王怀民院士:图灵较量争论模型仍是最深刻的理论基础,是新科学基础的基点

下文为国防科大王怀民院士在第 24 届全国高校较量争论机学科系主任 / 院长论坛上的主旨报告《人机物交融智能化时期,较量争论机学科专业革新人才培养》。机器之心做了不改变原意的整理。

在较量争论无处不在的当下,较量争论机学科专业却大有泯然众生之态。新时期的较量争论机学科专业革新人才该如何培养?

王怀民院士以 120 年的时间跨度回顾较量争论机学科专业的发源和成长历程,不同的历史阶段有着不同的成长模式,在时期的激流中什么改变了,什么是不变的?较量争论机科学和技巧的成长具有国家战略意义,在人机物交融的新时期,如何理解从而实现科技革新?

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王怀民院士

王怀民,分布较量争论领域专家。中国较量争论机学会会士。2019 年当选中国科学院院士。长期从事面向网络的分布较量争论研究,在分布较量争论模型、技巧与平台方面取得体系性和发明性成果,为我国分布较量争论核心关键技巧自主革新、为国家和军队网络信息体系建设和成长做出了突出贡献。曾获国家科技进步特等奖 1 项、二等奖 2 项,国家技巧发明二等奖 1 项,国家教学成果二等奖 2 项。

人机物交融智能化时期

较量争论机学科专业革新人才培养

1、矛盾成绩:渗透性 VS 存在感

较量争论机教训经常谈及的一个矛盾,就是较量争论机技巧的渗透性和较量争论机学科专业的存在感的成绩。

1991 年,前 Xerox PARC 首席科学家 Mark Weiser 在《科学美国人》杂志上提出了泛在较量争论(Ubiquitous Computing)的概念。他认为最深刻的技巧是那些似乎从人们视野中消失的技巧,这些技巧被编织进日常生活中,使人们用而不觉。

实际上,我们明天已经处于这样一种人机物交融的智能化新时期当中,较量争论无处不在,软件定义一切,网络承载文明,人机物交融的智能化基础设施已经成为现代社会基础设施的重要组成部分。我们切身感受到了泛在较量争论的现实存在。

但同时,在新的时期,较量争论机教训如何成长,我们又面临一种存在感的困惑。

30 年前,较量争论机科学技巧学科由三个二级学科构成,这在很大程度上是因为学科成长内涵和学问体系的不断丰富,使得在四年本科教训以及之后的研究生教训当中,必要更多的专业化、专门化。

