智能科学与计算以及人工智能优秀PPT.ppt

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1、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，探讨探讨如何用计算机去模拟、延长和扩展人的智能；如何用计算机去模拟、延长和扩展人的智能；如何设计和建立具有高智能水平的计算机应用系统；如何设计和建立具有高智能水平的计算机应用系统；如何设计和制造更聪慧的计算机。如何设计和制造更聪慧的计算机。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：l从机器感知，到学问表达；从机器感知，到学问表达；l从机器学习，到学问发觉；从机器学习，到学问发觉；l从搜寻推理，到规划决策；从搜寻推理，到规划决策；l从智能交互

2、，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。l这这些些构构成成了了智智能能科科学学与与技技术术学学科科特特有有的的相相识识对对象象，奠奠定定了了智能科学的理论与技术，界定了学科范畴。智能科学的理论与技术，界定了学科范畴。智能科学与技术与本专业的关系智能科学与技术与本专业的关系l智能科学与技术在确定程度上代表着信息技术的前沿。智能科学与技术在确定程度上代表着信息技术的前沿。本本专专业业是是由由信信息息科科学学、计计算算机机、电电子子等等学学科科交交叉叉渗渗透透而而形形成成。依依据据电电子子信信息息科科学学的的应应用用背背景景，以以智智能能信信息息科科学学与与应应用用、计

3、计算算机机视视觉觉及及图图像像处处理理、光光电电信信息息处处理理与与应应用用作作为为主主要要培培育育方方向向。以以电电子子科科学学与与技技术术、信信息息工工程程、计计算算机机科科学学与与技技术术为为主主干干学学科科。培培育育能能娴娴熟熟运运用用计计算算机机进进行行信信息息处处理理，具具有有基基本本的的算算法法分分析析和和设设计计实实力力以以及及较较强强的的编编程程实实力力，驾驾驭驭电电子子信信息息科科学学与与技技术术的的基基本本理理论论和和基基本本学学问问，具具有有较较强强的的分分析析、解解决决实实际际问问题题的的实实力力和和从从事事科科研研的的实实力力，能能进进行行电电子子学学和和信信息息科

4、科学学等等相相关关领领域域的的教教学、管理、科学探讨、科技开发的复合型高级特地人才。学、管理、科学探讨、科技开发的复合型高级特地人才。智能科学与技术与本专业的关系智能科学与技术与本专业的关系l相关课程：相关课程：电电路路分分析析理理论论、信信号号与与系系统统、模模拟拟电电子子线线路路基基础础、数数字字电电路路及及系系统统设设计计、通通信信电电路路、程程序序设设计计、软软件件基基础础技技术术、微微机机原原理理与与系系统统设设计计、数数据据结结构构、数数据据库库概概论论、人人工工智智能能概概论论、智智能能信信息息处处理理、数数字字图图像像处处理理、模模式式识识别别、传传感感器器技术等等。技术等等。

5、国内相关学科专业发呈现状国内相关学科专业发呈现状1998 年年，教教化化部部颁颁布布的的一一般般高高等等学学校校本本科科专专业业书书目目中中与与信信息息技技术术相相关关的的本本科科专专业业有有十十多多个个，体体现现了了本本科科专专业业设设置亲密结合信息产业发展须要的客观规律。置亲密结合信息产业发展须要的客观规律。2002 年年以以前前，尽尽管管与与智智能能科科技技相相关关的的探探讨讨广广泛泛渗渗透透在在上上述述学学科科专专业业中中，但但只只有有模模式式识识别别与与智智能能系系统统这这个个二二级级学学科科出出现现了了“智智能能”字字样样。除除此此之之外外，无无论论本本科科生生、硕硕士士 生生、博

6、博士士生培育的学科和专业名称上，都找不到生培育的学科和专业名称上，都找不到“智能智能”的影子！的影子！国内相关学科专业发呈现状国内相关学科专业发呈现状l2002 年年后后，一一些些高高校校自自主主设设置置的的带带有有“智智能能”字字样样的的新新专专业业获得了批准，如：获得了批准，如：l南京理工高校设置南京理工高校设置“智能机械与仿生学智能机械与仿生学”l哈尔滨工业高校设置了哈尔滨工业高校设置了“人工智能与信息处理人工智能与信息处理”l上海交通高校设置了上海交通高校设置了“智能信息处理智能信息处理”l中国科学技术高校设置了中国科学技术高校设置了“商务智能商务智能”l带有带有“智能智能“字样的探讨

