Что виделось вчера как цель глазам твоим, -
Для завтрашнего дня – оковы;
Мысль – только пища мыслей новых,
Но голод их неутолим.
«Я склонен представлять себе человеческие существа в виде больших лабораторных колб, внутри которых происходят бурные химические реакции», – пишет в своем романе «Завтрак для чемпионов, или Прощай черный понедельник» американский писатель Курт Воннегут (1922–2007).
Дальше сатирик высказывает подозрение, будто все человеческие существа – роботы, механизмы.
И меланхолически добавляет: «…когда я описываю в романе какой-то персонаж, меня всегда тянет объяснять его поступки то испорченной проводкой, то микроскопическим количеством того или иного химического вещества, которое он проглотил в этот день».
Химик и врач эпохи Возрождения Парацельс (1493–1541) сравнивал мир с аптекой, материалисты Нового времени – с часовым механизмом… Во все времена, желая понять, как устроена Вселенная и как устроен человек, мы, люди, прибегаем к самому банальному приему: стараемся уподобить наблюдаемые явления работе созданных нами устройств.
Наивно? Возможно. Но должен же соревнующийся с природой, желающий превзойти ее в искусстве творчества человек иметь хоть какие-то вехи и ориентиры.
13.1. Заблуждение Декарта
Мозг – это симфонии Чайковского, полотна Врубеля, драмы Островского. Это – открытие Коперника, научный подвиг Менделеева, теория относительности Эйнштейна. Это – космические корабли, атомные реакторы, домны-гиганты… Объявить мозг машиной? Ну, уж это слишком! Да ведь мозг – это… Тем не менее и тут желание подойти к мозгу с научно-техническими мерками вновь берет верх над прочими соображениями.
Наука о мозге имеет долгую историю. Аристотель (384–322 г. до новой эры) полагал, что мозг служит для выделения жидкости, охлаждающей сердце. В эпоху механики и гидравлики французский философ Рене Декарт (1596–1650) описывал возникающий в мозгу рефлекс как систему механических приводов к клапанам, открывание которых создает давление в мышцах.
Неудивительно, что подобные представления, отражающие состояние техники, соответствующей времени таких высказываний, уже провоцировали на создание гомункулуса, искусственного человека. А почему бы и нет? Ведь тот же Декарт утверждал, что функции мозга следует рассматривать «как возникающие совершенно естественным путем только вследствие определенного расположения частей машины, точно так же, как движения часов или другого автомата».
Когда пришло электричество, взгляды опять переменились. Английский естествоиспытатель, современник и соратник Чарльза Дарвина, Томас Гексли (1825–1895) учил, что «мысль – не более как ток электричества по проводам нервов». Ему вторил знаменитый русский психиатр Владимир Михайлович Бехтерев. «Ныне не может подлежать сомнению, – писал он, – что основой нервного процесса является электричество».
Ныне стали все чаще говорить о мозге как о пульте управления. Проводят параллели между мозгом и жидкими кристаллами…
Лишь отдельные исследователи, их мало, идут против общего течения. Среди них и доктор биологических наук Дмитрий Антонович Сахаров (родился в 1930 году). В одной из своих статей он удивляется: как это один и тот же объект – мозг – в различные века оказывается построен то из трубок и клапанов (ну совсем водопровод!), то являет собой ничем не прерываемое переплетение проводов, то становится до неприличия схожим с голографическими устройствами. «Такую науку о мозге люди могут назвать посмешищем, – заключает ученый, – и будут совершенно правы».
Сахаров утверждает: все эти заблуждения начались с Декарта. Он задал тон, первым стал последовательно уподоблять механизм действия живых тел известным той же эпохе техническим устройствам.
Идти от техники к живому, к человеку, к его мозгу? Нет, считает Сахаров, так мы мозг никогда не поймем. Надо действовать по-иному. Мозг – биологический объект, и понимание его может прийти только со стороны биологии.
Однако такие высказывания остаются все же гласом вопиющего в пустыне. Стихийно, большинством голосов основная масса человечества теперь упрямо исповедует новую мысль. Мозг – это ЭВМ, скажет вам любой, это биокомпьютер.
