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Chapter9高级主题CS,ZJU12/1/2022Overview高性能计算人工智能虚拟现实自动机理论可计算理论信息安全信息社会9.1高性能计算高性能计算HPC，HighPerformanceComputing是计算机科学的一个分支，旨在研究复杂体系结构、算法和开发相关软件

，致力于开发高性能计算机–并行计算–分布式计算–集群计算–云计算1.并行计算并行计算（ParallelComputing）–传统意义上是指计算资源应包括一台配有多处理机（并行处理）的计算机–具有超级计算能力的计算机系统，这是获得高性能计算的重要手段今天，并行计算也是指一个通过网络连接

的计算机群，或者两者结合使用在过去很长一段时间内，并行计算几乎就是HPC的代名词并行计算1980年代，并行计算机系统（多处理器同时对一组数据进行同一个操作）达到了鼎盛时期90年代，超大规模并行计算（Mass

ivelyParallelProcessing，MPP）开始占主导地位对称多处理器（SymmetricMulti-Processor，SMP）结构的并行系统1993年成立的Top500机构开始进行全球高性能计算机系统排名并行计算据2005

年11月Top500公布的数据–排名第一的BlueGene/L系统——IBM公司——处理速度达到280.6TFlop/s（每秒万亿次浮点运算），系统有131,072个处理器我国曙光公司生产的曙光4000A超级计

算机，在2004年Top500中跻身前十名，标志着我国高性能计算进入世界先进水平中国联想集团生产的深腾6800高性能计算机系统也达到了10TFlop/s级曙光5０００Ａ超级计算机百万亿次/秒%中国天河计算机日本“京”计算机世界超级计算机排

名据国外媒体报道，在两年一次的世界上最强力的超级计算机排名中,中国仍然占据着榜首排名中的所有500台超级计算机，总的计算能力达到每秒250千万亿次的浮点运算速度，其中排名前17的超级计算机的计算能力就

占了一半，并且有31台超级计算机的计算速度达到了1千万亿次以上天河二号2013.11.20：“天河二号”超级计算机的每秒33.86千万亿次的浮点计算能力，是第二名美国泰坦超级计算机接近2倍遗憾只有1／8的CPU是自主知识产权（超算CPU非常多）

其余的是购买的进口产品，但是值得关注的是采用了国产「麒麟」系统天河二号IBM公司64枚处理器芯片的计算机主板2.分布式计算分布式系统——研究组件的异构性、开放性、安全性和可伸缩性、并发性、透明性及故障处理分布式计算的主题是多种多样的，包括–分布式硬件结构和分

布式软件设计一个分布式系统是为解决单个问题而紧密结合在一起工作的多处理机的集合Or，一个分布式系统可能意味着一个由地理上分散的、各自独立的计算机组成的网络，这些计算机连接在一起以实现对不同资源的共享分布式计算分布式系统这

个词义方面的混乱–源于对物理的分布和逻辑的分布的区分–分布式技术和网络技术之间的相互渗透和交融更多的观点认为，分布式系统：–逻辑或物理分布的部件或机器，以网络连接的形式组成的一个（计算机）系统–并行意义的根本是将两台以上的机器（处理器）连接起来解决一些计算问题3.集群计算集群计算（

ClusterComputing）–也是基于并行系统和网络的–它作为并行计算和网络技术在高性能计算机体系结构中最为成功的集成和运用，也是目前性价比最好的系统在2005年11月的Top500中，集群系统占到了70％以上集群系统集群系统—

—是以高速网络（如光缆局域网）连接起来的高性能工作站或微机组成集群系统在运行中像一个统一的整合资源，所有节点使用单一的界面本质上说，集群是一种并行或者分布式系统集群的同义词是工作站网络（NetworkofWorkstation，NOW）集群系统集群系统——最廉价的高性能计算机系统