7、生专业也从字样的探讨生专业也从 1 个发展为个发展为 11 个个l智智能能科科学学与与技技术术的的学学科科建建设设在在多多个个学学科科领领域域已已经经形形成了自发的、强劲的发展势头。成了自发的、强劲的发展势头。人工智能的起源与发展人工智能的起源与发展l莱莱布布尼尼兹兹，德德国国哲哲学学家家、数数学学家、自然科学家和物理学家家、自然科学家和物理学家l29岁岁时时，提提出出 Leibniz 法法则则：(xn)=nxn-1,n Q，并并运运用用常见的积分符号常见的积分符号 f(x)dxl最最先先提提出出：将将人人的的思思维维机机械械化化的思想。的思想。人工智能的起源与发展人工智能的起源与发展l帕斯卡

8、帕斯卡,法国数学家、物理学家、哲学家法国数学家、物理学家、哲学家l独创了加法机、发展了现代概率理论独创了加法机、发展了现代概率理论l19岁岁时时，设设计计出出机机械械式式加加法法机机，是是世世界界上上第第一一台台机机械械式式数数字计算机。字计算机。加法机加法机 乘法机乘法机 差分机差分机 人工智能的起源与发展人工智能的起源与发展l1674年年，莱莱布布尼尼兹兹独独创创了了能能做做十十进进制制乘乘法法、除除法法的的机机械械式式计算机，即乘法机，计算机，即乘法机，l首首先先系系统统探探讨讨了了二二进进制制记记数数方方法法，这这对对于于现现代代计计算算机机的的独独创至关重要。创至关重要。加法机加法机

9、 乘法机乘法机 差分机差分机 人工智能的起源与发展人工智能的起源与发展l巴比奇：英国数学家和分析仪独创者巴比奇：英国数学家和分析仪独创者l1822年年，独独创创了了差差分分机机，依依据据的的原原理理与与现现代代数数字字计计算算器器的的原理相像。原理相像。加法机加法机 乘法机乘法机 差分机差分机人工智能的起源与发展人工智能的起源与发展这这些些机机械械的的独独创创以以及及其其他他技技术术的的快快速速发发展展，使使机机器器的的应应用用成为可行。成为可行。人人们们起起先先编编写写程程序序以以解解决决智智力力测测验验难难题题、下下棋棋以以及及把把文文本本从一种语言翻译成另一种语言，这是第一批人工智能程序

10、。从一种语言翻译成另一种语言，这是第一批人工智能程序。这这些些程程序序使使机机器器不不仅仅能能进进行行数数值值计计算算，还还能能进进行行文文字字、图图像像等等多多媒媒体体信信息息处处理理，初初步步实实现现了了Leibniz提提出出的的“将将人人的的思思维机器化维机器化”的思想。的思想。“让机器拥有人的心智让机器拥有人的心智”成为很多计算机专家的志向。成为很多计算机专家的志向。由此，出现了一个新的探讨领域由此，出现了一个新的探讨领域“人工智能人工智能”。人工智能的起源与发展人工智能的起源与发展1956年年，Minsky，Shanon，McCarthy(人人工工智智能能之之父父)等等在美国达德茅斯

11、高校召开第一届人工智能学术会议。在美国达德茅斯高校召开第一届人工智能学术会议。会上首次运用会上首次运用“人工智能人工智能”这一术语。这一术语。标记着人工智能学科的诞生。标记着人工智能学科的诞生。1950年，年，W.格雷格雷.瓦尔特，可以自己充电的瓦尔特，可以自己充电的“乌龟乌龟”1960年，年，K.M.柯尔，模拟了一个精神病疗法专家柯尔，模拟了一个精神病疗法专家电电脑脑下下棋棋方方面面，97年年的的“深深蓝蓝”(Deep Blue)，03年年的的“小小深深”(Deep Junior)l医生：我可以为你效劳吗医生：我可以为你效劳吗l病人：我不知道病人：我不知道l医生：请告知我一些情形医生：请告知

