История развития компьютерных шахмат
Когда компьютеров еще не было, люди уже задумывались над созданием шахматного автомата. Известна история про "Турка", созданного в 18-м веке для Марии-Терезии, австрийской императрицы. Аппарат играл на удивление хорошо, но, увы, оказался фальшивкой – внутри сидел живой шахматист.
Следующий шаг был сделан после Второй Мировой войны, когда один из лучших математиков того времени Алан Тьюринг создал алгоритм для обучения машины игре в шахматы. В 1947 году он специфицировал первую шахматную программу.
Одновременно с Тьюрингом этой задачей занимался еще один математик – Клод Шеннон. В 1949-1950 годах он обозначил главную проблему: с каждым ходом число вариантов продолжений будет расти. Исследователь выделил два способа перебора вариантов: А-стратегия, с перебором всех без исключения вариантов, и B-стратегия, отбрасывающая неподходящие варианты, исходя из шахматного опыта людей.
Первый компьютер был спроектирован фон Нейманом для ведения сложных расчетов при создании ядерного оружия. В 1950 году появился первый образец, способный производить 10000 операций в секунду. Одним из первых экспериментов с аппаратом стало написание шахматной программы, правда, шахматы были нестандартные – на доске 6*6 без слонов. Через несколько лет этот компьютер ("MANIAC") сыграл с людьми: сильный шахматист одержал уверенную победу, а новичок проиграл за 23 хода.
В СССР разработкой шахматных компьютеров занялись в 1963 году. До 1980 года "Каисса" обыгрывала американские варианты, но дальше, как известно, отставание в развитии вычислительной техники не позволило добиваться новых результатов.
Принципы и алгоритмы компьютерных шахмат
Как уже было сказано, главная проблема – это слишком большое количество вариантов. А сколько это в реальности? В обычной позиции в среднем существует порядка 40 возможных ходов, и столько же ответных. Т.е. каждая пара полуходов – это 1600 позиций, две пары 1600*1600=2,5 млн. позиций, три пары – 4 млрд. позиций.
Математики оценивают количество различных шахматных партий величиной 10 в 120 степени – так называемое Число Шеннона (для сравнения – число атомов в изученной части вселенной – 1080). Число различных позиций, возникающих на шахматной доске во время игры, несомненно, меньше, ведь в разных партиях могут возникать одинаковые позиции. Рассчитанное число позиций в шахматах около 1043, включая некоторые невозможные позиции. Условно, с учетом легальности позиций, можно считать их количество приблизительно равным 1040.
Если заложить абсолютно все позиции в базу данных компьютера, то игра шахматной программы станет идеальной из любой позиции и всегда будет приводить к лучшему исходу (если позицию хотя бы в каком-то варианте можно выиграть, программа обязательно найдет этот выигрыш). Однако, чтобы записать все эти позиции на носитель информации, понадобится хранилище данных, физические размеры которого сопоставимы с размером Луны.
Поэтому компьютерам остается только возможность делать анализ по ходу партии, рассчитывать ближайшие несколько ходов и оценивать позицию в перспективе.
Сколько ходов могли просчитать компьютеры? Производительность первых моделей составляла лишь 500 позиций в секунду, т.е. лишь 1.5 хода, если считать время хода – 3 минуты, а это – уровень начинающего шахматиста.
В 1958 году ученые Питтсбургского университета придумали "алгоритм альфа-бета", позволяющий отбросить большое количество вариантов без ущерба для конечного результата. Стоит отметить, что альфа-бета-поиск и его разновидности составляют ядро и современных шахматных программ. В чем суть: анализируется первый вариант, если второй вариант хуже первого – его не надо считать до конца, так как в любом случае из этих двух вариантов будет выбран первый. В результате работы данного алгоритма требуется просмотреть на порядок меньше позиций, и ЭВМ смогли просчитывать уже 5-6 полуходов, самые быстрые – даже 7. Компьютеры стали играть сильнее, но все же соревноваться с сильными игроками еще не удавалось.
Кстати, в разработку эффективных методов перебора внесли большой вклад и советские математики Брудно и Арлазаров. Известным математиком Александром Брудно, много сделавшим в области шахматного программирования, был разработан специальный алгоритм так называемого ранжирования, позволяющий компьютеру в опредленной позиции играть наилучшим образом. Это был прототип современных баз малофигурных окончаний. Правда, в те далекие времена требовались не одни сутки для расчетов 4-5 фигурных окончаний. Владимир Арлазаров - один из создателей шахматной "Каиссы", победившей на чемпионате мира среди шахматных программ в 1974 году.
При разработке вышеперечисленных алгоритмов решалась, прежде всего, математическая задача, то есть подход изначально был "компьютерным". Но есть и другой вариант: проанализировать опыт ведущих шахматистов и формализовать принципы игры, которыми пользуется человек. Такой компьютер будет играть быстрее и "по-человечески". Задача не из легких, первым за нее взялся Михаил Ботвинник. Он потратил много лет на создание собственного шахматного компьютера, но, к сожалению, не довел работу до конца, оставив лишь массу теоретических материалов.