主要原因：（1）微机或工作站的性能越来越强（2）LAN特别是高速光纤LAN延迟越来越小，网络带宽增加（3）工作站网络易于集成，和现有的网络更容易整合（4）相比大型并行系统，微机或工作站的开发工具更成熟，而且更易于被大批专业人员掌握（5）工作站和微机系统标准化程度高（6）集群系统采用的平台便宜

而且易于获得，如Unix、Linux和WindowsServer都可以作为集群系统的平台4.云计算分布式计算、网格计算、普适计算发展而来——云计算（无处不在的计算）云——因特网效用计算——计费，像电网的

用电付费云——产业（云软件、云平台、云设备）计算机基础科学189.2人工智能人工智能作为计算机研究的重要领域，已经成为计算机科学和技术发展的一个目标。图灵测试----计算机能够象人一样思考吗？中国屋思考实验---

-反驳图灵测试推理：知识表达–语义网络–搜索树----深蓝1.图灵测试:“计算机能够象人一样思考吗？”图灵测试——黑盒测试–测试者和被测者之间用幕布隔开，发问者不知道对面回答问题的人是谁图灵测试本身也被人提出了疑问–——中国屋思考试验塞尔认为：–机器不能思考，它只是一个工

具，符号识别不能够满足语义，只有大脑能引起思考现在还没有机器通过图灵测试，关于机器思考的争论还在持续，但计算机科学家并没有停止或者放弃对AI的研究，相反地这种争论促进了AI的研究进展2.推理：知识表达人工智能一直在研究计算机的推理能力人类智能是基于

行为的进化而不是复杂程序的执行解决问题需要有效信息，有效信息还需要有效表达计算机使用符号语言–科学家们试图在人类的自然语言和机器的符号处理之间找到一种关系，使得机器能够具有人类的推理能力语义网络是一种知识表达法——定义它非常困难相比语义网络，搜

索树易于实现3.专家系统一种智能计算机软件系统，像领域专家那样向用户提供解决问题的方法四个要素：–应用于某专门领域–拥有专家级知识–能模拟专家的思维–能达到专家级水平4.神经网络由大量处理单元（神经元、处理元件、电子元件、光电元件等）广泛互连的网络

高度非线性的超大规模的连续时间动力系统具有大规模并行分布处理及学习能力具有非线性动力系统的共性具有不可预测性、吸引性、耗散性、不可逆性、高维性、广泛连接性和自适应性等特点神经网络25人工神经元模型其中：xi为输入信号，ui表示神经元的内部状态，i为阈值。si为

外部输入信号，si可对神经元ui进行控制5.机器人综合了人和机器特长的一种拟人化的电子机械装置，它既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力“大脑”：嵌入式处理器机器人视觉系统接

近觉传感器机器人语言26Robot机器人装有所需要的传感器–视觉传感器，为机器人移动进行导航–接近觉系统，探测自身与周围物体之间相对位置和距离的传感器–机器人语言，实现与人的联系智能机器人——在研究阶段6.自然语言处理语音识别自然语言理解语音合

成最新的进展：IBM公司的智能计算机“沃森”自然语言处理尝试使用自然语言和计算机对话IBM的Voice系统——依据规则进行处理最困难的是自然语言的理解–自然语言特有的二义性–理解单词的意义需要根据上下文–理解自然语言，人类需要依赖他

们所具有的知识和联想记忆力自然语言理解需要进行语法分析、语义分析和上下文分析自然语言处理研究的另一个方面是整个文件而不是一个句子——机器翻译？7.人工智能的研究困难图灵机的启示计算机博奕的困难自动定理证明及其局限模式识别的困惑自动程序设计的困难

……319.3虚拟现实虚拟现实（VR）或称虚拟环境（VE）：由计算机生成的、使人具有身临其境感觉的计算机模拟环境，它是一种全新的人机交互系统–虚拟环境能对介入者——人产生各种感官刺激，如视觉、听觉、触觉、嗅觉等，同时人能以自然方式与虚拟环境进行交互操

