О современном этапе развития средств обработки информации

Исследуя окружающую среду, необходимо учитывать то, что любое ее состояние во времени и пространстве подчинено законам природы. Это имеет большое значение в  естествознании и когда инженера интересует природа сил, разрушающих летательный аппарат, движущийся со сверхзвуковой скоростью, и агрария познающего причину появления в початках кукурузы золота, которого в почве нет.

В докладе будут затронуты  закономерности, сопровождающие процесс создания компьютеров  разных поколений – от самых первых электронно-вычислительных машин к более совершенным средствам обработки информации, включая современные суперкомпьютеры. На эти закономерности стали обращать внимание, прежде всего, те из разработчиков компьютеров, которые отвечают за аппаратурную их поддержку. Ведь современная наука связывает дальнейшее продвижение в компьютерном машиностроении только с развитием ее элементной базы. Так появился закон Гордона Мура, одного из руководителей компании Интел, которая всегда занимала ведущее место в разработке новой элементной базы будущих компьютеров. Именно им, в этой фирме было замечено, что количество транзисторов, на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года. Чуть позже возникла новая его редакция, в которой время такого удвоения сокращено до полутора лет и, по мнению Давида Хауса, из той же компании Интел,  производительность  процессоров должна вырасти в два раза. Эта особенность обуславливается не только увеличением количества  транзисторов в чипе, но и повышением их частоты срабатывания. По тому, что интеграция приводит к уменьшению размеров активных и пассивных элементов, размещенных в схеме обработки информации, неизбежно увеличивающих частоту их переключения. Правда, уже через несколько лет закон Мура потребовал некоторой корректировки, так как рост производительности уже не был таким стремительным. А из этого следует, что с открытым законом, что-то не все ладно, поскольку правильно сформулированный закон не требует никакой корректировки. Кроме того, оказалось, что реализуемая интеграция транзисторов в одном элементе аппаратуры компьютера, влияет, также, и на другие его параметры, в частности, сокращается стоимость формирования транзистора в микросхеме, увеличивается объем памяти.

Исследуемый процесс в создании компьютеров отображает явление, которое идентифицируется с понятием развития, которое присуще только кибернетическим системам, и состоит оно из этапов движения физических систем неживой материи. Первое такое движение начинается с физического накопления количества транзисторов на кристалле микросхемы, производимого на технологической линейке завода. Функция, отражающая рост производительности полученной микросхемы, в этом случае, зависящая от количества в ней транзисторов, имеет характерные три участка. В первом из них она отражает экспоненциальную зависимость, при которой наблюдается резкий ее подъем. Затем, на втором участке функция плавно переходит в линейный рост, и, по мере накопления количества транзисторов, уступает очень слабому подъему (третий участок) производительности, переходящему в константу,  которая уже отражает остановку желаемого увеличения  производительности. Дальнейшее развитие компьютерной техники, по мнению ее разработчиков, требует новой технологической линейки на заводе, для создания которой уже нужны новые исследования в физике элементной базы, приводящие и к новому скачку в развитии. Отметим, что на выполнение этого скачка   способна уже не просто материальная система, а ее кибернетический вариант,  которым на заводе выступает коллектив разработчиков в области элементной базы.

Таким образом, рассматриваемая функция развития представляет собой, выстроенную во времени совокупность линейных участков функций интеграции транзисторов формируемых на технологических линейках. Их соединение в общую функцию развития реализуется той же кибернетической системой, представляющей научный коллектив завода. Поскольку, при этом используются участки функций интеграции транзисторов, которые являются  линейными, то тогда и общая функция развития окажется тоже  линейной.

