智能計(jì)算機(jī)與智能計(jì)算.doc

湖北師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院硬件課程論文設(shè)計(jì)HUBEI NORMAL UNIVERSITY期末論文Bachelors Thesis論文題目智能計(jì)算機(jī)與智能計(jì)算作者姓名王子聰指導(dǎo)教師許新山所在院系計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專業(yè)名稱計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)完成時(shí)間2010年12月27日智能計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)未來發(fā)展方向王子聰 (指導(dǎo)教師： 許新山)（湖北師范學(xué)院 計(jì)科系 湖北 黃石 435000）摘要: 現(xiàn)代的第四代計(jì)算機(jī)是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的時(shí)代。集成電路由于體積的限制，愈發(fā)不能滿足人們?cè)谌粘Ｉ詈凸ぷ髦械男枰?，因此，研制“智能”?jì)算機(jī)是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要方向。讓計(jì)算機(jī)能夠模擬人類的智能活動(dòng)，包括感知、判斷、理解、學(xué)習(xí)、問題求解等內(nèi)容。智能計(jì)算機(jī)的研究將導(dǎo)致傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法發(fā)生質(zhì)的飛躍，使計(jì)算機(jī)突破“計(jì)算”這一含義，從本質(zhì)上擴(kuò)充計(jì)算機(jī)的能力。智能計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的發(fā)展的概念，它始終處于不斷向前推進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)的前沿。關(guān)鍵詞: 第四代計(jì)算機(jī) 智能 計(jì)算中圖分類號(hào):TP18 Intelligent Computerthe future direction of computer Wang Zicong （Tutor：Xu Xinshan）(Institute of Computer Science and Technology,Hubei Normal University,Huangshi 435002 , China)Abstract : The fourth generation of the modern computer is a large-scale, VLSI era. Integrated circuits due to volume constraints, increasingly unable to meet people in their daily life and work needs, therefore, develop smart computer is an important direction of development of computer technology. Let the computer can simulate human intelligence activities, including perception, judging, understanding, learning, problem solving, and so on. Intelligent computer research will lead to the traditional method of programming a qualitative leap in the computer break the calculatethe meaning is essentially the computers ability to expand. Intelligent computer has become a dynamic development of the concept, it is always constantly advancing the forefront of computer technology. Key words : Fourth generation computer; smart; calculation 現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)屬于第四代計(jì)算機(jī)，是集成電路、超大規(guī)模集成電路的時(shí)代。計(jì)算機(jī)的整體性能和計(jì)算機(jī)的體積成正比，要想提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度就必須得增大相關(guān)硬件的體積。摩爾定律問世40年了。人們不無驚奇地看到半導(dǎo)體芯片制造工藝水平以一種令人目眩的速度提高。目前，Intel的微處理器芯片Pentium 4的主頻已高達(dá)2G（即2000M），2011年則要推出含有10億個(gè)晶體管、每秒可執(zhí)行1千億條指令的芯片。