的軟件移植花費了我們大量的財力和時間。這中間有大量
的軟件由於種種原因無法及時完成移植而沒有被繼承下來。軟件
的兼容性和重用性壹直是人們努力研究的目標，也就是說要使得
壹次寫好的應用軟件在各種不同硬件系統上都可以運行、要使得
已經設計好的程序模塊被有效地重復利用。在軟件的兼容性方面
，20世紀貢獻最大的工作是JAVA語言的發明，該語言的設計宗旨
是“程序書寫壹次，到處都可運行（write it once，runit eve
rywhere）”。目前跨平臺這壹設想還沒有完全有效地被實現，相
信21世紀第壹個10年壹定可以完成。當然，如何解決非JAVA語言
軟件的跨平臺問題仍然是壹個難題。
計算機硬件能夠快速發展的原因之壹是工業化程度比較好，
很多集成電路按照功能做成標準器件，因而好的功能塊會保留下
來並不斷改進。但是到目前為止軟件的工業化程度還比較差，還
做不到像硬件壹樣好的程序被繼續不斷的使用。很多算法和程序
被很多人在不同的系統中重復地實現了多次，同樣的錯誤在不同
的地方犯了又犯，很有點像古時候沒有文字的年代人們傳播文化
和知識壹樣，壹代壹代的口授腦記，絕大部分人用畢生的精力在
重復別人已經做過的事，走同樣的彎路然後通過自我反省來改正
。計算機科學家和軟件工程師對於軟件重用、軟件復用的技術已
經研究了幾十年。已經提出了包括軟件的模塊化、軟件重用技術
、軟構件技術、軟件總線等等概念。CORBA，DCOM Java Bean等軟
件體系結構和中間件接口標準技術，是軟件重用的很好嘗試。目
前在因特網上已經開始有壹些用JAVA語言和庫函數形式提供的軟
件構件可以提供使用，隨著這種軟構件的規範化和實用化，計算
機軟件生產的工業化程度會慢慢提高，軟件發展的速度也會慢慢
加快。估計到21世紀的第壹個10年結束的時候，軟件的工業化程
度應該達到20世紀90年代中期計算機硬件的工業化程度。
軟件的友好性主要取決於用戶界面的設計和人機交互流程的
質量。界面越吸引人，人機交互流程與人的習慣越接近，軟件就
越友好。多媒體技術、語音識別與合成技術、手寫體文字的識別
、自然語言理解與機器翻譯技術、圖像處理與圖形學技術、用戶
圖形界面技術、人工智能技術等等都是解決軟件系統友好性的關
鍵技術，然而因為20世紀的計算機在速度和存儲容量方面還不能
容忍這些技術被廣泛應用，所以目前的現狀是計算機不夠友好。
預計在21世紀開始的5壹10年中，這壹情況將會有大的改變。
軟件的質量不高是另外壹個制約軟件發展的因素。軟件生產
質量的改進可以從兩個方面入手，壹是建立軟件質量保證體系，
通過對軟件人員的有效訓練和工程管理來減少軟件錯誤；二是發
展軟件正確性驗證和測試技術，利用邏輯證明來發現軟件中的矛
盾從而找出和自動定位錯誤。軟件質量保證體系的最高目標是編
制完全無錯誤的程序，現階段的高級目標是壹百萬行程序中只允
許有壹行錯誤。軟件質量保證體系能否有效建立主要取決於管理
因素，這是21世紀各個國家和地區在計算機軟件產業的競爭中成
敗的關鍵。軟件正確性驗證問題可以歸結為“布爾表達式可滿足
性問題”，這是計算機科學中的壹個“難解問題”，目前的現狀
處於采用優化的方法進行快速求解的應用算法學研究階段。歐洲
在航天領域已經開始嘗試使用這種技術對於軟件進行驗證。估計
在21世紀第二到第三個10年，軟件正確性驗證和測試技術將取得
重大突破並開始走向實用。屆時，軟件的工業化程度將達到只落
後於計算機硬件1壹2年的水平。
應用軟件，包括大型科學計算系統、海量數據管理系統、智
能決策支持系統、計算機輔助設計、計算機仿真、計算機控制系
統等等，在21世紀的社會生活和進步中將發揮更大的作用。利用
了WEB瀏覽技術、多媒體技術和網絡信息管理系統等綜合技術而構
成的網絡應用軟件（例如電子商務）將是今後軟件業發展的最大
舞臺。其中，作為多媒體研究熱點的多媒體數據壓縮與傳輸、數
據加密、數字水印技術將是21世紀初發展的重點。與網絡應用軟
件相配合的信息服務，將為我們的社會帶來更大的商業機會和更
多的就業機會，並通過它慢慢改變社會的就業結構和人類的知識
結構比例來拉動21世紀的社會從工業社會向信息社會的逐步轉化