王迪兴谈计算机的空间结构计算理论

 

                 

摘要:·诺依曼早在1948年就曾明确提出:要创造功能确实很强的计算机,缺少构成复杂系统的逻辑结构模式及方法。复杂性科学先驱霍兰(J.H.Holland)在《涌现》一书中认为,使每个神经元与成百上千神经元相互作用,产生自涌现象的理论与技术问题没有解决。当前的人工智能面临基础理论不明确的问题(注1)。有人认为计算理论需要重塑(注2),我们提出准全息系统论,通过16进制类脑计算机说明其实用意义。

关键词:准全息系统论,准全息空间结构计算理论,结构数学

一、引言

“准全息系统论及智能计算机”(注3、)专著出版已近20年,发表论文“21世纪的计算机”也已十几年(4,论文引用排行榜始终是前1前2)。可有人还在喊重塑计算理论!说人工智能没有明确的基础理论,想通过十三五脑科学计划为计算机或人工智能提供新的理论启示。更荒唐的是花巨资去搞一个根本没有预期性的量子计算机。因而感觉有必要补充修改十几年前的一篇未发论文“关于计算机的空间结构计算理论”,目的是为计算机、人工智能、脑科学提供理论参照并说明其具体应用。

二、准全息空间结构计算模型

1反映整数之间的加减运算关系,图2反映有理数之间的乘除、乘方、开方、对数、反对数运算关系。属结构数学及空间结构计算模型。

 

            

           图1                  图2 a

      

                        2b                                                   2c                   

            

1、空间结构计算理论

计算理论应像图1图2一样确定状态及状态关系,通过物理手段确定状态的输入输出及转换状态(计算)机制。计算技术与真实的物理状态并非一回事,前者要基于确定性状态进行转换,有表达极限及物理作用机制的限制。后者是确定与非确定的统一,永远不可能穷尽描述。结构计算理论与计算技术是确定一个状态空间,这与时间计算理论与技术具有本质区别。前者的状态转换基于因果关系模式,体现多因多果互为因果的共时性,后者的状态转换是体现单因单果的非共时离散性。不管是连结机制、符号机制、行为或控制论机制,都只能是基于确定的因果关系转换因果关系,包括人脑。量子计算机欲基于非确定性转换确定性,是否有反科学有待结果证明,但最起码是基础理论不明确!理论的成熟在于定性、定量、定型(形态)描述统一,道、法、术、器统一。

提高计算性能取决于计算理论而非计算媒介,如并非只有量子计算才能提高计算速度。基于图1就能设计实现16甚至256进制空间结构计算机,相对冯型机不仅达到指数级计算能力增长(超越量子计算,5),且更符合人脑功能机制。如果说计算理论需要重塑,其直接选项就是空间结构计算理论。

集中式存储、串行处理是冯型机的本质特征,因不能建立全部计算单元之间的互为因果关系,解决不了状态之间的双向实时交互作用问题,必然产生组合爆炸问题。因未解决状态之间的内在联系问题,因而造成计算机与环境及背景信息分离;储算分离,外设与核心计算功能分离;造成总线瓶颈,及二值逻辑及形式化悖论。基于图1既能解决状态转换的效率问题;又能解决状态之间的内在自组织联系问题,解决状态多因多果实时交互作用问题,能实现计算、交换、控制、总线、网络、加密、解密、人工智能理论及技术的革命,使人脑及仿脑研究有了明确的数学理论(结构数学)基础(见图1、图2)。

 

空间结构计算以多因多果、互为因果逻辑关系(即量子计算总也说不明白的量子纠缠)模型为基础进行计算,体现因果关系的共时性,适应多种进制编译码输入输出及进行计算。能像人脑神经系统一样与环境及背景信息融为一体处理信息,体现状态、功能转换的实时透明性。

    

2、三论合一的计算理论

①、系统模型

系统论认为,简单的状态转换关系(结构)不能产生复杂的状态转换功能,用简单的结构实现复杂功能,只能牺牲时间。基于准全息结构计算模型构造计算机,状态转换较少中间过程,像1除7也能直接给出计算结果0.142857,要想得到更多的精确值只需增加小数循环周期,不用进行实运算。相对时间计算理论,它具有计算过程的透明性,即输入操作数与输出结果,包括编译码都是个连续过程,解决一个问题的步骤或程序所用时间及付出的代价较少,程序相对简单化。最主要的是可多因果输入输出。

