智能简史-第7章

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可逆计算

　　上述的关于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。它们将会是三维（3D）电路。但是今天的电路都是二维的，印制在硅芯片的表面上。为什么是这样的呢？为什么现代电子学不利用三维电路所具有的更大的存储能力呢？

　　答案和热量产生的问题有关，下面的几段将会解释。

　　在过去的几十年里，理论物理学家一直在自问有关计算物理学极限的一些基本问题。这个物理的分支被称为“计算物理学”（phys…p或　physics　of　putation）。一个在物理计算学中被问到的问题就是：“进行一个基本的计算步骤所消耗的最低能量是多少？”

　　如果你把手放在你的PC上，或者你把你的笔记本放在自己的大腿上，就像我现在打字所做的一样，你将意识到你的计算机在产生热量。计算将不可避免地产生热量，是这样的吗？

　　在20世纪60年代，一名叫兰道俄（Landauer）的研究者发现，在计算机里产生热量的是“重新设置”内存寄存器（一个寄存器是一个存储0或1的线形存储链）的过程，也就是清除它们的内容并且重置为0。他发现当信息被“清除”或者“消灭”时产生了热量。

　　更技术性一点，清除寄存器内容意味着增加它的次序，让它少些随机性。在物理学中，“熵”（entropy，中文发音同“商”）的概念是用来测量一个物理系统的混乱程度的。举个例子，冰比水的熵要小，因为它多些次序，少些混乱。

　　一个称为“热力学第二定律”的基本物理定律声称，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。所以如果一个寄存器的内容被清除，它的熵，它的混乱程度将减少，那么既然综合是不会减少的，多余的熵跑到哪儿去了呢？答案是以一种热的形式散发到计算部件的周围环境中。

　　现在的计算机产生热量，是因为我们一直使用热力学的非可逆过程（也就是说，我们在一段时间后是不能逆转影响的）。每当我们消除信息或清除比特的时候就产生热量。兰道俄认为这是不可逆转的，因为当他观察那个时代的计算机是怎样运行的时候，发现它们都充满了“与门”（AND　gate）和类似的电路。

　　“与门”是电子线路中的一个基本成分，拥有两个输入信号线（A和B）和一个输出线。如果两个输入线都被设置为高电压（也就是说，这些线上有1），那么输出线将变成一个“1”，也就是说，如果输入线A和输入线B都设置为“1”，那么输出线将会是“1”。其他任何情况（也就是，A=0，B＝0；A＝0，B=　1；A=1，B=0）输出线称为“0”。

　　既然在“与门”中有两个输入线包含总共两个比特的信息，并且只有一个输出线包含1比特信息，　“与门”有必要消除信息。（如果你被告知系统处于两个可能状态的一个状态，你被给予了1比特的信息。例如，考虑一下这个问题，“日本人在路的哪一边开车？”当你被告知“在左边”后，你被给予了1比特的信息。）

　　每次两个比特通过“与门”，只有一个比特被输出。“与门”是不可逆转的，也就是说，你不是总能通过输出的来推断输入的是什么。举个例子，如果输出是1，那么你知道两个输入都是1，但是如果输出是0，你就不知道输入是否是（0，　0）、还是（0，1），或者是（1，0）。一个门电路如果需要是可逆的（也就是说，你可以从输出推断输入的是什么，反之亦然），常理就是输入线和输出线是相同数目的。

　　人们开始梦想拥有相同数目的输入线和输出线的可逆基本电路（或“门”，一个“门”是一个基本的进行一些基本操作的电路，比如与门、或门、非门，等等）。一个这样的有名门电路就是拥有3个输入和3个输出的“Fredkin门”。Fredkin门是可逆的，所以没有任何比特的信息被消除。它也是“计算通用的”，也就是说通过把Fredkin门的输出连接到其他Fredkin门的输入端，更大的这些门电路就形成了，可以进行计算机需要执行的任何功能计算。

　　既然计算机的个体门电路可逆，那么计算机本身也可以被做成可逆的。换句话说，人们能够从计算机左端输入初始比特串，并且这些可以被计算机内的Fredkin门处理。作为结果的输出（答案）将从计算机右端的门电路输出。

　　你可以复制一份结果（这可能会产生一点热量），然后把结果从右端到左端送入计算机。因为计算机的所有门都是可逆的，你将会得到你从左端开始的输入。你进行了一个可逆计算。没有任何比特丢失，因此没有产生任何热量。然而，你得到了你想要的结果，因为你在计算过程中制造了一份拷贝，也就是说，在你“倒转”处理的方向之前进行了拷贝。

　　可逆计算可能会花费相当于传统计算两倍的计算时间，因为你必须把结果从同样的电路送回（或者是相同的拷贝），但是至少没有任何热量产生。

　　这样的显著意义是什么？为什么我要花费这么长的时间和精力来解释这样的事物？因为我认为20世纪70年代对于可逆的且无热量的计算理论的发现是本世纪最伟大的科学发现之一，并且和本书的主要思想有密切关系。

