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ChatGPT宣告人类进入人工智能元年,工业4.0这次真的来了(上篇)

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ChatGPT宣告人类进入人工智能元年,工业4.0这次真的来了(上篇)

作者:admin  日期:2024/1/30    来源:上海厂房网   热线:400-0123-021   【提交需求
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前言:第四次工业革命是人工智能
之前我们一直判断美国经济会进入衰退,但美国经济没有衰退,美国搞出了ChatGPT,相当于一次真正的工业革命。之前我们对工业革命有个二次判断失误,一次失误是以德国为主的工业4.0,搞机器联网;第二次判断失误是搞iot物联网,物联网代表代表第四次工业革命,代表未来趋势,但真正的工业革命可能是AI。所以目前大家不敢创业、创新了呢,当前进入一个什么了一个无IP不商业,无AI不创业时代,今天如果不搞AI,拿到投资都不可能。
 可以大言不惭地说,我们是业内最早在网上发文给工业4.0泼冷水的(参见旧文《给4.0泼冷水:制造企业应该如何正确看待和开展工业4.0项目》,《工业4.0的冷处理》,《2021,和工业4.0说拜拜》),而且在各种场合和工业4.0的主流观点唱反调,并建议企业谨慎投资工业4.0概念相关的项目。
我们反对工业4.0的非常重要的原因之一,就是它名不配位。把大数据,物联网,数字孪生之类的技术说成是第四次工业革命,和蒸汽机(蒸汽革命),发电机(电力革命),计算机(信息革命)比肩过于牵强。就好比说四大发明有造纸术,印刷术,指南针和充电宝;四大美女有西施,貂蝉,王昭君和李小璐;四大天王有刘德华,张学友,郭富城和黄晓明... ...就像是三句半表演的第四位,承担了全场的笑点。
所以我们一直认为工业4.0绝算不上第四次工业革命,最有希望成为第四次工业革命导火索的技术是人工智能,其次是离我们还有些遥远的量子计算机。
我们看来,前两次工业革命都是动力革命:工业1.0时代最主要的动力设备是水轮机(其实水力在人类制造业发展史中占有极其重要的地位,参见《工业0.0,一个被我们忽略的水力时代》)和蒸汽机;工业2.0之后,主要的动力源就变成了内燃机和电动机。之后尽管出现了蒸汽轮机,燃气轮机,冲压发动机,核反应堆等,但都不足以改变世界。下一次科技革命如果是动力革命,那么标志性技术肯定非核聚变莫属。工业3.0的标志性技术是计算机和互联网,工业4.0的标志性技术是人工智能和呼之欲出的量子计算机,后两次科技革命我称之为“算力革命”。
即便量子计算机一时半会儿还出不来,但也绝不妨碍人工智能引领本轮科技革命。
  ChatGPT的横空出世意味着初代人工智能已经实现。经过实测的人都会认为ChatGPT说的是人话,认为ChatGPT完全可以通过图灵测试(即盲测聊天时让人类无法分辨聊天对象是自己的同类还是和机器),即便有些问题受到人为的限制,在解除算法约束条件后,ChatGPT的表现只会更加出色。
所以既然ChatGPT能够通过图灵测试,那么说明人工智能已经实现,这意味着第二次算力革命已经开始,它将直接影响到包括工业和制造业在内的各个领域。
  应该说ChatGPT是专门针对语言逻辑这类范式问题的人工智能。除了自然语言的组织已经看不出和人类的区别,ChatGPT真正厉害的地方是对机器语言的组织和生成。只要是标准的机器代码它都可以生成于是我继续循循善诱继续引导,而ChatGPT似乎也马上理解了,而且用中文给出了非常正确且清晰的原因描述。
  目前ChatGPT的聊天能力已经空前强大,既然可以按照人类自然语言的描述生成计算机代码,那么就可以自动运行这些代码,进而控制机器,实现信息自动化。
  信息化的主要作用是解决繁琐流程问题,比如各种审批流程,整理财务报表等等。如果工作流程比较复杂繁琐,那么就需要上信息化软件。现代企业的业务因为都比较复杂,所以信息系统几乎是必须的。所以说数字化转型是智能制造的基础这句话一点没错。
 对于智能化的定义大家的分歧都很大,我的看法是:能够用人工智能的方式解决决策问题的系统才算是智能化系统。
  既然我可以用Chat GPT生成数控机床的G代码,就说明AI已经作为一个通用性的工具,影响到工业领域了。按照我之前的定义,工业领域的人工智能才算得上第四次工业革命,所以Chat GPT的成功意味着工业4.0的开始。
人类的思维实际上就体现在语言上。思考就是自己和自己的对话。
想明白一件事其实就是被自己头脑里的那个声音说服了。
接受某个人的思想或认同某个人的观念,表现形式就是同意这个人说过的话和写过的文字。
  因此,语言即思想。