Вот новое воззрение. Оно вербует себе все больше сторонников. И тем больше, чем сложнее становятся компьютеры, чем активнее они проникают во все поры жизни людей.
13.2. Может ли мыслить аптека?
Птица так сильно отличается от самолета, что изучение одного из этих объектов мало что дает для понимание другого. Первые попытки человека летать заканчивались трагически как раз потому, что изобретатели прибегали к поверхностной имитации полета птиц, заменив руки крыльями. Самолет был создан только тогда, когда была отброшена идея машущих крыльев и разработан «неестественный» способ движения при помощи вращающегося пропеллера.
Этот пример (история техники может назвать множество других) полезно вспомнить, коль скоро речь зашла о сопоставлении мозга и вычислительной машины. Этому вопросу американский математик Джон фон Нейман (1903–1057) посвятил специальное исследование. И количественные оценки (мощность энергии, объем, число элементов), и качественные соображения («язык мозга не есть язык математики», – писал Нейман) – все убеждало ученого в глубоких различиях между мозгом естественным и искусственным.
Труд Неймана не единственный в этом роде. Многие творцы новых поколений ЭВМ мучительно размышляли об отличиях мышления живого и электронного. В самом деле, нейроны мозга – очень нежные и чувствительные образования, это клетки, окруженные сложно устроенной мембраной. Они находятся в среде с постоянно изменяющимся химическим составом. Нет, нейроны совсем не похожи на полупроводниковые кристаллы и соединяющие их проводники, из которых сотканы компьютеры.
А архитектурная несхожесть? Связи между нейронами обильны и распределены по объему. В ЭВМ же в силу особенностей технологии соединения между элементами в интегральных схемах немногочисленны, и в основном они распределены в плоскости кристалла-подложки.
Далее, электрические импульсы (типа «да-нет») в компьютерах в какой-то мере схожи с сигналами «все или ничего», идущими по нервным волокнам. Но если в ЭВМ действует электричество, то в мозге в передаче команд участвуют и электроны, и разнообразные химические вещества, и направленно движущиеся ионы.
Химия играет в работе мозга очень большую роль. И потому слова «может ли машина мыслить?» в какой-то мере эквивалентны выражению «может ли мыслить аптека?».
Так и получается, что мозг – одно, ЭВМ – совсем другое.
Взять хотя бы надежность. Детали ЭВМ – вкрапленные в пластинку кремния микроэлементы – кажутся очень надежными. Но исключение одного или двух из них может прервать работу всей машины. А нейроны очень ненадежны, часто выходят из строя, но отмирание даже немалого их числа не приводит к сколько-нибудь заметному изменению поведения человека, не сказывается на его работоспособности.
Машина (если не брать очень сложных программ) идет к цели прямолинейно, строго по предуготовленному ей пути. Мозг (особенно в трудных задачах) похож на гонящегося за добычей зверя: словно рыщет по следу, пробует, ошибается, тычется в препятствия и неясности… И даже ошибки (случай, неожиданный намек) могут указать ему верное направление поисков. Кто-то из маститых пошутил, что-де «мыслящим» машинам не хватает той беззаботности, даже безалаберности, которые присущи мозгу живого человека.
Оператор, работающий с ЭВМ, может, остановив машину, узнать, что она в данный момент «думает» и «знает». Мысль машины (пока!) в человеческих руках. Но управлять в полной мере ни своей собственной, ни чужой психикой человек не в состоянии.
Стоит также отметить и то, что нейронные сети мозга, словно бы в пику вычислительным машинам, вообще не заняты никакими вычислениями. Вот, допустим, вратарь безошибочно ловит мяч, летящий в сетку ворот. С математической точки зрения, чтобы угадать место и момент падения мяча, необходимо решить некоторое дифференциальное – высшая математика! – уравнение. Но разве можно себе представить, что это уравнение «записано» в голове у вратаря и он решает его в считанные доли секунды?
Перечисление различий мозга и ЭВМ можно было бы продолжить. Они напрашиваются сами собой, когда ближе познакомишься с устройством мозга, этим сложнейшим электрохимическим производством, целым комбинатом цехов и лабораторий, создание которых природе удалось блестяще: ни клубов ядовитого дыма, ни загрязняющих среду вредных отходов тут нет.
