авним принципы устройства нейрона и электронного переключателя на транзисторах. Сложные химические процессы, протекающие в первом, явно не имеют близкой аналогии во втором. Однако и это отличие при ближайшем рассмотрении не оказывается столь важным. Специалисту по вычислительным машинам, в сущности, безразличны детали конструкции отдельных элементов машины; его прежде всего интересуют функциональные характеристики этих элементов как целостных единиц. В настоящее время осуществляется по крайней мере одна программа исследований в области «электронных цифровых машин», где элементами служат чисто гидравлические устройства. Тем не менее эта работа основывается на тех же общих принципах конструирования, анализа и сборки, которые применимы во всякой другой работе в области «электронных» цифровых машин. Правда, в большинстве машин используются электронные элементы, но только потому, что никто еще не изобрел такие неэлектронные устройства, которые могли бы конкурировать с ними по величине, весу, надежности, стоимости и быстродействию. Если бы кто-нибудь придумал способ изготовления органического нейронного материала, общие функциональные свойства которого отвечали бы требованиям теории цифровых машин, такой материал сразу нашел бы спрос. В понятии «электронная цифровая вычислительная машина» прилагательное «электронная» по существу отражает лишь некое приходящее обстоятельство.
Если мы не можем найти таких различий между вычислительными машинами и мозгом, которые оказались бы существенными при сравнении общей структуры этих систем или принципов устройства их элементов, то мы должны перенести наши поиски с анатомического уровня на физиологический. Имеется ли близкое сходство между функциями нейронов в мозгу и функциями отдельных переключателей в машине?
Этот вопрос более сложен, чем проблемы, рассмотренные выше. Мы знаем, что нейрон обладает не только свойствами двухпозиционного переключателя, но и рядом других особенностей. Как говорилось в гл. 1, реакция типа «все или ничего» свойственна только его аксону. Тело нейрона, выражаясь языком электроники, больше похоже на сумматор, который суммирует воздействия на нескольких входах и, сравнивая их сумму с величиной порога, определяет, должен ли нейрон посылать импульсы и какова должна быть чистота его выходной импульсации. При этом величина порога обычно регулируется химическими или электрическими изменениями в окружающей ткани.
Это гораздо более сложное и хитроумное устройство по сравнению с простым двухпозиционным переключателем, применяемым в вычислительных машинах. Конструктор вычислительных машин, располагая такими компонентами для построения управляющей системы, должен был бы сделать выбор. Конструируя, например, механизм зрачкового рефлекса, он мог бы строить свои цепи в расчете на работу нейронов как простых двухпозиционных переключателей, соединенных в схему, эквивалентную вычислительной машине общего назначения, с надлежащими преобразующими цепями для подключения афферентных и эфферентных нервов. Но он мог бы обойтись гораздо меньшим числом компонентов, копируя природу и используя некоторые другие свойства нейронов. Как мы уже знаем, ему достаточно было бы направить поток импульсов, отражающий измеренный уровень освещенности сетчатки, на вход двигательного нейрона, который непосредственно посылает через свой аксон другой поток импульсов, вызывающий сокращение зрачка. Подбирая должным образом порог возбуждения этого нейрона, можно было бы заставить его подавать сигнал сокращения зрачка только тогда, когда количество падающего на сетчатку света превышает заданную величину, причем интенсивность этого сигнала, т. е. частота посылаемых эффекторных импульсов, возрастала бы с увеличением освещенности по желанию конструктора.
Если бы речь шла о более сложном интеллектуальном процессе, разница в количестве необходимых нейронов при том п другом подходе была бы меньше, но существо дела не изменилось бы. Маловероятно, чтобы природа выработала у нейронов свойства, обеспечивающие функциональную гибкость и упрощающие систему в целом, если бы не было потребности широко использовать их. Не только логические соображения, но и данные, полученные с помощью поверхностных и вживленных в мозг электродов, указывают на то, что в головном мозгу, по всей вероятности, нет чисто «цифровых» вычислительных схем, т. е. схем, элементы которых используются только как простые двухпозиционные переключатели.
Наконец-то мы, кажется, нашли существенное различие между вычислительными машинами и мозгом. Но не будем чересчур поспешно заключать, что это различие настолько глубоко, что область взаимного соприкосновения науки о мозге и науки о вычислительных машинах Можно считать весьма ограниченной. Ради полноты анализа мы должны выяснить, нельзя ли показать, что в понятии «цифровая электронная машина» прилагательное «цифровая» не более существенно, чем «электронная». Эта точка зрения может показаться неправдоподобной, но она действительно не лишена оснований!
