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从结构与功能方面认识人工智能

时间:2011-10-26 16:00来源:知行网www.zhixing123.cn 编辑:麦田守望者

一、 问题

什么叫人工智能?也即电脑能否思维?

计算机能否思维关键在于人类对人脑的认识程度,在目前的情况下,我们该如何理解人工智能?下面从结构和功能上比较人脑和电脑的差别,来认识人工智能。

 

二、 结构

1.组成

人脑是一个长期自然演化的结果。人脑主要包括脑干、小脑与大脑三部分,脑干又包括间脑(包括丘脑和下丘脑,或称视丘、下视丘)、中脑(又称顶脑或四叠体)、桥脑和延脑。大脑的每个半球有一条中央沟(又叫中央裂),横切半球,还有一条在半球的基底面沿着边缘转向后方的深谷叫脑侧沟。中央沟和脑侧沟之前的部分叫额叶;枕骨下的半球后部叫枕叶;在枕叶之前、中央沟之后的半球顶部称顶叶;在脑侧沟后、枕叶前的半球侧部叫颞叶。

人的一切活动,不管是喜、怒、哀、乐的情绪反映,还是记忆、思考、判断、推理等智力思维,都是在脑的指导和参与下完成的。

电脑是人们制造的一个物品,主要包括输入设备(键盘、扫描仪等)、主机(处理器CPU、内存等)、输出设备(显示屏、磁盘等),其中中央处理器CPU的作用相当于人的大脑。CPU的内部结构可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分,计算机发生的所有动作都是受CPU控制的。其中运算器主要完成各种算术运算(如加、减、乘、除)和逻辑运算( 如逻辑加、逻辑乘和非运算); 而控制器不具有运算功能,它只是读取各种指令,并对指令进行分析,作出相应的控制。通常,在CPU中还有若干个寄存器,它们可直接参与运算并存放运算的中间结果。

从以上描述可看出,人脑的区域划分大于电脑的组成,人脑不仅仅是计算,人脑能完成一切称之为“智能”的活动,这与它的构成有关;电脑是人工产品,在设计时只赋予它计算功能,相应的是关于计算的区域:运算器,而控制单元和存储单元也是为计算服务。因此电脑又称计算机。但如果我们赋予电脑的其它功能,例如推理,甚或有一天赋予电脑情感的功能,则电脑也会具有推理或情感的能力。

2. 结构

大脑两半球包括表面灰质部分和里面白质部分。灰质部分叫大脑皮层或大脑皮质,它是神经系统的最高级的中枢,皮层有约140亿个神经细胞,由表至里共分六层:小细胞、颗粒细胞、锥体细胞、较密的颗粒细胞、较大的锥体细胞、梭状细胞。经科学家研究:人脑由1011-1012个神经元组成,每个神经元在结构上大致都可分成细胞体和突起两部分,突起又分树突和轴突两种,并且这些神经元进一步由突触连接形成一个复杂的网络系统。

电脑目前的芯片是由纯净硅制成的大型圆柱状晶体(硅锭),再被切割成薄片制造而成。二氧化硅,充当绝缘层。多晶硅则充当芯片上互连层的可导电物质。一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。当前的CPU内部结构实际可分为单总线和双总线两种结构,如经典Pentium内部由主处理器、数学协处理器、控制器、各种寄存器和L1 Cache组成。

从以上分析可看出,人的神经细胞远比电脑CPU芯片复杂,神经细胞本身是由活性的蛋白质组成,蛋白质又有自己的生物成分,神经细胞彼此之间构成复杂的网状结构,完成各种生理活动;而CPU的芯片组成成分是无机物的硅,不具有活性,CPU的结构也很简单,是线形结构;同时,神经细胞的数量也比晶体管的数量大得多。但这种计算机是顺序计算机即计算机一次处理一个计算机字的数据,这种计算机的根本问题在于:存储器是设计成每一指令周期存取一个存储单元。要获得更高的速度,计算机需一次执行不止一个运算,这样可将计算机的存储器分成许多小存储器,且为每个存储器配备一个处理器,这种计算机称为并行计算机。