И вот рядом с этим верхом совершенства, творением, повторить которое человеку никак не удается, мы видим нечто совсем другое – словно бы игрушку из гигантского детского набора, тьму простых деталей, соединенных по нехитрому, заранее заданному плану.
13.3. За световой барьер
Внешним наиболее заметным отличием ЭВМ от мозга является их сказочное быстродействие. Именно скорость обеспечила компьютерам все их преимущества. Это основа их могущества. И вся недолгая история вычислительной техники проходила под знаком борьбы за скорость. За какие-то два десятилетия быстродействие компьютеров возросло с нескольких тысяч до нескольких миллионов операций в секунду!
Поколения ЭВМ… Это не только стремление сделать компьютер миниатюрным и дешевым. Это и битва за скорость: чем компактней интегральная схема, тем короче пути надо преодолевать электронам, тем выше быстродействие. Но здесь перед разработчиками ЭВМ неожиданно возник барьер. Световой. Известно, что (во всяком случае, в нашей Вселенной) скорость любого сигнала не может быть выше скорости света. Гигантской величины – 30 000 000 000 сантиметров в секунду.
Сейчас тактовая частота элементов ЭВМ что-то около 10 Мгц (107 герц, элементарных «движений», которые за секунду способен совершать компьютер). Большая величина, но ее хотелось бы увеличить хотя бы раз в сто (заветные для разработчиков ЭВМ миллиарды операций в секунду). Что этому мешает? Малость скорости света!
За ничтожные миллиардные доли секунды даже световой сигнал (электроны движутся в 1,5–3 раза медленнее) успевает пробежать небольшой путь – всего (легко подсчитать) 10–20 сантиметров. А если расстояния между отдельными блоками компьютера – метры? Да еще при этом каждая команда должна быть повторена много раз?..
Вот это и есть световой барьер. Кажется, что природа воздвигла совершенно непреодолимую преграду, высоченную стену, проникнуть за которую никогда не удастся: ведь изменить скорость света не в нашей власти. Так скорость света из гиганта словно бы превратилась в карлика. Так перед конструкторами компьютеров встала новая проблема.
Впрочем, такая ситуация для техники не редкость. Обычное дело. Сначала развитие какой-то области идет гладко и быстро, без сучка и задоринки. Но так продолжается лишь до определенного времени. Затем на горизонте, как редкие тучи, возникают первые трудности – успехи становятся не столь весомыми, шаги замедляются, темпы падают, приходится тратить все больше сил для продвижения вперед. Вот оно и совсем остановилось… Однако наука не стоит на месте. И вдруг – о, чудо! – ученые дают в руки инженерам волшебные средства, появляется новый взгляд на вещи, и вновь открываются неоглядные дали для прогресса.
Ну а если привести конкретный пример из истории техники, то турбореактивные двигатели и стреловидное крыло в свое время позволили самолетам преодолеть звуковой барьер, дали им возможность летать со скоростями выше скорости звука (больше 300 метров в секунду).
13.4. ЭВМ вместо аэродинамической трубы
Быстродействие ЭВМ крайне необходимо для управления самолетами, судами, технологическими процессами, станками, боевыми операциями, ракетами. Компьютеры тут обязаны работать с опережением идущих процессов, работать, подстраиваясь под человека, в реальном масштабе времени.
Сверхскорости нужны ЭВМ и при расчете сложных объектов: ядерных реакторов, крупных электростанций, новых конструкций самолетов.
Как рассчитывались авиалайнеры прежде, по старинке? На каждом квадратном сантиметре поверхности самолета надо было устанавливать один-два датчика с проволочными ответвлениями в электронный мозг машины, которая выдавала окончательные ответы через неделю.
Уже с помощью ЭВМ четвертого поколения можно рассчитать прочность всех элементов лайнера за считанные часы. А как быть дальше? Ведь требования к самолетам растут – увеличиваются и расчетные трудности. Компьютеры с быстродействием даже в миллион операций в секунду уже не обеспечивают достаточно надежного и быстрого ответа при решении столь сложных математических задач. При определении прочности конструкции большого пассажирского самолета приходится составлять и рассчитывать систему уравнений, в которой как минимум миллион неизвестных! Ни одну из действующих сейчас ЭВМ не заставить решить задачу такой сложности «одним махом» – у нее и память слишком ограничена да и скорость мала. Вот и приходится делить самолет условно на части и постепенно рассчитывать его фрагменты на многих ЭВМ.
