Перспективы развития логических машин

С конца 80-х гг. в истории развития вычислительной техники наступила пора пятого поколения ЭВМ. Технологические, конструкторские, структурные, архитектурные идеи машин пятого поколения принципиально отличаются от машин предшествующих поколений. Прежде всего, их структура и архитектура отличаются от фон-неймановской (классической). Высокая скорость выполнения арифметических вычислений дополняется высокими скоростями логического вывода. Даже скорость предполагается выражать в единицах логического вывода. Машина состоит из нескольких блоков. Блок общения обеспечивает интерфейс между пользователем и ЭВМ на естественном языке, и дисциплина программирования как наука для пользователя перестает быть актуальной. Важное место в структуре ЭВМ занимает блок, представляющий базу знаний, в которой хранится знания, накопленные человечеством в различных предметных областях, которые расширяются и пополняются. Следующий блок, называемый решателем, организует подготовку программы решения задачи на основании знаний, получаемых из базы знаний и исходных данных, полученных из блока общения. Ядро вычислительной системы составляет ЭВМ высокой производительности.

В связи с появлением новой базовой структуры ЭВМ в машинах пятого поколения широко используются модели и средства, разработанные в области искусственного интеллекта (самообучение, логическое мышление, общение на естественном языке).

Прогресс в развитии микропроцессоров (МП) обеспечивает использование новых архитектурных решений, в частности транспьютерной и RISC – архитектуры, конвейерного принципа выполнения команд, применения сопроцессоров, параллельной обработки данных и т.п.

Рассмотри особенности МП с архитектурой RISC (Reduced Instruction Set Computer – «компьютер с сокращенной системой команд»). В МП применяется сравнительно небольшой (сокращенный) набор наиболее часто употребляемых команд, определенный в результате статического анализа большого числа программ.

Для RISC – архитектуры характерны следующие факторы: все команды имеют одинаковый формат: большинство команд трехадресные; большое количество внутренних регистров МП, позволяющее резко сократить число обращений к ОП, а следовательно, уменьшить время машинного цикла; конвейеризация выполнения команд; наличие Кеш – памяти (cash - memory).

Ограниченный набор команд сравнительно простой структуры даёт возможность уменьшить количество аппаратуры.

При одной и той же тактовой частоте ПЭВМ RISC – архитектуры имеют производительность в 2-4 раза выше, чем ПЭВМ обычной архитектуры.

В настоящее время ПЭВМ с RISC – архитектурой применяются в качестве графических рабочих станций, серверов локальных сетей, являются основной для создания современных управляющих, телекоммуникационных и банковских сетей.

На отечественном рынке предлагаются модели новых систем RISC/6000 – семи моделей серверов и четырех моделей рабочих станций на базе МП Power PC (фирма IBM). МП Power PC 601 работает с тактовой частотой 50, 66, 80 и 100 Мгц. Фирма Apple выпустила в продажу модель Power Macintosh 8100/80 на базе процессора Power PC 601 RISC 80 Мгц со встроенным сопроцессором и Кэш – памятью 32 Мбайт, ОП ёмкостью 16 Мбайт (с возможностью расширения до 264 Мбайт) и винчестером ёмкостью 1000 Мбайт.

Транспьютеры, как правило, используются в качестве сопроцессоров. Они рассчитаны на работу в параллельных системах с однотипными процессорными элементами и аппаратной поддержкой вычислительных процессоров. В состав системы команд транспьютеров входят команды управления процессами, поддержки инструкций языков высокого уровня. Транспьютеры используют коммуникационные быстрые каналы, которые позволяют передавать по одной магистрали данные в процессор, а по другой (одновременно) – данные из него. Высокая производительность обеспечивается прежде всего за счёт высокой скорости работы АЛУ и передачи операндов.

В современных МП широко применяются Кэш – память и виртуальная память, что приближает ПЭВМ по функциональным возможностям к большим ЭВМ. В ПЭВМ стали использовать многозадачный режим работы, динамическое распределение памяти, системы защиты памяти.

