人脑与电脑
作者：戴君惕
作者简介：戴君惕1941年12月出生，湖南长沙人。在农学院工作期间，戴君惕先后获省级科技奖项4项。
一
1946年,在美国科学家艾克特和毛里利的指导下,第一家大型电子计算机问世了。人们从世界各地络绎不绝地来参观这个占地6个房间的面积,重30吨的庞然大物。这台电子计算机叫做“埃尼阿克”,机内使用了1800个电子管,7000个电阻,10000个电容器和6000个继电器,造价为1亿美元。它的运算速度是每秒5000次,比人算快20万倍,比当时最好的手摇计算机快1000倍。人们看到它轻而易举地计算着各种繁难的数学题,无不大为赞叹。
操纵“埃尼阿克”当然是件无上光荣的事。所以,年轻的计算机专家在白天紧张的工作后,仍舍不得离开。他们想利用机器的空余时间做一项有趣的尝试——打破计算“π”的小数点后数字的世界纪录。
“π”即圆周率,是自然界最重要的无理数之一。远在1500年前,我国伟大的数学家祖冲之就精确测算出π的数值到小数点后第七位,即π值在3.1415926和3.1415927之间。西方数学家在1100多年后才得到这个数值。
从这以后,许多数学家耗费了大量精力来计算更精确的π值。1593年,法国数学家韦达把π值计算到17位小数,德国的鲁尔道夫算到了小数点后35位。1717年,英国的夏普超过鲁尔道夫,把π算到了小数点后72位,到了19世纪,威加、达斯、雷歇分别把π算到了小数点后第140、200和500位。最后在1873年,谢克斯花了整整15年时间来计算π值,终于求得了小数点后707位数值,这个世界纪录一直保持到20世纪40年代。
现在,操纵计算机的小伙子们编好了一个计算π的无穷级数的程序,把它输入“埃尼阿克”。结果,计算机只算了70多个小时,竟把π值计算到小数点后2035位!
使人们大为震惊的是在第五百几十位的地方,计算机专家发现谢克斯的数值有一个错误。这样,谢克斯的π值从这位数后的100多个位数便全部出了错,这就把可怜的谢克斯的15年努力全部一笔勾销了!
电子计算机真是人类的伟大发明。在运算速度方面,它有着人所无法相比的优越性。最近我国制成的“银河”巨型计算机,每秒钟能进行10亿次运算,利用它可以解决那些要花费成千上万人的一生才能精确计算的极为复杂的问题。同时,也只有利用计算机才能控制各种快速运动的复杂系统。但是,在以计算机为核心的现代控制系统里,人仍然是最重要的环节,这是因为人体拥有一台世界上最完善的“天然计算机”——大脑。
人脑,大约只有1500克重,体积只有1500毫升左右,所需能量不到2.5瓦,但却有140亿到150亿个细胞,这个数目是全世界人口总数的3倍。目前,最好的电子计算机——巨型机比人脑要重上万倍,消耗的电能也要多上万倍,但它的“记忆”和“思考”能力却远不及人脑,可靠性也比人脑差得多。
人脑有很强的记忆力,并且善于思考。人类在解决问题时,能够联想和回忆,能够一边思考旧问题,一边解答新问题;遇到出乎意料的情况时,人能够随机应变,妥善处理,电子计算机就缺乏这种创造性思维。至于人脑能利用视、听、味、触等感觉器官的信息,综合地感知外界的复杂情况,做出相应的处理,更是电子计算机所望尘莫及的。
为了进一步发现计算机和自动机的新的设计原理,仿生学家和电子学家正致力于生物脑思维和记忆机制的研究。当然,事情得由易到难,首先应研究昆虫和蠕虫的简单的脑。目前科学家已研制出一种“人工脑”模型,它不但具有复杂的计算机程序,还有简单的“思考”能力。将来,把这种“人工脑”装在机器人身上,就有可能制造具有较高“智能”的机器人。
二
第一台电子计算机诞生于1946年,但它“衰老”得很快。1955年,这台每秒只能运算5000次的巨人就被停止使用了。到1957年,12岁的“埃尼阿克”已被人们拆得七零八落,正式进入了坟墓。但它的子孙却一代胜过一代,在地球上迅速地繁衍起来。1956年第二代电子计算机问世了。它的元件不再是电子管,而是体积小得多、性能好得多的晶体管。晶体管计算机的体积是电子管计算机体积的千分之一,但效率和寿命却提高1000倍!
1958年美国人吉尔比把晶体管、二极管、电阻、电容、电感等分立的电子元件做在一块硅片上,制成了世界上第一块集成电路。不久,第三代电子计算机——集成电路计算机制成,它的体积比第二代计算机又明显缩小。
1971年,英国霍夫把2250个晶体管微化到一粒米大小的硅片上,制成了第一块大规模集成电路。1975年,以大规模集成电路为元件的第四代电脑问世。这一代电脑向着两个方向发展:一个方向是每秒计算亿次甚至几十、几百亿次的巨型机;另一个方向是体积很小的微电脑。短短几年内,微电脑一跃而成为计算机和自动化科学的最大热门。从第一代计算机到最小的微型电脑,重量已从几十吨减轻到几十克,体积已从几个大房间缩小到一个香烟盒那么大,耗电量已从几百千瓦下降到几十瓦,而计算机性能却提高了上百万倍,价格也降低到原来的万分之一,这是多么了不起的成就啊!
