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搞懂「通用圖靈機」的終站——它的誕生與意義 │《電腦簡史》數位時代(十三)

張瑞棋_96
・2020/12/21 ・4490字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 560 ・八年級

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本文為系列文章,上一篇請見:搞懂「通用圖靈機」的第一站——康托爾的「無限樂園」 │《電腦簡史》數位時代(十二)

數學體系的的聖杯是否存在?——圖靈機的源頭

上一篇提到的無限這個原本大家都敬而遠之的怪物,還是被康托爾用集合論馴服了,集合論儼然成為建構數學體系的利器。然而過沒多久,英國哲學家與數學家羅素 (Bertrand Russell) 卻在 1901 年提出一個後來以他為名的「羅素悖論」(註一),指出集合論的矛盾之處,史稱「第三次數學危機」。

儘管幾位數學家著手修補,參考歐氏幾何有五大公設,也為集合論制定一些公設,將「樸素集合論」改造為沒有矛盾的「公設化集合論」,安然度過危機。但是數學體系接二連三出現裂縫,表示其中必有缺陷。大數學家希爾伯特 (David Hilbert) 因此呼籲重新審視所謂不證自明的公設或定理,從根基開始,重新打造完美無瑕的數學體系。

大數學家希爾伯特 (David Hilbert) 攝於 1912 年。圖:Wikipedia

1928 年,希爾伯特在國際數學家大會上拋出三大提問:

一、數學是否完備?所謂完備是指每則陳述(例如畢氏定理)都可以被證明為真或為假。

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二、數學是否一致?也就是同一則陳述不會有既被證明為真、又被證明為假的矛盾情況。

三、數學是否可以判定?意思是任何陳述都有一套明確的程序可以用來判定其真假。(例如希爾伯特列舉的 23 個懸而未決的數學問題,是否終究會找出證明的方法?)

基於數學以往幾次克服危機的歷史經驗,希爾伯特相信這三個提問的答案都是肯定的;1930 年他發表退休演說時,就以「我們必須知道,我們將會知道!」做為結語。這並不是希爾伯特一廂情願,事實上學界也都普遍相信完備且一致的數學體系指日可待。

哥德爾不完備定理敲碎美夢

不料第二年,大家的美夢就被一篇論文狠狠敲碎。才25歲的奧地利數學家哥德爾 (Kurt Gödel) 提出「哥德爾不完備定理」,證明任何一個基於算術公設的系統如果有一致性,就不是完備的,也就是其中一定有無法證明真偽的陳述(註二)。而且「哥德爾第二不完備定理」還指出:這個系統的一致性根本無法在系統內部獲得證明。

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哥德爾 (Kurt Gödel) 攝於 1925 年。圖:Wikipedia

哥德爾正式宣判完備且一致的數學體系並不存在,追求聖杯只是徒勞,大家可以散矣。整個學界感到震驚與失落,正如馮紐曼的喟嘆:「一切都結束了!」。

如今希爾伯特的前兩個問題顯然答案都是否定的,而既然存在無法證明真偽的陳述,那麼第三個問題當然也就沒意義了。但能否退而求其次,把第三個問題改為:可否透過一套明確的程序判定某個陳述能不能被證明真假?也就是說,我們至少可以把這種無法證明真假的異類挑出來吧?

正是這個判定問題,讓圖靈跨入計算機的領域。

延續摯愛未竟之業——圖靈奮發向前的動力

圖靈於 1912 年在倫敦出生,到了中學就長得高大壯碩,還是長跑健將。不過他卻不是陽光男孩,相反地,他個性內向,在學校沒有多少朋友,其中最知心的是大他一個年級的莫康 (Christopher Morcom)。莫康因為感染肺結核,身體嬴弱削瘦,但他課業名列前茅,與圖靈一樣對數學、科學有極高的興趣,兩人常一起討論而成為莫逆之交。

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圖靈攝於 16 歲。圖:Wikipedia

圖靈對莫康愛慕不已,也因此才察覺自己的同性戀傾向。無奈莫康在畢業前一年不敵病魔而過世,用情至深的圖靈深受打擊,卻也因此更加專注於學業。他在寫給莫康母親的信上說:

「……我知道自己必須在學業上投注相同的心力,彷彿他仍然在世,因為他會希望我這麼做。」

圖靈如此努力的背後還有個重要動力。莫康原本已經獲得劍橋大學的獎學金,圖靈想替他實現未能完成的人生,以進入劍橋大學為目標,而最後圖靈也如願於 1931 年入學就讀。

1935年春季,圖靈在數學教授紐曼 (Max Newman) 的課堂上,聽到教授介紹希爾伯特的三大問題。紐曼提及修正後的「判定性問題」時,不知有心或無意,用的詞是「機械式程序」(mechanical process),而不是「明確的程序」。

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機械式程序聽起來就是多了一層含意,暗示著一種不需人為介入的自動程序。而這層含意在圖靈心中埋下了種子,然後在初夏某一天的下午,圖靈慢跑完,躺在草地上休息時,想到了如何透過自動機器解決判定性問題。

