2017-01-18

编者按:上世纪八十年代,经济繁荣与民族主义盛行,让日本试图借第五代计算机超越美国,在信息领域建立起领导者地位。但最终野心勃勃的五代机以失败收场。 当前,中国人工智能研究是否存在虚假繁荣,或许日本的教训值得引以为戒。

日本研发第五代计算机目的:建立全球领导地位

1978年,日本通产省(Ministry of International Trade andIndustry,简称MITII)委托日本计算机界大佬、时任东京大学计算机中心主任的元岡達(TohruMoto-Oka)研究下一代计算机系统。

当时的计算机工业按照电路工艺划分计算机的发展:第一代计算机是电子管,第二代是晶体管,第三代是集成电路,第四代是超大规模集成电路(VLSI)。通产省决定三年后开始建造第五代计算机,这是日本雄心勃勃的从制造大国到经济强国转型计划的一部分,用今天的话说:他们认为日本已经进入“无人区”,日本必须搞“双创”。首创第五代计算机,可以建立日本在全球信息产业的领导地位。

三年后的1981年,元岡達为首的委员会认真提交了一份长达89页的报告,他们认为第五代计算机不应再以硬件工艺为划分,更应看重体系结构和软件。这份报告的题目就是《知识信息处理系统的挑战:第五代计算机系统初步报告》。

 

元岡達的《第五代计算机》中,第五代计算机系统概念图

报告提出了六种先进体系结构:1)逻辑程序机,2)函数机,3)关系代数机,4)抽象数据类型机,5)数据流机,和6)冯诺依曼机上的创新。元岡達70年代在美国做过访问学者,对数据流机和数据库机比较熟悉。

和后来人们的印象不同,这份报告还是兼收并蓄的,更像是一份对当时各种技术的综述,并不是一上来就一边倒地搞逻辑程序。

其实这几种体系架构当时早就有欧美的大学在做研究,甚至已经有创业公司,例如专攻函数程序语言LISP硬件的LMI和Symbolics都是从麻省理工学院分出来的创业公司,在1981年就已经开张。话说Symbolics.com还是第一个.com域名。

《报告》中提出的函数机的性能目标是比在通用机上的软件实现快两到三倍,恐怕Symbolics当时就已经做到了。用硬件实现关系数据库和面向客体(Object-Oriented)的系统也不新鲜。有意思的是第6项:创新型冯诺依曼机的需求:VLSI,每芯片一百万晶体管。很多人以为五代机主张“非-冯”架构,其实一开始他们还真是把“冯”架构的硬件改进也算到里面的。

爱德华·费根鲍姆

1981年在日本信息处理开发中心(JIPDEC)召开了第一届第五代计算机会议,对外公布元岡達委员会的报告。会议邀请了外籍嘉宾,其中有专家系统鼻祖、斯坦福大学的费根鲍姆和机器定理证明元老、德国人沃尔夫冈?白贝尔(Bibel)。

知识与逻辑:欧美两条路线斗争

费根鲍姆的特约演讲强调了知识重于推理的理念,他还是念念不忘他的老师司马贺和定理证明中逻辑派结下的梁子。而白贝尔自然还是在强调逻辑的重要性。这俩人基本是各说各话,但费根鲍姆的关键词“知识”,和白贝尔的关键词“逻辑”都是日本人最想听到的,他们倒并不太关心欧美之间的两条路线斗争。

关于“知识”和“逻辑”的更加公正的说法是语义和语法之争,知识是语义,而逻辑是语法。定理证明是纯粹依靠语法之力,但加入语义确实会提高效率。

相比于新的逻辑程序语言Prolog,LISP是更成熟的函数式编程语言,也是美国人工智能研究者的标准语言。日本电讯NTT的武藏野实验室(Musashino Lab,相当于美国的贝尔实验室),也更倾向于LISP。

最后的决定权落在野心勃勃的渕一博( Kazuhiro Fuchi)手中,他是即将成立的第五代计算机研究所(Institute of New Generation Computer Technology,简称ICOT)的所长。他在会议上发表的论文明确强调了逻辑程序和Prolog的重要性。

