Термин "технология" традиционно ассоциируется с операционной картой, регламентирующей действия персонала с оборудованием и оснасткой в процессе производства материальных продуктов. Словосочетание "информационные технологии" указывает на то, что объектом производства является нематериальный продукт, "карта" которого ограничена тремя типами операций: хранение, передача и преобразование информации, включая ее кодирование. Поэтому вторая специфическая особенность информационных технологий состоит в том, что в них "информация" выступает и как исходное сырье, и как конечный продукт. В результате в информационных технологиях весьма спорными остаются ответы на вопросы о качестве и количестве "произведенного продукта", что требует привлечения не только алгоритмических, вероятностных ил
и статистических, но и семантических и/или прагматических методов и средств оценки.
Тем не менее, термин " информационные технологии " прочно укрепился в науке и обществе, и к нему прибегают, когда требуется описать хранение, передачу и преобразование информации и используемые при этом вычислительные ресурсы ЭВМ: память, операционные, интерфейсные, адресные, коммутационные и управляющие устройства.
В научных и прикладных разработках информационных технологий можно выделить два взаимно обусловленных направления, одно из которых занимается созданием аппаратных средств и инструментальных платформ их использования, а другое - собственно применением вычислительной техники в конкретных прикладных областях деятельности человека. На начальном этапе развития кибернетики и вычислительной техники доминировало первое направление исследований, но уже с середины 80-х годов прошлого столетия вопросы информационных технологий "собственных нужд" стали уделом "элитарного круга" специалистов высокоразвитых стран. Этот круг был очерчен во многом благодаря успехам кремниевой компиляции, которые привели к повышению качества сквозного, "однопроходного", бездефектного проектирования СБИС и, как следствие, к сокращению сроков разработки и повышению процента выхода годных устройств, что резко удешевило радиоэлектронную и вычислительную аппаратуру, сделав ее массово доступ
ной.
Однако невиданная по масштабам коммерциализация информационных технологий не обошлась без жертв и уже к середине 90-х годов прошлого столетия привела к гипертрофированному дисбалансу между аппаратно-временными затратами, расходуемыми на системные и пользовательские функции. В результате системные функции, связанные с управлением вычислительными ресурсами непосредственно во время вычис-
лений, и особенно так называемый "дружественный интерфейс" стали основными "пожирателями" этих же ресурсов. В таких условиях оказались несостоятельными устоявшиеся оценки эффективности работы вычислительной техники, прямо или контекстно учитывающие некоторый коэффициент полезного действия.
Ситуация в этой области еще больше усложнилась, когда в тот же период времени были развернуты широкомасштабные прикладные исследования элементной базы нанометрового и супрамолекулярного диапазона, где на первое место вышли вопросы сохранения условий правильной работы (когерентности) на интервалах времени и в диапазонах изменения внешних условий, сопоставимых с возможностями современной (суб) микронной элементной базы.
При этом задним числом обратили внимание на тот факт, что при переходе от "навесной" электроники к интегральной микроэлектронике перераспределились функции в "иерархии" разработчиков средств вычислительной техники, что неминуемо привело к изменению показателей оценки качества создаваемых изделий. Действительно, в "навесной" электронике состав элементной базы, узлов и блоков диктовался разработчиками ЭВМ, а схема считалась тем лучше, чем меньше в ней активных элементов. В микроэлектронике состав блоков и устройств процессора стал определяться разработчиком СБИС, а лучшей стала считаться схема, которая занимает меньшую площадь и по максимуму использует "короткие" однородные связи. В итоге все без исключения производители микропроцессоров безоговорочно стали использовать внутренние микроконвейеры, а в процессоры RISC-архитектуры стали включать только те операционные блоки, а с ними и ассемблерные инструкции, которые удовлетворяют условиям эффекти
вной микроэлектронной реализации.
Одновременно с переходом к микроэлектронным изделиям ультрабольшой (свыше 1 млн. транзисторов) степени интеграции даже в массово доступных процессорах развернулась борьба за повышение не только тактовой частоты, но и функциональной насыщенности каждого такта за счет векторно-конвейерного распараллеливания вычислений как на одном кристалле, так и в вычислительной системе в целом.
