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出版者:清华大学出版社

作者:缪鹏

出品人:

页数:249

译者:

出版时间:2019-1-1

价格:67.20元

装帧:平装

isbn号码:9787302517900

丛书系列:

图书标签:

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《现代计算范式：从并行计算到量子信息》 图书简介 本书旨在为读者构建一个关于当代和前沿计算理论与实践的全面认知框架。我们不再将计算视为单一的、基于图灵机模型的线性过程，而是将其视为一个多维度的、不断演进的复杂系统，涵盖了从经典硬件加速到全新物理学原理驱动的计算范式转变。 全书共分为六个主要部分，层层递进，深入探讨了支撑现代信息技术和未来计算科学的基石与挑战。 --- 第一部分：高性能计算的基石与架构演进 本部分聚焦于如何打破冯·诺依曼瓶颈，实现大规模数据和复杂算法的有效执行。我们将详细剖析现代高性能计算（HPC）系统的核心组成，并探讨其对科学研究和工业应用的影响。 第一章：并行计算的理论基础与模型 本章首先回顾了串行计算的局限性，随后引入了计算复杂度的并行化视角。重点讨论了不同并行模型之间的权衡，包括SIMD（单指令多数据）、MIMD（多指令多数据）以及数据并行与任务并行的区别。我们深入分析了Amdahl定律和Gustafson定律在评估并行效率时的实际应用与局限性。 第二章：多核处理器与内存层次结构 本章详细解析了现代CPU和GPU内部的微架构。我们不再停留在简单的核心数量比较上，而是关注缓存一致性协议（如MESI、MOESI）如何影响多线程性能。内存墙问题是本章的核心议题，探讨了高带宽内存（HBM）、片上网络（NoC）和非均匀内存访问（NUMA）架构如何重塑数据移动的策略。此外，我们分析了指令级并行性（ILP）的最新发展，包括乱序执行和分支预测的深度优化。 第三章：集群计算与分布式系统 本章转向大规模系统的构建。从早期的Beowulf集群到现代超级计算机，我们探讨了互连网络拓扑结构（如环形、网格、超立方体）对通信延迟的影响。MPI（消息传递接口）和OpenMP是本章的重点，通过大量的代码实例，指导读者如何有效地管理跨节点和跨核的通信与同步。我们还讨论了容错机制在长时间运行的大规模模拟中的重要性。 --- 第二部分：数据密集型计算与新兴硬件加速 随着数据量的爆炸性增长，对特定计算任务的硬件加速成为必然趋势。本部分侧重于那些不再完全依赖传统CPU架构的计算范式。 第四章：专用集成电路（ASIC）与现场可编程门阵列（FPGA） 本章对比了通用处理器与专用加速器的设计哲学。FPGA因其重构性，成为原型设计和特定领域计算的有力工具。我们详细介绍了硬件描述语言（如VHDL/Verilog）的基本概念，并展示了如何利用其并行结构实现特定算法的硬件加速，例如快速傅里叶变换（FFT）或特定的密码学运算。对于ASIC，我们探讨了定制化设计带来的性能提升与高昂的开发成本之间的平衡。 第五章：内存计算（Processing-In-Memory, PIM） PIM是解决“数据移动成本”问题的颠覆性方案。本章探讨了基于电阻式随机存取存储器（RRAM）或相变存储器（PCM）的模拟计算方法。我们分析了如何利用材料的物理特性（如欧姆定律和基尔霍夫定律）直接在存储单元内部执行加法和乘法操作，从而实现巨大的能效比提升，尽管其精度和可靠性仍是当前研究的热点。 