МАШИННАЯ АРИФМЕТИКА – ТОРМОЗ В РАЗВИТИИ COMPUTER SCIENCE

Разделы
В.А. Вишинський, До сторіччя з дня народження В.М. Глушкова

В развитии компьютерного машиностроения уже давно наступил кризис. В современной Computer science не «просматривается» альтернатива машинной информационной технологии в операциях над действительными числами, предложенной еще пионерами вычислительной техники в пятидесятых годах двадцатого столетия. Этот тормоз в развитии наметился уже при осваивании микроэлектронной элементной базы в компьютерном машиностроении. В результате, со временем, появился дисбаланс между стоимостью аппаратурных затрат на создание компьютерной системы и стоимостью соответствующего ей программного обеспечения. Особенно это несоответствие  проявляется, когда активно стала возникать необходимость в создании искусственного интеллекта. В статье исследуется эта проблема и намечены пути ее решения.

1. Введение

Многолетняя практика использования компьютерных средств позволила создать большое множество информационных технологий, которые, как правило, представлены программами, записанными в том или ином, так называемом, внешнем языке пользователя. Для выполнения их в компьютере предусмотрены специальные средства, транслирующие на внутренний машинный язык, который уже окончательно реализует нужную информационную технологию непосредственно в аппаратуре, т.е. в машинных командах. Операционный базис этого внутреннего языка использует, только, арифметические действия над данными-числами. Иными словами, любая программа, предусмотренная сегодня для реализации на компьютере, в конечном итоге, сводится к арифметике над числами, т.е. так как это имело место в первых вычислительных машинах начала пятидесятых годов прошлого столетия.

Такая ситуация с созданием средств вычислительной техники (ВТ) на первых порах автоматизации умственного труда с помощью электроники вполне оправдана, однако, на современном этапе развития компьютерного строения недопустима. Дело в том, что за последние семьдесят лет количество задач, возлагаемых на «плечи» компьютера, существенно увеличилось, а значит, и возрос программный продукт. Следует заметить, что при создании нового компьютера удельный вес стоимости программного обеспечения существенно превышает его затраты на саму аппаратуру. Одновременно с этим, значительно выросли требования к скорости, точности, потребляемой мощности и надежности вычислений в числах, которые пользователь пытается осуществить на современных компьютерах. 

Кроме того, с каждым днем возрастает потребность в повторении на таких компьютерах обработки информации, присущей живой природе. В данном случае речь идет о создании естественного интеллекта, элементы которого современные исследования наблюдают не только у человека, но и у всего живого на Земле. Необходимо заметить, что научное сообщество пытается повторить этот подвиг природы, но только с помощью преобразований  над обычными действительными числами, игнорируя, при этом то, что естественный интеллект не опирается на числовую обработку. В нем используется понятие числа только на вербальном уровне, т.е. когда к информационной обработке у человека подключается его язык. 

Таким образом, на современном этапе развития кибернетики формируется проблема понимания того, какую информационную технологию использует природа в живой форме существования материи и как ее практически реализовать на современных технологических возможностях. Исследованию этой проблемы и путей ее разрешения посвящена настоящая работа.

2. Влияние элементной базы на ход развития машиностроения компьютеров 

Еще в семидесятых годах прошлого столетия известный кибернетик академик В.М. Глушков обратил внимание на то, что с появлением собственной микроэлектронной элементной базы в информационных технологиях, на которой создаются электронные вычислительные машины (ЭВМ), должны произойти существенные изменения. Ведь, до появления микроэлектроники в компьютерных средствах использовалась не присущая ВТ элементная база, которая позаимствована у радиотехники, и это не было лучшим вариантом ее заимствования. Напомним, что по требованиям радиотехники вольтамперная характеристика активного электронного элемента в ее аппаратуре должна быть пологой, и желательно соответствовать линейной функции. Это требование необходимо для эффективного усиления аналогового электрического сигнала, который является основным носителем информации в радиотрансляции. Для работы электрических схем в ВТ, наоборот, такие активные элементы должны иметь вольтамперную характеристику, как можно ближе к «крутой» кривой, т.е. ее функция на рабочем участке перехода схемы из одного состояния в другое имела бы минимальную задержку – этот участок графика у нее должен быть параллельным оси ординат. Выполнение этого требования  приводит к увеличению частоты срабатывания аппаратуры, что, в конечном итоге, повышает быстродействие вычислительного процесса так необходимого для решения больших и сложных задач современного пользователя. Иными словами, налицо, противоположные требования к элементной базе, которая уже имелась у первых конструкторов ЭВМ, со стороны радиоаппаратуры и аппаратуры компьютера. 

