21世纪的计算机科学
陈国良 国家高性能计算中心(合肥)Email: glchen@ustc cnHomepage:
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计算和计算机科学计算科学与计算机科学计算与计算机科学的特点、地位、与作用计算与计算机科学的基本研究内容计算和计算机科学的应用高性能计算学科高性能计算硬件算法软件应用教育与人才培养
建立计算机科学发展的"生态系统"WHAT:什么是计算机科学发展的"生态系统"?WHY:为什么要维持平衡的"生态系统"?HOW:如何建立计算机科学发展的"生态系统"?结论名人名言科学发现与竞争的计算机科学支撑基础简短结论
1、计算与计算机科学(1)
计算科学定义:计算科学是应用计算能力解决真实问题的一门学科.科学发现的第三支柱:计算科学、理论科学与实验科学并列成为科学发现的三大支柱.该说法已被科学文献广泛引用,并在美国得到国会听证、联邦和私人企业报告和承认.计算机科学直观定义:计算机科学的含意是强调算法和软件、硬件和系统、应用技术基础等.计算科学与计算机科学的关系:计算机科学是计算科学的核心和重要组成部分,两者密切相关,且它们所涵盖的内容有颇多的重叠.
1.1 计算科学与计算机科学
1、计算与计算机科学(2)
特点知识强度高(涉及面广)、应用面广(无处不在的学科)、有益于其它所有研究领域和无政治色彩的中性学科.地位与作用科学发现和人类社会文明进步的第三支柱.具有促进其它学科发展的基础作用:21世纪科学上最重要的和经济上最有前途的研究前沿,有可能通过熟练掌握和运用先进的计算技术科学获得解决.具有解决21世纪重大科学问题的综合作用:有助于研究交叉学科的相互影响;越来越多的新科学发现位于传统学科的交叉之处,而计算科学除了计算外,它能综合地研究这种多学科问题.是21世纪科学与工程发现的最普遍模式:当今科学与工程的特点是计算性和多学科性,计算科学的贡献是通过多学科结合来解决问题.
1.2 计算和计算机科学的特点、地位与作用
1、计算与计算机科学(3)
算法与软件计算理论与计算方法,算法设计与分析,算法实现与编程.系统软件(编译和OS),应用软件(开发工具与环境).程序设计和语言,软件工程与技术.硬件与系统定制与商用现成技术(COTS)的高性能微处理器.新型和混合式先进体系结构及其性能评价.I/O和存储设备,电源,冷却和封装等.
1.3 计算和计算机科学基本研究内容(1)
1、计算与计算机科学(4)
应用基础系统建模和计算机模拟:计算数学家、计算机科学家、应用领域专家共同对应用问题建立物理数学模型和施行计算机模拟.网络技术:包括快速、安全地提供计算资源、数据资源、用户接口标准以及异构组网(光网、电网、无线网等)技术.数据分析、管理和可视化:包括各种数据密集型计算应用的数据挖掘、存储、检索、处理、分析、管理和科学计算可视化等.各种常用应用使能(enabling)技术(网格产生、问题求解器、模版与可重用软件等),确保计算科学在不同应用领域中的成功有效应用.
1.3计算和计算机科学基本研究内容(2)
1、计算与计算机科学(5)
从传统应用到新兴应用历史上,物理和工程科学是计算和计算机科学应用驱动者.现今,像生物科学(从基于实验发展为基于计算、从个体研究发展为跨学科研究、从注意数值技术发展为生物医学计算方法等 ) 等是计算和计算机科学的受益者.将来,社会科学和人文科学则是计算和计算机科学的主要消费者.
1.4 计算和计算机科学的应用(1)
1、计算与计算机科学(6)
应用实例社会科学社会经济学:利用宏观经济理论和计算经济学(行为方程)来模拟经济活动,施行动态调整平衡,预测货币政策变化所带来的经济含义,修正改变金融政策来防止经济动荡.社会行为科学:当社会和行为科学家面临巨大的数据需要理解和保护这些数据时,社会科学家和计算科学家加强合作是最有利的;社会科学家可帮助计算科学家理解在社会生态系统中怎样运用计算机科学;行为科学家也能帮助计算机科学家开发良好的人机交互模型;心理学家和语言学家同计算机科学家合作,能联合开发易于理解、使用和语言翻译的计算机程序,等等.主体经济学:通过相互作用主体(包括个体、社会群体、机构、生物实体、物质实体等)动态系统建模来研究经济现象和规律,以达到理解以往的经验和规范作用,定量分析和发展理论以及改进方法等之目的.