圖靈機構造與運作原理

圖靈無意打造一台真正的機器,因為他要處理的是抽象的原則性問題,重點在於思辨過程,而不是加減乘除。因此圖靈只須設想這台自動機器如何運作,無需考慮它如何製造。事實上這台後來以他為名的「圖靈機」極為簡化,硬體組成只有一個可以左右移動的讀寫頭,以及一條無限長的紙帶。與其說它是計算機,反倒比較像是台打字機。

這條紙帶上面劃分成一個一個方格,每個方格只能打印一個符號。讀寫頭能掃描辨識符號、打印符號,或抹拭符號;它還能左右移動,但每次最多只能移動一格。讀寫頭的動作取決於它正下方那個方格內的符號,以及機器目前的狀態。這兩個參數也會決定讀寫頭每次做完動作後,機器狀態是否要改變。

這些影響讀寫頭與機器狀態的規則可以整理成一張「行為表」,例如下面這張:

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按照這張行為表,像下面圖中的紙條,原本3 個 “1” 和 2 個 “1” 彼此隔開,經過圖靈機後,就會變成 5 個 “1” 連在一起。我們可以當作這是 3+2=5 的計算,那麼配備這張行為表的圖靈機就是一台簡易加法器,可以任意加總兩個數目。

圖靈機構造再簡單不過,但只要在行為表中制定適當的規則,再複雜的計算,它都可以勝任。圖靈把可以透過有限的規則,讓圖靈機進行計算並以小數的形式印出來的數,定義為「可計算數」

可計算數不一定是有限小數,像 1/3 = 0.3333……也算,反正紙帶無限長,或者你也可以決定小數點後幾位就停下來。因此像 √2、π 這種無理數也都是可計算數,因為它們可以用具有規律的無限級數表示(例如萊布尼茲所發現的 π/4 = 1 – 1/3 + 1/5 – 1/7 + 1/9 – 1/11 + ……),就能透過有限的規則,讓圖靈機計算。

描述數與通用圖靈機

不過圖靈機只能從紙帶上讀取資料,所以行為表得用一行符號來表達,才能印在紙帶上讓圖靈機掃描。例如上面那張行為表可能就會變成一行指令:

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10RNN;11RN2;20R13;21RNN;30LN4;31RNN;40NNN;41N0N

接著我們把指令中的英文字母與符號用數字代替,例如 A ~ Z 改為 11 ~ 33,分號”;” = 99,數字也跟著改用兩位數 00 ~ 09表示。如此一來,指令就會化為一串數字,圖靈稱之為「描述數」,意指這行純數字的數列就能描述圖靈機的行為。

正常的描述數可以讓圖靈機經過有限步驟後停下來,產生可計算數。但某些描述數卻可能讓圖靈機中途動彈不得,或是不斷來回繞圈圈,無法產生有意義的答案。例如「讀到 1 就往右;讀到 0 則往左」這個指令,就會讓圖靈機遇到 “1”、”0”相鄰時左右來回,永不停止(這其實就相當於「說謊者悖論」)。

如果一台圖靈機只有一個描述數,我們當然可以輕易地發現某台圖靈機停不下來,從而知道這個描述數有問題。不過實際上不需要建造那麼多台圖靈機。想像有台特別的「通用圖靈機」(圖靈稱之為 ”Universal machine“),可以把其它圖靈機的描述數都掃描進來,那麼它便能模擬任何一台圖靈機的運作。而且描述數除了代表運作規則,也可以當成數字做為編號,按大小順序排列,方便圖靈機搜尋。

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停機問題

現在問題來了,我們怎麼知道掃描進來的那麼多描述數之中,是否摻雜著造成圖靈機空轉的描述數?有沒有一套機械程序可以直接判定某個描述數能否讓圖靈機正常停機(而不用讓圖靈機實際執行,再看結果如何)?這就是所謂的「停機問題」。它的性質等同於希爾伯特的判定性問題:有沒有一套明確的程序可以判定某個陳述能不能被證明真假?

我們先假設真的有這麼一套判定停機與否的程序,那麼它可以把所有描述數的執行結果列表如下:(H代表會停機,N代表不會停機)

還記得上一篇介紹過的康托爾對角線法嗎?現在我們拿來如法炮製,可以編製一個新的描述數,輸入 1 的結果是 ”N”,與 M1 相反;輸入 2 的結果是 “N” 與 M2 相反;……以此類推。這麼一來,這個描述數絕對不在原來的表裡面,也就是出現判定程序不知其執行結果的描述數。

就算把這個新的描述數再納入表中也沒用,因為永遠都可以再用康托爾對角線法,新增一個不在表上的描述數。因此,根本不可能有套程序可以判定任一個描述數會不會停機。停機問題無解,代表數學上的判定性問題也確定無望,希爾伯特的三大提問至此可以休矣。(註三)

計算機不只會計算,還能模擬人的思考方式

1936 年 5 月,圖靈提交這篇影響深遠的論文:《論可計算數及其在判定性問題上的應用》 (On Computable Numbers, with an Application to the Entscheidungsproblem),不但在數學上占有重要地位,更展示許多計算機的創新設計。

