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電腦如何思考

電腦如何思考

The Pattern on The Stone

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內容簡介

  電腦不只是先進的計算機、照相機或畫筆,我們寧可說,它是加速並延伸人類思維過程的裝置。電腦是創意機器,它始於我們所賦予的概念,卻也超越了我們所能想像的境地。

  窺探顯微鏡下的晶片,你相信這些錯綜複雜的圖案能如咒語般創造出真實世界嗎?很多人對於電腦運作的原理感到困惑,總覺得自己永遠無法了解它。表面上看起來很複雜的電腦運作方式,其實可以分解成幾個簡單部分,再以單純的步驟反覆執行,這就是電腦運作的原理,也是奚力思在這本書中所要呈現的。電腦鬼才奚力思針對資訊處理做了精闢的解釋,經由他的闡述,你可以直線思考,發現電腦的運行方式其實就像腳踏車一樣簡單。

  少了對硬體艱澀的描述與高科技用語,也沒有電子學的深奧理論,取而代之的是清晰的解釋與生動的譬喻,本書引領你進入電腦運作的世界,無須拐彎抹角,讓你知道電腦究竟在做些什麼、思考什麼。跟隨奚力思的腳步,從描繪基本邏輯開始,經過程式語言、演算法和記憶體,最後邁入現今最熱門的話題--量子計算、平行電腦、神經網路以及自我組織系統。這本透視電腦思考的經典之作,將為你一一解開矽晶謎咒。

  希力思對事物兼具原創與完全掌控的天分,令人驚嘆!

《連線》(Wired)雜誌主編Kevin Kelly

 

目錄

總序 激發出半個愛因斯坦 高希均

序 石頭上的神奇魔力 奚力思

Chapter 1 And、Or、Invert 1

晶片設計的原理其實只是邏輯函數。

你可以藉由正確的邏輯敘述,加上開關和連接器,

做出會玩猜拳或井字遊戲的機器。

Chapter 2 有限狀態機 25

在自動原子筆、密碼鎖、紅綠燈,

甚至契約書中都可見到有限狀態機的蹤影,

它不僅可辨別序列,更可執行時間函數。

Chapter 3 與硬體對話 49

有經驗的程式設計師就像詩人一樣,

可以將心中無法表達的想法,化為美麗的詩句,

就如同看莎士比亞的作品般享受。

Chapter 4 杜林機的通用程度 75

就功能而言,所有的電腦都是一樣的,

不論它是由電晶體、水管與活門,或是神經元所構成,

只要程式正確,電腦就會思考。

Chapter 5 演算法與啟發式解法 93

演算法是一種萬全的程序,保證能得到特定的目的;

啟發式解法則傾向於得到正解,卻無法百分百保證。

但是,啟發式解法往往比演算法來得實際。

Chapter 6 記憶體:壓縮與加密 111

理想的通用電腦有無限大的記憶體,

但真實電腦的記憶體卻有限,

壓縮與加密資訊不但節省時間,更能減少記憶體數量。

Chapter 7 速度:平行電腦 131

資料傳輸的速度受限於光的極速,

在不改變電腦基本設計的情況下,

平行電腦突破了人類所能加速電腦的極限。

Chapter 8 學習與適應的電腦 149

當一個會隨經驗改進的程式在運作時,

電腦能夠從錯誤中學習,並修正錯誤,

這是透過回饋系統來達成的。

Chapter 9 「演化」出人工智慧 167

在電腦裡模擬生物演化的過程,使每一代新程式在產生之後,

經歷測試與淘汰的程序,讓適合的程式存留下來,

這就是以演化概念取代工程設計上的缺失。

 

石頭上的神奇魔力

  我在石頭上蝕刻一些幾何形狀的圖案。對不熟悉這些圖形的人來說,它們看起來相當神秘、複雜,但我知道,只要經過正確的排列,這些圖案就賦予這塊石頭特殊的能力,使它能回應某種人類未曾使用、撰寫過的咒語。透過這種咒語我將對石頭提出問題,它則示我以幻影:一個由我的咒語衍生的世界,一個由石上圖樣孕育的世界。

  幾百年前,在我的故鄉新英格蘭,如果我這麼精確地向人描述我的職業,可能會遭致火刑。弔詭的是,我的工作與巫術絲毫扯不上關係,實際上,我設計電腦並撰寫程式。所謂的石頭是用矽做成的薄晶片,咒語則是指軟體(software)。矽晶片上蝕刻的圖形及指揮電腦的程式,看起來可能既複雜又神秘,但它們都是根據一些基本原理設計出來的,而解釋這些原理則非常容易。

  電腦是人類創造物中最複雜的,不過,若從最根本的觀點來看,它們其實還是相當簡單。藉由與幾個小組人員的合作,我已經設計、建造出含有數十億個活動元件的電腦。若把這些機器中任何一個線路圖呈現出來,那會填滿大型圖書館裡的所有書籍,而且沒有任何人有耐心全數讀完。幸而計算機的設計有規則可循,所以我們並不需要這樣的線路圖。電腦是由其元件按階層架構(hierarchy)建構起來的,而每個元件則被重複利用,因此當你想了解電腦,只需要了解這個階層架構就可以了。

  另一個讓我們容易了解電腦的原理是元件間交互作用的本質。這些交互作用非常單純且定義明確,它們通常是單方向的,因此電腦的動作便能清楚地分為因與果,也使得電腦內部的運作方式,比汽車引擎或無線電的運作方式更容易讓人理解。電腦所用的元件比汽車或收音機還多,不過電腦元件彼此間的運作方式卻單純多了,它對於概念、思想上的依賴程度比其技術層面要高得多。

  此外,這些概念與製造電腦所用的電子學幾乎沒有任何關係。現今的電腦雖由電晶體及線路構成,但依照相同原理,它也可以用活門及水管或是木棍及繩線製造,此原理正是電腦能執行運算的精髓。電腦最引人注目的地方之一就在於它的原始本質超越了技術層面,而這樣的本質正是本書所要介紹的。

  這樣的書是我希望自己在初次接觸計算(computing)這個領域時,就有機會讀到的。一般電腦書不是說明如何使用電腦,就是介紹電腦零組件(ROM、RAM和磁碟機等)的製作技術。有別於其他電腦書,本書的目的則在描述電腦運作的概念。我會介紹電腦科學領域的大部分重要概念,包括:布耳邏輯(Boolean logic)、有限狀態機(finite-state machines)、程式語言(programming language)、編譯器(compiler)及直譯器(interpreter)、杜林普遍性(Turing universality)、資訊理論(information theory)、演算法複雜性(algorithmic complexity)、啟發式解法(heuristics)、不可計算功能(computable functions)、平行運算(parallel computing)、量子計算(quantum computing)、神經網路(neural network)、機器學習(machine learning)以及自我組織系統(self-organizing system)。對電腦有興趣的人,可能早已接觸過其中許多種概念,但在電腦科學正規教育之外,我們鮮少有機會去了解這些概念彼此如何配合、協調。這本書提供全方位的電腦概念,從最簡單的啟閉開關(switch)物理程序,到自我組織的平行電腦所呈現的學習及適應行為,幫助您將這些概念連貫起來。

 

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