Вышинский В.А.
Ведущий научный сотрудник
Институт кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины
The second generation of computers
Vyshinskiy V.
V.M Glushkov Institue of Cybernetics
of the NationalAcademy of Sciences of Ukraine,
Lead Scientist Researcher
АННОТАЦИЯ
Несмотря на то, что после создания электронной вычислительной машины первого поколения (1950 год) в развитии ее элементной базы произошел существенный сдвиг, то аналогичного явления в машинной информационной технологии не наблюдается. Машина, по-прежнему обрабатывает числа в битах. В статье объясняется, что такое поколение вычислительных машин, и приводится вариант внутренней математики машины второго поколения. Излагается путь дальнейшего развития этой научно-технической отрасли по поколениям, для чего формулируются проблемы, решение которых позволяют его осуществить.
ABSTRACT
Despite the fact that after the creation of the first generation computer (1950), a significant shift occurred in the development of its element base. A similar phenomenon in machine information technology is not observed. The machine still handles numbers in bits. The article explains what a generation of computers is, and provides a variant of the internal mathematics of a second generation machine. The way of further development of this scientific and technical branch by generations is outlined. The solution of formulated in this article problems allows its implementation.
Ключевые слова: кибернетика, физика, ботаника, биология, проблема, задача, фундаментальная наука, теория, знания, явление, эмерджентный, исследование.
Keywords: cybernetics, physics, botanic, biology, problem, task, fundamental science, theory, knowledge, phenomenon, emergence, research.
В Вычислительной технике (ВТ), вот уже не одно десятилетие, находится неразрешенная проблема создания электронных вычислительных машин (ЭВМ) нового (второго) поколения. В настоящей статье рассмотрим некоторые аспекты такой ситуации, сложившейся в одной из самых востребованных современной цивилизацией технологии. Для чего, вначале, разберемся в отличительных чертах ЭВМ по поколениям. Известно, что любой отрасли человеческой деятельности, в ее развитии, присущ обязательный переход от одних средств (изделий) к последующим с принципиально новыми свойствами, которые принято относить уже к очередному их поколению. Этот переход стимулируется желанием иметь в своем распоряжении изделие с усовершенствованными свойствами. Самый простой прием при их создании, широко распространенный, и не замысловатый, состоит в многоразовом использовании уже полученных ранее научно-технических результатов. Тогда, при достижении определенного порога их накопления в проектируемом изделии появляются новые свойства. Это явление получило название перехода количественных накоплений в новое качество. Причем, обратим внимание на то, что возникшие свойства рассматриваемого изделия, не являются аддитивной суммой свойств исходного накапливаемого материала. Явление, вызывающее новое свойство в изделии, приобретает, настолько, необъяснимый характер, настолько, неразрешимую проблему при попытках раскрытия ее сущности, что его очень часто стали относить к нематериальным проявлениям природы, порожденным мировоззрением идеализма. Та часть работников науки, которая свой труд пытается строить на материалистическом базисе, в двадцатых годах прошлого столетия, это необычное явление назвала появившемся, т.е. эмерджентным. После чего, странная загадочность природы, в их понимании, исчезла. Иными словами, обозначив появившееся явление новым словом, а тем более употребляя, при этом, еще и иностранный его перевод (эмерджентный), отмеченные выше работники посчитали, что, рассматриваемая проблема в материалистическом ее разрешении выполнена. Конечно, этот вывод с поиском истины ничего общего не имеет. Ведь, все равно, осталась и остается неразрешенной ПРОБЛЕМА №1 объяснения известнейшего явления в природе перехода количественных накоплений в новое качество.
Кроме накопления вещественных образований в создаваемом новом изделии в процессе развития может иметь место также их раздробление (измельчение), и тогда появляются материальные системы, свойства которых, как и при их интеграции, обладают качествами, не нашедшими в современной науке объяснения. Более того, это явление в научной среде познания природы, даже, не стоит в предмете исследований любой науки. А ведь, процесс уменьшения материальной субстанции, также, как и при ее увеличении (интеграции) в трехмерном пространстве и во времени, не передает ее свойства полученной измельченной частице. То есть, качества порожденного вещества не следуют из свойств материальной субстанции, которая измельчается. Их, просто относят к материальным образованиям, характеризуемым своими объемами и энергетическим «наполнением» планковских размеров. В этом случае возникает аналогичная ситуация, когда уместно воспользоваться словом эмерджентное. Иными словами, на повестке дня сегодня стоит ПРОБЛЕМА №2 объяснения свойств, появившихся в природе частиц, в результате раздробления (измельчения) материальной субстанции в ограниченном объеме и времени. Следует заметить, что разрешение этой проблемы имеет не менее важное значении для научно-технического прогресса, нежели разрешение аналогичной проблемы, но при накоплении материальной субстанции. Особенно, ее разрешение актуально в ВТ, когда разработчики средства обработки информации пытаются создать аппаратуру все меньших и меньших размеров.