На отечественном компьютерном рынке появилось большое количество разнообразных моделей ПЭВМ следующих трёх классов:

1) профессиональные многопроцессорные ПЭВМ, приблизившиеся по своим стандартам к большим ЭВМ;

2) сравнительно недорогие ПЭВМ для массового потребления;

3) микроминиатюрные ПЭВМ (типа NOTEBOOK, HANDHELD).

С конца 80-х годов началось повсеместное использование информационных и вычислительных сетей. ЭВМ переходного периода от четвертого к пятому поколению стали широко использоваться для комплексного решения экономических задач: объектно-ориентированный подход в зависимости от системных характеристик предметной области; широкий спектр приложений; сетевая организация информационных структур; преобладание интерактивного взаимодействия пользователя в ходе эксплуатации вычислительной техники. Произошла реализация интеллектуального человеко-машинного интерфейса, систем поддержки принятия решений, информационно – советующих систем.

Тип – ИТ пятого этапа развития – это современная (новая) информационная технология, а именно сочетание средств вычислительной техники, средств связи и оргтехники.

Далее кратко остановимся на трёх перспективных направлениях развития логических машин: компьютерах с широким применением методов искусственного интеллекта, оптических и квантовых компьютерах.

Компьютеры с искусственным интеллектом. Переход к компьютерам следующего поколения предполагает переход к новым архитектурам, ориентированным на создание искусственного и гибридного интеллекта. Ранее считалось, что архитектура компьютеров будет содержать два основных блока. Один из них – собственно компьютер, а второй блок, называемый «интеллектуальным интерфейсом» осуществляет связь с пользователем. Задача интерфейса – понять текст, написанный на естественном языке или речь, и изложенное таким образом условие задачи перевести в работающую программу. Гибридный интеллект предполагает «объединение интеллекта» ЭВМ и человека в единое целое при решении сложных проблем.

Основные требования к компьютерам с искусственным и гибридным интеллектом:

1) создание развитого человеко-машинного интерфейса (распознавание речи, образов);

2) развитие логического программирования для создания баз знаний и систем искусственного интеллекта;

3) создание новых технологий в производстве вычислительной техники;

4) создание новых архитектур компьютеров и вычислительных комплексов.

Новые технические возможности вычислительной техники должны были расширить круг решаемых задач и позволить перейти к задачам создания искусственного и гибридного интеллекта.

В качестве одной из необходимых для создания искусственного и гибридного интеллекта составляющих являются базы знаний (базы данных) по различным направлениям науки и техники. Для создания и использования баз данных требуется высокое быстродействие вычислительной системы и большой объём памяти. Компьютеры четвертого поколения способны производить высокоскоростные вычисления, но не пригодны для выполнения сравнения и сортировки больших объемов записей, хранящихся обычно на магнитных дисках.

Для создания программ, обеспечивающих заполнение, обновление баз данных и работу с ними, были созданы специальные объектно-ориентированные и логические языки программирования, обеспечивающие наибольшие возможности по сравнению с обычными процедурными языками. Структура этих языков требует перехода от традиционной фон-неймановской архитектуры компьютера к архитектурам, учитывающим требования задач создания искусственного интеллекта.

Оптические компьютеры. Еще в 60-е годы XX в. была начата разработка основных принципов построения оптико-электронных компьютеров.

В кругах специалистов существует мнение, что оптический компьютер в «чистом» виде еще не разработан. На данный момент существует лишь электронно-оптический компьютер. Построение оптических процессоров на основе традиционных принципов вычислений встретило большие трудности.

Не слишком быстрое продвижение в построении оптических процессоров заставило разработчиков искать другие архитектуры. Если уж электронные системы с массовым параллелизмом потеснили суперкомпьютеры со сверхмощным, но одним центральным процессором, то что говорить об оптических компьютерах, где распараллеливание можно осуществлять эффективно и разнообразными способами.

Возникло убеждение, что не стоит заставлять оптические системы делать то, что они делают с таким трудом – то есть обрабатывать сложные алгоритмы. У оптики вообще плохо с логикой, ей лучше даются плохоформализируемые, «интуитивные» операции. Оптическая элементная база прекрасно сочетается с архитектурами искусственных нейронных сетей, которые способны к обучению и самообучению.

