电脑走向智能.docx

1、电脑走向智能电脑-走向智能“脑”走向智能吴敏（上海科学技术情报研究所）摘要：人通过大脑理解世界，指挥世界。制造一个会思维、有智力的机器，融入人的思考和创造，曾经是人类最大胆、最诱人的幻想，听起来颇象是彻头彻尾的神话。然而，这种人工“脑”真的奇迹般出现了，而且又不断地制造了新的奇迹。它改变了我们的生活，而且还将为我们带来新的改变。它可以让盲人重见光明，它可以让聋哑人口若悬河，它可以让瘫痪者手舞足蹈，它可以和你下棋、和你说话我们以欣喜的目光关注着它，为它骄傲，为它努力。“脑”走向智能，从原始计算工具开始，直到电脑、光脑、生物脑的最新发展，展现了五彩斑斓的人工“脑”技术和诱人的发展前景。人类经过几十

2、万年漫长的进化，进入了如今的文明社会。我们引以为豪的大脑是大自然赋予的最佳结构和配置，或者说人脑是目前物质的最高实现形式。50多年前，西方人发明了“computer”，主要功能是计算。后来，“computer”的功能日益强大，于是，中国人将之与“人脑”对应，称之为“电脑”。 近50年的事实雄辩地证明，这台机器以磅礴之势迅猛发展，用非凡的渗透力和亲和力，彻底改变了我们这个星球的模样，融进每个人的工作、学习和生活之中，已在世界范围内形成了一种新的文化，构造了一种崭新的文明。如今，电脑与人类大脑一起构成了现代人类思维的物质承担者，为人类思维提供了新的时间尺度和空间尺度。新一代电脑被赋予的表征是：智能

3、化程度越来越高，人性化味道越来越浓。1 走进电脑时代从20世纪中期直到下一世纪，都将是电脑的时代。关注电脑，不啻于关注21世纪人类文明的生命线。历史是未来的一面镜子，关注电脑的人都希望了解电脑发生和发展的历程。1.1 从计算谈起电脑的史前史应该从计算工具发端，可以追溯到我们祖先用石头或手指帮助计数的远古时代。英语里的“Calculus”（计算）一词来源于拉丁语，既有“算法”的含义，也有肾脏或胆囊里的“结石”的意思。古人用石头计算捕获的猎物，石头就是他们的计算工具。美国著名科普大师阿西莫夫说过，人类最早的“计算机” 是手指，英语单词“Digit”既表示“手指”又表示“整数数字”。而中国数学史专家

4、考证，大约在新石器时代早期，即远古传说里伏羲、黄帝之前，先民使用的“计算机”是结绳，即用绳子打结的多少来表示数的概念。1.1.1 最早的计算工具人类最早有实物作证的计算工具诞生在中国。古语曰：“运筹策于帷幄之中，决胜败于千里之外。”筹策又叫算筹，它是中国古代普遍采用的一种计算工具。算筹不仅可以替代手指来帮助计数，而且能做加减乘除等数学运算。中国古代数学家正是以“算筹计算机”为工具，运筹帷幄，殚精竭虑，写下了数学史上光辉的一页。 中国古代使用的算筹多用竹子制成，也用木头、兽骨充当材料。据古书记载，算筹一般长为1314cm，直径0.20.3cm，约二百七十枚为一束，放在布袋里随身携带。古人创造了纵

5、式和横式两种不同的摆法，两种摆法都可以用19九种数字来计算任意大的自然数，与现代通行的十进制计数法完全一致，显示了中国古代人民高超的数学才能。可见，算筹属于硬件，而摆法就是“算筹计算机”的软件。中国古代在计算工具领域的另一项发明是珠算盘，至今已有1,000多年的历史了。直到今天，它仍然是许多人钟爱的“计算机”。珠算盘最早记录于汉朝人徐岳撰写的数术记遗一书里，大约在宋元时期开始流行，而算盘最终彻底淘汰了筹算是在明代完成的。由于珠算具有“随手拨珠便成答数”的优点，一时间风靡海内，并且逐渐传入日本、朝鲜、越南、泰国、印度、美国等地，以后，又经一些商人和旅行家带到欧洲，逐渐向西方传播，受到广泛欢迎。到