Кропотливая, не всегда эффективная работа, чреватая потерей времени и ресурсов. Согласовывать расчеты отдельных ЭВМ трудно, да и общее быстродействие многомашинных комплексов можно повышать лишь до определенного предела – на стыках потери скорости вычислений становятся слишком большими.
Нет, самое простое – это создать математическую модель всего самолета и рассчитать ее, вместо того чтобы «гонять» реальный самолет в аэродинамической трубе (и на различных стендах, где испытываются динамика и прочность будущего лайнера).
ЭВМ вместо аэродинамической трубы? Заманчиво. Но такое задание под силу лишь архибыстрым компьютерам.
Они необходимы и в задачах, где есть сверхизобилие информации. Например, в геофизике. При обработке бесчисленных данных геологической разведки – сейсмометрических, магнитометрических, электро- и гравиметрических. Без этого трудно вести поиск новых месторождений полезных ископаемых.
Быстрота нужна и при анализе телеметрической информации, полученной со спутников, в метеорологии, при составлении прогнозов погоды, при моделировании больших экологических, экономических и социальных систем, при суждении о динамике крупных водных бассейнов, к примеру, Каспийского моря: мелеет ли оно, или полнится, как изменяется уровень воды, как влияют на его водный баланс тысячи впадающих в него речушек…
13.5. Почему компьютер бездельничал
Что мешает ЭВМ преодолеть световой барьер? Что не позволяет им решать задачи, требующие высокой сноровки? Ответ может показаться парадоксальным, но препятствием тут служит как раз то, что когда-то было основой прогресса вычислительной техники.
Первым, кто оценил огромное практическое значение быстродействия компьютеров, был уже упоминавшийся выше американский математик Джон фон Нейман. «Когда Джонни увидел, к чему мы пришли, – вспоминал один из создателей ЭНИАКа, – он двумя ногами прыгнул в электронные вычислительные машины».
ЭНИАК был только что создан. Один из наиболее ощутимых его недостатков заключался в способах управления ходом вычислений. К расчетам машину готовили несколько дней, а собственное решение задачи длилось всего несколько минут.
За дело взялся Нейман и быстро выправил положение. Ученый был необычайно одарен. Современники отмечали, что его знание древней истории было неправдоподобно детальным… Он был и полиглотом: прекрасно помнил и школьную латынь и греческий, бегло говорил по-немецки и по-французски, знал испанский…
В 1946 году анализ сильных и слабых сторон ЭНИАКа позволил Нейману сформулировать новые принципы организации работы электронного мозга. Они стали классикой, составили основу для разработки множества вычислительных машин.
Во-первых, было предложено перейти от десятичной к двоичной системе счета. Эта мера значительно упрощала выполнение машиной арифметических и логических операций.
Двоичную арифметику задолго до работ Неймана предложил гений Германии философ и математик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716). Он искал «алфавит» человеческого мышления, в котором все истины познания могли бы быть недвусмысленно выражены в числах. Лейбниц руководствовался философской мыслью о том, что мир базируется на противоположности, с одной стороны представляющей «ничто» – 0, а с другой – «реальность» – 1. На базе этих двух чисел и правил их сочетания философ надеялся решить все мировые проблемы и избавиться от всех противоречий с помощью здравого смысла и логики.
Второе из предложений Неймана, вернемся к ним, заключалось в рекомендации круто изменить стиль работы ЭВМ, придерживаясь «принципа хранимой программы». В соответствии с ним программы работы компьютера, как и исходные числовые данные, вводились и хранились в памяти машины.
Из памяти отдельные команды извлекались в устройство управления, где их содержание декодировалось (расшифровывалось) и использовалось для передачи чисел из памяти в арифметическое устройство, для выполнения операций над ними и отсылки результатов счета обратно в память.