图片如果把较量争论机科学与技巧学科比作一只老母鸡,那么在历史进程中,我们看到的是老母鸡生下了若干个鸡蛋,然后孵出了一群小鸡。随着较量争论机学科专业向着泛在形态成长,期间打消了若干个和较量争论机学科专业平行或脱胎于较量争论机科学与技巧学科,比如软件工程、集成电路、网络空间安全等,乃至于如今越来越多的岗位必要人工智能、大数据、物联网等专业的专门人才。因此,社会的成长以及较量争论机学科专业自身学科建设的要求,不仅必要我们在有限的时间内通过专业化的人才培养来产出人才,还必要通过学科和专业体系的独立成长,使其在大学办学流程中,能够成为有效承载使命任务的资源分配单位。学科也好,专业也好,已经不简单是学问体系的成绩,或专业岗位人才培养的成绩,还是大学进行资源配置的基本单位。在大学办学流程中,一个独立的学科,在教授名额上,在教授评价分配指标上,在人才引进指标上,乃至于在招生分配指标上,都是一个独立的单位。有了学科,就可以承载资源分配的任务,才能够去实现培养社会所必要的人才的任务。更进一步,在大学教训流程中,还必要一套行政体系来有效支持学科专业培养的资源配置,于是又成长出了较量争论机学院、软件学院、网络空间安全学院、集成电路学院、人工智能学院。这种成长趋势是符合国家战略和对人才这样一种第一资源的需求的,大学也应该积极响应并施行相应的举措。但我们还是难免会有一些失落,最后在这样一个鸡圈当中,我们已经分不清最初的老母鸡是哪一只了,较量争论机学科专业作为其中的一员,出现了一种存在感的失落,这是我们面临的现实成绩。2、从何而来:学问发明 VS 技巧革新那么,人才培养大的格局从何而来?我想从科技革新的视角,即学问发明和技巧革新相互作用的视角,进行一个长周期的复盘。较量争论机学科专业孕育、生长、成长图谱可以从长达 120 年的周期来看。其中,前 60 年较量争论机学科专业的发育成长是学问发明驱动型的成长模式,它的重要的特征是以学科学问体系构建为重点,而后 60 年则是以技巧革新为主导的推动力。图片1900 年,数理学科发生了两件重要的事情,一个是希尔伯特在当年的巴黎国际数学家代表大会上提出了 23 个重要的数学成绩,另一个是物理学家开尔文宣布「物理学的科学大厦已经基本形成,但仍有两朵乌云」。在数学这个分支里,简单说,希尔伯特相信数学是可以完备化和机械化的,由此成长出了元数学,在这种思想观念的革命中,打消了颠覆性的哥德尔不完全定理和图灵不可判定成绩的回答,由此「无意中」打消了图灵可较量争论理论。而物理分支则在解释「两朵乌云」的流程中,打消了相对论和量子力学,尤其推动了微电子学与固体电子学的新成长,特别是与图灵模型的结合,使得可编程通用电子较量争论机成为可能。于是,在这样一种典型的学问发明驱动成长模式下,在数学和理论物理的深邃思考当中,打消了明天我们所知的较量争论机科学与技巧学科。然而,从上世纪 60 年代开始,较量争论机学科专业成长增加了一个新引擎——技巧革新,学问发明与技巧革新双引擎驱动成为主要的成长形态。伴随着集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路的打消,以及程序设计理论与软件开发方法的进步,较量争论机进入到社会、商业领域,也进入到了千家万户。同时,市场和企业的力量,对于较量争论机学科专业成长也打消了巨大作用。也是在这一流程中,我们这一学科的渗透性得以体现。之后,互联网、移动互联网、云较量争论、大数据乃至于社会网络和人工智能等一系列技巧的成长,既是较量争论机学科专业向生产、生活和社会各领域更进一步渗透的体现,同时也让我们看到既有学科体系的基础理论已经 hold 不住新技巧的成长。明天,我们已经进入一个由信息空间、人类空间以及物理空间相互交融的智能化时期。在 120 年的历史进程中,我们看到这样一个成长规律,一方面是数理科学的深邃的原始理论革新所积累起来的较量争论机科学技巧延续成长的巨大的内在原动力,推动了较量争论机学科专业的成长。同时,技巧革新释放了较量争论机科学内在的科学或者说积累起来的学问对社会生产力的影响。在过去二三十年,跨界组合的颠覆性革新,成为推动较量争论机学科专业成长的外在动力,开放共享的群体交融革新,成为较量争论机技巧延续成长的一个鲜明的时期特征。从教训视角看,便出现了两种形态的教训:一种可以称之为学科学问体系导向的教训,通常表现为研究型大学的教训风格;还有一种是专业技巧职业导向的教训,可以称之为应用型大学或职业型大学的技能型教训模式。图片其中,研究型大学更加注重由学问体系所形成的学科开展人才培养。为什么会这样,我的一个结论是,研究型大学要应对未来,而给学生以基础性的学问体系的构建,是应对不确定未来的一个有效方法。而对于职业型大学、专业技巧型大学,则侧重对特殊工具和对特殊工具的有效使用技能的培养,比如说新媒体技巧、电影特效制作技巧,这是社会对于较量争论机领域技能型专业人才的现实需求,因此大学教训必须响应,设立这些专业无可厚非。在这个进程中,我们看到过去 60 年特别是近 30 年由技巧革新驱动的成长,给较量争论机学科专业的成长、社会的成长,以及较量争论机学科专业对社会成长的影响,打消了极其深刻的影响。