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智能科学与技术,Email: 黄文清,什么是智能科学与技术？,以人工智能理论和方法为核心， 研究 如何用计算机去模拟、延伸和扩展人的智能； 如何设计和建造具有高智能水平的计算机应用系统； 如何设计和制造更聪明的计算机。,什么是智能科学与技术？,一个完整的智能行为周期为： 从机器感知，到知识表达； 从机器学习，到知识发现； 从搜索推理，到规划决策； 从智能交互，到机器行为，到人工生命等等。 这些构成了智能科学与技术学科特有的认识对象，奠定了智能科学的理论与技术，界定了智能科学与技术的学科范畴。,智能科学与技术与本专业的关系,智能科学与技术在一定程度上代表着信息技术的前沿。,本专业是由信息科学、计算机、电子等学科交叉渗透而形成。根据电子信息科学的应用背景，以智能信息科学与应用、计算机视觉及图像处理、光电信息处理与应用作为主要培养方向。以电子科学与技术、信息工程、计算机科学与技术为主干学科。培养能熟练使用计算机进行信息处理，具有基本的算法分析和设计能力以及较强的编程能力，掌握电子信息科学与技术的基本理论和基本知识，具有较强的分析、解决实际问题的能力和从事科研的能力，能进行电子学和信息科学等相关领域的教学、管理、科学研究、科技开发的复合型高级专门人才。,智能科学与技术与本专业的关系,相关课程： 电路分析理论、信号与系统、模拟电子线路基础、数字电路及系统设计、通信电路、程序设计、软件基础技术、微机原理与系统设计、数据结构、数据库概论、人工智能概论、智能信息处理、数字图像处理、模式识别、传感器技术等等。,国内相关学科专业发展现状,1998 年，教育部颁布的普通高等学校本科专业目录中与信息技术相关的本科专业有十多个，体现了本科专业设置密切结合信息产业发展需要的客观规律。 2002 年以前，尽管与智能科技相关的研究广泛渗透在上述学科专业中，但只有模式识别与智能系统这个二级学科出现了“智能”字样。除此之外，无论本科生、硕士 生、博士生培养的学科和专业名称上，都找不到“智能”的影子！,国内相关学科专业发展现状,2002 年后，已经有十所高校自主设置的带有“智能”字样的新专业获得了批准，如： 南京理工大学设置“ 智能机械与仿生学” 哈尔滨工业大学设置了“ 人工智能与信息处理 ” 上海交通大学设置了“ 智能信息处理 ” 中国科学技术大学设置了“ 商务智能 ” 带有“智能“字样的研究生专业，从 1 个发展为 11 个 智能科学与技术的学科建设在多个学科领域已经形成了自发的、强劲的发展势头。,世界人工大脑之父雨果德加里斯,被比作人工智能研究领域的斯蒂芬霍金。 世界上仅有的四个制作人脑的机器均源自他手。他因研发成功第一台制作人脑的机器CBM（Cam Brain Machine）进入吉尼斯纪录。 在世界上开创了“可进化硬件”的研究领域，是“进化硬件和进化工程学” 的奠基人。 这些都是人工大脑领域的启动技术。,可进化硬件（Evolvable Hardware，EHW）研究将进化计算技术应用于系统（特别是电子系统）内部结构的设计、调理、实时自适应等方面，以实现复杂电路的自动化设计和显著提高电子系统的自适应和容错能力。,雨果德加里斯认为,对于21世纪科技所产生的“高智机器”的潜在能力，我比大多数人看得更清楚。 所谓“高智”，是指比人类大脑智慧不止2倍或者10倍，而是万亿个万亿倍的人工大脑。 21世纪科技智能机器将达到并且大规模超越不借助外力的人类智慧；通过和这些机器的结合，人类才能提高自身。,使人工智能成为可能的关键技术,摩尔定律 可逆计算 纳米科技：分子级工程 人工胚胎形成学 进化工程学 自我装配,什么是摩尔定律？