绪论-智能科学与计算.ppt

第一章 绪论-智能科学与技术 1 什么是智能科学与技术？ 以人工智能理论和方法为核心， 研究 l如何用计算机去模拟、延伸和扩展人的智能； l如何设计和建造具有高智能水平的计算机应用系统； l如何设计和制造更聪明的计算机。 2 什么是智能科学与技术？ l一个完整的智能行为周期为： 从机器感知，到知识表达； 从机器学习，到知识发现； 从搜索推理，到规划决策； 从智能交互，到机器行为，到人工生命等等， 构成智能科学与技术学科特有的认识对象。 l这些既奠定了智能科学的理论与技术，也界定了智能 科学与技术统一的学科范畴。 3 雨果.德.加里斯世界人工大脑之父 l被比作人工智能研究领域的斯蒂芬霍金。 l世界上仅有的四个制作人脑的机器均源自他之手。他 因研发成功第一台制作人脑的机器CBM（Cam Brain Machine）进入吉尼斯纪录。 l在世界上开创了“可进化硬件”的研究领域，是“进化硬 件和进化工程学” 的奠基人。 l这些都是人工大脑领域的启动技术。 可进化硬件（Evolvable Hardware，EHW）研究将进化 计算技术应用于系统（特别是电子系统）内部结构的设计、 调理、实时自适应等方面，以实现复杂电路的自动化设计和 显著提高电子系统的自适应和容错能力。 4 雨果.德.加里斯认为 l对于21世纪科技所产生的“高智机器”的潜在能力，我 比大多数人看得更清楚。 l所谓“高智”，是指比人类大脑智慧不止2倍或者10倍， 而是万亿个万亿倍的人工大脑，也就是真正神一样的东 西。 l21世纪科技智能机器将达到并且大规模超越不借助外 力的人类智慧；通过和这些机器的结合，人类才能提高 自身。 5 使人工智能成为可能的关键技术 l摩尔定律 l可逆计算 l纳米科技：分子级工程 l人工胚胎形成学 l进化工程学 l自我装配 6 什么是摩尔定律？ l1965年，英特尔微处理器制造公司创始人之一戈登摩尔提出。 l现代历史上，“摩尔定律”一直是一个伟大的科技经济趋势。 l描述并解释集成电路或者芯片的运算能力，例如，电子元件密度 、电子信号处理速度等等，每年都成两倍增加。 2乘以2乘以2乘以2(10次)，等于1024 乘20次，得到1048576 乘30次，得到10亿； 乘40次，得到万亿 l过去40年，摩尔定律一直有效，以至于倍数增加得到的数字非常 巨大 7 摩尔定律的实现 l摩尔定律是芯片上电路尺寸不断缩小的结果，以至于 电子在电子元件（例如两个晶体管）间传递的距离被缩 短了。 l根据爱因斯坦的理论，物体可以移动的最快速度是光 速(大概300000千米/秒)，这也是电流必须遵守的自然常 量。 l如果两个电子元件间的距离被缩短了，它们之间电子 信号的传递距离也将缩短，因此，通过这个距离所需 要 的时间就会更少（以恒定的光速）。 8 摩尔定律与海量存储 l如果摩尔定律一直有效到2020年，海量内存芯片上电 路尺寸可能允许在一个原子上面存储一个比特的信息。 l一个像苹果这么大的存储 器可以存储多少比特)呢 ？ 万亿万亿个原子(比特) 1后面跟24 个零。 9 经典计算机为何经典？ l第一台电子计算机ENIAC（60年前） l每秒完成5000次运算 l重达30吨，占地1千平方英尺 l使用1万8千个真空电子管 总长达800公里的电线 l笔记本电脑 l每秒能够做20亿次运算的P4CPU 计算机结构相同：处理一串由0和1组成的符号串 10 经典物理与量子物理 l设计计算机的一个基本前提：找到一个合适的物理系 统，使得它的不同状态可以用来表示不同的信息。 l硅晶片上的加工尺度已达到0.1微米量级，再往细微的 方向走，经典物理会逐渐失效。 所有为表示0和1而应用的物理现象都属于经典物理 l微观世界量子物理 最简单的量子物理系统，除了能表达0和1两种状态外， 还能够同时表达0或者1，只是表达0具有一定的概率，而表 达1则具有相应的概率，这两个概率和为1。 11 量子计算机 l系统不同状态之间的变换，可以并列存在多个途径， 使系统可以在多条路径上并行处理多个计算。 l计算机的计算能力获得了指数性的增强。 12 量子计算的发展 lAT&T贝尔实验室的计算机科学家皮特休尔，最早实 际地揭示出量子计算的威力。 l1994年，设计了第一个适合于量子计算机使用的算法 ，专门用来对大数进行因子分解。 对经典计算机，大数的因子分解绝对是一个不可能任务 。 现代计算机的加密算法，包括银行密码系统，都是基于 论断：一个大数无法被人在有生之年分解为一些素数之积。 13 量子计算的发展 l里程碑式的实验：1998年，在美国MIT和拉斯阿莫斯 国家实验室的以拉夫雷门为首的一组科学家，运用液态 核磁共振（NMR） 实现了量子计算。 l解决了量子计算的重大问题：如何在读出计算结果的 同时，不销毁系统其他的状态信息。 14 产生“高智能机器”的基础 l思想一： 雨果.德.