智能科學與技術(shù)課件

智能科學與技術(shù)

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黃文清

什么是智能科學與技術(shù)?

以人工智能理論和方法為核心，研究

?如何用計算機去模擬、延伸和擴展人的智能；

?如何設(shè)計和建造具有高智能水平的計算機應(yīng)用系統(tǒng);

?如何設(shè)計和制造更聰明的計算機。

什么是智能科學與技術(shù)？

?一個完整的智能行為周期為：

-從機器感知，到知識表達；

一從機器學習，到知識發(fā)現(xiàn)；

-從搜索推理，到規(guī)劃決策；

-從智能交互，到機器行為，到人工生命等等。

?這些構(gòu)成了智能科學與技術(shù)學科特有的認識對象，奠定了

智能科學的理論與技術(shù)，界定了智能科學與技術(shù)的學科范

疇。

智能科學與技術(shù)與本專業(yè)的關(guān)系

?智能科學與技術(shù)在一定程度上代表著信息技術(shù)的前沿。

本專業(yè)是由信息科學、計算機、電子等學科交叉滲透而形成。根據(jù)電

子信息科學的應(yīng)用背景，以智能信息科學與應(yīng)用、計算機視覺及圖像處

理、光電信息處理與應(yīng)用作為主要培養(yǎng)方向。以電子科學與技術(shù)、信息

工程、計算機科學與技術(shù)為主干學科。培養(yǎng)能熟練使用計算機進行信息

處理，具有基本的算法分析和設(shè)計能力以及較強的編程能力，掌握電子

信息科學與技術(shù)的基本理論和基本知識，具有較強的分析、解決實際問

題的能力和從事科研的能力，能進行電子學和信息科學等相關(guān)領(lǐng)域的教

學、管理、科學研究、科技開發(fā)的復合型高級專門人才。

智能科學與技術(shù)與本專業(yè)的關(guān)系

?相關(guān)課程：

電路分析理論、信號與系統(tǒng)、模擬電子線路基礎(chǔ)、數(shù)字

電路及系統(tǒng)設(shè)計、通信電路、C程序設(shè)計、軟件基礎(chǔ)技術(shù)、

微機原理與系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫概論、人工智能

概論、智能信息處理、數(shù)字圖像處理、模式識別、傳感器

技術(shù)等等。

國內(nèi)相關(guān)學科專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

“1998年，教育部頒布的《普通高等學校本科專業(yè)目錄》

中與信息技術(shù)相關(guān)的本科專業(yè)有十多個，體現(xiàn)了本科專業(yè)

設(shè)置密切結(jié)合信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的客觀規(guī)律。

“2002年以前，盡管與智能科技相關(guān)的研究廣泛滲透在上

述學科專業(yè)中，但只有模式識別與智能系統(tǒng)這個二級學科

出現(xiàn)了“智能”字樣。除此之外，無論本科生、碩士生、

博士生培養(yǎng)的學科和專業(yè)名稱上，都找不到“智能”的影

子！

國內(nèi)相關(guān)學科專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

?2002年后，已經(jīng)有十所高校自主設(shè)置的帶有“智能”字

樣的新專業(yè)獲得了批準，如：

-南京理工大學設(shè)置“智能機械與仿生學”

一哈爾濱工業(yè)大學設(shè)置了“人工智能與信息處理”

-上海交通大學設(shè)置了“智能信息處理”

-中國科學技術(shù)大學設(shè)置了“商務(wù)智能”

-帶有“智能”字樣的研究生專業(yè)，從1個發(fā)展為11個

智能科學與技術(shù)的學科建設(shè)在多個學科領(lǐng)域已經(jīng)形成

了自發(fā)的、強勁的發(fā)展勢頭。

世界人工大腦之父雨果?德?加里斯

?被比作人工智能研究領(lǐng)域的斯蒂芬?霍金。

?世界上僅有的四個制作人腦的機器均源自他手。他因研發(fā)

成功第一臺制作人腦的機器CBM(CamBrainMachine)

進入吉尼斯紀錄。

可進化硬件(EvolvableHardware,EHW)研究將進化

計算技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)(特別是電子系統(tǒng))內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計、

調(diào)理、實時自適應(yīng)等方面，以實現(xiàn)復雜電路的自動化設(shè)計和

顯著提高電子系統(tǒng)的自適應(yīng)和容錯能力。

雨果?德?加里斯認為

?對于21世紀科技所產(chǎn)生的“高智機器”的潛在能力，我比

大多數(shù)人看得更清楚。

一所謂“高智”，是指比人類大腦智慧不止2倍或者10倍，而

是萬億個萬億倍的人工大腦。

?21世紀科技智能機器將達到并且大規(guī)模超越不借助外力的

人類智慧；通過和這些機器的結(jié)合，人類才能提高自身。

使人工智能成為可能的關(guān)鍵技術(shù)