,1965年，英特尔微处理器制造公司创始人之一戈登摩尔提出。 现代历史上，“摩尔定律”一直是一个伟大的科技经济趋势。 描述并解释集成电路或者芯片的运算能力，例如，电子元件密度、电子信号处理速度等等，每年都成两倍增加。 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10亿； 乘40次，得到万亿 过去40年，摩尔定律一直有效，以至于倍数增加得到的数字非常巨大,摩尔定律的实现,摩尔定律是芯片上电路尺寸不断缩小的结果，以至于电子在电子元件（例如两个晶体管）间传递的距离被缩短了。 根据爱因斯坦的理论，物体可以移动的最快速度是光速(大概300000千米/秒)，这也是电流必须遵守的自然常量。 如果两个电子元件间的距离被缩短了，它们之间电子信号的传递距离也将缩短，因此，通过这个距离所需 要的时间就会更少（以恒定的光速）。,摩尔定律与海量存储,如果摩尔定律一直有效到2020年，海量内存芯片上电路尺寸可能允许在一个原子上面存储一个比特的信息。,一个像苹果这么大的存储器可以存储多少比特)呢？ 万亿万亿个原子(比特) 1后面跟24 个零。,经典计算机为何经典？,第一台电子计算机ENIAC（60年前） 每秒完成5000次运算 重达30吨，占地1千平方英尺 使用1万8千个真空电子管总长达800公里的电线 笔记本电脑 每秒能够做20亿次运算的P4CPU,计算机结构相同：处理一串由0和1组成的符号串,经典物理与量子物理,设计计算机的一个基本前提：找到一个合适的物理系统，使得它的不同状态可以用来表示不同的信息。 硅晶片上的加工尺度已达到0.1微米量级，再往细微的方向走，经典物理会逐渐失效。 所有为表示0和1而应用的物理现象都属于经典物理 微观世界量子物理 最简单的量子物理系统，除了能表达0和1两种状态外，还能够同时表达0或者1，只是表达0具有一定的概率，而表达1则具有相应的概率，这两个概率和为1。,量子计算机,系统不同状态之间的变换，可以并列存在多个途径，使系统可以在多条路径上并行处理多个计算。 计算机的计算能力获得了指数性的增强。,量子计算的发展,AT&T贝尔实验室的计算机科学家皮特休尔，最早实际地揭示出量子计算的威力。 1994年，设计了第一个适合于量子计算机使用的算法，专门用来对大数进行因子分解。 对经典计算机，大数的因子分解绝对是一个不可能任务。 现代计算机的加密算法，包括银行密码系统，都是基于论断：一个大数无法被人在有生之年分解为一些素数之积。,量子计算的发展,里程碑式的实验：1998年，在美国MIT和拉斯阿莫斯国家实验室的以拉夫雷门为首的一组科学家，运用液态核磁共振（NMR） 实现了量子计算。 解决了量子计算的重大问题：如何在读出计算结果的同时，不销毁系统其他的状态信息。,产生“高智能机器”的基础,两种思想： 雨果德加里斯认为：大规模存储能力和惊人的运算能力就足以产生高智能机器， 以黑洞理论闻名的罗杰彭罗斯爵士及他的主要竞争对手英国宇宙学家斯蒂芬霍金认为：要产生智能机器需要的远不止是大规模的计算能力。 彭罗斯声称：意识也是必要的，并且认为需要新的物理知识来理解自然中意识如何产生，并借此来创造机器人工意识。,可逆计算,可逆计算的提出3D/2D电路,三维(3D)电路 在小体积内存储万亿万亿个电子元器件的想法包含一个假设，就是这个体积里包含的电路将分布于那个空间。 二维电路 印制在硅芯片的表面上。,问题： 热量？,计算物理学(phys-comp或 physics of computation,可逆计算的提出计算与热量,一个在物理计算学中被问到的问题： 进行一个基本的计算步骤所消耗的最低能量是多少？ 