《计较机思惟》2:主动的机器

来源:互联网 浏览:- 2020-04-02 07:42:16


《计算机思维》2:自动的机器

明天我们继续讲《计较机思惟》。体味一些汗青无益于理清思路。上一讲讲算法,我们总结了一个汗青经验,那就是人的思惟,可以抢先于技术利用。人类其实不是先有了计较机才有的计较机思惟,而是早就有了计较机思惟,在那儿等着计较机呈现。借用一个佛教术语,发蒙期间以来思惟家已“照见”了计较机的可能性。

我们看计较机产品是最容易过期的,本年买的手机来岁就换代了。硬件可以被淘汰,软件可以被进级,但是,思惟很难过期,数学永不过期。计较机的生长故事,是把思惟实现的故事。


我们孜孜以求的,是一个“主动的”机器。

1.对主动的寻求

下面这张图中是一个会下国际象棋的机器人,叫“土耳其行棋傀儡(Mechanical Turk)”。它在1770年呈现在欧洲,能跟人类棋手对弈,并且程度相当高。它击败过拿破仑·波拿巴和本杰明·富兰克林如许的名流。很多人思疑棋盘下面阿谁柜子里可能藏了一小我,但是翻开柜子只能看到一堆齿轮。这个下棋机器人在西欧纵横交战了数十年。

《计算机思维》2:自动的机器

……当然,当时候可没有“深蓝”和“AlphaGo”。一向到 1857 年这个奥妙才被揭开,究竟是……内里真的藏了一小我。只不过因为设想奇妙,看不出来罢了。


但是你能看出来当时的人对“主动的机器”有多么沉迷。人们火急想要这个东西,并且人们以为有这个东西很一般。“土耳其行棋傀儡”是个把戏,但下面这个东西可不是把戏——

《计算机思维》2:自动的机器

这是“作家机器人偶(The Writer)”,由瑞士钟表师皮埃尔·雅克·德罗在1768 年设想制造 [1]。它能本身拿笔蘸墨水,在纸上写书画画 ——

《计算机思维》2:自动的机器

《计算机思维》2:自动的机器

如果你见过这个会写字的机器人,再见到会下棋的机器人可能就不会感到那么不成思议了吧。其实下棋和写字还是有本质辨别,写字只是“主动”,而下棋需求智能。但是在议论智能之前,我们得晓得,主动,已经是一个了不得的成绩。


这个作家机器人偶是怎样写书画画的呢?你必须能把那些字和画的信息存储到机器里才行。而这是经由过程机器人后背的一个齿轮实现的 [2],齿轮上代表不合字母的钢片的形状决定了字母写出来甚么样 ——

《计算机思维》2:自动的机器

《计算机思维》2:自动的机器

而那些字母是可以替代的!你换一组字母,或换一套代表绘画笔划的齿轮,作家机器人偶便可以写出别的内容。就仿佛我们现在玩游戏机,换个卡带就是一个新游戏一样。

十八世纪真是个蒸汽朋克式的夸姣期间。如果人类一向没有发明电力,明天我们看到的就都是如许的主动机器。我们想想,像八音盒这类东西,它为甚么能播放特定的乐曲?实际上是一样的事理。我借用威尔逊在《生命视角》中的一个说法,这是“严格的矫捷性”:操纵步调是严格牢固的,但是可以接管矫捷的输入,产生不合的输入。


1804 年 [3],法国人发明了一种提花织机(Jacquard loom),它能从一个长长的打孔卡上读取信息,织出特定式样的斑纹。打孔卡上的孔可让钩子穿畴昔,钩子节制织线。织机是同一个织机,打孔卡可以随便改换,换张卡就是不一样斑纹。

《计算机思维》2:自动的机器

提花织机的打孔卡,图片来自维基百科

打孔卡,可以说是机器化主动机器的软件。打孔卡这个技术思惟在而后有遍及的利用,IBM公司最早就是靠这东西起家的……


但是,“严格的矫捷性”究竟成果不是实在的矫捷性。打孔卡技术,间隔可编程计较,另有根赋性的一步。

2.第一台通用计较机

你可能不晓得,第一台可编程的通用计较机,其实不是电子的,而是机器的。

1820年,英国人查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage)把“严格的矫捷性”阐扬到了极致,设想了一个叫做“差分机”的东西,它可以做多步调的复杂计较。

巴贝奇的野心是用差分机计较精确的数学用表。当时公开发行的对数表、三角函数表都是人手算出来的,此中丰年夜量的错误。巴贝奇以为人是靠不住的,这类计较应当交给机器。巴贝奇跟英国当局说,数学用表的错曲解导致英国水兵的计较出错,那么舰艇就出事儿,搞不好可能会沉船,现在我发明了一种机器,能做刻毒无情的计较。英国当局被压服了,真给了他一笔经费。


巴贝奇的设想包含 25000 个部件,具有强年夜的计较才气……但是他做了十年只完成了七分之一 ——

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差分机的七分之一完成品

而这纯粹是因为硬件技术不许可。巴贝奇必须用齿轮和杠杆实现各种运算,但是这些东西没法做得特别邃密,很容易这里卡壳、那边跳线,并且零件越多越容易出问题。英国当局一向看不到服从,把巴贝奇的经费停了。

巴贝奇做不出来,但是他特别能想……1830年,巴贝奇又自费发明了一个更短长的东西,叫“阐发机”。阐发机,是一个可编程的通用计较机!