Достоинства оптической элементной базы:

· передача информации со скоростью света;

· независимое распространение в свободном пространстве световых пучков, которые могут без помех пересекаться или перекрываться, что позволяет иметь до 1000 входных и выходных сигналов;

· естественная полня параллельность вычислений;

· адекватность схем обработки самому виду существования входного и выходного массива информации – двумерного изображения;

· крайне низкое энергопотребление (менее кТ на одну связь) против 108 кТ для электронных компьютеров, где к – постоянная Больцмана, а Т – абсолютная температура;

· адекватность использованию интегральной (планарной) технологии, подобной технологии изготовления электронных микросхем (в том числе, СБИС);

· дополнительные возможности когерентной обработки ( использование фазовых соотношений в голографических процессорах);

· нечувствительность к электромагнитным помехам;

· высокая мощность интегральных преобразований, выполняемых оптическими спецпроцессорами, и полная возможность оптической реализации как булевой алгебры, так и искусственных нейронов.

Наиболее универсальной основой современных оптико-электронных спецпроцессоров является триада матриц, состоящая из:

· излучателей;

· транспарантов – пространственно – временных модуляторов света (ПВМС);

· фотоприёмников.

Эти оптронные триады выполняют функции, аналогичные транзисторам и триггерам, и очень удобны при выполнении операций над многомерными векторными величинами.

На оптических интегральных схемах была реализована вся булева алгебра. Считалось даже, что компьютеры 5-го поколения будут строиться на оптической элементной базе. Но доведение до стадии коммерчески пригодных продуктов оказалось сложнее и длительней, чем ожидалось, и последнее время сообщений о каких-либо успехах в этом направлении не появлялось.

Квантовые компьютеры. Идея квантовых вычислений была впервые высказанна советским математиком Ю.И. Маниным в 1980 году. Суть состоит в следующем:

За единицу измерения информации в квантовых компьютерах принят кубит или квантовый бит (quibit, Quantum Bit). Состояние квантовой системы описывает волновая функция, которая может принимать большое количество значений, т.е. может быть представлена в виде вектора допустимых значений. Каждому допустимому значению соответствует собственная функция. Таким образом. Волновую функцию можно представить в виде линейной комбинации собственных функций. Отдельные составляющие вектора могут принимать состояния 0 или 1, это означает, что кубит в определенный момент времени с некоторой вероятностью равен и 0, и 1.

Для квантовых компьютеров можно ввести, подобно классическим компьютерам, элементарные логические операции: дизъюнкцию, конъюнкцию, квантовое отрицание. Эти функции – логическая основа работы квантового компьютера. Элементарным шаком при квантовых вычислениях является унитарная операция над суперпозицией состоянием системы из L двухуровневых квантовых элементов (которые тоже принято называть кубитами, как и единицу измерения информации), при этом в квантовых компьютерах выполняется параллельная обработка сразу 2 в степени L булевых состояний, тогда как для классического компьютера подобная операция потребовала бы 2 в степени L отдельных элементарных шагов. Такое свойство называют квантовым параллелизмом в работе квантовых устройств, оно приводит к экспоненциальному ускорению вычислительного процесса. В этом заключается одно из главных преимуществ квантового компьютера.

Для реализации квантового компьютера следует обеспечить выполнение следующих пяти основных требований:

1. Квантовый компьютер должен содержать достаточно большое число квантовых элементов для выполнения квантовых операций.

2. Необходимо обеспечить возможность ввода данных в компьютер.

3. Необходимо обечпечить максимальное подавление эффектов декогерентизации квантовых состояний, обусловленное взаимодействие системы квантовых элементов с окружающей средой. Для этого система квантовых элементов должны быть слабо связана с окружающей средой.

4. Необходимо обеспечить за время такта выполнение требуемой совокупности квантовых логических операций, определяющей унитарное преобразование.

5. Необходимо обеспечить с достаточно высокой надежностью измерение состояния квантовой системы на выходе.

Проблема измерения квантового состояния без его разрушения является одной из основных проблем квантовых вычислений. В настоящее время широко обсуждаются основные направления в развитии элементной базы будущих квантовых компьютеров.

В заключение приведем в табл. 2.1 сводные данные об этапах разработки и создания поколений ЭВМ, решаемые ими задачи на соответствующие им информационные технологии [31].