12、我一些情形l病人：不病人：不l医生：请你说得细致些医生：请你说得细致些l病人：今日我厌烦得很病人：今日我厌烦得很l医医生生：你你知知道道这这是是什什么么缘缘由由l病人：是的我老了病人：是的我老了l医生：请接着讲医生：请接着讲l病病人人：仿仿佛佛任任何何事事情情都都激激不起我的兴致不起我的兴致l医医生生：请请更更多多地地告告知知我我你你的这种感觉的这种感觉l病病人人：我我也也有有些些知知道道为为何何我会这样感觉我会这样感觉l医生：是吗医生：是吗l病病人人：我我似似乎乎在在想想有有一一个个家家l医医生生：什什么么东东西西使使你你有有这这样的想法样的想法l病人：它是一种挑战病人：它是一种挑战l医医生

13、生：为为什什么么那那对对你你是是重重要的要的电脑能否实现人的智能？电脑能否实现人的智能？一旦能够实现，这种被认为是特权的智能行为将受到挑战。一旦能够实现，这种被认为是特权的智能行为将受到挑战。机器机器 体力体力电脑电脑 计算速度和精确性计算速度和精确性人脑人脑 思维思维 电脑能否实现人的智能？电脑能否实现人的智能？l图图灵灵：英英国国数数学学家家，计计算算机机科学家科学家l图图灵灵机机：抽抽象象计计算算模模型型，精精确定义可计算函数。确定义可计算函数。l经经典典计计算算机机事事实实上上就就是是一一个通用图灵机。个通用图灵机。l图灵试验图灵试验 电脑能否实现人的智能？电脑能否实现人的智能？电脑能

14、否实现人的智能？电脑能否实现人的智能？l人真实地回答问题并试图劝服质问者，他的确是人；人真实地回答问题并试图劝服质问者，他的确是人；l电脑被编好电脑被编好“说谎说谎”的程序，试图劝服质问者它是人。的程序，试图劝服质问者它是人。关于关于“智能智能”的一些观点的一些观点世界人工大脑之父雨果世界人工大脑之父雨果德德加里斯加里斯被比作人工智能探讨领域的斯蒂芬被比作人工智能探讨领域的斯蒂芬霍金。霍金。世界上仅有的四个制作人脑的机器均源自他手。世界上仅有的四个制作人脑的机器均源自他手。开开创创了了“可可进进化化硬硬件件”的的探探讨讨领领域域，是是“进进化化硬硬件件和和进进化化工工程程学学”的奠基人。的奠基

15、人。可可进进化化硬硬件件探探讨讨：将将进进化化计计算算技技术术应应用用于于系系统统（特特殊殊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，以以实实现现困困难难电电路路的的自自动动化化设设计计和和显显著著提提高高电电子子系系统统的的自自适适应应和容错实力。和容错实力。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。关于关于“智能智能”的一些观点的一些观点雨果雨果德德加里斯认为：加里斯认为：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”的的潜潜在在实实力力，我我比比大大多多数人看得更清晰。数人看得更清晰。所所谓谓“

16、高高智智”，是是指指比比人人类类大大脑脑才才智智不不止止2倍倍或或者者10倍倍，而而是是万亿个万亿倍的人工大脑。万亿个万亿倍的人工大脑。21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的的人人类才智；通过和这些机器的结合，人类才能提高自身。类才智；通过和这些机器的结合，人类才能提高自身。关于关于“智能智能”的一些观点的一些观点罗杰罗杰 彭罗斯认为：电脑要超过人脑是不行能的彭罗斯认为：电脑要超过人脑是不行能的不行能在物理层次上理解人脑，要像人的大脑是不行能的。不行能在物理层次上理解人脑，要像人的大脑是不行能的。电电脑脑设设计计的的思思维维是是算算法