 人工智能引领的第四次科技和工业革命已经到来。掌握ChatGPT,对个人有什么好处,首先人人都可以成为程序员,你不需要在去学习各种编程语言,机器代码,ChatGPT智慧会把人类的语言,要求变成机器语言。从用户直达机器,省去中间产品经理,程序员。一个不懂编程的人,也可以自己开发需要的网站。
 你不用在担心全球旅游语言不通,AI人工智能翻译软件,可以无障碍让你与任何国家的人交流;
  你也不用费力再考驾照了,未来所有路上行驶的人工智能驾驶汽车,不是按照计算机导航指令行驶,而是模仿人类神经网络,快速学习能力,根据实际路况预判,超过人类任何老司机实现绝对的安全行驶;

 甚至你可以不懂绘画、音乐、影视编辑,ChatGPT可以帮你做出任何超过你预期的作品。
  当然ChatGPT可以做很多需要超强学习力的事情,目前已经进化到了GPT4,马上到了GPT5,已经超过人力目前最强大脑,大家可以想象下,未来包括宇宙探索,飞碟制造,生物医药,新能源、新材料创新,创造都可以成为人类最佳助手,但他永远代替不了人类的选择与责任担当。

 

正文 

 


我们即将进入第四次工业革命时代,其规模之大不可想象——任正非


第一次工业革命:蒸汽机时代;
第二次工业革命:电气化时代;
第三次工业革命:信息化时代;


 



 

 


第四次工业革命,是AI带给人类的颠覆性革命。可人工智能伴随我们70多年,为什么今天才进入AI革命纪呢?

因为AI大模型的出现,特别是生成式AI得到验证后,通用性问题被解决:

人类和AI,将携手创造一个全新世界。

 


我们正处于传统信息技术时代的黄昏,和人工智能时代的黎明。


在过去的260年间,人类社会经历了三次巨大的科技创新浪潮,蒸汽机、电力和信息技术,将全球GDP提升了近千倍。每一次科技浪潮都通过某一项先进生产力要素的突破,进而引起大多数行业的变革:比如蒸汽机的出现推动了汽车、火车、轮船、钢铁等行业的巨大发展,140年前美国铁路行业的恶性竞争史,就如同现今互联网行业BAT之间的竞争。而铁路行业发展、兼并所需的巨额金融资本,又驱动了华尔街的发展,逐渐成为全球的金融中心。


二战之后以信息技术为核心的第三次科技革命迄今已逾70年,将全球GDP提升约60倍。其中可分为两段:1950年-1990年,是半导体产业迅猛发展的时代,推动了大型计算机向个人PC的小型化;1990年至今是近30年的互联网全球化时代,而互联网时代又细分为桌面互联网和移动互联网两段。


但随着摩尔定律的失效和信息技术红利彻底用尽,加上疫情黑天鹅影响,全球GDP衰退,引发并加剧了全球地缘政治和军事冲突,开始向逆全球化发展。


所以未来到底属于web3、元宇宙,还是碳中和?到底什么样的革命性技术可以引领人类社会走出经济衰退、疫情和战争的影响,并将全球经济体量再向上推动增长下一个50倍?


我们的答案是,我们早已处于人工智能时代之中。就像直到2010年iphone4发布,绝大多数人也并未意识到移动互联网革命早已开始一样,如今人工智能其实也已广泛应用,比如到处遍布的摄像头和手机人脸识别,微信语音和文本转换,抖音动态美颜特效、推荐算法,家庭扫地机器人和餐厅送餐机器人,背后都是人工智能核心技术在过去十年不断取得的巨大突破。

 

 

互联网已经是传统行业。


互联网技术作为过去30年最先进的生产力要素,改变了全球的所有人、所有产业、社会经济,甚至是政治、军事、宗教。


虽然互联网的技术红利已基本用尽,但我们仍可通过研究其历史规律,来预测未来新技术发展的可能路径。


30年的互联网发展历程总体可分为桌面互联网和移动互联网两个时代,按产业渗透规律,又可分为信息互联网、消费互联网和产业互联网三大阶段。


系统硬件都是最先起步,包括底层芯片、操作系统、联网通信、整机等,进而初步向媒体工具、文娱游戏行业渗透,因为这些领域最易受新技术的影响。当2002年中国网民达到6000万人,2012年中国智能手机出货量达到2亿部之后 ,互联网和移动互联网开始全面开花,渗透变革了直接to C的众多行业,如零售消费、交通出行、教育、金融、汽车、居住、医疗等。而当用户量进一步上涨、新技术的渗透进一步加深,企业服务、物流、制造、农业、能源等to B产业被影响。


