Кибернетическая картина мира. Есть многое на свете, друг Горацио, что недоступно нашим
 Скачать 14.04 Mb.
|
|
ГлаВа 4. ВычИСлИтельные СИСтеМы И СетИ Люди всегда думали о том, как облегчить свой труд, и создавали различные механизмы и машины, которые прошли длинный путь развития от простейших рычагов до нанотехники. в своих мифах и мечтах люди создали образ помошника, который в ХХ в. принял об- раз робота. в настоящее время миллионы роботов трудятся на раз- личных рабочих местах – от сборки автомобилей до исследования космоса. основные составные части робота – это, во-первых, дви- жители, с помощью которых осуществляется перемещение робота или его частей; во-вторых, сенсоры, с помощью которых робот по- лучает информацию из окружающей среды; в-третьих, решающие устройства, которые обрабатывают сенсорную информацию, сопо- ставляют ее с целевой установкой и вырабатывают управляющие сигналы на движители, чтобы достичь тех или иных целей. все эти системы имеют аналоги в живых системах. Применительно к чело- веку движители – это мышцы и кости скелета, сенсоры – это кожа, зрение, слух, обоняние и вкус, решающая система – это нервная си- стема человека и мозг. в настоящее время люди только начинают разбираться в устройстве биологических систем, еще очень велик разрыв между возможностями биологических систем и техникой, созданной руками человека. Сформировалось научное направле- ние – бионика, в рамках которого ученые изучают биологические структуры и пытаются технически реализовать выявленные прин- ципы. Развитие нанотехники позволит сократить этот разрыв. в процессе развития движители прошли путь от простых рыча- гов, полипастов, через использование мышечной силы животных, через создание различных гидравлических и пневматических си- стем, через создание различных электроприводов до нанодвижите- лей, и эта эволюция заняла тысячи лет. в процессе развития сенсорные системы прошли путь от хими- ческих структур, чувствительных ко вкусу и запаху, через разви- тие тактильных датчиков, через развитие различных слуховых и зрительных анализаторов до наносенсоров. Наибольшее внимание далее уделяется развитию информационно-вычислительных си- стем, потому что этот путь у нас перед глазами, он был пройден за каких-то 50 лет благодаря усилиям ученых и инженеров различ- ных специальностей. вычислительные машины – это системы со структурированной неопределенностью, она может иметь разное физическое воплоще- 203 ние. Имеются примеры реализации вычислительных устройств на пневматических и гидравлических элементах, на аналоговых и цифровых структурах. Недосягаемым для современной техни- ки является устройство и функционирование нервной системы живых существ, слишком плохо мировая наука изучила физико- химические и информационные процессы в биологических струк- турах, слишком велик технологический разрыв между электро- никой и биологическими процессами. Так называемый нейроком- пьютинг – это не более, чем внешняя имитация сложных процессов в нейронных структурах. Наибольшее распространение в настоя- щее время получили микроэлектронные системы – от мобильных телефонов до суперкомпьютеров, сложилось представление о по- колениях вычислительной и телекоммуникационной техники. эволюция вычислительной техники (вТ) весьма поучительна для понимания логики развития информационных систем. в июле 2006 г. в Петрозаводске проходила международная конференция по истории вычислительной техники в России и в странах бывшего СССР (SoRuCom-2006), на которой было заявлено, что безвозвратно утеряны или уничтожены многие образцы вТ и их документация, которые составляли научное и культурное наследие России. в на- стоящей работе восстанавливаются некоторые аспекты истории развития вТ. 4.1. эволюция архитектуры вычислительных систем 4.1.1. эволюция элементной базы во время второй мировой войны развивалась радиосвязь и ради- олокация, что привело к развитию производства электронных ламп и в конце 40-х гг. ХХ в. сразу в нескольких странах – США, СССР, великобритании и др. – были построены электронные вычисли- тельные машины, где в качестве основных элементов использова- лись электронные лампы. они составили первое поколение ком- пьютеров и использовались прежде всего для научно-технических расчетов и обороны. в табл. 4.1 представлена эволюция элементной базы. в 50-е гг. появились полупроводниковые