《計(jì)算機(jī)思維》2：自動(dòng)的機(jī)器

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2020-04-02 08:35:40　來(lái)源：　閱讀：-G0

今天我們繼續(xù)講《計(jì)算機(jī)思維》。了解一些歷史有利于理清思路。上一講講算法，我們總結(jié)了一個(gè)歷史教訓(xùn)，那就是人的思想，可以領(lǐng)先于技術(shù)應(yīng)用。人類并不是先有了計(jì)算機(jī)才有的計(jì)算機(jī)思維，而是早就有了計(jì)算機(jī)思維，在那兒等著計(jì)算機(jī)出現(xiàn)。借用一個(gè)佛教術(shù)語(yǔ)，啟蒙時(shí)代以來(lái)思想家已經(jīng)“照見(jiàn)”了計(jì)算機(jī)的可能性。

我們看計(jì)算機(jī)產(chǎn)品是最容易過(guò)時(shí)的，今年買(mǎi)的手機(jī)明年就換代了。硬件可以被淘汰，軟件可以被升級(jí)，但是，思想很難過(guò)時(shí)，數(shù)學(xué)永不過(guò)時(shí)。計(jì)算機(jī)的發(fā)展故事，是把思想實(shí)現(xiàn)的故事。

我們孜孜以求的，是一個(gè)“自動(dòng)的”機(jī)器。

1.對(duì)自動(dòng)的追求

下面這張圖中是一個(gè)會(huì)下國(guó)際象棋的機(jī)器人，叫“土耳其行棋傀儡（Mechanical Turk）”。它在1770年出現(xiàn)在歐洲，能跟人類棋手對(duì)弈，而且水平相當(dāng)高。它擊敗過(guò)拿破侖·波拿巴和本杰明·富蘭克林這樣的名人。很多人懷疑棋盤(pán)下面那個(gè)柜子里可能藏了一個(gè)人，可是打開(kāi)柜子只能看到一堆齒輪。這個(gè)下棋機(jī)器人在歐美縱橫征戰(zhàn)了數(shù)十年。

……當(dāng)然，那時(shí)候可沒(méi)有“深藍(lán)”和“AlphaGo”。一直到 1857 年這個(gè)秘密才被揭開(kāi)，事實(shí)是……里面真的藏了一個(gè)人。只不過(guò)因?yàn)樵O(shè)計(jì)巧妙，看不出來(lái)而已。

但是你能看出來(lái)當(dāng)時(shí)的人對(duì)“自動(dòng)的機(jī)器”有多么著迷。人們迫切想要這個(gè)東西，而且人們認(rèn)為有這個(gè)東西很正常。“土耳其行棋傀儡”是個(gè)魔術(shù)，但下面這個(gè)東西可不是魔術(shù)——

這是“作家機(jī)械人偶（The Writer）”，由瑞士鐘表師皮埃爾·雅克·德羅在1768 年設(shè)計(jì)制造 [1]。它能自己拿筆蘸墨水，在紙上寫(xiě)字畫(huà)畫(huà) ——

如果你見(jiàn)過(guò)這個(gè)會(huì)寫(xiě)字的機(jī)器人，再見(jiàn)到會(huì)下棋的機(jī)器人可能就不會(huì)感到那么不可思議了吧。其實(shí)下棋和寫(xiě)字還是有本質(zhì)區(qū)別，寫(xiě)字只是“自動(dòng)”，而下棋需要智能。但是在談?wù)撝悄苤?，我們得知道，自?dòng)，已經(jīng)是一個(gè)了不起的成就。

這個(gè)作家機(jī)器人偶是怎么寫(xiě)字畫(huà)畫(huà)的呢？你必須能把那些字和畫(huà)的信息存儲(chǔ)到機(jī)器里才行。而這是通過(guò)機(jī)器人后背的一個(gè)齒輪實(shí)現(xiàn)的 [2]，齒輪上代表不同字母的鋼片的形狀決定了字母寫(xiě)出來(lái)什么樣 ——