1.4 计算和计算机科学的应用(2)
1、计算与计算机科学(7)
物理科学挖掘资料发现新星球(褐矮星):美国国家虚拟观测站的计算机科学家用计算机搜索(约2分钟)两个天文数据库中数百万天体的资料时发现了它,它是研究人员在演示软件的可行性时无意发现的,是天文界惊人的精确发现.超新星建模:伽利略观察巨大星球爆炸500年后,人们对超新星(比太阳至少大10倍)中心坍塌的爆炸机制仍不清楚.最近许多物理学家和计算科学家用一维、二维、三维程序来模拟此现象,有可能提高对此现象的认识和增加对宇宙特性的理解.暗物质与暗能量:最近宇宙科学家发现宇宙在加速膨胀,这与爱因斯坦广义相对论理论物质行为相反,宇宙科学家猜想,除暗物质外,宇宙也可能包含暗能量,此能量将引力作为排斥力,从而导致加速膨胀,美国芝加哥大学天文学家用扩展版FLASH程序模拟了宇宙的能力.
1.4 计算和计算机科学的应用(3)
1、计算与计算机科学(8)
工程与制造微气泡和船舶降阻:很久以来,研究人员已经知道其体积约在50~500微米之间的微气泡,在一些情形下可减少船舶80%的阻力、减少燃料消耗、增加航程.但是人们还不能确定最佳微气泡系统的特性,该在哪里加入、加入多少和加入多大的气泡.美国布朗大学通过使用高性能计算机系统,采用新的微气泡计算模型,可降低跟踪少量的微气泡移动来寻找降低阻力的方法.航空系统的高性能计算:在今天的航空中,飞机采用20世纪30年代设计的无线电导航台导航,它沿着固定航线飞行,不能直接地点到点飞行,这导致飞机的源-目的路径要远10%.解决此问题的有效办法是使用高性能计算机来实时地预计飞机冲突和调整航班变化.
1.4 计算和计算机科学的应用(4)
1、计算与计算机科学(9)
生物学解码蜜蜂通信:使用数码录像机记录蜜蜂之间的通信,研究人员发现一些蜜蜂使用声音编码来传达关于食物位置的信息,这种编码能阻止其它的蜜蜂种类拦截此信息.使用数码录像机需要存储和读取巨大的数据量(上万亿位),使用网络系统,便于广布在各地区的科学家们访问和分析记录蜜蜂行为的数以万帧计的录像,以便帮助解释特定种群适应环境的进化,保证种群继续繁荣.蛋白质动力学:以前蛋白质合成物被视为静态的实体,根据在成份之间的直接交互作用来了解生物学的功能;现在基于计算机模拟,蛋白质被视为有效率的分子机器,活跃的动态与它们的结构与功能密切联系,通过在超级计算机上使用并行方法和优化分子动力学程序来更好地理解蛋白质动力学行为,这对蛋白质工程学和改进药物设计等具有广泛的意义.
1.4 计算和计算机科学的应用(5)
1、计算与计算机科学(10)
国家安全信息情报:它是收集国外敌对势力、组织与个人以及电子通信信息,这些在反间谍活动、反恐怖分子或犯罪活动中能发挥重要作用.在截取、过滤、分析和存储巨大数据方面,超级计算机和并行计算技术具有绝对优势,包括攻克敌人的复杂密码系统、重建和还原不完全和遭受破坏的信息等.解决信息情报问题与解决科学工程问题所使用的计算方法完全不同.传染病传播动态建模:根据遭受的苦难以及所产生的社会与经济后果,传染病对人类和动物的影响是巨大的.借助数学和计算机科学研究传染病的空间和时间传播机制和特征,帮助我们预测、制定和评估控制策略,并通过模拟程序提供虚拟场景,帮助人们面对流行疾病时,应采取的紧急措施和最有效的隔离决策等.强风暴预测:强风暴每年给国家带来的经济损失和人员伤亡是巨大的,由于不准确和缺乏时间性,约有3/4的龙卷风警报被证明是无效的.美国俄克拉荷马州立大学研究人员使用匹兹堡的超级计算机模拟过去所发生的大型龙卷风,首次模拟了整个暴风雨,真实地再现了完整的龙卷风发展过程.
1.4 计算和计算机科学的应用(6)
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计算和计算机科学计算科学与计算机科学计算与计算机科学的特点、地位、与作用计算与计算机科学的基本研究内容计算和计算机科学的应用高性能计算学科高性能计算硬件算法软件应用教育与人才培养
建立计算机科学发展的"生态系统"WHAT:什么是计算机科学发展的"生态系统"?WHY:为什么要维持平衡的"生态系统"?HOW:如何建立计算机科学发展的"生态系统"?结论名人名言科学发现与竞争的计算机科学支撑基础简短结论
2. 高性能计算学科(1)
高性能计算的含意通俗地讲,高性能计算就是一种性能(包括计算速度、存储容量、通信性能、运算量、计算的复杂程度和计算效率等)很高的一类计算,泛指向量计算、并行计算、分布式网络计算、网格元计算等.高性能计算的类型计算密集型:主要是科学工程数值计算,如大型复杂的科学工程应用问题的计算等.数据密集型:主要是海量数据处理,如数字图书馆、数据仓库、科学计算可视化等.通信密集型:主要是协同计算,如网格服务计算、远程医疗诊断等.
2.1 高性能计算(1)

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