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1、第一章第一章 绪论绪论-智能科学与技智能科学与技术术1绪论-智能科学与计算什么是智能科学与技术？什么是智能科学与技术？以人工智能理论和方法为核心，以人工智能理论和方法为核心， 研究研究l如何用计算机去模拟、延伸和扩展人的智能；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；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。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？什么是智能科学与技术？l一个完整的智能行为周期为：一个完整的智能行为周期为：从机器感知，到知识表达；从机器感知，到知识表达；从机器学习，到知识发现；从机器
2、学习，到知识发现；从搜索推理，到规划决策；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，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。构成智能科学与技术学科特有的认识对象。l这这些些既既奠奠定定了了智智能能科科学学的的理理论论与与技技术术，也也界界定定了了智智能能科科学学与技术统一的学科范畴。与技术统一的学科范畴。3雨果雨果.德德.加里斯加里斯世界人工大脑之世界人工大脑之父父l被比作人工智能研究领域的斯蒂芬被比作人工智能研究领域的斯蒂芬霍金。霍金。l世世界界上上仅仅有有的的四四个个制制作作人人脑脑的的机机器器均均源源自自他他之之手手。他他因因研
3、研发发 成成 功功 第第 一一 台台 制制 作作 人人 脑脑 的的 机机 器器 CBM（ Cam Brain Machine）进入吉尼斯纪录。）进入吉尼斯纪录。l在在世世界界上上开开创创了了“可可进进化化硬硬件件”的的研研究究领领域域，是是“进进化化硬硬件和进化工程学件和进化工程学” 的奠基人。的奠基人。l这些都是人工大脑领域的启动技术。这些都是人工大脑领域的启动技术。可可进进化化硬硬件件（Evolvable Hardware，EHW）研研究究将将进进化化计计算算技技术术应应用用于于系系统统（特特别别是是电电子子系系统统）内内部部结结构构的的设设计计、调调理理、实实时时自自适适应应等等方方面面
4、，以以实实现现复复杂杂电电路路的的自自动动化化设设计计和和显著提高电子系统的自适应和容错能力。显著提高电子系统的自适应和容错能力。 4雨果雨果.德德.加里斯认为加里斯认为l对对于于21世世纪纪科科技技所所产产生生的的“高高智智机机器器”的的潜潜在在能能力力，我我比比大多数人看得更清楚。大多数人看得更清楚。l所所谓谓“高高智智”，是是指指比比人人类类大大脑脑智智慧慧不不止止2倍倍或或者者10倍倍，而是万亿个万亿倍的人工大脑，也就是真正神一样的东西。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世世纪纪科科技技智智能能机机器器将将达达到到并并且且大大规规模模超超越越不不借借助助外外力力
5、的的人类智慧；通过和这些机器的结合，人类才能提高自身。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使人工智能成为可能的关键技术l摩尔定律摩尔定律 l可逆计算可逆计算l纳米科技：分子级工程纳米科技：分子级工程 l人工胚胎形成学人工胚胎形成学l进化工程学进化工程学l自我装配自我装配6什么是摩尔定律？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年，英特尔微处理器制造公司创始人之一戈登摩尔提出。摩尔提出。l现代历史上，现代历史上，“摩尔定律摩尔定律”一直是一个伟大的科技经济趋势。一直是一个伟大的科技经济趋势。l描描述述并并解解释释集集成成电电路
6、路或或者者芯芯片片的的运运算算能能力力，例例如如，电电子子元元件件密密度度、电电子信号处理速度等等，每年都成两倍增加。子信号处理速度等等，每年都成两倍增加。2乘以乘以2乘以乘以2乘以乘以2(10次次)，等于，等于1024乘乘20次，得到次，得到1048576乘乘30次，得到次，得到10亿；亿； 乘乘40次，得到万亿次，得到万亿l过去过去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摩尔定律的实现摩尔定律的实现l摩摩尔尔定定律律是是芯芯片片上上电电路路尺尺寸寸不不断断缩缩小小的的结结果果，以以至至于于电电子子在电子元件（例如两个