加里斯认为：“大规模存储能力和惊人的运算能 力就足以产生高智能机器。” l思想二： 以黑洞理论闻名的罗杰彭罗斯爵士及他的主要竞争对 手英国宇宙学家斯蒂芬霍金认为：要产生智能机器需要的 远不止是大规模的计算能力。 彭罗斯声称意识也是必要的，并且认为需要新的物理知 识来理解自然中意识如何产生，并借此来创造机器人工意识 。 15 可逆计算的提出3D/2D电路 l三维(3D)电路 在小体积内存储万亿万亿个电子 元器件的想法包含一个假设，就是 这个体积里包含的电路将分布于那 个空间。 l二维电路 印制在硅芯片的表面上。 热 量 计算物理学(phys-comp或 physics of computation 16 可逆计算的提出计算与热量 l一个在物理计算学中被问到的问题： 进行一个基本的计算步骤所消耗的最低能量是多少 ？ l20世纪60年代，兰道俄（Landauer）发现，在计算机 里产生热量的是“重新设置”内存寄存器的过程，当信息 被“清除”或者“消灭”时产生了热量。 l“熵”（entropy）：测量一个物理系统的混乱程度； l“热力学第二定律”的基本物理定律：在封闭系统(一个 能量不会传送出去或进来的系统)中熵值不会减少。 17 可逆计算的提出计算与热量 与 门 A B C A BC 111 100 010 000 “与门”是不可逆转的： 不能总是通过输出的 来推断输入的是什么 18 可逆计算的提出计算与热量 “如果摩尔定律一直扩展到分子级别，如 果人们还继续采用传统的非可逆的、清除 比特的信息处理技术，分子级别电路将会 产生多少热量呢？” l可逆基本电路3个输入和3个输出的“Fredkin门” 19 可逆计算与人工智能 1040比特信息 1011个神经元 20 纳米科技与费米技术 l“纳米科技”是“纳米级科技”(nanometer scale technology)的缩写，也就是分子级工程。 l20世纪50年代提出。 l核心的想法是： 原子可以被放置在特定的位置来制造分子级别的 机器，也就是说，微型分子级机器人选择原子并且把它 们放置在合适的位置来制造分子级机构。 l纳米：十亿分之一米； 费米：千万亿分之一米。 21 纳米科技与科幻小说 l“不朽”机器人 l死亡脑复活 l机器人自我复制 l建筑材料性能的改变 l 22 大自然中的纳米科技胚胎学 l进化形成了一个生长机制，它使用一个线性的一维的 化学命令编码串（通常称为DNA）并且翻译成三维的有 生命的机能生物。 l研究这个纳米级别工程的奇迹被称为“胚胎形成学”或 者“进化”。 23 人工胚胎形成学与胚胎形成制造 l人工胚胎形成学 致力于模仿自然界的胚胎形成过程，从一个单受精卵细 胞来培育恐龙或昆虫。 l胚胎形成制造 embryofacture，embryological manufacture的缩写形 式 利用人工胚胎形成学技术来从纳米级别制造人类级别的 产品 24 进化工程学 l达尔文“适者生存”的策略 l胚胎形成制造的一个进化工程解决方法可能是这样的 ： 一开始产生亿万个随机的分子级“人工DNA”串，每一 个都可以被转译为块状的三维分子结构。 然后预先设计好的分子级纳米机器人进入块状物内，测 量其想得到的微产品的形状和功能的相似程度。 那些得到更高分值的块状物将会使其相应的人工DNA 生存下 来，并且在下一代有更多的复制品(孩子)。 25 自我装配 l进化出单个组成部分是不够的。这些组成部分需要在 形状上互补，以便于它们可以“自我装配”，也就是像七 巧板块那样组成一个更大的功能整体。 l这样的方式会形成病毒。DNA的一部分为病毒成分建 造编码。当它们一建成，它们相互组合形成一个完整的 病毒。 l组成部分需要有如锁和钥匙般的互补。它们需要有自 我装配的能力，简单地通过相互碰撞(就在分子级别中经 常发生的混乱和高速运动)来实现。 26 综合所有的技术 人工智能机器包含1040个原子或比特的信息，无热量的 、可逆的、三维的计算机电路，比人类思考至少快百万 倍(并且可能快得多)。它将在其表面附加大量的 感应器 ，拥有巨大的存储能力；还有应用纳米科技的分子级工 程，如“不朽”机器人，批量复制的纳米机器人给经济带 来的影响；人工胚胎形成学、进化工程学、自我装配等 。但是远不止这些。 27 疑虑与思考： 雨果.德.加里斯认为： l人工智能机器在21世纪将成为主导问题 具体指人类是否应该制造比人类智能高出万亿个万亿倍 的人工智能机器。 l物种主导问题将在本世纪主导全球政治 。 两大主要政治集团：地球主义和宇宙主义 28 核弹与人工智能 l1933年，新西兰物理学家卢瑟福爵士 原子核发现者 l匈牙利裔犹太物理学家利奥西拉特 世界上第一个想到核链式反应的人 第一个害怕希特勒首先“拥有核弹”的人 从最早产生核链式反应的想法到广岛大爆炸只有短短12 年。 l人工大脑机器人和相应领域的崛起，是不可阻挡的。 29 疑虑与思考： 我们是在制造上帝，还是 在制造我们潜在的终结者？ 30 疑虑与思考： l问题