人們不禁要問：這種令人難以置信的發(fā)展速度會(huì)無止境地持續(xù)下去嗎？ 不需要復(fù)雜的邏輯推理就可以知道：芯片上元件的幾何尺寸總不可能無限制地縮小下去，這就意味著，總有一天，芯片單位面積上可集成的元件數(shù)量會(huì)達(dá)到極限。問題只是這一極限是多少，以及何時(shí)達(dá)到這一極限。業(yè)界已有專家預(yù)計(jì)，芯片性能的增長速度將在今后幾年趨緩。一般認(rèn)為，摩爾定律能再適用10年左右。其制約的因素一是技術(shù)，二是經(jīng)濟(jì)。制約因素之一技術(shù)：從技術(shù)的角度看，隨著硅片上線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯(cuò)率也將呈指數(shù)增長，同時(shí)也使全面而徹底的芯片測(cè)試幾乎成為不可能。一旦芯片上線條的寬度達(dá)到納米（10-9米）數(shù)量級(jí)時(shí)，相當(dāng)于只有幾個(gè)分子的大小，這種情況下材料的物理、化學(xué)性能將發(fā)生質(zhì)的變化，致使采用現(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工作，摩爾定律也就要走到它的盡頭了。制約因素之二經(jīng)濟(jì)：從經(jīng)濟(jì)的角度看，正如上述摩爾第二定律所述，目前是20-30億美元建一座芯片廠，線條尺寸縮小到0.1微米時(shí)將猛增至100億美元，比一座核電站投資還大。由于花不起這筆錢，迫使越來越多的公司退出了芯片行業(yè)?？磥砟柖梢倬S持十年的壽命，也決非易事。因此，“智能”計(jì)算機(jī)的研究與問世將是未來幾十年計(jì)算機(jī)信息技術(shù)最重要的課題。一、初識(shí)智能計(jì)算機(jī)智能計(jì)算機(jī)迄今未有公認(rèn)的定義 。計(jì)算理論的奠基人之一A. 圖靈定義計(jì)算機(jī)為處理離散量信息的數(shù)字計(jì)算機(jī)。而對(duì)數(shù)字計(jì)算機(jī)能不能模擬人的智能這一原則問題，存在截然對(duì)立的看法。1937年A.丘奇和圖靈分別獨(dú)立地提出關(guān)于人的思維能力與遞歸函數(shù)的能力等價(jià)的假說。這一未被證明的假說后來被一些人工智能學(xué)者表述為：如果一個(gè)可以提交給圖靈機(jī)的問題不能被圖靈機(jī)解決，則這個(gè)問題用人類的思維也不能解決。這一學(xué)派繼承了以邏輯思維為主的唯理論與還原論的哲學(xué)傳統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬人類思維的巨大潛力。另一些學(xué)者，如H.德雷福斯等哲學(xué)家肯定地認(rèn)為以圖靈機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)字計(jì)算機(jī)不能模擬人的智能。他們認(rèn)為數(shù)字計(jì)算機(jī)只能做形式化的信息處理，而人的智能活動(dòng)不一定能形式化，也不一定是信息處理，不能把人類理智看成是由離散、確定的與環(huán)境局勢(shì)無關(guān)的規(guī)則支配的運(yùn)算。這一學(xué)派原則上不否認(rèn)用接近于人腦的材料構(gòu)成智能機(jī)的可能性，但這種廣義的智能機(jī)不同于數(shù)字計(jì)算機(jī)。還有些學(xué)者認(rèn)為不管什么機(jī)器都不可能模擬人的智能，但更多的學(xué)者相信大腦中大部分活動(dòng)能用符號(hào)和計(jì)算來分析。必須指出，人們對(duì)于計(jì)算的理解在不斷加深與拓寬。有些學(xué)者把可以實(shí)現(xiàn)的物理過程都看成計(jì)算過程。基因也可以看成開關(guān)，一個(gè)細(xì)胞的操作也能用計(jì)算加以解釋，即所謂分子計(jì)算。從這種意義講，廣義的智能計(jì)算機(jī)與智能機(jī)器或智能機(jī)范疇?zhēng)缀跻粯?。二、人工智能與智能計(jì)算機(jī) 人工智能領(lǐng)域的研究是從1956年正式開始的，這一年在達(dá)特茅斯大學(xué)召開的會(huì)議上正式使用了人工智能(Artificial Intelligence，AI)這個(gè)術(shù)語。隨后的幾十年中，人們從問題求解、邏輯推理與定理證明、自然語言理解、博弈、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)以及機(jī)器人學(xué)等多個(gè)角度展開了研究，已經(jīng)建立了一些具有不同程度人工智能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，例如能夠求解微分方程、設(shè)計(jì)分析集成電路、合成人類自然語言，而進(jìn)行情報(bào)檢索，提供語音識(shí)別、手寫體識(shí)別的多模式接口，應(yīng)用于疾病診斷的專家系統(tǒng)以及控制太空飛行器和水下機(jī)器人更加貼近我們的生活。我們熟知的IBM的深藍(lán)在棋盤上擊敗了國際象棋大師卡斯帕羅夫就是比較突出的例子。 