Ведь работа вычислительной машины, и притом вся ее работа, состоит в создании определенных комбинаций величин напряжения на ее выходных клеммах путем выполнения точно предписанного комплекса операций над другими комбинациями величин напряжения, поступающими на ее входные клеммы. Эти операции просты, но часто весьма многочисленны. В основном вычислительном устройстве, по существу состоящем из одних только соединенных между собой электронных переключателей, каждое элементарное действие представляет собой простую операцию переключения. На входные клеммы одного из переключателей по соединительным проводам поступают напряжения, определяемые либо непосредственно входной информацией машины, либо предшествующими операциями других переключателей; при данной комбинации входных напряжений положение переключателя будет зависеть от того, соответствует ли эта комбинация условиям срабатывания, определяемым его собственным внутренним устройством. Электрический эффект каждой из таких простых операций, комбинируясь с выходами других подобных же операций, а иногда и с некоторыми сигналами со входа машины, образует исходный материал для последующих операций. В конце концов на выходах некоторых элементов появляются в виде соответствующих напряжений окончательные ответы, составляющие решение задачи.
Секрет эффективности современных вычислительных машин состоит в том, что даже необычайно сложные операции, как выяснилось, можно разбить па элементарные действия, с которыми могут справиться очень простые устройства. В математике любая операция может быть разделена на такие элементарные действия и может определять электрические сигналы, соответствующие конечным результатам. Так же и в логических задачах машина может выводить из заданных посылок новые заключения с помощью правил логики, которые можно разбить на такие же простые операции, какие применяются в математических вычислениях.
Вернемся теперь к главному предмету нашего обсуждения — к свойствам, которыми должны обладать рабочие элементы вычислительной машины, ее «нейроны». В реальных машинах обычно используются чисто цифровые элементы — двухпозиционные переключатели. Это упрощает конструкцию элементов, повышает их надежность и снижает стоимость. Кроме того, хорошо разработанная теория имеется только для машин, основанных на таких двоичных элементах типа «да — нет». Это новая и трудная область. Естественно, что ранний этап ее развития характеризуется использованием более простых принципов логических процессов. Современная теория делает упор в основном на выборах «истинно — ложно» как элементарных операциях, из которых может быть синтезирован процесс решения сложных задач. Альтернативы «включено — выключено», возможные для простого переключателя, отлично соответствуют альтернативам «истинно — ложно» для операций, рассматриваемых такой теорией. Этим фактически и обусловлен «цифровой» характер функционирования большинства современных вычислительных машин.
Однако есть и другие пути решения логических проблем. Существует, например, вероятностная логика, в которой основными элементами являются не категорические ответы «да» или «нет», а оценки вероятности того или другого из этих ответов. В вычислительных машинах, основанных на таких логических схемах, в качестве элементов могут применяться и простые двухпозиционные переключатели, но они неэффективны примерно так же, как устройства тина сумматоров для весовых функций неэффективны в качестве элементов машины, построенной на основе двузначной логики.
Кажется несомненным, что, когда мы будем больше понимать в этих вещах, для построения наших машин нам понадобятся элементы, обладающие более широкими функциональными возможностями, чем простые переключатели. Уже сейчас во многих лабораториях ведется разработка различных типов «электронных нейронов» с суммирующими устройствами и изменяемым порогом, и в конце концов это, вероятно, приведет к расширению набора функциональных элементов, которые сможет использовать конструктор вычислительных машин.
Это подводит нас к выводу, который мы стремились обосновать: узко цифровой характер функциональных элементов не всегда будет свойствен электронной вычислительной машине и потому не является ее действительно существенной особенностью.
Но если сущность современной вычислительной машины не передается ни словом «электронная», ни словом «цифровая», то в чем же она состоит? Занимаемся ли мы бесплодными упражнениями в семантике, или же электронные цифровые вычислительные машины обладают каким-то не отраженным в их названии свойством, имеющим фундаментальное значение? Одно такое свойство действительно существует, и, как мы уже говорили, на нем основан секрет эффективности современных вычислительных машин. Оно состоит в том, что сложные вычислительные и логические операции можно разбить на элементарные действия, с которыми могут справиться даже очень простые устройства. Как мы только что видели, можно ожидать, что характер этих элементарных действии будет со временем изменяться. Но не изменится то, что составляет действительно фундаментальную особенность всего класса машин, которые до сих пор слишком узко определялись как «электронные цифровые вычислительные машины», — то, что эти машины достигают своих поразительных результатов шлем выполнения огромного числа очень простых операций.