Прошли десятки лет. Менялись технологии, языки общения с машиной. Однако принципы, заложенные при разработки первого поколения ЭВМ (ЭНИАК, машины на лампах), сохранялись практически неизменными. И… превратились в тормоз развития всей вычислительной техники.
13.6. Змей Горыныч берется за расчеты
Наибольшая скорость передачи сигнала в нервных волокнах достигает 120 метров в секунду, или примерно 400 километров в час! Похоже, мы не без основания употребляем слова «быстра, как мысль». Но электронный сигнал, движущийся со световыми скоростями, оставляет мысль человеческую далеко позади.
Неутешительно для людей и другое сравнение. Клетки мозга не способны генерировать более чем тысячу импульсов-колебаний за секунду. А в ЭВМ тот же показатель перевалил за миллион. И крайне удивительно, что, подойдя по плотности элементов к природным рубежам, побив все рекорды скорости, электронный мозг по ряду показателей все еще уступает своему природному прототипу.
Почему так? Да потому, что мозг как бы умеет решать одновременно сразу несколько задач. Он обрабатывает информацию не последовательно, а параллельно!
Поясним эту мысль на простых примерах. Допустим, необходимо приготовить обед. Если один человек займется приготовлением закуски, другой – сварит суп, третий – начнет жарить мясо, четвертый – готовить гречневую кашу, пятый – побеспокоится о компоте, шестой – сбегает за мороженым, сесть за стол можно будет очень скоро. Но представьте иное: все операции по приготовлению обеда идут в строжайшей последовательности. Нельзя варить суп, пока не готов салат, нельзя жарить мясо, пока не сварен суп, и так далее. Сесть за обеденный стол придется тогда лишь к вечеру.
Второй пример даст нам… армия. Если бы выполнение простой команды «поворот направо» исполнялось пошагово: Иванов – направо, Петров – направо и так далее, то это очень бы усложнило управление. Куда проще добиться того же результата при совместных действиях подчиненных. Командир отдает групповую команду: «Направо!» – и взвод, рота, батальон быстро и одновременно исполняют приказ.
Вот это и есть последовательный и параллельный (ум хорошо, два лучше!) способ решения задачи. И сразу начинаем догадываться, что мозг человека – это словно бы Змей Горыныч о семи головах. Если бы этому поумневшему в наш научный век сказочному созданию предложили взяться за расчеты, он бы, несомненно, сумел бы с толком распорядиться своими головами.
Многоголовая ЭВМ – вот хорошая идея: перейти от однопроцессорных (либо отдельная ЭВМ, либо ее часть – отдельный микропроцессор) к многопроцессорным (многомашинным) вычислительным комплексам.
Мысль, казалось бы, проста. С чем не справится одна ЭВМ, с легкостью сделают десятки, сотни машин. Надо только распараллелить их работу, разбить задачу на множество подзадач, распределить их между машинами и заставить всех их трудиться одновременно. Ограничений в этом подходе нет. Весь вопрос только в том, как умело организовать архитектуру многомашинных систем, их коллективную память, все каналы обмена данными. И тут возникли трудности.
Распараллелить работу ЭВМ пытались многие у нас в стране и за рубежом. Было предложено великое множество типов многопроцессорных систем. Магистральные, конвейерные, векторные, кольцевые, матричные, звездные, циклические, иерархические, ассоциативные, рекурсивные и многие другие. Но решили ли они проблему? Нет.
Как же быть? Как найти принципиально новые подходы? А может, стоит более внимательно присмотреться к тому, как аналогичные проблемы решает природа?
13.7. Биологическая коммутация
Когда на микрофотографиях (срезы мозговой ткани) видишь нейронные заросли, поражаешься: оказывается, природа давно ввела для мозга «стандартизацию» его рабочих элементов. Все богатство мышления имеет основой бесконечно однообразный повтор однотипных образований – нервных клеток, или нейронов. Основных форм нейронов всего три. Одни по виду напоминает пирамиду, другие – звезду, третьи – веретено. Отсюда и названия: нейроны «пирамидальные», «звездчатые», «веретенообразные».
И связи нейронов между собой банально стереотипны. Одни из многочисленных отростков нейронов – дендриты (от греческого «дендрон» – дерево, они напоминают раскидистую крону), – словно усики антенн, улавливают, собирают сигналы, поступающие от других нервных клеток. Другие, более протяженные, чем дендриты, – аксоны (от греческого «аксоном» – ось) – напоминают провода, по которым нейрон посылает возбуждения-приказы своим соседям.
Видимо, именно стандартизация, взаимозаменяемость мозговых узлов в основном и обеспечивают высокую живучесть, надежность мозга. Считается (одно из мнений), что ежедневно в человеческом мозгу гибнут тысячи нейронов, и к 80 годам – простые подсчеты – выходят из строя миллиарды (до 30 %!) нервных клеток. И все же и в преклонном возрасте мозг может функционировать вполне нормально.
Завидное качество! Оно очень бы пригодилось ЭВМ, управляющей особо ответственными объектами, и было бы полезным, скажем, при работе наделенных искусственным интеллектом роботов, находящихся в зонах, опасных для здоровья и жизни людей. Роботов, которые в будущем станут разгуливать по льдам Антарктиды, по дну океанов, по поверхности пыльного Марса, облачной Венеры, там, где «мозг» робота не может избежать увечий и где от него, тем не менее, требуется повышенная надежность.
Если и есть какая-то ущербность в унификации «деталей» человеческого мозга, то она с лихвой покрывается неимоверным количеством «атомов» мышления. Хотя нейронов в мозге и, возможно, менее, чем звезд в Млечном Пути, но их пока гораздо больше, чем людей, населяющих нашу планету. Это сверхизобилие связей, сверхбогатство мозговых «путей», коллективный характер работы нейронов и обеспечивают неимоверную гибкость, пластичность мозга.
Нейронные ансамбли, или нейронные сети, вовсе не являются жесткими образованиями. Они формируются в зависимости от той или иной необходимости, продиктованной внешними или внутренними условиями. После же решения определенной задачи нейронный «оркестр» распадается, а освободившиеся нейроны могут тут же войти в состав новых нейронных «созвездий».
Кто дирижирует работой мозга? Как осуществляется мобилизация нейронных систем, их роспуск? Все это важные, во многом еще не решенные проблемы. Удивительную догадку на этот счет высказал академик Иван Петрович Павлов. В «Лекциях о работе больших полушарий головного мозга» (1909) он сравнивал образование условных рефлексов с работой… телефонного коммутатора.
Странный, казалось бы, образ, вызывающий в памяти, когда-то существовавшие станции, где сидели барышни-телефонистки. Они отвечали абоненту, как только тот снимал трубку, и, манипулируя шнурами, вставляя металлические штыри в нужные гнезда, соединяли его с другими абонентами.
Но высказывание ученого покажется уже не столь невероятным, если вспомнить, что техника очень скоро заменила телефонисток (в часы пик они могли обслужить лишь сотню абонентов) АТС (сокращение для слов – автоматическая телефонная станция), которые способны обслужить уже десятки тысяч номеров. И тут уже биологическая коммутация начинает казаться вполне правдоподобной.