而这个过程中可以发现,移动互联网时代对产业的渗透深度比桌面互联网更深,桌面互联网介入行业基本停留在信息连接层面,而到移动互联网时代,众多掌握先进技术要素的公司开始自己下场开超市、组车队、重构教育内容和金融机构,甚至是卖房、造车。也有些公司虽然诞生在桌面时代,但成功抓住移动爆发红利杀出重围,比如美团、去哪儿、支付宝。


抖音的崛起是中国移动互联网时代的最大变数,也是数据通信传输技术不断提升的必然,引发了用户流量结构的重组,进而催生了一大批抓住抖音流量红利崛起的消费品牌,如完美日记、花西子等等。但最终都逃不过被平台收割的命运,就像当年淘品牌的结局一样。微信支付、支付宝的普及极大推动了线下连锁零售的数字化程度和管理半径,减少了上下游现金收款产生的风险,促使其在资本市场被重新认可,连锁化率进一步提升,比如喜茶、瑞幸、Manner等等。这两条逻辑共同构成了过去几年的消费投资热潮主线。

 

 

如何评判一个新技术是否能引领未来的发展方向?


我们要看它能否从本质上解放生产力、发展生产力。


蒸汽机之所以推动了第一次科技革命,是因为其极大的提升了劳动生产力,并将大量劳动人口从第一产业农业的低级劳动中解放出来,进入第二产业工业。电力加速了这一过程,并推动了第三产业服务业的出现和发展。信息技术将更多的人口从第一、二产业中释放,进入第三产业(如大量年轻人不再进厂而去送外卖、跑滴滴),于是形成了如今全球第三产业GDP占比55%,中国第三产业劳动人口占比50%的格局。


机器人即是人工智能技术的硬件形态,在可见的未来,将第一二三产业的劳动人口从低级劳动中大比例释放和替代,并在这个过程中推动全球GDP继续百倍增长。


同时可大胆预言,以创新为职业的第四产业将会出现,而这个职业在人类的历史长河中其实一直存在于第一二三产业的边缘,不断用突破性创新推动着人类技术的进步,且社会生产力的提升促使该职业人群不断扩大。这大约能证明刘慈欣的技术爆炸假说来源。


人工智能从模块上可分为感知、计算和控制三大部分,由表及里可分为应用层、数据层、算法层、算力层,而随着2012年芯片进入28nm制程后的量子隧穿效应导致摩尔定律失效,“每提升一倍算力,就需要一倍能源”的后摩尔定律或将成为人工智能时代的核心驱动逻辑,算力的发展将极大受制于能源,当前全球用于制造算力芯片的能源占全球用电量的约1%,可以预测在人工智能大规模普及的未来数十年后,该比例将会大幅提升至50%甚至90%以上。而全球如何在减少化石能源、提升清洁能源占比,从而确保减少碳排放遏制全球升温的同时,持续提升能源使用量级,将推动一系列能源技术革命。关于该方向的研究可参考我们的另一篇报告《碳中和:能源技术新革命》

 

 

早在第一次科技革命之前260年,哥伦布地理大发现就使西班牙成为了第一个全球化霸主。蒸汽机驱动英国打败西班牙无敌舰队,电力和两次世界大战使美国超过英国,信息技术又让美国赢得和苏联的冷战对抗,全球过了30年相对和平的单极霸权格局。


因此中国如果仅在现有技术框架中与欧美竞争,只会不断被卡脖子,事倍功半。只有引领下一代人工智能和碳中和能源技术科技革命浪潮,才能从全球竞争中胜出。


尽管中国已经跻身人工智能领域的大国,但是我们必须认识到中美之间在AI领域仍然有着明显的差距。从投资金额和布局上看,从2013年到2021年,美国对人工智能公司的私人投资是中国的2倍多。当前美国AI企业数量领先中国,布局在整个产业链上,尤其在算法、芯片等产业核心领域积累了强大的技术创新优势。更关键的是,尽管近年来中国在人工智能领域的论文和专利数量保持高速增长,但中国AI研究的质量与美国仍然有较大差距(集中体现在AI顶会论文的引用量的差距上)。


2013-2021年中美在AI领域私有部门(如风险投资、个人投资等)投资金额上差距逐渐拉大


中国在AI顶会上发表的文章数量已经反超美国,但影响力上仍然与美国有较大差距


因此,中国需要持续加大在AI领域的研发费用规模,特别是加大基础学科的人才培养,吸引全世界优秀的AI人才。只有这样,中国才能有朝一日赶超美国,在基础学科建设、专利及论文发表、高端研发人才、创业投资和领军企业等关键环节上的拥有自己的优势,形成持久领军世界的格局。

 


一、AI发展简史

 

 