17、法的的，只只相相当当于于人人的的逻逻辑辑推推理理的的思思维维方方式，这个方法高效但并非确定有效。式，这个方法高效但并非确定有效。全全部部根根本本的的、确确定定性性的的推推断断必必需需是是创创建建性性的的或或者者是是直直观观的的，如艺术、数学的探讨。如艺术、数学的探讨。爱因斯坦曾经将其比方为爱因斯坦曾经将其比方为“与上帝的对话与上帝的对话”关于关于“智能智能”的一些观点的一些观点关于关于“智能智能”的一些观点的一些观点l渥维克教授是限制论领域中居世界领先地位的专家。渥维克教授是限制论领域中居世界领先地位的专家。l书书中中展展示示了了第第一一批批能能够够学学习习、相相互互沟沟通通和和自自我我设设计

18、计程程序序的的机机器器人人，并并且发出警告：将来的机器人将会统治世界。且发出警告：将来的机器人将会统治世界。l尽管这本书很多地方看起来像一部小说，但它并没有丝毫虚构。尽管这本书很多地方看起来像一部小说，但它并没有丝毫虚构。渥维克教授认为：渥维克教授认为：电电脑脑为为什什么么要要和和人人脑脑一一样样？不不行行能能也也不不必必要要。电电脑脑在在综合实力上不及人脑，就不能强过人脑并统治人类吗？综合实力上不及人脑，就不能强过人脑并统治人类吗？电电脑脑可可以以看看成成是是单单面面的的人人，虽虽然然愚愚蠢蠢但但实实力力很很强强，且且具有确定的学习实力，网络使得电脑成为超级电脑。具有确定的学习实力，网络使得

19、电脑成为超级电脑。智智能能是是否否为为人人类类存存在在的的最最大大奇奇异异？智智能能主主要要体体现现于于逻逻辑辑，而而逻逻辑辑没没有有给给错错误误留留有有余余地地，回回顾顾人人类类历历史史的的错错误误，或许错误才是人类的最大奇异。或许错误才是人类的最大奇异。关于关于“智能智能”的一些观点的一些观点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

20、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”始终是一个宏大的科技经济趋势。始终是一个宏大的科技经济趋势。l描描述述并并说说明明集集成成电电路路或或者者芯芯片片的的运运算算实实力力，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。l2乘以乘以2乘以乘以2乘以乘以2(10次次)，等于，等于1024l乘乘20次，得到次，得到1048576l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，摩尔定律始终有效，以至于倍数增加得到的数字特别巨大年，摩尔定

21、律始终有效，以至于倍数增加得到的数字特别巨大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依依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(或许或许300000千米千米/秒秒)，这也是电流必需遵守的自然常量。，这也是电流必需遵守的自然常量。l假假如如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

22、缩短短，通通过过这这个个距距离离所所须须要要的的时时间间就就会会更更少（以恒定的光速）。少（以恒定的光速）。摩尔定律的实现摩尔定律的实现每个人都想拥有一台更快的计算机。每个人都想拥有一台更快的计算机。假假如如你你是是加加州州“硅硅谷谷”中中一一家家制制造造芯芯片片公公司司的的CEO，而而你你的的竞竞争争对对手手比比你你早早6个个月月在在市市场场上上推推出出一一款款比比你你的的产产品品快快30%的的芯芯片片，那那么么你你的的公公司司可可能能会会破破产产，而而竞竞争争对对手手的的市市场场份额会大幅增长。份额会大幅增长。因因此此芯芯片片制制作作公公司司在在过过去去几几十十年年里里投投入入了了巨巨大大

23、精精力力使使电电路路变变得得更更小小，分分布布更更加加密密集集，以以便便让让它它们们运运行行得得更更快快。微微处处理芯片运行越快，就会越经济。理芯片运行越快，就会越经济。摩尔定律与海量存储摩尔定律与海量存储l假假如如摩摩尔尔定定律律始始终终有有效效到到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一个原子上面存储一个比特的信息。寸可能允许在一个原子上面存储一个比特的信息。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。经典计算机为何经典？经典计算机为何经典？l第

24、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运用运用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经典计算机为何经典？经典计算机为何经典？经经典典计计算算机机对对一一个个字字节节的的数数据据进进行行一一步步步步的的处处理理，每每个个步步骤骤都都表表示示机机器器的的一一个个明明确确状状态态，上上个个步步

