轉自新智元（微訊號：AI_era）

來源：arXiv，編譯：聞菲，常佩琦

【導讀】讓AI自動程式設計是人工智慧領域長久以來的夢想之一。現在，來自彭博和英特爾實驗室的兩位研究人員，號稱實現了首個能夠自動生成完整軟體程式的AI系統“AI Programmer”，這個“AI程式設計師”利用遺傳演算法和圖靈完備語言，開發的程式理論上能夠完成任何型別的任務。AI自動程式設計的時代，大幕已開。

讓AI自動程式設計一直是電腦科學家的夢想。目前這個方面的成果還非常有限，比如讓AI自動補完程式語言，或者執行簡單的加法程式。今天我們要介紹的這項工作，號稱是第一個能夠全自動生成完整軟體程式的機器學習系統“AI Programmer”。 

研究人員表示，他們用這個系統證明了長久以來的假設，那就是功能完備的程式確實能夠被自動生成。具體到這項工作，AI Programmer利用機器學習中的遺傳演算法，模擬複雜的指令。雖然現在AI Programmer生成的程式，複雜程度與人類新手程式設計師編寫的結果相當。但研究人員認為，AI Programmer編寫的程式完全可以超越傳統範疇，不受人類時間和智慧的侷限。

AI編寫的程式只是在測試複雜度和計算資源之間找得到最適合的點。換句話說，可能性無限。

研究人員還表示，我們需要重新思考，設計新的、面向機器的程式語言，因為當前的程式語言是面向人類的，不適用於基於ML的程式設計。“在考慮ML驅動程式生成的未來時，我們需要放棄和重新考慮典型程式語言建立的方法。”

研究人員寫道，只有這樣做，我們才能開始設想一個由AI系統驅動，以人類創造力和設計為指導的計算機軟體開發的新未來。

AI Programmer的軟體架構。從圖中可見，由人類驅動的部分非常少，只需要在開始輸入指令，最後接收適用於某項任務的函式即可，剩下部分全部由機器完成。

根據論文，研究人員選擇了無型別程式語言，只包括了8種指令來驅動AI Programmer生成軟體。

AI Programmer使用的程式語言是圖靈完備的，如表1所示。理論上，在時間和記憶體不限的情況下，圖靈完備程式語言能夠處理任何程式設計任務。本質上，任何一種具有這種特質的程式語言都能夠解決海量程式設計問題。同樣，AI Programmer生成的軟體能夠完成所有任務。

有了這個保障，再來看AI Programmer的核心——遺傳演算法。

要使用遺傳演算法生成軟體程式，必須首先建立一個基因組（genome）。基因組是一組被組合在一起作為單個單元的基因。AI Programmer的基因組編碼為浮點陣列，每個唯一指令的固定值範圍在0和1之間，如上面表1的基因範圍列所示。

建立好基因組後，AI Programmer就將其轉換為相應的程式，執行，並根據程式的輸出為結果程式分配適合度。生成的程式越靠近解決提供的任務，適應度就越高，越有可能繼續進行下一代的進化。在每一代，AI Programmer利用隨機選擇以及交叉和變異來建立子程式，其中包含輕微的隨機擾動，並且可能比其父母更好的基因組來解決目標任務。

圖3展示了從浮點陣列中構建基因組的例項。每個值範圍對映到程式語言中的特定指令。最初，這些值是隨機的，導致生成的程式無法正常執行。但是，其中必將有一兩個能夠執行並執行一些有效的指令。一個程式執行得越成功，就越有可能繼續使用程式碼，實現更成功的後代。

為了建立後代，父母將其基因的一部分交給孩子，這個過程如圖4所示。除了繼承父母的程式設計指令外，每個孩子也可能會遇到突變，也就是對特定基因增加受控但隨機的擾動。這導致特定基因的值發生修改，使所得到的程式設計指令發生變化，進而改變整個程式。

可執行程式根據其執行情況進行排名，如圖5所示。其中，特定程式會被立即從基因組池中刪除，成功的方案則被推進以產生新的後代。

AI Programmer由C#.NET設計的模組化框架組成。包括執行遺傳演算法的引擎，基因組編碼器和解碼器，用於執行模擬程式的沙箱解讀器，以及將程式碼轉換為二進位制可執行檔案的編譯程式。雖然最初設計AI Programmer的時候使用C#，但需要注意的是，設計原則並不限於使用C#。

研究人員指出，AI Programmer的適應性測試軟體框架具有延展性，並已被開發。使用者可以自己設計無數的定製化軟體，最終指導系統的遺傳演算法（GA）生成和軟體程式演變。

如果目標程式旨在生成一個字串，如”Hello World”（見上圖），測試分數可能是字串中的數字。但由於AI Programmer是在位元組級生成程式碼，測試分數應將輸出字元的增量差考慮在內。

研究人員表示i，他們能用AI Programmer生成很多軟體程式。表2是所生成程式的名單。

一開始，研究人員讓AI Programmer生成了一個非常簡單的程式來輸出“hi”。經過5700代後，測試成功。生成程式碼如圖9所示。

經過580,900代後，生成了“hello world”，如圖10所示。

經過6,057,200代後，AI Programmer成功生成了”I love all humans”，如圖11所示。

AI Programmer生成反轉字串的程式。生成程式碼如圖13所示。

AI Programmer能在92,400代之後生成加法程式；在177,900代之後生成減法程式，如圖15所示。

圖16所示的生成程式可以從兩個初始輸入值來輸出斐波納契序列。

摘要

在本文中，我們介紹了首個能夠自動生成完整軟體程式的機器學習（ML）系統，全程只需最低限度的人類參與。這個系統名叫“AI Programmer”，以遺傳演算法（GA）為核心，加上緊密約束的程式語言，將其ML搜尋空間的開銷降到最低。AI Programmer的新穎部分源於（i）獨特的系統設計，包括用於效率和安全性的嵌入式手工直譯器（hand-crafted interpreter），以及（ii）對遺傳演算法的增強，納入了指令基因（instruction-gene）隨機化繫結，以及程式語言特定的基因組構建及消除技術。我們詳細介紹了AI Programmer的系統設計，詳細介紹了系統的工作原理，以及使用主流CPU來演示其軟體生成功能和效能的實驗資料。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/1709.05703.pdf

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