Опыт научно-технического прогресса показал, что создание изделия нового поколения в любой отрасли, в том числе и в развитии ВТ, должно сопровождаться разрешением проблем. Известно, что в научной работе, кроме этого вида поиска истины, имеют место еще и решения задач. Тогда, чтобы сосредоточить внимание ученого на проблеме, а не на задаче, требуется установить их разницу между собой. Известно, что решение последней существенно проще, нежели, разрешение проблемы [1], и это объясняется тем, что для задачи, в той отрасли, которую она представляет (физика, химия, кибернетика и т.п.) необходимые знания уже имеются. Приведем пример из развития ЭВМ, в котором, весьма часто, применяется повторное использование полученных ранее результатов ВТ. Так, в процессе освоения физики электромагнитных явлений создавались все новые и новые варианты элементной базы машин, которые обеспечивали рост их быстродействия, а также уменьшали размеры и потребляемую мощность электроэнергии. Если в первых электронных средствах использовалось одно устройство, реализующее арифметические операции над парой действительных чисел, так называемое арифметическое устройство, то такую машину стали относить к однопроцессорной ЭВМ. По мере освоения информации из физики, особенно в области электроники полупроводников, удалось создавать изделия, содержащие несколько указанных арифметических устройств, и это привело к повышению их быстродействия. Тогда такие изделия стали относить уже к многопроцессорным ЭВМ. Несложно заметить, что для их создания, в распоряжении специалистов было достаточно знаний, которые «перекочевали» из физики в раздел кибернетики, обозначенный вычислительной техникой. Иными словами, при переходе от однопроцессорных ЭВМ к многопроцессорным, их проектировщикам вполне достаточно было решать задачи, а не проблемы. Это классический пример решения задач в развитии ВТ, и упреждая дальнейшее изложение материала, показывает, что при этом, не появились вычислительное средства нового поколения.
Как было уже отмечено, для решения задач в конкретной отрасли науки вполне достаточно знаний, а вот, что касается проблемы, то в ней, наоборот, необходимые знания отсутствуют, и тогда приходится «заглянуть» в «соседнюю» фундаментальную науку, из которой извлечь недостающую информацию для ее разрешения. Особо подчеркнем, что поиск такой «соседней» науки и отыскание в ней востребованной конкретным научно-техническим развитием информации представляет собой тоже ПРОБЛЕМУ, и, причем, не одну. Их перечень можно упорядочивать таким образом, чтобы впереди номера конкретной проблемы стояла буква, обозначающая соответствующую фундаментальную науку. Например, для физики номер должен начинается с Ф№ . . ., а для химии с Х№ . . . и т.п. Конкретный пример такой нумерации будет использован в настоящей статье при исследовании развития ВТ.
При создании материальных средств нового поколения разрешение проблем не ограничивается объяснением того, как влияет на новое изделие увеличение, либо уменьшение уровня использования уже известных научно-технических достижений, т.е. разрешение ПРОБЛЕМЫ №1 и ПРОБЛЕМЫ №2. Весьма часто, приходится разбираться во влиянии на создаваемое изделие взаимосвязи двух, а то и большего числа, участвующих в накоплении разновидностей аппаратурных решений, а также информационных технологий, по которым оно должно работать. Если изменения уровней, указанных аппаратурных и информационных накоплений, различны, то в рассматриваемом развитии может возникнуть ПРОБЛЕМА их согласования, которую обозначим под №3.
Покажем указанную выше ситуацию на примере создания ЭВМ нового поколения. Известно, что в середине двадцатого века человечество столкнулось с острой потребностью в быстрых и точных расчетах, которые, на используемых в то время вычислительных средствах, практически, нельзя было получить. Дело в том, что в них числовая обработка, прежде всего, тормозилась медленными механическими операциями. Ведь, требуемые расчеты влекли за собой значительный рост количества, используемых механических калькуляторов, непомерное увеличение ручного труда для подготовки исходных данных и реализации самого процесса вычислений. По своей сути, дальнейшее применение стандартной, на то время техники вычислений, для обеспечения научно-технического прогресса, было существенно недостаточным. Таким образом, возникла проблема в поиске аппаратурного и алгоритмического базиса для создания принципиально новых вычислительных средств, в которых рассмотренные выше трудности были бы устранены. Сам этот процесс в развитии ВТ, и есть переход от одного поколения вычислительных машин к более новому - прогрессивному. То есть, в изделии нового поколения должна устранится тупиковая ситуация, сложившаяся в старом, согласно которой с ростом количества используемой аппаратуры практически не ощущаются желаемые удобства: повышение производительности вычислительного средства, упрощение алгоритма общения пользователя с ним.