而那些字母是可以替換的！你換一組字母，或者換一套代表繪畫(huà)筆畫(huà)的齒輪，作家機(jī)器人偶就可以寫(xiě)出別的內(nèi)容。就好像我們現(xiàn)在玩游戲機(jī)，換個(gè)卡帶就是一個(gè)新游戲一樣。

十八世紀(jì)真是個(gè)蒸汽朋克式的美好時(shí)代。如果人類一直沒(méi)有發(fā)明電力，今天我們看到的就都是這樣的自動(dòng)機(jī)器。我們想想，像八音盒這種東西，它為什么能播放特定的樂(lè)曲？其實(shí)是一樣的道理。我借用威爾遜在《生命視角》中的一個(gè)說(shuō)法，這是“嚴(yán)格的靈活性”：操作步驟是嚴(yán)格固定的，但是可以接受靈活的輸入，產(chǎn)生不同的輸出。

1804 年 [3]，法國(guó)人發(fā)明了一種提花織機(jī)（Jacquard loom），它能從一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的打孔卡上讀取信息，織出特定式樣的花紋。打孔卡上的孔可以讓鉤子穿過(guò)去，鉤子控制織線?？棛C(jī)是同一個(gè)織機(jī)，打孔卡可以隨便更換，換張卡就是不一樣花紋。

提花織機(jī)的打孔卡，圖片來(lái)自維基百科

打孔卡，可以說(shuō)是機(jī)械化自動(dòng)機(jī)器的軟件。打孔卡這個(gè)技術(shù)思想在此后有廣泛的應(yīng)用，IBM公司最早就是靠這東西起家的……

但是，“嚴(yán)格的靈活性”畢竟不是真正的靈活性。打孔卡技術(shù)，距離可編程計(jì)算，還有根本性的一步。

2.第一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)

你可能不知道，第一臺(tái)可編程的通用計(jì)算機(jī)，并不是電子的，而是機(jī)械的。

1820年，英國(guó)人查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）把“嚴(yán)格的靈活性”發(fā)揮到了極致，設(shè)計(jì)了一個(gè)叫做“差分機(jī)”的東西，它可以做多步驟的復(fù)雜計(jì)算。

巴貝奇的野心是用差分機(jī)計(jì)算正確的數(shù)學(xué)用表。當(dāng)時(shí)公開(kāi)發(fā)行的對(duì)數(shù)表、三角函數(shù)表都是人手算出來(lái)的，其中有大量的錯(cuò)誤。巴貝奇認(rèn)為人是靠不住的，這種計(jì)算應(yīng)該交給機(jī)器。巴貝奇跟英國(guó)政府說(shuō)，數(shù)學(xué)用表的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致英國(guó)海軍的計(jì)算出錯(cuò)，那么艦艇就出事兒，搞不好可能會(huì)沉船，現(xiàn)在我發(fā)明了一種機(jī)器，能做冷酷無(wú)情的計(jì)算。英國(guó)政府被說(shuō)服了，真給了他一筆經(jīng)費(fèi)。

巴貝奇的設(shè)計(jì)包括 25000 個(gè)部件，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力……但是他做了十年只完成了七分之一 ——

差分機(jī)的七分之一完成品

而這純粹是因?yàn)橛布夹g(shù)不允許。巴貝奇必須用齒輪和杠桿實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算，可是這些東西沒(méi)法做得特別精細(xì)，很容易這里卡殼、那里跳線，而且零件越多越容易出問(wèn)題。英國(guó)政府一直看不到成果，把巴貝奇的經(jīng)費(fèi)停了。

巴貝奇做不出來(lái)，可是他特別能想……1830年，巴貝奇又自費(fèi)發(fā)明了一個(gè)更厲害的東西，叫“分析機(jī)”。分析機(jī)，是一個(gè)可編程的通用計(jì)算機(jī)！

