邁向人工智能原生軟件工程 (SE 3.0)：願景與挑戰路線圖

Kernkonzepte

軟件工程 3.0 (SE 3.0) 是一個以意圖為先、對話導向的開發模式，旨在通過人類開發者與人工智能隊友之間的協作，最大限度地發揮人類和人工智能的優勢，從而更有效率地構建更高質量的軟件。

Zusammenfassung

軟件工程的演變

本文回顧了軟件工程的三個時代：

• 軟件工程 1.0：以代碼為中心，工具主要支持傳統的軟件工程流程活動，例如需求收集、設計、實施和測試。
• 軟件工程 2.0：延續 SE 1.0 的代碼優先方法，同時結合人工智能模型來增強傳統的軟件工程流程活動 (AI4SE)，例如人工智能輔助編碼。
• 軟件工程 3.0：以人工智能為原生，標誌著向以意圖為先方法的範式轉變，其中開發不再由代碼驅動，而是由人類開發人員與人工智能隊友之間的迭代、對話導向交互所表達的意圖驅動。

軟件工程 2.0 的局限性

• 對人類的認知負荷大：人類開發人員需要管理整個編碼過程，即使在人工智能輔助的情況下，仍然需要處理大量細節，導致認知負荷過重。
• 模型訓練效率低下：現有模型的訓練依賴於大量的非結構化數據，導致計算成本高昂，且模型對軟件工程知識的理解不夠深入。
• 代碼質量欠佳：現有人工智能輔助工具生成的代碼可能存在錯誤和性能問題，並且缺乏設計模式和重構等高級軟件工程實踐。

軟件工程 3.0 的願景

SE 3.0 旨在通過以下方式解決 SE 2.0 的局限性：

• 以意圖為先的開發：開發人員通過與人工智能隊友進行對話來表達和完善他們的意圖，人工智能系統則負責將這些意圖轉化為可運行的軟件。
• 對話導向的開發：人類開發人員和人工智能隊友通過持續的對話來協作完成軟件開發，人工智能隊友能夠理解和響應人類開發人員的意圖，並提供相應的代碼建議和解決方案。
• 高效的知識驅動模型：SE 3.0 採用更有效的知識驅動方法來訓練模型，利用課程工程來增強模型的推理能力和靈活性，使其能夠更深入地理解代碼和軟件工程原則。

支持 SE 3.0 的技術棧

• Teammate.next：從靜態和非個人化的輔助工具到自我進化、個性化的導師，人工智能隊友將在整個開發過程中為人類開發人員提供指導和幫助。
• IDE.next：從以代碼為中心到以意圖為中心的 IDE，新的 IDE 將支持以意圖為先的對話導向開發，並提供更高級的代碼生成和驗證功能。
• Compiler.next：從邏輯規則實現到搜索空間探索，新的編譯器將能夠將人類開發人員的意圖轉化為可運行的軟件，並通過搜索和優化技術來找到最佳的解決方案。
• Runtime.next：從服務模型到複合應用程序，新的運行時將支持更複雜和動態的軟件系統，並提供更高的性能、可擴展性和可靠性。
• FM.next：從數據驅動的低效基礎模型到知識驅動的高效基礎模型，新的基礎模型將通過課程工程進行訓練，使其能夠更深入地理解代碼和軟件工程原則，並生成更高質量的代碼。

SE 3.0 面臨的挑戰

• 加速人機意圖一致性：人類難以一次性完整清晰地表達其意圖，需要人工智能隊友具備理解人類思維的能力，並通過持續的對話來幫助人類開發人員完善其意圖。
• 提高代碼合成的效率：代碼合成是 SE 3.0 中的一個關鍵組成部分，需要不斷提高其效率，例如利用基於搜索的軟件工程 (SBSE) 原則，通過緩存以前的搜索結果來重用和構建先驗知識，減少冗餘計算。
• 提高運行時性能：隨著 FMware 變得越來越複雜，在滿足服務等級協議 (SLA) 並充分利用異構硬件資源的同時，高效地服務和發展這些應用程序仍然是一個關鍵挑戰。
• 提高基礎模型對代碼和軟件工程的理解：現有的基礎模型對代碼和軟件工程的理解仍然有限，需要開發更先進的技術，例如多模態基礎模型和課程工程，以提高基礎模型對代碼和軟件工程的理解。
• 消除對提示工程的需求：開發人員不應當需要學習如何編寫複雜的提示來與人工智能系統進行交互，需要開發更自然、更直觀的人機交互方式。

Statistiken

根據 Bloom 的研究，與傳統課堂學習環境相比，一對一輔導的學生平均表現提高了兩個標準差。
目前最先進的自主軟件工程師 GRU 可以解決 SWE-Bench Verified 中 45.20% 的任務。
據報導，GitHub Copilot 生成的代碼可能存在錯誤和性能問題。
微軟的研究表明，與初級程序員相比，高級程序員不太可能接受 GitHub Copilot 的建議。
FMArts 的 Fusion Runtime 的初步結果顯示，與 Ray Serve 相比，延遲改善了 30%。

Zitate

“A weak human player + machine + better process is superior to a very powerful machine alone, but more remarkably is superior to a stronger human player + machine + inferior process.” - Garry Kasparov

Wichtige Erkenntnisse aus

Towards AI-Native Software Engineering (SE 3.0): A Vision and a Challenge Roadmap

by Ahmed E. Has... um arxiv.org 10-10-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.06107.pdf