Другими словами, Нейман («Видите ли, Джонни вовсе не человек. Но он так долго жил среди людей, что научился прекрасно их имитировать») предложил процедуру, при которой ЭВМ сама управляла своей работой. Вмешательство человека – оно бы замедлило ход процессов, свело бы на нет все преимущество быстроты ЭВМ – было теперь полностью исключено.
Только после реализации этих революционных идей компьютер смог выказать всю свою прыть, всю резвость, на которую он был способен. Казалось бы, теперь ЭВМ – полновластная хозяйка своих возможностей, ЭВМ сможет решить любую задачу. Но нет, творились удивительные вещи. По многим показателям человеческий мозг по-прежнему превосходил компьютер.
Беда компьютера была в том, что предложенный Нейманом универсальный способ выполнения машинных программ был представлен в виде последовательности элементарных операций – храпения в памяти, ввода и вывода, пересылки данных, цепочки арифметических и логических действий. Пока выполнялось одно, все остальное было как бы «заморожено», «обездвижено», ждало своего часа, своей очереди. Машина бездельничала, лодырничала, но явно не по своей вине, а по вине человека, навязавшего ей свои представления о том, как следует работать компьютеру.
Прошли десятки лет. Менялись технологии, языки общения с машиной. Однако принципы, заложенные при разработки первого поколения ЭВМ (ЭНИАК, машины на лампах), сохранялись практически неизменными. И… превратились в тормоз развития всей вычислительной техники.
13.6. Змей Горыныч берется за расчеты
Наибольшая скорость передачи сигнала в нервных волокнах достигает 120 метров в секунду, или примерно 400 километров в час! Похоже, мы не без основания употребляем слова «быстра, как мысль». Но электронный сигнал, движущийся со световыми скоростями, оставляет мысль человеческую далеко позади.
Неутешительно для людей и другое сравнение. Клетки мозга не способны генерировать более чем тысячу импульсов-колебаний за секунду. А в ЭВМ тот же показатель перевалил за миллион. И крайне удивительно, что, подойдя по плотности элементов к природным рубежам, побив все рекорды скорости, электронный мозг по ряду показателей все еще уступает своему природному прототипу.
Почему так? Да потому, что мозг как бы умеет решать одновременно сразу несколько задач. Он обрабатывает информацию не последовательно, а параллельно!
Поясним эту мысль на простых примерах. Допустим, необходимо приготовить обед. Если один человек займется приготовлением закуски, другой – сварит суп, третий – начнет жарить мясо, четвертый – готовить гречневую кашу, пятый – побеспокоится о компоте, шестой – сбегает за мороженым, сесть за стол можно будет очень скоро. Но представьте иное: все операции по приготовлению обеда идут в строжайшей последовательности. Нельзя варить суп, пока не готов салат, нельзя жарить мясо, пока не сварен суп, и так далее. Сесть за обеденный стол придется тогда лишь к вечеру.
Второй пример даст нам… армия. Если бы выполнение простой команды «поворот направо» исполнялось пошагово: Иванов – направо, Петров – направо и так далее, то это очень бы усложнило управление. Куда проще добиться того же результата при совместных действиях подчиненных. Командир отдает групповую команду: «Направо!» – и взвод, рота, батальон быстро и одновременно исполняют приказ.
Вот это и есть последовательный и параллельный (ум хорошо, два лучше!) способ решения задачи. И сразу начинаем догадываться, что мозг человека – это словно бы Змей Горыныч о семи головах. Если бы этому поумневшему в наш научный век сказочному созданию предложили взяться за расчеты, он бы, несомненно, сумел бы с толком распорядиться своими головами.
Многоголовая ЭВМ – вот хорошая идея: перейти от однопроцессорных (либо отдельная ЭВМ, либо ее часть – отдельный микропроцессор) к многопроцессорным (многомашинным) вычислительным комплексам.
Мысль, казалось бы, проста. С чем не справится одна ЭВМ, с легкостью сделают десятки, сотни машин. Надо только распараллелить их работу, разбить задачу на множество подзадач, распределить их между машинами и заставить всех их трудиться одновременно. Ограничений в этом подходе нет. Весь вопрос только в том, как умело организовать архитектуру многомашинных систем, их коллективную память, все каналы обмена данными. И тут возникли трудности.