所以,我们常说的较量争论机学科专业成长对社会打消的深刻影响,实际上是由技巧革新驱动所带来的深刻影响。数字化或者说信息化的三次浪潮,本质上是一种延续性革新与颠覆性革新交替作用的产业成长的历史进程。图片这一进程遭遇过几次天花板,比如上世纪 90 年代中后期,个人较量争论机的市场规模出现了天花板。这个天花板是如何突破的呢?是互联网打消以后,使得较量争论机由企业和重要机构得到广泛应用,并进而向家庭和个人普及。过去 5 年,互联网成长似乎也出现了瓶颈期,中国的网民人数已经超过 10 亿,似乎我们又遇到了一个天花板,表现为互联网产业成长的市场空间的天花板。如今,这个天花板又被机器学习、人工智能突破。因此,一个技巧出现后,通过延续性的革新,市场空间不断拓展和扩大,从而向社会渗透,在市场空间达到一定的饱和或者说遭遇一个瓶颈后,又一个技巧的革新,再次拓展了市场,突破这个天花板。这一流程对较量争论机学科专业打消了极其深刻的影响,我们也感受了明显的变化。但在这个变化之中,有什么是不变的呢?3、变与不变:坚守经典 VS 超越经典变与不变的核心,是关于坚守经典和超越经典的成绩。相对于明天的变化,120 年来不变的是,图灵较量争论模型仍然是推动人机物交融智能时期的那个不变的强大模型。图灵提出图灵机,是为了间接挑战希尔伯特关于数学体系是完备而且数学定理是可以机械证明的这个乐观预言,他定义了一个思想实验,即用图灵机模型这个可操作、可机械履行的数学体系,证明在这个数学体系中有不可判定成绩,也即图灵机停机成绩。我们进一步认识到,一个较量争论能力足够强大(即包括自然数算术运算)的较量争论模型的非平凡性质对于该较量争论模型是不可判定的。既有能力足够强大的较量争论模型的较量争论能力都等价于图灵机。所有能力足够强大的较量争论模型的较量争论效率都在多项式复杂性意义上等价。可以说图灵机是一个意外的收获,其能力如此强大,似乎触达了人类智能确定性较量争论的极限,在明天仍然有深刻的意义。图片这是一种世界观的改变。希尔伯特也好,开尔文也好,他们认为世界是一个确定性的机器。哥德尔、图灵则认为这个确定性的机械的世界观是有边界的,他们指出了这个边界,而这个边界本身是极有价值的。在这样一个新的世界观下,人类可以把我们能够 「说清楚」 的东西进行编码,并由通用图灵机解释履行。后来微电子学与固体电子学的成长,让我们能够把这个思想实验变成可自动履行的物理装置,明天的冯 · 诺依曼体系结构的通用数字较量争论机就是通用图灵机的物化人工较量争论装置,并且我们可以让这个物理装置自动履行我们编写的那些已经想清楚的确定性流程,也就是算法。通用较量争论机的诞生使得人工智能研究成为现实,而实际运转的人工智能体系必须要有一个人工装置来模拟和履行人的智能,而这样的体系如今看来似乎都是图灵可较量争论的,以至于我们现在说让一个设备变得智能,实际上就是让这个设备具有通用较量争论的能力。过去我们把软件「固化」在一个物理设备上,明天我们发现,应该让这个固件具有通用较量争论的能力。实际上明天的操作体系是通用较量争论能力在体系软件上的一个呈现。图片还有一件事情没有改变,就是较量争论技巧由「专」到「通」的特殊成长路径。图灵模型是在解决特定数学成绩流程中无意打消的一个通用较量争论模型,最初的较量争论机是用来进行弹道较量争论的,但它竟然是通用的,乃至于后来个人较量争论机、互联网应用、大数据等等一系列通用平台都源自解决特定成绩的技巧,通用平台打消了渗透性。到了人机物交融的智能时期,我们必要构建通用的复杂智能软件的平台,进一步推进通用技巧的成长。如今越来越多的设备中嵌入了一种通用较量争论的能力,比如嵌入式较量争论机及其操作体系,我们还希望由「专」生成通用的,所谓的泛在操作体系。通用和专用的相互渗透性,在图灵较量争论模型的那种形态时就已经打下了基础,明天又可以具体化到特定领域,形成通专相继的渗透性的成长模式。图片明天我们呼唤泛在操作体系,不变的依然是存算一体的通用较量争论模型,这是较量争论机学科专业要教给学生的「不变」。当然,我们也要注意到这里面的「变」:感、通、控使得如今的体系和外部世界建立起了联系。过去较量争论体系只在编码空间里谈事情,而明天在这个体系当中必要有传感器感知外界,必要有通讯设备和主体之外的主体,包括人在内进行交流,还要控制对外部物理世界的干预,因此和外界的联系成为明天人机物交融智能化时期必要关注的「变」。这个变首先表现在较量争论机由「工具」变成了人类社会方方面面都依赖的「基础设施」。因此,较量争论机学科专业和人才培养也应该有一次新的世界观的改变。图片过去,经典算法是指有穷表达,有穷编码,有穷履行,它表达的是一个可较量争论函数,履行结果只和参数相关,履行流程不和外界有任何信息交流的算法。明天,我们看到的是延续表达,延续学习,延续履行,任何时候都可以打消结果,而这个结果在和外界交互流程中又被改变的履行流程。比如说今日头条,我们每次打开看到的都是不一样的结果,输入同样的关键词,搜索引擎每次给出的是不同的结果,因为这个体系和外界延续进行信息交流。