人工智能的概念第一次被提出是在1956年达特茅斯夏季人工智能研究会议上。当时的科学家主要讨论了计算机科学领域尚未解决的问题,期待通过模拟人类大脑的运行,解决一些特定领域的具体问题(例如开发几何定理证明器)。


那么到底什么是人工智能?目前看来,Stuart Russell与Peter Norvig在《人工智能:一种现代的方法》一书中的定义最为准确:人工智能是有关“智能主体(Intelligent agent)的研究与设计”的学问,而“智能主体”是指一个可以观察周遭环境并做出行动以达致目标的系统。这个定义既强调了人工智能可以根据环境感知做出主动反应,又强调人工智能所做出的反应必须达成目标,同时没有给人造成“人工智能是对人类思维方式或人类总结的思维法则的模仿”这种错觉。


到目前为止,人工智能一共经历了三波浪潮。


第一次AI浪潮与图灵和他提出的“图灵测试”紧密相关。图灵测试刚提出没几年,人们似乎就看到了计算机通过图灵测试的曙光:1966年MIT教授Joseph Weizenbaum发明了一个可以和人对话的小程序——Eliza(取名字萧伯纳的戏剧《茶花女》),轰动世界。但是Eliza的程序原理和源代码显示,Eliza本质是一个在话题库里通过关键字映射的方式,根据人的问话回复设定好的答语的程序。不过现在人们认为,Eliza是微软小冰、Siri、Allo和Alexa的真正鼻祖。图灵测试以及为了通过图灵测试而开展的技术研发,都在过去的几十年时间里推动了人工智能,特别是自然语言处理技术(NLP)的飞速发展。


第二次AI浪潮出现在1980-1990年代,语音识别(ASR)是最具代表性的几项突破性进展之一。在当时,语音识别主要分成两大流派:专家系统和概率系统。专家系统严重依赖人类的语言学知识,可拓展性和可适应性都很差,难以解决“不特定语者、大词汇、连续性语音识别”这三大难题。而概率系统则基于大型的语音数据语料库,使用统计模型进行语音识别工作。中国学者李开复在这个领域取得了很大成果,基本上宣告了以专家系统为代表的符号主义学派(Symbolic AI)在语音识别领域的失败。通过引入统计模型,语音识别的准确率提升了一个层次。


第三次AI浪潮起始于2006年,很大程度上归功于深度学习的实用化进程。深度学习兴起建立在以Geoffrey Hinton为代表的科学家数十年的积累基础之上。简单地说,深度学习就是把计算机要学习的东西看成一大堆数据,把这些数据丢进一个复杂的、包含多个层级的数据处理网络(深度神经网络),然后检查经过这个网络处理得到的结果数据是不是符合要求——如果符合,就保留这个网络作为目标模型;如果不符合,就一次次地、锲而不舍地调整网络的参数设置,直到输出满足要求为止。本质上,指导深度学习的是一种“实用主义”的思想。实用主义思想让深度学习的感知能力(建模能力)远强于传统的机器学习方法,但也意味着人们难以说出模型中变量的选择、参数的取值与最终的感知能力之间的因果关系。


需要特别说明的是,人们往往容易将深度学习与“机器学习”这一概念混淆。事实上,在1956年人工智能的概念第一次被提出后,Arthur Samuel就提出:机器学习研究和构建的是一种特殊的算法而非某一个特定的算法,是一个宽泛的概念,指的是利用算法使得计算机能够像人一样从数据中挖掘出信息;而深度学习只是机器学习的一个子集,是比其他学习方法使用了更多的参数、模型也更加复杂的一系列算法。简单地说,深度学习就是把计算机要学习的东西看成一大堆数据,把这些数据丢进一个复杂的、包含多个层级的数据处理网络(深度神经网络),然后检查经过这个网络处理得到的结果数据是不是符合要求——如果符合,就保留这个网络作为目标模型,如果不符合,就一次次地、锲而不舍地调整网络的参数设置,直到输出满足要求为止。本质上,指导深度学习的是一种“实用主义”的思想。实用主义思想让深度学习的感知能力(建模能力)远强于传统的机器学习方法,但也意味着人们难以说出模型中变量的选择、参数的取值与最终的感知能力之间的因果关系。


二、AI的三大基石解析


如前所述,人工智能由表及里可分为应用层、数据层、算法层和算力层。


1.算力


算力层包括具备计算能力硬件和大数据基础设施。回顾历史我们就会发现,历次算力层的发展都会显著推动算法层的进步,并促使技术的普及应用。21世纪互联网大规模服务集群的出现、搜索和电商业务带来的大数据积累、GPU和异构/低功耗芯片兴起带来的运算力提升,促成了深度学习的诞生,促成了人工智能的这一波爆发。而AI芯片的出现进一步显著提高了数据处理速度:在CPU的基础上,出现了擅长并行计算的GPU,以及拥有良好运行能效比、更适合深度学习模型的现场可编程门阵列(FPGA)和应用专用集成电路(ASIC)。



