- •Часть I. Естествознание и современный мир 11
- •Часть III. Естественно-научные концепции развития. . . 171
- •Часть IV. Естественно-научные основы современных тех-
- •1.1. Естественно-научные знания
- •1.2. Роль естествознания в формировании
- •1.6. Развитие естествознания и псевдонаучные
- •1.8. Рациональное и иррациональное
- •2.1. Процесс естественно-научного познания
- •1) В основе естественно-научного познания лежит причинно-следствен-
- •2) Истинность естественно-научных знаний подтверждается эксперимен-
- •3) Любое естественно-научное знание относительно.
- •2.2. Формы естественно-научного познания
- •3.3. Концепция атомизма. Дискретность
- •3.4. Фундаментальные взаимодействия
- •3.10. Электромагнитная концепция
- •4.1. Структура атомов
- •43. Вероятностный характер микропроцессов
- •4.5. Ядерные процессы
- •5.1. Сущность концепции развития
- •5.2. Эволюция вселенной
- •6.1. Развитие химических знаний
- •6.2. Синтез химических веществ
- •6.3. Современный катализ
- •6.9. Современные материалы
- •7.3. Структура и функции белков
- •7.5. Происхождение жизни
- •7.6. Предпосылки эволюционной идеи
- •7.9. Человек — феномен природы
- •7.10. Жизнеобеспечение человека
- •8.1. Развитие средств информационных технологий
- •8.2. Современные средства накопления информации
- •8.3. Мультимедийные системы и виртуальный мир
- •8.4. Микро- и наноэлектронная технологии
- •8.6. Современные биотехнологии
- •9.9. Атомная энергетика
- •9.10. Особенности отечественной энергетики
- •10.1. Глобальные катастрофы и эволюция жизни
- •10.2. Предотвращение экологической катастрофы
- •10.3. Природные катастрофы и климат
- •10.5. Сохранение озонового слоя
- •10.7. Потребление энергии и среда нашего обитания
- •10.8. Радиоактивное воздействие на биосферу
- •11.1. Человек и природа
- •11.3. Обновление энергосистем
- •11.4. Эффективное потребление энергии
- •11.6. Экономия ресурсов на транспорте
- •11.8. Решение проблем утилизации
- •11.9. Перспективные технологии и окружающая среда
8.2. Современные средства накопления информации
Общие сведения. Появление наскальных рисунков и надписей сви-
детельствует о стремлении человека еще в древние времена сохранить
свои наблюдения, передать их потомкам. Позднее стали писать на глиня-
ных пластинах, свитках папируса, а примерно два тысячелетия назад поя-
вился и поныне самый распространенный носитель информации — бума-
га. Но вот наступил век электроники и принес в повседневную жизнь еще
одну новинку — ЭВМ — своеобразный кладезь премудрости человека.
Бумага, верой и правдой служившая человеку долгое время, начинает по-
степенно сдавать некоторые области своей абсолютной монополии. Сей-
час важнейшее место в развитии цивилизации отводится электронной вы-
числительной технике, в первую очередь получившим широкое распро-
странение персональным компьютерам.
Представляют интерес некоторые цифры, характеризующие объем
информации, накапливаемой человечеством. Одна книга среднего фор-
мата содержит около 1 млн. байт информации. Крупнейшая в мире биб-
лиотека Конгресса США хранит примерно 20 млн. книг и 3,5 млн. единиц
звукозаписи, что вместе составляет приблизительно 2 Петабайта
(1 Пбайт = 10l5 байт). По оценке ЮНЕСКО, в мире ежегодно печатается
около 100 терабайт (100 • 1012 байт) нового текста (без учета переизда-
22 - 3290 337
ний), в том числе 10 тыс. газет, издающихся в разных странах. Ежегодно в
мире выпускается примерно 5000 кинофильмов, а всего со времен брать-
ев Люмьер, французских изобретателей, создавших в 1895 г. первый ки-
ноаппарат, в виде кинофильмов выпущено около 1 Пбайта информации.
Профессионалы и любители делают ежегодно 50 млрд. фотоснимков, что
составляет примерно 0,5 Пбайт. На телевизионные передачи приходится
100 Пбайт. Информация, передаваемая по телефону во всем мире, оцени-
вается в несколько тысяч петабайт. Приведенные цифры впечатля-
ют — человечество оказалось в колоссальном информационном океане.
Чтобы свободно плавать в таком безбрежном океане, создаются локаль-
ные и глобальные сети, объединяющие множество персональных компь-
ютеров.
По объему накапливаемой информации и скорости ее обработки воз-
можности персональных компьютеров все же ограничены: на современ-
ном персональном компьютере можно хранить всего лишь десятки гига-
байт информации. Во многих отраслях — банковское дело, системы ре-
зервирования и реализации авиа- и железнодорожных билетов, метео-
служба и компьютерное производство видеофильмов — требуется обра-
батывать сравнительно большие объемы информации с высокой скоро-
стью и, следовательно, нужны большие компьютеры и суперкомпьютеры.
