Кибернетическая картина мира

Контрольные вопросы

1. Какие автоматы были построены и использовались в Древнем мире и в средневековье?

2. Какие компьютерные технологии использованы в американском фильме «Аватар»?

3. Как представлял роботов Карел Чапек?

4. Каковы основные законы робототехники по А. Азимову? 5. Каково место роботов в современной жизни?

6. Каков основной сюжет советского фильма «Человек и робот»? 7. Каково соотношение организации среды и сложности робота для кон-

кретного примера?

8. Как использовать роботов на лесозаготовках?

9. Как использовать роботов на машиностроительном предприятии? 10. Как использовать роботов для помощи больным?

11. Как использовать роботов в домашнем хозяйстве? 12. Как использовать роботов на животноводческой ферме? 13. Как использовать роботов для охраны порядка? 14. Как устроена рука человека?

15. Как устроена нога человека?

16. Каковы характеристики зрительного анализатора человека? 17. Каковы характеристики слухового анализатора человека? 18. Каковы приспособительные характеристики человека? 19. Как должен быть экипирован кибернетический боец? 20. Какова система управления беспилотного ЛА?

21. Каковы механические конструкции роботов? 22. Как должен перемещаться робот внутри трубы?

23. Как может помочь робот при диагностике газопроводов? 24. Каковы информационные системы роботов?

25. Как устроен «мозг» роботов?

26. Каковы системы связи человека с роботом? 27. Каковы уровни управления роботами? 28. Каков уровень самостоятельности робота? 29. Как осуществляется энергоснабжение роботов? 30. Каковы особенности биологических мышц? 31. Как можно использовать нанороботы? 32. Каковы адаптационные возможности робота? 33. Как организовать коллективную работу роботов?

201

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 образ робота. В настоящее время миллионы роботов трудятся на различных рабочих местах – от сборки автомобилей до исследования космоса. Основные составные части робота – это, во-первых, движители, с помощью которых осуществляется перемещение робота или его частей; во-вторых, сенсоры, с помощью которых робот получает информацию из окружающей среды; в-третьих, решающие устройства, которые обрабатывают сенсорную информацию, сопоставляют 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 человеку движители – это мышцы и кости скелета, сенсоры – это кожа, зрение, слух, обоняние и вкус, решающая система – это нервная система 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 направление – бионика, в рамках которого ученые изучают биологические структуры и пытаются технически реализовать выявленные принципы. Развитие нанотехники позволит сократить этот разрыв.

Впроцессе развития движители прошли путь от простых рычагов, полипастов, через использование мышечной силы животных, через создание различных гидравлических и пневматических систем, через создание различных электроприводов до нанодвижителей, и эта эволюция заняла тысячи лет.

Впроцессе развития сенсорные системы прошли путь от химических структур, чувствительных ко вкусу и запаху, через развитие тактильных датчиков, через развитие различных слуховых и зрительных анализаторов до наносенсоров. Наибольшее внимание далее уделяется развитию информационно-вычислительных систем, потому что этот путь у нас перед глазами, он был пройден за каких-то 50 лет благодаря усилиям ученых и инженеров различных специальностей.

Вычислительные машины – это системы со структурированной неопределенностью, она может иметь разное физическое воплоще-

202

ние. Имеются примеры реализации вычислительных устройств на пневматических и гидравлических элементах, на аналоговых и цифровых структурах. Недосягаемым для современной техники является устройство и функционирование нервной системы живых существ, слишком плохо мировая наука изучила физикохимические и информационные процессы в биологических структурах, слишком велик технологический разрыв между электроникой и биологическими процессами. Так называемый нейрокомпьютинг – это не более, чем внешняя имитация сложных процессов в нейронных структурах. Наибольшее распространение в настоящее время получили микроэлектронные системы – от мобильных телефонов до суперкомпьютеров, сложилось представление о поколениях 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 настоящей 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 радиолокация, 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 вычислительные машины, где в качестве основных элементов использовались электронные лампы. Они составили первое поколение компьютеров 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, которые позже были объединены в интегральные схемы. Первый коммерчески доступный микропроцессор появился в 1971 г. Это был