6、17世纪初，计算工具在西方也呈现了较快的发展。闻名于世的英国数学家纳皮尔（J.Napier），在他所著的一本书里，介绍了一种新工具，即后来被称为“纳皮尔算筹”的器具。据说，纳皮尔的这种器具发明于1612年，它由一些长条状的木棍组成，木棍的表面雕刻着类似于乘法表的数字。纳皮尔用它来帮助进行乘法计算，他根据乘数和被乘数排列好木棍的顺序，仅需要做简单的加法就能计算出乘积，从而大大简化了数值计算过程。1.1.2 最早的机械计算工具1642年，法国科学家BlaisePascal开发出第一台加法机，即数字计算机的前身，最多可把八位长的数字加起来。1673年，德国数学家和哲学家Gottfied通过创建一种可

7、以相乘的机器而使其前辈的加法机得到改进。1822年巴培格(Charles Babbage) 开始设计及制造差分机(Difference Engine)。这部差分机是用蒸气激活的而且体积十分庞大，它有一贮存程序，可以进行计算并把结果自动地印出来。1.2 计算机的萌芽在二次世界大战期间，即20世纪30年代，由于军事需求，德国人KonradZuse开发出了他的Z4计算机，德国飞机业在二次世界大战期间一直使用。Z4用来开发机载的飞弹，并由无线电制导。然而，他的设计除德国本土外，未向国际上透露，直到大战结束后很久才被人知，因此对计算机发展影响很小。 1943年早期，一台英国计算机Colossus(巨人)

8、投入运行，用于译解德国密码。1970年之前对它的存在一直保密。AlanTuring在1937年构想出一种通用机的框架，可用来执行任何可描述的算法，他也是译码组的骨干成员。1.3 第一台计算机的诞生1946年2月15日,世界上第一台通用电子数字计算机Eniac诞生了，由宾夕法尼亚大学的JohnMauchly和PresperEc kert研制成功，是世界第一台多功能、全电子数字计算机。它当时由18,000个电子管组成，是一台又大又笨重的机器，体重达30多吨,占地有两三间教室般大。它当时的运算速度为每秒5000次加法运算，这在当时是相当了不起的成就。ENIAC是电脑发展史上举足轻重的里程碑，它甚至标

9、志着人类另一种文明的开始。用我们今天的眼光看，ENIAC像一只难看的“丑小鸭”，虽然外观不佳，但并不妨碍它终于有一天会变成白天鹅。1.4 计算机的实用化阶段1951年，由Eckert和Mauchly为美国人口普查创建了UNIVAC（通用自动计算机）。1952年,从事UNIVAC机工作的计算机语言前驱GraceHopper勾画出了第一个“编译程序”的蓝图，即使所有程序在执行之前都翻译成机器语言。1953年,IBM发明“国防计算器”，这标志着这家公司首次真正开始从事计算机业务。在后来的10年中，其700系列机垄断了世界大型机市场。1957年,IBM开发出FORTRAN（公式翻译）计算机语言，从此简

10、化了涉及复杂的数学公式的工作。1.4.1 第二代计算机第二代计算机形成于19591964，使用晶体管制作开关逻辑部件，以批处理方式操作。运算速度达到每秒几十到几百万次，开始使用汇编语言和Fortran等高级语言，此间还发明了计算机鼠标。1964年，IBM推出了System/360，这是第二代计算机的经典之作。1.4.2 第三代计算机第三代计算机形成于19651971，使用集成电路（Integrated Circuit）制作开关逻辑部件，配有功能简单的操作系统，运算速度达到每秒几百万到几千万次。1.4.3 第四代计算机第四代计算机形成于19721986年，器件为大规模的集成电路，每秒运行速度可达

11、1亿次以至10亿次以上。1976年，美国的ILLIAC-IV计算机，是第一台全面使用大规模集成电路作为逻辑元件和存储器的计算机，是第四代计算机的标志。1.4.4 第五代计算机第五代计算机从1986年开始研制，最初由日本人提出，1988年，世界上召开了第五代电脑国际会议。其特点是采用超大规模的集成电路计算机，运算速度为每秒亿兆次。目前我们仍处于第五代计算机的开发阶段。就“智力”水平而言，第五代计算机相当于一个幼儿。2 电脑技术现状2.1 个人电脑1977年，第一台走向大众市场的个人电脑诞生了，也意味着面向消费市场的个人电脑行业正式开张。现在，个人电脑已成为消费者重要的教育、娱乐和家庭沟通工具。2