элементы, кото- рые позже были объединены в интегральные схемы. Первый ком- мерчески доступный микропроцессор появился в 1971 г. это был 204 4-разрядный микропроцессор 14004 фирмы Intel, содержащий на кристалле 2300 транзисторов и работающий с тактовой частотой 0,4 МГц с производительностью 60 тыс. оп/с. в то время использова- лась 10-микронная технология изготовления микросхем. в 1984 г. появился 32-разрядный микропроцессор 18386 фирмы Intel, кото- рый содержал 275 тыс. транзисторов, работал на частоте 16 МГц с быстродействием до 5,5 млн оп/с. в таких микропроцессорах ис- пользовалась технология, позволяющая доводить расстояние меж- ду элементами на микросхеме до 1 мкр. К концу 1998 г. наиболее производительные микропроцессоры Pentium II фирмы Intel рабо- тали с частотой 450 МГц, содержали около 7,5 млн транзисторов на микросхеме, они изготовлялись по технологии 0,25 мкр. Успе- хи в физико-химической очистке кристаллов кремния позволили освоить еще более высокие параметры. за последние годы удвоение тактовой частоты и числа транзисторов на кристалле происходи- ло примерно за 2–3 года. этот показатель называют законом Мура (мистер Мур – бывший президент компании Intel). дальнейшее уве- личение количества элементов на кристалле выявило технологиче- ские ограничения – механические и прочностные ограничения на количество выводов из кристалла, встала задача сокращения пото- ка информации из кристалла и в кристалл, что оказалось возмож- ным осуществить только на основе построения самоорганизующих- ся БИС, когда многие функции реализовывались в рамках только самого кристалла. этими функциями стали контроль, диагностика и коррекция вычислительных процессов внутри кристалла за счет разумно введенной избыточности и возможности диагностировать неисправные элементы и исключать их из вычислительного про- цесса без критического уменьшения быстродействия. Разрабатываются объемные интегральные схемы, в которых транзисторы размещаются на параллельных слоях, что облегча- Таблица 4.1 К Р Е М Н И й эволюция элементной базы Факт Прогноз Наноструктуры на основе углерода + Сверхбольшие интегральные схемы + Большие интегральные схемы + Интегральные схемы + Полупроводниковые элементы + электронные лампы + { 205 ет коммуникацию между слоями. в пределе размеры решающих элементов приблизятся к размерам молекул и атомов, но там уже действуют законы квантовой механики, которые учитываются в нанотехнологиях. в последние годы ведется интенсивная разра- ботка квантовых вычислительных машин, которые позволили бы резко повысить их быстродействие и защиту с помощью квантовой криптографии, но самым интересным в этих разработках являет- ся возможность реализации особых квантовых явлений, таких как телепортация. Идеи исчезновения предметов и людей в одном месте и их зага- дочного появления в другом месте с проникновением сквозь тол- стые стены существуют уже тысячи лет. Термин «телепортация» был введен Фортом в 1931 г. По мнению Форта, ничто не являет- ся непроницаемым – окружающая нас действительность является всего лишь сумеречной зоной между различными уровнями реаль- ности и нереальности. Телепортация есть средство, с помощью ко- торого содержимое одного уровня существования, обычно скрытого от нас, может внезапно попасть, казалось бы, ниоткуда на наш соб- ственный уровень. Научная современная телепортация не исполь- зует поток вещества или энергии. основой телепортации является передача информации, но без ее пересылки сквозь пространство. эта передача осуществляется с помощью самого загадочного явле- ния в современной науке – запутывания (entanglement). в 1997 г. в небольшой темной комнате университета в Инсбруке (Австрия) на лабораторном столе с кабелями и электронно-оптическими преоб- разователями ученые уничтожили несколько мельчайших частиц света в одном месте и абсолютно точно восстановили их в другом месте на расстоянии около одного метра. Таков был первый в исто- рии человечества научный эксперимент по телепортации. Интересное направление в развитии элементной базы – кван- товый компьютер – гипотетическое вычислительное устройство, которое путем выполнения квантовых алгоритмов существенно использует при работе квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность. Содержание по- нятия «квантовый параллелизм» может быть раскрыто так. дан- ные в процессе вычислений