他率先提出通用計算機的概念,將不同程式預先載入後再開始運行。而程式轉化為描述數,使得程式和資料共用同一個載體,也是首創。同時描述數做為程式的獨特編號,就相當於電腦程式在記憶體中的貯存位址;許多人相信這個概念啟發了馮紐曼用於 ENIAC 的設計。

圖靈還揭示了常人所未見的計算機角色。計算機的作用向來純粹就只為數學計算,但圖靈在這篇論文中卻是從人類如何思考的角度,討論如何讓機器模仿計算者的心智狀態。多年之後,圖靈提出「圖靈測試」,因而被稱為「人工智慧之父」,但其實這顆種子早在此時就已埋下了。

圖靈為了解決一個抽象的數學問題,而構思出通用圖靈機這台純屬想像的機器。幾年之後二次大戰爆發,這次為了千百萬人的生死存亡,圖靈將動手打造真正的計算機。

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註一:羅素設想有個集合 R 是由所有不包含它本身的集合所構成的集合。這定義感覺很撓口,但其實相當合理。因為在實際生活的應用上,幾乎所有集合本來就不包含本身,例如我們絕不會說昆蟲這個集合的成員包括昆蟲。問題來了,R 的成員應該包括它自己嗎?

如果說不應該,那麼 R 也是不包含自己的集合,所以 R 也應該屬於 R。但是這樣一來, R 就包含它自己,如此又不符合加入 R 的資格。結果不管 R 包不包含它自身,按照 R 的定義都會導致矛盾,這就是羅素悖論。

註二:算術公設指皮亞諾公設 (Peano axioms),是義大利數學家皮亞諾提出關於自然數的五條公設。

註三:其實美國普林斯頓大學的數學家丘奇 (Alonzo Church) 比圖靈早一個月,於 1936 年 4 月就提出論文,用正統的數學方法解決了判定性問題。圖靈獲悉後,也趕在論文發表前,在附錄處加註說明丘奇的證明。不過丘奇用的形式系統複雜多了,不如圖靈的方法簡單易懂,所以一般講到判定性問題的證明,都還是舉通用圖靈機為例。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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驅動未來科技創新的運算平台領導廠商—Arm
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/10/26 ・2594字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 Arm 委託,泛科學企劃執行。

Arm(安謀)是一家來自英國提供處理器 IP 架構設計的矽智財公司,你可能不清楚 Arm 在做什麼?但你可能在最近的新聞中聽過它,而且,你可能每天都在使用他們的產品!

實際上,90% 的智慧型手機使用的 CPU 晶片,其指令架構集(ISA)都是採用 Arm 架構,例如部分蘋果產品所使用的晶片、Android 手機常見的驍龍系列,以及聯發科技推出的天璣系列晶片,Arm 都是這些處理器架構的主要供應商。

每片 CPU 上,都有 ISA。圖/pixabay

不過這個指令架構集(ISA)到底是什麼?為什麼每台手機甚至電腦都要有呢?

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什麼是指令架構集(ISA)?

指令集架構(ISA)是電腦抽象模型的一部分,它定義了 CPU 如何被軟體控制。ISA 作為硬體和軟體之間的介面,既規定了處理器能夠執行的任務,又規定了如何執行這些任務。ISA 提供了使用者與硬體互動的唯一途徑。ISA 可以被視為程式設計師的手冊,透過 ISA,組合語言程式設計師、編譯器編寫者和應用程式程式設計師方能與機器溝通。

處理器的構建和設計稱為微架構(micro-architecture),微架構告訴您特定處理器的工作原理,例如,Arm Cortex-A53 和 Cortex-A73 都是 Armv8-A 架構的實現,這意味著它們具有相同的架構,但它們具有不同的微架構。

目前常見的 ISA 有用於電腦的 Intel/AMD x86_64 架構,以及在行動裝置是主流的 Arm 架構。而 Arm 本身不製造晶片只授權其架構給各個合作夥伴,授權的架構也被稱為「矽智財」(Semiconductor intellectual property core,簡稱 IP),並由合作夥伴依據規格打造合規的矽晶片。

Arm 成為全球關注的焦點

今年九月,Arm 在美國紐約那斯達克交易所掛牌上市,吸引大量投資者的目光,除了節能的設計,Arm 持續提升產品效能,使得 Arm 架構具有強大的競爭優勢,讓 Arm 的技術和產品,除了在行動裝置與物聯網應用佔據了重要地位,也在後續發展的其他產品持續協助產業推動技術革命。

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最早,Arm 架構是為了依靠電池運作的產品而設計的,隨著這十多年來的轉變,行動裝置成為主流,而 Arm 架構也成為了行動裝置的首選。

