丹尼爾‧希利斯講計算機（簡體書）

● 暢銷全球，累計被翻譯成十多種語言，計算機領域的經典之作！

● 世界上運行z快的計算機的設計者丹尼爾·希利斯，為你揭示計算機運行背後永恆不變的基本原理！

● “科學大師書系”經典再現。中國科學院院士、復旦大學教授金力，科技創新研究者、清華大學教授陳勁，世界著名哲學家、《直覺泵和其他思考工具》作者丹尼爾·丹尼特重磅推薦！

雖然計算機技術及應用以及編程技術都取得了巨大進步，對社會產生的影響也遠遠超出了預言家的預期，但計算機背後的工作原理，即本書所闡述的關於計算機的概念，仍沒有改變。本書聚焦計算機背後不曾改變的基本原理，是每一個想要瞭解計算機，或從事與計算機相關工作的讀者都不能錯過的一本經典之作。
《丹尼爾·希利斯講計算機》深入淺出地闡述了計算機科學中許多基本而重要的概念，包括布爾邏輯、有限自動機、編程語言、圖靈機的普遍性、信息論、算法、並行計算、量子計算、神經網絡、機器學習乃至自組織系統。全書既不失深度，又妙趣橫生，幫你瞭解計算機運行背後的奧秘。

丹尼爾·希利斯

● 著名計算機科學家、發明家、企業家，麻省理工學院媒體實驗室客座教授。曾就讀於麻省理工學院，在馬文·明斯基的指導下研究人工智能。

● 他還創立了思維機器公司（Thinking Machines Corporation），建立了一支由科學家、工程師和設計師組成的團隊，成員包括諾貝爾獎得主悉尼·布倫納、著名物理學家理查德·費曼等，他們共同致力於打造超級並行計算機。

● 除了設計公司的主要產品外，希利斯還與其他用戶密切合作，將其產品應用在天體物理學、飛機設計、金融分析、遺傳學等領域。

科學大師書系”重點在於大師，這10本書的作者既是世界一流的思想者，又是文采斐然的科普作家。去讀他們的書吧，你將直接站在大師的肩膀上！

——金力

中國科學院院士，復旦大學教授

歷代科學家對宇宙、生命的起源與運行進行了永不竭盡的探索，他們完成的研究成果以及在科研過程中表現出的追求真理的精神，一直是人類知識發展和道德進化的寶貴財富。在未來的發展進程中，基於科學的創新將日益重要，中國需要更多的科學家。熟讀科學大師系列，將進一步激發廣大有志者獻身科學的動力以及提高科學研究的成功率。

——陳勁

科技創新研究者，清華大學教授

我將“科學大師書系”視為向這個世界撒下的一張大網，它捕獲的將是我們這顆行星的下一代思想家和科學家。

——丹尼爾·丹尼特

世界著名哲學家，《直覺泵和其他思考工具》作者

計算機背後不曾改變的基本原理

本書初版問世很久之後，我的出版商驚訝地發現：它在當下仍然很受歡迎。這也是我有機會為本書寫再版前言的原因。本書已被翻譯為十幾種語言，至今仍有眾多讀者。自本書問世以來，計算機技術及應用發生了天翻地覆的變化。不過本書並不著眼於計算機的具體技術及應用，而是關注計算機背後不曾改變的基本原理，這也是本書能持續熱賣的關鍵所在。

我必須承認，令我感到詫異的不是在數字革命之初就已存在的那些關於計算機科學的原理如今依然很重要，而是迄今為止，幾乎沒有新的原理補充進來。10 多年過去了，雖然計算機技術及應用以及編程技術都取得了巨大進步，對社會產生的影響也遠遠超出了預言家的預期，但計算機背後的工作原理，即本書所闡述的關於計算機的概念，仍沒有改變。我本來想利用再版的機會增添一些新內容，但令我感到吃驚的是，並無新的基本原理可供補充。

