計算的未來 從建模和聯(lián)系到現(xiàn)實交互

在計算機領(lǐng)域，每隔30年，就會卷起一場計算運用新浪潮。上世紀50年代，人們?yōu)槲镔|(zhì)世界建模；80年代，人們設(shè)法利用計算機增強彼此的聯(lián)系；在新世紀的2010年，計算應(yīng)用翻開了與物質(zhì)世界交互利用的新篇章。未來的計算機科學(xué)發(fā)展將為我們帶來什么？它又需要什么樣的設(shè)備、方法和技術(shù)的支持？看圖靈獎獲得者Butler Lampson對這些問題的思考。本文譯自Butler Lampson在紀念圖靈誕辰100周年大會的發(fā)言稿What Computers Do: Model, Connect, Engage（視頻），已收入北京TAMC 2012會議文集。

以下為文章全文：

1950年左右，計算機最初用來對事物“建?！保∕odel）或者模擬事物。無論對象是核武器還是工資單，方法都是一樣：創(chuàng)建一個和目標對象在某些重要方面相似的電腦系統(tǒng)，然后觀察這個系統(tǒng)，根據(jù)對象的行為作出推斷。這樣做的核心概念是抽象：這里有一個理想的系統(tǒng)，常常由方程組來定義，它既像是目標系統(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、飛行中的飛機等系統(tǒng)，而且建模才剛剛開始被利用。

模型可以很簡單，也可以非常復(fù)雜，可能很粗糙，也可能要求非常詳細，所以就算非常小，它們也能夠配合可利用的硬件容量。和書信、電話還有面談相比，利用早期計算機來“聯(lián)系”（Connect）人們，要么無法實現(xiàn)，要么費用昂貴。但是在1980年左右，摩爾定律在數(shù)字硬件方面的進步讓計算機變得經(jīng)濟實用，可用于文字處理、電子郵件、移動手機、網(wǎng)絡(luò)、搜索、音樂、社交網(wǎng)絡(luò)、電子圖書、視頻等領(lǐng)域。很多這樣的通訊都是實時的，但更多涉及到信息存儲，數(shù)量常常達到許多PB (petabyte)。

所以建模和聯(lián)系都有些過時了——它們看似已經(jīng)沒有發(fā)展空間了。但其實并非如此。物質(zhì)世界和虛擬世界都極為復(fù)雜，我們現(xiàn)在有很大的契機做更精確的建模：化學(xué)反應(yīng)、機翼、紙尿褲、經(jīng)濟以及社交網(wǎng)絡(luò)都還遠遠未被充分理解。遠程呈現(xiàn)仍然沒有面對面交談的效果好；口語的實時翻譯還比較粗糙；機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)新的機會，特別是在教育領(lǐng)域，因為計算機能為老師們提供功能強大的工具。

然而，我認為，在未來的30年中，最激動人心的計算應(yīng)用莫過于與物質(zhì)世界不尋常的交互利用（Engage）了。換句話說，計算機將會變得更形象具體。如今這一應(yīng)用還處于萌芽階段：人們遠程操控的外科手術(shù)機器人和飛機、自動吸塵器、車輛巡航控制、還有針對交通數(shù)據(jù)開發(fā)的基于手機的傳感器網(wǎng)絡(luò)等。幾年后，我們也許開發(fā)出自動駕駛的汽車、人工眼睛和耳朵、在家里和人體內(nèi)放置的健康傳感器、以及高效的自動化私人助理等。我很難記住人們的名字和容貌，所以我個人的夢想（比擁有一輛自動駕駛的汽車更容易）就是有一臺微型照相機，可以別在我的襯衫上輕輕提醒我，“這是約翰?史密斯，你去年在洛杉磯見過他?！背酥尾【让?，這些系統(tǒng)還能帶來巨大的經(jīng)濟效應(yīng)。自動駕駛的汽車會讓現(xiàn)存的道路系統(tǒng)更高效，同時還把駕駛者解放出來，去做更多有用或者愉快的事情，而且節(jié)約了能源。

當一個計算應(yīng)用可能實現(xiàn)時，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個月提升一倍。在20世紀60年代，“所見即所得”的文字處理器還沒有開發(fā)出來，因為那時的機器運行速度太慢，價格太高。第一臺被公認為個人現(xiàn)代計算機的機器是1973年研發(fā)的Xerox Alto，它可以完成不錯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，或者存儲音樂、圖書。交互利用需要場景、語音識別、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)才剛開始在合理的成本下變得可能。現(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)時間能處理每秒2×1017次神經(jīng)鍵事件，而一臺2GHz內(nèi)存、8核、64位處理器的電腦能達到每秒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年的時間才能對等，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)。要從外部衡量一臺電腦或通訊系統(tǒng)的性能，我們會看它的帶寬（每單位時間完成的工作）、延時（完成一件任務(wù)的時間）以及可利用性（及時完成工作的概率）。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：近似（Approximate），增量（Increment），分治（Divide and conquer）——縮寫為AID。

