计算机科学最重要的3个问题（上篇）

（来源：图灵人工智能）

计算机科学探索信息处理和系统设计

计算机科学是研究信息和信息处理过程，以及它们与计算机系统的设计、实现和应用的科学。它不仅仅关注计算机本身的硬件设备，更重要的是涉及到软件系统的理论基础、设计、开发和应用。因此通才讲堂的第十三课是计算机科学课。

如何设计计算机？

计算机设计涉及创建计算机的硬件架构和系统结构，包括处理器、存储器、输入输出设备以及这些组件之间的连接和通信方式。设计高效、可靠的计算机硬件是实现现代计算能力的基础。

冯·诺伊曼：冯·诺依曼架构

所有现代计算机使用的架构！

约翰·冯·诺伊曼，美籍匈牙利人，20世纪最具影响力的计算机科学家、数学家和物理学家之一。他出生于匈牙利布达佩斯，在年轻时展现了卓越的数学天赋。他先后在柏林大学和汉堡大学任教，后受邀前往美国普林斯顿大学担任数学教授。在普林斯顿，他与阿尔伯特·爱因斯坦等科学巨擘共事，并在第二次世界大战期间参与了曼哈顿计划，为核武器的研制做出了贡献。

冯·诺依曼生活在20世纪中叶的美国，这是一个科技飞速发展的时期，尤其是在第二次世界大战及其后的冷战背景下，计算技术的发展受到了前所未有的重视。在这个时期，计算机从最初的机械式计算设备转变为能够执行复杂计算和任务的电子机器。

冯·诺伊曼的理论核心在于他对计算机架构的贡献，特别是存储程序概念的提出。意思是，计算机的程序存储在内存空间内，程序由一系列指令组成，这些指令可以被读取和执行。

此前，计算机程序通常被硬编码在机器里，修改程序需要重新配置或重建硬件。冯·诺依曼架构的引入，使得计算机能够通过读取存储在内存中的指令来执行操作，极大地提高了计算机的灵活性和功能性。

例如，ENIAC是世界上第一台通用电子计算机，但它的编程需要手动重新连接电缆和开关。引入冯·诺伊曼架构后，计算机如EDVAC能够通过内存中的程序来改变其功能，极大地提高了编程效率。

具体来说，冯·诺伊曼架构由以下几个主要部分组成。中央处理器（CPU）是计算机的核心部件，负责执行存储在内存中的指令。它包括运算器（ALU）和控制器（CU）。内存用于存储程序和数据。输入输出设备用于与外部环境进行交互，如键盘、显示器等。

几乎所有现代计算机，包括个人电脑、服务器和智能手机，都采用冯·诺伊曼架构。这种架构的灵活性使得计算机能够运行从操作系统到应用软件的各种程序，满足多样化的计算需求。

冯·诺伊曼架构奠定了现代计算机设计的基础。他的贡献不仅改变了计算机的设计方式，还极大地推动了计算机技术的进步和应用，深刻影响了我们的现代生活。

费曼：量子计算机

基于量子力学原理的计算机！

理查德·费曼，20世纪美国物理学家。他出生于美国纽约，在普林斯顿大学获得博士学位，同年参加“曼哈顿计划”。他曾在加州理工学院教授物理学，还撰写了多本广受欢迎的科普书籍，如《别闹了，费曼先生！》。

20世纪下半叶，计算机技术迅猛发展，经典计算机在科学研究、商业应用和日常生活中发挥了越来越重要的作用。然而，随着计算需求的增加，经典计算机在处理某些复杂问题时显现出性能瓶颈。例如，模拟分子行为、优化复杂系统和破解密码等问题需要巨大的计算资源。与此同时，量子力学的发展为解决这些问题提供了新的理论基础。

费曼提出了量子计算机的概念。他在1982年的一次著名讲座中首次阐述了量子计算的基本思想，并指出量子计算机可以在某些问题上远超经典计算机。

量子计算机利用量子力学原理来执行计算，其核心在于量子比特的使用。与经典比特只能取0或1的状态不同，量子比特可以处于叠加态，即同时取0和1的状态。此外，量子比特之间可以存在纠缠态，使得它们的状态相互关联，即使相距甚远。

量子计算的基本思想是，借助量子叠加和量子纠缠，实现量子并行计算。量子并行计算允许量子计算机同时处理多个计算路径，从而大幅提高计算速度。

可以将量子计算机比作一个超强大的图书馆管理员。在经典图书馆中，管理员需要逐本检查每本书来找到所需的信息（经典计算），而在量子图书馆中，管理员可以同时打开所有的书并找到信息（量子并行计算）。

量子计算机在模拟量子系统方面具有天然优势。经典计算机在模拟分子行为和化学反应时面临巨大的计算挑战，而量子计算机可以高效模拟这些复杂系统。这一能力为药物设计、新材料发现和基础物理研究带来了新的希望。例如，IBM和谷歌等科技巨头正在积极研究量子计算在量子化学中的应用，期望通过量子模拟加速科学发现。

自然界不是经典的，混蛋，如果你想模拟自然，就必须使用量子力学。 ——费曼

费曼提出的量子计算机概念开辟了一个全新的计算范式，使得科学家们开始探索量子力学在计算领域的应用。如今，全球各地的研究机构和科技公司都在积极投入量子计算的研究和开发，争取在这一前沿领域取得突破。

帕特森：精简指令集

简单带来效率！

大卫·帕特森，依然在世的美国计算机科学家，当代计算机科学领域的杰出人物之一。他出生于美国，在加州大学洛杉矶分校获得计算机科学博士学位，成为加州大学伯克利分校的教授。

20世纪70年代末和80年代初，计算机技术迅猛发展，计算机系统的复杂性也在不断增加。当时的计算机处理器普遍采用复杂指令集计算机（CISC）架构，如英特尔的x86架构，试图通过提供丰富的指令集来提高处理器的性能。然而，CISC架构带来了设计复杂、执行效率低和功耗高等问题。

帕特森和他的团队提出了精简指令集计算机（RISC）架构，旨在通过简化处理器的指令集来提高执行效率和降低功耗。

可以把RISC架构比作一个简化但高效的生产线。想象一个制造工厂，以前的生产线（CISC架构）有许多复杂的机器，每台机器可以完成多个步骤，但需要大量的时间和能量。而新的生产线（RISC架构）则采用了简单但高效的机器，每台机器只负责一个步骤，但执行速度快且耗能少。通过这种简化和分工，整个生产线的效率得到了显著提高。

ARM处理器是RISC架构的成功典范。ARM处理器因其低功耗、高性能和灵活性广泛应用于移动设备、嵌入式系统和物联网设备中。如今，全球大多数智能手机和平板电脑都使用ARM处理器。

帕特森提出的RISC架构的理念迅速引起了广泛关注，并在高性能计算和移动设备中得到了广泛应用，为现代计算机设计带来了革命性的变革。