除了 Arm 原本行動裝置的通用 CPU 領域,Arm 亦著手開發專用 CPU 的架構,這些專用 CPU 的使用情境包含雲端基礎設施、車用和物聯網(IoT)。

現在 Arm 除了在手機處理器上有超過 90 % 的市占率外,在物聯網與嵌入式應用上有 65% 的市占率,目前車用晶片也逐步轉向由軟體來定義汽車的電子電氣架構,這凸顯了軟體在未來汽車架構的重要性。「嵌入式邊緣裝置使用的可擴充開放架構 (Scalable Open Architecture for Embedded Edge;SOAFEE) 」建立以雲原生的系統架構,透過雲端先行開發軟體,協助汽車產業業者在產品正式商品化前,能在基於 Arm 架構的晶片上進行虛擬環境測試,目前 Arm 在車用晶片上,市佔率超過四成。

由感測器至智慧製造系統設計,Arm 與生態系密切合作,推動技術創新

在雲端運算上,Arm 也推出了 Arm Neoverse 技術平台來協助雲端伺服器的晶片設計,並配合新推出的 Arm Neoverse 運算子系統(CSS),來簡化專用晶片的設計複雜性,減少晶片設計花費的時間。

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在 Arm 日益完整的產品組合下,透過與廣大生態系合作,能為市場提供許多軟硬體解決方案。首先,在行動裝置上,Arm 近乎霸占市場。而在 AI 發展與網路速度持續提升的趨勢下,許多運算都可以在雲端完成,最近的實例為 Nvidia 的 GeForce Now,只需一台文書機,就能暢玩 3A 大作,或是 Google 的 Colab,讓 AI 能在文書機上完成運算,造福了沒有高級顯卡的使用者。

未來,邊緣運算將陸續解開雲端運算的束縛,而 Arm 也在前期投入了雲端基礎開發,配合行動裝置的市占率,無論如何 Arm 都將在未來科技業占有一席之地。

Arm Tech Symposia 將在 11 / 1 與 11 / 2 盛大舉辦

2023 Arm 科技論壇(Arm Tech Symposia)即將在 11/1 台北萬豪酒店,11/2 新竹國賓飯店盛大舉辦!這是 Arm 每年最重要的實體活動之一,以【Arm is Building the Future of Computing】為主軸,探討在 AI 時代來臨之際,Arm 最新的技術如何驅動創新科技,為次世代的智慧運算、沉浸式視覺、AI 應用、自主體驗等帶來更多可能性。 

這次 Arm 科技論壇將圍繞在車用、物聯網、基礎設施、終端產品等熱門 AI 應用領域,並邀請台積公司、Cadence、瑞薩電子、新思科技、CoAsia 擎亞半導體等各領域專家,帶來產業第一手趨勢洞察。

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其次,也會分享 Arm 的新技術在 AI 的應用,包含如何透過軟體定義汽車降低汽車電子系統核心 EUC 整合的複雜性,同時維持汽車資安;以及介紹專為特定工作負載而設計的運算方式,如何讓企業不受外在環境與技術影響,處理更大規模的數據。

今年 11/1 在台北場的座談會,主題為 Edge computing on AI,探討邊緣運算在人工智慧上的應用,以及人工智慧對於半導體產業以及晶片研發帶來的影響,邀請 iKala 共同創辦人暨執行長程世嘉、聯發科技執行副總經理暨技術長周漁君,以及 Arm 台灣總裁曾志光與會。

Arm 科技論壇 11 月 1 日台北萬豪酒店。 圖 / Arm 

11/2 在新竹場的座談會主題為 The Keys of Automotive Transformation,探討汽車產業的轉型趨勢,邀請 Anchor Taiwan 執行長邱懷萱、友達光電執行長暨總經理/達擎董事長柯富仁、波士頓顧問公司董事總經理暨資深合夥人徐瑞廷,以及 Arm 台灣總裁曾志光與會。

Arm科技論壇 11月 2 日新竹國賓飯店。 圖 / Arm 

無論你是硬體工程師、軟體開發人員、晶圓代工、晶片設計商、OEM/ODM 還是相關產業人士,都能在這場論壇中互相交流,充實自己。

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2023 Arm 科技論壇報名連結

活動結束後填寫問卷的朋友,還有機會現場抽中 iPhone 15 Pro、 iRobot Roomba j7+ 掃地機器人、Sony WH-1000XM5 無線耳機、Dyson Purifier Big+Quiet Formaldehyde 空氣清淨機等精美好禮喔!

報名截止倒數中,現在就立刻報名吧!

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充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

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只要將大腦上傳到電腦中,複製出另一個你,就可以實現永生嗎?——《千腦智能新理論》
星出版
・2023/06/28 ・1983字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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假設在未來某個時候,我們有能力瞬間取得在電腦中重新創造一個人所需要的全部資料,假設我們的電腦有足夠能力模擬你和你的身體。果真如此,我完全不懷疑基於電腦的大腦會有意識和知覺,就像你一樣。但這會是你想要的嗎?也許你正在想像下列這種情境。

假設我們的電腦有足夠能力模擬你的身體、意識和知覺,這會是你想要的嗎?圖/Pixabay

你正處於生命的盡頭,醫師說你只剩下幾個小時的生命。此時你按下一個開關,你的大腦隨即一片空白。幾分鐘後,你醒過來,發現自己活在一個基於電腦的新身體裡。你的記憶完好無損,你覺得自己恢復了健康,展開新的永恆生命。你大喊:「耶!我還活著!」

現在想像一個稍微不同的情境。假設我們有技術可以複製你的生物大腦而不影響它,現在你按下開關之後,你的大腦被複製到一台電腦上,而你沒有任何感覺。幾分鐘後,電腦說:「耶!我還活著。」但是,你,那個生物你,還是存在。現在有兩個「你」,一個在生物身體中,一個在電腦身體中。電腦那個你說:「現在我已經上傳了,不需要原本那個身體了,請把它處理掉。」生物那個你說:「等一下,我還在,我不覺得有任何改變,我不想死。」我們應該如何處理這個問題?