3. 活动方式

人脑的神经元突触,中间有一个约0.000002厘米宽的间隙,叫做突触空隙。轴索末梢有突触囊,囊内有化学递质或介质。神经细胞在静止时,细胞膜内外有一定数值的电位差。当神经细胞的树突区接受刺激时,由于电位高低不同而产生电流,形成导电现象。电流冲动沿轴索传到末梢,刺激突触囊,释放出化学递质并进入突触空隙中去,进而刺激下一个神经细胞的树突区,引起第二个细胞膜的电位改变,产生电流冲动,如此传递下去。神经细胞之间的冲动传递,是神经活动的基本形式。

目前电脑的CPU主要是晶体管构成,晶体管是利用0和1这两种电子信号来执行指令和处理数据。电子在电路中流动或断开,完全由开关来控制,如果将开关设置为OFF,电子停止流动,如果再将其设置为ON,电子又会继续流动。晶体管这种ON与OFF的切换由电子信号控制,晶体管的ON状态用 1来表示,而OFF状态则用0来表示,这样就可以组成最简单的二进制数。成组的晶体管联合起来可存储数值,也能进行逻辑运算和数字运算。加上石英时钟的控制,晶体管组就像一部复杂的机器那样同步地执行它们的功能。

由此看来,人的神经冲动通过刺激改变细胞膜的电位,细胞之间互相传递。因为人的神经细胞数量巨大,神经呈网状结构,神经细胞之间活动的方向、受刺激细胞的数量、细胞传递的速度等都难以确定;而电脑的活动完全由指令来操作,以脉冲方式处理信息的开关,通过改变0和1,就能控制电脑的活动,了解电脑的变化形式,精确知道电脑运行结果。

 

三、 功能

不同的结构形成不同的功能。人脑和电脑在结构上差异巨大,导致二者在信息处理的功能上也有很大的不同。从以上的结构分析可看出:人脑是网状结构,具有不同的区域,各区域具有不同的功能,而完成一项活动是通过不同细胞的神经冲动,影响细胞的物理和生理反应实现的。细胞本身具有生物活性,能完成自身的生长、衰退和死亡。而电脑是人造产品,模拟人脑活动,具体说是进行计算。电脑的本身结构简单,有输入、输出、处理等几部分组成,各部分之间的联系通过电流的开和关,实现事务处理。电脑的构成成分是现实中的物质,不具有活性。因为二者种种的不同,导致它们处理信息的功能在以下方面的差别:

1.信息的处理方式

人脑的信息传递是通过突触实现的。通过它的传递作用实现细胞与细胞之间的通讯。人脑1000亿个活动神经细胞中的每一个,都将信息存储在突触上,然后沿着叫做轴突的主通道,通过电脉冲将信息传输到其他细胞和身体的其它部位,当信息到达另一脑细胞的突触时,会引发化学反应,从而完成人脑的“通讯功能”。

人脑的这种结构决定对信息处理的方式是群信息处理,多功能区域协同活动,是事实上并行。

如记忆这种功能涉及的区域有:大脑皮质、海马系统、丘脑下部中线结构及间脑系统等。实验表明:当脑损伤影响到这些部分,就会使该部的神经细胞及细胞间的联系发生障碍,将直接或间接地影响人的记忆,哪怕是脑最轻微的损伤-----脑震荡。同时研究发现控制嗅觉的功能区部分也与记忆密切相关,这能很好地解释了人脑记忆功能在视觉、感觉等刺激下得到强化。如果记忆活动与喜悦、恐惧或者激动等感觉结合起来,大脑中控制感觉的杏仁体也会传递信号,刺激两个功能区的细胞活动,加深记忆功能。

