電腦如何思考

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。