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《伟大的计算原理》一第2章

简介:

本节书摘来华章计算机《伟大的计算原理》一书中的第2章 ,[美]彼得 J. 丹宁(Peter J. Denning)
克雷格 H. 马特尔(Craig H. Martell)著 罗英伟 高良才 张 伟 熊瑞勤 译 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

第2章

Great Principles of Computing
计 算 领 域
生物学是一种信息科学。
——David Baltimore
除了理论和实验之外,计算是进行科学研究的第三种方式。
——Kenneth Wilson
科学与科学应用密不可分,如同一个树上结出的多枚果实。
——Louis Pasteur
计算活动由人类实施,而不是基本原理。在长期的实践活动中,人们的计算活动逐渐形成了丰富多样的计算领域(computing domain)。每一个计算领域主要关注一项技术或其应用。例如,信息安全领域主要关注信息安全技术,而隐私领域则主要关注如何应用信息安全技术来保护个人的隐私信息。这些领域中的实践者分享相似的问题、技巧、方法,享受计算的基本原理带给他们的权利,同时也受到这些原理的限制。本书所阐述的计算的重要原理不可能脱离这些计算领域而独立存在(Rosenbloom 2012)(见图2.1)。

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空气动力学数字仿真是计算领域的一个实例。为了更有效地设计飞机,计算机科学家和航空领域的专家进行了长期的协同工作。自20世纪80年代以来,飞机制造公司开始使用数字仿真技术来设计机翼和机身。传统方法通过风洞和样机进行机翼和机身的设计,对于大尺寸复杂飞机的设计已经不具有可行性。通过运行在大规模并行超级计算机上的新型算法,工程师已经可以在不经过风洞试验的情况下设计出可以安全飞行的飞机。波音777是第一种完全通过数字化设计产生的飞机。航空专家和计算机专家紧密合作,产生了一个新的科学领域——计算流体力学,来计算气流的复杂运动。他们基于3D网格设计出相应的计算方法来求解机身周围空气的流体力学方程。他们探索出一种快速多重网格算法,能够基于超立方体并行处理器网络在很短的时间内完成大尺寸机身的设计工作(Chan and Saad 1986,Denning 1987)。他们还设计了动态网格精化方法,来提高气压和流速变化剧烈区域的计算精度。其中的有些方法甚至体现出了全新的计算基本原理。基于这些进展,计算方法已经成为流体力学不可缺少的构成成分。

图2.1 图中底部所示的6种类型的计算原理都关注于通过管理物质和能量来产生预期的计算行为。而图中上部的计算领域则是实践领域。这些实践领域中的人们通过灵活应用计算的基本原理来求解他们遇到的各种问题(带箭头的虚线)。这些实践领域中的工作为计算也为自身探索出新的基本原理
目前已经发展了丰富多样的计算领域。ACM(Association for Computing Machinery)总结出其成员所关注的42种计算领域,以及数十种的相关的领域(Denning and Frailey 2011)。本章我们简单介绍一下4种计算领域:信息安全、人工智能、云计算、大数据。对每个计算领域,我们重点关注4个方面的因素:

  • 涉及哪些人;
  • 关注什么问题;
  • 涉及哪些计算基本原理;
  • 如何为计算和所在领域带来新的基本原理。

这种分析有可能揭示一些新的基本原理,并帮助实践者理解计算能够给他们带来的利益和限制,也有可能帮助探索不同技术之间的联系,从而为未来的创新埋下伏笔。
在深入这些计算领域之前,我们应该进一步加深对计算领域与计算基本原理两者之间关系的理解。这种理解能够帮助我们更好地分析这些领域。

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