在目前的版本中，我選擇性地刪除了一些無須再費筆墨解釋的概念。不過，這並非意味著這些內容是錯誤的。例如，在一個每天都享受雲並行計算服務的讀者看來，並行計算方面的內容並無新意。真正令人費解的是，為何20 世紀有如此多的專家都堅信，並行計算機永遠不會被投入使用。此外，如今的你們可能會對本書中有關人工智能的觀點有所抵觸，因為目前你們與智能機器相處得十分融洽。事實上，20 世紀時許多人對智能計算機的概念感到惶恐不安，比如，當計算機第一次擊敗人類國際象棋冠軍時，許多人感到很沮喪。然而，過了不到20 年，當計算機在一項流行的益智電視節目中再次擊敗人類冠軍時，更多人開始為計算機鼓勁加油。從那時起，人們普遍將計算機視為助手而非威脅。

除了修訂拼寫錯誤之外，我盡可能地保持了本書初版的原汁原味，不去刻意提高文字的感性程度，實際上，感性是一種不斷變化的浮動目標。與其緊跟必將過時的當下潮流，還不如讓作品定格在某一時刻更為有趣。同時，本書寫成於計算機科學發展歷程中的一個特殊時期，雖然那時計算機已經顯示出了足以改變我們生活的潛力，但這一切很大程度上還未實現。那時的計算機非常簡單，以至於我對自己設計的計算機的每個晶體管和所編寫的每行代碼都瞭如指掌。不過，正如本書最後一章預期的那樣，我們現在到達了一個臨界點，即計算機系統的複雜度已經超出了任何人所能完全理解和掌握的程度。

關於未來的發展，本書提出了兩個可能的方向。第一個是量子計算，正如書中所述，它具有巨大的潛力，但目前並無可行的實現方式。當我寫下這句話時，現實情況仍是如此。從理論和技術方面來說，量子計算取得了巨大突破，但它們中的任何一個的計算速度都比不上傳統計算機。正如本書初版所述，量子計算仍是“一個值得關注的領域”。本書預測的第二個可能方向是，計算機能像生物進化過程那樣實現自我設計。目前，這個方向已經顯現出了隱約的曙光，不過在很大程度上，它只是一個未實現的可能方案。目前，我們還缺乏相關理論來說明這個過程如何才能成為現實。我對未來發現這些新原理持樂觀態度，期待能夠在本書的後續版本中繼續討論。

[前言]

石頭中的魔術

在一塊石頭上，我蝕刻了一系列幾何圖案，在外行看來，這些圖案顯得神秘而又復雜，但我清楚地知道，只要佈局正確，這些圖案就會賦予這塊石頭一種特殊的能力，即對人類從未說過的一種咒語做出回應。如果我用這種語言提問，石頭便會應答：這是一個我用符咒創造的世界，一個在石頭圖案中想像的世界。

如果我在幾百年前的老家新英格蘭說出自己從事的職業，可能會被當作巫師送上火刑柱。實際上，我的工作和巫術沒有任何關係，我從事的是計算機設計和編程，而上文提到的石頭是矽晶片，符咒是軟件程序。雖然蝕刻在芯片上的幾何圖案和指示計算機工作的程序看起來複雜且神秘，但根據一些基本的生成原理，我們很容易將其解釋清楚。

雖然計算機是人類有史以來最複雜的人造物，但從基本原理上來說，它們又十分簡單，僅有數十人的團隊就能設計並製造出包含數十億個零部件的各類計算機。如果將其中一台計算機的線路圖在紙上畫出來，那麼所用的紙張便能塞滿一座大型公共圖書館，沒有人會有耐心將其瀏覽一遍。幸運的是，計算機的設計具有規律性，沒有必要將線路圖看一遍。計算機是由不同層次的部件構建起來的，而每一層次的部件都會被重複多次。只要理解了這些層次結構，你就能讀懂計算機。

還有一個使計算機易於理解的原理，那就是其各部件之間交互作用的本質。這些交互作用很簡單，而且定義明確，通常具有單向性，可以準確地排列成一系列因果關係，這使計算機內部的運行原理比汽車發動機或者收音機的運行原理更容易理解。雖然相比於汽車和收音機，計算機擁有更多零部件，但這些部件協同工作的方式非常簡單。計算機更多依據的是概念，而非技術。

這些概念與組成計算機的電子元件沒有任何關係。現代計算機由晶體管和電路組成，不過，根據同樣的原理，計算機也可以由閥門和管道，或者棍棒和繩索搭建起來。這些原理是計算機能夠進行計算的根本所在。計算機最引人稱道的一點是，其本質遠勝於技術，而本書就旨在介紹計算機的本質。