Суперкомпьютеры
Следующим шагом было создание компьютеров специально для шахмат, позволяющих совершать большое количество операций в секунду. Первый такой компьютер был создан в лаборатории Белл Кеном Томпсоном, он производил 180000 операций в секунду (обычные компьютеры – лишь 5000) и просчитывал позицию на 8-9 полуходов, что соответствовало уровню мастера. Этот компьютер победил Всемирном шахматном турнире компьютеров, и во многих других турнирах в начале 80-х, но уступил новому гораздо более мощному Cray X_MPs. Компьютер Томпсона был усовершенствован, но так и не смог победить лидера. Далее появился Chip Test и Deep Thought, способный считать 500 000 операций в секунду. DT сыграл две партии с действующим чемпионом мира Каспаровым и проиграл обе, зато одержал победу над несколькими гроссмейстерами.
Этой разработкой заинтересовались представители IBM, и работа продолжилась – был создан знаменитый Deep Blue, победивший на турнире компьютеров, и выигравший у сильнейшей шахматистки мира – Юдит Полгар. Одновременно проводился блиц-турнир с участием программы Fritz, поделившей первое место с Каспаровым, и уступившей ему лишь в дополнительном матче.
Насколько глубоко должен считать компьютер, чтобы соревноваться с сильнейшими шахматистами? Нагляднее всего оценить соотношение с уровнем Эло:
- 1 полуход – 200 Эло
- 4 полухода – 1230 Эло
- 9 полуходов – 2328 Эло
- 14 полуходов – 2800 Эло
Данное разделение глубины расчета вариантов и силы игры программы достаточно условно, т.к. важен еще и алгоритм оценки отдельно взятой позиции.
В 1996 году состоялся первый матч Deep Blue с Каспаровым, в котором чемпион мира одержал победу со счетом 4:2. Deep Blue – это 6-ти процессорный суперкомпьютер, способный просчитывать 100 млн позиций в секунду. Через год состоялся матч реванш с модернизированным 8-процессорным Deep Blue, считающим вдвое быстрее. Компьютер впервые победил лучшего шахматиста со счетом 3.5:2.5. В то время компьютер не умел оценивать позицию и строить игру на основании этой оценки. Рост силы игры достигался исключительно за счет увеличения мощности "железа". Даже алгоритм перебора все еще использовался "брутфорс", то есть перебирались все варианты, но очень быстро.
Суперкомпьютер – вещь штучная, рядовому пользователю недоступная. Дальнейшее развитие было связано с улучшением алгоритмов и снижением требований к аппаратной части, тем более, что и персональные компьютеры все это время не стояли на месте. В матче с Крамником играл Deep Fritz на двухпроцессорном сервере Compaq ProLiant DL760 на процессорах Xeon и RAM 2-16Гб. Такой компьютер, конечно, рядовому пользователю еще недоступен, но все же он выпускается серийно. Матч закончился вничью со счетом 4:4.
В 2003 году состоялся еще один матч Каспарова против компьютера – с Deep Junior, работавшем на 4х-процессорной системе с процессорами Pentium IV 1.9 ГГц и 3 Гб оперативной памяти. Junior – первая программа, демонстрирующая "человечную" игру, и способная пойти на жертву ради инициативы. Матч закончился вничью. В следующем матче Каспаров играл на виртуальной трехмерной доске в 3D-очках, делая ходы при помощи голосовых команд. Этот матч также закончился вничью.
Шахматные базы данных
Было бы странно не использовать накопленный людьми опыт. Создание дебютных баз позволило вообще не считать позицию первые 20-25 ходов, а пользоваться готовыми наработками. Но и опыт компьютеров также пригодился: начиная с 1980-х годов Кен Томпсон стал создавать базу 4-х и 5-ти фигурных эндшпильных окончаний. Теперь компьютеру не надо считать по новой – можно использовать существующие наработки. Эндшпильные базы постоянно дорабатываются и пополняются, в ход пошли уже 6-7-фигурные эндшпили.
Соревноваться с компьютером в эндшпиле стало гораздо сложнее – ведь ошибки программа не допустит, сколько бы ходов не занял розыгрыш, зато ошибкой шахматиста очень даже воспользуется. Иногда для победы нужно сделать сотню точных ходов, что человеку удается крайне редко.
Возможна ли ситуация, когда дебютная база соединится с эндшпильной, и компьютер будет "начинать и выигрывать"? С увеличением на 1 фигуру количество возможных ходов увеличивается значительно, а значит, требуется гораздо больше времени и ресурсов, и 7-фигурные эндшпили пока еще только начали просчитывать. Дополнительно см. Эндшпильные таблицы Налимова
Можно ли победить компьютер в шахматы
Компьютеры стали играть гораздо сильнее, а при игре в быстрые шахматы, где времени на счет мало, шансов у шахматиста практически не оставалось. Пришло время искать слабые места.
Чем отличается игра компьютера? В первую очередь, надежностью. Программа строго следует алгоритму и неспособна на авантюры. Логика игры не соответствует человеческой, например, в одной из партий компьютер предпочел мат в пять ходов с жертвой ладьи взятию ферзя в один ход, хотя большинство шахматистов выбрали бы второй вариант – ведь с лишним ферзем сложно не выиграть. Компьютер опирается на базы, поэтому найденная дебютная новинка или просто нестандартный, пусть и слабый, ход – это шанс в борьбе с ним.