第六章：光子计算与类脑计算的初步探索 本章展望了下一代计算媒介。光子计算利用光子的速度和并行性，有望超越电子的物理极限。我们介绍了光波导、调制器和集成光子电路的基础原理。在类脑计算方面，本章简要介绍了脉冲神经网络（SNNs）的计算模型，以及它们在事件驱动型传感器数据处理中的潜力。 --- 第三部分：现代软件栈与编程模型 硬件的进步必须辅以适应其特性的软件抽象层。本部分关注如何编写高效、可移植且易于维护的并行程序。 第七章：异构计算的编程范式 本章深入探讨了CUDA和OpenCL，作为连接CPU和GPU等异构资源的桥梁。我们详细剖析了GPU的线程层次结构（Grid, Block, Thread）与内存模型（全局、共享、常量内存）。编程实践方面，我们将侧重于如何将算法分解为适合GPU执行的并行核函数，并讨论数据迁移策略的优化。 第八章：领域特定语言（DSL）与抽象层 随着计算领域的专业化，通用的C++或Python往往难以充分表达领域专有的计算模式。本章讨论了如何设计和使用DSL（如用于流处理的DSL）来提高开发效率和代码的潜在优化空间。此外，我们分析了编译器技术在自动并行化和负载均衡中的作用，以及高级抽象层如何隐藏底层的硬件复杂性。 --- 第四部分：可信赖与安全的计算环境 随着计算能力渗透到更敏感的领域，确保计算结果的正确性和数据隐私成为核心议题。 第九章：形式化验证与软件可靠性 本章探讨了如何使用数学方法证明程序属性的正确性。我们将介绍模型检测（Model Checking）和定理证明器的基本工作原理，重点分析它们在关键系统（如航空航天控制系统）软件开发中的应用。 第十章：隐私增强计算（PEC） 为了在不泄露原始数据的前提下进行数据分析，PEC技术应运而生。本章详细讲解了同态加密（HE）的原理和主要实现（如BGV, CKKS），以及安全多方计算（MPC）如何允许多个参与方协作计算一个函数，而无需暴露各自的输入。这些技术为未来安全的数据协作奠定了基础。 --- 第五部分：超越经典：量子计算导论 本部分将视角从经典信息论提升到量子力学层面，探索一种根本不同的信息处理方式。 第十一章：量子比特与基本操作 本章是理解量子计算的起点。我们引入了复数向量空间、狄拉克符号，并定义了量子比特（Qubit）的概念。重点讲解了泡利矩阵、Hadamard门等基本单比特和双比特量子门，以及量子电路图的绘制规范。 第十二章：核心量子算法与物理实现挑战 我们将分析Shor算法和Grover算法的计算原理，阐述它们在特定问题上超越经典算法的加速潜力。最后，本章严肃讨论了当前量子硬件的挑战，包括退相干性、纠错码（如表面码）的必要性，以及超导、离子阱、拓扑量子计算等主流物理实现路径的优劣势。 --- 第六部分：计算的未来与边界 本部分着眼于未来十年内可能重塑计算景观的前沿研究方向。 第十三章：边缘计算与物联网的实时性需求 本章讨论了计算任务从集中式云端向数据源头迁移的趋势。边缘计算要求设备具备更强的实时处理能力和更高的能效比。我们分析了在资源受限的终端设备上部署复杂模型的优化技术，以及分布式一致性协议在边缘网络中的调整。 第十四章：自适应与自组织计算系统 未来的计算系统必须具备自我感知、自我优化和自我修复的能力。本章探讨了基于控制理论的计算资源调度方法，以及如何利用系统级遥测数据驱动的反馈回路来动态调整并行策略和硬件配置，以适应不断变化的工作负载特征。 --- 结语：面向未来的计算素养 本书的最终目标是培养读者对计算系统的深度理解，使他们能够跨越软件、硬件和理论的界限，设计出适应未来挑战的、高效且可靠的计算解决方案。