我多麼希望在剛開始學習計算機這門學科時就能讀到這樣一本書。大多數計算機類書籍不是介紹計算機的使用方法，便是介紹具體的創造技術，比如只讀存儲器（ROM）、隨機存儲器（RAM）、磁盤驅動器等。這本書討論的重點是“概念”，而且會介紹計算機科學領域的大多數重要概念，包括布爾邏輯、有限狀態機、編程語言、編譯程序和解釋程序、圖靈準則、信息論、算法及其複雜度、啟發式方法、不可計算的函數、並行計算、量子計算、神經網絡、機器學習和自組織系統等。對計算機感興趣的讀者可能已經聽說過其中的許多概念，但對於非計算機專業出身的人來說，很難明白這些概念是如何結合在一起的。本書將會介紹這些關聯—從類似開關的閉合等簡單的物理過程開始，一直深入到自組織並行計算機所呈現出來的學習和自適應能力。

計算機的本質基於幾條基本原則。第一條原則是功能抽象原理（functional abstraction），它奠定了前文提到的因果關係層次結構。計算機的結構就是這一原理的應用範例，即許多層次結構能夠被不斷重複。計算機之所以易於理解，是因為你可以專注於某一層次結構發生的情況，而不必擔心較低層次結構上發生的細節。功能抽象原理是使概念與技術脫離的關鍵。

第二條原則是通用計算機原理（universal computer），即所有的計算機都屬於同一種類型，更確切地說，所有類型的計算機在能做和不能做哪些事上是相似的。我們也可以這樣說，一台通用計算機能夠模擬所有類型的計算機，無論其組成材料是晶體管、棍棒、繩索，還是神經元。這是一個非常重要的假設，它表明，製造一台能像大腦一樣思考的計算機只是一個進行正確編程的問題，我將在後面詳細解釋這一點。

從某種意義上來說，第三條原則是第一條原則的對立面，我將在最後一章展開詳述。也許存在一種全新的計算機設計和編程方式，它並不基於標準的工程設計方式。這一設想令人感到無比興奮，因為當系統過於復雜時，常規的系統設計方式將不再有效。實際上，第一條原則會導致系統帶有一定程度的脆弱性和低效性。這個缺點與信息處理器的基礎性缺陷沒有關係，而是層次設計方式的一個缺陷。那麼，如果我們採用一種與生物進化相似的設計過程，情況會如何呢？在這個設計過程中，系統行為源自很多簡單交互作用的累積，而非“自上而下”的控制。通過這種進化過程設計出來的計算機可能具有生物體的某些健壯性和適應性。至少，這是一種希望。我們還未完全參透這一設計方式，它也可能會被證明行不通。這是目前我研究的一個課題。

前言石頭中的魔術- 001

01基礎知識- 007

布爾邏輯010

二進制位和邏輯塊021

液壓計算機025

萬能工匠—積木029

不必擔憂那些非同小可的差異031

02通用構件- 033

邏輯功能035

有限狀態機047

03編程- 059

與計算機對話063

建立連接關係077

翻譯語言086

層次結構087

04圖靈機的通用性- 089

圖靈機092

計算能力等級094

隨機數097

可計算性099

量子計算103

05算法和啟發式方法- 111

算法的保證性114

解決問題的萬能方法121

適應度地形127

06存儲：信息和密碼- 131

壓縮136

加密144

查錯146

07速度：並行計算機- 153

並行性157

08能自我學習和進化的計算機- 173

訓練計算機179

神經網絡182

自組織系統189

09超越工程- 193

大腦197

模塊化的問題201

模擬進化203

進化出會思維的機器207

致謝

01基礎知識

計算機的構建基礎包括布爾邏輯、二進制、邏輯塊等。如果有一天計算機的硬件設備被淘汰，這些基礎都將依然保持正確。

小時候，我讀過這樣一個故事，一個男孩用從垃圾場收集的零件組裝出了一個機器人，這個機器人可以像人一樣走路、說話和思考，並成為男孩的朋友。不知何故，我被製造機器人的想法深深地吸引了，因此決定也動手組裝一個。我對當時收集各部位零件的情景還記憶猶新：用管子作四肢，馬達作肌肉，燈泡作眼睛，油漆桶作腦袋。我滿懷希望地期待當自己完成組裝、插上電源之後，就能擁有一個正常運作的機器人。