203

4-разрядный микропроцессор 14004 фирмы Intel, содержащий на кристалле 2300 транзисторов и работающий с тактовой частотой 0,4МГцспроизводительностью60тыс.оп/с.Втовремяиспользовалась 10-микронная технология изготовления микросхем. В 1984 г. появился 32-разрядный микропроцессор 18386 фирмы Intel, который содержал 275 тыс. транзисторов, работал на частоте 16 МГц с быстродействием до 5,5 млн оп/с. В таких микропроцессорах использовалась технология, позволяющая доводить расстояние между элементами на микросхеме до 1 мкр. К концу 1998 г. наиболее производительные микропроцессоры Pentium II фирмы Intel работали с частотой 450 МГц, содержали около 7,5 млн транзисторов на микросхеме, они изготовлялись по технологии 0,25 мкр. Успехи в физико-химической очистке кристаллов кремния позволили освоить еще более высокие параметры. За последние годы удвоение тактовой частоты и числа транзисторов на кристалле происходило примерно за 2–3 года. Этот показатель называют законом Мура (мистер Мур – бывший президент компании Intel). Дальнейшее увеличение количества элементов на кристалле выявило технологические ограничения – механические и прочностные ограничения на количество выводов из кристалла, встала задача сокращения потока информации из кристалла и в кристалл, что оказалось возможным осуществить только на основе построения самоорганизующихся 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 процесса без критического уменьшения быстродействия.

Разрабатываются объемные интегральные схемы, в которых транзисторы размещаются на параллельных слоях, что облегча-

204

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 разработка квантовых вычислительных машин, которые позволили бы резко повысить их быстродействие и защиту с помощью квантовой криптографии, но самым интересным в этих разработках является возможность реализации особых квантовых явлений, таких как телепортация.

Идеи исчезновения предметов и людей в одном месте и их загадочного появления в другом месте с проникновением сквозь толстые стены существуют уже тысячи лет. Термин «телепортация» был введен Фортом в 1931 г. По мнению Форта, ничто не является непроницаемым – окружающая нас действительность является всего лишь сумеречной зоной между различными уровнями реальности и нереальности. Телепортация есть средство, с помощью которого содержимое одного уровня существования, обычно скрытого от нас, может внезапно попасть, казалось бы, ниоткуда на наш собственный уровень. Научная современная телепортация не использует поток вещества или энергии. Основой телепортации является передача информации, но без ее пересылки сквозь пространство. Эта передача осуществляется с помощью самого загадочного явления в современной науке – запутывания (entanglement). В 1997 г. в небольшой темной комнате университета в Инсбруке (Австрия) на лабораторном столе с кабелями и электронно-оптическими преобразователями 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 истории человечества научный эксперимент по телепортации.

Интересное направление в развитии элементной базы – квантовый компьютер – гипотетическое вычислительное устройство, которое путем выполнения квантовых алгоритмов существенно использует при работе квантовомеханические эффекты, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность. Содержание понятия «квантовый параллелизм» может быть раскрыто так. Данные в процессе вычислений представляют собой квантовую информацию, которая по окончании процесса преобразуется в классическую путем измерения конечного состояния квантового регистра. Выигрыш в квантовых алгоритмах достигается за счет того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффици-

205

ентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одновременно. Под квантовой запутанностью, которую называют также «квантовой суперпозицией», обычно понимается следующее. Вообразите атом, который мог бы подвергнуться радиоактивному распаду 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 компьютеров в теории позволяют им преодолеть некоторые ограничения, возникающие при работе классических компьютеров. Квантовый компьютер – это разновидность цифрового аналога, цифровое устройство аналоговой природы. Цифровые аналоги активно разрабатывались в 60-е гг. в Институте электромеханики АН СССР [38].

4.1.2. Эволюция уровня знаний

За последние 50 лет мы могли наблюдать непрерывное повышение уровня интеллекта ЭВМ (табл. 4.2), которое проявляется в том, что все более сложные процедуры, постановки и решения интеллектуальных задач передаются от человека машине. Этапы качественного изменения в разделении труда между человеком и ЭВМ совпадают по времени с объявлением новых поколений ЭВМ.

Таблица 4.2

В качестве второго принципа эволюции рассматривается постоянное возрастание уровня знаний в ЭВМ. Машины 1-го поколения обладали процедурными знаниями, располагали стандартными программами, например для решения большого числа линейных

206

алгебраических уравнений. Машины 2-го поколения обладали интерфейсными знаниями, располагали трансляторами. Машины 3-го поколения обладали уже и системными знаниями, различными управляющими программами, из которых выросли операционные системы.