25、骤骤的的输输出出作作为为下下个个步骤的输入，前后相续，整个计算任务是在一条线上进行的。步骤的输入，前后相续，整个计算任务是在一条线上进行的。所所以以计计算算机机60年年来来的的进进步步，只只是是把把10厘厘米米长长的的真真空空电电子子管，用印刷在硅晶片上面的微米级半导体电极代替而已。管，用印刷在硅晶片上面的微米级半导体电极代替而已。当当然然现现代代计计算算机机能能把把输输出出的的0和和1，转转换换为为生生动动眩眩目目的的显显示器图像。示器图像。经典物理经典物理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

26、。使得它的不同状态可以用来表示不同的信息。l最简洁的实现方式：能表达两个状态就够了。最简洁的实现方式：能表达两个状态就够了。l例如一个开关，可以让例如一个开关，可以让“开开”表示表示0，“关关”表示表示1。l对经典物理系统，稳定的两个状态很简洁实现。对经典物理系统，稳定的两个状态很简洁实现。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，再再往往微微小小的的方方向向走，经典物理睬渐渐失效。走，经典物理睬渐渐失效。l全部为表示全部为表示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属于经典物理微观世界微观世界量子物理量子物理最最简简洁洁的的量量子子物物理理系系

27、统统：能能表表达达0、1两两种种状状态态外外，还还能能同同时时表表达达0或或者者1，只只是是表表达达0和和1具具有有确确定定的的概概率率，两两个个概概率率之和为之和为1。量量子子物物理理系系统统状状态态的的描描述述方方式式由由最最基基本本的的量量子子力力学学原原理理规定。规定。尽尽管管像像爱爱因因斯斯坦坦那那样样宏宏大大的的物物理理学学家家始始终终对对量量子子力力学学的的基基本本原原理理感感觉觉不不满满足足，但但多多数数试试验验证证明明白白这这个个基基本本原原理理是是不不行动摇的。行动摇的。量子计算机量子计算机既既然然摩摩尔尔定定律律很很可可能能带带我我们们进进入入原原子子等等级级，在在这这个

28、个范范围围里里，“量量子子力力学学”这这个个物物理理规规则则将将会会被被应应用用，人人类类将将必必需需用用量量子理论进行量子计算。子理论进行量子计算。量量子子物物理理系系统统的的特特性性是是无无法法回回避避的的，这这为为计计算算机机的的设设计计平平添添了了麻麻烦烦。不不过过科科学学家家们们灵灵机机一一动动，奇奇妙妙地地利利用用量量子子物物理理系系统统有有别别于于经经典典系系统统的的这这个个独独特特性性质质，创创建建了了量量子子计计算算机机的的崭崭新新概概念念，从从而而宣宣告告计计算算机机的的发发展展将将彻彻底底地地告告辞辞过过去去60年年一一脉相承的结构，而起先量子计算机的新时代。脉相承的结构

29、，而起先量子计算机的新时代。量子计算机量子计算机对对于于量量子子计计算算机机来来说说，系系统统的的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，使使系系统统可可以以在在多多条条路路径径上上并并行行处处理理多多个计算。个计算。这这使使得得计计算算机机的的计计算算实实力力获获得得了了指指数数性性的的增增加加，从从而而开开拓了计算机的崭新将来。拓了计算机的崭新将来。在在过过去去一一些些年年里里，理理论论探探讨讨和和试试验验上上人人们们都都投投入入了了巨巨大大的努力，以理解和制造的努力，以理解和制造量子计算机量子计算机。量子计算的发展量子计算的发展lAT&T贝贝尔尔试

30、试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地揭揭示示出出量量子子计算的威力。计算的威力。l1994年年，他他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运运用用的的算算法法，特特地地用用来来对对大数进行因子分解。大数进行因子分解。l对经典计算机，大数的因子分解确定是一个不行能任务。对经典计算机，大数的因子分解确定是一个不行能任务。l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：一一个个大大数无法被人在有生之年分解为一些素数之积。数无法被人在有生之年分解为一些素数之积。l皮皮特特休休尔尔发发觉觉，