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这本书的章节逻辑构建堪称教科书级别的典范，它并非简单地堆砌知识点，而是遵循了一条由浅入深、层层递进的学习路径。初学者可以从最基础的理论框架开始理解，作者巧妙地用日常的例子来类比抽象的概念，使得那些原本高深莫测的算法原理变得触手可及。随着阅读的深入，你会发现后面的章节并非孤立存在，而是与前文紧密咬合，形成一个有机统一的知识体系。比如，对某种特定网络结构的深入剖析，会自然地引出其在实际应用中遇到的性能瓶颈，进而水到渠成地过渡到优化策略的讲解。这种环环相扣的叙述方式，极大地减少了读者在不同知识模块间跳转时可能产生的认知断裂感。它真正做到了“引导”，而不是“灌输”，让读者在不知不觉中，完成了从零散知识点到系统性认知的飞跃。这种精心设计的叙事结构，是区分一本优秀技术书籍和一般参考资料的关键所在。

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这本书的排版和印刷质量着实令人眼前一亮，纸张的选择很有质感，拿在手里沉甸甸的，翻阅起来手感极佳。装帧设计上，封面简约而不失大气，色彩搭配也相当考究，一看就是经过精心打磨的作品。内页的字体大小和行间距处理得非常人性化，长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。尤其是那些复杂的数学公式和代码片段，排版得清晰规整，逻辑线条一目了然，这对于需要反复对照和理解的读者来说，简直是福音。很多技术书籍在这方面做得比较粗糙，让人阅读起来非常吃力，但这本书在这方面的用心程度，绝对能让注重阅读体验的读者感到惊喜。此外，随书附带的插图和图表质量也无可挑剔，色彩鲜明，细节丰富，即便是初次接触这些概念的读者，也能通过这些高质量的视觉辅助材料迅速建立起直观的认识。这种对细节的执着，体现了出版方和作者对读者体验的高度重视，让每一次翻开它都成为一种享受，而不是负担。

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这本书在内容的时效性和前沿性上表现出色，它敏锐地捕捉到了领域内最新的一些进展和思潮，并在适当的位置进行了介绍和分析。对于快速迭代的科技领域而言，一本技术书籍能否跟上时代的步伐至关重要。这本书在处理这些前沿技术时，并没有采取简单罗列最新论文标题的做法，而是选择性地挑选了那些对现有范式产生重大影响的核心技术点进行深入剖析。它能够将那些看似相互独立的新技术，放入一个统一的框架下进行比较和审视，帮助读者理解不同技术路径之间的权衡与取舍。这种前瞻性的视野，使得读者在阅读完毕后，不仅能掌握当前主流的技术栈，更能对未来可能的发展方向有所预判，这在职业发展中具有显著的战略价值。能够在一本出版物中看到如此及时的技术洞察，实属难得。

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作者在理论阐述深度上拿捏得非常精准，既保证了学术上的严谨性，又避免了过度陷入晦涩的数学证明而让工程实践者望而却步。书中对核心算法的讲解，通常会先给出直观的几何或流程解释，帮助读者建立整体概念，随后才会引入必要的数学推导来夯实理论基础。更值得称赞的是，很多关键的创新点和背后的动机都被挖掘得非常透彻。作者没有停留在“是什么”的层面，而是深入探讨了“为什么是这样设计”，这种对设计思想的挖掘，对于那些希望未来能独立创新或改进现有模型的读者来说，是无价的财富。它教会的不仅仅是如何使用工具，更是如何像设计者一样思考问题。阅读过程中，会清晰地感受到作者本人深厚的领域积累和丰富的实战经验，这种“过来人”的视角，使得理论不再是冰冷的公式，而是充满生命力和解决实际问题的力量。

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这本书的实践指导价值是其最令人称道的部分之一。它完美地平衡了理论深度和实际操作的可行性。在讲解完核心概念后，书中往往会紧接着提供详尽的、可复现的代码示例，这些示例不仅仅是简单的“Hello World”级别演示，而是包含了更贴近真实工业场景的配置、数据处理流程和常见问题的处理方法。作者在代码注释方面投入了大量精力，几乎每一个关键步骤都有清晰的解释，这极大地降低了读者从理论到实践的转化门槛。更棒的是，它似乎预料到了读者在实际部署中可能遇到的各种“坑”，并提前在相关章节中给出了规避建议和调试技巧。这种“实战手册”式的写作风格，让读者在跟随练习时，能够获得一种“有人在旁边指导”的踏实感，使得学习过程中的挫败感大大降低，学习效率自然也就水涨船高。

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我觉得这本书不错，在学期结束的时候这本书基本上给出了足够的细节但是不是特别细，所以很方便的就可以得到最后的结果。而且公开代码方便直接上手开炼，深度炼丹走起。 当然就提一点建议，Open CV 4.0最新的更新买点就是 Deep Learning，作者后面的内容基本都可以用 Open CV 自己的 DL 解决。

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