当前,人工智能的算力层面临巨大的挑战。随着2012年芯片28nm的工艺出现,原先通过在平面上增加晶体管的数量来提升芯片性能的思路因为量子隧穿效应而不再可取,摩尔定律开始失效。晶体管MOSFET这个芯片里最基础的单元,由平面结构变成立体结构(由下图中的Planar结构转向FinFET结构,2018年之后进一步从FinFET结构转向GAAFET结构)。


三代MOSFET的栅极结构演化。其中灰色代表电流流经区域,绿色代表充当闸门的栅极


芯片结构的改变直接导致了芯片制造步骤的增加,最终体现为成本的上升。在2012年28nm工艺的时候,处理器的生产大概需要450步。到了2021年的5nm工艺时,生产环节已经增加到了1200步。对应到每1亿个栅极的制造成本上,我们从图中可以清楚地看到,从90 nm 工艺到7nm工艺,生产成本先下降后上升。这就使得摩尔定律的另一种表述形式——“同样性能的新品价格每18-24个月减半”不再成立。未来我们很可能见到的情况是,搭载了顶级技术和工艺生产出来的芯片的电子产品或设备价格高昂,超过了一般消费者的承受力度。


每 1 亿个栅极的制造成本

图片来源:Marvell Technology, 2020 Investor Day


不过算力层的这个变化让半导体制造企业受益最大,因为只要需求存在,台积电、三星、英特尔等几家掌握先进工艺的厂商就会持续投入资金和人力,不断设计和制造新一代芯片,然后根据自身成本给产品定价。


想要彻底解决摩尔定律失效的问题,需要跳出当前芯片设计的冯·诺依曼结构。类脑芯片、存算一体、寻找基于硅以外的新材料制造芯片,甚至量子计算等等都是潜力巨大的解决方案,但是这些方案距离成熟落地还非常遥远(最乐观地估计也需要几十年的时间),无法解决当下芯片行业的困局。在这段时期内,行业内为了提升芯片性能,开始广泛应用Chiplet技术,或者使用碳基芯片、光芯片等等。

 

 

Chiplet技术


Chiplet技术的原理有点类似搭积木,简单来说就是把一堆小芯片组合成一块大芯片。这种技术能够以较低的成本制造过于复杂的芯片,并且保证足够优秀的良率,从2012年开始就逐步被使用。当前Chiplet技术已经能够在二维平面上实现用不同的材料和工艺加工拼接的小核心,Intel等公司正在把Chiplet技术引入新的阶段发展:在垂直方向上堆叠多层小核心,进一步提升芯片的性能(例如Intel于2018年开发的Foveros 3D Chiplet)。不过Chiplet技术路线面临的最大问题来源于芯片热管理方面:如果在三维结构上堆叠多层小核心,传统的通过CPU顶部铜盖一个面散热的方案将无法解决发热问题,因此可能需要在芯片的内部嵌入冷却装置来解决发热功率过高的问题。


碳纳米管技术


使用碳纳米管可能是另一个短期解决方案。这项技术属于碳基芯片领域,具体来说就是用碳纳米管承担芯片里基础元件开关的功能,而不是像传统芯片一样使用掺杂的半导体硅来传输电子。这种技术的优势在于导电性好、散热快、寿命长,而且由于其本质上仍然保留了冯·诺依曼架构,当前的生产工艺、产业链等匹配设施都不需要做出太大的调整。但是目前碳纳米管的大规模生产和应用还有一些困难,距离把碳纳米管按照芯片设计的要求制造出来可能还需要几十年。


短期内,围绕Chiplet技术在热管理方面的探索,和碳纳米管技术的灵活生产制造突破是算力层面上我们重点关注的机会。当然,我们也要了解目前类脑芯片、存算一体和量子计算等终局解决方案的相关情况。这里为大家简单介绍如下:


类脑芯片


类脑芯片的灵感源于人脑。类脑芯片和传统结构的差异体现在两方面:第一,类脑芯片中数据的读取、存储和计算是在同一个单元中同时完成的,也即“存算一体”;第二,单元之间的连接像人类神经元之间的连接一样,依靠“事件驱动。


目前,类脑芯片的相关研究分为两派。一派认为需要了解清楚人脑的工作原理,才能模仿人类大脑设计出新的结构。但是目前人类对人脑的基本原理理解得仍然很粗浅,因此这一派取得的进展相当有限。另外一派则认为,可以先基于当前已有的生物学知识,比照人脑的基础单元设计出一些结构,然后不断试验、优化、取得成果,实现突破。目前这一派的研究人员依照神经元的基础结构,给类脑芯片做了一些数学描述,也搭建了模型,并且做出了不少可以运行的芯片。