更不用说延续学习体系,在与外界进行数据交换的流程中,获得越来越多人类行为空间和机器行为空间当中的新的数据,进一步训练模型,进而又会打消行为的变化。这种延续的履行流程,从一台机器的意义上讲,仍然是图灵机模型,图灵机模型是可以延续履行流程的。但重要的是,我们注意到一个可能超越经典图灵机模型的变化,是被我们长期忽略的。图片在 1939 年的博士论文中,图灵曾提出了一个「天启图灵机」的概念,当图灵机在履行流程中碰到一个状态,不知道该如何行动时,它可以寻求天启(Oracle)的帮助,Oracle 是一个智慧的「神」,具体是什么我们不知道,但至少图灵在当时就想到了机器可以借助外界的支持。明天,在人机物交融的智能化时期,人工构造的联网较量争论机体系中,每台通用的较量争论机总是在和外界进行联系。因此,我们看到了人机物交融的复杂智能体系,大量局部自治智能软件体系以多种形态混合呈现、关联耦合,形成人机协作、延续学习、成长演化的大规模生态体系。这个体系不仅包括信息体系,也和与该信息体系相互作用的社会体系和物理体系密切相关。尤其是体系要素之间的耦合交互关系、动态变化,日趋复杂。整个体系的行为难以通过各自治软件体系特征的简单叠加加以刻画。我们还缺乏有效理论解释人机物交融智能化时期的体系生态的基本规律。但是,技巧革新驱动已经生动展现在我们面前,我们一边享受着它的便利,也一边面对着它可能打消的对人类社会的侵害,而我们现在对这种可能性一无所知或者知之甚少,这就是我们明天面临的「变」。图片较量争论机学科专业成长到明天,我们应该注意到其成长驱动力的转换,也即从学问驱动的学科成长模式,转换为技巧革新驱动的历史进程。明天,我们已经在发明人机物交融的智能化的社会,一系列的现实成绩必要解决。为了应对挑战,我们必要全面理解科技革新。4、应对挑战:全面理解科技革新当年朗讯在设计 logo 的时候,试图诠释其对学问发明和技巧革新及其关系的理解:学问发明是科学发现和基于科学发现开展的技巧发明的革新活动;技巧革新则是把科学发现和技巧发明转化为现实生产力的一系列的制度设计及其实践活动。图片我们明天看到的历史进程,已经不是一个简单的从学问发明到技巧革新的顺序流程,也不是简单的叠加流程,而是一个相互作用的延续流程,在这个相互作用的流程中,会打消若干新的科学成绩。明天的科技革新,不能简单理解为学问发明和技巧发明的叠加,而是一个相互作用的延续流程。学问发明再多,如果没有技巧革新加持,学问发明效益就难以得到体现,而一旦技巧革新有效机制和新学问发明作用在一起,就会打消倍增效应。同时,技巧革新走到明天,当我们对于人机物交融新时期的认知没有新的科学升级的时候,也就是这个领域的学问发明为 0 的时候,技巧革新的危险性也会影响到科技革新的真正作用。图片我们在学科和专业建设的时候,在人才培养的时候,研究型大学在注重未来发明性和原创性学问解释流程中,也要重视这个时期技巧革新带来的新成绩。专业型大学或者是职业型大学,也必要关注新学问发明的趋势和新学问点打消的可能性。同时,在学科建设的时候,像我刚才举的一窝鸡蛋、大鸡带小鸡,到最后到一群鸡的例子,我们要把握界内和界外,把世界观打开,比如较量争论机学科在学习机器学习课程的时候,是不是应该学习一点信号处理学问;在讲数字控制器的时候,是不是要学习一点控制理论;在微电子走到尽头的时候是不是要学习量子信息;我们在形成技能的时候,不仅是较量争论机技能,对于社会学、管理学、经济学和传播学这样一些学问是不是也要有所涉及?当然,时间是对大学教训的一个不可逾越的约束条件。40 年前我们就学 8-10 门专业课走到明天,为什么现在的学生要学那么多门课,怎么平衡好这个课程与课时的矛盾,也引发我一些思考。未来的课堂授课应该聚焦基础理论性的课程,当然基础理论性的课程也有如何授课的成绩,例如我们能不能用 3 个小时、6 个小时、8 个小时,帮学生建立起对图灵较量争论模型的正确认知,而不是在课堂上推导图灵停机成绩不可判定的冗长证明。对于技能型的课程,例如程序设计,不可能用课堂授课的形式完成,必要给学生更多动手实际的机会,这样可以省出很多课题授课课时。而如何提高技巧革新的实践能力,我认为可能的答案是开源革新。图片最后总结一下,这个时期不变的东西是什么?我认为图灵较量争论模型仍然是最深刻的理论模型,较量争论机学科专业教训走到明天,这个模型仍然是我们认识变化的理论基点。图灵较量争论模型的思想是人机物交融智能化时期新科学基础基点,是基础,是起点,是参照物。理解变化必要基点,基点的基础要打好。同时,较量争论机学科专业的教训必要全面深刻地理解科技革新,它不仅仅是研究型大学里面所讲的学问发明,也不能仅仅偏废于专业型、职业型大学里面的技巧革新的含义,应该是相互作用的一个历史进程。新的时期,较量争论机学科专业革新人才的培养必要新的教训范式的支持。我就和大家谈这么多。请同志们批评指正。谢谢!

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