在經歷了幾次嚴重的觸電事故後，我的機器人終於可以移動和發光了，而且還會發出“嗡嗡”的聲音。我感覺自己有所長進，而且我還懂得瞭如何為四肢製造活動關節。不過，當時我面臨的最大問題是，該如何控制那些馬達和燈泡。後來，我意識到自己是對機器人的工作原理缺乏了解，而現在，我知道當時缺乏的知識是什麼了—計算，當時我稱之為“思維”，我毫不知曉如何才能讓某個物體具備思維能力。現在，我清楚地知道，計算才是製造機器人最難的部分，而當時還是小孩的我很難意識到這一點。

布爾邏輯

幸運的是，我讀的第一本有關計算機的書是一本經典之作。我的父親是一位流行病學家，那時我們居住在加爾各答，很難讀到英文著作。在英國領事館的圖書室裡，我找到了一本表面佈滿灰塵的書，作者是19 世紀的邏輯學家喬治·布爾（George Boole），書名為《思維規律的研究》（AnInvestigation of the Laws of Thought ）。這個書名立刻吸引了我，

令我心馳神往，難道真的存在支配思維的法則嗎？在這本書中，布爾試圖將人類的思維邏輯簡化為數學運算。他雖然沒有真正解釋清楚人類的思維過程，但道出了簡單的邏輯運算的驚人力量和普適性。他還發明了一種語言，可以用來描述和處理邏輯陳述，以及判定這些陳述的真假。這種語言現在被稱為布爾代數（Boolean algebra）。布爾代數與我們在高中所學的代數相似，差別僅在於等式中的變量所代表的東西從數字變成了邏輯​​命題。布爾變量代表非真即假的命題，符號∧、∨、¬ 分別代表“與”“或”“非”邏輯運算。例如下列的布爾代數方程：

¬（A ∨B）=（¬ A ）∧（¬ B）

這個方程被稱為德·摩根定律，是以布爾的同事奧古斯都·德·摩根（Augustus De Morgan）的名字命名的，其含義為：如果A 和B 無一為真，則兩者皆必然為假。變量A 和B 可以表示任意非真即假的邏輯命題。顯然，這個方程是成立的。不過，布爾代數還能寫出更加複雜的邏輯命題，並能進行證明和反證。

麻省理工學院曾有一位年輕的工程學碩士，他通過一篇論文將布爾的理論引入了計算機科學領域，使其大放異彩，這位學生名叫克勞德·香農（Claude Shannon）。香農最廣為人知的成就是創立了信息論，信息論是數學的一個分支，這門分支定義了我們稱為“二進制位”（又叫比特）的信息度量單位。二進制位概念的提出是一項了不起的成就。對於計算科學來說，香農利用布爾邏輯所做的工作也同樣重要。香農的這兩項成就為之後50 年計算機科學的發展奠定了基礎。

香農曾致力於創造一台會下國際象棋的機器，更確切地說是一台能模擬人類思維的機器。1940 年，他在碩士論文《繼電器與開關電路的符號分析》（A Symbolic Analysis of Relay Switching Circuits ）中表明，構建一個與布爾代數方程完全等價的電路是可能的。在香農設計的電路中，開關的開啟和關閉對應著布爾代數邏輯變量值的真與假。香農提出了一種方法，可以將布爾代數方程轉化為開關組合。當命題為真時，電路建立連接，當命題為假時，電路則斷開連接。這種方法意味著，任何能由布爾邏輯命題精確描述的功能都可用類似的開關係統來實現。

與其詳述布爾和香農建立的理論框架，我們不如舉例來說明其理論在實際中的應用，以我設計的一台井字遊戲機為例。雖然相比於通用的計算機，這個遊戲機非常簡單，但它體現了對所有計算機來說都非常重要的兩大原理：如何將一項任務轉化為一系列邏輯函數，以及如何用由開關連接起來的電路實現這些函數。當我讀完布爾的書之後，就用燈泡和開關搭建了一個井字遊戲機，這是我對計算機邏輯的初次涉獵。後來，我去了麻省理工學院讀本科，香農成了我的良師益友。我驚奇地發現，他也曾用燈泡和開關搭建過井字遊戲機。