12、.1.1 个人电脑有多快2000年，AMD（Advanced Micro Devices超微处理器公司）以其运行速度为1.2GHz的Athlon芯片从英特尔手中抢得了芯片速度之王的桂冠（英特尔P3芯片的运行速度为1GHz）。AMD于2000年10月17日发售基于1.2GHz Athlon处理器的系列电脑。HP及世界各地的其它商也纷纷计划推出基于800MHz AMD Duron处理器的个人电脑。据超微处理器公司的人员透露，这种曾经速度是最快的芯片帮助公司在全球个人电脑微处理器市场的占有率超过了17%。2001年，英特尔（Intel）公司又推出众人期待已久的更快速的涡轮增压式Pentium 4(奔

13、腾第四代芯片P4），两种版本的P4芯片分别以1.4GHz和1.5GHz的速度运行。这种新型的微处理器会给你带来一种更快、视觉上更丰富的经验。性能卓越的P4芯片对于个人电脑市场占有率前五位的厂家具有巨大的诱惑力，它们争先使用P4芯片推出自己最新机型以满足许多疯狂游戏玩家的需求，这些玩家们总希望把电脑的运行速度推到极限。一些生产个人电脑机的厂家，包括戴尔公司、康柏公司、惠普公司以及国际商用机器公司均使用两种版本的P4芯片，并推出它们的新产品。2.1.2 个人电脑有多小 为了让电脑与人的生活和工作能够更融洽、更贴近，人们从开发膝上型电脑开始，继而开发了笔记本电脑、亚笔记本电脑，乃至掌上型电脑，打破了

14、台式电脑已形成的固定使用方式，使得携带、使用越来越方便。这类便携电脑一直在为减少自身的体积和重量而努力，向着更轻、更薄的方向发展。目前便携性极佳的个人电脑有以下几种：标准笔记本电脑：主要特点是指显示屏在11.3英寸到15英寸之间，重量都在3公斤左右。轻型笔记本电脑：指重量在1至2公斤以内，显示屏在10.2至12.1英寸之间的超簿型笔记本电脑。微型笔记本电脑：微型笔记本电脑目前在国内市场的比例不大，但是在欧美、日本及港台己开始流行，由于其重量较轻、体积较小、功能较全，特别适应外出旅行，对用户有很大的吸引力。这类机型大小相当于A5至B5纸的尺寸，重量在1公斤左右，7.8至10.4英寸显示屏。图中这

15、款尚在试产阶段、名为TUBE的新颖机器代表着未来的便携机。它的声音识别装置使键盘成为选配部件，可以收卷的灵巧型液晶屏则彻底改变了传统显示屏方方正正的呆板外观。让我们回头看看历史， 1946年，第一台计算机ENIAC的运算速度是5000Hz，而55年后的今天，处理器的运算速度已达到1.7GHz，提高了300,000多倍；ENIAC的体重达30多吨，占地有两三间教室般大，而我们如今的便携式个人电脑，重量只有12公斤。我们可以自豪地说，是伟大的人类将丑小鸭ENIAC变成了如今光彩照人的白天鹅。2.2 超级计算机超级计算机主要用于科学工程计算，以追求计算速度为主。目前，世界超级计算机基本上为欧美发达国

16、家所控制。在当今世界已投入商业运行的前500台超级计算机中，美国和加拿大占据了60%，欧洲占26.8%，日本占了11.2%，其他国家仅占2%。2001年11月10日，在美国丹佛市举行的“超级计算2001”年会上发布了第18届TOP500排行榜。排行前10位的系统见下表。排位制造商机器实测性能国家时间CPU1IBMASCI White7226美国200081922Compaq Alpha Server SC ES45/1GHz4059美国200130243IBMSPPower3375MHz16Way3052美国200133284IntelASCI Red2379美国199996325IBMASC