В 5-6, и частично в 7-фигурном эндшпиле программа заведомо будет играть идеально, без ошибок. А вот при большем количестве фигур возможности живого игрока возрастают.
При переборе позиций на некоторую глубину, компьютер их оценивает, и в конечном итоге выбирает вариант, в котором получит преимущество. Как производится оценка? По формальным факторам, выраженным в условных пешках. Оценивается непосредственно наличие фигур, их активность, расположение пешек: изолированные, сдвоенные, проходные, отсталые, контроль полей в центре и вблизи короля и т.д. Чем точнее модель оценки позиции, тем лучше программа владеет позиционной игрой, но поскольку модель жестко задана, то именно здесь компьютер легче всего "подловить" – например, программа неуверенно ведет себя в закрытых позициях. Ну и главное "оружие" человека – это нестандартность мышления. "Антикомпьютерные шахматы" повысили шансы гроссмейстеров в игре с искусственным интеллектом. Но выявление слабостей немедленно привело к работе по их устранению.
Современные шахматные программы
С развитием технологий производительности персональных компьютеров стало хватать для работы программ с высоким рейтингом Эло. Программы стали модульными: отдельно создаются интерфейс, базы данных и движки. Отдельные модули совместимы и используют единый протокол UCI. Базы данных включают в себя дебютную энциклопедию, эндшпильные окончания, а также все партии, сыгранные на турнирах высокого уровня. Базы регулярно обновляются и доступны для любителей и профессионалов.
Помимо коммерческих программ стали появляться частные разработки. Первым появился движок Ruffian, который сначала потеснил Fritz и Shredder, но новые версии "гигантов" оказались сильнее. Следующим "нарушителем спокойствия" стал движок Fruit, игравший с каждой версией все лучше и лучше. Fritz’у понадобилось выпустить девятую версию, чтобы на равных вести борьбу с новичком.
А пока "старички" воевали с "новичками" появилась она – шахматная программа Рыбка. Созданная шахматистом с высоким рейтингом, побеждающая всех и вся и с каждой версией подтверждающая свое превосходство. Первая версия "рыбки" не умела играть эндшпили – но до них и не доходило дело! Впервые программа научилась хорошо вести позиционную игру. Васик Райлих отошел от традиционной оценки позиции, а вместо нее использовал таблицы готовых оценок, полученных в результате анализа большого количества партий. Рыбка-3 на двухпроцессорном компьютере имеет рейтинг 3250 Эло, что гораздо выше, чем у действующего чемпиона мира.
Сегодня количество шахматных движков насчитывает несколько сотен имен, причем в списке периодически появляются новые. Регулярно проводятся турниры с целью выявить самый сильный движок. Высокая конкуренция и частый выход новых версий способствует постоянному росту уровня игры.
Перспективы шахматных программ
При игре человека с компьютером, есть некая несправедливость – компьютер имеет доступ к множеству баз: дебютных, эндшпильных, партий ведущих игроков. Логично такой доступ дать и шахматисту-человеку. В этом случае борьба искусственного интеллекта с биологическим будет идти в более равных условиях: нестандартность мышления человека против счетных способностей машины. Во многих движках уже реализована возможность игры в шахматы Фишера. В этом случае влияние дебютных наработок также сводится к нулю.
Но человеку не обязательно соперничать с компьютером – память (дебютная, эндшпильная и пр.) и безупречный счет вариантов машины в симбиозе с позиционным и творческим мышлением человека могут обогатить и усилить игру. Вспомним матч Каспарова с Deep Blue, где "человечная" игра машины вызвала подозрение, что ее направлял шахматист.
Создатель Рыбки считает, что его программа – это, в первую очередь, аналитический инструмент для самоподготовки шахматиста. И в самом деле, подавляющее большинство серьезных игроков уже используют компьютеры для просчета дебютных вариантов, анализа сыгранных в сильнейших турнирах партий.
Сотрудничество или мошенничество? В крупных турнирах организаторы контролируют отсутствие компьютерных подсказок, но на менее важных турнирах это не всегда реально, что открывает читерам простор для "творчества". Если легализовать использование шахматных программ на турнирах, в партиях, без сомнения, будет намного меньше счетных ошибок, но будет ли интересной такая игра?
И такая легализация уже произошла: интересным шагом в плане развития компьютерных шахмат стали турниры по переписке. По сути, это уже соединение возможностей человеческого интеллекта и математического анализа компьютерной техники. При этом шахматист не должен выполнять функцию оператора ЭВМ, а может активно включаться в анализ вариантов развития партии, помогая компьютеру выбрать лучший.
Казалось бы, если основная схватка происходит между программами, партии будут предопределены и скучны. И действительно, очень много партий по переписке заканчивается вничью. Но не будем забывать, что лишь человек способен играть ярко, рискованно, неожиданно. Пока – лишь человек. А что будет дальше – увидим...
Максим Наумов, GAMBITER.RU, декабрь 2008