計(jì)算機(jī)在做些什么：建模、連接、交互利用
編者按：在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，每隔30年，就會(huì)卷起一場(chǎng)計(jì)算運(yùn)用新浪潮。上世紀(jì)50年代，人們?yōu)槲镔|(zhì)世界建模;80年代，人們?cè)O(shè)法利用計(jì)算機(jī)增強(qiáng)的彼此的聯(lián)系;在新世紀(jì)的2010年，計(jì)算應(yīng)用翻開(kāi)了與物質(zhì)世界交互利用的新篇章。未來(lái)的計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展將為我們帶來(lái)什么?它又需要什么樣的設(shè)備、方法和技術(shù)的支持?看圖靈獎(jiǎng)獲得者Butler Lampson對(duì)這些問(wèn)題的思考。
本文譯自Butler Lampson在紀(jì)念圖靈誕辰100周年大會(huì)的發(fā)言稿
“What Computers Do: Model, Connect, and Engage”
譯者：任艷
1950年左右，計(jì)算機(jī)最初用來(lái)對(duì)事物“建模”或者模擬事物。無(wú)論對(duì)象是核武器還是工資單，方法都是一樣：創(chuàng)建一個(gè)和目標(biāo)對(duì)象在某些重要方面相似的電腦系統(tǒng)，然后觀察這個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)對(duì)象的行為作出推斷。這樣做的核心概念是抽象：這里有一個(gè)理想的系統(tǒng)，常常由方程組來(lái)定義，它既像是目標(biāo)系統(tǒng)，又像電腦模型。建模取得了巨大的成功，現(xiàn)在它已經(jīng)用來(lái)理解，甚至常常用以控制物質(zhì)和概念上的系統(tǒng)，比如銀河系、蛋白質(zhì)、目錄清單、飛行中的飛機(jī)等系統(tǒng)，而且建模才剛剛開(kāi)始被利用。
模型可以很簡(jiǎn)單，也可以非常復(fù)雜，可能很粗糙，也可能要求非常詳細(xì)，所以就算非常小，它們也能夠配合可利用的硬件容量。和書(shū)信、電話還有面談相比，利用早期計(jì)算機(jī)來(lái)“聯(lián)系”人們，要么無(wú)法實(shí)現(xiàn)，要么費(fèi)用昂貴。但是在1980年左右，摩爾定律在數(shù)字硬件方面的進(jìn)步讓計(jì)算機(jī)變得經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可用于文字處理、電子郵件、移動(dòng)手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、搜索、音樂(lè)、社交網(wǎng)絡(luò)、電子圖書(shū)、視頻等領(lǐng)域。很多這樣的通訊都是實(shí)時(shí)的，但更多涉及到信息存儲(chǔ)，數(shù)量常常達(dá)到許多PB (petabyte)。
所以建模和連接都有些過(guò)時(shí)了——它們看似已經(jīng)沒(méi)有發(fā)展空間了。但其實(shí)并非如此。物質(zhì)世界和虛擬世界都極為復(fù)雜，我們現(xiàn)在有很大的契機(jī)做更精確的建模：化學(xué)反應(yīng)、機(jī)翼、紙尿褲、經(jīng)濟(jì)以及社交網(wǎng)絡(luò)都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未被充分理解。遠(yuǎn)程呈現(xiàn)仍然沒(méi)有面對(duì)面交談的效果好;口語(yǔ)的實(shí)時(shí)翻譯還比較粗糙;機(jī)器很難明白用戶真正想搜索的是什么……所以建模和連接仍然還有很多創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，特別是在教育領(lǐng)域，因?yàn)橛?jì)算機(jī)能為老師們提供功能強(qiáng)大的工具。
然而，我認(rèn)為，在未來(lái)的30年中，最激動(dòng)人心的計(jì)算應(yīng)用莫過(guò)于與物質(zhì)世界不尋常的交互利用了。換句話說(shuō)，計(jì)算機(jī)將會(huì)變得更形象具體。如今這一應(yīng)用還處于萌芽階段：人們遠(yuǎn)程操控的外科手術(shù)機(jī)器人和飛機(jī)、自動(dòng)吸塵器、車(chē)輛巡航控制、還有針對(duì)交通數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的基于手機(jī)的傳感器網(wǎng)絡(luò)等。幾年后，我們也許開(kāi)發(fā)出自動(dòng)駕駛的汽車(chē)、人工眼睛和耳朵、在家里和人體內(nèi)放置的健康傳感器、以及高效的自動(dòng)化私人助理等。我很難記住人們的名字和容貌，所以我個(gè)人的夢(mèng)想(比擁有一輛自動(dòng)駕駛的汽車(chē)更容易)就是有一臺(tái)微型照相機(jī)，可以別在我的襯衫上輕輕提醒我，“這是約翰∙史密斯，你去年在洛杉磯見(jiàn)過(guò)他。”除了治病救命，這些系統(tǒng)還能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。自動(dòng)駕駛的汽車(chē)會(huì)讓現(xiàn)存的道路系統(tǒng)更高效，同時(shí)還把駕駛者解放出來(lái)，去做更多有用或者愉快的事情，而且節(jié)約了能源。