存算一体


存算一体可以简单被概括为“用存储电荷的方式实现计算”,彻底解决了冯诺依曼结构中“存储”和“计算”两个步骤速度不匹配的问题(事实上,在以硅为基础的半导体芯片出现之后,存算速度不匹配的情况就一直存在)。存算一体机构在计算深度学习相关的任务时表现突出,能耗大约是当前传统计算设备的百分之一,能够大大提升人工智能的性能。除此之外,这种芯片在VR和AR眼镜等可穿戴设备上有广阔的应用前景,也能推动更高分辨率的显示设备价格进一步降低。


目前,存算一体仍然有两个问题没有突破:第一是基础单元(忆阻器)的精度不高,其次是缺少算法,在应对除了矩阵乘法以外的计算问题时表现远不如冯·诺依曼结构的芯片。


量子计算


量子计算是用特殊的方法控制若干个处于量子叠加态的原子,也叫作“量子”,通过指定的量子态来实现计算。量子计算机最适合的是面对一大堆可能性的时候,可以同时对所有可能性做运算。为了从所有的结果中找一个统计规律,我们需要使用量子计算机进行多次计算。不过由于退相干的问题,量子计算很容易出错。目前量子计算的纠错方法有待突破,只有解决了这个问题量子计算才可能被普遍使用。


当前量子计算机体积过大、运行环境严苛、造价昂贵。目前来看量子计算与经典计算不是取代与被取代的关系,而是在对算力要求极高的特定场景中发挥其高速并行计算的独特优势。中科大的量子物理学家陆朝阳曾总结道,“到目前为止,真正可以从量子计算中受益的实际问题仍然非常有限,享受指数级加速的就更少了——其他的仅有更有限的加速”。


总体而言,量子计算机的相关成果都只停留在科学研究的阶段,距离实际应用还很遥远。

 

2.算法


算法层指各类机器学习算法。如果根据训练方法来分类,机器学习算法也可以分成“无监督学习”、“监督学习”和“强化学习”等。按照解决问题的类型来分,机器学习算法包括计算机视觉算法(CV)、自然语言处理算法(NLP)、语音处理和识别算法(ASR)、智慧决策算法(DMS)等。每个算法大类下又有多个具体子技术,这里我们为大家简单介绍:


2.1 计算机视觉


计算机视觉的历史可以追溯到1966年,当时人工智能学家Minsky要求学生编写一个程序,让计算机向人类呈现它通过摄像头看到了什么。到了1970-1980年代,科学家试图从人类看东西的方法中获得借鉴。这一阶段计算机视觉主要应用于光学字符识别、工件识别、显微/航空图片的识别等领域。


到了90年代,计算机视觉技术取得了更大的发展,也开始广泛应用于工业领域。一方面是由于GPU、DSP等图像处理硬件技术有了飞速进步;另一方面是人们也开始尝试不同的算法,包括统计方法和局部特征描述符的引入。进入21世纪,以往许多基于规则的处理方式,都被机器学习所替代,算法自行从海量数据中总结归纳物体的特征,然后进行识别和判断。这一阶段涌现出了非常多的应用,包括相机人脸检测、安防人脸识别、车牌识别等等。


2010年以后,深度学习的应用将各类视觉相关任务的识别精度大幅提升,拓展了计算机视觉技术的应用场景:除了在安防领域应用外,计算机视觉也被应用于商品拍照搜索、智能影像诊断、照片自动分类等场景。


 

再细分地来看,计算机视觉领域主要包括图像处理、图像识别和检测,以及图像理解等分支:


  • 图像处理:指不涉及高层语义,仅针对底层像素的处理。典型任务包括图片去模糊、超分辨率处理、滤镜处理等。运用到视频上,主要是对视频进行滤镜处理。这些技术目前已经相对成熟,在各类P图软件、视频处理软件中随处可见;
  • 图像识别和检测:图像识别检测的过程包括图像预处理、图像分割、特征提取和判断匹配,可以用来处理分类问题(如识别图片的内容是不是猫)、定位问题(如识别图片中的猫在哪里)、检测问题(如识别图片中有哪些动物、分别在哪里)、分割问题(如图片中的哪些像素区域是猫)等。这些技术也已比较成熟,图像上的应用包括人脸检测识别、OCR(光学字符识别)等,视频上可用来识别影片中的明星;
  • 图像理解:图像理解本质上是图像与文本间的交互,可用来执行基于文本的图像搜索、图像描述生成、图像问答(给定图像和问题,输出答案)等。图像理解任务目前还没有取得非常成熟的结果,商业化场景也正在探索之;

 


