计算机专业新生研讨课资料整合
大数据时代计算机发展的趋势分析
3.1 超级计算机研发将成为各国争相角逐的制高点
随着计算机技术的应用不断拓展，计算机的性能要求
越来越高，高性能计算机在社会经济发展中的地位越来越
重要，在科技创新方面的影响力越来越大，各国纷纷抢占计
算机高性能技术研发的制高点。应用计算机，尤其是超级计
算机能够最大限度的提升其运算速率，以便更好的在气象、
军事等方面应用。计算机实现巨型化，超级计算机的研发是
各国高科技企业争相投入资金、加大技术研发的重要领域。
计算机的高性能、超级运算能力不仅仅是指内部的构造和
计算机的体积进一步加大，更重要的是最大限度的提高其
匀速速率，超级计算机排名是各国科研和计算机发展实力
的典型代表。我国在超级计算机的研发方面具有很强的实
力，在世界 500 强超级计算机排名当中，中国的超算一直在
数量和位次都有明显的优势。美国对中国的技术封锁，最大
的体现就是对中国计算机的打压，不仅将中国的超级计算
机研发企业曙光股份列为实体名单，而且对中国的计算机
芯片出口也实行严格管制，用于超级计算机的高性能处理
器，一直以来都没有允许向中国出口。一个重要的原因是美
国在高性能计算机研究方面要保持其优势，因为在很长的
一段时间中国超级计算机超越了美国，尤其是中国的天河
系列。美国对中国实行超级计算机打压之后，尤其是芯片技
术出口限制以后，美国的超级计算机占据了第一的位置。大
数据时代，我国计算机发展的一个重要方向也是超级计算
机研究，研制出更强的巨型化的电子计算机，应用于我国社
会经济发展的各个方面，提升计算机的处理数据的能力，进
一步拓展计算机的存储空间，为之提供可靠的操作软件。这
样不断地拓展计算机的应用空间，提升计算机的应用性能。
3.2 计算机技术的研发向智能化快速转变
大数据时代，随着信息技术应用的不断提升，计算机研
发在注重高性能的同时，向更多更宽广的智能化发展，将计
算机作为非常重要的智能化运营工具，以此来融入更多的
信息化软件，提升计算机的思维能力，实现计算机思维和人
的思维的最大限度的靠拢，以此来强化计算机自身的思维
运算能力，提升计算机的智能化水平。大数据时代，计算机
智能化的发展就是借助于信息处理能力，借助于各种数据
的分析，作好相应的计算机思维研究，以此来更好的推动计
算机应用的智能化发展。借助于大数据分析和大数据技术
的应用实现计算机，与各种应用化设备相接连，从而推动智
能化发展，实现各种应用设备的智能化管理。最著名的是阿
尔法狗与国际象棋大师进行对决，体现了计算机的智能化
发展。机器最终胜利，一个重要的原因就是借助数据分析，
培养提升计算机的思维能力，以此来更好地推动计算机智
能化发展。通过构建智能化计算机不仅能够更好地提升计
算机的性能，更能够解决人机对话、人机互动，促进计算机
更好地服务人类发展。为计算机输入更多的智能化语言，对
其进行更好的精准定位，来实现计算机应用的高效率。不仅
能够实现最基本的语音识别，还能够实现各种模拟现实技
术，不仅可以让计算机更好地识别人的语言，更能够进行相
应的沟通。还能够依靠自身的思维，借助于大数据技术，对
各种应用进行自我分析，从而推动计算机应用的智能化、自
动化。随着大数据技术的加持，计算机将会代替部分人脑的
各项活动，以后将会出现更多的智能化设备，无人机器、无
人工厂、无人商店将在未来变得更加普遍，这背后是计算机
应用的一大体现，也是计算机发展的重要方向，代表着计算
机智能化发展的重要趋势。
3.3 计算机技术向更广的领域拓展延伸
大数据时代计算机的应用越来越广泛，计算机与各个
行业各个产业的融合越来越亲密，成为行业发展最为重要
的基础支撑。向各个产品的融合进一步强化，计算机成为现
代商品最为重要的核心元件，依靠大数据的支持，借助于互
联网平台，实现与各种产品融合，实现万物互联。应用是计
算机研发的重要内在动力，技术研发是促进应用发展的重
要基础，随着万物互联的概念越来越成为人们普遍接受的
一种思想，随着 5G 通讯技术的日益成熟，计算机的应用将
会更加广泛，实现计算机与更多商品或者产品的融合，将人
类带入智能化时代。互联网时代、物联网时代，计算机不仅
与手机相融合，实现计算机的智能化，推动手机功能的进一
步深化，支持借助于物联网技术的应用和大数据的分析，将
计算机与万物互联，实现互联网的建设和发展，将会是未来
计算机发展的重大方向和趋势，也是各国实现产业升级的
重要趋势，更是推动我国经济和产业升级的重要保障。我国
进一步推动产业升级，注重经济发展方式转变，一个最为重
要的因素是实现计算机技术应用向更广泛的范围拓展，推
动万物互联发展，构建人类智能社会。总之，大数据时代下
