文/曹遠(yuǎn)東

從AlphaGo參加競(jìng)賽初探計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展

文/曹遠(yuǎn)東

本文通過(guò)探討AlphaGo人工智能機(jī)器人參加圍棋競(jìng)賽帶給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的啟示，介紹了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架以及算法在實(shí)現(xiàn)人工智能中起的作用，同時(shí)進(jìn)一步探究了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可能的發(fā)展方向。

AlphaGo；計(jì)算機(jī)；發(fā)展方向

2016年3月9日，一場(chǎng)別開(kāi)生面的圍棋“五番棋”對(duì)決在韓國(guó)首爾拉開(kāi)了帷幕。它之所以別開(kāi)生面，不僅僅因?yàn)槌鰬?zhàn)的選手是上一年的世界冠軍李世石，更特殊的是他的對(duì)手，一臺(tái)名為AlphaGo的人工智能機(jī)器人。這場(chǎng)“人機(jī)對(duì)決”在萬(wàn)眾期待中開(kāi)始，留給世人一個(gè)充滿驚喜與熱議的結(jié)局，AlphaGo以4：1的總比分完勝人類圍棋世界冠軍。

2016年底，一個(gè)名為“Master”的賬號(hào)橫掃了幾個(gè)知名圍棋對(duì)戰(zhàn)平臺(tái)，接連取勝包括柯潔、樸廷桓、古力在內(nèi)的多名世界頂級(jí)選手。2017年1月4日，代“Master”賬號(hào)執(zhí)子的黃士杰博士宣布其真實(shí)身份正是AlphaGo，圍棋界和科技界再次引來(lái)熱議。

本文拋開(kāi)圍棋層面，初步探討AlphaGo帶給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的啟示，進(jìn)一步探究其可能的發(fā)展方向。

一、“圖靈機(jī)”與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)理論最早是由英國(guó)數(shù)學(xué)家艾倫·圖靈提出，他證明了“可計(jì)算理論”，指出可以在預(yù)先確定的時(shí)間和步驟內(nèi)完成具體可執(zhí)行的計(jì)算，并以此提出“圖靈機(jī)”模型?！皥D靈機(jī)”模型可以想象是一種抽象的機(jī)器，由一條負(fù)責(zé)存儲(chǔ)的紙帶和一個(gè)負(fù)責(zé)運(yùn)算、指令的控制器組成。它表明了一種有限狀態(tài)機(jī)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，圖靈機(jī)的下一個(gè)狀態(tài)由紙帶內(nèi)容（數(shù)據(jù)）和當(dāng)前狀態(tài)、當(dāng)前命令共同決定，因此圖靈機(jī)的運(yùn)行是可確定的并可重現(xiàn)的。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架主要是“馮·諾依曼”結(jié)構(gòu)，它是由馮·諾依曼等人對(duì)于“圖靈機(jī)”理論模型的物理實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)的核心是存儲(chǔ)器（紙帶）和CPU（運(yùn)算器+控制器），并加入輸入設(shè)備、輸出設(shè)備共同構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這就是我們現(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)組成，從1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)沿用至今。

在這段時(shí)間，電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)化主要集中在硬件層面上，控制器的邏輯元件從真空電子管、晶體管、集成電路發(fā)展到現(xiàn)在的大規(guī)模集成電路甚至超大規(guī)模集成電路；存儲(chǔ)器也從磁帶、磁芯、磁鼓發(fā)展到現(xiàn)在各種各樣高性能的磁盤(pán)。

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)則是隨著計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用而逐步發(fā)展，使得使用者們無(wú)需再關(guān)注硬件層面不斷拋出的錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)向利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力從事科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理等方面的工作。操作系統(tǒng)、編譯器以及一些高級(jí)程序語(yǔ)言相繼被開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出來(lái)，其中操作系統(tǒng)與編譯器是高級(jí)語(yǔ)言與硬件的機(jī)器語(yǔ)言的連接系統(tǒng)，而高級(jí)語(yǔ)言負(fù)責(zé)利用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器與運(yùn)算器資源實(shí)現(xiàn)“圖靈機(jī)”的功能。計(jì)算機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)者們進(jìn)一步解放出來(lái)，利用高級(jí)語(yǔ)言（C、Java等）從事應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，其中算法則是其高級(jí)語(yǔ)言得以進(jìn)一步向人工智能發(fā)展的關(guān)鍵。

二、算法：計(jì)算機(jī)的另一面

依然是艾倫·圖靈，他從“圖靈機(jī)”模型進(jìn)一步思考，從事計(jì)算機(jī)軟件的研究工作，為后來(lái)的人工智能科學(xué)提供了開(kāi)創(chuàng)性的構(gòu)思。他提出了著名的“圖靈測(cè)試”，判斷機(jī)器是否能夠思維，指出如果第三者無(wú)法辨別人類與人工智能機(jī)器反應(yīng)的差別，則可以論斷該機(jī)器具備人工智能。