　　因为这是一个非常“强烈”的声明，所以估计将会被很多人怀疑，特别是我的一些同事，先让我说明为什么我有这样的观点。

　　一些年以前，一些物理计算学家一直在思考：“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？”答案是令人惊讶的。

　　如此高度密集的电路不但会因为热量而熔化，甚至会发生爆炸。很明显，分子级别的电路即使会被制造，也必须放弃传统的不可逆的计算形式，而开始使用新的可逆形式。

　　直到最近，研究者们才开始认真思考可逆计算机的设计。
笔记本电脑和掌上电脑行业对可逆计算很感兴趣，因为这可以帮助他们解决“电池寿命”的问题。

　　如果他们的计算机可以使用更具可逆性的电路，那么消耗的电池能量将更少，因为它们消费的热量更少。因此，电池将消耗得更慢，寿命将会更长。消费者将更乐意去购买电池寿命更长的笔记本电脑。比如，如果只需一个笔记本电脑电池就可以维持整个跨越大西洋的飞行旅程的话，岂不是一件非常美妙的事情？

　　所以，可逆计算的出现势在必行。当摩尔定律继续有效时，无疑增加了计算机设计者使用可逆计算模式的压力。这只是个时间问题。

　　但是，如果我们开始认真接受无热计算的概念，我们可以开始尝试一些革命性的想法。例如，为什么当代的电路是二维的？为什么我们谈论二维的硅“芯片”（也就是层片），而不是三维的“块”？这都是因为热量。如果我们用当代的电路元器件密集程度来制造三维的硅块，将会产生如此多的热量以至于芯块会熔化。还有，当它们被制造好后，我们应怎样去设计和调试它们？我们还没有这样的技术来做这些事情。我们甚至不会考虑试着去制造三维电路，因为我们知道只要热产生问题不解决，一切都将只是徒劳。

　　但是，只要拥有可逆的无热电路，我们就可以从容地制造大型的三维电路，理论上说，没有任何尺寸上的限制。我们可以制造出1立方厘米、1立方米尺寸的电路，或者一个房间那样大小，或一幢房子、一座建筑物、一座城市，甚至一个几万公里直径的小行星那样大。（小行星是绕太阳公转、公转半径在
火星和木星之间的、充满岩石和金属的大圆石。在“小行星带”中有成千上万个非常巨大的小行星。）

　　在理论上，我们可以制造像月亮或行星一样大小的计算机，但是事实会证明，引力作用将是个问题。

　　现在你可能在怀疑，为什么我认为可逆计算是如此极端的重要。请你问自己一个问题，例如，一个小行星可以存储多少比特的信息。答案是大概1040个，也就是“1”后面跟40个零，一万个亿万亿万亿万个原子，也就是比特。


　　同时也请问你，我们自己的大脑有多少个大脑细胞（神经元）。答案是1011这个级别，也就是一万亿。如果我们在一台计算机上用一万亿比特（这可能太过了）来准确地模拟一个生物神经元的功能，对于一个小行星大小的计算机，则相当于1017（17　=　40–11–12，也就是十万个万亿）个等价的人类大脑。

　　我建议你真正地研究一下这些数据。对于我来说，它们是很真实的数字。这些数字意味着，或早或迟，人类将能够制造拥有巨大计算能力的计算机，使人类大脑水平黯然失色。因此，在人类选择是否充分利用这样巨大的计算潜能之前，这些都只是个时间问题。

　　让我再来描述一下一个小行星大小的计算机是如何非凡，并且它可以做些什么。首先，它可以比我们的大脑“思考”快百万倍。我们脑壳里的神经元以每秒几百米的速度相互通信，一个计算机或一个人工智能机器里的电子通信速度将会比人脑快一百万倍，也就是接近每秒300　000公里的光速。

　　即使这些人工智能机器和人类的智慧级别一样，它们也能用几秒的时间来完成我们需要几年才能完成的事情。攻读一个博士学位将不需要4年的时间，人工智能机器只需要4×50×5×8×60×60/　1　000　000　＝　30秒。但人工智能机器的能力不仅仅是相当于一个人类大脑，而是相当于几亿亿个人类大脑。所以，如果它完全发挥它的大脑思维能力，那么它只需要微微秒甚至更少的时间就可以完成我们用4年时间才能完成的事情（一个微微秒是百亿分之一秒）。

　　人工智能机器的思考是如此的迅速以至于人类的思维节奏对于它们来说就像人类试着和岩石来交流一样。过了几百万年，岩石改变了形状，这可以解释为传递了信息，但是人类没有这样的耐心（同样人类的寿命也不允许）来等待。

　　宇宙主义者提出了一个事实，那就是高级的人工智能机器将会对于人类冰山般缓慢的思维速度感到厌烦，并且会忽视我们。因为在我们说出一个单词的时间内，它们可以写出整部人类历史。