作–VR强调作为介入者——人的亲身体验，要求虚拟环境是可信的，即虚拟环境与人对其理解相一致虚拟现实虚拟现实的概念模型可看做“显示／检测”模型–显示是指虚拟环境系统向用户提供各种感官刺激信号，包括光、声、力、嗅、味等各种刺激信号–检测是指虚拟环境系统监视用户的各种动作，检测并辨识用户的视点变化，

头、手、肢体和身躯的动作9.4自动机理论自动机理论是对抽象（计算）机和它们能解决的问题的研究。多种自动机模型：1.有限自动机：基于离散系统的抽象数据模型2.图灵机：图灵提出的一个自动机模型，用于解释机器的计算能力及其局限性。是算法研究的

重要工具3.细胞自动机：离散模型，在自动机理论、数学及理论生物学方面有其研究和应用。源于科学家对生物细胞的自我复制的模仿，冯诺依曼提出4.。。。。。有限自动机基于离散系统的抽象数据模型计算机中的加法器、计数器、操作系统等活动过程都是离散系统的实例有限自动机主要研究系统的综合

和分析，给出具体的功能要求，设计能够实现其功能的有限自动机，分析有限自动机的功能描述、时间复杂性和故障传播与检测等9.5可计算理论可计算问题——计算机能做什么，计算机不能做什么？可计算函数哥德尔数计算复杂性停机问题1

.可计算函数计算是与算法关联的，可计算理论——算法理论算法实质的研究——对算法概念的精确化研究–把计算机看作抽象的机器，算法就是执行的程序可计算问题能够被抽象计算机计算其值的问题可计算函数是其中研究的一个方面如果函数能够通过算法得到函数值，则称函数

是可计算的(Computable)2.哥德尔数哥德尔（KurtGodel）是继牛顿之后的最伟大的数学家和逻辑学家——哥德尔不完备定理哥德尔数——程序设计语言的符号被能够分配一个对应的无符号数，这个数就是哥德尔数计算机语言是复杂的，已经证明：只要简

单的3条语句就可以描述所有的程序–Incr(加1运算)、decr(减1运算)、while(循环)转换：程序<——>哥德尔数哥德尔数程序设计语言的符号能够被分配一个对应的无符号数符号十六进制数符号十六进制数符号十六进制数符号十六进制数004488whileC115599{D2266incrA}E

3377decrBXF1．程序转换为哥德尔数例：incr(X)→incrX→AFH→1752．哥德尔数转换为程序例：3058→BF2H→decrX2→decr(X2)哥德尔数P.1831．程序转换为哥德尔数whilex1{//如果x1不等于0，则执行下面的循

环decrx1incrx2}→CF1DBF1AF2EH→142329167009742．哥德尔数转换为程序例：13622270→CFDBFEHwhilex{decrx}//将变量x置03.计算复杂性复杂性的度量–定

量描述算法的复杂程度–完成计算（算法）所需要的时间和存储器资源–大O表示法：主要考虑其数量级而不是精确值对于n个输入的算法C，复杂性表示为：f(n,C)=n2+2n当n足够大时2n可忽略O(n)表示有n个输入的算法，执行n次运算O(n2)表示有n个输入的算法，执行

n2次运算计算复杂性大O表示法–选择法排序，复杂度O(n2)n个数排序的次数为n(n-1)/2，即0.5n2-0.5n–快速排序法，复杂度为O(nlogn)比较n=1000000，使用运算速度为每秒100万次的计算机–O(logn)–O(n)–O(n2)Times:6μsTimes:10

00000μsTimes:1012μs1s277h计算复杂性在计算机科学领域，将问题分为：–不可解问题的确无解，如停机问题虽然有解，但时间复杂度很高–可解问题P问题（多项式问题）NP问题（非确定性多项式问题）计算复杂性P问题–有多项式的时间解可在多项式表达的有限时间内解决–