解決這個難題的方法,或許就是讓生物那個你度過餘生,自然死亡。這似乎很合理。但是,在生物你死亡之前,世上有兩個你。生物你與電腦你會有不同的經歷,因此隨著時間推移,兩者漸行漸遠,變成了不同的人。例如,生物你和電腦你可能會發展出不同的道德與政治立場,生物你可能會後悔創造了電腦你,而電腦你可能不喜歡有一個生物老人聲稱是自己。

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在生物你死亡之前,世上有兩個你。隨著時間推移,兩者漸行漸遠,可能會發展出不同的道德與政治立場。圖/Pexels

更糟的是,你很可能會有壓力在你年輕時就上傳你的大腦。例如,想像一下,電腦你的智能健康,取決於大腦上傳時生物你的智能健康。因此,為了盡可能提高你的永生版本的生活品質,你應該在你心智健康最好時上傳你的大腦,譬如 35 歲時。你可能想在年輕時上傳大腦的另一個原因是,你以肉身活著的每一天都有可能意外死亡,因此失去永生的機會。因此,你決定在 35 歲時上傳自己。

請捫心自問:35 歲的生物你在複製了自己的大腦之後,可以安然殺死自己嗎?隨著你的電腦版本展開自己的生活,你(生物你)則慢慢衰老、最終死去,生物你會覺得自己已得到永生嗎?我認為答案是否定的。「上傳你的大腦」是個誤導的說法,你真正做的是把自己分裂成兩個人。

現在再想像一下,你上傳了你的大腦,然後電腦那個你立刻複製了三個自己。現在有四個電腦你和一個生物你,這五個你開始有不同的經歷,漸行漸遠。每一個你都有獨立的意識,你是否已得永生?那四個電腦你,哪一個是永生的你?生物你慢慢衰老、邁向死亡,看著四個電腦你過各自的生活。這裡沒有共同的「你」,只有五個個體,雖然起初有相同的大腦和記憶,但隨即成為獨立的存在,此後過著不同的生活。

想像一下,你上傳了你的大腦,然後電腦那個你立刻複製了好幾個自己,每個都有獨立的意識和不同的經歷,哪一個才是永生的你?圖/Pixabay

也許你已經注意到,這些情境與生孩子相似。當然,最大的不同是你不會在孩子出生時,上傳你的大腦到孩子的腦袋裡。然而,我們可說是在某程度上試圖這麼做,我們把家族史告訴孩子,教導他們,希望他們建立和我們一樣的道德觀和信仰。藉由這種方式,我們將我們的一些知識轉移到孩子的大腦裡。但隨著他們長大,他們會有自己的經歷,成為獨立的人,就像你上傳大腦產生的電腦你那樣。

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想像一下,如果你能把你的大腦上傳給你的孩子,你會這麼做嗎?如果你這麼做,我相信你會後悔。你的孩子將背負你的記憶,終其一生將致力忘記你做過的一切。

上傳大腦乍聽是個極好的主意,誰不想得永生呢?但是,藉由上傳大腦到電腦中來複製自己,其實無法實現永生,就像生孩子無法實現永生那樣。複製自己是開出一條岔路,而不是延伸原本的路。開出岔路之後,會有兩個擁有知覺和自我意識的存在,而不是只有一個。一旦你意識到這一點,上傳大腦的吸引力就會開始減弱。

——本文摘自《千腦智能新理論》,2023 年 5 月,星出版出版,未經同意請勿轉載。

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日常生活範式的轉變:從紙筆到 AI
賴昭正_96
・2023/03/08 ・5723字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

技術的進步是基於讓它適應你,因此你可能根本不會真正注意到它,所以它是日常生活的一部分。
——比爾.蓋茨(微軟公司創辦人之一)

幾天前與內人米天寶到一家常去的餐館,沒想到已經換了主人;找到一張桌子坐下後,好久都不見服務員上來打招呼;正覺得奇怪時,唯一的服務員終於出現了。內人迫不及待的馬上要菜單,「對不起,我們這裡沒有菜單,請掃描點菜。」內人哦了一聲,不知所措……還好有不落伍的老公在旁,因此總算沒有餓著肚子回家吃泡麵。