7、晶体管）间传递的距离被缩短了。在电子元件（例如两个晶体管）间传递的距离被缩短了。l根根据据爱爱因因斯斯坦坦的的理理论论，物物体体可可以以移移动动的的最最快快速速度度是是光光速速(大概大概300000千米千米/秒秒)，这也是电流必须遵守的自然常量。，这也是电流必须遵守的自然常量。l如如果果两两个个电电子子元元件件间间的的距距离离被被缩缩短短了了，它它们们之之间间电电子子信信号号的的传传递递距距离离也也将将缩缩短短，因因此此，通通过过这这个个距距离离所所需需 要要的的时时间间就会更少（以恒定的光速）。就会更少（以恒定的光速）。8摩尔定律与海量存储摩尔定律与海量存储l如如果果摩摩尔尔定定律律一一直直
8、有有效效到到2020年年，海海量量内内存存芯芯片片上上电电路路尺尺寸可能允许在寸可能允许在一个原子上面存储一个比特一个原子上面存储一个比特的信息。的信息。l一一个个像像苹苹果果这这么么大大的的存存储储器器可可以以存存储储多多少少比比特特)呢呢？万亿万亿个原子万亿万亿个原子(比特比特)1后面跟后面跟24 个零。个零。9经典计算机为何经典？经典计算机为何经典？l第一台电子计算机第一台电子计算机ENIAC（60年前）年前）l每秒完成每秒完成5000次运算次运算l重达重达30吨，占地吨，占地1千平方英尺千平方英尺l使用使用1万万8千个真空电子管千个真空电子管总长达总长达800公里的电线公里的电线l笔记
9、本电脑笔记本电脑l每秒能够做每秒能够做20亿次运算的亿次运算的P4CPU计算机结构相同：处理一串由计算机结构相同：处理一串由0和和1组成的符号串组成的符号串10经典物理与量子物理经典物理与量子物理l设设计计计计算算机机的的一一个个基基本本前前提提：找找到到一一个个合合适适的的物物理理系系统统，使得它的不同状态可以用来表示不同的信息。使得它的不同状态可以用来表示不同的信息。l硅硅晶晶片片上上的的加加工工尺尺度度已已达达到到0.1微微米米量量级级，再再往往细细微微的的方方向向走，经典物理会逐渐失效。走，经典物理会逐渐失效。所有为表示所有为表示0和和1而应用的物理现象都属于经典物理而应用的物理现象都
10、属于经典物理l微观世界微观世界量子物理量子物理最最简简单单的的量量子子物物理理系系统统，除除了了能能表表达达0和和1两两种种状状态态外外，还还能能够够同同时时表表达达0或或者者1，只只是是表表达达0具具有有一一定定的的概概率率，而而表表达达1则则具有相应的概率，这两个概率和为具有相应的概率，这两个概率和为1。11量子计算机量子计算机l系系统统不不同同状状态态之之间间的的变变换换，可可以以并并列列存存在在多多个个途途径径，使使系系统可以在多条路径上并行处理多个计算。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。计算机的计算能力获得了指数性的增强。12量子计算的发展量子
11、计算的发展lAT&T贝贝尔尔实实验验室室的的计计算算机机科科学学家家皮皮特特休休尔尔，最最早早实实际际地揭示出量子计算的威力。地揭示出量子计算的威力。l1994年年，设设计计了了第第一一个个适适合合于于量量子子计计算算机机使使用用的的算算法法，专专门用来对大数进行因子分解。门用来对大数进行因子分解。对经典计算机，对经典计算机，大数的因子分解大数的因子分解绝对是一个不可能任务。绝对是一个不可能任务。现现代代计计算算机机的的加加密密算算法法，包包括括银银行行密密码码系系统统，都都是是基基于于论论断断：一个大数无法被人在有生之年分解为一些素数之积。一个大数无法被人在有生之年分解为一些素数之积。13量
12、子计算的发展量子计算的发展l里里程程碑碑式式的的实实验验：1998年年，在在美美国国MIT和和拉拉斯斯阿阿莫莫斯斯国国家家实实验验室室的的以以拉拉夫夫雷雷门门为为首首的的一一组组科科学学家家，运运用用液液态态核核磁磁共共振（振（NMR） 实现了量子计算。实现了量子计算。l解解决决了了量量子子计计算算的的重重大大问问题题：如如何何在在读读出出计计算算结结果果的的同同时时，不销毁系统其他的状态信息。不销毁系统其他的状态信息。14产生产生“高智能机器高智能机器”的基础的基础l思想一：思想一：雨雨果果.德德.加加里里斯斯认认为为：“大大规规模模存存储储能能力力和和惊惊人人的的运运算算能能力力就足以产生