系统有四要素:系统模型(图1图2);系统因子(每一个整数、有理数及其其集合);系统结构(整数的加减运算关系、有理数的乘、除、乘方、开方、对数、反对数运算关系);系统结构法则(整数、有理数的加、减、乘、除、乘方、开方、对数、反对数运算法则)。

系统的特点在于系统是基于整体结构模式运行,基于其描述模式能够构造系统体现特定功能,即体现涌现性。如整数通过两维平面有序排列就能涌现整数的加减运算关系及功能;有理数通过三维空间有序排列就能涌现有理数的乘、除、乘方、开方、对数、反对数运算关系及功能。这是系统的共性,计算机是系统,当然也不例外。

②、信息模型

    信息的定义有一百多种,但没有一种是从信息四要素定义的,即信息模型(图1图2);信息单元(每一个整数、有理数、实数及其集合);信息结构:整数的加减运算关系、有理数的乘、除、乘方、开方、对数、反对数运算关系……;信息法则:整数的加、减,有理数的乘、除、乘方、开方、对数、反对数运算法则。基于信息单元说明其组合分解法则及整体模型的构成,才能体现信息及信息论的本质属性。

信息单元都能体现其相互区分的唯一性,如每一个整数、有理数、实数……,这是定义信息的根基。说比特是信息单元没错,但它只是信息单元的特例。图1图2也并非信息单元或模型的全部,还有实数、超越数……及其运算关系描述,有待深入研究给出其描述模型。

③、控制模型

控制系统亦有四要素:控制模型(图1图2);控制因子(每一个整数、有理数及其集合);控制结构:整数的加减运算关系、有理数的乘除、乘方、开方、对数、反对数运算关系(状态转换关系结构);控制法则:整数的加减,有理数的乘除、乘方、开方、对数、反对数运算法则。

控制并非限于单因果作用(控制)关系,人脑四肢五感是基于图1图2一样的先验性多因多果、互为因果交互作用关系进行交互作用,是基于系统、信息、控制的统一转换物质、能量及信息。因而说计算机是信息处理机或自动控制系统没错,但注定是三者统一。

三、空间结构计算机

基于图1搞的16进制类脑计算机框图如下:

有人认为实现16进制计算机需有16个值态的元器件,但事实是不需要,用四位二值码通过编译码器与图1状态及其关系匹配就能实现输入输出。基于图1不需进行实质运算,而是计算关系的选通。
 

A是结构计算或人工神经网络的构成单元,有A、B、c三个双向输入输出口。基于这一单元构成16进制计算机的一个位模块,能输入输出0-1516个状态(叠加态),用四位二值码编译码器就能输入输出,具有逻辑可逆性。如A+B=C,C-B=A,C-A=B。多位运算能像量子计算所说一步到位得到计算结果。其特点是读、写、算同步,并行计算、并行交换、并行控制、并行立交总线多功能一体化。如是16进制64位,其计算能力是16的指数级增长,基于所谓两态纠缠的量子未必能够顺利实现,实现而达不到这个水平就是在开科学的玩笑(注6)

单元电路还可两入四出、四入八出等,类似人脑神经元,构成16乘16的位模块就像脑神经子系统网。多位统一就是类脑神经系统。64位16进制计算值态就是64的16次乘方。如用量子计算实现,十年内能做到吗?且其普适性应用还无法预期。而我们十年前有经费支持就能做到!如有人对此有异议,可同台竞争一较高下!智能计算技术的现实战略选择(注7).

具体特点如下:

正差、负差,有进位合与无进位和同时输出,适应多种进制代码计算,读、写、算同步完成,计算速度等于主频,并行计算、并行交换、并行控制、并行立交总线多功能一体化。逻辑可逆双向同步输入输出。

内部与环境状态转换能有机统一同构匹配,能用多种感知信息交互定义、互补定义。能基于互为因果关系感知、定义概念并进行解释。多种进制编译码输入输出,可有效区别不同的感知意义、并能实时有效的与环境双向实时作用。各个层次的状态转换、感知与效应器之间具有实时透明性性,可从根本上解决外设的IO瓶颈问题存储单元之间具有内在联系,子系统功能耦合与状态的自组织机制统一,状态转换与感知及效应机制统一,这都是人脑功能的本质特征!区分交互作用关系的同构与差异性,是人脑具有“自我意识”的前提;“理解与学习”的前提是“同构”。