　　但是人工智能不必局限在人类智慧层次上。做出这样的一个声明不是一件困难的事情，那就是当我们发现让一个人脑相比另一个人脑有更聪明的神经生物结构和功能，我们应该能够推断人类智能水平的趋势。将来的某个时刻，我们应该能够通过观察普通人的大脑和爱因斯坦的大脑来发现和高智慧相关联的神经生理学上的特征。

　　我们可以用一个曲线图来描述，纵坐标表示IQ（智能），横坐标表示和高智商相关的神经生理特征（也就是说，一个大脑特定区域内每个神经元的联系数目），然后延展这个趋势。当我们明白更多的关于人类大脑是怎样工作并懂得是什么让人类比其他动物聪明的时候，我们就可以看到“智慧理论”的发展。我们可能会很清楚，那就是通过简单增加人工大脑制造的某一个参数，我们就能够使人工大脑控制的那些
机器人的智慧表现水平更高。

　　所以，小行星大小的人工智能机器不必局限于产生人类级别智能的结构。由于拥有更多的结构成分，人工智能机器不仅可以思考得更迅速，而且在质量上也可以用更优越的方式进行思考。

　　它们巨大的表面积，将允许它们可以附加巨大数目的外部传感器，包括使用所有的电磁波，从伽马射线到无线电波。它们可以穿越小行星带进入深层空间和其他小行星般的人工智能机器进行通信。

　　这种使用纳米科技规则的小行星大小的人工智能机器可能是人类科技想象的逻辑极限（除非我们可以发明出称作“femtotech”费米科技的技术，我会在后面讨论）。

　　在小行星大小的人工智能机器制造之前，早期的版本肯定会更小，更多的是在人类这个级别上的。但即使在这样小的级别上，当我们讨论一个原子存储一个比特的时候，制造这样的计算机仍有很多技术困难。

纳米科技：分子级工程

　　这些都带来了对于“纳米科技”的需要，和我之前所说的“费米科技”不同。“纳米科技”是“纳米级科技”（nanometer　scale　technology）的缩写，也就是分子级工程。纳米科技在纳米级上制造东西，这是十亿分之一米的尺寸，大概和分子的尺寸差不多。“费米科技”是“费米级别科技”（femtometer　scale　technology）的缩写。一费米是千万亿分之一米，大概是原子核内的一个质子或一个中子的大小。费米科技将会是原子核甚至是夸克（Quarks）级别的工程。夸克是组成质子、中子和其他粒子的“基本粒子”。

　　第一个思考制造纳米级东西的人在20世纪50年代提出了他的想法。在20世纪90年代，他的想法被接受，并且每个月都在进步。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。

　　当人们开始想象利用分子级机器来制造事物的时候，这个领域听起来非常像科幻小说，然而可能性还是存在的。许多科学家相信，以现在这个领域的研究发展速度来看，这个领域在2020年将非常成熟了，这也基本上是根据摩尔定律一个原子存储一个比特的时间来预测的。

　　想象一下拥有成熟的纳米科技所能制造出来的奇异事物。想象一下把微小机器人送入人类血管中，它们被程序控制来探查癌症细胞。它们可以在体内到处旅行，发现癌症细胞，杀死它们，然后超过一定时间后自我毁灭并且清除于体外。一个类似的故事就是“不朽”机器人，它们可以修复衰老的细胞，并且让它们恢复到像小孩一样的状态。定期服用这样适当剂量的“青春源泉”机器人，人们会长生不老。

　　体内的每一个细胞都含有直接或间接地让细胞死亡的DNA程序。这个DNA程序是一种分子结构，是可以被一个分子级机器人、一个纳米设备重新编程的。因此，纳米科技让人类看到了永生的前景。如果那些发生了，我们将需要一个新的政治来决定谁来永生、谁死去和谁复制。

　　使纳米科技很受青睐的另一个想法就是，当人一死亡就将其头或身体冷冻，基于的假设就是在一个世纪后，修复对死亡脑的伤害，让他复活，在技术上是可能的。纳米机器，从理论上来说，可以进入死亡的组织中并且修复它们。

　　已经有数百人支付了让他们身体或脑袋无限制冷冻的费用。他们建立了一个基金，用利息来支付冷冻他们身体的机器和材料的费用。

　　分子级机器人（纳米级别机器人，或“nanots”）可以自我复制。它们可以自我复制并且以指数级增长，1，2，4，8，16，32，64，等等。经过大约20次这样的倍增，数字会变为几百万。如果能够发现一种方法让这些纳米机器人合作来制造人类级别的产品的话，那么传统的经济将会有革命性的变化。制造大量的纳米机器人将几乎不需要任何费用，然后它们可以去制造产品。产品的价格将基本上等同于原材料的价格。商品将变得令人惊讶的便宜，实际上几乎没有任何