得出一個近似值往往是容易踏出的第一步，而且也經(jīng)常能夠滿足需求。更重要的是，很多系統(tǒng)沒有正確的答案，或者時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)和主要的計算，這些系統(tǒng)和飛行控制、統(tǒng)計、文字處理以及電子郵件系統(tǒng)有著本質(zhì)的不同。
當情況變化時，比起重新抓取信息，重新計算，通過增量調(diào)整狀態(tài)是加快系統(tǒng)速度的最佳方法（缺乏一個更好的算法）。比如，各種形式的緩存：寫時拷貝（Copy on write）、負載平衡（load balancing）、動態(tài)擴容（dynamic scale out）、即時編譯（just in time compilation）。在開發(fā)中，最好是通過增量來改變和測試一個功能系統(tǒng)。設(shè)備驅(qū)動、（應(yīng)用程序）、瀏覽器插件以及JavaScript這些組件增量式地擴展了平臺，而且即插即用、熱調(diào)接等技術(shù)也擴展了硬件。
分治是最好的單一原則：將一個大問題拆成很多小部分，例如，遞歸、文件或DNS的路徑名稱、記錄前次更新失敗的日志、硬盤的分區(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、瀏覽器或視覺系統(tǒng)（如Kinect）構(gòu)成。

對于交互利用來說，算法和抽象就不夠了。概率也是根本，因為機器對于物質(zhì)世界的建模必然是不確定的。我們才剛剛開始學(xué)習(xí)寫程序去處理這種不確定性。他們利用很多方法在隨機的變量中合并連接模型，包括統(tǒng)計學(xué)、貝葉斯推斷和機器學(xué)習(xí)技術(shù)。這些變量有的可見，有的隱藏。人們利用可見的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)模型的參數(shù)，然后推斷隱藏的變量，例如，通過觀察如相機拍攝的圖片數(shù)據(jù)，來推斷道路上車輛的位置。

關(guān)于交互利用的一些應(yīng)用對安全性至關(guān)重要，如駕駛汽車或者做外科手術(shù)，相比典型的計算機系統(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)：為想要的行為撰寫細致的規(guī)范說明；給出或多或少的形式證明他們的代碼確實落實了那些說明；利用復(fù)制狀態(tài)的機器來保證系統(tǒng)即使在某些組件停止工作的情況下也能運作。如今，這些方法僅僅適用于相對簡單的系統(tǒng)。如何才能擴容？怎樣設(shè)計系統(tǒng)才能盡量減少安全性瓶頸，從而提高可靠性？關(guān)于這些問題我們還要不斷學(xué)習(xí)。

對于用戶來說，交互利用可以變得非常重要，而且當他們想要得到這種價值的時候，需要應(yīng)對許多困難，如人造眼之于盲人。其他的應(yīng)用就是隨處可見的計算，雖然有用，但價值有限，如一個可以告訴你哪個朋友在附近的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)必須要構(gòu)建得很好，才能讓其有限的價值多過使用它們的爭論。許多這樣的系統(tǒng)都失敗了，因為沒能滿足用戶的需求。

未來幾十年的計算系統(tǒng)將擴大現(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)域從而讓計算機與物質(zhì)世界進行不尋常地交互利用。這些系統(tǒng)將繼續(xù)為用戶和創(chuàng)建者提供豐富的價值源泉，而這里的用戶幾乎包括了世界上的每一個人、每一個激動人心的問題，不論是智力上的還是實際存在的問題。

作者簡介：Butler Lampson，知名計算機科學(xué)家，1992年圖靈獎獲得者?，F(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)計了SDS 940分時系統(tǒng)、Alto個人分布式計算系統(tǒng)、Xerox 9700激光打印機、兩階段提交協(xié)議、Autonet局域網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全的SPKI系統(tǒng)以及多種編程語言。他從事的工作內(nèi)容包括計算機體系結(jié)構(gòu)、局域網(wǎng)、光柵打印機、頁面描述語言、操作系統(tǒng)、遠程程序通話、編程語言及其語義、大規(guī)模編程、容錯計算、事務(wù)處理、計算機安全、所見即所得編輯程序以及臺式計算機等。

曾獲1984年美國計算機協(xié)會軟件系統(tǒng)獎，1996年IEEE計算機先驅(qū)獎，2001年獲得馮?諾依曼勛章，2004年國家工程院的德雷珀獎等眾多表彰與榮譽。