逻辑转换、一多编码转换及多一译码转换;模/数、数/模转换功能统一,才能体现状态转换的时空统一性。

状态转换是对客观实在的同构反映,原始积累记忆状态与新的感知状态互补累积建构。计算是基本状态(概念)的选择、组合、分解及重组,状态转换功能取决不同类型的神经网络结构,即非逻辑降阶效应的加、减、乘、除、乘方、开方、对数、反对数运算关系结构。相对时间计算理论与模型,它更能满足通用、实时状态转换(计算)需求。

结构计算能像人脑一样用语言、文字、图象、视觉、声觉、嗅觉、触觉、听觉及味觉相对于特定的感知对象互补定义、互相定义,其过程与看图识字类似,其功能基础是不同的感知终端能进行不同进制的编译码。

与量子计算的比较

从系统论的角度讲,系统功能,是基于系统因子(神经元)对状态进行组合与分解的模式及机制,即量子计算的所谓量子纠缠,而量子计算恰恰讲不出这种纠缠关系,也说不出量子遵循什么计算原理,甚至是几进制计算都说不清楚!其具体实现能有预期性吗?

基于结构计算理论设计16进制类脑计算机,一个位是0-15个值态的集合(所谓量子态的集合或叠加),用四位二进码就能表达。如果是64位相当于二进制256位,能表达4294967296个值态,而二进制的8位仅能表达256个值态,相对二进制计算机能指数级提升计算能力。

说量子是基于叠加或纠缠态实现计算,但对于量子是基于多少态叠加或纠缠没人给出说明。如把量子看成一个状态空间,那就需像图1图2一样给出状态空间描述。它不仅仅是分割及确定状态,还体现状态之间的互为因果关系,是体现量子纠缠最现实的一种原理图。

量子计算基于量子比特(qubit),据说可计算0和1之间的数值,这本身就是个伪概念,0、1之间具有无数中间状态,你量子计算到底确定了多少状态?像十进制计算在理论上没有问题,但技术上却受具体物理条件的限制而实现不了。量子计算说每一种物体都用状态的总和表示(这明显是在故弄玄虚),只有基于确定状态才能转换状态。量子计算确定或转换的状态不明确,与欺骗有区别吗?

说量子计算机是以集合为基础进行计算,是计算能力的全部状态集合?还是一个量子的状态集合?前者是毫无根据的伪命题,后者如十进制就是十个状态的集合!计算理论是以确定性为基础,集合运算也要具有确定性,即为多少态的集合?没有确定性基础,何来确定性结果?

量子计算机坦承有一个待解决的问题,即输出值域B只能随机取出一个有效值y。虽能通过将不希望的输出导向空集的方法,使输出集B中的元素远少于输入集A中的元素,但需取出全部有效值时仍需多次计算。搞计算机的怎么可以用这样的说辞诡辩?就这样面对江东父老?

结构计算并非单纯体现单一的状态,而是状态关系集合,即量子的状态空间,在这个状态空间中既可是两个状态,也可以是2-256个甚至更多个状态。如确定为256个状态,就可构建256进制计算机。但量子计算机竟然没有确定的状态,如何实现计算的预期性?基于图1实现结构运算,输入输出既可以是一个数字,也可以是一个集合,或一个图片、一段视频或一段录音。相对于人的四肢五感,即听觉、视觉、嗅觉、味觉、嗅觉、触觉信息,或一个肢体的行为反应。

基于结构运算可体现量子计算的三个本质特征,一是多值叠加态,二是集合运算,三是纠缠态(状态关系结构)。可完全超越量子计算机!而量子计算机则什么都说不清楚,整个一个骗局!