представляют собой квантовую инфор- мацию, которая по окончании процесса преобразуется в классиче- скую путем измерения конечного состояния квантового регистра. выигрыш в квантовых алгоритмах достигается за счет того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффици- 206 ентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одно- временно. Под квантовой запутанностью, которую называют также «квантовой суперпозицией», обычно понимается следующее. вооб- разите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распа- ду в определенный промежуток времени. Или не мог бы. Мы можем ожидать, что у этого атома есть только два возможных состояния: «распад» и «не распад», но в квантовой механике у атома может быть некое объединенное состояние – «распада – не распада», т. е. ни то, ни другое, а как бы между. вот это состояние и называется «суперпозицией». Базовые характеристики квантовых компьюте- ров в теории позволяют им преодолеть некоторые ограничения, воз- никающие при работе классических компьютеров. Квантовый ком- пьютер – это разновидность цифрового аналога, цифровое устрой- ство аналоговой природы. цифровые аналоги активно разрабатыва- лись в 60-е гг. в Институте электромеханики АН СССР [38]. 4.1.2. эволюция уровня знаний за последние 50 лет мы могли наблюдать непрерывное повыше- ние уровня интеллекта эвМ (табл. 4.2), которое проявляется в том, что все более сложные процедуры, постановки и решения интел- лектуальных задач передаются от человека машине. этапы каче- ственного изменения в разделении труда между человеком и эвМ совпадают по времени с объявлением новых поколений эвМ. Таблица 4.2 эволюция уровня знаний Факт Прогноз Метазнания + всеобщие знания + + Проблемные знания + + + Системные знания + + + + Интерфейсные знания + + + + + Процедурные знания + + + + + + в качестве второго принципа эволюции рассматривается посто- янное возрастание уровня знаний в эвМ. Машины 1-го поколения обладали процедурными знаниями, располагали стандартными программами, например для решения большого числа линейных 207 алгебраических уравнений. Машины 2-го поколения обладали ин- терфейсными знаниями, располагали трансляторами. Машины 3-го поколения обладали уже и системными знаниями, различны- ми управляющими программами, из которых выросли операцион- ные системы. в качестве третьего принципа рассматривается эволюционное развитие архитектуры эвМ, интегрирование достижений преды- дущих этапов развития – переемственность и совместимость, что и обеспечило быстрый прогресс компьютерных технологий. в качестве четвертого принципа рассматривается повышение уровня операционной среды в эвМ, что проявляется в развитии ме- ханизмов виртуализации программных и аппаратных средств, вве- дении средств автоматизации контроля и восстановления процессов, автоматизации планирования и распределения ресурсов и др. в качестве пятого принципа рассматривается реализация зна- ний детерминированной аппаратной логикой. На первых этапах развития вТ, аппаратное обеспечение было дороже программного, в настоящее время – наоборот, По дороже аппаратного, и поэтому представляется целесообразным реализация максимального числа функций аппаратным образом. в качестве шестого принципа рассматривается специализация средств обработки информации и управления. в принципе цифро- вые машины универсальны, но затраты памяти и времени для ре- шения различных задач разные. При специализации вТ на реше- ние конкретных задач стоимость и качество решения отличаются в десятки раз, и поэтому предпочитают проблемно ориентировать вычислительную технику для использования в конкретных обла- стях – в финансовой сфере, в сфере управления самолетами и т. д. высший уровень знаний – это метазнания, знания о знаниях, он реализуется в виде поисковых систем типа GOOGLE. знания – это определенным образом формализованная и струк- турированная информация, доступная пониманию человеком и пригодная для использования в повседневной или перспективной деятельности. знания можно классифицировать по степени вос- требованности в человеческом обществе: во-первых, это бытовые знания, постоянно используемые в повседневной жизни каждого человека, во-вторых, прикладные, необходимые для осуществле- ния текущей трудовой деятельности, в-третьих, поисковые, пред- полагаемые к применению в перспективной трудовой