?摩爾定律

?可逆計算

?納米科技：分子級工程

?人工胚胎形成學

?進化工程學

?自我裝配

什么是摩爾定律？

?1965年，英特爾微處理器制造公司創(chuàng)始人之一戈登?摩爾提出。

?現(xiàn)代歷史上，“摩爾定律”一直是一個偉大的科技經(jīng)濟趨勢。

?描述并解釋集成電路或者芯片的運算能力，例如，電子元件密度、電

子信號處理速度等等，每年都成兩倍增加。

-2乘以2乘以2乘以2...（10次），等于1024

-乘20次，得到1048576

-乘30次，得到10億；乘40次，得到萬億....

?過去40年，摩爾定律一直有效，以至于倍數(shù)增加得到的數(shù)字非常巨大

摩爾定律的實現(xiàn)

?摩爾定律是芯片上電路尺寸不斷縮小的結(jié)果，以至于電子

在電子元件（例如兩個晶體管）間傳遞的距離被縮短了。

?根據(jù)愛因斯坦的理論，物體可以移動的最快速度是光速

（大概300000千米/秒），這也是電流必須遵守的自然常量。

?如果兩個電子元件間的距離被縮短了，它們之間電子信號

的傳遞距離也將縮短，因此，通過這個距離所需要的時

間就會更少（以恒定的光速）。

摩爾定律與海量存儲

?如果摩爾定律一直有效到2020年，海量內(nèi)存芯片上電路尺

寸可能允許在一個原子上面存儲一個比特的信息。

?一個像蘋果這么大的存儲

器可以存儲多少比特）呢？

一萬億萬億個原子（比特）

-1后面跟24個零。

經(jīng)典計算機為何經(jīng)典?

?第一臺電子計算機ENIAC（60年前）

每秒完成5000次運算

?重達30噸，占地1千平方英尺

?使用1萬8千個真空電子管、總長達800公里的電線

計算機結(jié)構(gòu)相同：處理一串由0和1組成的符號串

?筆記本電腦

?每秒能夠做20億次運算的P4CPU

經(jīng)典物理與量子物理

?設(shè)計計算機的一個基本前提：找到一個合適的物理系統(tǒng)，

使得它的不同狀態(tài)可以用來表示不同的信息。

?硅晶片上的加工尺度已達到0?1微米量級，再往細微的方

向走，經(jīng)典物理會逐漸失效。

-所有為表示0和1而應(yīng)用的物理現(xiàn)象都屬于經(jīng)典物理

?微觀世界——量子物理

-最簡單的量子物理系統(tǒng)，除了能表達0和1兩種狀態(tài)外，還能

夠同時表達0或者1,只是表達0具有一定的概率，而表達1則

具有相應(yīng)的概率，這兩個概率和為1。

量子計算機

?系統(tǒng)不同狀態(tài)之間的變換，可以并列存在多個途徑，使系

統(tǒng)可以在多條路徑上并行處理多個計算。

?計算機的計算能力獲得了指數(shù)性的增強。

量子計算的發(fā)展

?AT&T貝爾實驗室的計算機科學家皮特?休爾，最早實際地

揭示出量子計算的威力。

?1994年，設(shè)計了第一個適合于量子計算機使用的算法，專

門用來對大數(shù)進行因子分解。

-對經(jīng)典計算機，大數(shù)的因子分解絕對是一個不可能任務(wù)。

一現(xiàn)代計算機的加密算法，包括銀行密碼系統(tǒng)，都是基于論斷:

一個大數(shù)無法被人在有生之年分解為一些素數(shù)之積。

量子計算的發(fā)展

?里程碑式的實驗：1998年，在美國MIT和拉斯阿莫斯國家

實驗室的以拉夫雷門為首的一組科學家，運用液態(tài)核磁共

振（NMR）實現(xiàn)了量子計算。

?解決了量子計算的重大問題：如何在讀出計算結(jié)果的同時,

不銷毀系統(tǒng)其他的狀態(tài)信息。

產(chǎn)生“高智能機器”的基礎(chǔ)

兩種思想:可逆計算

?雨果?德?加里斯認為：大規(guī)模存儲能力和驚人的運算能力

就足以產(chǎn)生高智能機器^

?以黑洞理論聞名的羅杰?彭羅斯爵士及他的主要競爭對手

英國宇宙學家斯蒂芬?霍金認為：要產(chǎn)生智能機器需要的

遠不止是大規(guī)模的計算能力。

一彭羅斯聲稱：意識也是必要的，并且認為需要新的物理知識

來理解自然中意識如何產(chǎn)生，并借此來創(chuàng)造機器人工意識。

可逆計算的提出3D/2D電路

?三維(3D)電路

一在小體積內(nèi)存儲萬億萬億個電子元器

件的想法包含一個假設(shè)，就是這個體

問題:

積里包含的電路將分布于那個空間。

熱量?