分析機(jī)的神來(lái)之筆在于它把操作步驟也寫(xiě)進(jìn)了打孔卡之中，這樣計(jì)算步驟就是不固定的了，就是可編程的了。不但如此，分析機(jī)還可以根據(jù)中間的計(jì)算結(jié)果，決定下一步的計(jì)算操作 —— 也就是說(shuō)，它允許程序里有“If… then… ”這種條件語(yǔ)句，它甚至還包括循環(huán)語(yǔ)句！分析機(jī)有輸入部分、有計(jì)算部分、有存儲(chǔ)中間計(jì)算結(jié)果的部分，還有輸出打印的部分……分析機(jī)，是真正的計(jì)算機(jī)。

巴貝奇還有一個(gè)合作者專門(mén)給分析機(jī)寫(xiě)程序，可以說(shuō)是人類歷史上第一個(gè)程序員，而且這是一個(gè)女程序員，叫埃達(dá)·洛夫萊斯（Ada Lovelace），他倆用了十余年的時(shí)間一直在研究分析機(jī)。洛夫萊斯甚至還想到，分析機(jī)不僅能用來(lái)做數(shù)值計(jì)算，還能作符號(hào)計(jì)算 —— 它不僅僅是個(gè)“計(jì)算”機(jī)，它是個(gè)能處理任何信息的機(jī)器！

……可惜的是，分析機(jī)也沒(méi)做成。下面這張圖是分析機(jī)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)部分，來(lái)看一眼世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)吧 ——

人的思想要是領(lǐng)先時(shí)代太多，是不是一個(gè)悲劇呢？巴貝奇因?yàn)榘l(fā)明數(shù)學(xué)表格的計(jì)算理論工具而得過(guò)英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)的金獎(jiǎng)，他還是第一個(gè)提出“科學(xué)管理”的人。但是差分機(jī)和分析機(jī)被當(dāng)時(shí)的人視為是巴貝奇身上的污點(diǎn)，什么實(shí)用成果都沒(méi)拿出來(lái)，結(jié)果有一萬(wàn)兩千個(gè)零件被溶解報(bào)廢了。

1871年巴貝奇去世的時(shí)候，《泰晤士報(bào)》甚至還專門(mén)諷刺了他一番。

而通用計(jì)算機(jī)這種東西再次被人提出來(lái)，則是70年后的事情了。

3.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)

1945年，因?yàn)殡娮诱婵展芗夹g(shù)條件成熟和美國(guó)軍方資助，世界第一臺(tái)能用的通用計(jì)算機(jī)終于被做出來(lái)了，這就是著名的 ENIAC 。ENIAC 是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的鼻祖，它奠定了所謂的“馮·諾依曼架構(gòu)”。而在此之前，艾倫·圖靈已經(jīng)提出了可編程通用計(jì)算機(jī)的完整數(shù)學(xué)理論。

我認(rèn)為約翰·馮·諾依曼是人類歷史上最聰明的幾個(gè)人之一。他是數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家，是博弈論的創(chuàng)始人，還是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)架構(gòu)的提出者 —— 不過(guò)馮·諾依曼自己對(duì)此是否認(rèn)的，他說(shuō)這個(gè)設(shè)計(jì)是一幫人討論的結(jié)果，他只不過(guò)負(fù)責(zé)做筆記而已。

相對(duì)于巴貝奇的設(shè)計(jì)，馮·諾依曼架構(gòu)的關(guān)鍵改進(jìn)在于它有了“內(nèi)存”這個(gè)概念。負(fù)責(zé)計(jì)算的CPU速度很快，而從打孔卡讀取計(jì)算步驟的速度非常慢，所以現(xiàn)在的設(shè)計(jì)是先一次性地把打孔卡的程序信息讀進(jìn)來(lái)，存到內(nèi)存里，然后在計(jì)算過(guò)程中讓CPU直接和內(nèi)存交換信息，這就能大大加快計(jì)算速度。