17、I Blue-Pacific2144美国199958086Compaq Alpha Server SC ES45/1GHz2096美国200115367日立SR8000/MPP1709日本200111528SGIASCI Blue Mountain1608美国199861449IBMSPPower3 375MHz1417美国2000133610IBMSPPower3375MHz 16Way1293德国20011280 2.3 初级智能电脑人类曾产生过许许多多的幻想，在它们的激励下，人们进行不懈地探索，付出了艰辛的努力，最后许多幻想变成了现实，预示一个个奇迹般的新事物便在人们的辛勤劳动中诞生了。

18、制造一个会思维、有理智的机器，代替人们去思考、去创造，可以说是这些幻想中最大胆、也最为诱人的一个，它听起来颇像一个彻头彻尾的神话。相传远在2900多年前的西周，穆王在一次出游时，得到过一个木人，它甚至会用眼睛挑逗穆王身边的侍女。而在距今2000余年的古希腊时期，据说也有过一个用青铜制造的“人造人”在克利特岛上大显神通。这些传说并不足信，但反应出在数千年前，人类就产生了制造有理智的机器的大胆幻想。电脑技术正深刻地改变着我们感觉世界的能力和相互交流的方式。科学家开发出的一些也能像人一样具有触觉、嗅觉、味觉、听觉和视觉功能的神奇电脑，将使人类面对一个更加生动丰富、多姿多彩的世界。2.3.1触觉电脑

19、美国麻省理工学院媒体实验室科学家石井弘熙发明了一种奇特的“触感”计算机系统，它由两对连接有柱状木滚的计算机组成。当使用计算机的一方转动一套滚子时，计算机以完全相同的方式相应地转动并传给另一台计算机及其木滚。用这种方式，“触感”计算机系统能使交流双方“感受”对方。而另外两位科学家在1993年发明的触觉交流器更神奇。这是一种端部可连结在人的臂部的高技术套管，它能让使用者“感觉”到计算机里的信息情况。当你把手指插入这种触觉交流器时，你指尖的运动便会在计算机显示屏上重现。同时，由于这种计算机所形成的虚拟空间还包含了许多简单的几何图形，因此当你在虚拟空间里接触某个尖顶图形时，它会使你的手指有尖锐的感觉，

20、这样就有助于你更真切地感受所接收的信息。通过调整触觉交流器的压力和增加其不规则运动，人们甚至可以感觉计算机所形成的粗糙、光滑等质感。2.3.2 嗅觉电脑人的嗅觉主要靠鼻子，要让电脑有嗅觉，也要给它装上电子鼻。过去几年间，市场上已经出现了各种各样的原始电子鼻。它们大都由连接在高能计算机上的一系列电子化气味传感器组成，主要用于检查易燃、易爆品，分析血液中的酒精成分和在食品饮料行业充当质量控制器。苏格兰科学家道狄在电脑嗅觉研究方面做了许多开创性的工作，他的研究对于用电脑芯片重复人的嗅觉过程以及“训练”电脑芯片区别特定气味等方面具有重要意义。道狄预言，也许在5年之内便可实现使用电脑气味诊断器看病。到那

21、时，每位医生都将有一个电子鼻，人们可定期将信用卡大小的卡片插入电脑气味诊断器，以检查自己是否得了胃溃疡、糖尿病等。人们甚至可将气味识别芯片置入电话的送话器内，只要定期通过种电脑拨通具有气味诊断能力的电脑并与之通话，电脑便可根据接收到的气味进行分析、诊断，同时给出相应的药方。2.3.3 味觉电脑同嗅觉一样，味觉也是难以琢磨的。人的味觉主要靠舌头，要让电脑有味觉，也需要舌头一样的“感知器”。科学研究表明，人的舌头就像遍布冲击坑的月球表面一样布满味蕾，数量大约有800010000个，每个味蕾包括5070个化学味觉细胞。有趣的是，这些味觉细胞寿命很短，只有15天。为了弄清舌头的“味觉”机理，美国密执安

22、大学科学家罗伯特设计出了世界上第一个装在舌头上的探测器。它称为“电子筛”，研究人员在舌头味觉细胞与大脑相连的神经之间嵌入电子筛上的微孔与味蕾联系在一起了。由此，便形成了电脑化的味觉系统，可用在小儿麻痹者身上以改善其运动的神经系统，也可研制由人体神经电流直接控制的人工手。2.3.4 会说话的电脑如果你拨电话给Mercury旅行社，询问波士顿到旧金山的班机时间，问接线生一连串问题，如班机什么时间起飞、下午有没有飞机回波士顿、班机号码几号、什么时间抵达等等。一个流利的声音针对每一个问题作出迅速、清楚的答复，令人惊讶的是，接听电话的其实是麻省理工学院的维克多设计的一台能够辨别人类语音的电脑。赋予电脑绘