31、假假如如运运用用量量子子计计算算机机，再再运运用用他他提提出出的的专专用用算算法法，这这个个论论断断将将不不再再成成立立。这这意意味味着着现现代代社社会会广广泛泛运运用用的的密密码码系系统统，将将随随着着量子计算机的问世而作废。量子计算机的问世而作废。量子计算的发展量子计算的发展l里里程程碑碑式式的的试试验验：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试试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

32、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。l依依据据量量子子力力学学基基本本原原 理理，任任何何对对系系统统的的测测量量，都都将将导导致致系系统统状状态态坍坍缩缩到到一一个个状状态态上上，从从而而丢丢失失系系统统原原来来具具有有的的其其他他状态的信息。状态的信息。l拉拉夫夫雷雷门门通通过过间间接接测测量量方方法法，使使系系统统状状态态信信息息得得到到平平安安而而完整的保留。完整的保留。产生产生“高智能机器高智能机器”的基础的基础两种思想：两种思想：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实实力力和和惊惊人人的的运运算算实实力力就就足以产生高智能机

33、器，足以产生高智能机器，以以黑黑洞洞理理论论著著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须须要要的的远远不不止是大规模的计算实力。止是大规模的计算实力。彭彭罗罗斯斯声声称称：意意识识也也是是必必要要的的，并并且且认认为为须须要要新新的的物物理理学学问问来理解自然中意识如何产生，并借此来创建机器人工意识。来理解自然中意识如何产生，并借此来创建机器人工意识。可逆计算可逆计算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)电路电路在小体积内存储万亿万亿个电子元器在小体积内

34、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。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。如何解决热如何解决热量问题？量问题？计计算算物物理理学学(phys-comp或或 physics of computation可逆计算的提出可逆计算的提出计算与热量计算与热量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？20世世纪纪60年年头头，兰兰道道俄俄发发觉觉，计计算算机机里里产产生生热热量量的的是是重重置置内内存寄存器的过程，当信息

35、被清除时产生热量。存寄存器的过程，当信息被清除时产生热量。热热力力学学其其次次定定律律：在在一一个个能能量量不不会会传传送送出出去去或或进进来来的的封封闭闭系系统中熵值不会削减。统中熵值不会削减。熵：物理学中，测量一个物理系统的混乱程度；熵：物理学中，测量一个物理系统的混乱程度；若若一一个个寄寄存存器器的的内内容容被被清清除除，技技术术上上意意味味着着增增加加次次序序，削削减减随机性，即它的熵将削减。随机性，即它的熵将削减。既既然然综综合合是是不不会会削削减减的的，多多余余的的熵熵以以一一种种热热的的形形式式散散发发到到计计算部件的四周环境中。算部件的四周环境中。可逆计算的提出可逆计算的提出计

36、算与热量计算与热量与与门门ABC“与与门门”电电子子线线路路中中的的一一个个基基本本成成分分，是是不不行行逆逆转转的的：不不能能总总是是通通过过输输出出来来推推断断输入的是什么输入的是什么可逆计算的提出可逆计算的提出计算与热量计算与热量“假假如如摩摩尔尔定定律律始始终终扩扩展展到到分分子子级级别别，假假如如人人们们还还接接着着接接受受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将会产生多少热量呢？路将会产生多少热量呢？”如如此此高高度度密密集集的的电电路路不不但但会会因因为为热热量量而而熔熔化化，甚甚至至会会发发生爆炸。生爆炸。很很明明显显

37、，分分子子级级别别的的电电路路即即使使会会被被制制造造，也也必必需需放放弃弃传传统的不行逆的计算形式，而起先运用新的可逆形式。统的不行逆的计算形式，而起先运用新的可逆形式。可逆计算机可逆计算机最近，探讨者们起先细致思索可逆计算机的设计。最近，探讨者们起先细致思索可逆计算机的设计。笔笔记记本本电电脑脑和和掌掌上上电电脑脑行行业业对对可可逆逆计计算算很很感感爱爱好好，因因为为这可以帮助他们解决这可以帮助他们解决“电池寿命电池寿命”的问题。的问题。假假如如他他们们的的计计算算机机可可以以运运用用更更具具可可逆逆性性的的电电路路，那那么么消消耗耗的的电电池池能能量量将将更更少少，因因为为它它们们消消费