Распараллелить работу ЭВМ пытались многие у нас в стране и за рубежом. Было предложено великое множество типов многопроцессорных систем. Магистральные, конвейерные, векторные, кольцевые, матричные, звездные, циклические, иерархические, ассоциативные, рекурсивные и многие другие. Но решили ли они проблему? Нет.
Как же быть? Как найти принципиально новые подходы? А может, стоит более внимательно присмотреться к тому, как аналогичные проблемы решает природа?
13.7. Биологическая коммутация
Когда на микрофотографиях (срезы мозговой ткани) видишь нейронные заросли, поражаешься: оказывается, природа давно ввела для мозга «стандартизацию» его рабочих элементов. Все богатство мышления имеет основой бесконечно однообразный повтор однотипных образований – нервных клеток, или нейронов. Основных форм нейронов всего три. Одни по виду напоминает пирамиду, другие – звезду, третьи – веретено. Отсюда и названия: нейроны «пирамидальные», «звездчатые», «веретенообразные».
И связи нейронов между собой банально стереотипны. Одни из многочисленных отростков нейронов – дендриты (от греческого «дендрон» – дерево, они напоминают раскидистую крону), – словно усики антенн, улавливают, собирают сигналы, поступающие от других нервных клеток. Другие, более протяженные, чем дендриты, – аксоны (от греческого «аксоном» – ось) – напоминают провода, по которым нейрон посылает возбуждения-приказы своим соседям.
Видимо, именно стандартизация, взаимозаменяемость мозговых узлов в основном и обеспечивают высокую живучесть, надежность мозга. Считается (одно из мнений), что ежедневно в человеческом мозгу гибнут тысячи нейронов, и к 80 годам – простые подсчеты – выходят из строя миллиарды (до 30 %!) нервных клеток. И все же и в преклонном возрасте мозг может функционировать вполне нормально.
Завидное качество! Оно очень бы пригодилось ЭВМ, управляющей особо ответственными объектами, и было бы полезным, скажем, при работе наделенных искусственным интеллектом роботов, находящихся в зонах, опасных для здоровья и жизни людей. Роботов, которые в будущем станут разгуливать по льдам Антарктиды, по дну океанов, по поверхности пыльного Марса, облачной Венеры, там, где «мозг» робота не может избежать увечий и где от него, тем не менее, требуется повышенная надежность.
Если и есть какая-то ущербность в унификации «деталей» человеческого мозга, то она с лихвой покрывается неимоверным количеством «атомов» мышления. Хотя нейронов в мозге и, возможно, менее, чем звезд в Млечном Пути, но их пока гораздо больше, чем людей, населяющих нашу планету. Это сверхизобилие связей, сверхбогатство мозговых «путей», коллективный характер работы нейронов и обеспечивают неимоверную гибкость, пластичность мозга.
Нейронные ансамбли, или нейронные сети, вовсе не являются жесткими образованиями. Они формируются в зависимости от той или иной необходимости, продиктованной внешними или внутренними условиями. После же решения определенной задачи нейронный «оркестр» распадается, а освободившиеся нейроны могут тут же войти в состав новых нейронных «созвездий».
Кто дирижирует работой мозга? Как осуществляется мобилизация нейронных систем, их роспуск? Все это важные, во многом еще не решенные проблемы. Удивительную догадку на этот счет высказал академик Иван Петрович Павлов. В «Лекциях о работе больших полушарий головного мозга» (1909) он сравнивал образование условных рефлексов с работой… телефонного коммутатора.
Странный, казалось бы, образ, вызывающий в памяти, когда-то существовавшие станции, где сидели барышни-телефонистки. Они отвечали абоненту, как только тот снимал трубку, и, манипулируя шнурами, вставляя металлические штыри в нужные гнезда, соединяли его с другими абонентами.
Но высказывание ученого покажется уже не столь невероятным, если вспомнить, что техника очень скоро заменила телефонисток (в часы пик они могли обслужить лишь сотню абонентов) АТС (сокращение для слов – автоматическая телефонная станция), которые способны обслужить уже десятки тысяч номеров. И тут уже биологическая коммутация начинает казаться вполне правдоподобной.