Чтобы увеличить скорость выполнения операций над числами потребовалось ученым «заглянуть» в физику электричества и магнетизма, и приступить к разрешению ПРОБЛЕМЫ Ф№1 для создания более быстродействующей элементной базы уже принципиально новой электронной аппаратуры средств ВТ. Одновременно с этим, аналогичным образом, пришлось обратится и к математике в поисках абстрактных знаний, позволивших разработать новую машинную технологию манипулирования с числовой информацией в самых минимальных ее единицах – битах. Это открытие в вычислительном машиностроении в различных кругах научно-технического общества было оценено не сразу. Известно, что впервые в Советском Союзе, в Киеве, одновременно с американскими учеными, в 1950 году была создана универсальная ЭВМ – Малая Электронная Счетная Машина (МЭСМ). Если на подобную работу в Соединенных Штатах Америки были привлечены 13 основных исполнителей, 200 техников и большое количество рабочих, то в Киеве, вместе с главным конструктором МЭСМ Сергеем Алексеевичем Лебедевым, в течении двух лет ее создания, принимало участие 12 человек, которым помогали 15 техников и монтажников. Особо обратим внимание на то, что в первой электронной МЭСМ скорость выполнения арифметических операций настолько была убыстрена, что многие вычислительные задачи, которые не могли быть разрешены на механических калькуляторах, в ней легко решались. Эта особенность МЭСМ ставит ее на первое место в последовательности поколений электронных вычислительных машин.
После сборки и отладки МЭСМ С.А. Лебедев перебрался в Москву для разработки уже Большой Электронной Вычислительной Машины (БЭСМ), а киевский коллектив разработчиков приступил к созданию Специализированной Электронной Счетной Машины (СЭСМ). Ее главным конструктором стал Зиновий Львович Рабинович - бывший заместитель С.А. Лебедева. Оказывается, при разработке МЭСМ удалось обнаружить, что для практических целей ее универсальность излишняя. Достаточно обеспечить в ней выполнение ограниченного круга операций, которые превалировали в вычислительных алгоритмах, предназначенных для решения на то время актуальных задач, и тогда проектирование и изготовление такой машины будет существенно упрощено и удешевлено. То есть, практически, вместо универсальной машины следует строить специализированную машину. Исследования показали, что в ней, в качестве машинных, достаточно остановится, всего лишь, на операциях над матрицами и векторами. Однако, создать такую специализированную машину в Киеве не удалось. Причину тому следует установить историкам. В нашем же случае стоит задача определить перспективность идеи организации вычислительного процесса в специальных операциях, которые были предусмотрены в СЭСМ.
З.Л. Рабинович, после организации в Киеве Виктор Михайловичем Глушковым института кибернетики, перебрался в него в качестве заведующего отделом, где продолжал поиски вариантов внутренней (машинной) математики, позволившей, при ее реализации, повысить и быстродействие, и эффективность вновь создаваемых ЭВМ. То есть, если первая в мире МЭСМ в качестве своей внутренней машинной технологии обработки информации использовала арифметику действительных чисел, представленных в двоичной системе счисления, и таким образом являла собой ПЕРВОЕ поколение ЭВМ, то коллектив отдела З.Л. Рабиновича стремился предложить конструкторам новую машинную информационную технологию уже для последующих (второго, третьего и т.д.) поколений машин.
