电子信息学科的历史演变

2019.09.20
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范特西

1816 年的夏日,日内瓦湖畔比往年更加潮湿难熬。连绵不绝的大雨,将前来旅游的珀西·雪莱与玛丽·雪莱夫妇困在了他们租住的小屋里。一同游湖的乔治·拜伦建议玛丽与他各写一篇鬼故事。于是,就在那个暴雨的夏日夜晚的熊熊炉火边,19 岁玛丽创作出《弗兰肯斯坦》。其时,第一次工业革命方兴未艾,与日内瓦湖畔平静原始的景象完全相反,英伦三岛、欧洲大陆,到处是蒸汽机的轰鸣声。随着这种被瓦特改进的动力机器的普及,人类开始前所未有地从繁重劳作中解放出来,现代文明的曙光就在眼前。

作为西方文学第一部科学幻想小说,描述了疯狂的人造人故事的《弗兰克斯坦》之所以能够在当时被创作出来,与工业革命期间科学技术的发展密不可分。当时的人们仍惊惧科学的巨大力量,由疯狂医生创造出人造人有着蒸汽朋克的气息,是一个恐怖的怪物。玛丽不会想到,在两百年后的今天,随着科技的发展,人类已经到了创造出真正的通用人工智能的前夜,而它也会像当年的蒸汽机一样带来极大的便利,足以改变人类的社会生活方方面面。从范特西(Fantasy)到实现,这两百年间的故事正是电子信息学科的历史演变。

机械计算机

玛丽创作出第一部科幻小说,巧合的是,埃达·拜伦,也就是引发玛丽创作的乔治·拜伦的女儿,被认为是世界上第一位程序员。1842 年,埃达在笔记中详细说明了使用分析机计算伯努利数的方法,这段笔记被认为是世界上第一个计算机程序。1980 年,美国国防部制作了一个名为 Ada 的编程语言,意在纪念这位计算机先驱。

埃达的程序是为查尔斯·巴贝奇的分析机写的。巴贝奇是当时英国的数学家,他设计了多种机械式通用计算机,包括分析机以及更早期的差分机。分析机的设计理念非常超前,它所使用的编程语言与现代的汇编语言类似,是一种图灵完备的语言。虽然生活在机械时代,但巴贝奇却构思出了完整的计算机结构,包括处理器、存储器、控制器、输入与输出装置这五个部分,而大约 100 年后的电子计算机所使用的冯·诺伊曼结构也正是分为这五个部分。但也许是因为过于复杂精密,这种机器并没有被真正地制造出来。所谓生不逢时,用来形容巴贝奇可谓十分贴切了。1985 年,伦敦科学博物馆花了 17 年的时间,才用巴贝奇当时的方式打造出一台完整的差分机。

除了分析机,当时还有多种机械计算机的设计方案,有些甚至真的被制作出来投入了使用,如科塔计算器等。但这些纯粹机械的设备存在着很多缺点,构造十分复杂但性能却不够高。不过,在十九世纪安培、法拉第等科学家的探索下,物理学电磁理论不断发展,最终由麦克斯韦总结出麦克斯韦方程,揭示了电与磁的关系。随后,电子论、量子论的研究突飞猛进,这是物理学的黄金时代。随着基础理论的进步,第二次工业革命已悄然开始,深刻改变世界的电子计算机即将诞生。

电子计算机与摩尔定律

“二战”时期,盟军与法西斯的战争异常激烈,双方都在不遗余力地发展新武器,希求战胜对方。导弹轨道计算、原子能研究、密码破译,这些都需要大量的运算,对计算机的需求越发强烈。阿塔纳索夫和贝瑞在 1941 年率先用电子真空管制造了第一台电子计算机ABC。随后,各种电子真空管计算机相继诞生,包括英国用于破译密码的 Colossus、美国用于计算弹道的 ENIAC,以及使用今天计算机通用的冯·诺伊曼结构的 EDSAC 等。电子计算机的诞生与发展是无数计算机先驱共同努力的结果,值得一提的还有提出“通用计算机”的图灵、推动冯·诺伊曼结构的冯·诺伊曼等科学家。随着计算机技术的发展,第三次工业革命也拉开了帷幕。

“二战”之后,电子计算机技术继续发展。随着晶体管与集成电路的发明,电子计算机的技术在不断更新换代,体型越来越小,运算速度越来越快。英特尔公司的戈登·摩尔提出:集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔两年便会增加一倍。后来两年又被修正为18个月。这正是著名的摩尔定律,它对半导体行业发展的观测。在整个二十世纪下半叶与二十一世纪初,半导体行业就是以这样惊人的速度发展着,并由此带动了一系列的科技创新、经济增长。英特尔公司不断推陈出新的CPU芯片与微软公司的Windows系统一起构成了那个时代个人计算机发展的主旋律。而计算机与通信技术的发展则催生了互联网这个把广袤的地球变成地球村的事物,人与人的联系变得前所未有的紧密。苹果公司发布iPhone以来,智能手机则再次重塑整个世界的面貌。个人计算机、互联网、智能手机,这些行业的进步都离不开半导体行业的指数增长。电子信息学科的发展历程以及它对人类社会进步产生的影响是如此波澜壮阔、振奋人心。

二十世纪信息领域还有一位不得不提的人物——克劳德·香农。1948 年香农发表论文《通信的数学理论》,这篇文章里他开创性地提出了信息熵和信道容量的概念。信息熵定量地衡量了信息的大小,同时为信息编码提供了理论上的最优值;而信道容量则确定了临界通信速率。可以说这篇文章开创了信息论这个至关重要的学科。而香农的贡献还远远不止于此,他还被认为是数字计算机理论和数字电路设计理论的创始人,对密码学、抽样分析理论也都有重要的贡献。如果说牛顿精确地定义了“运动”的含义,那香农就可以说精确地定义了“信息”这个曾经模糊的词的内涵。电子信息学科的进步正是由无数像香农这样的研究者所推动的。

人工智能

十八世纪以来,人类社会已经历三次工业革命,从蒸汽机,到电力和内燃机,再到电子计算机,每次工业革命都会极大地促进人类社会发展进步。即将到来的第四次工业革命,是属于人工智能的时代。从 1956 年达特茅斯会议上正式被确立研究领域到如今,在短短的六十多年里,人工智能技术已经得到了广泛的应用。现在,从学术界到工业界,从计算机视觉、语音技术再到自然语言处理,人工智能的研究可谓是处处开花。更令人欣喜的是,华人在人工智能领域作出的贡献越来越多,如李飞飞、吴恩达、何恺明、孙剑等,都有很多独创性的贡献。

人工智能的研究经历了多次低潮时期,近几年的飞速进展,得益于计算能力的提升与深度学习技术的应用。真正的通用人工智能,离我们还非常遥远,人脑的奥秘还需要我们好好探索。目前人工智能还停留在“识别”的阶段,如图像识别、语音识别,离真正的“理解”仍然很遥远。不过,相信道路是曲折的,但前途一定是光明的。

一个学科的历史不是短短的文字所能承载,所能做的也只是管中窥豹。从玛丽·雪莱的幻想,到机械计算机,到电子计算机,再到今日人工智能的发展,这两百年与人类历史相比很短暂,但随着电子信息学科的历史演变所产生的成果却是光彩夺目的。这个伟大学科的未来需要我们继续开创。