До этого методы и средства распараллеливания вычислений исследовались и использовались в рамках вычислительных систем, ориентированных на решение задач с " критическими " требованиями к производительности, пропускной способности, точности и отказоустойчивости, которые не менее чем на порядок превосходили физические возможности аппаратуры. Такие задачи ставились и решались в основном разработчиками систем управления в реальном времени локальными и глобальными военными комплексами, объектами атомной энергетики, опасными химическими и биологическими производствами и т. п.
Военно-политическая составляющая таких задач объективно возлагала на военные бюджеты высокоразвитых стран консолидирующую роль в создании и продвижении на рынок новых информационных технологий и программно-аппаратных платформ их поддержки. Наиболее четко эта тенденция проявилась в США и СССР как главных участниках гонки вооружений. Показательно, что "кремниевая долина" США вышла на самоокупаемость только в начале 90-х годов прошлого столетия, а в основе ее технического перевооружения даже в субмикронной области по-прежнему лежат миллиардные военные контракты.
СССР в силу целого ряда объективных и субъективных причин отставал по технологическому уровню микроэлектронного производства от США. Поэтому в развитии информационных технологий "собственных нужд" он вынужден был делать основную ставку на распараллеливание вычислений, которое невозможно было реализовать без глубоких знаний предметной области, а значит, и без теснейшего взаимодействия с информационными технологиями, отработанными специалистами предметной области.
В итоге такого взаимодействия к середине 80-х годов прошлого столетия у нас в стране сформировалась бит-потоковая вычислительная технология сквозного системного проектирования проблемно- и алгоритмически ориентированных субпроцессорных трактов, в рамках которой:
комплексно решались все вопросы от выбора физико-технических процессов работы элементной базы и до потоковых алгоритмов обработки данных;
разработчик прикладных задач получил доступ к микрокомандному уровню управления (сверх)большим коллективом элементарных вычислителей, что обеспечило достижение предельно возможных (по алгоритму и аппаратуре) коэффициентов векторно-конвейерного распараллеливания и требуемой для этого пропускной способности по потокам данных;
заданные показатели отказоустойчивости аппаратуры оказались достижимы при некратном ее резервировании, а негативное влияние распараллеливания вычислений на вычислительную устойчивость алгоритмов компенсировалось высокой адаптивностью разрядной сетки при обработке и передаче промежуточных данных. Теоретическую базу данной технологии составили работы по однородным вычислительным средам и структурам наших отечественных ученых Э.В. Евреинова, Ю.Т. Косарева, А.В. Каляева, И.В. Прангишвили и ряда других авторов, которые своими исследованиями предопределили необходимость объединения в одной вычислительной технологии сверхмассового микрокомандного параллелизма с потоковой и ассоциативной организацией вычислений. В связи с распадом СССР данная технология
не получила широкого распространения даже у нас в стране, но обнародованные результаты натурных исследований успели остудить горячие головы по обе стороны "железного занавеса", которые рвались к развертыванию ударных космических группировок, запланированному не по нашей инициативе на 1995 год.
Стратегический характер данной разработки, а также реальные ограничения на все виды материальных, финансовых, интеллектуальных и других видов ресурсов вынудили проводить ее с учетом 40-летнего прогноза развития электроники и вычислительной техники. Простейший линейный прогноз с экспертным замедлением темпов снижения топологических норм микроэлектроники показал, что к 2015-2020 годам микроминиатюризация может достичь своих физических пределов. В результате процессы производства и функционирования элементной базы должны были оказаться в прямой зависимости от законов квантовой механики. Поэтому базовые положения и программные инструментальные платформы бит-потоковой технологии с микрокомандным уровнем доступа разрабатывались с учетом выхода аппаратных платформ на уровень прямых квантовых взаимодействий.
Прогноз оказался достаточно удачным, и человечество действительно стоит на рубеже освоения нанотехнологий, способных кардинально изменить его взаимоотношения с внешней средой и внутри себя. Учитывая реальность такой перспективы, авторы работы поставили перед собой задачу передать следующему поколению информационных технологов "собственных нужд" достигнутые в области бит-потоковых технологий результаты, сопоставив их с достижениями в других направлениях развития вычислительной техники.