又半年前,與三位高中同學聚餐,餐後有位同學問怎麼從這裡到他弟弟的地方……,我回答說路就在你的口袋裡:「嘿,谷歌(Google),導航到……」。再又大約 1 年前,與一對老夫妻同事不知道怎麼談到了 228 事變,先生突然問那是哪一年發生的,沒有人能回答;我突然想到答案就在我口袋裡,拿出手機:「嘿,谷歌,228 事變是哪一年發生的?」

1970 年,林孝信等人在芝加哥大學創辦《科學月刊》時,日常所用的的工具是:紙張、鉛筆、橡皮、透過郵寄傳送的書信、及非必要不用的長途電話或傳真。在下圖中可以看到當時筆者用手寫的第 1 期文章「什麼是半導體」、審稿意見表、審稿人的修改、科學月刊專用稿紙、以及筆者在加州做論文時給總部林孝信的信封。這些工具現在都可以算是古董,早不是《科學月刊》運作模式,也已全部在筆者日常生活中退役了!

圖/筆者提供

是什麼重大科技的發展造成了這些改變呢?年輕的讀者或許不知道,但是筆者回想起來都覺得有點可怕,真不敢相信將不少筆者這一代人甩停在「石器時代」的巨大變化就在筆者後半生中發生!

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讓我們在這裡一起來回顧這 40 年來的科技大里程碑吧。

個人電腦

筆者 1975 年回到清華,隔年的暑假為高中化學教師進修班開了一門相當受歡迎的(台灣非法組裝的)蘋果個人電腦程序課。那時個人電腦才剛問世不久,但已經慢慢地引起廣大群眾的注意與興趣。

因此到了 1981 年,曾經是全世界最賺錢、最受歡迎品牌的大型電腦計算機公司 IBM(International Business Machines)終於被迫進入個人電腦市場。IBM 的聲名很快地使個人電腦在消費群眾裡達到臨界量,但那時使用者必須記得電腦語言及程式名字才能執行。

圖/筆者提供

1984 年,蘋果電腦公司(Apple Computers)推出了 Macintosh 後,個人電腦市場才真正開始起飛。Macintosh 導入電腦鼠標,其「所見即所得」(WYSIWYG, what you see is what you get)界面更讓使用電腦變得非常簡單[1]:只要會按鼠標就好,不必再記那些電腦語言及程式名字。隔年,微軟(Microsoft Corporation[2])也推出了具鼠標及「所見即所得」界面的 Windows 操作系統後,儘管個人電腦成為主流還需要幾年時間,但毫無疑問地個人電腦時代已經來臨了!

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在個人電腦出現之前,每到月底筆者就為了與銀行對帳搞得頭暈腦脹(時常對不起來);1993 年後,筆者便開始使用「個人賬戶管理軟體」Quicken,現在不但帳目了然,核對更大部分只是一分鐘的事情而已:它早已經是筆者日常生活中不可或缺的一部分!另一個則是微軟的「文件處理軟體」Word。但後者因間接地涉及到人工智能的應用,所以留在後面再做詳細討論。

互聯網與萬維網

互聯網(internet)始於 1960 年代,為美國政府研究人員共享信息的一種方式。它的發展有兩個原因:

  1. 60 年代的計算機體積龐大且固定不動,為了利用存儲在其它地方的計算機信息,人們必須通過傳統郵政系統發送計算機磁帶;
  2. 另一個催化劑是蘇聯於 1957 年 10 月 4 日發射人造衛星 Sputnik,促使國防部考慮即使在核攻擊後仍能傳播信息的方式,因此發展了阿帕網(ARPANET,Advanced Research Projects Agency Network,高級研究計劃署網絡)。

阿帕網雖然非常成功,但其成員僅限於某些與國防部有合同的學術和研究組織,因此創建其它網絡來提供信息共享是無可避免的……。

開始時各計算機網絡並沒有一種標準的方式來相互通信。科技學家終於在 1983 年 1 月 1 日建立了「傳輸控制協議/互聯網協議」(TCP/IP)的一新通信協議,使不同網絡上的不同類型計算機終於可以相互「交談」,現在的互聯網於焉誕生,因此當天被認為是互聯網的官方生日。阿帕網和國防數據網(Defense Data Network)後來也正式改用 TCP/IP標準,因此所有網絡現在都可以通過一種通用語言連接起來。

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1989 年 11 月,第一個提供商業互聯網服務(ISP, internet service provider)公司 The World 在美國出現。儘管當時電話撥號連接只能以每秒 5 萬 6 千位元的慢得令人痛苦的速度下載[3],與現在的所謂寬帶(broadband)之至少 2500 萬位元的速度相比,真是小巫見大巫,但在兩年就產生了廣泛的消費者基礎。1991 年,美國國家科學基金會(NSF)看到該公司打開了這似乎再也關閉不了的閘門,終於解除了對商業 ISP 的禁令。

圖/筆者提供

1989 年,為了滿足世界各地大學和研究所的科學家對自動化信息共享的需求,英國計算機學家伯納斯-李(Tim Berners-Lee)爵士在瑞士歐洲核子研究中心(CERN)提出了萬維網(WWW, World Wide Web)的構想:在互聯網上建立一種可以透過「超文本鏈接」(hyperlink)將文檔連接到其它文檔的信息系統,使用戶能夠從一個文檔移到另一個文檔來搜索信息。

伯納斯-李 1990 年底成功地展示了包括 WWW 瀏覽器和 HTTP 服務器的系統,於 1991 年 1 月開始提供給其它研究機構。1991 年 8 月 23 日向公眾發布後,兩年內出現了 50 個網站。現在全世界的網站已經高達 20 億個!