20世纪60年代，兰道俄（Landauer）发现，在计算机里产生热量的是“重新设置”内存寄存器的过程，当信息被“清除”或者“消灭”时产生了热量。 “熵”（entropy）：测量一个物理系统的混乱程度； “热力学第二定律”的基本物理定律：在封闭系统(一个能量不会传送出去或进来的系统)中熵值不会减少。,可逆计算的提出计算与热量,与 门,A,B,C,“与门”是不可逆转的：不能总是通过输出来推断输入的是什么,可逆计算的提出计算与热量,“如果摩尔定律一直扩展到分子级别，如果人们还继续采用传统的非可逆的、清除比特的信息处理技术，分子级别电路将会产生多少热量呢？”,可逆基本电路3个输入和3个输出的“Fredkin门”,可逆计算与人工智能,1040比特信息,1011个神经元,纳米科技,“纳米科技”是“纳米级科技”(nanometer scale technology)的缩写，也就是分子级工程。 20世纪50年代提出。 核心的想法是： 原子可以被放置在特定的位置来制造分子级别的机器，也就是说，微型分子级机器人选择原子并且把它们放置在合适的位置来制造分子级机构。,纳米科技与科幻小说,“不朽”机器人 死亡脑复活 机器人自我复制 建筑材料性能的改变 ,大自然中的纳米科技胚胎学,进化形成了一个生长机制，它使用一个线性的一维的化学命令编码串（通常称为DNA）并且翻译成三维的有生命的机能生物。 研究这个纳米级别工程的奇迹被称为“胚胎形成学”或者“进化”。,人工胚胎形成学与胚胎形成制造,人工胚胎形成学 致力于模仿自然界的胚胎形成过程，从一个单受精卵细胞来培育恐龙或昆虫。 胚胎形成制造 embryofacture，embryological manufacture的缩写形式 利用人工胚胎形成学技术来从纳米级别制造人类级别的产品,进化工程学,达尔文“适者生存”的策略 胚胎形成制造的一个进化工程解决方法可能是这样的： 一开始产生亿万个随机的分子级“人工DNA”串，每一个都可以被转译为块状的三维分子结构。 然后预先设计好的分子级纳米机器人进入块状物内，测量其想得到的微产品的形状和功能的相似程度。 那些得到更高分值的块状物将会使其相应的人工DNA生存下 来，并且在下一代有更多的复制品(孩子)。,自我装配,进化出单个组成部分是不够的。这些组成部分需要在形状上互补，以便于它们可以“自我装配”，也就是像七巧板块那样组成一个更大的功能整体。 这样的方式会形成病毒。DNA的一部分为病毒成分建造编码。当它们一建成，它们相互组合形成一个完整的病毒。 组成部分需要有如锁和钥匙般的互补。它们需要有自我装配的能力，简单地通过相互碰撞(就在分子级别中经常发生的混乱和高速运动)来实现。,综合所有的技术,人工智能机器包含1040个原子或比特的信息，无热量的、可逆的、三维的计算机电路，比人类思考至少快百万倍(并且可能快得多)。它将在其表面附加大量的 感应器，拥有巨大的存储能力；还有应用纳米科技的分子级工程，如“不朽”机器人，批量复制的纳米机器人给经济带来的影响；人工胚胎形成学、进化工程学、自我装配等。但是远不止这些。,疑虑与思考：,雨果德加里斯认为： 人工智能机器在21世纪将成为主导问题 具体指人类是否应该制造比人类智能高出万亿个万亿倍的人工智能机器。 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,核弹与人工智能,1933年，新西兰物理学家卢瑟福爵士 原子核发现者 匈牙利裔犹太物理学家利奥西拉特 世界上第一个想到核链式反应的人 第一个害怕希特勒首先“拥有核弹”的人 从最早产生核链式反应的想法到广岛大爆炸只有短短12年。 人工大脑机器人和相应领域的崛起，是不可阻挡的。