Трудно, конечно, судить, насколько понимание всех отмеченных выше биологических тонкостей работы мозга помогло члену-корреспонденту Академии наук СССР ректору Таганрогского радиотехнического института (ТРТИ) имени В.Д. Калмыкова академику Анатолию Васильевичу Каляеву (1922–2004), когда он в 1978 году в монографии «Однородные коммутационные регистровые структуры» сформулировал технические идеи, на удивление близкие тому, что миллионы лет назад «высказала» щедрая на выдумки природа.
Но как бы там ни было, ключевыми словами для оригинального, совершенно нового подхода к архитектуре ЭВМ стали слова «однородность» (впрочем, справедливости ради, необходимо заметить, что предложение собирать сами компьютеры и их комплексы из однотипных стандартных блоков высказывалось задолго до работ А.В. Каляева, тут он шел уже по проторенной дорожке) и «коммутация». Да, та самая коммутация, которая годна не только для обеспечения телефонных разговоров, но и для мгновенной связи между десятками и сотнями ЭВМ.
Идеи Каляева подхватили его многочисленные ученики и соратники. Их научная разработка осуществлялась в созданном при ТРТИ НИИ однородных микроэлектронных вычислительных структур (сокращенно НИИ ОМВС), в Институте, тогда единственном в мире по уникальности своей тематики.
13.8. В Таганрогском радиотехническом
Мысль побывать в Таганроге, старинном русском (основан Петром I в 1698 году) городе, расположенном на побережье Азовского моря, городе, где живут и работают люди, создающие компьютеры пятого поколения, компьютеры, в которых еще больше стирается грань, отделяющая машины от живых объектов, запала в душу автора этой книги. И вот (сначала самолетом до города Ростов-на-Дону, затем несколько часов езды на машине) я в Таганроге. К сожалению Анатолия Васильевича Каляева в то время в Таганроге не оказалось, поговорить с ним не удалось. Однако его сотрудники ввели меня в суть дела.
«Наш институт, – рассказывал заместитель директора НИИ ОМВС доктор технических наук Вячеслав Филиппович Гузик, – разрабатывает многопроцессорные вычислительные системы с программированной архитектурой или короче – ВМС с ПА. Это значит, что в них будет программироваться не процедура вычислений, как прежде, а сама их структура. Исходя из данных конкретно решаемой задачи может быть создана любая адекватная задаче вычислительная структура. Сделать это позволяет целая сеть связанных между собой однотипных коммутаторов, распределенных по «телу» вычислительного комплекса. Эти коммутаторы и создадут нужные каналы связи».
«А что такое коммутатор?» – спрашиваю я.
«Если говорить просто, то это электронный ключ, который можно «включать» или «выключать», соединив или разъединив ближайшие работающие элементы. Ключ этот можно снабдить собственной памятью или логикой, и тогда, как в живом мозге, удастся слить оперативную память с операционным устройством. И обработка информации будет идти попутно с процессами ее запоминания и передачи».
«И что все это дает?» – снова интересуюсь я.
«Скорость работы таких многофункциональных систем возрастает в сотни раз. Очень простым становится их программирование. Оно теперь ведется не на языках низкого уровня, на основе элементарных команд, а на естественном языке математики и логики. Машина будет понимать язык символов, оперировать языками высокого уровня, сразу осуществляя выполнение крупных операций типа интегрирования, дифференцирования, умножения матриц, сложения векторов и так далее. Еще достоинство универсальной коммутации: отпадает необходимость производить сотни и тысячи типов больших интегральных схем (БИС), что, очевидно, совершенно нерентабельно и нетехнологично. Теперь же можно будет ограничиться небольшим числом интегральных схем (с перестраиваемой структурой), что обеспечит их дешевизну, надежность и ремонтоспособность. При выходе из строя тех или иных БИС достаточно их заменить, либо просто отключить коммутационную структуру указанных интегральных схем от остальной системы, а необходимое число БИС (ведь все они на один лад!) нарастить в другой области вычислительной системы».