С приходом микроэлектронной элементной базы этот недостаток для компьютерщиков был устранен – удалось активные  элементы электрической схемы, в микроэлектронном исполнении, производить с вольтамперной характеристикой, удовлетворяющей требованиям ВТ. Так у компьютеров появилась собственная элементная база, и теперь уже нет нужды радиотехнические элементы подстраивать к неприсущим им условиям применения. Более того, микроэлектронные технологии успешно поддаются автоматизации, и это, со временем, существенно повлияло на стоимость микросхем, а также кардинально изменило их плотность в компьютерном изделии. Эта особенность микроэлектронной элементной базы привела к качественному скачку в компьютерном машиностроении, который предоставил разработчикам, кроме положительного эффекта, еще и отрицательные стороны, как в проектировании, так и в эксплуатации новых машин.  Дело в том, что в предлагаемой микроэлектронной аппаратуре компьютера закладывалась и закладывается в настоящее время технология обработки информации в числах, т.е. так как это имело место вначале развития электронных вычислительных машин (ЭВМ). 

Иными словами, если в технологии создания компьютера имеют место интеграционные процессы в аппаратуре, то в технологии обработки информации в ней аналогичной интеграции не наблюдается. Это противоречие в создании и эксплуатации компьютера служит большим тормозом в развитии компьютерного строения. В данном случае с увеличением аппаратурных затрат, которые не составляют существенных трудностей, значительно растет сложность, объем и стоимость программного обеспечения создаваемого компьютера. Заметим, что эта стоимость в общих затратах на компьютерную систему превышает 90%. Таким образом, в производстве компьютеров появилось противоречие между двумя типами технологий – изготовление самой аппаратуры компьютера и его программного обеспечения. 

Известно, что если для решения задачи в любой дисциплине достаточно воспользоваться, имеющимися только в ней знаниями, то для разрешения в проблемы этих знаний уже не достаточно, и следует обратиться  к знаниям других дисциплин. Еще раз подчеркнем, что появление проблемы отражает потребность разрешения противоречия, которое возникает в обычном развитии той либо иной отрасли человеческой деятельности. В нашем случае такое противоречие имеет место между интеграционными процессами, в технологии аппаратурной реализации компьютеров, и отсутствием аналогичного интеграционного процесса в программном их обеспечении. Следуя такому подходу в решении проблемы в Computer science, В.М. Глушков создал в своем институте кибернетики, которым он руководил, специальное подразделение, обеспечив его сотрудниками трех дисциплин – специалистов в области: математики, физики (элементная база) и алгоритмистов в области структур ЭВМ. Вскоре в этом подразделении, порученная ему проблема, была разрешена в виде информационной технологии, в которой в качестве операндов (данных) выступают элементы ассоциативных алгебр, а машинных команд операции над ними. Кроме того, для организации процесса обработки информации в такой технологии предложена матрично-алгебраическая универсальная алгоритмическая система [1,2]. Несмотря на неоспоримый рост стоимости программного обеспечения и существенно замедлившийся расширения перечня решаемых задач на таких традиционных (числовых) компьютерах, внедрение в компьютерное производство идей матрично-алгебраических технологий не произошло. По видимому причиной тому было то, что производство и использование компьютерных средств (аппаратура и программное обеспечение) практически во все времена находились и находятся в таком привилегированном положении, что любые предложения в этой отрасли, несмотря на их стоимость, беспрекословно принимались. Однако в последние годы, активно стали подыматься вопросы создания искусственного интеллекта, которые на тех же числовых информационных технологиях «почему-то» (и известно почему) не находит своего эффективного решения. Попытаемся найти такие технологии, которые наиболее адекватны природе.

3. Информационные технологии, приближенные к естественным  живым процессам 

Как всегда, когда возникают трудности в разрешении проблемы, исследователь ищет тот аналог ее решения, который зарекомендовал себя очень давно. Уже отмечалось, что информационная технология, которую, желательно было бы использовать в качестве аналога, присутствует в живой природе. Она должна содержать в себе, с одной стороны, способ представления информации, и с другой, опираться на  универсальную алгоритмическую систему, по которой в этой технологии происходит ее переработка. Наверное, прежде чем, решать ту половину рассматриваемой нами проблемы, которая касается представления информации, целесообразно еще раз обратится к разнообразию ее понимания, которое на сегодня удосужилась предоставить нам Computer science. В работах [3,4] более подробно было исследовано это разнообразие, и среди большого множества понятий «что такое информация» было обращено внимание на то, как его представлял, уже упоминаемый нами гениальный В.М. Глушков. 

Не искажая содержания в понимании информации, в его определение внесем некоторую коррекцию,  которая, с нашей точки зрения, более адекватно природе отображает ее сущность. Если у В.М. Глушкова под информацией понимается «мера неоднородности распределения материи и энергии в пространстве и во времени» [3], то без потери этого содержания можно записать только: «Информация есть мера неоднородности распределения материи». Правомочность такой коррекции обусловлена тем, что энергия не является субстанцией в природе наравне с материей, а является всего лишь ее характеристикой, а что касается пространства и времени, то материя, с нашей точки зрения, не может существовать вне этих четырех измерений. По этому слова «и энергии в пространстве и во времени» можно «безобидно» опустить. 