Одним из адресатов книги является менеджерский корпус, от успешной работы которого зависит качество однопроходного, бездефектного, сквозного системного проектирования и запуска информационной технологии "собственных нужд". Управляемость такой разработки, а с ней и успех возглавляемого менеджерами проекта "собственных нужд" определяется уровнем их собственных знаний "болевых" точек и законов их взаимодействия в рамках создаваемой технологии.
Сами "болевые" точки и особенно закономерности их взаимодействия наиболее четко проявляются при решении "критических" задач предметной области, удовлетворение требований которых вынуждает ставить во главу угла всего проекта забытую уже оценку соотношения между аппаратно-временными затратами, расходуемыми на реализацию функций пользователя и функций управления системой. В силу этих причин основу предметной области составили задачи аэрокосмических систем двойного назначения, от решения которых по объективным причинам невозможно отказаться ни в военном, ни в гражданском применении,
несмотря на запредельные и противоречивые требования, одновременно предъявляемые ими к производительности, точности и отказоустойчивости поддерживающих их вычислительных систем.
В [лекции 1 показан междисциплинарный характер всех без исключения компьютерных проектов, начиная с работ основоположников кибернетики и вычислительной техники в лице Н. Винера и Дж. фон Неймана, которые интегрировали достижения науки и техники того периода в таких областях, как (нейро)физиология и психология, статистическая физика и фундаментальная математика, электротехника, техника связи, радиотехника и т. д. Показано, что междисциплинарный характер современных компьютерных проектов только усилился. Это наиболее четко проявляется при создании современных аэрокосмических летательных аппаратов, которые представляют собой сложные технотронные комплексы, - их эксплуатация и (боевое) применение в принципе невозможны без использования компьютерных технологий. Благодаря этой особенности именно в авиационно-космическом приборостроении США зародилась и продолжает развиваться проектная технология прототипирования,
в рамках которой информационная технология "собственных нужд" адаптируется под требования технологии управления и эксплуатации создаваемого летательного аппарата, который по объективным причинам необходимо рассматривать как открытую систему. Открытость авиационно-космической техники проявляется в том, что за "время жизни" (порядка 10-20 лет) ее бортовое оборудование постоянно модифицируется как по составу, так и по показателям качества. Главная опасность такой модификации состоит в том, что на таком интервале времени может измениться не одно поколение разработчиков. В результате может потеряться "системотехнический контекст" всего проекта, так как согласно Дж. фон Нейману "…сложную систему проще сделать, чем описать…". Потеря такого контекста чревата возникновением конфликт-индуцированных ситуаций как между операторами технотронных комплексов, так и между оборудованием и оператором, что грозит потерей контроля над управляемыми объектами и процессами. Потенциальные источники
таких опасностей показаны в разделе 1.3 и должны учитываться разработчиками технотронных комплексов как на этапе их создания, так и на этапах модификации. Опыт консолидации финансовых, экономических, интеллектуальных и технических ресурсов общества для решения задач прорывных научных исследований проанализирован в разделе 1.4 на примере американской программы, получившей название СОИ, и на примере японской программы ERATO, ориентированной на формирование менеджерского корпуса для прорывных научных и технологических проектов XXI века. В завершение лекции показана взаимосвязь]
между комплексом интенсивных и экстенсивных физико-технических, схемо- и системотехнических факторов, определяющих развитие средств вычислительной техники.
В [лекции 2 раскрыт эволюционный характер становления технологии прототипирования при создании боевых летательных аппаратов F-22 и F 35, что, в частности, подтверждает консолидирующее влияние военного бюджета в прорывных проектных технологиях, которые невозможно реализовать только силами даже таких мощных корпораций как Boeing, McDonnell Douglas, Lockheed, Martin Marietta и т. д.]