1994 年 10 月 13 日第一款「商業化」網絡瀏覽器 Netscape 問世,四個月內即佔據了四分之三的瀏覽器市場上;配合了個人電腦「所見即所得」的快速發展,上網已漸成為全民運動。2000 年代初期所發展出在一條電話線中可以同時負載電話和互聯網之技術[4],更為互聯網注入了新的活力,使用戶可以同時上網和打電話,提供了可以「永遠在線」的互聯網服務。

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離開學校或研究機構後,互聯網、萬維網、網絡瀏覽器、谷歌搜索引擎便成了是筆者寫作時尋求資料的必要工具。例如筆者在 2005 年寫《量子的故事》第二版時,如果不是它們的幫助,根本是不可能的工作!而現在寫這篇文章也是因為它們在陪伴著筆者才能快速完成的。

還有,筆者的所有經濟活動都已經是「無紙」(paperless)化了:水、電公司以及銀行等用電子郵件(見後)寄賬單後,自動提款;退休金、社會福利金每月自動入賬;銀行間可以隨時互相轉賬;……;因此可以整年不上銀行,也可以在遙遠的區域銀行開利息比較高的戶頭。股票的交易更是不可同日而語:以前根本看不到股票的瞬間動盪,買賣股票必須打電話給券商下單;現在都是瞬間個人操作!

生活中的所有經濟活動都已經是「無紙」了。圖/Envato Elements

電子郵件

早期的電腦使用者只能在同一台電腦裡留言。1971 年,麻省理工學院畢業生湯姆林森(Ray Tomlinson)在阿帕網工作時想出了創建一個使用 @ 符號的程序,使用戶能夠在阿帕網系統中的電腦間互發送消息。

沒過多久就有人找到了使用電子郵件賺錢的方法。1978 年,圖雷克(Gary Thurek)為當時 IBM 大型電腦勁敵 DEC(Digital Equipment Corporation)向數百名阿帕網用戶發送電子郵件推銷一款新產品,聲稱為該公司帶來了 1300 萬美元的銷售額,並為自己贏得了「垃圾郵件之父」的美名。 

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1982 年,「簡單郵件傳輸協議」(SMTP)標準化了郵件服務器發送和接收消息的方式。其它協議如互聯網「消息訪問協議」(IMAP)和「郵局協議」(POP),相繼在 80 年代中期出現。1993 年,美國兩家大商業互聯網服務商(AOL 和 Delphi)將他們的電子郵件系統連接到互聯網,使用戶能夠利用這種簡單快捷的通信方式。1996 年,微軟 Hotmail 成為第一個完全基於互聯網的免費電子郵件服務;一年後,微軟發布了預裝在 Windows 中的電子郵件程序。

現在的電子郵件當然已經不再只是當初之文字的傳送而已:圖片、網站連接、語音等等都可以透過電子郵件瞬間傳送到地球的另一方;真不敢想像當初一篇文章寄到台灣後、至少兩個禮拜才能收到回音的日子是怎麼過的?!

2012 年,湯姆林森在專門討論技術如何改變廣大群眾未來生活的「The Verge」網站裡謂:「我看到電子郵件的使用方式大體上與我預想的完全一致」。

智能手機

手機(cell phone)和車載電話(car phone)早就存在,但當時只能用來打電話(因為少見及昂貴,擁有它們事實上是一種身份的代表)。80 年代初手機網絡開始出現後,手機便慢慢取代家用電話成為無線便攜式電話。1999 年,加拿大「動態研究」(Research In Motion)公司推出可以傳接電子郵件的黑莓(BlackBerry)手機;2002 年進一步推出了一款「允許用戶管理他們所有的業務通信和信息、永遠在線、永遠連接的時尚……無線手持設備」的智能手機後,黑莓手機迅速成為商務人士必備的生活工具。

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黑莓手機為商務人士必備的生活工具。圖/維基百科

2005 年 7 月,谷歌收購移動操作系統「安卓」(Android)。蘋果電腦公司於 2007 年元月推出具有應用程序功能和突破性互聯網通信工具的結合體手機 iPhone;緊接著, 台灣宏達國際電子股份有限公司於 2008 年 9 月推出第一款商用安卓操作系統的智能手機。

2010,谷歌當時的企業發展副總裁勞維(David Lawee)回憶說這是谷歌「有史以來最好的交易」。誠然也!現今,安卓及蘋果手機操作系統(iOS)幾乎已經控制了整個智能手機市場。

現在的手機已經不再只是打電話的工具,而是將巨大的計算能力置於我們的掌中,帶領廣大的群眾進入了掌上個人電腦領域,徹底地完全改變了我們的日常生活方式!