38、费的的热热量量更更少少。因因此此，电电池将消耗得更慢，寿命将会更长。池将消耗得更慢，寿命将会更长。可逆门电路与可逆计算机可逆门电路与可逆计算机l一一个个出出名名的的可可逆逆门门电电路路是是3输输入入、3输输出出Fredkin门门，它它是是可可逆逆的的、计计算算通通用用的的。没没有有任任何何比比特特的的信信息息被被消消退退。通通过过把把Fredkin门门的的输输出出连连接接到到其其他他Fredkin门门的的输输入入端端，可可形形成成更更大大的的门门电电路路，能能进进行行计计算算机机须要执行的任何功能计算。须要执行的任何功能计算。l既既然然计计算算机机的的个个体体门门电电路路可可逆逆，那那么么计计

39、算算机机本本身身也也可可以以做做成成可可逆逆的的。换换句句话话说说，人人们们能能够够从从计计算算机机左左端端输输入入初初始始比比特特串串，并并且且这这些些可可以以被被计计算算机机内内的的Fredkin门门处处理理。作作为为结结果果的的输输出出从从计计算算机机右右端端的的门门电电路路输出。输出。l可可逆逆计计算算可可能能会会花花费费相相当当于于传传统统计计算算两两倍倍的的计计算算时时间间，因因为为必必需需把把结结果从同样的电路送回，但没有任何热量产生。果从同样的电路送回，但没有任何热量产生。l只只要要拥拥有有可可逆逆无无热热电电路路，就就可可以以制制造造大大型型3D电电路路。理理论论上上，没没有

40、有任任何何尺寸上的限制。尺寸上的限制。制造技术制造技术纳米科技纳米科技l“纳纳米米科科技技”是是“纳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。l在在纳纳米米级级上上制制造造东东西西，是是十十亿亿分分之之一一米米的的尺尺寸寸，或或许许和和分分子的尺寸差不多。子的尺寸差不多。l第第一一个个思思索索制制造造纳纳米米级级东东西西的的人人在在20世世纪纪50年年头头提提出出想想法法。在在90年头，他的想法被接受，并且每个月都在进步。年头，他的想法被接受，并且每个月都在进步。l核核心心的的想想法法是是：原原子子可可以以被

41、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它们放置在合适的位置来制造分子级机构。把它们放置在合适的位置来制造分子级机构。制造技术制造技术费米科技费米科技l“费费 米米 科科 技技”是是“费费 米米 级级 别别 科科 技技”(femtometer scale technology)的缩写。的缩写。l一一费费米米是是千千万万亿亿分分之之一一米米，或或许许是是原原子子核核内内的的一一个个质质子子或或一个中子的大小。一个中子的大小。l费米科技将会是原子核甚至是夸克费米科技将会是原子核甚至是夸克

42、(Quarks)级级 别的工程。别的工程。l夸克是组成质子、中子和其他粒子的夸克是组成质子、中子和其他粒子的“基本粒子基本粒子”。纳米科技与科幻小说纳米科技与科幻小说l“不朽不朽”机器人机器人 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建筑材料性能的变更建筑材料性能的变更l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，它它运运用用一一个个线线性性的的一一维维的的化化学学吩吩咐咐编编码码串串（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探探讨讨这这个个纳纳米米级级别别工工程程的的奇奇迹

43、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”。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”学科学科l致致力力于于仿仿照照自自然然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培育恐龙或昆虫。来培育恐龙或昆虫。l胚胎形成制造胚胎形成制造lembryofacture，embryological manufacture的缩写形式的缩写形式l利利用用人人工工胚胚胎胎形形成成学学技技术术来来从从纳纳米米级级别别制制造造人人类类级级别别的的产产品品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与纳米科技相比，

