編者按：本文由微信公眾號“新智元”（ID：AI_era）編譯，來源：arXiv，編譯：聞菲，常佩琦，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

讓AI自動編程是人工智能領(lǐng)域長久以來的夢想之一?，F(xiàn)在，來自彭博和英特爾實(shí)驗(yàn)室的兩位研究人員，號稱實(shí)現(xiàn)了首個能夠自動生成完整軟件程序的AI系統(tǒng)“AI Programmer”，這個“AI程序員”利用遺傳算法和圖靈完備語言，開發(fā)的程序理論上能夠完成任何類型的任務(wù)。AI自動編程的時(shí)代，大幕已開。

讓AI自動編程一直是計(jì)算機(jī)科學(xué)家的夢想。目前這個方面的成果還非常有限，比如讓AI自動補(bǔ)完編程語言，或者執(zhí)行簡單的加法程序。今天我們要介紹的這項(xiàng)工作，號稱是第一個能夠全自動生成完整軟件程序的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)“AI Programmer”。

研究人員表示，他們用這個系統(tǒng)證明了長久以來的假設(shè)，那就是功能完備的程序確實(shí)能夠被自動生成。具體到這項(xiàng)工作，AI Programmer利用機(jī)器學(xué)習(xí)中的遺傳算法，模擬復(fù)雜的指令。雖然現(xiàn)在AI Programmer生成的程序，復(fù)雜程度與人類新手程序員編寫的結(jié)果相當(dāng)。但研究人員認(rèn)為，AI Programmer編寫的程序完全可以超越傳統(tǒng)范疇，不受人類時(shí)間和智慧的局限。

AI編寫的程序只是在測試復(fù)雜度和計(jì)算資源之間找得到最適合的點(diǎn)。換句話說，可能性無限。

研究人員還表示，我們需要重新思考，設(shè)計(jì)新的、面向機(jī)器的編程語言，因?yàn)楫?dāng)前的編程語言是面向人類的，不適用于基于ML的編程。“在考慮ML驅(qū)動程序生成的未來時(shí)，我們需要放棄和重新考慮典型程序語言創(chuàng)建的方法。”

研究人員寫道，只有這樣做，我們才能開始設(shè)想一個由AI系統(tǒng)驅(qū)動，以人類創(chuàng)造力和設(shè)計(jì)為指導(dǎo)的計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)的新未來。

AI Programmer的軟件架構(gòu)。從圖中可見，由人類驅(qū)動的部分非常少，只需要在開始輸入指令，最后接收適用于某項(xiàng)任務(wù)的函數(shù)即可，剩下部分全部由機(jī)器完成。

AI Programmer：利用遺傳算法自動生成程序，理論上能夠完成所有類型的任務(wù)

根據(jù)論文，研究人員選擇了無類型編程語言，只包括了8種指令來驅(qū)動AI Programmer生成軟件。

AI Programmer使用的編程語言是圖靈完備的，如表1所示。理論上，在時(shí)間和內(nèi)存不限的情況下，圖靈完備編程語言能夠處理任何編程任務(wù)。本質(zhì)上，任何一種具有這種特質(zhì)的編程語言都能夠解決海量編程問題。同樣，AI Programmer生成的軟件能夠完成所有任務(wù)。

有了這個保障，再來看AI Programmer的核心——遺傳算法。

要使用遺傳算法生成軟件程序，必須首先創(chuàng)建一個基因組（genome）。基因組是一組被組合在一起作為單個單元的基因。AI Programmer的基因組編碼為浮點(diǎn)數(shù)組，每個唯一指令的固定值范圍在0和1之間，如上面表1的基因范圍列所示。

創(chuàng)建好基因組后，AI Programmer就將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的程序，執(zhí)行，并根據(jù)程序的輸出為結(jié)果程序分配適合度。生成的程序越靠近解決提供的任務(wù)，適應(yīng)度就越高，越有可能繼續(xù)進(jìn)行下一代的進(jìn)化。在每一代，AI Programmer利用隨機(jī)選擇以及交叉和變異來創(chuàng)建子程序，其中包含輕微的隨機(jī)擾動，并且可能比其父母更好的基因組來解決目標(biāo)任務(wù)。