Необходимость освоения технологии прототипирования вызвана тем фактом, что развитие бортового электронного оборудования (БЭО) авиации США ориентировано на переход от прямого к директивному, а впоследствии и к декларативному управлению сложными технотронными комплексами, в рамках которого пилот задает только цели и режимы функционирования бортовых систем и всего летательного аппарата (ЛА). В таких условиях реализация поставленных целей и оптимизация режимов работы систем ЛА полностью возлагается на его бортовую вычислительную систему (БВС), которая и призвана решить "критические" задачи управления, вплоть до непрерывной оценки технического состояния ЛА и всего БЭО с использованием методов и средств искусственного интеллекта. Стратегический характер задач технологии прототипирования проявляется в стремлении высокоразвитых стран к завоеванию "экономического господства в воздухе", которое неминуемо должно привести
к мировому распределению труда, а с ним и доходов от производства и эксплуатации ЛА, стоимостные характеристики которых уже сейчас приближаются к миллиарду долларов на 1 самолет. Механизм реализации этой стратегии закладывается в процедуры и нормы сертификации ЛА и их БЭО, которые лоббируются через международную организацию гражданской авиации ICAO и которые кардинальным образом перераспределяют задачи обеспечения безопасности полетов между наземными и бортовыми комплексами в пользу последних (стратегия автономизации всех функций управления ЛА). В рамках такой стратегии получает мощный импульс развития беспилотная авиация (в основном военного назначения), которая призвана снизить собственные потери живой силы в локальных военных конфликтах со слаборазвитыми в техническом и экономическом отношениях странами. Показано также, что даже такая технологически развитая страна как США не способна удовлетворить требования "критических" задач управления ЛА на основе одной аппаратной платфор
мы.
Поэтому в БВС ЛА 5-го поколения планируется использовать RISC -процессоры, цифровые процессоры обработки сигналов и FPGA- матрицы, из которых только последние ориентированы на решение "критических" задач управления ЛА, связанных с обработкой
в реальном времени изображений и поддержкой механизмов "виртуальной реальности". ( FPGA- матрица - это Field Programmable Gate Array, или программируемая пользователем вентильная матрица). В итоге можно утверждать, что целевая функция построения и работы БВС за последние 25-30 лет фактически не изменилась и разработчики по-прежнему ориентированы на создание открытых, многоуровневых, неоднородных, распределенных, (сверх)параллельных, защищенных от несанкционированного доступа БВС повышенной живучести.
В [лекции 3 показана общность традиционных компьютерных технологий, в основе которых лежит теория алгоритмов и машины Тьюринга, с нейрокомпьютерными технологиями, для реализации которых достаточно "нечисленного" операционного базиса в виде "ассоциативной выборки" и "подстановки" (замещения) символов. При этом первичность нейроком-пьютерных технологий по отношению к компьютерным предопределяет сама логика формализации: от эмпирической таблицы к аналитическому или алгоритмическому представлению. Поэтому разница между компьютерными и нейрокомпьютерными технологиями в конечном счете состоит в уровне доступности пользователя к операционному базису. В ней-рокомпьютерных технологиях пользователю доступны "элементарные операции" сетевого уровня управления. В традиционных вычислительных технологиях уровень "элементарных операций" (микрокоманд) доступен только производителю процессора - он формирует ассемблерные команды,
которые для разработчика прикладных программ уже являются "неделимой единицей проекта" и поддерживаются практически независимыми микроэлектронными аппаратными блоками.]
В итоге в нейрокомпьютерных технологиях любое задание можно представить тривиальной таблицей соответствия между входными воздействиями и требуемыми реакциями. В традиционных вычислительных технологиях требуется не только формализованное представление задания, но и алгоритм, регламентирующий последовательность выполнения ассемблерных команд. Показано также, что фундаментальной основой экстенсиональной эквивалентности традиционных и нейроподобных ЭВМ служит сводимость вычислительных по Тьюрингу процедур к перечислимым по Тьюрингу процедурам, первые из которых составляют операционный базис ЭВМ одной из традиционных архитектур, а вторые - одной из нейрокомпьютерных архитектур. Поэтому имеются достаточные и формально доказанные основания утверждать, что любой нейро-ЭВМ можно поставить в соответствие классическую ЭВМ, эквивалентную по вычисляемой функции, и наоборот. ( Экстенсиональная эквивалентность означает эквивалентность по конечному эффекту, а не по процедуре
его достижения.) Отталкиваясь от результатов А.Н. Колмогорова в области
алгоритмической меры информации, показано, что оценку алгоритмической сложности реальных (нейро)компьютерных реализаций можно провести только с определенной погрешностью и при достаточно жестких ограничениях на используемые вычислительные и/или перечислительные алгоритмы, что характерно для алгоритмически ориентированных областей применения традиционных вычислителей и "дочерних" нейро-ЭВМ, а не для машин общего назначения.