В последнее время наряду с суперкомпьютерами разрабатываются
сравнительно небольшие компьютеры с миниатюрными накопителями
информации. Самый маленький в мире накопитель информации в виде
жесткого диска памяти производит американская фирма IBM. По разме-
рам он сравним с отечественной пятирублевой монетой, однако объем его
памяти достаточно большой — 340 Мбайт. Этот миниатюрный диск
очень удобен для карманных компьютеров и цифровых фотоаппаратов.
На винчестер-малютку можно записать несколько сотен цветных фото-
графий, а затем распечатать на принтере или перевести в память больше-
го компьютера.
Все виды ЭВМ, в том числе большие и малые компьютеры, содержат
запоминающее устройство — тот или иной накопитель информации, или
память. Память — это то, что наделяет ЭВМ интеллектуальными призна-
ками и что существенно отличает ее от других машин и механизмов.
Память человека и память ЭВМ. Память — несомненно, один из
важнейших атрибутов человека. Развитый, утонченный и вместе с тем
изощренный аппарат памяти, пожалуй, это основное, что выделяет чело-
века среди других представителей живого мира. Не только запоминание
окружающего (это неосознанно делают и животные), но и воспоминание,
логическое осмысление, многократное обращение сознания к хранилищу
памяти и извлечение из него всего того, что нужно в данный мо-
мент, — на это способен лишь человек, наделенный разумом.
338
Совокупная память всех людей, коллективная память человечества,
материализованная в многочисленных книгах, картинах, нотах, фотогра-
фиях, чертежах, кинофильмах, архивных документах и во многом-мно-
гом другом, вне всякого сомнения образует один из основных краеуголь-
ных камней фундамента человеческой цивилизации. За последние деся-
тилетия разнообразные технические средства накопления и хранения ин-
формации пополнились еще одним — наиболее универсальным и
гибким — памятью ЭВМ, которой во все большей степени отводится по-
стоянно возрастающая роль в совершенствовании ЭВМ, и, следователь-
но, в развитии общества в целом.
Сегодня ЭВМ стала главным инструментом, с помощью которого
осуществляется управление информационными потоками. Так в общих
чертах выглядит современная картина. О памяти ЭВМ известно гораздо
больше, чем о памяти человека, его сознательной и бессознательной дея-
тельности. Надпись «Познай самого себя», начертанная у входа в дель-
фийский храм Аполлона, актуальна и по сей день. Память человека обла-
дает индивидуальными, многогранными, удивительными и большей ча-
стью не объясненными пока свойствами. Цицерон считал, что «для ясно-
сти памяти важнее всего распорядок; поэтому тем, кто развивает свои
способности в этом направлении, следует держать в уме картину ка-
ких-нибудь мест и по этим местам располагать воображаемые образы за-
поминаемых предметов». Примерно по такому принципу построена и па-
мять ЭВМ. Из приведенных образных сравнений понятно, что память
ЭВМ по многим параметрам отстает от мозга человека. И мы непременно
«должны учиться у природы и следовать ее законам», как утверждал
Н. Бор.
И творческая, и подсознательная деятельность, и другие ее виды, час-
то объединяемые одним словом «чувство», применительно к памяти
ЭВМ можно отнести к искусственному интеллекту, привлекающему вни-
мание многих исследователей.
Высокая плотность записи, большая емкость памяти, высокое быст-
родействие, способность восприятия и аналоговой, и цифровой информа-
ции, возможность оперативного доступа к данным, сочетание адресного
и ассоциативного поисков, объединение последовательного и параллель-
ного принципов ввода-вывода информации, отсутствие механически пе-
ремещающихся узлов, высокая долговечность и надежность хране-
ния — вот те основные качества, которыми хотелось бы наделить разра-
батываемые долговременные запоминающие устройства.
Технологические возможности реализации высокой информаци-
онной плотности. Запоминающие устройства большинства моделей
ЭВМ основаны на магнитной записи. Прогнозы специалистов показыва-
339
ют, что в ближайшем будущем устройства магнитной записи останутся
доминирующими на мировом рынке информационной техники.
С развитием средств вычислительной техники растет и будет расти
спрос на запоминающие устройства небольших размеров, способные хра-
нить большой объем информации. В этой связи проблема повышения ин-
формационной плотности записи — одна из важнейших в совершенство-
вании запоминающих устройств большой емкости.
В запоминающих устройствах на подвижном магнитном носителе,
где основное — это накопление информации, фактором первостепенной
важности является поверхностная информационная плотность записи,
определяемая количеством информации, приходящейся на единицу пло-
щади поверхности рабочего слоя носителя записи. Поверхностная ин-
формационная плотность записи зависит от плотности записи вдоль од-
ной дорожки (продольной плотности) и числа самих дорожек на единицу
длины в поперечном относительно движения носителя направлении (по-
перечной плотности). Из теоретических расчетов следует, что продоль-
ная плотность записи информации на магнитном носителе может дости-
гать 20 000 бит/мм. Если в настоящее время в лучших магнитных накопи-
телях продольная плотность около 5000 бит/мм, то становится понятным,
какие возможности еще не реализованы.