Tiefere Fragen

SE 3.0 的願景過於理想化，在實際應用中可能會遇到哪些不可預見的挑戰？

SE 3.0 的願景描繪了一個令人振奮的軟件開發未來，但不可否認，它在實際應用中可能會面臨一些不可預見的挑戰：

人類意圖的複雜性和模糊性: SE 3.0 的核心是將人類意圖轉化為可執行的軟件。然而，人類意圖本身就可能存在複雜性、模糊性和上下文依賴性，難以用形式化語言完全表達。 AI teammate 如何準確理解和轉化這些複雜的意圖，特別是在面對新興領域、抽象概念或文化差異時，將是一個巨大的挑戰。
AI 模型的可靠性和可解釋性: SE 3.0 強調 AI teammate 在軟件開發中的主導作用，這就要求 AI 模型具備高度的可靠性和可解釋性。然而，現有的 AI 模型，尤其是深度學習模型，在可解釋性方面仍存在不足，難以完全理解其決策過程。一旦 AI teammate 產生錯誤或偏差，開發者如何快速識別、理解和糾正這些問題，將直接影響 SE 3.0 的可靠性和效率。
安全性和倫理問題: SE 3.0 的發展可能會帶來新的安全性和倫理問題。例如，AI teammate 生成的代碼如何保證安全性和可靠性？如何防止 AI teammate 被惡意利用或產生歧視性結果？如何確保人類開發者在 AI teammate 的輔助下仍然能夠保持對軟件開發過程的控制和責任？這些都是 SE 3.0 需要解決的重要問題。
技術普及和人才培養: SE 3.0 的實現需要強大的技術基礎設施和高素質的開發人才。如何降低 SE 3.0 的技術門檻，讓更多開發者能夠使用這些先進技術？如何培養具備 AI 思維和 SE 3.0 開發能力的新一代軟件工程師？這些都是 SE 3.0 發展過程中需要解決的關鍵問題。
總之，SE 3.0 的實現需要克服許多技術和非技術方面的挑戰。我們需要對這些挑戰有清醒的認識，並積極探索解決方案，才能讓 SE 3.0 真正落地，並為軟件開發帶來革命性的變革。

過度依賴人工智能輔助軟件開發是否會降低開發人員的編程技能和解決問題的能力？

這是一個值得深思的問題。過度依賴 AI 輔助軟件開發，的確有可能會降低開發人員的編程技能和解決問題的能力，就像過度依賴計算器可能會削弱人們的心算能力一樣。

編程技能的退化: 如果開發者過於依赖 AI teammate 生成代码，而不去深入理解代码背后的逻辑和原理，久而久之，他们的编程技能，例如算法设计、数据结构、代码优化等，就可能會退化。
解決問題能力的下降: AI teammate 可以帮助开发者快速找到解决方案，但这并不意味着开发者不需要具备独立思考和解决问题的能力。如果开发者过度依赖 AI teammate 提供的解决方案，而不去思考问题的本质和不同的解决思路，他们的解决问题能力就可能會下降。
然而，AI 輔助軟件開發也為提升開發人員的技能和能力提供了新的机遇：

专注于更高层次的抽象: AI teammate 可以帮助开发者处理一些重复性的、低层次的编码工作，讓开发者能够将更多精力集中在更高层次的抽象，例如系统设计、架构设计、算法优化等，从而提升他们的综合能力。
学习新的技能和知识: AI teammate 可以作为开发者学习的伙伴，帮助他们学习新的编程语言、框架和工具，以及了解最新的技术趋势，从而不断提升他们的技能和知识水平。
总而言之，AI 輔助軟件開發本身并不会降低开发者的技能和能力，关键在于开发者如何利用 AI teammate。开发者应该将 AI teammate 视为一种工具，而不是替代品。开发者应该在利用 AI teammate 提高效率的同时，也要注重自身技能和能力的提升，才能在 SE 3.0 时代保持竞争力。

如何確保 SE 3.0 的發展不會加劇現有的數字鴻溝，例如讓資源匱乏的開發者也能夠平等地獲取和使用這些先進技術？

SE 3.0 的發展必須要避免加劇現有的數字鴻溝，要讓所有開發者，無論其資源多寡，都能夠平等地獲取和使用這些先進技術。以下是一些可能的措施：

開源和開放標準: 推動 SE 3.0 相關技術的開源和開放標準，可以降低技術門檻，讓更多開發者能够参与到 SE 3.0 的发展中来，并根据自身的需求进行定制和改进。
低成本解决方案: 開發和推广基于云计算的 SE 3.0 平台，以订阅模式提供服务，可以降低使用成本，讓資源匱乏的開發者也能夠负担得起。
教育和培訓: 提供免費或低成本的 SE 3.0 教育和培訓资源，例如在线课程、开源教材、社区论坛等，可以帮助資源匱乏的開發者学习和掌握 SE 3.0 相关的技能和知识。
社區支持: 建立 SE 3.0 开源社区，为开发者提供技术支持、经验分享和合作交流的平台，可以帮助資源匱乏的開發者克服技术障碍，更快地掌握 SE 3.0 技术。
政府扶持: 政府可以制定相关政策，鼓励企业和研究机构开发面向資源匱乏的開發者的 SE 3.0 解决方案，并为其提供资金和政策支持。
总而言之，SE 3.0 的發展應該以人为本，要让所有人都能够从中受益。通过采取一系列措施，我们可以确保 SE 3.0 的發展不会加劇現有的數字鴻溝，而是能够缩小数字鸿沟，让所有人都能够平等地享受到科技进步带来的红利。