人类的记忆依靠脑内存在的广泛联系采用并行分布方式,多种不同记忆可同时进行处理和存贮。为了有效存贮信息,脑内的记忆不是单纯输入信息的印记,而是有一种如同“守门人”一样的功能,对涌入大脑内的信息进行分类和加工,形成一定的存贮结构。人类的记忆实际表明,记忆系统利用客观存在的事物聚类,事物在时空中的联系,通过归纳、组合、抽象等方式,将信息纳入到联系最省和方便提取的记忆结构中。在心理学研究中,已揭示有组块、图式等高级存贮结构。人脑这种处理信息的物质基础应是基于并行、分布、多层次结构广泛联系的神经网络。

而电脑对信息的处理是串行的:首先将要处理的信息按字节存储,也就是以8位二进制数或8比特为1 个单元存储,这些信息可以是数据或指令。指令指针(instruction pointer)会通知CPU,将要执行的指令在内存中的存储位置。根据这些地址把数据取出,通过AB总线送到控制单元中,指令译码器(instruction decoder)从指令寄存器(IR——Instruction Register)中拿来指令,翻译成CPU可以执行的形式,然后决定完成该指令需要哪些必要的操作,它将告诉算术逻辑单元(ALU)什么时候计算,告诉指令读取器什么时候获取数值,告诉指令译码器什么时候翻译指令等。当数据处理完毕后,将回到寄存器中,通过不同的指令将数据继续运行或者通过DB总线送到数据缓存器中。CPU就是这样去执行读出数据、处理数据和往内存写数据三项基本工作。这个过程不断快速地重复,快速地执行一条又一条指令,产生在显示器上所看到的结果。

目前电脑这种流水线(pipeline)的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由5~6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线,然后将一条X86指令分成5~6步后再由这些电路单元分别执行,这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令。

2.信息的反应速度

电脑处理信息的速度远没有人脑处理信息的快速,它对信息的提取是断续的分步的处理,它对信息的判断是通过概率模糊判断,涉及的区域是仅有的几个模块,这样由电脑所得到的结果常与事实相差很远,失去应有的很多价值。

人脑是多功能区域并行处理信息,人脑对信息的判断和推理是高效且准确的,不管这种信息是精确的还是模糊的。覆盖人脑的神经网络约有140亿个脑细胞,脑细胞之间的联接‘通路’却高达100万亿个,以及神经冲动可同时处理三个维度关系,即神经元自身的结构,象树突、轴突等构成一维关系;神经元和神经元之间构成二维关系,神经元和神经网络构成三维关系。这样大脑对不同信息的分析判断和推理,不是依靠概率,而是在不同区域的协同反应下,快速而准确得出结论。

3信息的适应性

研究表明;人脑的神经元具有再生的定向控制、神经元回路的构建、以及重建等机制。神经细胞之间的‘通路’即神经元轴突,是构成记忆的基础,特定的‘通路’代表对特定时间的记忆。‘粗大强壮’的通路会加强记忆力,而‘纤细’的通路则会抑制人的记忆功能。供氧充足,‘通路’变得粗壮发达,记忆能力随之增强。供氧不足,‘通路’变窄变细,记忆功能就会受到抑制。”同时不同于那些出生前发育并且持续终生的神经元,新神经元只有3到4周的寿命,它们与海马区的记忆稳定性紧密相关。成人齿状回中的神经形成可以消除海马区中的记忆痕迹,为新的记忆腾出地方。不同神经元结构对记忆时间也有关系,对于各种外界刺激形成临时性记忆和永久性记忆在大脑神经元产生不同的结构变化。神经元在不同的情况下,通过改变自身的结构适应外界反应的变化,具有自适应性。除人脑这种结构自适应性外,人脑不同区域之间在功能上也是交替的和可塑的。如大家熟悉的功能补偿,一个人的视觉发生障碍,他的触觉、听觉等功能会优于常人;人脑的某一部位变化,相应的功能由其它区域完成。这种区域间功能变化,表明人脑有很强的适应性。这与电脑对外界的反应的机械性,缺乏容错性是不可比拟的。

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