对计算科学与计算机发展的思考 new

摘　要： 本文从什么是计算说起, 通过人类对计算本质认识和对计算机的发展历史的回顾,了解到计算机的未来充满了变数, 性能的大幅度提高是不可置疑的，本文提出DNA计算系统的理念和技术来实现性能的飞跃。

关键词：计算科学 计算工具 DNA计算
1 计算的本质
　　计算的本质是什么？应该说人类对其已经有了一个基本的清晰的认识：计算就是依据一定的法则对有关符号串的变换过程。一切可计算的函数都是递归函数。抽象地说，计算的本质就是递归。它是一种可一步一步进行的符号串变换操作。也就是从己知符号( 串) 开始, 一步一步地改变符号( 串) , 经过有限步骤, 最后得到一个满足预先规定的符号( 串) 的变换过程。至于这种符号变换的操作方式如何，以及符号的载体或其外在表现形式如何，都不是本质性的东西，无不处于一种不断变革或进化的过程之中。它们在本质上是等价的、一致的, 即二者是密切关联的, 可以相互转化, 具有共同的计算本质。符号可以用一组竹棍表征、用一组算珠表征、用一组字母表征，也可以用齿轮表征、还可以分子表征、电子表征等等。不同表征下的符号变换有着不同的操作方式，甚至同一种表征下的符号变换都可以有不同的操作方式。在此，计算本质的统一性与计算方式的多样性得到了深刻的体现。我们相信，随着科学技术和数学的不断发展，计算方式的多样性还会有新的表现。还可能出现新的计算类型。
　　2 古代的计算方式
　　人们从开始产生计算之日, 便不断寻求能方便进行和加速计算的工具。因此,计算和计算工具是息息相关的。
　　早在公元前5 世纪, 中国人已开始用算筹作为计算工具, 相对于后来的机器计算方式，这些计算的方式均可归结为“手工计算方式”，其特点是用手工操作符号，实施符号的变换——摆排竹棍或书写符号。它在公元前3 世纪得到普遍的采用, 一直沿用了二千年。后来, 人们发明了算盘, 并在15 世纪得到普遍采用, 取代了算筹。它是在算筹基础上发明的, 比算筹更加方便实用,从而加快了计算速度。　
　　3 近代计算系统的发展
　　近代的科学发展促进了计算工具的发展: 在1 6 1 4 年,  当年18岁的法国数学家帕斯卡尔从机械时钟得到启示——齿轮也能计数，成功地制作了一台齿轮传动的八位加法计算机。这使人类计算方式、计算技术进入了一个新的阶段。1 6 2 0 年, 冈特最先利用对数计算尺来计算乘除。1 8 5 0 年, 曼南在计算尺上装上光标,受到当时科学工作者广泛采用。1642 年帕斯卡发明了帕斯卡加法器。1671 年,莱布尼茨发明了一种能作四则运算的手摇计算器。自此以后, 经过人们在这方面多年的艰辛努力,出现了各式各样的手摇计算器,　英国的巴贝奇于1 8 3 4 年, 设计了一部完全程序控制的分析机,包含了现代计算的基本思想和主要的组成部分了。此后,电动式计算器慢慢取代以人工为动力的计算器。1 9 4 1 年, 德国的楚泽采用了继电器, 制成了第一部过程控制计算器, 实现了1 0 0 多年前巴贝奇的理想。
　　4 电子计算机
　　2 0 世纪初, 电子管的出现, 使计算器的改革有了新的发展,在1 9 4 6 年成功地研制出了世界上第一台电子计算机。使人类进入了一个全新的时代。这时计算表现为一种物理性质的机械的操作过程。但是，无论是手工计算还是机器计算，其计算方式——操作的基本动作都是一种物理性质的符号变换，具体是由“加”和“减”这种基本动作构成的。二者的区别就在于前者是手工的，后者是自动的
　　5 “摩尔定律”与“计算的极限”
　　在电子计算机和信息技术高速发展过程中，芯片的集成度和电子计算机的计算速度飞速发展, 而价格却不断降低。这种奇迹般的发展速度被公认为“摩尔定律”。然而人类是否可以将电子计算机的运算速度永无止境地提升 传统计算机计算能力的提高有没有极限 对此问题, 学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。如果电子计算机的计算能力无限提高, 最终地球上所有的能量将转换为计算的结果——造成熵的降低, 这种向低熵方向无限发展的运动被哲学界认为是禁止的, 因此, 传统电子计算机的计算能力必有上限。摩尔定律不久将不再适用。
　　6 DNA计算系统
　　科学代表着一个时代最为大胆的猜想。我们相信, 通过追寻“梦想—发现—解释—梦想”的不断循环, 我们可以开拓一个个新领域, 如今出现的DNA计算便有了更大的本质性的变化。计算不再是一种物理性质的符号变换，而是一种化学性质的符号变换，即不再是物理性质的‘“加”、“减”操作，而是化学性质的切割和粘贴、插入和删除。这种计算方式的变革是前所未有的，具有划时代的意义。它将彻底改变计算机硬件的性质，改变计算机基本的运作方式，其意义将是极为深远的。
　　DNA计算最初思想的提出可以追溯到1994年11月,美国计算机科学家 L．阿德勒曼（L．Adleman）在《科学》上公布了DNA计算机的理论，并成功的运用DNA计算机解决了一个有向哈密尔顿路径问题[1]。这一成果迅速在国际上产生了巨大反响[2]，一些人相信，DNA计算蕴含的理念可使计算的方式产生“进化”。
　　理论上DNA计算机具有现代电子计算机同样的计算能力，但它具有的巨大潜力（功能）却是电子计算机不可比拟的：DNA计算机运算速度极快，其几天的运算量就相当于计算机问世以来世界上所有计算机的总运算量；它的贮存容量非常大，1立方分米的DNA溶液可以存储1万亿亿位二进制的数据，超过目前所有计算机的存储容量；它的能量消耗只有一台普通计算机的十亿分之一。如此优越的分子计算机当然是激动人心的。然而它离开发、实际应用还有相当的距离，尚有许多现实的技术性问题需要去解决，如生物操作的困难。尽管DNA计算机面对着许许多多的质疑，但它的提出者阿德勒曼教授依然是极其乐观的，在他看来，提出DNA计算机并不就是要与电子计算机竞争。在计算本质上，它同人类有史以来的一切计算都是等价的、一致的。这就是说，DNA计算也是一种递归计算。这一结论有着重要的数学意义。它使人们认识了DNA计算的本质；相信它所蕴涵的理念可以使计算的方式发生进化。
　　7 总结
　　人类的计算工具, 从木棍、石头到算盘, 经过电子管计算机, 晶体管计算机, 到现在的电子计算机, 再到DNA计算。
　　我们发展计算工具在不断进化、不断加强。而DNA计算系统的产生, 将会给人类整体带来更加强大的科研能力和思考能力,更加深刻的揭 示计算的本质。也许许多困扰人类的问题, 将会随着DNA计算机工具的发展而得到解决, 并会给人类文明带来更加深刻的影响。　
参考资料
[1] ,QuantumComputation and Quantum Information[M].Cambridge University Press,2000.
[2]Lila Kari． DNA Computing： Arrival of Biological Mathematics［J］． The Mathematical Intelligencer．1997（2）．   
[3]L M Adleman. Molecular Computation of Solutions to Combinatorial Problems [J].Science, 1994.266. Science， 1994． 266．　 
[4] Quantum Information Scienceand TechnologyQuIST program ver.2.0[J].Defense Advanced Research ProjectsAgency DARPA,2004,4. 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jsjlw/jisuanjiyingyong/243149.html