五、关于人工智能的理论基础(注8)

关于人工智能有三种说法:1符号机制。2、联结机制。3、行为机制。符号机制的优点是简明扼要,但基于符号的知识表示,对于组建具有高级学习能力的系统并不适宜,原因是符号与现实世界的关系需要外在的人为定义,难以柔性地举一反三,不具学习所需的比喻和类推机制。联接机制将权值作为知识表示虽无上述缺陷,但对于构成复杂系统缺乏指导意义。行为机制需以先验性互为因果关系模式为基础。三种机制各有优缺点,基于结构运算(连接机制)可统一符号与行为机制。联结是符号及行为的底层结构,但不基于图1图2就没有一个可泛化的逻辑结构模式。基于图1图2不仅能实现概念的泛化与特化,还能使感知与行为基于先验性多因多果、互为因果关系交互作用。环境状态基于不同的编译码及内在逻辑关系,体现现实多因多果、互为因果作用关系,并进行持续累积重构。至于结构、功能、行为主义的说法,都是从系统论不同的侧面看问题,三者基于系统论是统一的。通用人工智能理论应该基于图1图2的构成理论,体现系统构成机制。人工智能的理论源于原创而并非跟随。

学习是对特定感知信息进行互补定义,是用一种感知对另一种感知进行代偿性定义,及对定义重组再定义,这是个累积渐进过程。需按特定逻辑法则保持学习内容及重构概念模式,只有以图1图2为基础,学习或智能才能得到合理解释。神经网络及智能的生成机制亦能得到合理解释。

信息单元具有唯一性原则,人脑感官具有多种编译码机制,即不同的感官具有不同的编译码机制,否则无法有效区分或定义不同的感知状态。外在感知状态或行为,基于特定的交互作用关系模式交互作用,且能像超循环一样构成开放与封闭统一的环路模式,此即智能系统的本质特征。

互补、互相定义说起来容易,但确定其物理功能机制绝非易事,没有图1图2一样的结构描述模型并不现实!先验因果逻辑关系模式的构建,既有渐变性、又有突变性,所谓的突变即系统论所说的涌现。它最初只是几个因子体现互为因果作用关系突变为超循环,基于内涵与外延的相容性才能持续建构(渐变)。形成超循环的基础是双向同步并行输入输出。

中科院在2012年启动了脑功能联结图谱项目,研究各个层次脑神经环路、神经网络和神经元联结图谱,有助于人们了解大脑工作的机理,为类脑计算机提供启示。但图1图2就是神经网络和神经元联结的理想图谱:一是它具有神经网络建构的逻辑一致性,能内涵与外延建构。二是符合结构决定功能的系统特征。三是神经网络输入输出状态体现多因多果、互为因果关系模式的先验确定性。

搞仿人脑计算机,必须确定状态(神经元)之间的内在逻辑关系模式,确定状态互补定义互相定义的先验交互作用关系模式。多子系统与环境交互作用、及信息处理的各个环节、层次都不相互隔离,而是结构与功能统一、不同层次的状态转换机制统一,形成既开放、又闭合的正负反馈环路,但不基于空间结构计算模型是不可想像的。

六、两种计算理论及模型的性能对比

时间计算理论及模型             空间计算理论及模型

 

只涉及单纯的状态转换    基于状态关系模型转换状态

储算分离,           储算一体化,

地址与数据分离         地址与数据统一

读、写、算分离         读、写、算统一

基于二值逻辑,逻辑不可逆  基于准多值逻辑,逻辑可逆

只能串行单向操作数据     可并行交互性双向操作数据

有逻辑降阶效应         无逻辑降阶效应

逻辑基础单调          逻辑基础多元化

数据转移条件是地址       数据转移条件是因果逻辑关系

仅适应二进制代码运算     适应多种进制代码运算

基本功能是加法移位      运算、交换、控制多功能一体化

受总线瓶颈限制         无总线瓶颈限制

不符合人脑结构与功能特征   比较符合人脑结构与功能特征

 

空间结构计算理论及模型遵循的基本原理:①、逻辑可逆、循环因果原理。②、交互作用、并行作用原理。③、多值逻辑、多元逻辑原理。④、层次因果、透明因果原理。⑤、多因多果、互为因果原理。⑥、多元编码,互补编码原理。

 

七、空间结构计算机的基本应用

 

1、信息技术的革命

信息技术的变革不能是一个层面的事情,它需要整体范式的变革。即信息处理的核心机制、操作系统,及互联网络需整体统一考量,不能再基于单线双工或串行总线传输信息,而应基于单线单工,收发分开的立交总线传输信息。即信息传输及处理的各个层面都体现实时性,否则无法保证外设之间端到端双向实时交互作用。