Особо подчеркнем, что такой круг поиска машинных технологий в институте кибернетики был и есть очень важной составляющей предмета исследований науки кибернетики. Приведенное выше утверждение отражает центральную часть того, чем должна заниматься эта наука двадцатого века [2]. Оно, особенно, актуально на современном этапе развития, когда со стороны разработчиков перспективных средств ВТ постоянно исходят требования новой информационной технологии, которая органически была бы согласована с аппаратурой, использующей элементную базу нано-уровня существования материи. В работе [2], по-новому, обосновывается предмет исследований кибернетики, центральная часть которого отводится информационной технологии, заложенной природой в естественный интеллект, и которую целесообразно использовать при создании средств обработки информации нового поколения. Такое обоснование предмета исследований фундаментальной естественной науки кибернетики следует из известного способа формулирования предмета исследований всех фундаментальных естественных наук, которые положены человечеством в основу познания природы. А именно, в [2] открыт всеобщий ЗАКОН №1 ПРИРОДЫ, который отражает структуру распределения материи в пространстве и во времени, характерные формы которой отведены в качестве предметов исследований для основных фундаментальных наук. В их качестве выступают: физика, химия, ботаника, биология, а также фундаментальная наука ответственная за познание формы материи, в которой природой размещен естественный интеллект. С точки зрения автора статьи [2] в качестве такой науки должна выступать КИБЕРНЕТИКА.
В настоящей работе употребляются такие понятия, как физика, химия, ботаника, биология, кибернетика, а также математика. В языке современной научной сферы эти понятия имеют различное значение. Чтобы содержание настоящей статьи однозначно рассматривалось попробуем уточнить их в соответствии с естественной наукой, которой посвящена работа. Действительно, сегодня в научных кругах физика, химия, кибернетика, и т.п. считаются точными науками [3]. В тоже время, известно, что, в качестве исходной исследуемой в них информации, выступают результаты измерений живыми организмами и не живыми приборами, точность измерения в которых далека от истины. В результате и науки, отнесенные к точным в [3], не могут быть точными. Среди научных работников распространено мнение, что математика и кибернетика являются формальными науками [4]. Во-первых, кибернетика предназначена для познания в природе такой формы существования материи, как естественный интеллект, и по этой причине, далеко, не является, какой-то там, формальной, а принадлежит к разряду естественных наук [2]. В процессе познания исследователю приходится иметь дело с далеко не точными данными, и эта их особенность, очень часто, препятствует раскрытию тайны природы. Тогда, приходится абстрагироваться от неточных исходных данных, и проводить исследования над информацией, недостаточно отражающую истину. Такие данные принято относить к абстрактным, а научный аппарат, в котором они исследуются абстрактной наукой математикой. Поскольку этот аппарат включат в себя довольно широкий круг данных, взаимосвязь между которыми не всегда одинаковая, то математику относят к фундаментальной науке, объединяющей другие абстрактные формы исследований, а именно логические, статистические, вероятностные, и т.п. Еще раз подчеркнем, физика и кибернетика в настоящей работе рассматриваются как фундаментальные естественные науки, а математика, как абстрактная фундаментальная наука.
И снова «вернемся» в отдел З.Л. Рабиновича института кибернетики (г. Киев), в котором продолжались фундаментальные работы по развитию вычислительного машиностроения, начатые С.А. Лебедевым и его коллективом, еще при разработке МЭСМ, в области реализации специализированных матричных операций, которые должны были использованы в будущей, но не созданной СЭСМ. Если МЭСМ представляла собой первое поколение электронных средств ВТ, то в этом же отделе З.Л. Рабиновича вначале восьмидесятых годов прошлого столетия под научным руководством академика В.М. Глушкова была разработана принципиально новая информационная машинная технология, уже второго поколения вычислительных машин [5]. Эта технология появилась в результате использования математического аппарата алгебр, с помощью которого доказано, что проектируемая в свое время СЭСМ является, по своим функциональным возможностям, универсальной вычислительной машиной. То есть, ее набор машинных операций позволял решать все задачи, предназначенные для МЭСМ. И таким аппаратом в математике оказалось регулярное матричное представление. По существу, этот аппарат позволил, с одной стороны, выполнить постановку фундаментальной ПРОБЛЕМЫ №3 развития ВТ, и, с другой, ее разрешить. И таким образом предложить машинную алгебру для создания ЭВМ второго поколения.
Попытаемся, более подробно показать разрешение этой проблемы. Напомним, ее постановка обращает внимание на противоречие, имеющее место в течении развития рассматриваемой отрасли науки, между увеличением количества используемой аппаратуры в вычислительном средстве и отсутствием адекватного ему накопления количества информации в единицах, посредством которых описана технология обработки в нем. Иными словами, если аппаратура в многопроцессорной системе составлена из микросхем с высоким уровнем интеграции полупроводников, то программа, выполняемая в ней, по-прежнему, представлена в самых минимальных информационных единицах – битах. Таким образом, разрешение рассматриваемой проблемы требует в процессе развитии ВТ устранить указанное выше противоречие. Логика исследований в таком случае подсказывает найти единицу измерения информации, в элементах которых вычислительный процесс в создаваемой машине не усложнялся бы, а, наоборот, упрощался.