В [лекции 4 проанализированы современные нейрохимические модели нейронов, которые исходят из тончайшего молекулярно-биологического взаимодействия внешнего субстрата с внутренними (метаболическими) процессами. Эти особенности работы реальных нейронов не могли быть отражены в электрофизиологической модели Ходжкина - Хаксли, положенной в основу ставших уже традиционными (много)пороговых моделей формальных нейронов. С этих позиций сети Мак-Каллока - Питтса и Ф. Розенблатта отличаются способами соединения и управления пороговыми элементами. Чтобы отразить известные уже нейрохимические особенности работы реальных нейронов в их формальных моделях, необходимо учесть последние достижения нейрофизиологии, среди которых можно выделить теорию конвергентного замыкания условного рефлекса отечественного нейрофизиолога академика П.К. Анохина. Она указывает на существование реальных "нейрокомпиляторов" с уровня межней-рональных взаимодействий, поддерживаемых межклеточным
супрамолекулярным нейросубстратом, на уровень метаболических процессов, и наоборот. В результате можно предположить, что в реальной нервной системе "задание" доводится или по крайней мере может быть доведено до молекулярно-биологических взаимодействий, соподчиненных законам квантовой механики. Поэтому для решения центральной проблемы современной нано- и супрамолекулярной электроники, связанной с деко-герентизацией квантовых систем, осмысленным является поиск методов и средств прямого отображения заданий предметной области на физико-химический уровень работы "элементной базы", что требует динамичного синтеза нанометровых и супрамолекулярных вычислительных структур с ограниченным "временем жизни".]
Следуя по этому пути, удалось синтезировать теоретико-групповую модель формального нейрона, которая позволяет решать задачи оптимального синтеза нейро-ЭВМ на конечном множестве целочисленных вариаций весового и порогового векторов. Такая модель создает предпосылки для прямого отображения задач предметной области применения нейро-ЭВМ на квантовые процессы наноэлектронных систем, фундаментальные свойства которых определяются и описываются группами симметрий.
При этом сохраняется традиционная схема кремниевой компиляции с использованием библиотек стандартных элементов, которая и ограничивает совокупность используемых теоретико-групповых преобразований, отвечающих физико-химическому уровню описания работы нанометровой или супрамолекулярной элементной базы.
В [лекции 5 показана принципиальная возможность использования в вычислительной технике упрощенных аналогов механизмов конвергентного замыкания. Для этого достаточно:]
признать тот факт, что многофункциональность "элементарных вычислителей" является не только прерогативой нейрокомпьютер-ных технологий и она может быть реализована методами и средствами традиционных компьютерных технологий;
использовать микрокомандный уровень доступа и естественный структурно-функциональный дуализм между потоками инструкций и данных, который позволяет рассматривать мультиплексор и как коммутационный автомат, и как универсальный логический модуль, способный реализовать любую логическую функцию фиксированного числа переменных.
Структурно-функциональный дуализм предопределяет также и эффективность использования PD -ассоциативных методов управления, особенно в многопроцессорных вычислительных системах МКМД-типа, которые критичны к процедурам инициализации и распределения потоков инструкций. (МКМД - организация вычислений по типу "множественный поток инструкций - множественный поток данных".) В таких условиях PD -ассоциативное управление позволяет с помощью специально организованного потока данных и без обращения к внешней памяти модифицировать в реальном времени инструкцию, закрепленную за локальным вычислителем. PD -ассоциативное управление критично к информационным и аппаратным "сбоям", но оно адекватно условиям работы нанометро-вых и супрамолекулярных вычислителей, в которых "тирания" паразитных полимодальных квантовых взаимодействий способна изменить реализуемую функцию. В результате PD- ассоциативные конструкции позволяют компл
ексно использовать структурно-параметрические методы и средства хранения и преобразования информации во время динамичного синтеза квантового "рабочего тела" проблемно-ориентированных нанометровых или супрамолекулярных вычислителей. В таких условиях физико-химический синтез становится составной частью вычислительного процесса, а предшествующая ему деструкция "рабочего тела" вычислителя-предка будет тем "глубже", чем выше размерность PD- ассоциативного управляющего вектора в вычислителе-потомке.