деятельно- сти, в-четвертых, фундаментальные, раскрывающие объективные 208 законы природы и основы мироздания, в-пятых, космические, ко- торые могут включать трансцендентные знания, в принципе недо- ступные ощущениям и пониманию человеком и опытному позна- нию в мире. 4.1.3. эволюция операционной среды Под интеллектуальной понимается естественная, искусствен- ная или формальная система, обладающая способностью целесоо- бразного поведения в изменяющейся среде – выбора и принятия ре- шений, обучения и адаптации, целеполагания и устойчивости. Под знаниями интеллектуальной системы понимается ее атрибутивная информация. Моделью интеллектуальной системы является опера- ционная среда. Под архитектурой эвМ понимается спецификация операционной среды через определение в терминах пользователя ее состава, свойств, функций и правил взаимодействия. в табл. 4.3 представлена эволюция операционной среды. Таблица 4.3 эволюция операционной среды Факт Прогноз Искусственный «разум» + Интеллектуальная машина + + объектная машина + + виртуальная машина + + Реальная машина + + Физическая машина + + 4.1.4. эволюция интерфейса общения Информационно-вычислительные системы – это полилинг- вистические системы, где сразу действуют несколько языков. в табл. 4.4 представлена эволюция интерфейса общения. за по- следние 50 лет в сфере вТ и программирования были разработаны свыше 1000 различных алгоритмических языков, многие сейчас уже не используются, в число действующих входят около 100 язы- ков. Естественный язык до сих пор представляет большие трудно- сти для освоения компьютером, о чем, в частности, свидетельствует 209 несовершенство машинных программ перевода с одного естествен- ного языка на другой. в настоящее время на нашей планете около 6 тыс. естественных языков, в результате процессов глобализации прогнозируется их сокращение до 600, что существенно обеднит цивилизацию земли. 4.1.5. эволюция устройств ввода-вывода информации Удельный вес устройств ввода-вывода информации в стоимости вычислительных систем (вС) непрерывно повышается, прогресс в этой области значительно сложнее, так как непосредственно свя- зан с характеристиками человека как конечного пользователя. в табл. 4.5 представлена эволюция устройств ввода-вывода. Таблица 4.5 определяющие свойства устройств ввода-вывода Факт Прогноз виртуальные костюмы + динамические объекты + + запах и вкус + + + Речевой ввод + + + + дисплеи цифровые + + + + + Кнопочные панели + + + + + + Кнопочные панели были и являются самыми распространен- ными устройствами ввода информации, их размеры определяются размерами человеческих пальцев и удобством пользования. циф- ровые дисплеи для вывода визуальной информации развиваются быстро, растет число пикселей, палитра цветов. Созданы плазмен- ные и жидко-кристаллические дисплеи. Развиваются системы ре- Таблица 4.4 определяющие свойства интерфейса общения Факт Прогноз Естественные языки + Прикладные языки + + Логические языки + + + Функциональные языки + + + Процедурные языки + + + Машинные языки + + + 210 чевого вывода информации из компьютера с помощью различных синтезаторов речи. значительно труднее решаются задачи речевого ввода информации от человека в компьютер, который не обладает таким мощным слуховым анализатором как у человека. Уже про- даются системы генерации запахов и вкуса. возникли специаль- ные динамические системы типа кибернетического велосипеда, когда человек становится органичной частью системы виртуальной реальности. Создаются виртуальные костюмы для полного погру- жения человека в виртуальные миры. Разрабатываются системы информационного зазеркалья, генерирующие всю матрицу окру- жающей среды. 4.1.6. эволюция средств связи Параллельно с развитием средств обработки информации разви- вались системы передачи информации. в рамках эволюции живых систем самым главным является передача наследственной инфор- мации от родителей к потомкам. в процессе эволюции живые си- стемы оснащались различными сенсорными системами – тактиль- ными, вкусовыми, анализаторами запахов, зрительных и слухо- вых образов. Потом возникли системы устной и письменной речи, получила распространение система почты. в середине XIX в. воз- ник электрический телеграф, потом радио, телефон, телевидение. вычислительные машины в начальный период своего развития не были объединены в сети. Системы передачи информации (переда- чи