算法是指解題方案的準(zhǔn)確而完整的描述，是一系列清晰指令，其目的是使得計(jì)算機(jī)能夠在給定的輸入下經(jīng)過(guò)有限次狀態(tài)轉(zhuǎn)移得到確定的輸出。早期的算法一般是從數(shù)學(xué)問(wèn)題凝練而來(lái)，是計(jì)算機(jī)預(yù)先確定的時(shí)間和步驟完成相關(guān)工作指令的邏輯步驟，此外它還可以在高級(jí)語(yǔ)言層面抽象，表示一種更為廣泛的概念。

計(jì)算機(jī)算法最為核心的部分包括加法運(yùn)算法和排序、比較算法，以至于其他衍生的算法都可以用這兩種算法推導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。一般而言，這些算法都是計(jì)算機(jī)人員預(yù)先編譯實(shí)現(xiàn)完成的，當(dāng)需要更改時(shí)要對(duì)算法語(yǔ)言重新加工。這就需要算法編寫(xiě)者預(yù)先想到所有可能的輸入以便得到相應(yīng)的輸出，這對(duì)于人類設(shè)計(jì)者幾乎是一件不可能完成的任務(wù)，并且該算法也只能僅僅表達(dá)算法設(shè)計(jì)者對(duì)于問(wèn)題的答案?！皥D靈測(cè)試”是否可行在這一層面上是幾乎沒(méi)法實(shí)現(xiàn)的，特別是涉及到人機(jī)交互時(shí)，人類是很容易通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的多次輸入判別出對(duì)方是人類還是機(jī)器。

為此，算法開(kāi)發(fā)者們借鑒了人類自身，提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、各種分類聚類算法甚至現(xiàn)在熱門(mén)的機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等等。以AlphaGo為例，它使用的算法主要是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)算法，通過(guò)對(duì)圍棋棋面提取局部特征，從而縮小了下N步預(yù)測(cè)的范圍，減少了多層次最優(yōu)化函數(shù)的計(jì)算量，從而使得計(jì)算機(jī)可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)做出應(yīng)對(duì)。相比于1997年擊敗國(guó)際象棋世界冠軍的IBM機(jī)器人“深藍(lán)”，AlphaGo不再使用暴力算法強(qiáng)行計(jì)算每一步的可能，轉(zhuǎn)而模擬人類求出局部對(duì)于全局的最優(yōu)解，這是在有限計(jì)算資源下的一個(gè)突破。

三、發(fā)展趨勢(shì)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)科學(xué)經(jīng)過(guò)七十多年來(lái)的發(fā)展已經(jīng)成為一門(mén)系統(tǒng)性、交叉性的學(xué)科，當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還將從軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩方面的提升。

量子計(jì)算機(jī)的提出是基于量子力學(xué)的量子信息技術(shù)與量子算法的延伸，它是最有可能顛覆當(dāng)前計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的一種方式，同時(shí)涉及硬件與算法兩個(gè)方面。目前，清華大學(xué)姚期智院士帶領(lǐng)的量子信息團(tuán)隊(duì)著眼于計(jì)算理論及其在密碼學(xué)和量子計(jì)算中的應(yīng)用，取得一系列矚目的成績(jī)。量子計(jì)算機(jī)不再局限于傳統(tǒng)的二進(jìn)制系統(tǒng)，此外還將解決計(jì)算機(jī)能耗問(wèn)題。

人工智能算法是從算法角度讓機(jī)器趨近于人類的思考邏輯。而目前的算法仍然是分步基于監(jiān)督式分類的數(shù)據(jù)挖掘算法，其性能仍然受制于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算能力。它在確定性的環(huán)境或場(chǎng)景下可以實(shí)現(xiàn)較高的準(zhǔn)確性和效率，對(duì)于如圍棋、翻譯等，更多不確定性的場(chǎng)景如時(shí)間序列預(yù)測(cè)、人機(jī)交互等需要更多研究。

我們也相信，隨著人類不斷攀登科學(xué)的高峰，也會(huì)有更多新技術(shù)、新思路的涌現(xiàn)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)朝著更加智能化、多樣化、精密化的方向不斷發(fā)展。

（作者單位：北京精華學(xué)校）

[1]托馬斯·科曼等.算法導(dǎo)論[M].高等教育出版社，2002

[2]唐朔飛.計(jì)算機(jī)組成原理[M].高等教育出版社，2000.

[3]馮·諾依曼.計(jì)算機(jī)與人腦[M].商務(wù)印書(shū)館，1965

[4]安德魯·霍奇斯，艾倫·圖靈傳[M].湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[5]周志華.機(jī)器學(xué)習(xí)[M].清華大學(xué)出版社，2016.