當(dāng)然，人工智能的發(fā)展也并不是一帆風(fēng)順的，也曾因計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制無法模仿人腦的思考以及與實(shí)際需求的差距過遠(yuǎn)而走入低谷，但是隨著硬件和軟件的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力在以指數(shù)級(jí)增長，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)蓬勃興起，確保計(jì)算機(jī)已經(jīng)具備了足夠的條件來運(yùn)行一些要求更高的AI軟件，而且現(xiàn)在的AI具備了更多的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的基礎(chǔ)。90年代以來，人工智能研究又出現(xiàn)了新的高潮。三、研制智能計(jì)算機(jī)的主要途徑符號(hào)處理與知識(shí)處理。把智能問題當(dāng)成符號(hào)處理與知識(shí)處理問題是人工智能的主流。紐威爾和西蒙教授在1975年的圖靈獎(jiǎng)演說中提出物理符號(hào)系統(tǒng)假設(shè)：物理符號(hào)系統(tǒng)是智能行為的充分必要條件。這一假設(shè)把符號(hào)處理技術(shù)擺到智能機(jī)研制的關(guān)鍵位置。60年代關(guān)于推理機(jī)制和問題求解技術(shù)的研究使人們認(rèn)識(shí)到一個(gè)智能系統(tǒng)的能力主要在于系統(tǒng)中包含的知識(shí)而不是它的推理機(jī)制，這就是E.費(fèi)根鮑姆教授倡導(dǎo)的知識(shí)原則。根據(jù)這一原則，構(gòu)造智能機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵是建立包含大量常識(shí)和專門知識(shí)的知識(shí)庫，其技術(shù)難點(diǎn)在于知識(shí)的自動(dòng)獲取和自動(dòng)維護(hù)以及知識(shí)共享等。這一途徑的基礎(chǔ)是邏輯理論與認(rèn)知心理學(xué)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)造智能機(jī)的另一途徑根源于神經(jīng)生理學(xué)的研究成果，即用大量相對(duì)簡(jiǎn)單的處理單元（人工神經(jīng)元）通過復(fù)雜的互連構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)。這一途徑強(qiáng)調(diào)大規(guī)模并行、分布式的表示與處理、非線性的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)行為、系統(tǒng)的訓(xùn)練與學(xué)習(xí)以及模擬量的處理等等。盡管目前提出的人工神經(jīng)網(wǎng)模型及已研制的各種人工神經(jīng)網(wǎng)系統(tǒng)與人腦的神經(jīng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)相距甚遠(yuǎn)，但這種以整體的統(tǒng)計(jì)行為取代邏輯推理，以樣本訓(xùn)練與學(xué)習(xí)取代執(zhí)行某種算法的新思路對(duì)傳統(tǒng)的唯理論與還原論是一種沖擊。神經(jīng)網(wǎng)計(jì)算機(jī)在模式識(shí)別和低層次感知模擬等方面有發(fā)展?jié)摿?，但也有一定局限性。它與傳統(tǒng)的符號(hào)處理有某種互補(bǔ)關(guān)系。這兩者的結(jié)合可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。層次化的智力社會(huì)模型。錯(cuò)綜復(fù)雜的人類社會(huì)是由許多個(gè)人和不同層次的團(tuán)體組成。與此類似，智能行為也可看成是許多在不同層次上的相互影響的并行操作的進(jìn)程。層次越低，其智力越差，最底層的處理應(yīng)是非智能的行為。按這種思路，關(guān)鍵是要弄明白非智能的活動(dòng)的聯(lián)合如何才能浮現(xiàn)智能行為，其奧秘應(yīng)在其相互聯(lián)系之中。這就是明斯基教授主張的所謂“智力社會(huì)”模型。這一學(xué)派強(qiáng)調(diào)理解智能的層次和系統(tǒng)中各部分的聯(lián)系，主要從人類社會(huì)的行為來看待思維與智能，其實(shí)現(xiàn)上較側(cè)重分布式的人工智能和復(fù)雜的巨系統(tǒng)?；谏镞M(jìn)化的智能系統(tǒng)。人類的智能是通過極其漫長的生物進(jìn)化產(chǎn)生的，進(jìn)化是智能的源泉。如果把機(jī)器智能的提高也當(dāng)成是一種進(jìn)化過程，其進(jìn)化速度將比形成人的智能快得多。生物進(jìn)化的關(guān)鍵是在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的適應(yīng)能力?；谶@一觀點(diǎn)，布魯克 斯教 授 提出研制智能 機(jī)的另一種途徑：建立在現(xiàn)實(shí)世界中具有真正感知和行動(dòng)能力的智能系統(tǒng)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜逐步提高其智能水平。