日本人选择Prolog语言,就像今日中国通信业非得搞TD一样

英国人沃伦(David Warren)1982年在AI Magazine上发表的论文分析了渕一博为什么选择了Prolog:在五代机的所有应用中,Prolog能覆盖的面最广。五代机的终极目标是知识信息处理,在当时的语境下特指专家系统和自然语言理解。

那时的自然语言理解还是规则为王的时代。Prolog很明显比LISP更适合这些应用。而且在小规模数据的基准测试中,Prolog作为数据库查询语言甚至不输关系代数。

当然,Prolog不是美国人发明的,这也是一个重要因素,这让日本人更有机会掌控并占据领先地位。日本人的民族自信在这里起着隐形的左右,这有点像中国人在移动通信行业里非要搞自己的TD。

八十年代自然语言理解还是规则为王的时代

日本人是何时最早接触Prolog的也是很有意思的故事。古川康一(Koichi Furukara)被派到美国斯坦福研究所(SRI)作访问学者,他在那里的指导老师是巴罗(Harry Barrow)。

巴罗自己正在自学Prolog,他刚从沃伦(Warren)手中买了Prolog解释器,但又没时间自己玩,于是他把这个任务交给了新来的古川康一。古川很快就把Prolog在SRI的一台DEC-10上跑通。他回国后就成了日本最早有Prolog实战经验的专家,马上进入刚成立的五代机研究所(ICOT),并很快升为副所长,一度曾代表五代机研究所和欧洲的大学和研究机构周旋,企图把更多的欧洲人拉到日本的阵营里。

科瓦尔斯基为反战,开飞机在迪斯尼乐园撒传单

逻辑程序从某种意义上,是自动定理证明的“歪打没正着”的副产品。定理证明在归结原理之后经历了各种改进,仍然无法避免中间子句指数爆炸式的增长。进入七十年代,人们开始研究证明模式,首先想到了线性归结,即整个定理证明过程沿着一条主线(中央子句),这样的优点是证明过程是目标制导的,有点像人的证明过程。

在英国爱丁堡工作的美国人罗伯特?科瓦尔斯基(RobertKowalski)1971年发明了SL归结并证明了SL归结的完备性,SL归结就是线性归结的一种。这一方面奠定了科瓦尔斯基在定理证明界的地位,同时又让他有机会开创了逻辑程序。

罗伯特·科瓦尔斯基

科瓦尔斯基的早期学术生涯就一个字:乱。他本科先是在名校芝加哥大学,但两年后不适那里的环境,回到老家,在三流学校桥堡大学(Bridgeport)拿了学位。后来再到名校斯坦福读数学博士。但两年后他再次离开。

两方面原因导致他出走,一是政治,二是学术。他曾经驾机企图到玫瑰碗(Rose Bowl,美国大学橄榄球决赛)的上空撒反战传单,只因飞机故障,飞到玫瑰碗上空时,球赛已结束,最后把传单都撒到了附近的迪斯尼乐园。尽管定理证明的关键工作都是在美国做的,但貌似欧洲对定理证明的兴趣却远高于美国。

一个读哺乳动物遗传学博士,为什么能做AI研究

科瓦尔斯基曾说:“作为学生,我爱逻辑,恨递归论。”(As a student, I loved logic and hatedrecursion theory) 这也可算是欧美之分吧。数理逻辑可分为一阶逻辑以及四大论--模型论,集合论(包括高阶逻辑),递归论(也就是可计算性理论),和证明论。

递归论当然也属于逻辑,只不过科瓦尔斯基更喜欢一阶逻辑。科瓦尔斯基1967年来到英国AI重镇爱丁堡大学,那里有数学家伯纳德?梅尔泽(Meltzer)研究数学机械化,还有战时跟随图灵在布莱彻里庄园破译德军密码的唐纳德?米奇(DonaldMichie)。

米奇战前本科读的是经典学,战后读了个哺乳动物遗传学的博士,早期干AI的有生物背景的真不少。当时在爱丁堡的学生还有阿兰?邦迪(Alan Bundy),波尔和摩尔(Boyer,Moore,波尔最后还是回到德克萨斯奥斯丁得了博士,他的第一个学生就是后来把吴文俊方法发扬光大的周咸青。),派崔克?海思(PatrickHayes)等。科瓦尔斯基跟随梅尔泽学习定理证明,刚一到就碰见了正在那访问的罗宾逊。随后他的学术生涯一帆风顺。