算法的复杂度大O值是输入数量n的多项式如：O(n2)O(nlogn)–P问题包含大量的已知的自然问题如：判断素数、计算最大公约数、计算PI值、计算e值、排序问题、二维匹配问题–P问题是是可解的，是区别问题是否可以被计算机求解的一个重要标志计算复杂性ＮP问题–算法的复杂度

不能使用确定的多项式来表示–通常它们的时间复杂度是指数变量如：O(10n)O(n!)–最短路径问题，O(2n)，n是途经城市的数量–通俗地称所有复杂度为多项式时间的问题为易解的问题类，否则为难解(Intractable)的问题4.停机问题（Halti

ngproblem）停机问题：是否有一个程序T能够预测任何一个程序的执行是否会停机结论：没有一个程序T能够测试用哥德尔数表示的程序是否会终止，也就是说，预测程序是否被终止是不可能的停机问题是不可计算的whilex{incrx;}如果存

在一个停机函数，那么这个函数是不可计算的9.6信息安全信息安全工程研究各种防止安全事故的发生和各种攻击、入侵事件的发生。前者需要的是一种有效的组织管理进制，而后者的主要研究内容是安全协议。核心：安全协议的研究建立有效的组织机制计算机

与安全威胁计算机安全的主要因素：灾难系统缺陷病毒黑客攻击等1.计算机安全工程计算机和网络安全所依赖的技术基础–主要是密码学、可靠性技术、安全印刷和认证、审计等安全工程的本质–在于了解系统的潜在威胁，然后选择适当的措

施来控制这些威胁因素安全工程的核心是安全协议的研究计算机安全工程中的重要基础是口令计算机系统风险硬件风险–容错的计算机系统–Fault-tolerantComputerSystem软件风险–软件测试–SoftwareTesting2.计算机病

毒计算机病毒(ComputerVirus)–“编制或者在计算机程序中插入的破坏计算机功能或者破坏数据，影响计算机使用并且能够自我复制的一组计算机指令或者程序代码。”——《中华人民共和国计算机信息系统安全保护条例》这种程序代码或指令段具有传染性、破坏性、

潜伏性以及自我复制能力，类似于微生物学中的病毒故而得名。病毒种类常见的计算机病毒：–宏病毒一种寄存在文档或模板的宏中的计算机病毒–寄生型病毒一种感染可执行文件的程序–蠕虫病毒能够自我复制的计算机程序，虽然它并不感染其

他文件，通过分布式网络来扩散传播特定的信息或错误，使网络流量大大增加进而造成网络服务遭到拒绝并发生死锁–黑客病毒一种能够散布病毒蠕虫或其他恶意程序的计算机程序。25/533.反病毒软件的机制反病毒软件发展历程：–简单

的病毒扫描（Scan）程序–启发式的扫描程序–行为陷阱–全方位的保护主要技术：寻找病毒的特征码4.黑客现在黑客常指专门利用计算机犯罪的人防御手段：–实体安全防范，包括机房、网络服务器、线路和主机等–对系统进行全天候的动态监控–加强基础安全防范，主要包括授权认证、数据加密

和信息传输加密，防火墙设置等5.防火墙为了防止非法访问而设置的“屏障”；通过硬件实现；通过软件实现；9.7信息社会社会影响自第一台计算机诞生至今，它为社会带来了巨大的经济效益，同时也给人类社会生活带拉了现实的和潜在的问题。1.社会

问题对于个人隐私的威胁计算机安全与计算机犯罪知识产权保护自动化威胁传统就业信息时代的贫富差距依赖复杂技术带来的社会不安全因素2.计算机与法律计算机犯罪–因计算机技术和知识起了基本作用而产生的非法行为（美国司法部）–在自动数据处理过程中任何非法的违反职业道德

