1.4　計(jì)算思維

1.4.1　什么是計(jì)算

1.計(jì)算的概念

計(jì)算不僅是數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)技能，而且是整個(gè)自然科學(xué)的工具。廣義的計(jì)算包括數(shù)學(xué)計(jì)算、邏輯推理、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、問(wèn)題求解、圖形圖像的變換、網(wǎng)絡(luò)安全、代數(shù)系統(tǒng)理論、上下文表示、感知與推理、智能空間等，甚至包括程序設(shè)計(jì)、機(jī)器人設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)問(wèn)題。

隨著計(jì)算機(jī)日益廣泛而深刻的運(yùn)用，計(jì)算這個(gè)原本專門的數(shù)學(xué)概念已經(jīng)泛化到人類的整個(gè)知識(shí)領(lǐng)域，并上升為一種極為普適的科學(xué)概念和哲學(xué)概念，成為人們認(rèn)識(shí)事物、研究問(wèn)題的一種新視角、新觀念和新方法。

傳統(tǒng)的科學(xué)方法一般是指科學(xué)實(shí)驗(yàn)和邏輯演繹，現(xiàn)在認(rèn)為計(jì)算是第3種科學(xué)方法。計(jì)算作為一種相對(duì)獨(dú)立的方法出現(xiàn)在科學(xué)研究之中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)海王星就是一個(gè)典型的實(shí)例，而且成為一種典型的科學(xué)方法。海王星不是直接通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的，而是數(shù)學(xué)計(jì)算的結(jié)果。1845年，英國(guó)劍橋大學(xué)的約翰·柯西·亞當(dāng)斯和法國(guó)天文學(xué)家勒威耶分別獨(dú)立在理論上計(jì)算出這顆海王星的軌道。勒威耶在得到結(jié)果后就立即聯(lián)系當(dāng)時(shí)的柏林天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)、天文學(xué)家J·C·伽勒。伽勒在收到信的當(dāng)晚向預(yù)定位置觀看，就看到了這顆較暗的太陽(yáng)系第8顆行星。

2.新的計(jì)算模式

（1）普適計(jì)算

隨著計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，通信能力和計(jì)算能力的獲得正變得越來(lái)越容易，其相應(yīng)的設(shè)備所占用的體積也越來(lái)越小，各種新形態(tài)的傳感器、計(jì)算/聯(lián)網(wǎng)設(shè)備蓬勃發(fā)展；同時(shí)由于對(duì)生產(chǎn)效率、生活質(zhì)量的不懈追求，人們希望能隨時(shí)、隨地、無(wú)困難地享用計(jì)算能力和信息服務(wù)，由此引發(fā)了計(jì)算模式的新變革，這就是計(jì)算模式的第3個(gè)時(shí)代——普適計(jì)算時(shí)代。

普適計(jì)算的思想是由Mark Weiser在1991年提出的。他根據(jù)所從事的研究工作，預(yù)測(cè)計(jì)算模式將來(lái)會(huì)發(fā)展為普適計(jì)算模式。在這種模式中，人們能夠在任何時(shí)間（anytime）、任何地點(diǎn)（anywhere）、以任何方式（anyway）訪問(wèn)到所需要的信息。

普適計(jì)算是信息空間與物理空間的融合。在這個(gè)融合的空間中人們可以隨時(shí)隨地、透明地獲得數(shù)字化服務(wù)。

“隨時(shí)隨地”是指人們可以在工作和生活的現(xiàn)場(chǎng)就可以獲得服務(wù)，而不需離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)去端坐在一臺(tái)專門的計(jì)算機(jī)面前，即像空氣一樣無(wú)所不在。