早期研究AI的人很多都具有生物背景

科莫饶尔(Colmerauer)是马赛大学人工智能小组的头儿,当时正在研究自然语言问题回答系统,他邀请科瓦尔斯基访问马赛,讨论如何用SL归结做问题回答。科莫饶尔和他的学生卢梭(Roussel)开始考虑设计一个全新的程序设计语言,卢梭的老婆想到了Prolog这个名字,意为“逻辑编程 ”(Programming in Logic)。卢梭建议用Horn子句。

Horn子句就是A1 and A2 and ...An ->B的格式。这里所有的A都不是负文字,转换成只有“或”连接词的子句就是~A1 or ~A2 or ...~An or B, 也就是说一个子句里最多只能有一个正文字。科瓦尔斯基一开始并不满意Horn子句,因为这明显降低了表达能力。最后还是勉强接受了,一方面是为了效率,另 一方面是大弟子沃伦(David Warren)的抗议,他本来派沃伦去研究Horn子句的短版,却不想沃伦反水,变成Horn子句的支持者。

没有叫得响口号的学科注定火不了

卢梭用Algol-W实现了第一个Prolog。沃伦后来发明了沃伦抽象机(WAM),为后来的Prolog实现提供基础。科瓦尔斯基此时开始写一本小册子《问题求解的逻辑》,这本册子越写越厚,1979年成书出版后成为逻辑程序设计的圣经。

后来他进一步提出了“算法=逻辑+控制”的口号,这明显在学Pascal发明人Wirth提出的“程序=算法+数据结构”的说法。一门学科没个能叫得响的口号恐怕火不了。这样的口号还很多,例如逻辑学家比森(Beeson)在评论机器定理证明时就有“数学=逻辑+计算”之说,逻辑是表达,计算是过程;逻辑是几何,计算是分析。更广义地说:定理证明是逻辑,计算机代数(包括几何定理证明)是计算。

至于Horn子句的表达能力问题,早在1961年就有几位逻辑学家证明过Horn子句可以计算所有递归函数,即使像Prolog这样不完全的Horn实现仍可计算所有递归函数。其实还有比Horn子句更约束的形式,例如Datalog。

在Datalog中,每个项(term)可以是常量或变量,但不能是函数。有一个很简单的证明:Datalog等价于关系数据库+递归。如果SQL允许递归,那么就已经实现了Datalog。其实SQL每张表都可表示为Datalog的一个谓词,表中的一个列对应于谓词中的一个变量。

1975年,科瓦尔斯基带着几位弟子跳槽到了伦敦的帝国理工学院,把那儿搞成逻辑程序设计的大本营。日本五代机计划决定以Prolog为基础之后,科瓦尔斯基一下成为被关注的中心,各种时尚类杂志也请科瓦尔斯基做封面。他也顺水推舟为后来的日本五代机添油加醋。

日本第五代计算机十年研发经费比不上IBM一年

通产省(MITI)大概相当于中国原来的信息产业部,稍带科技部加中科院,2001年已重组为经济产业省,简称METI,大概相当于中国现在的工信部。就像所有其它东亚国家,日本政府对私营企业有重大影响力。

通产省决定了日本的科技和工业政策,同时,因为日本和欧美有巨大文化差异,通产省还起着翻译与中介的作用。所有这些权力加在一起,自然说一不二。另外,日本政府的战略考虑相对长期,一个项目至少要考虑十年计划。这和美国政府受选举影响的短视行为形成巨大对比。越战后,美国政府的资助机构已鲜有长期计划。

日本MITI对五代机的自信来自DRAM存储芯片的成功,70年代日本半导体工业在MITI的协同下,组织了业界协会,在很短时间内,DRAM研发全面赶超美国,日本在计算机硬件制造方面由此对美国构成威胁,MITI不满足于跟随美国,产生更大野心,要在整个IT领域设立自己的标准。ICOT选定Prolog而不是LISP,一个主要原因就是LISP是美国制造,而Prolog是相对全新的。