的计算机技术的研发应用将会向着更广更高的层次迈进，
计算机的发展将会与更多技术和应用深入融合，来追求更
高的性能，实现更广范围的应用，推动更加智能化的拓展，
以此来实现计算机的发展和创新，实现技术应用的拓展，从
而将人类社会推进一个更加先进的智能化时代。
计算机的发展将趋向超高速、超小型、并行处理和
智能化。自从 1944 年世界上第一台电子计算机诞生以
来, 计算机技术迅猛发展, 传统计算机的性能受到挑
战, 开始从基本原理上寻找计算机发展的突破口, 新型
计算机的研发应运而生。未来量子、光子和分子计算机
将具有感知、思考、判断、学习以及一定的自然语言能
力, 使计算机进入人工智能时代。这种新型计算机将推
动新一轮计算技术革命, 对人类社会的发展产生深远
的影响。
1 智能化的超级计算机
计算机发展趋势
许封元
1 计算机发展规律和发展趋势
1.1 发展规律
计算机大师将计算机科学定义成一种算法科学，这种概
念在 20 世纪 60 年代得到了世界的认可和关注。计算机科学
技术主要是描绘信息变化和算法演变过程的技术，涵盖理论、
设计、分析、实现和应用。计算机科学技术总是围绕社会发
展基本问题不断发展的，并出现了计算机学科。计算机学科
的主要呈现形态包括计算机操作、计算机问题设计、计算机
理论研究等。
1.2 计算机发展趋势
1.2.1 高度化发展
计算机的高度化发展主要表现在两个方面：第一，计算
机芯片更新频率提升；第二，计算机整体性能提升，能够实
现并行处理。计算机的并行处理是指计算机应用处理器不仅
作者简介：赵凤金（1981-），男，河北承德人，在职研究生。研究方向：管理科学与工程。
— 45 —2017 年第 4 期
信息与电脑
China Computer&Communication
计算机工程应用技术
有一个，而是拥有几百、几千个。
1.2.2 广度化发展
计算机广度化发展特征是指计算机的发展会朝向多个领
域渗透，实现拓展性发展。在社会科技的发展下，计算机将
会渗透到人类社会发展的各个领域，实现和手机的融合。
1.2.3 深度化发展
计算机深度化发展特征是计算机实现智能化运作。对于
互联网上的大量信息，计算机学科能够从大量信息中筛选出
有助于自己发展和提升的信息。同时，在计算机深度化发展
下，人机交互将会成为一种可能。
未来计算机与信息技术的研究热点及发展趋势探索
赵凤金
计算机发展趋势展望
◆姚 正
一、前言
计算机的发展将趋向超高速、超小型、并行处理和智能化。自从1944年世
界上第一台电子计算机诞生以来‚计算机技术迅猛发展‚传统计算机的性能受
到挑战‚开始从基本原理上寻找计算机发展的突破口‚新型计算机的研发应运
而生。未来量子、光子和分子计算机将具有感知、思考、判断、学习以及一定的
自然语言能力‚使计算机进人人工智能时代。这种新型计算机将推动新一轮计
算技术革命‚对人类社会的发展产生深远的影响。
二、智能化的超级计算机
超高速计算机采用平行处理技术改进计算机结构‚使计算机系统同时执
行多条指令或同时对多个数据进行处理‚进一步提高计算机运行速度。超级
计算机通常是由数百数千甚至更多的处理器（机）组成‚能完成普通计算机和
服务器不能计算的大型复杂任务。从超级计算机获得数据分析和模拟成果‚
能推动各个领域高精尖项目的研究与开发‚为我们的日常生活带来各种各样
的好处。最大的超级计算机接近于复制人类大脑的能力‚具备更多的智能成
份．方便人们的生活、学习和工作。世界上最受欢迎的动画片、很多耗巨资拍
摄的电影中‚使用的特技效果都是在超级计算机上完成的。日本、美国、以色
列、中国和印度首先成为世界上拥有每秒运算1万亿次的超级计算机的国
家‚超级计算机已在科技界内引起开发与创新狂潮。
三、新型高性能计算机问世
硅芯片技术高速发展的同时‚也意味看硅技术越来越接近其物理极
限。为此‚世界各国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机‚计算机的
体系结构与技术都将产生一次量与质的飞跃。新型的量子计算机、光子计
算机、分子计算机、纳米计算机等‚将会在二十一世纪走进我们的生活‚遍
布各个领域。
1．量子计算机
量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究‚量子计算机是一类遵循
量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装
置。量子计算机是基于量子效应基础上开发的‚它利用一种链状分子聚合
物的特性来表示开与关的状态‚利用激光脉冲来改变分子的状态．使信息