Вкачестве третьего принципа рассматривается эволюционное развитие архитектуры ЭВМ, интегрирование достижений предыдущих этапов развития – переемственность и совместимость, что и обеспечило быстрый прогресс компьютерных технологий.

Вкачестве четвертого принципа рассматривается повышение уровня операционной среды в ЭВМ, что проявляется в развитии механизмов виртуализации программных и аппаратных средств, введении средств автоматизации контроля и восстановления процессов, автоматизации планирования и распределения ресурсов и др.

Вкачестве пятого принципа рассматривается реализация знаний 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.

Вкачестве шестого принципа рассматривается специализация средств обработки информации и управления. В принципе цифровые машины универсальны, но затраты памяти и времени для решения различных задач разные. При специализации ВТ на решение конкретных задач стоимость и качество решения отличаются в десятки раз, и поэтому предпочитают проблемно ориентировать вычислительную технику для использования в конкретных областях – 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 структурированная информация, доступная пониманию человеком и пригодная для использования в повседневной или перспективной деятельности. Знания можно классифицировать по степени востребованности в человеческом обществе: во-первых, это бытовые знания, постоянно используемые в повседневной жизни каждого человека, во-вторых, прикладные, необходимые для осуществления текущей трудовой деятельности, в-третьих, поисковые, предполагаемые к применению в перспективной трудовой деятельности, в-четвертых, фундаментальные, раскрывающие объективные

207

законы природы и основы мироздания, в-пятых, космические, которые могут включать трансцендентные знания, в принципе недоступные ощущениям и пониманию человеком и опытному познанию в мире.

4.1.3. Эволюция операционной среды

Под интеллектуальной понимается естественная, искусственная или формальная система, обладающая способностью целесообразного поведения в изменяющейся среде – выбора и принятия решений, обучения и адаптации, целеполагания и устойчивости. Под знаниями интеллектуальной системы понимается ее атрибутивная информация. Моделью интеллектуальной системы является операционная 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

4.1.4. Эволюция интерфейса общения

Информационно-вычислительные системы – это полилингвистические системы, где сразу действуют несколько языков. В табл. 4.4 представлена эволюция интерфейса общения. За последние 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 языков. Естественный язык до сих пор представляет большие трудности для освоения компьютером, о чем, в частности, свидетельствует

208

Таблица 4.4

несовершенство машинных программ перевода с одного естественного 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 связан с характеристиками человека как конечного пользователя. В табл. 4.5 представлена эволюция устройств ввода-вывода.

Таблица 4.5

Кнопочные панели были и являются самыми распространенными устройствами ввода информации, их размеры определяются размерами человеческих пальцев и удобством пользования. Цифровые дисплеи для вывода визуальной информации развиваются быстро, растет число пикселей, палитра цветов. Созданы плазменные и жидко-кристаллические дисплеи. Развиваются системы ре-

209

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 продаются системы генерации запахов и вкуса. Возникли специальные динамические системы типа кибернетического велосипеда, когда человек становится органичной частью системы виртуальной реальности. Создаются виртуальные костюмы для полного погружения человека в виртуальные миры. Разрабатываются системы информационного зазеркалья, генерирующие всю матрицу окружающей среды.

4.1.6. Эволюция средств связи

Параллельно с развитием средств обработки информации развивались системы передачи информации. В рамках эволюции живых систем самым главным является передача наследственной информации от родителей к потомкам. В процессе эволюции живые системы оснащались различными сенсорными системами – тактильными, вкусовыми, анализаторами запахов, зрительных и слуховых образов. Потом возникли системы устной и письменной речи, получила распространение система почты. В середине XIX в. возник электрический телеграф, потом радио, телефон, телевидение. Вычислительные машины в начальный период своего развития не были объединены в сети. Системы передачи информации (передачи 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 вычислительные сети, первой из которых была ARPANET, и сетевые технологии получили большое развитие, сложилась всемирная паутина, и в настоящее время осуществляется интеграция всех средств передачи информации по формуле

Networking = data + voice + image.

Происходит сращивание всех средств связи и передачи информации, 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.

210