В [лекции 6 сопоставлены возможности основных информационных технологий "собственных нужд":]
кремниевая компиляция, которая используется для создания программируемых и заказных СБИС или УБИС;
ПЛИС-технология, которая обеспечивает прямое отображение основных, интерфейсных и управляющих функций на (полу)заказ-ные СБИС или УБИС (ПЛИС - программируемые логические интегральные схемы);
бит-процессорная технология, которая обеспечивает отображение функций пользователя в "терминах" микропрограммного уровня организации вычислений в (Б)ВС с массовым параллелизмом, повышенной живучести и вычислительной устойчивости.
ЦПОС-технология, которая обеспечивает отображение проблемно-ориентированных функций пользователя в "терминах" языка низкого уровня (ЦПОС - цифровой процессор обработки сигналов);
RISC-технология, которая обеспечивает отображение проблемно-ориентированных функций пользователя в "терминах" языка высокого уровня многопроцессорных (Б)ВС (RISC - редуцированная система инструкций на микропрограммном уровне управления);
нейрокомпьютерная технология, которая обеспечивает прямое отображение функций пользователя на сетевой уровень организации вычислений.
Показано:
В комплексной оценке качества (Б)ВС тесно переплетены как системотехнические, так и конструктивно-технологические факторы, первые из которых фактически предопределяют коэффициент использования физических возможностей параллельных (Б)ВС, а вторые - сами эти возможности.
Основными факторами, ограничивающими допустимый уровень параллелизма в (Б)ВС, являются не только потребляемая мощность и габариты, но и вычислительная устойчивость, которая в параллельной арифметике падает с ростом коэффициента распараллеливания вычислений. Поэтому в (сверх)параллельных (Б)ВС более перспективной можно считать последовательную (конвейерную) арифметику, обеспечивающую одинаковую и произвольно наращиваемую в ходе вычислений разрядность как регистров-аккумуляторов, так и шин обмена данными.
Основные системные аппаратно-временные издержки (сверх)парал-лельных (Б)ВС связаны с обеспечением взаимодействия многомерных потоков команд и многомерных потоков данных, в которых образуются "вихри" из-за наличия в программах операторов условных переходов, нарушающих линейный порядок перечисления потоков инструкций.
Прямой перенос алгоритмов и программ с последовательных на параллельные (Б)ВС может привести к потере вычислительной устойчивости, а значит, и к непрогнозируемому поведению автоматизированных комплексов в целом. Это чревато потерей управления сложными и опасными технотронными комплексами, функционирование которых осуществляется на и над собственной территорией.
Нейрокомпиляция является единственной альтернативой современным технологиям погружения заданий предметной области на уровень аппаратной реализации, и она призвана сократить финансовые, временные и интеллектуальные издержки на формирование исполняемого формата за счет замены дорогостоящих этапов алгоритмизации, программирования и компиляции обучением "дочерней" нейро-ЭВМ.
Нейрокомпьютерные технологии не отменяют интеллектуальный этап и связанные с ним затраты на создание формализованного описания задач. Они лишь изменяют представление формализованного описания в виде репрезентативных обучающих выборок. Обоснование и формирование репрезентативной обучающей выборки - не менее сложная интеллектуальная задача, чем получение формализованного описания задания пользователя ЭВМ.
Основное преимущество нейрокомпьютерных технологий сосредоточено в стандартных процедурах обучения или, что одно и то же, в формировании исполняемого формата задания вплоть до физико-технического или молекулярно-биологического уровня описания вычислительного процесса, а основная опасность использования нейрокомпьютерных технологий в технотронных комплексах проистекает от непрогнозируемости их поведения в быстро изменяющейся "внешней среде".