Теперь остановимся на перспективности приведенного выше понятия информации. Дело в том, что в таком определении обращается внимание на характеристике материи отслеживающей неоднородность ее распределения, которую непременно следует измерять в соответствующих информационных единицах. Если исходить из того, что, интересующая нас технология обработки информации находится в живой природе, начало которой имеет место на нано уровне существования материи, то самые минимальные информационные единицы, используемые живой природой, следует искать именно на этом уровне. Понятно, что тогда для практического использования не подходят те единицы информации, которые соизмеримы с традиционным битом.  

Итак, если исходить из упомянутой выше неоднородности, то следует напомнить, что она сопровождает и такое понятие как вещество. В природе оно характеризуется тоже неоднородностью распределения материи, и регистрируется информацией о нем. Иными словами, проблема, заключающаяся в понимании того, что такое вещество в физике пересекается с проблемой, что такое информация в кибернетике.  В этом месте нашего изложения целесообразно обратить внимание на то, что вещество является одной из форм существования материи. Если материя, в своем измельчении, простирается в сторону бесконечно малых величин, то та форма, которую она представляет в виде вещества, начинается с конечных материальных структур, которые мы вправе использовать, не только, как элементарные частицы вещества, но и как минимальные единицы информации о нем.

Таким образом, возникает проблема поиска минимальной единицы информации в виде неоднородности распределения материи, которая совпадает с проблемой в физике поиска элементарной частицы вещества. В этом месте следует подчеркнуть, что речь идет не об элементарной частице материи, а об элементарной частице вещества, которая по количеству материального содержимого значительно крупнее и поиск ее имеет  практическую целесообразность. 

Продолжая дальнейшие наши рассуждения, выскажем гипотезу о том, что вакуум является невещественной формой существования материи. Правдивость этой гипотезы подробно рассмотрена в [5], в которой элементарная частица вакуума представлена в виде волчка, наполненного вращательным движением материальной субстанции. В своем  вакуумном соприкосновении такие элементарные частицы, взаимодействуя друг с другом, останавливаются, во вращении, в определенной координате пространства, тем самым, создавая упругость вакуума. Напомним, в его пространстве элементарные частицы материальной субстанции формируют однородную среду, нарушение которой приводит к появлению в вакууме вещества. Самые элементарные нарушения этой однородности приводят и к самым элементарным частицам вещества, а значит и самым минимальным единицам информации. В [6] рассмотрен закон, обозначенный «Первым началом вещества», частный случай которого совпадает для вакуума с «Эффектом Черенкова-Вавилова». Согласно этому закону в вакууме нарушается однородность за счет совмещения его элементарных частиц материальной субстанции в фиксированной координате пространства и времени. Так появляется фотон первая частица вещества. Следует заметить, что эта частица в отличие от известной модели фотона в физике представляет собой волновое состояние вакуума, аналогично тому, как брошенный камень на поверхность озера вызывает его волнение. В природе это волновое состояние вакуума можно преобразовать в поступательное движение элементарной его частицы путем обрыва колебаний, и тогда появляется движущийся заряд электрического поля, который в 1897 году обнаружили   Э. Вихерт и Дж. Дж. Томсон в виде катодных лучей – электронов. Это природное явление в [6] обозначено законом – «Второе начало вещества». В этой же работе рассмотрены и другие способы обрыва электромагнитных колебаний в фотоне, которые приводят к появлению: позитронов, магнитной массы Зюйд и магнитной массы Норд. Всего в [6] рассмотрены девять элементарных частиц вещества, посредством которых можно построить любой элемент Таблицы Менделеева. В [7,8] приведен пример построения из них атома водорода. 

Итак, в качестве минимальных единиц информации можно воспользоваться, отмеченными выше девятью единицами, которые, как упоминалось, соответствуют тоже девяти элементарным частицам вещества – ведь именно из этих частиц, по нашей модели строятся элементы Таблицы Менделеева. Очень перспективной элементарной частицей  в познании свойств вещества, выступает фотон. Его роль в этом плане изложена в [9,10] и, особенно, полезны исследования, которые направлены на создание модели информационной технологии, используемой природой для существования живой материи. И это, прежде всего, связано с тем, что фотон представляет собой, в «рафинированном виде» волновое состояние вакуума, которое может быть успешно отражено на алгебру рядов Фурье. Перспективность этой алгебры следует связывать с возможностью использовать ее элементы и операции, как основы создания универсальной алгоритмической системы, которую можно положить в основу технологии   обработки информации на нано уровне существования материи.

Особо следует заметить, что перспективность измерения информации в фотонах еще проявляется и в том, что, как доказано в [9,10], эта элементарная единица вещества в природе распространяется в своем «персональном» двумерном пространстве (известная когерентность), что оберегает его от внешних воздействий, связанных с помехами. То есть в рассматриваемом случае отсутствует проблема выделения рабочей информации на фоне помех, которая имеет место в квантовых компьютерах с кубитом.  

4. Выводы

Итак, в настоящей статье предложена модель существования материи, из которой следует, каким образом можно создать информационную технологию для ее реализации на уровне атомов и молекул. Кроме того, предложено использовать для создания средств обработки информации такую минимальную ее единицу, как фотон, и указана перспективность такого выбора в связи с особенностью двигаться этой минимальной частицы вещества в своем персональном пространстве. 



 

Литература