人工智能系列：机器的进化（上）

大家好，在这样一个人们都在享受着计算机给我们生活带来的无限便利的时代，大家大概很难想象计算机当年是一个庞然大物。在介绍具体的第一台计算机之前，先来看一个假想的计算机模型——图灵机。

1. 图灵机：假想的机器

图灵机是一个模拟人类进行数学计算过程的机器，所以在认识图灵机之前，可以先回想一下自己平时是如何做数学题的。

首先我们需要读题，从题中过滤掉次要的信息，提取出主要信息；然后要对这些信息进行各种运算；最后将得到的答案写在答题卡上。

图灵机的基本思想便是用一台机器来模拟人的数学计算过程。图灵机是由图灵在 24 岁时发表的论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》中提出的，文中他构想了一种十分简单但计算能力极强的理想计算装置，被称为“图灵机”。

尽管图灵机是模仿人的计算过程，但它并不能像人一样阅读问题和给出答案，它的运行过程也包括读取、计算以及输出的过程。图灵机是由一个控制器、一个读写头和一根假设无限长的工作带组成的，就像图1描述的那样。

图1 图灵机

看到“无限长”这个词，大家就可以意识到图灵机只能存在于想象中，它只是一个概念，而并不是真实存在的机器。

在图灵提出图灵机的构想之前，也有很多科学家进行过计算机器方面的研究，例如查尔斯·巴贝奇提出的差分机（甚至还制作出了实体机）等。但为什么图灵机现在成为了计算机发展历程中最典型的模型呢？

关键问题在于，其他的计算机或模型往往只能用于解决某一类特定的问题，例如乘法机就只能用于乘法运算，差分机可以解决复杂的加减运算和多项式求解。但在其他问题上，这些机器可就无能为力了。人们不能为每一个数学问题都建造一台如此复杂的机器，否则我们的世界将堆满用于解决不同问题的计算器。

相比之下，图灵机模型简单，且符合人们的愿望：建造一台机器，就能够解决通用的问题。这种简单的结构对于现代计算机的制造提供了重要的参考意义。

这个过程与做数学题比较相似，我们也是从存储器（试卷）上获取问题，然后信息收集器官（眼睛或耳朵）选出有用的信息传递给控制器（大脑），在大脑计算处理之后，再写在答题卡上（此时视觉听觉及手臂构成了读写头）。

对于不同的可被计算的问题，可以通过设计控制程序和控制状态，最后完成任务的执行。

2. 图灵机的各个组件及其功能

图灵机的组件如图2所示：

图2 图灵机的组件

（1）一条无限长的纸带。图灵机只是一个理想的设备，图灵认为它能模拟人类所能进行的任何计算过程。纸带被划分为一个接一个的小格子，每个格子上包含一个来自有限字母表的符号，字母表中有一个特殊的符号表示空白。每个方格里存储着所需的一个字符（0 或者 1）。

（2）一个读写头（HEAD）。该读写头可以在纸带上左右移动，它能读出当前所指格子上的符号，并能改变当前格子上的符号。

（3）一个状态寄存器。它用来保存图灵机当前所处的状态。图灵机的所有可能状态的数目是有限的，并且有一个特殊的状态，称为停机状态。

（4）一套控制规则（可以理解为程序）。它根据当前机器所处的状态以及当前读写头所指格子上的符号来确定读写头下一步的动作，并改变状态寄存器的值，令机器进入一个新的状态。

图灵机的各个组成已经有了现代计算机的雏形，对现代计算机的结构、可实现性和局限性都产生了深远的影响：工作带类似于今天的硬盘，所有的数据都存储于此。读写器则类似于硬盘中的磁头，读写硬盘中的内容。

而控制器的功能比较多，不仅包含 CPU 的运算能力，还包括了一定的程序算法。在解决不同的问题时，只需要改变控制器中的算法，即可实现图灵机功能的改变，因此，可以说图灵机是一种“通用型的计算机”。

在图灵机这一构想的指引下，各种类型的计算机被制造了出来。图灵关于图灵机的思考可以追溯至他为英国情报部门破译德军密码的第二次世界大战时期，如图3所示。图灵的故事被后人翻拍成了电影《模仿游戏》。

图3 图灵的密码破译机

从图灵机的概念提出到现在，已有80年的时间了，后人也对图灵机的模型做了很多改进和拓展，图灵机也为计算机的出现提供了概念基础。