Таблица 2.1. Этапы развития ИТ, технических средств и решаемых задач

Этап	Год	ЭВМ	Решаемые задачи	Тип ИТ
I	Конец 1950-х начало 1960-х	I,II поколения.	Использование ЭВМ для решения научных и отдельных наиболее трудоёмких задач учёта; решение отдельных оптимизационных задач	Частичная электронная обработка данных
II	1960-е гг. – начало 1970-х	II,III поколения.	Электронная обработка плановой и текущей информации, хранение в памяти ЭВМ нормативно-справочных данных, выдача машинограмм на бумажных носителях	ЭСОД – электронная система обработки данных.
III	1970-е гг.	III поколение.	Комплексная обработка информации на всех этапах управленческого процесса деятельностью предприятия, организации, переход разработки подсистем АСУ (материально-технического снабжения, товародвижения, контроль запасов и транспортных перевозок, учёт реализации готовой продукции, планирование и управление)	Централизованная автоматизированная обработка инфомации в условиях ВЦ и ВЦКП
IV	1980-е гг.	IV поколение.	Развитие АСУТП, САПР, АСУП, ОАСУ, общегосударственных АСУ: плановых расчётов, статистики, материально – технического снабжения, науки и техники, финансовых расчётов и др. Тенденция к централизации обработки данных, решению задач в многопользовательском режиме, переход к безбумажной эксплуатации вычислительной техники.	Специализация технологических решений на базе мини-ЭВМ, ПЭВМ и удаленного доступа к массивам данных с одновременной универсализацией способов обработки информации на базе мощных супер-ЭВМ.
V	Конец 1980-х гг. – по настоящее время	V поколение.	Комплексное решение сложных задач; объектно-ориентированный подход в зависимости от системных характеристик предметной области; широкий спектр приложений; сетевая организация информационных структур; преобладание интерактивного взаимодействия пользователя в ходе эксплуатации вычислительной техники. Реализация интеллектуального человеко-машинного интерфейса, систем поддержки принятия решений, информационно – советующих систем.	НИТ – (новая информационная технология) – сочетание средств вычислительной техники, средств связи и оргтехники; СИТ – современная ИТ

Таким образом, можно твердо сказать, что дальнейшее усовершенствование и использование логических машин, или, как их иногда называют, думающих машин, всецело зависит от человека. Оно пойдет еще значительно быстрее, если будут преодолены некоторые не решенные еще проблемы конструирования и работы вычислительных машин. В качестве таких проблем названы следующие:

1) Обучение эвристике, т. е. такому методу, который существенно ограничивает поиск и, развивая находчивость, отыскивает более короткие пути решения сложных задач. Дело в том, что пока больше используется колоссальная скорость выполнения вычислительной машиной тех или иных операций ( и более операций в секунду). И если ходов решения задачи не так уж много, то программа, заданная машине, может быть рассчитана на перебор всех возможностей. Но в практике работникам вычислительных центров пришлось столкнуться с такими задачами, когда число возможностей на деле почти неисчерпаемо. Так, шахматный лабиринт содержит приблизительно различных путей. Машина, конечно, видимо, могла бы перебрать все эти ходы, но даже ей с той колоссальной скоростью, которой она обладает, потребуются огромное время. Значит и машину надо обучать тому, чтобы она переходила к эвристическому методу решения задач.

2) Обучение методу индукции, т. е. такому методу, чтобы машина на основании моделей единичных объектов формировала общие выводы, гипотезы и тем самым делала существенные заключения о будущих состояниях среды. Дело в том, что пока вычислительные машины в значительной мере основаны на использовании дедукции.

3) Обучение машины пониманию естественного языка, что означало бы непосредственный диалог человека с машиной [31].

Но как бы ни были поразительны успехи в области конструирований и использования вычислительных машин, нельзя преувеличивать их роль в познании и преобразовании среды человеком. Некоторые ревизионисты, например, Роже Гароди, договариваются до такой нелепой мысли, будто уже сейчас можно предвидеть демократический строй нового типа, в условиях которого «электронно-вычислительные машины займут место политических партий».