23、声绘色的“能听会说”功能，将代表未来十年计算机发展之主流。对问题作适当反应要让电脑具有听觉能力，首先要使电脑能听懂人们说的话，也就是语言识别能力。现在科学家已经开发出了语音识别技术。这类电脑由四个程序软件组成。首先，由声音认知程序将它所听到的声音翻译成基于语言概率计算的“词汇综合”；得到“词汇综合”后，第二个软件包启动完成判断含义的工作；然后，电脑扫描互联网上的美国国家气象服务中心的气象报告，直至找到所需要的信息；最后，它用语言合成器，断断续续地回答你的问题。大量电器将因为电脑的“能听会说”功能而被淘汰，包括键盘。50年后，也许人们回顾使用键盘的时代，会觉得不可思议。2.3.5 动作控制的电脑

24、日本研制成功一种依靠扭脖子和吹气进行操纵的电脑。这种电脑附有红外线头套，通过头部的扭动，电脑荧光屏上的感应器便会移动到所需要的地方进行工作。而吹气一次，则等于鼠标点选一次，吹气两次，等于鼠标点选两次；吹气时间延长，则可以拖曳；而再加上一次呼气，就可以取消指令。这种电脑还能根据红外线距离头套中心位置的偏差进行计算和修正。只要头部能活动的人都可使用这种电脑从事文秘工作或通过电子邮件与外界进行信息沟通。美国空军正在研制一种可以让飞行员和技术人员通过面部表情操作的计算机。这种计算机只需美国空军的地面人员动动眼珠子，就可以把所需要的图表和程序从一台小型便携式电脑上调出来，然后把所需的数据显示在特制的眼镜

25、或者布罩上。使用这种新型计算机，当操作者向右边看的时候，“电脑联结开发跟踪器”就会自动把光标移到右边；如果操作者向上看，那么光标就会往上移；操作者扬一下眉毛就等于单击鼠标一下，扬两下就等于连击两下鼠标。这种高度先进的计算机主要用于遥控军用飞机，预计在10年后可以投入使用。2.3.6 手势电脑加拿大的研究人员开发了一种能够识别国际手势语的系统。这种系统可以使失聪者更容易、更自然地利用计算机同别人交流，可以通过手势把组成单词的每个字母拼出来。这种系统识别国际手势语的成功率高达96%。由于每个人的手势略有不同，如果使用这种神经网络系统的人经过培训，可以使这种系统发挥的作用达到最佳效果。这种系统通过快

26、速工作站识别一个手势需要半秒钟，研究人员尚未能使它达到最佳识别速度。研究人员相信，他们通过使这种系统具备可以检验容易出错的手势，能够进一步提高识别的准确性。这种系统用摄像机捕捉每个手势，再由软件进行一系列处理。第一阶段是“边缘测定”，即绘制出手的轮廓。然后由系统确定手的长轴和短轴，以便确定手势的确切方向。在这个基础上，程度对手指相对于手的长轴的变化和方向加以测量。得出的信息被输入神经网络程序，程序通过与现有训练数据加以比较，对字母最有可能表达的含义作出猜测。一旦计算机识别出手势所要表达的意思，就把相关的字母显示在屏幕上。2.3.7 情感电脑2000年，IBM展示了一台新型电脑。这个电脑可以注意

27、到跟前的参观者，当人们呼叫它的名字时，机器人会笑，当人离开的时候，它会感到孤独。这台电脑使用了IBM正在研究中的蓝眼技术。蓝眼技术的主要目标是给电脑以人类的触觉、听觉和视觉感受，并进一步达到能够分析人类目光和表情，察觉人类情感的程度。如果这一技术研究成功，将会出现一种新电脑操作方式。电脑可以根据人们的表情而不是键盘上敲出的字符或鼠标点击的图形来决定操作是否正确，下一步该干什么。在一项正在进行的试验中，计算机通过鼠标形状的传感器感觉操作者的脉搏、体温、以及姿势等信息然后决定进行哪一步操作。应用这个技术的电脑还可以按照操作者的视线移动光标。计算机把信息显示到屏幕上，人们的表情会告诉电脑，屏幕上显示