當(dāng)一個(gè)計(jì)算應(yīng)用可能實(shí)現(xiàn)時(shí)，什么是決定性的因素呢?通常在于基礎(chǔ)硬件的提高，根據(jù)摩爾定律，硬件性能每18個(gè)月提升一倍。在20世紀(jì)60年代，“所見(jiàn)即所得”的文字處理器還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)，因?yàn)槟菚r(shí)的機(jī)器運(yùn)行速度太慢，價(jià)格太高。***臺(tái)被公認(rèn)為現(xiàn)代個(gè)人計(jì)算機(jī)的機(jī)器是1973年研發(fā)的Xerox Alto，它可以完成不錯(cuò)的文字處理或者電子表格，但是它太小太慢，不能處理圖片、視頻，或者存儲(chǔ)音樂(lè)、圖書(shū)。交互利用需要場(chǎng)景、語(yǔ)音識(shí)別、世界建模、規(guī)劃、大規(guī)模的數(shù)據(jù)處理、以及很多工作，這些技術(shù)才剛開(kāi)始在合理的成本下變得可能?，F(xiàn)在還不清楚如何比較人腦和電腦的容量，但大腦的1015次神經(jīng)鍵(連接)和5 毫秒的循環(huán)時(shí)間能處理每秒2×1017次神經(jīng)鍵事件，而一臺(tái)2GHz內(nèi)存、8核、64位處理器的電腦能達(dá)到每秒1012 比特的處理速度。根據(jù)摩爾定律，這些數(shù)據(jù)還需要27年的時(shí)間才能對(duì)等，但是一只老鼠只有1012 次神經(jīng)鍵，那么也許在12年內(nèi)我們可以研發(fā)一只數(shù)字鼠(但是它可比一只真正的老鼠消耗更多的能量)。
當(dāng)然硬件只是一方面，軟件可以讓電腦做任何事，而算法(讓每次的機(jī)器工作周期完成更多有用的工作)和抽象(用以掌控復(fù)雜性)又是軟件的智力基礎(chǔ)。要從外部衡量一臺(tái)電腦或通訊系統(tǒng)的性能，我們會(huì)看它的帶寬(每單位時(shí)間完成的工作)、延時(shí)(完成一件任務(wù)的時(shí)間)以及可利用性(及時(shí)完成工作的概率)。從內(nèi)部看，我們衡量復(fù)雜性，雖然不太精確。它涉及到組成部分的多少、各部分間連接的多少和復(fù)雜程度，還有利用少數(shù)的外部連接將組件編為單個(gè)部分的完善程度。
我們有許多建立系統(tǒng)的方法，但大多數(shù)都可歸到三類(lèi)：近似(Approximate)，增量(Increment)，分治(Divide and conquer)——縮寫(xiě)為AID。
● 得出一個(gè)近似值往往是容易踏出的***步，而且也經(jīng)常能夠滿足需求。更重要的是，很多系統(tǒng)沒(méi)有正確的答案，或者時(shí)效性和靈活性比正確性更重要：網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸、搜索引擎、社交網(wǎng)絡(luò)、甚至零售網(wǎng)站。比起傳統(tǒng)和主要的計(jì)算，這些系統(tǒng)和飛行控制、統(tǒng)計(jì)、文字處理以及電子郵件系統(tǒng)有著本質(zhì)的不同。
● 當(dāng)情況變化時(shí)，比起重新抓取信息，重新計(jì)算，通過(guò)增量調(diào)整狀態(tài)是加快系統(tǒng)速度的***方法(缺乏一個(gè)更好的算法)。比如，各種形式的緩存：寫(xiě)時(shí)拷貝(Copy on write)、負(fù)載平衡(load balancing)、動(dòng)態(tài)擴(kuò)容(dynamic scale out)、即時(shí)編譯(just in time compilation)。在開(kāi)發(fā)中，***是通過(guò)增量來(lái)改變和測(cè)試一個(gè)功能系統(tǒng)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)、(應(yīng)用程序)、瀏覽器插件以及JavaScript這些組件增量式地?cái)U(kuò)展了平臺(tái)，而且即插即用、熱調(diào)接等技術(shù)也擴(kuò)展了硬件。
● 分治是***的單一原則：將一個(gè)大問(wèn)題拆成很多小部分，例如，遞歸、文件或DNS的路徑名稱(chēng)、記錄前次更新失敗的日志、硬盤(pán)的分區(qū)、復(fù)制等?，F(xiàn)代系統(tǒng)分層明確，它們有由操作系統(tǒng)等大組件、數(shù)據(jù)庫(kù)、瀏覽器或視覺(jué)系統(tǒng)(如Kinect)構(gòu)成。