阐发机的神来之笔在于它把操纵步调也写进了打孔卡当中,如许计较步调就是不牢固的了,就是可编程的了。不单如此,阐发机还可以按照中间的计较成果,决定下一步的计较操纵 —— 也就是说,它许可法度里有“If… then… ”这类前提语句,它乃至还包含循环语句!阐发机有输入部分、有计较部分、有存储中间计较成果的部分,另有输入打印的部分……阐发机,是实在的计较机。

巴贝奇另有一个合作者特地给阐发机写法度,可以说是人类汗青上第一个法度员,并且这是一个女法度员,叫埃达·洛夫莱斯(Ada Lovelace),他俩用了十余年的时候一向在研究阐发机。洛夫莱斯乃至还想到,阐发机不但能用来做数值计较,还能作标记计较 —— 它不但仅是个“计较”机,它是个能措置任何信息的机器!


……可惜的是,阐发机也没做成。下面这张图是阐发机的一个尝试部分,来看一眼世界第一台计较机吧 ——

《计算机思维》2:自动的机器

人的思惟如果抢先期间太多,是不是是一个喜剧呢?巴贝奇因为发明数学表格的计较实际东西而得过英国皇家地理学会的金奖,他还是第一个提出“迷信办理”的人。但是差分机和阐发机被当时的人视为是巴贝奇身上的污点,甚么合用服从都没拿出来,成果有一万两千个零件被溶解报废了。

1871年巴贝奇归天的时候 ,《泰晤士报》乃至还特地讽刺了他一番。


而通用计较机这类东西再次被人提出来,则是70年后的事情了。

3.当代计较机

1945年,因为电子真空管技术前提成熟和美国军方帮助,世界第一台能用的通用计较机终究被做出来了,这就是闻名的 ENIAC 。ENIAC 是当代计较机的鼻祖,它奠定了所谓的“冯·诺依曼架构”。而在此之前,艾伦·图灵已提出了可编程通用计较机的完整数学实际。

我以为约翰·冯·诺依曼是人类汗青上最聪明的几小我之一。他是数学家、物理学家,是博弈论的初创人,还是当代计较机架构的提出者 —— 不过冯·诺依曼本身对此是不是定的,他说这个设想是一帮人会商的成果,他只不过卖力做条记罢了。

相对巴贝奇的设想,冯·诺依曼架构的关头改进在于它有了“内存”这个观点。卖力计较的CPU速率很快,而从打孔卡读取计较步调的速率非常慢,所以现在的设想是先一次性地把打孔卡的法度信息读出去,存到内存里,然后在计较过程中让CPU直接和内存互换信息,这就可以年夜年夜加快计较速率。

从提花织机的打孔卡供应了“严格的矫捷性”,到巴贝奇的可编程通用计较机,到冯·诺依曼架构的CPU和内存,这是非常清楚的演变。现在我们看到了,图灵再短长,“编程”这个思惟不是他先提出的;冯·诺依曼再神,计较机体系不是他发明的。

计较机是这么一个不竭改进的东西。一代一代的工程师提出各种各种奇妙的设想 ——

要在硬件上实现信息的数字化,人们发明应当用二进制。十进制很直观,但是要用硬件实现十进制,你的电子管就得用十个级别的电压代表0-9这10个数字,这不单不容易实现,并且很容易出错。二进制只需求电子管和存储点有开和关两个状况就行,这就年夜年夜增加了可靠性。


然后香农设想了逻辑门……我们专栏讲过,从硬件到软件的关头思惟是分层。

然后你还要考虑CPU时钟的同步问题。如果没有“步”这个观点,各方面的计较没有调和,可能会导致两组电旌旗灯号同时呈现,体系就会出错。

然后你还要考虑存储信息和操纵过程中可能会有各种小错误,而这就有一个主动纠错的问题……等等等等。


我就想,为甚么说信息行业是个立异行业呢?因为第一,这内里的设法太麋集,有太多可以改进的地方;第二,改进的标的目标相当明白。这就是说每个参与者都晓得本身无能甚么……在其他范畴,可没有这么好的事情。

从计较机思惟的角度来讲,这一讲的核心经验是你必须考虑硬件。永久都别忘了计较机是个机器,而机器有数学算法以外的、本身的特性和脾气。比如说,

x = 3

这个语句,在数学上的意义不过就是变量 x 的值是 3,是一个究竟陈述。但是对编程来讲,这不是一个陈述,而是一个行动:是把用 x 标识表记标帜的那一段内存地位,赋值为 3。

机器不睬解你要说的究竟,机器只会按你的指令做各种行动。我们在编程的时候要 debug,要想体例节制内存,要晋升计较机能,就必须考虑硬件本身的特性。

明天我们用的一切计较机,包含手机、汽车、凡是通用计较机,就都是冯·诺依曼架构。当然冯·诺依曼架构不是独一的可能性。现在人们正在研究新的架构,比如量子计较机和神经收集计较机 —— 那些东西有本身的编程特性。


不过在我看来,巴贝奇如果看到明天的计较机,是不会感到特别诧异的。

《计算机思维》2:自动的机器

查尔斯·巴贝奇

参考文献

[1] http://www.sohu.com/a/253593989_776727

[2] http://news.ifeng.com/a/20170820/51695992_0.shtml

[3] 《计较机思惟》说打孔卡提花织机发明于 1700 年代初期,我调研了汗青,以为是作者写错了。

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