28、的信息是否正确。电脑将自动进行下一步操作。目前，IBM的这类研究还在开始阶段，距离商业应用还有一段距离。2.3.8 聋哑人电脑美国斯坦福大学的两位专家研究成了一种手套，聋哑人戴上它做手势语，这种手套就能够把手势语变成说话声。这种手套由三部分组成：第一部分是手套本身，在每个指头的顶部装着一个微型传感器；第二部分是微型扩音器，它一般别在上衣口袋上；第三部分是微型电脑。聋哑人现在使用的手语一般都以手指来拼写字母，特别手套上的传感器能够精确地确定手指移动的位置，然后把信号传给放在腿上的一个微型电脑，电脑辨别聋哑人写出的字母之后，再把它变成电流信号，送到扩音器，最后变成人造声音发出来。专家们为了帮助非聋

29、哑人回话，还设计了一个大小相当于便携式计算器的电脑，它把听到讲话声音变成文字，显示在一个外形很像手表的显示器上。当聋哑人看到显示器上出现的文字时，就能够明白对方的意思了。2.3.9 电脑棋手电脑具有的高超的计算能力和智能水准，使它可以成为向人类智能挑战的唯一棋手。1997年5月11日，星期一，早晨4时50分（北京时间），一台名为“深蓝”的超级电脑将棋盘上的一个兵走到C4位置时，人类有史以来最伟大的棋手卡斯帕罗夫不得不沮丧地承认自己输了。世纪末的一场人机大战终于以电脑的微弱优势取胜，这也是电脑棋手挑战人类的首次胜利。“深蓝”计算机由国际商用机器公司（IBM）技术人员历经六年时间研制成功，它带有2

30、56个能在一台RISC系统/6000型计算机上同时运行的处理器。这台“深蓝”计算机的计算能力是“深思”计算机的1000倍。它可以在3分钟内对500亿步棋进行分析并作出选择。“深蓝”计算机设在纽约约克敦海茨的沃森研究中心，它通过互联网络向设在192千米之外的费城对弈现场的一台RISC系统/6000计算机发出行棋指令。“深蓝”计算机是通过计算速度和对棋局的分析下棋，而不是通过模仿人脑来进行下棋的。2.4 电脑植入人体计算机生物技术？本世纪中期，随着计算机的诞生，构成生命奥秘的DNA结构也逐步揭开。当时就有人预言，物理学与生物学将会出现一次神奇的联姻。如今，这种联姻的结果，已初见端倪。最新的一代实验

31、计算机正在模拟我们人类的大脑。科学将如何改变21世纪的作者、物理学家米基奥卡库已经看到了计算机与生物技术结合的可能性。他还预言，到2020年，运算速度更快的DNA微处理器将取代硅芯片。一方面，外科移植体的计算机化不断扩大人体神经系统的功能，另一方面，DNA电路板的出现正在逐步克服硅芯片本身的局限性。2.4.1 植入人脑在许多科幻电影中，我们常常会看到，有一些人，拥有着超凡的思维能力和记忆能力，这绝不是上帝特殊的恩赐，而是完全得益于植入其脑中的超级计算机。在现实生活中，这似乎是绝对不可能的事情。而今，随着电子工业和生命科学的飞速发展，这些正在一步步变为现实。1998年，德国汉诺威医科大学的耳鼻喉科医院为一名因伤致聋的建筑工人动了一次手术。在头颅内装了一个小人工耳蜗和微电脑，它与系在体外腰带上的语言处理机组成了一套听觉系统。8个星期后取得成功，开创了电脑植入大脑的先河。美国佐治亚州亚特兰大市的Emory大学的科学家在1998年将一小型电路板植入了一个中风患者的脑中，使他能够移动计算机搜索器。他们的研究目标是使用同样的电路板帮助瘫痪病人开关电灯，甚至发送电子邮件。2001年，他们在一位因意外事故而全身麻痹、失去一切运动能力的病人的脑内，植入了一片电脑芯片，利用这块芯片，病人可以通过思维活动，控制计算机屏幕上的鼠标指针移动，这无疑是神经计算机接口这一关键性课题的重大进展。