這一方法強(qiáng)調(diào)自適應(yīng)控制，主張無需表示無需推理的智能系統(tǒng)。四、人工智能的發(fā)展預(yù)測(cè)（1）應(yīng)用階段（1980年至今）：在這一階段里，人工智能技術(shù)在軍事、工業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用顯示出了它具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益潛力。適合人們投資的這一新天地浮出了水面。（2）融合階段（20102020年）：在某些城市，立法機(jī)關(guān)將主要采用人工智能專家系統(tǒng)來制定新的法律。人們可以用語言來操縱和控制智能化計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、收音機(jī)、電視機(jī)和移動(dòng)電話，遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程保健等遠(yuǎn)程服務(wù)變得更為完善。智能化計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)在教育中扮演了重要角色，遠(yuǎn)程教育十分普及。隨著信息技術(shù)、生物技術(shù)和納米技術(shù)的發(fā)展，人工智能科學(xué)逐漸完善。許多植入了芯片的人體組成了人體通信網(wǎng)絡(luò)（以后甚至可以不用植入任何芯片）。比如，將微型超級(jí)計(jì)算機(jī)植入人腦，人們就可通過植入的芯片直接進(jìn)行通信。量子計(jì)算機(jī)和DNA計(jì)算機(jī)會(huì)有更大發(fā)展，能夠提高智能化水平的新型材料會(huì)不斷問世?？共《境绦蚩梢苑乐垢鞣N非自然因素引發(fā)災(zāi)難。隨著人工智能的加速發(fā)展，新制定的法律不僅可以用來更好地保護(hù)人類健康，而且能大幅度提高全社會(huì)的文明水準(zhǔn)。比如，法律可以保護(hù)人們免受電磁煙霧的侵害，可以規(guī)范家用機(jī)器人的使用，可以更加有效地保護(hù)數(shù)據(jù)，可以禁止計(jì)算機(jī)合成技術(shù)在一些文化和藝術(shù)方面的應(yīng)用（比如禁止合成電視名人），可以禁止編寫具有自我保護(hù)意識(shí)的計(jì)算機(jī)程序。（3）自我發(fā)展階段（20202030年）：智能化計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)既能自我修復(fù)，也能自行進(jìn)行科學(xué)研究，還能自己生產(chǎn)產(chǎn)品。一些新型材料的出現(xiàn)，促使智能化向更高層次發(fā)展。用可植入芯片實(shí)現(xiàn)人類、計(jì)算機(jī)和鯨目動(dòng)物之間的直接通信，在以后的發(fā)展中甚至不用植入芯片也可實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能。制定“機(jī)器人法”等新的法律來約束機(jī)器人的行為，使人們不受機(jī)器人的侵害。高水準(zhǔn)的智能化技術(shù)可以使火星表面環(huán)境適合人類居住和發(fā)展。（4）升華階段（20302040年）：信息化的世界進(jìn)一步發(fā)展成全息模式的世界。人工智能系統(tǒng)可從環(huán)境中采集全息信息，身處某地的人們可以更容易地了解和知曉其他地方的情況。人們對(duì)一些目前無法解釋的自然現(xiàn)象會(huì)有更清楚的認(rèn)識(shí)和更完善的解釋，并將這些全新的知識(shí)應(yīng)用在醫(yī)療、保健和安全等領(lǐng)域。人工智能可以模仿人類的智能，因此會(huì)出現(xiàn)有關(guān)法律來規(guī)范這些行為。五、應(yīng)用前景智能計(jì)算機(jī)技術(shù)還很不成熟，現(xiàn)主要在做模式識(shí)別、 裝配了智能計(jì)算機(jī)的玩具知識(shí)處理及開發(fā)智能應(yīng)用等方面的工作。盡管所取得的成果離人們期望的目標(biāo)還有很大距離，但已經(jīng)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。專家系統(tǒng)已在管理調(diào)度、輔助決策、故障診斷、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、教育咨詢等方面廣泛應(yīng)用。文字、語音、圖形圖像的識(shí)別與理解以及機(jī)器翻譯等領(lǐng)域也取得了重大進(jìn)展，這方面的初級(jí)產(chǎn)品已經(jīng)問市。計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的智能化和智能機(jī)系統(tǒng)的研究開發(fā)將對(duì)國防、經(jīng)濟(jì)、教育、文化等各方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。計(jì)算機(jī)智能化是21世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。發(fā)展智能計(jì)算機(jī)將加速以信息產(chǎn)業(yè)為標(biāo)志的新的工業(yè)革命