沿着聚合物移动．从而进行运算。量子计算机中的数据用量子位存储。由
于量子叠加效应‚一个量子位可以是0或1‚也可以既存储0又存储1。因
此‚一个量子位可以存储2个数据‚同样数量的存储位‚量子计算机的存储
量比通常计算机大许多。同时量子计算机能够实行量子并行计算‚其运算
速度可能比目前计算机的 Pentium DI 晶片快10亿倍。除具有高速并行处
理数据的能力外‚量子计算机还将对现有的保密体系、国家安全意识产生
重大的冲击。
无论是量子并行计算还是量子模拟计算‚本质上都是利用了量子相干
性。世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。目前已
经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核
自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。量子编码采用纠错、避错和防错
等。量子计算机使计算的概念焕然一新。
2．光子计算机
光子计算机是利用光子取代电子进行数据运算、传翰和存储。光子计
算机即全光数字计算机‚以光子代替电子‚光互连代替导线互连‚光硬件代
替计算机中的电子硬件‚光运算代替电运算。在光子计算机中‚不同波长
的光代表不同的数据‚可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速地并行
处理。光子计算机将使运算速度在目前基础上呈指数上升。
3．分子计算机
分子计算机体积小、耗电少、运算快、存储量大。分子计算机的运行是
吸收分子晶体上以电荷形式存在的信息‚并以更有效的方式进行组织排
列。分子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。转换开关为酶‚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。生物分子组成的计算机具备能在生化环境下‚甚至
在生物有机体中运行‚并能以其它分子形式与外部环境交换。因此它将在
医疗诊治、遗传追踪和仿生工程中发挥无法替代的作用。目前正在研究的
主要有生物分子或超分子芯片、自动机模型、仿生算法、分子化学反应算法
等几种类型。分子芯片体积可比现在的芯片大大减小‚而效率大大提高‚
分子计算机完成一项运算‚所需的时间仅为10微微秒‚比人的思维速度快
100万倍。分子计算机具有惊人的存贮容量‚1立方米的 DNA 溶液可存储
1万亿亿的二进制数据。分子计算机消耗的能量非常小‚只有电子计算机
的十亿分之一。由于分子芯片的原材料是蛋白质分子‚所以分子计算机既
有自我修复的功能‚又可直接与分子活体相联。美国已研制出分子计算机
分子电路的基础元器件‚可在光照几万分之一秒的时间内产生感应电流。
以色列科学家已经研制出一种由 DNA 分子和酶分子构成的微型分子计算
机。预计20年后‚分子计算机将进人实用阶段。
4．纳米计算机
纳米计算机是用纳米技术研发的新型高性能计算机。纳米管元件尺寸
在几到几十纳米范围‚质地坚固‚有着极强的导电性‚能代替硅芯片制造计算
机。“纳米”是一个计量单位‚大约是氢原子直径的10倍。纳米技术是从20
世纪80年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域‚最终目标是人类按照自
己的意志直接操纵单个原子‚制造出具有特定功能的产品。现在纳米技术正
从微电子机械系统起步‚把传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片
上而构成一个系统。应用纳米技术研制的计算机内存芯片‚其体积只有数百
个原子大小‚相当于人的头发丝直径的千分之一。纳米计算机不仅几乎不需
要耗费任何能源‚而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。美国正在研制
一种连接纳米管的方法‚用这种方法连接的纳米管可用作芯片元件‚发挥电
子开关、放大和晶体管的功能。专家预测‚10年后纳米技术将会走出实验室‚
成为科技应用的一部分。纳米计算机体积小、造价低、存量大、性能好‚将逐
渐取代芯片计算机‚推动计算机行业的快速发展。
我们相信‚新型计算机与相关技术的研发和应用‚是二十一世纪科技
领域的重大创新‚必将推进全球经济社会高速发展‚实现人类发展史上的
重大突破。科学在发展‚人类在进步‚历史上的新生事物都要经过一个从
无到有的艰难历程‚随着一代又一代科学家们的不断努力‚未来的计算机
一定会是更加方便人们的工作、学习、生活的好伴侣。