的未经批准的行为（欧洲经济合作与发展组织）计算机犯罪与法律我国刑法认定的几类计算机犯罪包括以下几种–（1）违反国家规定，侵入国家事务、国防建设、尖端科学技术领域的计算机信息的行为；–（2）违反国家规定，对计算机信息系统功能进行删除、修改、增加、干扰，造成

计算机信息系统不能正常运行；–（3）违反国家规定，对计算机信息系统中存储处理或者传输的数据和应用程序进行删除、修改、增加操作；–（4）故意制作和传播计算机病毒等破坏性程序，影响计算机系统正常运行3.隐私保护隐私权是指公民享有的个人生活不被干扰的权利和个人资料的支

配控制权在信息网络时代，个人隐私权侵犯六种情形–侵害个人通信内容–收集他人私人资料赚钱–散播侵害隐私权的软件–侵入他人系统以获取资料–不当泄露他人资料–网上有害信息软件版权和自由软件知识产权（IntellectualProperty）是指由个人或组织创造的无形资产，依法享有专有权利盗版——软

件的非法复制版权的合理性自由软件——使用者可以自由的运用，拷贝，分发，学习，改变改善该软件共享软件1.软件版权及其保护盗版——软件的非法复制–会受到法律诉讼“软件版权”–赋予一个程序作者唯一享有复制、发布、出售、更改软件等诸多权利许可证（License）保护：–软件许可证是一种具有

法律效力的合同商业软件–版权保护–享有许可证保护2.自由软件软件版权合理吗？–最早的软件“随机销售”，不存在版权FreeBSD最早的自由软件——伯克利发布第一个免费的Unix版本又叫“源代码开放软件

”，GUN/Linux全球前500名超级计算机中，有91%运行Linux自由软件和LINUX无处不在3.共享软件又叫“试用软件”，微软最早提出介于商业软件和自由软件之间的一种形式也受著作权保护发行方式：复制品可以通过网络在线服务、BB

S或者从一个用户传给另一个用户等途径自由传播测试版软件计算机与环境在科技发展史上，人类文明的每一次进步对于环境保护而言都是利弊同在的。计算机的发展也不例外积极作用–高效的信息反馈和控制机制，使各种活动得以更为合理的安排和组

织，使我们可以及时发现问题和预知可能存在的问题，迅速处理危机，以减少资源的浪费并促进不断地创新和超越负面影响–高物耗、高能耗、废弃物、间接破坏作用绿色计算机美国“能源之星”绿色计算机计划–待机耗电<60瓦，主机和监视器低于30瓦特绿色电脑是指具备环保功能的计算机，在设计、生产、销售、使用、

回收等整个过程中都必须符合环保要求优点：–省电节能–无污染–可再生–符合人体工程学原理–。。。计算机与人类健康随着计算机的快速普及，“计算机病”也开始发生并引起了人们的关注：–肢体重复性劳损（RepetitiveStressInjury,RSI）–计算机视觉综合症(CVSComputerVi

sualSyndrome)–技术压力(Techno-stress)–荧屏辐射还没有什么有效方法克服以上几个问题Review高性能计算人工智能虚拟现实自动机理论可计算理论信息安全信息社会思考题什么是高性能计算，实现高性能计算的主要技术有哪些？什么是云计算？云计算的技术特

点是什么？人工智能有很多方面的研究，列举其中的几项并解释其研究内容。什么是黑客？如何防止计算机被非法入侵？请试着在网络上查找有关黑客的更多的信息，了解黑客对计算机进行非法入侵的情况使用。思考题防止病毒只是一种不得不为之的措施，你认为

反病毒软件的作用有多大？反病毒技术往往滞后于病毒的发展，归纳一下目前的病毒发展情况，并进一步了解目前反病毒的技术发展。如何防止个人隐私被非法泄露？应该如何保护个人信息？保护个人信息和实名制之间有什么矛盾，如何解决？HomeworkP.1952

．选择题自己完成后核对答案