從提花織機(jī)的打孔卡提供了“嚴(yán)格的靈活性”，到巴貝奇的可編程通用計(jì)算機(jī)，到馮·諾依曼架構(gòu)的CPU和內(nèi)存，這是非常清晰的演變。現(xiàn)在我們看到了，圖靈再厲害，“編程”這個(gè)思想不是他先提出的；馮·諾依曼再神，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不是他發(fā)明的。

計(jì)算機(jī)是這么一個(gè)不斷改進(jìn)的東西。一代一代的工程師提出各種各種巧妙的設(shè)計(jì) ——

要在硬件上實(shí)現(xiàn)信息的數(shù)字化，人們發(fā)現(xiàn)應(yīng)該用二進(jìn)制。十進(jìn)制很直觀，但是要用硬件實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制，你的電子管就得用十個(gè)級(jí)別的電壓代表0-9這10個(gè)數(shù)字，這不但不容易實(shí)現(xiàn)，而且很容易出錯(cuò)。二進(jìn)制只需要電子管和存儲(chǔ)點(diǎn)有開(kāi)和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)就行，這就大大增加了可靠性。

然后香農(nóng)設(shè)計(jì)了邏輯門(mén)……我們專欄講過(guò)，從硬件到軟件的關(guān)鍵思想是分層。

然后你還要考慮CPU時(shí)鐘的同步問(wèn)題。如果沒(méi)有“步”這個(gè)概念，各方面的計(jì)算沒(méi)有協(xié)調(diào)，可能會(huì)導(dǎo)致兩組電信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)，系統(tǒng)就會(huì)出錯(cuò)。

然后你還要考慮存儲(chǔ)信息和操作過(guò)程中可能會(huì)有各種小錯(cuò)誤，而這就有一個(gè)自動(dòng)糾錯(cuò)的問(wèn)題……等等等等。

我就想，為什么說(shuō)信息行業(yè)是個(gè)創(chuàng)新行業(yè)呢？因?yàn)榈谝?，這里面的想法太密集，有太多可以改進(jìn)之處；第二，改進(jìn)的方向相當(dāng)明確。這就是說(shuō)每個(gè)參與者都知道自己能干什么……在其他領(lǐng)域，可沒(méi)有這么好的事情。

＊

從計(jì)算機(jī)思維的角度來(lái)說(shuō)，這一講的核心教訓(xùn)是你必須考慮硬件。永遠(yuǎn)都別忘了計(jì)算機(jī)是個(gè)機(jī)器，而機(jī)器有數(shù)學(xué)算法之外的、自己的特點(diǎn)和脾氣。比如說(shuō)，

x = 3

這個(gè)語(yǔ)句，在數(shù)學(xué)上的意思無(wú)非就是變量 x 的值是 3，是一個(gè)事實(shí)陳述。但是對(duì)編程來(lái)說(shuō)，這不是一個(gè)陳述，而是一個(gè)動(dòng)作：是把用 x 標(biāo)記的那一段內(nèi)存位置，賦值為 3。

機(jī)器不理解你要說(shuō)的事實(shí)，機(jī)器只會(huì)按你的指令做各種動(dòng)作。我們?cè)诰幊痰臅r(shí)候要 debug，要想辦法控制內(nèi)存，要提升計(jì)算性能，就必須考慮硬件自身的特點(diǎn)。

今天我們用的一切計(jì)算機(jī)，包括手機(jī)、汽車(chē)、凡是通用計(jì)算機(jī)，就都是馮·諾依曼架構(gòu)。當(dāng)然馮·諾依曼架構(gòu)不是唯一的可能性。現(xiàn)在人們正在研究新的架構(gòu)，比如量子計(jì)算機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī) —— 那些東西有自身的編程特點(diǎn)。

不過(guò)在我看來(lái)，巴貝奇要是看到今天的計(jì)算機(jī)，是不會(huì)感到特別驚奇的。