13、高智能机器就足以产生高智能机器。”l思想二：思想二：以以黑黑洞洞理理论论闻闻名名的的罗罗杰杰彭彭罗罗斯斯爵爵士士及及他他的的主主要要竞竞争争对对手手英英国国宇宇宙宙学学家家斯斯蒂蒂芬芬霍霍金金认认为为：要要产产生生智智能能机机器器需需要要的的远远不不止是大规模的计算能力止是大规模的计算能力。彭彭罗罗斯斯声声称称意意识识也也是是必必要要的的，并并且且认认为为需需要要新新的的物物理理知知识识来来理解自然中意识如何产生，并借此来创造机器人工意识。理解自然中意识如何产生，并借此来创造机器人工意识。15可逆计算的提出可逆计算的提出3D/2D电路电路l三维三维(3D)电路电路在在小小体体积积内内存存储储万
14、万亿亿万万亿亿个个电电子子元元器器件件的的想想法法包包含含一一个个假假设设，就就是是这这个个体体积里包含的电路将分布于那个空间。积里包含的电路将分布于那个空间。l二维电路二维电路印制在硅芯片的表面上。印制在硅芯片的表面上。热热量量计计算算物物理理学学(phys-comp或或 physics of computation16可逆计算的提出可逆计算的提出计算与热量计算与热量l一个在物理计算学中被问到的问题：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？进行一个基本的计算步骤所消耗的最低能量是多少？l20世世纪纪60年年代代，兰兰道道俄俄（Landauer）发发现现，
15、在在计计算算机机里里产产生生热热量量的的是是“重重新新设设置置”内内存存寄寄存存器器的的过过程程，当当信信息息被被“清除清除”或者或者“消灭消灭”时产生了热量。时产生了热量。l“熵熵”（entropy）：测量一个物理系统的混乱程度；）：测量一个物理系统的混乱程度；l“热热力力学学第第二二定定律律”的的基基本本物物理理定定律律：在在封封闭闭系系统统(一一个个能量不会传送出去或进来的系统能量不会传送出去或进来的系统)中熵值不会减少。中熵值不会减少。17可逆计算的提出可逆计算的提出计算与热量计算与热量与与门门ABCABC111100010000“与与门门”是是不不可可逆逆转转的的：不不能能总总是是通
16、通过过输输出出的的来推断输入的是什么来推断输入的是什么18可逆计算的提出可逆计算的提出计算与热量计算与热量“如如果果摩摩尔尔定定律律一一直直扩扩展展到到分分子子级级别别，如如果果人人们们还还继继续续采采用用传传统统的的非非可可逆逆的的、清清除除比比特特的的信信息息处处理理技技术术，分分子子级级别别电电路路将将会会产产生生多多少热量呢？少热量呢？”l可逆基本电路可逆基本电路3个输入和个输入和3个输出的个输出的“Fredkin门门”19可逆计算与人工智能可逆计算与人工智能1040比特信息比特信息1011个神经元个神经元20纳米科技与费米技术纳米科技与费米技术l“纳纳 米米 科科 技技 ”是是 “纳
17、纳 米米 级级 科科 技技 ”(nanometer scale technology)的缩写，也就是分子级工程。的缩写，也就是分子级工程。 l20世纪世纪50年代提出。年代提出。l核心的想法是：核心的想法是：原原子子可可以以被被放放置置在在特特定定的的位位置置来来制制造造分分子子级级别别的的机机器器，也也就就是是说说，微微型型分分子子级级机机器器人人选选择择原原子子并并且且把把它它们们放放置置在在合适的位置来制造分子级机构。合适的位置来制造分子级机构。l纳米：十亿分之一米；纳米：十亿分之一米； 费米：千万亿分之一米。费米：千万亿分之一米。21纳米科技与科幻小说纳米科技与科幻小说l“不朽不朽”机
18、器人机器人 l死亡脑复活死亡脑复活l机器人自我复制机器人自我复制l建筑材料性能的改变建筑材料性能的改变l22大自然中的纳米科技大自然中的纳米科技胚胎学胚胎学l进进化化形形成成了了一一个个生生长长机机制制，它它使使用用一一个个线线性性的的一一维维的的化化学学命命令令编编码码串串（通通常常称称为为DNA）并并且且翻翻译译成成三三维维的的有有生生命命的的机能生物。机能生物。l研研究究这这个个纳纳米米级级别别工工程程的的奇奇迹迹被被称称为为“胚胚胎胎形形成成学学”或或者者“进化进化”。23人工胚胎形成学与胚胎形成制造人工胚胎形成学与胚胎形成制造l人工胚胎形成学人工胚胎形成学致致力力于于模模仿仿自自然然
19、界界的的胚胚胎胎形形成成过过程程，从从一一个个单单受受精精卵卵细细胞胞来来培育恐龙或昆虫。培育恐龙或昆虫。l胚胎形成制造胚胎形成制造embryofacture，embryological manufacture的缩写形式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进化工程学进化工程学l达尔文达尔文“适者生存适者生存”的策略的策略l胚胎形成制造的一个进化工程解决方法可能是这样的：胚胎形成制造的一个进化工程解决方法可能是这样的：一一开开始始产产生生亿亿万万个个随随机机的的分分子子级级“人人工工DNA”串串，每每一一个个都都可