?二維電路

-印制在硅芯片的表面上。

計算物理學（phys-comp或

physicsofcomputation

可逆計算的提出計算與熱量

?一個在物理計算學中被問到的問題：

進行一個基本的計算步驟所消耗的最低能量是多少？

?20世紀60年代，蘭道俄（Landauer）發(fā)現(xiàn)，在計算機里

產(chǎn)生熱量的是“重新設(shè)置”內(nèi)存寄存器的過程，當信息被

“清除”或者“消滅”時產(chǎn)生了熱量。

?“燧”（entropy）：測量一個物理系統(tǒng)的混亂程度；

?“熱力學第二定律”的基本物理定律：在封閉系統(tǒng)（一個

能量不會傳送出去或進來的系統(tǒng)）中嫡值不會減少。

可逆計算的提出計算與熱量

/O

與oC

門

BoABC

111

100

“與門”是不可逆轉(zhuǎn)的:010

不能總是通過輸出來

000

推斷輸入的是什么

可逆計算的提出計算與熱量

“如果摩爾定律一直擴展到分子級別，如果人

們還繼續(xù)采用傳統(tǒng)的非可逆的、清除比特的

信息處理技術(shù)，分子級別電路將會產(chǎn)生多少

熱量呢？”

?可逆基本電路—3個輸入和3個輸出的“Fredkin門”

可逆計算與人工智能

104。比特信息

IO”個神經(jīng)元

納米科技

?"納米科技"是“納米級科技”(nanometerscale

technology)的縮寫，也就是分子級工程。

?20世紀50年代提出。

?核心的想法是：

原子可以被放置在特定的位置來制造分子級別的機器，

也就是說，微型分子級機盎人選擇原子并且把它們放置在

合適的位置來制造分子級機構(gòu)o

納米科技與科幻小說

?“不朽”機器人

?死亡腦復活

?機器人自我復制

?建筑材料性能的改變

大自然中的納米科技——胚胎學

?進化形成了一個生長機制，它使用一個線性的一維的化學

命令編碼串（通常稱為DNA）并且翻譯成三維的有生命

的機能生物。

?研究這個納米級別工程的奇跡被稱為“胚胎形成學”或者

“進化”。

人工胚胎形成學與胚胎形成制造

?人工胚胎形成學

一致力于模仿自然界的胚胎形成過程，從一個單受精卵細胞來

培育恐龍或昆蟲。

?胚胎形成制造

——embryofacture,embryologicalmanufacture的縮寫形式

一利用人工胚胎形成學技術(shù)來從納米級別制造人類級別的產(chǎn)品

進化工程學

?達爾文“適者生存”的策略

?胚胎形成制造的一個進化工程解決方法可能是這樣的：

-一開始產(chǎn)生億萬個隨機的分子級“人工DNA”串，每一個都

可以被轉(zhuǎn)譯為塊狀的三維分子結(jié)構(gòu)。

一然后預(yù)先設(shè)計好的分子級納米機器人進入塊狀物內(nèi)，測量其

想得到的微產(chǎn)品的形狀和功能的相似程度。

-那些得到更高分值的塊狀物將會使其相應(yīng)的人工DNA生存下

來，并且在下一代有更多的復制品（孩子）。

自我裝配

?進化出單個組成部分是不夠的。這些組成部分需要在形狀

上互補，以便于它們可以“自我裝配”，也就是像七巧板

塊那樣組成一個更大的功能整體。

?這樣的方式會形成病毒。DNA的一部分為病毒成分建造

編碼。當它們一建成，它們相互組合形成一個完整的病毒。

?組成部分需要有如鎖和鑰匙般的互補。它們需要有自我裝

配的能力，簡單地通過相互碰撞（就在分子級別中經(jīng)常發(fā)

生的混亂和高速運動）來實現(xiàn)。

綜合所有的技術(shù)

人工智能機器包含104。個原子或比特的信息，無熱量的、

可逆的、三維的計算機電路，比人類思考至少快百萬倍（并

且可能快得多）。它將在其表面附加大量的感應(yīng)器，擁有巨

大的存儲能力；還有應(yīng)用納米科技的分子級工程，如“不朽”

機器人，批量復制的納米機器人給經(jīng)濟帶來的影響；人工胚