Заметим, что процесс непрерывного повышения производительности в компьютерах основанный на интеграции транзисторов в чипе имеет существенные ограничения. Дело в том, что простое (аддитивное) накопление количества транзисторов в пространстве кристалла может привести к таким физическим ограничениям, после которых, реализация информационной технологии в чипе становится уже не возможной. Дело в том, что уменьшение размеров элементов, из которых формируется средство обработки информации на кристалле, влечет за собой и уменьшение энергетических расходов на манипуляцию с ними. Тогда, эти расходы становятся соизмеримыми с энергетическим шумом, и выделение рабочей информации из него становится трудноразрешимой проблемой. Именно эта проблема и составляет тупик в развитии компьютерной техники, и объясняет высказывание современных ее разработчиков, что закон Мура в скором времени прекратит свое существование. И это понятно, ведь он является лишь частью закона развития вычислительной техники, и не включает в себя ту его часть, которая отвечает за развитие информационной технологии в компьютере.

В связи с этим, следует напомнить содержание закона природы, согласно которому  переход от одного поколения средств обработки информации, к новому поколению с более совершенными параметрами, сопровождается, с одной стороны, укрупнением единиц обрабатываемой информации, и с другой, усложнением операций (машинных команд). В качестве примера такого укрупнения операндов и усложнения машинных команд может служить реализация в машине языка высокого уровня, в котором вместо операций машинной арифметики, применяемой сегодня, и изобретенной еще в пятидесятые годы прошлого столетия, используются операции и элементы любых ассоциативных алгебр. В научной литературе содержание этого закона опубликовано еще в восьмидесятые годы прошлого столетия. Однако он не взят на вооружение, в результате чего в компьютерной технике, по-прежнему, используется машинная арифметика, точно так, как это имело место на заре развития компьютерного машиностроения. Это пренебрежение законом развития и привело к длительному застою в рассматриваемой области человеческой деятельности.

Указанный застой является существенным тормозом в создании современными техническими средствами интеллекта приближенного к естественному интеллекту живой природы.  Ведь известно, что живая материя обрабатывает информацию в числах только на вербальном уровне мышления человека, а для остальных потребностей своего существования проводит обработку информации в единицах отличных от, искусственно изобретенных, битов и байтов. Кроме того, для моделирования человеческого интеллекта требуется решение проблемы, отвечающей за основное отличие живой от неживой материи, а также ответа на вопрос, что же поддерживает в живой природе это отличие. Сегодня разрешением указанной проблемы заняты многие и в научной литературе положительных результатов пока нет. Известно, что основным признаком живого является то, что в нем  производится обработка информации, которой, для неживых материальных систем, не требуется. Для естественного интеллекта это отличие находится в таком свойстве живой материи как сознание, которым не обладает неживая природа. Что такое сознание, какое состояние материи оно отображает и есть существенной проблемой.

Наши исследования показали, что разрешение рассматриваемой проблемы следует искать в познании существования материи на уровне молекул и атомов, т.е. физики вещества на нано уровне. Анализ показывает, что сегодня физика не в состоянии удовлетворить нужными в этой области знаниями специалистов, ведущих поиски информационных технологий, хотя бы похожих на технологии, которыми «владеет» природа в живой материи. Справедливость этого утверждения «усиливается», известным следствием из закона кибернетики о том, что одинаковые условия внешней среды в своем развитии приводят различные кибернетические системы к одинаковым экземплярам.  Действительно, если бы мы обладали знаниями о живой материи, адекватные природе, то не составляло бы особого труда в процессе познания повторить «подвиг» природы в создании естественного интеллекта, чего сегодня мы не наблюдаем.

Таким образом, для разрешения основной проблемы, появившейся на современном этапе развития компьютерного машиностроения, да и кибернетики в целом, стоит крайняя потребность в получении знаний о существовании материи на нано уровне. Кроме того, пользуясь этими знаниями, необходимо разработать технологию обработки информации пригодную для ее реализации в аппаратуре этого уровня.

В.А. Вышинский, А.Ю. Кононенко, А.В. Слепец

Материалы VIII Всеукраинской научно-практической конференции «Глушковские чтения»

 

Киев 29.11.2019 

Работает на Drupal, система с открытым исходным кодом.