20、以被转译为块状的三维分子结构。可以被转译为块状的三维分子结构。 然然后后预预先先设设计计好好的的分分子子级级纳纳米米机机器器人人进进入入块块状状物物内内，测测量量其其想得到的微产品的形状和功能的相似程度。想得到的微产品的形状和功能的相似程度。那那些些得得到到更更高高分分值值的的块块状状物物将将会会使使其其相相应应的的人人工工DNA生生存存下下 来，并且在下一代有更多的复制品来，并且在下一代有更多的复制品(孩子孩子)。25自我装配自我装配l进进化化出出单单个个组组成成部部分分是是不不够够的的。这这些些组组成成部部分分需需要要在在形形状状上上互互补补，以以便便于于它它们们可可以以“自自我我装装配配
21、”，也也就就是是像像七七巧巧板板块那样组成一个更大的功能整体。块那样组成一个更大的功能整体。l这这样样的的方方式式会会形形成成病病毒毒。DNA的的一一部部分分为为病病毒毒成成分分建建造造编编码。当它们一建成，它们相互组合形成一个完整的病毒。码。当它们一建成，它们相互组合形成一个完整的病毒。l组组成成部部分分需需要要有有如如锁锁和和钥钥匙匙般般的的互互补补。它它们们需需要要有有自自我我装装配配的的能能力力，简简单单地地通通过过相相互互碰碰撞撞(就就在在分分子子级级别别中中经经常常发发生的混乱和高速运动生的混乱和高速运动)来实现。来实现。26综合所有的技术综合所有的技术人人工工智智能能机机器器包包
22、含含1040个个原原子子或或比比特特的的信信息息，无无热热量量的的、可可逆逆的的、三三维维的的计计算算机机电电路路，比比人人类类思思考考至至少少快快百百万万倍倍(并并且且可可能能快快得得多多)。它它将将在在其其表表面面附附加加大大量量的的 感感应应器器，拥拥有有巨巨大大的的存存储储能能力力；还还有有应应用用纳纳米米科科技技的的分分子子级级工工程程，如如“不不朽朽”机机器器人人，批批量量复复制制的的纳纳米米机机器器人人给给经经济济带带来来的的影影响响；人人工工胚胎形成学、进化工程学、自我装配等。但是远不止这些。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：疑虑与思考：雨果
23、雨果.德德.加里斯认为：加里斯认为：l人工智能机器在人工智能机器在21世纪将成为主导问题世纪将成为主导问题具具体体指指人人类类是是否否应应该该制制造造比比人人类类智智能能高高出出万万亿亿个个万万亿亿倍倍的的人人工智能机器。工智能机器。l物种主导问题将在本世纪主导全球政治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核弹与人工智能核弹与人工智能l1933年，新西兰物理学家卢瑟福爵士年，新西兰物理学家卢瑟福爵士原子核发现者原子核发现者l匈牙利裔犹太物理学家利奥匈牙利裔犹太物理学家利奥西拉特西拉特世界上第一个想到核链式反应的人世界上
24、第一个想到核链式反应的人第一个害怕希特勒首先第一个害怕希特勒首先“拥有核弹拥有核弹”的人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。年。l人工大脑机器人和相应领域的崛起，是不可阻挡的。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：疑虑与思考：我我们们是是在在制制造造上上帝帝，还还是是在在制制造造 我我 们们 潜潜 在在 的的 终终 结结 者者 ？ 30疑虑与思考：疑虑与思考：l问题问题1：人工智能发展的时间问题：人工智能发展的时间问题l问题问题2：为什么不使用毁灭开关：为什么不使用毁灭开关31疑虑与思考：疑虑与思考：l
25、问题问题3：人工智能能否应用阿西莫夫三法则：人工智能能否应用阿西莫夫三法则阿西莫夫机器人三大定律阿西莫夫机器人三大定律l机器人不得伤害人类，或看到人类受到伤害而袖手旁观机器人不得伤害人类，或看到人类受到伤害而袖手旁观 l 在在不不违违反反第第一一定定律律前前提提下下，机机器器人人必必须须绝绝对对服服从从人人类类给给与与的的任任何命令何命令 l在在不不违违反反第第一一定定律律和和第第二二定定律律的的前前提提下下，机机器器人人必必须须尽尽力力保保护护自己。自己。l“零零定定律律”：机机器器人人必必须须保保护护人人类类的的整整体体利利益益不不受受伤伤害害，其其它它三条定律都是在这三条定律都是在这 一前提下才能成立。一前提下才能成立。32