Магнитная запись с перпендикулярным намагничиванием, когда пе-
ремагничивание рабочего слоя осуществляется в его перпендикулярной
плоскости, обеспечивает существенное повышение информационной
плотности записи. Так, в лабораторных образцах накопителей уже дос-
тигнута продольная плотность, составляющая более 10 000 бит/мм.
Для этого применяется записывающий элемент толщиной 0,1 мкм.
При его ширине 0,1 мкм поверхностная плотность записи информации
равна 100 бит/мкм2, что примерно на два порядка больше предельно воз-
можной плотности в оптических накопителях. Воспроизведение инфор-
мации, записанной с такой высокой плотностью, производится с помо-
щью высокочувствительных магниторезистивных преобразователей.
Голографическая память. Быстродействие памяти зависит от дли-
тельности процессов записи, поиска и воспроизведения информации.
Увеличение емкости памяти требует и роста скорости обмена информа-
цией. Существенно повысить быстродействие в результате модерниза-
ции дисковых накопителей информации — задача довольно трудная.
Нужна другая идейная концепция. Оказывается, такая концепция извест-
на и уже привела к некоторым результатам. Речь идет о голографической
памяти. Она основана на применении лазерного излучения и позволяет
реализовать многие свойства, присущие памяти человека.
Однако прошли десятки лет с начала разработки голографической па-
мяти, а реальных, конкурентоспособных устройств, которые можно было
340
бы отнести к промышленным, а не к лабораторным, до сих пор нет. В чем
же дело? Все тот же известный диссонанс идейных концепций и элемент-
ной базы. Транзистор, интегральная схема, микропроцессор — элемен-
ты, в свое время определявшие лицо вычислительной техники и не только
параметры конкретных ЭВМ, но и идеологию научно-технического про-
гресса. Появился лазер — и возникли новые отрасли естествознания:
квантовая радиофизика, топография, нелинейная оптика. Хотя идейные
основы данных отраслей предложены гораздо раньше, но только лазер
дал им жизнь. С применением полупроводниковых лазеров созданы оп-
тические дисковые накопители.
С голографической памятью ситуация, увы, иная. Используемые в ла-
бораторных разработках ее элементы — газовые лазеры, разнообразные
оптические затворы и др. — пока еще несовершенны: как правило, они
громоздки, недолговечны, сложны в изготовлении и эксплуатации, в них
используются разнородные материалы. Приходится констатировать, что
элементная база голографической памяти для промышленного производ-
ства еще не создана.
Правда, в последнее десятилетие в развитии ряда направлений опто-
электроники достигнуты определенные успехи, которые косвенно, а ино-
гда и прямо способствуют решению рассмотренной проблемы. Созданы
полупроводниковые лазеры с высокой степенью когерентности излуче-
ния, позволяющие записывать качественные голограммы. Развивается
интегральная оптика, в рамках которой традиционные объемные оптиче-
ские элементы заменяются тонкопленочными. Например, тонкопленоч-
ные оптические затворы могут переключаться напряжением всего в не-
сколько вольт, при этом время переключения менее 1 нс.
Нейронные сети. В 80—90-е годы XX в. прогресс в развитии вычис-
лительной техники многие связывают с созданием искусственных ней-
ронных сетей. Успехи в разработке и использовании нейрокомпьютеров
определяются их принципиально новым свойством — возможностью эф-
фективного самообучения в ходе решения наиболее сложных задач. По
своей сути нейрокомпьютер является имитацией нейронной сети мозга
человека.
Используя терминологию вычислительной техники, можно сказать,
что нейрон является бинарной ячейкой. Он может находиться либо в воз-
бужденном, либо в невозбужденном состоянии, которое изменяется в ре-
зультате взаимодействия с другими нейронами. В нейронной сети полез-
ная информация запоминается не отдельными нейронами, а группами
нейронов, их взаимным состоянием. Каждый нейрон в большей или мень-
шей степени связан примерно с 104 нейронами. Принимая внешнюю ин-
формацию и обмениваясь внутри головного мозга, каждый отдельный
нейрон имеет возможность последовательно приближаться к принятию в
341
сложной внешней обстановке решения и переходу в нужный момент в
нужное (возбужденное либо невозбужденное) состояние. Чем больше
объем нейронной сети, тем более сложную задачу можно решить с ее по-
мощью.
К настоящему времени производится моделирование нейронных се-
тей. Магнитооптические управляемые устройства уже сегодня позволя-
ют сформировать высококачественный массив информации, скорость об-
работки которого по алгоритму нейронной сети существенно превосхо-
дит возможности человеческого мозга.