“透明”是指獲得這種服務(wù)時(shí)不需要花費(fèi)很多注意力，即這種服務(wù)的訪問(wèn)方式是十分自然的，甚至是用戶本身注意不到的。

普適計(jì)算將計(jì)算機(jī)融入人們的生活，形成一個(gè)“無(wú)時(shí)不在、無(wú)處不在而又不可見(jiàn)”的計(jì)算環(huán)境。在這種環(huán)境下，所有具備計(jì)算能力的設(shè)備都可以聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口提供公開(kāi)的服務(wù)，設(shè)備之間可以在沒(méi)有人的干預(yù)下自動(dòng)交換信息，協(xié)同工作，為終端用戶提供一項(xiàng)服務(wù)。

（2）網(wǎng)格計(jì)算

網(wǎng)格計(jì)算是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)而迅速發(fā)展起來(lái)的，是專門針對(duì)復(fù)雜科學(xué)計(jì)算的新型計(jì)算模式。這種計(jì)算模式是利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的計(jì)算機(jī)組織成一個(gè)“虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)”，其中每一臺(tái)參與計(jì)算的計(jì)算機(jī)就是一個(gè)“結(jié)點(diǎn)”，而整個(gè)計(jì)算是由成千上萬(wàn)個(gè)“結(jié)點(diǎn)”組成的“一張網(wǎng)格”，所以這種計(jì)算方式稱為網(wǎng)格計(jì)算。這樣組織起來(lái)的“虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)”有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是數(shù)據(jù)處理能力超強(qiáng)；二是能充分利用網(wǎng)上的閑置處理能力。簡(jiǎn)單地講，網(wǎng)格是把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)整合成一臺(tái)巨大的超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識(shí)資源、專家資源的全面共享。

網(wǎng)格計(jì)算研究如何把一個(gè)需要非常巨大的計(jì)算能力才能解決的問(wèn)題分成許多小的部分，然后把這些部分分配給許多低性能的計(jì)算機(jī)來(lái)處理，最后把這些計(jì)算結(jié)果綜合起來(lái)從而攻克難題。

（3）云計(jì)算

計(jì)算模式大約每15年就會(huì)發(fā)生一次變革。至今，計(jì)算模式經(jīng)歷了主機(jī)計(jì)算、個(gè)人計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算，現(xiàn)在云計(jì)算也被普遍認(rèn)力是計(jì)算模式的一個(gè)新階段。20世紀(jì)60年代中期是大型計(jì)算機(jī)的成熟時(shí)期，這時(shí)的主機(jī)-終端模式是集中計(jì)算，一切計(jì)算資源都集中在主機(jī)上；1981年IBM推出個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）用于家庭、辦公室和學(xué)校，推進(jìn)信息技術(shù)發(fā)展進(jìn)入PC時(shí)代，此時(shí)變成了分散計(jì)算，主要計(jì)算資源分散在各個(gè)PC上；1995年隨著瀏覽器的成熟，以及互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，使分散的PC連接在一起，部分計(jì)算資源雖然還分布在PC上，但已經(jīng)越來(lái)越多地集中到互聯(lián)網(wǎng)；直到2010年，云計(jì)算概念的興起實(shí)現(xiàn)了更高程度的集中，它可將分布在世界范圍內(nèi)的計(jì)算資源整合為一個(gè)虛擬的統(tǒng)一資源，實(shí)現(xiàn)按需服務(wù)、按量計(jì)費(fèi)，使計(jì)算資源的利用猶如電力和自來(lái)水般快捷和方便。

云計(jì)算的核心思想是將大量用網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，從而構(gòu)成一個(gè)計(jì)算資源池向用戶按需服務(wù)。提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱為“云”。“云”中的資源在使用者看來(lái)是可以無(wú)限擴(kuò)展的，并且可以隨時(shí)獲取，隨時(shí)擴(kuò)展，按需使用，按需付費(fèi)。

繼個(gè)人計(jì)算機(jī)變革、互聯(lián)網(wǎng)變革之后，云計(jì)算被看作第3次IT浪潮，它意味著計(jì)算能力也可作為一種商品通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行流通。