总体而言,计算机视觉已经达到了娱乐用、工具用的初级阶段。未来,计算机视觉有望进入自主理解、甚至分析决策的高级阶段,真正赋予机器“看”的能力,从而在智能家居、无人车等应用场景发挥更大的价值。
 

 

2.2 语音识别

 

第一个真正基于电子计算机的语音识别系统出现在1952年。1980年代,随着全球性的电传业务积累了大量文本可作为机读语料用于模型的训练和统计,语音识别技术取得突破:这一时期研究的重点是大词汇量、非特定人的连续语音识别。1990年代,语音识别技术基本成熟,但识别效果与真正实用还有一定距离,语音识别研究的进展也逐渐趋缓。

随着深度神经网络被应用到语音的声学建模中,人们陆续在音素识别任务和大词汇量连续语音识别任务上取得突破。而随着循环神经网络(RNN)的引入,语音识别效果进一步得到提升,在许多(尤其是近场)语音识别任务上达到了可以进入人们日常生活的标准。以Apple Siri为代表的智能语音助手、以Echo为首的智能硬件等应用的普及又进一步扩充了语料资源的收集渠道,为语言和声学模型的训练储备了丰富的燃料,使得构建大规模通用语言模型和声学模型成为可能。

 
与语音识别紧密关联的是语音处理。语音处理为我们提供了语音转文字、多语言翻译、虚拟助手等一系列软件。一个完整的语音处理系统,包括前端的信号处理、中间的语音语义识别和对话管理(更多涉及自然语言处理),以及后期的语音合成。

 

  • 前端信号处理:语音的前端处理涵盖说话人声检测、回声消除、唤醒词识别、麦克风阵列处理、语音增强。
  • 语音识别:语音识别的过程需要经历特征提取、模型自适应、声学模型、语言模型、动态解码等多个过程。
  • 语音合成:语音合成的几个步骤包括文本分析、语言学分析、音长估算、发音参数估计等。基于现有技术合成的语音在清晰度和可懂度上已经达到了较好的水平,但机器口音还是比较明显。目前的几个研究方向包括如何使合成语音听起来更自然、如何使合成语音的表现力更丰富,以及如何实现自然流畅的多语言混合合成。

 

 

 

2.3 自然语言处理

 

早在1950年代,人们就有了自然语言处理的任务需求,其中最典型的就是机器翻译。到了1990年代,随着计算机的计算速度和存储量大幅增加、大规模真实文本的积累产生,以及被互联网发展激发出的、以网页搜索为代表的基于自然语言的信息检索和抽取需求出现,自然语言处理进入了发展繁荣期。在传统的基于规则的处理技术中,人们引入了更多数据驱动的统计方法,将自然语言处理的研究推向了一个新高度。

进入2010年以后,基于大数据和浅层、深层学习技术,自然语言处理的效果得到了进一步优化,出现了专门的智能翻译产品、客服机器人、智能助手等产品。这一时期的一个重要里程碑事件是IBM研发的Watson系统参加综艺问答节目Jeopardy。机器翻译方面,谷歌推出的神经网络机器翻译(GNMT)相比传统的基于词组的机器翻译(PBMT),在翻译的准确率上取得了非常强劲的提升。

 
自然语言处理从流程上看,分成自然语言理解(NLU)和自然语言生成(NLG)两部分,这里我们简单为大家介绍知识图谱、语义理解、对话管理等研究方向。

 

  • 知识图谱:知识图谱基于语义层面,对知识进行组织后得到的结构化结果,可以用来回答简单事实类的问题,包括语言知识图谱(词义上下位、同义词等)、常识知识图谱(“鸟会飞但兔子不会飞”)、实体关系图谱(“刘德华的妻子是朱丽倩”)。知识图谱的构建过程其实就是获取知识、表示知识、应用知识的过程。
  • 语义理解:核心问题是如何从形式与意义的多对多映射中,根据当前语境找到一种最合适的映射。以中文为例,需要解决歧义消除、上下文关联性、意图识别、情感识别等困难。
  • 对话管理:为了让机器在与人沟通的过程中不显得那么智障,还需要在对话管理上有所突破。目前对话管理主要包含三种情形:闲聊、问答、任务驱动型对话。

 

 

 

2.4 规划决策系统

 

真正基于人工智能的规划决策系统出现在电子计算机诞生之后。1990年代,硬件性能、算法能力等都得到了大幅提升,在1997年IBM研发的深蓝(Deep Blue)战胜国际象棋大师卡斯帕罗夫。到了2016年,硬件层面出现了基于GPU、TPU的并行计算,算法层面出现了蒙特卡洛决策树与深度神经网络的结合。人类在完美信息博弈的游戏中已彻底输给机器,只能在不完美信息的德州扑克和麻将中苟延残喘。人们从棋类游戏中积累的知识和经验,也被应用在更广泛的需要决策规划的领域,包括机器人控制、无人车等等。
 