通产省为五代机制定的十年计划是4亿5千万美元,第一期头三年通产省独资4500万到5000万美元,后两期参与的公司会有一比一匹配资金。所以总投入预期会到8亿5千万美元。而日本历来工业界对政府项目的匹配都会超过政府出资,所以通产省的小算盘是整个项目有可能达到10亿美元投入。虽然照美国标准,这不是巨资,IBM 1982年一年的研发经费就是15亿美元,但在当时的日本已经是史无前例了。

一个由“四十浪人”组成的研究团队

通产省之前也不是没有资助过这个规模的项目,超级计算机和新材料等项目都花钱不少。但那些项目属赶超而不是创新型项目,赶超是“有人地”,结果相对可预测,通产省从没失过手。但创新型项目是“无人地”,创新的本质就是谁都不能预知结果。

通产省内的电子技术综合研究所(Eletrotechnical Laboratory,简称ETL)是通产省内最大的电子和计算机研究机构,大概类似中科院电子所加计算所加自动化所。现在ETL已和通产省其它研究所合并变成了“产业技术综合研究所”,从东京城里迁往筑波科学城。

ETL的渕一博年轻有为,是ICOT所长的不二人选。他的任务就是从ETL和参与的所有公司中挑选最优秀的40名年轻研究者加入ICOT。渕一博1961年26岁时就访问过伊利诺伊大学,参与过超级计算机IlliacII的研发,熟悉美国研发文化。此时年仅46岁的渕一博要求他的所有部下不能超过35岁,他这是在刻意纠正日本文化尊老的习俗。

日本文化中没有了主子的武士就是浪人。渕一博把他的四十位部下戏称为四十浪人。这四十个人加入ICOT后,虽然不会担心终身雇佣,但他们在原单位的升迁机会没有了,从这个意义上说他们是浪人一点也不过。

费根鲍姆被邀参加第一次五代机会议,他到达东京的当天,恰逢日立和三菱的几位高管因为窃取IBM的商业机密被判刑。美国那时开始注意到来自日本的潜在威胁,并采取行动。

自主研发计算机,日本民族主义盛行的时代

费根鲍姆观察到日本人的复杂心理:一方面他们认为这是美国对日本的贸易战;另一方面,他们也为此事羞耻——自己做不出来也不该偷。

五代机给日本人提供了一个弯道超车的机会,日本同行认为有了五代机,就可以在信息产业里甩掉山寨的帽子。日本在软件方面大约落后十年。但如果五代机能够成功,那将是日本后发制人的又一案例。

比较当时的日本和当下的中国,倒是有各种相似:被美国羡慕嫉妒恨、在制造业有长足进步、钢产量第一、能造高铁、那时的Walkman大概相当于现在的手机。就像当下各种民族主义的“说不”或“不高兴”,那时恰是原创《日本可以说不》盛行的时代。

渕一博的新办公室,在东京的山寨性地标建筑东京塔(Tokyo Tower)的边上,面对东京湾,窗户下面就是1853年敲开日本国门的美国人佩里(Perry)停泊那几艘著名的黑船的地点。渕一博在初次见到费根鲍姆时透着民族骄傲,但费根鲍姆查觉到渕一博张扬外表掩盖的自卑。

1854年,佩里准将带来了更多的军舰。此时的日本已经知道他们的中国邻居鸦片战争大败,反抗不平等条约是不可能的,但幕府的保守派们为了炫耀武力,安排佩里观看了相扑。作为答谢,佩里送给日本人按四比一缩小建造的蒸汽机车和100米轨道,供官员和百姓乘坐。

正是这个蒸汽机车彻底摧毁了日本武士们残存的义和团式自尊,打开国门。费根鲍姆对日本和五代机的洞察部分地得自于他的日本裔太太Penny Nii,她从费根鲍姆的知识系统实验室得了博士,一直都没离开专业。(待续)

(来源|乌镇智库 作者|尼克)

乌镇智库:以大数据为驱动,洞见信息技术最新发展趋势,以全球视野指导本土互联网产业进步,服务于政策和商业创新。

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