44、具有的优势：与纳米科技相比，具有的优势：l不不须须要要运运用用困困难难的的纳纳米米基基础础结结构构，而而是是须须要要困困难难的的计计时时限限制制系系统统。当当系系统统被被细细胞胞内内或或细细胞胞间间的的特特定定分分子子信信号号刺刺激激后后，DNA(或或者者是是人人类类设设计计的的等等价价物物)中中的的某某些些基基因将被打开或关闭。因将被打开或关闭。l自自上上而而下下地地设设计计这这样样困困难难的的限限制制系系统统可可能能超超越越人人类类科科学学家家的实力，一个更可行的方法就是运用的实力，一个更可行的方法就是运用“进化工程学进化工程学”方法。方法。进化工程学进化工程学l达尔文达尔文“适者生存适者

45、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：l一一起起先先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，每每一一个个都可以被转译为块状的三维分子结构。都可以被转译为块状的三维分子结构。l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，测测量量其想得到的微产品的形态和功能的相像程度。其想得到的微产品的形态和功能的相像程度。l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

46、且在下一代有更多的复制品(孩子孩子)。自我装配自我装配进化出单个组成部分是不够的。进化出单个组成部分是不够的。这这些些组组成成部部分分须须要要在在形形态态上上互互补补，以以便便于于它它们们可可以以“自自我装配我装配”，也就是像七巧板块那样组成一个更大的功能整体。，也就是像七巧板块那样组成一个更大的功能整体。组组成成部部分分须须要要有有如如锁锁和和钥钥匙匙般般的的互互补补。它它们们须须要要有有自自我我装装配配的的实实力力，简简洁洁地地通通过过相相互互碰碰撞撞（在在分分子子级级别别中中常常常常发发生生的混乱和高速运动）来实现。的混乱和高速运动）来实现。自我装配自我装配当当涉涉及及制制造造小小行行星

47、星般般大大小小的的人人工工智智能能机机器器或或者者人人类类大大小小的人工智能机器，这种自我装配的概念特别重要。的人工智能机器，这种自我装配的概念特别重要。一一个个人人类类大大小小的的人人工工智智能能机机器器拥拥有有万万亿亿万万亿亿个个分分子子。制制造造人人类类大大小小的的人人工工智智能能机机器器，须须要要全全部部的的万万亿亿万万亿亿个个原原子子以以原子般的精确放置在适当的位置。原子般的精确放置在适当的位置。雨雨果果.德德.加加里里斯斯认认为为，这这样样的的人人工工智智能能机机器器将将通通过过胚胚胎胎形形成过程来制造。成过程来制造。自我装配自我装配第一台这样的人工智能机器怎样制造和设计呢？第一台

48、这样的人工智能机器怎样制造和设计呢？第一台人工智能机器将须要进化工程师制造出来。第一台人工智能机器将须要进化工程师制造出来。首首先先，进进化化的的三三维维分分子子结结构构可可以以一一块块一一块块地地装装配配成成更更大大的三维结构。的三维结构。然然后后，可可以以制制造造更更加加困困难难的的人人工工智智能能机机器器来来执执行行自自我我进进化化(可能在它们的体内可能在它们的体内)，并且以电子速度做出思索。，并且以电子速度做出思索。综合全部的技术综合全部的技术人工智能机器：人工智能机器：包含包含1040个原子或比特的信息，个原子或比特的信息，无热量的、可逆的、三维的计算机电路，无热量的、可逆的、三维的

49、计算机电路，比人类思索至少快百万倍比人类思索至少快百万倍(并且可能快得多并且可能快得多)。表面附加大量的感应器，拥有巨大的存储实力；表面附加大量的感应器，拥有巨大的存储实力；应应用用纳纳米米科科技技的的分分子子级级工工程程，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；人人工工胚胚胎胎形形成成学学、进进化化工工程程学学、自自我我装装配配等等。但是远不止这些。但是远不止这些。疑虑与思索：疑虑与思索：雨果雨果德德加里斯认为：加里斯认为：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当当制制造造比比人人类类智智能能高高

50、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。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核弹与人工智能核弹与人工智能l1933年年，原原子子核核发发觉觉者者新新西西兰兰物物理理学学家家卢卢瑟瑟福福爵爵士士认认为为：原子核里释放的不行思议的高能量不行能被用于工业上。原子核里释放的不行思议的高能量不行能被用于工业上。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l世界上第一个想到核链式反应的人世界上第一个想到核链式反应的人l第一个胆怯第一个胆怯希特勒首先希特勒首先“拥有