 

 

2.5 算法的发展趋势和面临的瓶颈

 

近年来。处在机器学习也产生了几个重要的研究方向,例如从解决凸优化问题到解决非凸优化问题,以及从监督学习向非监督学习、强化学习的演进:

 

  • 从解决凸优化问题到解决非凸优化问题

 


目前机器学习中的大部分问题,都可以通过加上一定的约束条件,转化或近似为一个凸优化问题。凸优化问题是指将所有的考虑因素表示为一组函数,然后从中选出一个最优解。而凸优化问题的一个很好的特性是局部最优就是全局最优。这个特性使得人们能通过梯度下降法寻找到下降的方向,找到的局部最优解就会是全局最优解。

然而在现实生活中,真正符合凸优化性质的问题其实并不多,目前对凸优化问题的关注仅仅是因为这类问题更容易解决。人们现在还缺乏针对非凸优化问题的行之有效的算法。

 

  • 从监督学习向非监督学习、强化学习的演进

 


目前来看,大部分的AI应用都是通过监督学习,利用一组已标注的训练数据,对分类器的参数进行调整,使其达到所要求的性能。但在现实生活中,监督学习不足以被称为“智能”。对照人类的学习过程,许多都是建立在与事物的交互中,通过人类自身的体会、领悟,得到对事物的理解,并将之应用于未来的生活中。而机器的局限就在于缺乏这些“常识”。

无监督学习领域近期的研究重点在于“生成对抗网络”(GANs),而强化学习的一个重要研究方向在于建立一个有效的、与真实世界存在交互的仿真模拟环境,不断训练,模拟采取各种动作、接受各种反馈,以此对模型进行训练。

 

  • 从“堆数据”到研发低训练成本的算法

 


 
MIT Digital Lab的研究者联合韩国的相关机构在2020年发表了一项基于1058篇深度学习的论文和数据的研究。在分析了现有的深度学习论文成果后,研究人员提出了一个悲观的预言:深度学习会随着计算量的限制,在到达某个性能水平后停滞不前,因为在深度学习领域有这样一条规律:想提升 X 倍的性能,最少需要用 X^2倍的数据去训练模型,且这个过程要消耗X^4倍的计算量。即便是10倍性能提升和1万倍计算量的提升,这样失衡的比例关系也仅仅是理论上最优的。在现实中,提升10倍性能往往要搭上10亿倍的运算量。以今天地球资源的状况看,想把一些常用的模型错误率降低到人们满意的程度,代价高到人类不能承受。因此,在深度学习领域非常值得关注的是可大幅降低训练成本的新算法创新。

图像分类、物体识别、语义问答等多个领域AI算法准确率及对应所需算力(Gflops)、碳排放量和经济成本(Today水平截止于2020年已经发表的成果)
 

 

3.数据

 


数据层指的是人工智能为不同的行业提供解决方案时所采集和利用的数据。事实上,使用人工智能解决问题的步骤绝不仅仅包括搜集和整理数据。这里我们简单介绍一下完整的流程和思路:

 

  • 收集数据:数据的数量和质量直接决定了模型的质量。
  • 数据准备:在使用数据前需要对数据进行清洗和一系列处理工作。
  • 模型选择:不同的模型往往有各自擅长处理的问题。只有把问题抽象成数学模型后,我们才能选择出比较适合的模型,而这一步往往也是非常困难的。
  • 训练:这个过程不需要人来参与,机器使用数学方法对模型进行求解,完成相关的数学运算。
  • 评估:评估模型是否较好地解决了我们的问题。
  • 参数调整:可以以任何方式进一步改进训练(比如调整先前假定的参数)。
  • 预测:开始使用模型解决问题。

 


如果我们想利用人工智能解决的问题被限定在足够小的领域内,那么我们就更容易活动具体场景下的训练数据,从而更高效、更有针对性地训练模型。在金融、律政、医疗等行业的细分场景下,人工智能已经逐步被应用,且已经实现了一定的商业化。

 

 

1.人工智能开启第四次科技革命,在传统三大产业劳动力大幅替代及释放的前提下,以创新为职业的“第四产业”劳动者将成为主流,推动全球GDP继续百倍增长。
 
2.作为人工智能的实体化,智能机器人将重塑生产协作关系,包括“劳动”在生产要素中的变革、全球制造业的格局重构、人类在物质世界及虚拟世界的精力分配……除经济外,甚至对军事、政治、文化产生深远影响。

未完:待续:《机器人是人工智能的实体化》
资料来源:工业精神/吴昊阳、势乘资本和光锥智能/谢晨星、王嘉攀、赵江宇 
编辑:可仪  审核:Xi/Sibo

 

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