可是,与生物的脑相比,计算机还存在很大的差距。人们还得赶紧研制更新式的计算机。
1978年美国沃尔夫发明了超大规模集成电路。两年后,采用沃尔夫的办法制造出能集成60万个晶体管的微型硅片。尔后,一家公司造出了含1048000个信息单位的微型集成电路片,最近又有4兆个信息单位存储芯片问世。在这基础上,第五代电脑已经研究成功。
第五代电脑在微型化方面已经可以与生物脑媲美了。但是,这仍然是没有思维能力的机器。要更逼真地模仿人脑,从现在起就得着手研究第六代、第七代电子计算机。
人类的智慧真是无穷无尽。现在,第六代计算机的研究方案已经提出来了,这就是利用活的“生物集成电路”的生物电子计算机。
拟议中的生物电子计算机,不用现行的硅集成块组装,而是用系列生物分子构成。这种“生物集成电路”,可以是涂有单层蛋白质的平面型集成电路玻璃片,也可以是利用活性极强的蛋白质组成的立体分子阵列,植入生物细胞内,让它像集成电路一样指导电流脉冲。现今硅片上存储一个信息单位的地区仍包含数以亿计的原子数,而生物集成电路里,一个分子就能存储一个信息单位。这样,计算机就能再缩减千万倍,其运算速度要比目前最先进的微电脑快100万倍!
最近,科学家们又设计了一种新型的生物电子计算机——DNA分子计算机。DNA是脱氧核糖核酸的简称,它是最重要的生命物质之一,负责贮存和传递遗传信息。DNA上有4种生物碱基,它们的不同排列构成基因的遗传密码。而在DNA大分子中,4种碱基的不同排列是一个天文数字,因此可以贮存大量的信息。在某种酶的作用下,DNA分子之间可在瞬间完成生物化学反应,从一种基因代码变成另一种基因代码,利用这一特点可制造DNA计算机。到那时,DNA计算机运算几天相当于从计算机问世以来全世界所产生的电子计算机运算量的总和。1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿位的数据,而消耗的能量却只有一台普通电脑的十亿分之一。
除运算快和耗能低外,生物计算机最吸引人的还是它的可思维性,它具有类似人脑的功能,即在平行水平上同时处理众多的信号脉冲。这种第六代电脑制成后对人类社会的巨大影响,是怎么估计也不会过分的!
三
机器人英文称Robot。这个名字来源自捷克作家一出戏剧中的人物。人们在科幻电影中常常见到英雄。看过科幻卡通片“变形金刚”的,也无不对神通广大的汽车人有着深刻的印象。
人类幻想制造机器人来减轻自己的劳动已经有几千年的历史了。传说鲁班曾经制造了一个木人,它“机关备具”,能在路上自动行走并能驾御“木车马”,这可以说是世界上最早的机器人。到了工业革命时代,由于生产发展的需要,特别是要进行高温、高压、高真空或放射性等危险条件下的生产,机器人的制作提到了议事日程,日益受到人们的重视。
最初的机器人其实只是机械手或操作器,它是模拟人手功能的技术装置。机械手就像一只巨大的手,它的手臂能上下左右地转动和伸缩,腕关节也能弯曲和转动,因此能使手指部分自由定向。机械手在宇宙空间、深海、燃烧室、放射性室、核反应堆等对人体有危害的区域有着十分广泛的应用。机械手的进一步发展是遥控操作器,它是带有“人造眼”——传真电视机的操作器与电子计算机联用,并由人进行控制的人机系统。这种操作器工作时,它的手指触觉信号和传真电视机的视觉信号传给遥控计算机,此计算机像人脑一样将信息加工后发到地面控制室里,操作员可直接在显示屏上看见操作器的工作情况,并通过控制器和地面计算机控制操作器的下一步行动。
遥控操作器已经有成百上千种,它们在各种危险区域执行着各种各样的任务。1967年,一台遥控操作器登上了月球,它在地球上人的控制下,挖掘了月球表面46厘米深处的土壤样品,并对样品进行初步分析,以确定土壤的硬度和重量等,俨然是一位在行的土壤学家。
据统计,目前世界上共有30万个工业机器人在流水线旁,日夜不停地从事焊接、油漆、抛光、安装等简单重复的机械性操作。在巴黎地铁车站内,一队机器清洁工天天在打扫卫生,它们用履带行走,还可以上下楼梯。在德国法兰克福机场,一个名叫“全天候清洁工”的机器人为汉莎航空公司擦洗远航归来的飞机,它可以在两小时之内把一架波音747大型客机擦洗得一干二净,这项工作原先由16个清洁工干上十个小时才能完成。在日本,机器人在建筑行业大显身手,高楼机器人用它们脚下的吸盘牢牢地“站”在大楼的玻璃墙面上,进行擦玻璃窗的危险工作。在美国,机器护士小姐已经在医院里代替护理人员从事各种各样的服务性工作,如送衣、送饭、送药、送病人及护理人员需要的一切东西。更神的是侦探机器人,它体积极小,行动方便,简直可以无孔不入。它嗅觉灵敏,不仅能嗅到埋藏于地下的******,还能发现核技术装置的位置,在特别紧急的情况下,它还能带上摄像机,深入敌巢或有放射性物质的建筑物中,向远在安全地带的人传送图像及情报。在德国、日本和美国,还制造出了一些会走路、看书、写字、听话和说话的机器佣人,它们能认识自己的主人。早晨主人起床时,它会礼貌地问安,然后送上早点,主人不在家时它能按主人的吩咐熟练地料理各种家务,主人回来时,又有礼貌地迎接,殷勤地为主人做这做那,真像一个忠心耿耿又聪明乖巧的仆人。
但是,无论机器人怎样聪明,它的智慧都是人类编好程序输入它的电子脑袋的,人类永远是机器人的主人。