對(duì)于交互利用來(lái)說(shuō)，算法和抽象就不夠了。概率也是根本，因?yàn)闄C(jī)器對(duì)于物質(zhì)世界的建模必然是不確定的。我們才剛剛開(kāi)始學(xué)習(xí)寫(xiě)程序去處理這種不確定性。他們利用很多方法在隨機(jī)的變量中合并連接模型，包括統(tǒng)計(jì)學(xué)、貝葉斯推斷和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。這些變量有的可見(jiàn)，有的隱藏。人們利用可見(jiàn)的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)模型的參數(shù)，然后推斷隱藏的變量，例如，通過(guò)觀察如相機(jī)拍攝的圖片數(shù)據(jù)，來(lái)推斷道路上車(chē)輛的位置。
關(guān)于交互利用的一些應(yīng)用對(duì)安全性至關(guān)重要，如駕駛汽車(chē)或者做外科手術(shù)，相比典型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這些應(yīng)用需要更安全可靠。有一些方法可以構(gòu)建可靠的系統(tǒng)：為想要的行為撰寫(xiě)細(xì)致的規(guī)范說(shuō)明;給出或多或少的形式證明他們的代碼確實(shí)落實(shí)了那些說(shuō)明;利用復(fù)制狀態(tài)的機(jī)器來(lái)保證系統(tǒng)即使在某些組件停止工作的情況下也能運(yùn)作。如今，這些方法僅僅適用于相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。如何才能擴(kuò)容?怎樣設(shè)計(jì)系統(tǒng)才能盡量減少安全性瓶頸，從而提高可靠性?關(guān)于這些問(wèn)題我們還要不斷學(xué)習(xí)。
對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，交互利用可以變得非常重要，而且當(dāng)他們想要得到這種價(jià)值的時(shí)候，需要應(yīng)對(duì)許多困難，如人造眼之于盲人。其他的應(yīng)用就是隨處可見(jiàn)的計(jì)算，雖然有用，但價(jià)值有限，如一個(gè)可以告訴你哪個(gè)朋友在附近的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)必須要構(gòu)建得很好，才能讓其有限的價(jià)值多過(guò)使用它們的爭(zhēng)論。許多這樣的系統(tǒng)都失敗了，因?yàn)闆](méi)能滿足用戶的需求。
未來(lái)幾十年的計(jì)算系統(tǒng)將擴(kuò)大現(xiàn)有已成功的應(yīng)用領(lǐng)域：為世界建模，聯(lián)系人們以及利用新的領(lǐng)域從而讓計(jì)算機(jī)與物質(zhì)世界進(jìn)行不尋常地交互利用。對(duì)于用戶而言，這些系統(tǒng)將繼續(xù)成為豐富的價(jià)值源泉，而這里的用戶幾乎會(huì)包括世界上的每個(gè)人;對(duì)于系統(tǒng)的創(chuàng)建者而言，這些系統(tǒng)無(wú)論在智力上還是在實(shí)踐上都將成為激動(dòng)人心的問(wèn)題源泉。
作者簡(jiǎn)介：Butler Lampson，知名計(jì)算機(jī)科學(xué)家，1992年圖靈獎(jiǎng)獲得者。現(xiàn)任微軟技術(shù)院士(Technical Fellow)。他是Xerox PARC的創(chuàng)始人之一，參與設(shè)計(jì)了SDS 940分時(shí)系統(tǒng)、Alto個(gè)人分布式計(jì)算系統(tǒng)、Xerox 9700激光打印機(jī)、兩階段提交協(xié)議、Autonet局域網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全的SPKI系統(tǒng)、微軟公司臺(tái)式計(jì)算機(jī)軟件、微軟公司的Palladium高保證堆棧存儲(chǔ)器以及多種編程語(yǔ)言。他從事的工作內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、局域網(wǎng)、光柵打印機(jī)、頁(yè)面描述語(yǔ)言、操作系統(tǒng)、遠(yuǎn)程程序通話、編程語(yǔ)言及其語(yǔ)義、大規(guī)模編程、容錯(cuò)計(jì)算、事務(wù)處理、計(jì)算機(jī)安全、所見(jiàn)即所得編輯程序以及臺(tái)式計(jì)算機(jī)等。曾獲1984年美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)軟件系統(tǒng)獎(jiǎng)，1996年IEEE計(jì)算機(jī)先驅(qū)獎(jiǎng)，2001年獲得馮·諾依曼勛章，2004年國(guó)家工程院的德雷珀獎(jiǎng)等眾多表彰與榮譽(yù)。
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