当网络带宽达到10Tbps时,分组交换已不可能有效工作。现在的网络只相当邮政系统,未来网应像双向实时快件系统。为此,我们搞出24光口系统集成卡,它像有24个双向入出口的城市,城内交叉路口都是立交桥,保证信息传输的大容量、低延时。所有外设之间都能并行实时交互作用,服务器也可双向实时同步并行收发数据。

2、与传统计算机系统集成功能互补

计算机的创新是个系统工程,不能头痛医头脚痛医脚。因计算机的发展已经形成计算机文化,即有丰富的软硬件生态,因而不能单纯是操作系统或CPU的创新,既要超越传统技术,又要与传统技术兼容。因而必须走功能互补、系统集成的道路。既要解决信息安全问题!又要提高计算机的整体使用效率及智能性。如再单纯的搞操作系统或CPU,就会像王安电脑一样再次经历失败教训!基于功能互补搞系统集成,通过顶层设计,计算机才能走出符合时代要求的创新之路。

3、目前的浏览器已能做到不区分本地和远程数据,基于语义的操作系统应做到不区分本地和远程程序。就是说实现广义冯·诺依曼计算机,即联网计算机变成一台计算机,在全球网实现程序等同于数据。不基于因果关系同步操作,中心与无中心控制统一,事实上会有难度。

七、结束语

计算机的创新需理论与技术的双重突破。准全息空间结构计算机早就应该得到优先量子计算的产品验证,但多次申请资助无果(注9)。此次把一个前十年未发表的文章又拿出来,把原来发在网上的东西(注10)拿出来,就是想提供一个参照系,希望能为那些想为国家发展作出贡献的研发者提供一点点启发。

 

参考文献:

 

1、徐匡迪院士之问揭开当下中国人工智能虚伪的面纱

2、李国杰:计算机科学基础理论需要重塑,中国计算机学会2018-11-16

3、王迪兴著,《准全息系统论及智能计算机》,长征出版社出版,2004、9、28

4、王迪兴,《21世纪的计算机》2006中国科协年会优秀论文,2006年9月18日。

5、网文,未来计算之王,中国量子计算机又有新突破,比神威太湖之光还厉害!

6、网文,郭光灿说超10万比特才可实现量子计算机超越经典计算机的霸权

7、王迪兴,智能计算技术的现实战略选择,新经济导刊,2005第一期

8、网文,徐匡迪之问,打了谁的脸?https://www.so.com/link?m=arci7f9fMFTG4S50CinyUjtcw1iJnkv5Iqoxodk53R%2BSgNUz5hPOuFMT19vcg2QDn5f%2B7%2B7DiZOVs0WHWdLypJpyQdlZqPmb2GT7eSjUKECzMEmsi2J8NM0Kgo4HFS81ZvTzM96G07aYmIPsmASpuQ3YZlVORwuBwGgj357eRZ9HhrtJl8yDNYdjQvSmQQNBSkpnpHQdVlsfFAuzT5kgFVHLwcjKTW6HmFXNqaKgoD9k4zm14pGlXRRTBZnCvjS5Rhttps://baijiahao.baidu.com/s?id=1645252004582296389

9、徐匡迪:中国颠覆性技术是被专家“投”没的

http://www.sohu.com/a/212887075_505837  2020-02-13 22:57:06 的快照

    10、王迪兴答汪成为院士的十二个问题laughsky 2004-02-05

 

十六进制类脑计算机发明人王迪兴简介

 

王迪兴,1953年出生于辽宁省建平县,中学读书时就研究整数的加、减、有理数的乘、除、实数的乘方、开方、对数、反对数运算关系,提出结构计算模型,并用于16进制结构计算机的发明,取得的主要成绩如下:

1、发表相关论文30多篇。

2、出版专著:《准全息系统论与智能计算机》。

3、获得发明专利三项,一项获美、日、俄、欧共体发明专利。

4、获全国第六届发明博览会发明金奖一项。

5、获2006科协年会优秀论文奖。

6、入选建国60年大庆专利年鉴百人最具典型最具原创发明专利。

7、做出pci-e总线开发板及计算机功能互补系统样机。

8、做出并行总线开发板样机

9、在中关村一万多家高新技术企业中被评为最具投资价值企业(48家之一)

10、作出24光口系统集成卡。

11、获全国企业创新奖。

智慧中国 责编:贾长华

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创建时间:2020-05-07 15:30
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