圖3展示了從浮點(diǎn)數(shù)組中構(gòu)建基因組的實(shí)例。每個值范圍映射到編程語言中的特定指令。最初，這些值是隨機(jī)的，導(dǎo)致生成的程序無法正常運(yùn)行。但是，其中必將有一兩個能夠運(yùn)行并執(zhí)行一些有效的指令。一個程序執(zhí)行得越成功，就越有可能繼續(xù)使用代碼，實(shí)現(xiàn)更成功的后代。

為了創(chuàng)建后代，父母將其基因的一部分交給孩子，這個過程如圖4所示。除了繼承父母的編程指令外，每個孩子也可能會遇到突變，也就是對特定基因增加受控但隨機(jī)的擾動。這導(dǎo)致特定基因的值發(fā)生修改，使所得到的編程指令發(fā)生變化，進(jìn)而改變整個程序。

可執(zhí)行程序根據(jù)其執(zhí)行情況進(jìn)行排名，如圖5所示。其中，特定程序會被立即從基因組池中刪除，成功的方案則被推進(jìn)以產(chǎn)生新的后代。

AI Programmer使用結(jié)果：輸出“Hello World”，反轉(zhuǎn)字符串，加減乘，輸出斐波那契數(shù)列……

AI Programmer由C#.NET設(shè)計(jì)的模塊化框架組成。包括運(yùn)行遺傳算法的引擎，基因組編碼器和解碼器，用于執(zhí)行模擬程序的沙箱解讀器，以及將代碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制可執(zhí)行文件的編譯程序。雖然最初設(shè)計(jì)AI Programmer的時(shí)候使用C#，但需要注意的是，設(shè)計(jì)原則并不限于使用C#。

研究人員指出，AI Programmer的適應(yīng)性測試軟件框架具有延展性，并已被開發(fā)。用戶可以自己設(shè)計(jì)無數(shù)的定制化軟件，最終指導(dǎo)系統(tǒng)的遺傳算法（GA）生成和軟件程序演變。

如果目標(biāo)程序旨在生成一個字符串，如”Hello World”（見上圖），測試分?jǐn)?shù)可能是字符串中的數(shù)字。但由于AI Programmer是在字節(jié)級生成代碼，測試分?jǐn)?shù)應(yīng)將輸出字符的增量差考慮在內(nèi)。

研究人員表示i，他們能用AI Programmer生成很多軟件程序。表2是所生成程序的名單。

一開始，研究人員讓AI Programmer生成了一個非常簡單的程序來輸出“hi”。經(jīng)過5700代后，測試成功。生成代碼如圖9所示。

經(jīng)過580,900代后，生成了“hello world”，如圖10所示。

經(jīng)過6,057,200代后，AI Programmer成功生成了”I love all humans”，如圖11所示。

AI Programmer生成反轉(zhuǎn)字符串的程序。生成代碼如圖13所示。

AI Programmer能在92,400代之后生成加法程序；在177,900代之后生成減法程序，如圖15所示。

圖16所示的生成程序可以從兩個初始輸入值來輸出斐波納契序列。

論文：AI Programmer，使用遺傳算法自動創(chuàng)建軟件程序

摘要

在本文中，我們介紹了首個能夠自動生成完整軟件程序的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）系統(tǒng)，全程只需最低限度的人類參與。這個系統(tǒng)名叫“AI Programmer”，以遺傳算法（GA）為核心，加上緊密約束的編程語言，將其ML搜索空間的開銷降到最低。AI Programmer的新穎部分源于（i）獨(dú)特的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括用于效率和安全性的嵌入式手工解釋器（hand-crafted interpreter），以及（ii）對遺傳算法的增強(qiáng)，納入了指令基因（instruction-gene）隨機(jī)化綁定，以及編程語言特定的基因組構(gòu)建及消除技術(shù)。我們詳細(xì)介紹了AI Programmer的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的工作原理，以及使用主流CPU來演示其軟件生成功能和性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。