в пространстве), хранения информации (передачи во времени) и вычислительные машины развивались как бы отдельно. Но с 70-х гг. ХХ в. происходит их объединение, возникли вычислитель- ные сети, первой из которых была ARPANET, и сетевые техноло- гии получили большое развитие, сложилась всемирная паутина, и в настоящее время осуществляется интеграция всех средств пере- дачи информации по формуле Networking = data + voice + image. Происходит сращивание всех средств связи и передачи инфор- мации, в итоге каждый человек получил мобильный телефон и получит в свое распоряжение мощный коммуникатор и быстрый доступ ко всем накопленным знаниям, складывается гибридный человекомашинный интеллект. 211 Россия – гигантская по территории страна, и ее социально- экономическое развитие во многом определяется информатизаци- ей на основе новых технологий. в соответствии с правительствен- ными решениями, каждый населенный пункт с населением свыше 500 чел. должен иметь выход в Интернет. для осуществления этой большой задачи необходимо решить следующие проблемы. 1. определить поэтапно спектр предоставляемых услуг с пер- спективой их развития. Единая сеть должна объединять все органы управления, почты, организации здравоохранения, образования и культуры и предоставлять населению многообразие услуг. в пер- спективе каждый житель России от ребенка до пенсионера должен иметь своего помощника в виртуальных мирах. 2. ввиду неразвитости инфраструктуры связи возникает про- блема создания такой инфраструктуры, которая сначала могла бы объединить все районные центры России с использованием всех проводных и беспроводных средств связи, оптоволоконных линий и систем с привязными аэростатами. 3. Необходимо разработать трехслойный Интернет, где первый слой – системы проводной связи, наземные системы, второй слой – системы на основе привязных аэростатов и свободно летающих дирижаблей, третий слой – это системы на основе использования спутников. Трехслойный Интернет имеет повышенную надеж- ность, мобильность и высокую пропускную способность. 4. возникает проблема концентрации финансовых ресурсов для решения этой задачи, с привлечением как местных и федеральных ресурсов, так и ресурсов частных фирм. 5. Решение проблемы информатизации регионов России – зада- ча комплексного системного анализа территорий и ресурсов. в ка- честве примеров рассматриваются задачи информатизации Ленин- градской области и Санкт-Петербурга. Помимо традиционных направлений работ коммуникационной отрасли одной из задач при построении национальных систем свя- зи является создание транспортной среды, позволяющей осущест- влять передачу первичных и тематически обработанных данных в реальном масштабе времени к различным центрам генерации и анализа комплексной информации и принятия решений. Специалистами группы компаний «Евразия Телеком» совместно с ведущими научными специалистами был проведен цикл исследо- ваний, имевших целью выработку рекомендаций по оптимизации структуры широкополосной транспортной сети при использовании 212 ее в качестве коммуникационной основы для различных распреде- ленных систем национального масштаба [62]. Технологической базой проведения исследований стала развер- нутая в Москве, Московской области и Санкт-Петербурге широ- кополосная сеть передачи данных компании «Евразия Телеком» (рис. 4.1), построенная по технологии Metro Ethernet. организация «длинной линии» на трассе Москва – Петербург была выполнена с помощью технологии CWDM. в целях организации прикладного тестирования к сети компа- нии «Евразия Телеком» осуществлялось присоединение стацио- нарных и передвижных пунктов сбора радиолокационной инфор- мации, а также центров обработки и принятия решений, располо- женных в лабораториях Арктического и антарктического НИИ. дополнительно исследовалась возможность работы удаленных по- требителей с использованием традиционных для рынка SOHO тех- нологий доступа в Интернет: dial-up и ADSL. Исследования проводились в следующих основных направлениях: 1) оценка возможности использования существующей сети в ка- честве опорной для систем мониторинга критически важных объек- тов, в частности, объектов ядерной энергетики. для этого направ- ления наибольшую значимость имела минимизация рисков отказа отдельных компонентов коммуникационной среды и обеспечение минимальной задержки в передачи информации; |