Как уже отмечалось в математике для исследования различных числовых совокупностей создан раздел алгебр, в котором они объединяются, посредством операций над ними, в различные числовые множества, обозначаемые алгебрами. Например, в одном случае, множество числовых векторов, с помощью специальных операций, объединяется в алгебру полиномов, а, в другом, уже с помощью других операций, в алгебру рядов Фурье. Аналогичным образом образуются и другие алгебры векторов, составленных из чисел. Например, алгебры действительных и комплексных чисел, алгебра кватернионов, различные алгебры гиперкомплексных чисел, сформированные по процедуре удвоения Кэли-Диксона, и, наконец, сама алгебра матриц. Если эти алгебры подчинены свойствам линейности, ассоциативности, и универсальности, то они имеют регулярное матричное представление. То есть, могут быть представлены в матричном виде и, тогда, такое представление подчиняется операциям алгебры матриц. Указанная особенность таких алгебр, позволяет наглядно исследовать их в матричном виде, в том числе, и в вычислительной машине, команды которой соответствуют операциям алгебры матриц. Особенно, это перспективно для алгоритмов обработки информации в элементах той, либо иной алгебры, не обязательно матричной. Ведь, в этом случае, исходные данные, предназначенные для вычисления в нематричной форме на входе в матричную машину преобразуются в матричные операнды, и дальнейшее выполнение алгоритма над ними осуществляется в матричных командах. Такой способ обработки информации существенно упрощается в предлагаемой матричной машине, и его эффективность зависит от порядка матриц, которым обеспечивается свойства машинных. Приведенный выше прием представления различных алгебр в матричном виде позволяет задавать любой числовой алгоритм, для его реализации в предложенной выше «матричной» машине. Иными словами, алгоритмы вне машины могут быть заданы в сложных структурах данных, т.е. более крупных данных нежели бит. Иными словами, в предложенной машинной матричной технологии, заложено увеличение количества информации в ее единицах, с помощью которых она реализуется. Таким образом, приведенный выше прием разрешает проблему №3, и позволяет создавать ЭВМ следующего второго поколения, элементная база которого реализована в микросхемах. Еще раз подчеркнем, что в такой машине рост аппаратурных решений не ограничивается возможностями представлением в ней программы решения задач. Приведенная выше матричная машина в ходе развития ВТ не была создана, а ведь ее аппаратурные и алгоритмические особенности были предложены В.М. Глушковым и автором настоящей статьи еще в 1981 году. Однако, несмотря на это, актуальность реализации матричной машины на современном этапе развития не снижается.
Кроме того, следует обратить внимание еще и на то, что сегодня в развитии элементной базы физика «предлагает» знания существования материи на нано-уровне. И, тогда, появляются новые возможности в создании средств обработки информации за счет использования уже иной машинной обработки информации, которая должна «органически» быть связана с возможностями дальнейшего измельчения элементов аппаратуры. Судя по всему, эту технологию следует искать в существовании материи в виде естественного интеллекта и не обязательно того, который присущ человеку.
Подводя итоги настоящей статьи, обратим внимание на то, что в ней раскрыты секреты развития ЭВМ по поколениям. А именно показано, что одно поколение машин отличается от последующего, кроме использования совершенно новой элементной базы, также и новой технологией, положенной во внутреннюю обработку информации создаваемой машины. Такая технология должна максимально быть приспособлена к особенностям новой аппаратуры. Выполнена постановка и разрешение проблемы создания машины второго поколения ЭВМ, т.е. предложены направления создания аппаратуры и согласованной технологии обработки информации в ней. Сформулированы важнейшие проблемы перед физикой в области разрешения перехода количественного накопления, полученных ранее результатов, в новое качество создаваемого изделия. А также проблемы, которая возникает в аналогичном случае, но только при раздроблении матеиальной субстанции. Сформулированы проблемы, имеющие место при поисках распределения материи для нахождения новой элементной базы средств обработки информации.
Литература.
1. Вышинский В.А. Проблемы в научных исследованиях. Sciences of Europe №67 (2021).
2. Вышинский В.А. О предмете исследований кибернетики. №74 (2021).
3. Ярлин А.А. "Золушка" становится принцессой, или место биологии в физике. "Экология и жизнь" №12 (2008).
4. htt://Secureur.ukr.net/linkfilter/gk08Efw.
5. Вышинский В.А. Рабинович З.Л. О создании высокопроизводительных ЭВМ, работающих в алгебре матриц. Автоматика - 1983. - С. 80-84.