人工智能

前面提到「文件處理軟體」是筆者日常生活中不可或缺的一部分!但真正讓筆者丟掉紙張、鉛筆、和橡皮擦的並不是它,而是谷歌的「語音轉文字軟體」。說來慚愧,筆者以前國文沒學好,不會注音符號;因此雖然有「文件處理軟體」,筆者還是沒有辦法輸入中文。

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因此曾有一段時間「威脅」《科學月刊》,謂如果不找人幫打字,那就不寫了。筆者當然心知肚明,隨著科普文章的作者越來越多,這「威脅」遲早會不管用的,因此很早就想用「語音轉文字軟體」。但早期的「語音轉文字軟體」似乎聽不太懂筆者的台灣國語,錯誤百出,因此只能心有餘而力不足的感嘆而已。

「語音轉文字軟體」所使用的思考方式不是寫傳統軟體的邏輯,而是「人工智能」(artificial intelligence)的運用。但中文「童因志泰掇」,因此人工智能必須比較「聰明」,相對地發展也比較慢。但今日的中文「語音轉文字軟體」已非昔比;如果沒有它,筆者在中文文章寫作以及通訊上,不是丟不了紙筆,便還是一位只能用英文的「假外國人」!

今天的「人工智能」不但是能支持語音轉文字的智能設備、還會與你下棋、幫你開車!事實上當然不止如此:如前面所說的,還可以隨時回答你的歷史與地理之無知!你想知道現在的高中生如何做數學作業嗎?只要將問題用智能手機照相下來,就可以立即得到答案!不懂中文的外孫女有一天突然用中文發簡訊給筆者問:「為什麼需要學第 2 種外國語呢?」

「人工智能」幫助我們達成日常生活中的各種事。圖/Envato Elements

去年 11 月 30 日美國舊金山 OpenAI 公司提供了一款免費的人工智能軟體 ChatGPT,它不但可以回答你任何問題、跟你聊天,還可以快速(以秒計)幫你寫散文、詩歌、文章。這不但立即引起整個教育界的震撼,也成為報章雜誌熱門討論的話題!過年後,不少公立高中學校便迫不及待地宣布禁止裝置及使用。

斯坦福大學教育學助理教授萊文(Sarah Levin)說:「如果你要它(對一些流行小說)進行文學分析,它會做得很好,幫你寫一篇會讓許多老師很高興、希望自己的學生都能夠寫出來的 B+ 文章!」寫一篇散文是美國大學「入學考試」中非常重要的一個評估標準,不知道他們以後將如何如何處理這一問題?

斯坦福大學「科技工數」(STEM)教學與學習實驗室的負責人李(Victor Lee)也說:「從技術層面來看,就像谷歌超越所有的網路搜索引擎,或 Netflix 改變了人們對流媒體內容的期望一樣,它(ChatGPT)將沖擊(整個)教育系統。……我們正處於一個新時代。」

這到底是好是壞? ChatGPT 回答說:「在校使用我或其他語言模型可以成為加強教育的寶貴工具;但重要的是要謹慎對待這項技術,並確保以有利於學生學習的方式使用我」。

結論

因為筆者覺得很有道理,在這裡我們就用被誤傳是愛因斯坦所說的話來結束吧:「我害怕技術與我們的人性重疊的那一天,世界上只會有一代白痴[5]。看來那一天已經離我們不遠了!?

在此先警告讀者:或許筆者下篇文章已經不是自己寫的了[6]

註釋

  1. 這兩項技術(鼠標和「所見即所得」)都不是蘋果電腦公司的創見,市場上均早已有之。SRI International 的 Douglas Engelbart 於 1960 年代初開始開發鼠標;鼠標控制計算機系統的第一次公開演示是 1968 年。因其對後來使用個人電腦的重要性發展,該次演示被稱為「所有演示之母」(the mother of all demos)。到 1972 年,從 Engelbert 得來的靈感,隔鄰 Xerox 公司的研究單位 PARC 之圖形用戶界面技術已經發展到可以支持第一個 WYSIWYG 編輯器的程度;1974 年,Butler Lampson、Charles Simonyi、及其團隊推出了世界上第一個所見即所得的文檔處理程序 Bravo。
  2. IBM 一直不看好個人電腦,也害怕個人電腦侵蝕了大型電腦的利潤,因此對個人電腦的發展一直採取消極的態度,所以將操作系統的發展工作交給了微軟。
  3. 可以看到一個接一個的英文字母在螢幕上出現。
  4. 在這之前,人們無法同時打電話和瀏覽互聯網,為了避免家庭爭執,許多家庭(包括筆者)均被強迫裝上兩條電話線。
  5. 愛因斯坦:「我們的技術已經超越了我們的人性,這一點已經變得非常明顯。」
  6. 事實上現在人工智慧的最大問題是:還沒辦法個性化!所以是寫不出這句話來了。

延伸閱讀:
「網路安全技術與比特幣」(科學月刊 2018 年 6 月號),轉載於「財團法人善科教育基金會」的網站

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。