Удивительно! В телефонии, в телеграфном деле коммутаторы, устройства, служащие для соединения между собой аппаратов, линий и каналов связи, служат добрую сотню лет. Но никому до А.В. Каляева не пришло в голову использовать принцип коммутации в ЭВМ, ввести его в структуру больших интегральных схем. Эти новейшие схемы мне довелось увидеть воочию.
Мне дали подержать в руке не то брошку, не то «паучка» величиной с небольшую почтовую марку, с множеством желтых ножек. Затем попросили посмотреть на него в микроскоп. Я увидел на «спинке» ювелирное плетение алюминиевых, сияющих золотистым блеском нитей. Словно созданных искусным волшебников-ткачом.
«Это и есть БИС с программируемой структурой, – объяснили мне. – Это техническая новинка. Предложил ее наш Институт. Такие не имеющие аналогов в мировой практике БИС уже внедрены в серийное производство. Их выпускает Ленинградское научно-производственное объединение «Светлана» и другие предприятия…»
13.9. Интегралом и паяльником
Много интересного довелось мне тогда увидеть и узнать в Таганроге. ТРТИ, оказывается, был первым в стране СССР (создан в 1952 году) радиотехническим вузом. Этот первенец стал одним из инициаторов создания совершенно новой формы вуза – учебно-научно-производственного комплекса (УНПК сокращенно). Единой организации, состоящей из собственно вуза, где идет обучение студентов, научного института (НИИ ОМВС), двух ОКБ (особых конструкторских бюро), ряда отраслевых лабораторий, студенческих конструкторских бюро, вычислительного центра и строящегося в момент моего посещения (еще советские времена) Таганрога силами трех министерств опытного завода.
Этот комплекс проводит единую научно-техническую политику. Когда завод построят, здесь будет реализован замкнутый цикл: «научно-исследовательская разработка – конструкторская разработка – опытно-промышленный образец». Другими словами, замыслы таганрогских ученых тут же, на месте, будут руками конструкторов, инженеров и технологов обретать плоть и кровь, будут превращены в готовые изделия.
Какова же роль студентов в этом важном деле? Самая непосредственная. После организации УНПК студенческие исследования стали плановыми, они были включены в расписание занятий.
Все студенты 4-го и 5-го курсов один раз в неделю полный рабочий день трудятся в НИИ, КБ или экспериментальном цехе, выполняя задания, рассчитанные на полтора-два года. Добровольно выбрав себе тему по душе (конечно, с учетом профиля кафедры), студент видит плоды своего труда. У него и к учебе появляется совсем иное отношение. Он варится в научной кухне, осваивает (попутно) документацию, метрологию, учится работать в коллективе. Обычно тут же под руководством опытных наставников выкристаллизовывается и тема будущего диплома. Тема, которая позднее может перерасти в серьезную научную работу…
В Таганроге я убедился еще и в том, насколько полезен для дела осуществленный в ТРТИ творческий союз микроэлектронщиков с разработчиками ЭВМ. Взаимные консультации, споры на семинарах, экспресс-обмен рабочей информацией, просьбы что-то срочно изменить в интегральных схемах или в структуре ЭВМ, если «стыковка» идет с трудом – годы тесной совместной работы приносили обильные плоды. К примеру. Микропроцессор «Девиз-2», в котором использован принцип выполнения крупных операций за счет программирования структуры, был уже внедрен в серийное производство на предприятиях Минэлектронпрома.
…Множество впечатлений увозил я из Таганрога. Вспоминались памятник Петру I (работы скульптора Марка Матвеевича Антокольского), застывшая на дальней кромке мыса Таган-Рог фигура, со взглядом, устремленным поверх летающих чаек в дали Азовского моря, маленький аккуратный беленький домик, где родился и некоторое время жил будущий писатель Антон Павлович Чехов.
В памяти остались и разработчики БИС, сидящие перед экранами дисплеев, склонившиеся над микросхемами. Запомнились и беседы со множеством людей, которые «интегралом и паяльником» завершали воплощение мыслей, высказанных теоретиками новой вычислительной техники.
Но главное, что удалось вынести из поездки в Таганрог, – то, что, стремясь к техническим идеалам, отталкиваясь от безжизненных «железок», мало заботясь о подражании, человек подчас невольно как бы переизобретает то, что давным-давно было запатентовано в живой природе.