Успех RISC -технологий был обусловлен максимальной консолидацией финансовых и интеллектуальных ресурсов США под эгидой Агентства по прорывным исследовательским проектам в области обороны, но успешное продвижение инновационной технологии обеспечила коммерциализация инновационного проекта, изменившего стратегию создания изделий вычислительной техники.
В [лекции 7 проанализированы наиболее вероятные изменения информационных технологий "собственных нужд", которые могут вызвать наноэ-лектронные или супрамолекулярные аппаратные платформы. Отталкиваясь от фундаментальных положений квантовой механики, мы показали:]
В субмикронных твердотельных вентилях строго фиксированные детерминированные переходные процессы между уровнями физических сигналов, кодирующих логический "ноль" и логическую "единицу", находятся под полным контролем разработчиков и эксплуатирующего персонала средств вычислительной техники. В супрамо-лекулярных гетероструктурах переходные процессы уже существуют априори и носят вероятностный характер. Поэтому в супрамолеку-лярной электронике необходимо подавить множественные "паразитные" полимодальные взаимодействия как между субъединицами гетероструктуры, так и всей гетероструктуры с внешней средой.
Классическая технология кремниевой компиляции сохранит свою актуальность и в нанометровых вычислителях с той разницей, что:может измениться на противоположное отношение "простой-сложный" между логическими и арифметическими функциями и реализующими их блоками, а также между комбинационными и конечными автоматами, работа которых приобретет вероятностный характер, включая и (до)определение начальных и текущих состояний;
размещение библиотечных бит-, слов- и поток-инструкций в тело (микро)программы практически всегда будет сопровождаться их структурно-функциональной "деформацией".
В нанометровых и супрамолекулярных вычислителях ассоциативная обработка приобретает атрибутивный характер, обеспечивая если и не динамичную, то по крайней мере приемлемую по времени структурно-функциональную адаптацию гипербольшого коллектива вычислителей (в случае полной деструкции вычислителя-предка) под требования как задач-наследников, так и действующей карты отказов.
Если в (суб)микронных изделиях электроники задача потребления энергии, отвода и рассеяния тепла решается на схемотехническом и конструктивно-технологическом уровнях проектирования, то в нано-метровых вычислителях для этого придется привлекать и системотехнический уровень, обеспечивающий пространственно-временное перераспределение парциальной энергии за счет ее аккумулирования и расходования в специфической для отдельных элементов, блоков и устройств физико-химической форме.
В результате таких изменений могут оказаться более эффективными:
критерии оптимальности, учитывающие не минимум аппаратно-временных затрат на решение каждой задачи, а максимум структурно-функционального сходства (родства) в общем случае непрямых алгоритмически ориентированных вычислителей-наследников и их предков;
методы и средства структурно-функциональной адаптации и эволюции открытых систем, которые в явном виде учитывают энергетические (термодинамические) затраты:на частичную или полную деструкцию вычислителя-предка;
на полную или частичную консервацию термов вычислителя-предка для их дальнейшего использования в непрямом и, вообще говоря, отстоящем во времени вычислителе-наследнике;
на поддержание устойчивого функционирования вычислителя-наследника, "родственного" по структурно-функциональной схеме вычислителю-предку, на интервалах активности задач и т. п.;
не методы классической компиляции программ, а формальнологические методы интерпретации задач-наследников в терминах задач-предков, которые могут изменять отношение "родства", повышая живучесть одной из задач-предков, а значит, и одного из вычислителей-предков;
аналоги молекулярно-биологических технологий, в которых объединены в единый производственный цикл фактически неразрывные процессы:"формализации" задач пользователя;
"проектирования" нанометровых вычислителей путем компиляции или интерпретации алгоритмов и программ на уровне квантовых процессов;
адаптации или "производства" в неоднородном функционально-логическом и "технологическом" базисе гиперпараллельных вычислителей;
поддержания условий их правильного функционирования в широком диапазоне изменения внешних воздействующих факторов и при наличии "карт отказов" и т. п.
В [лекции 8 проанализирована роль нейрокомпиляторов в создании инструментальных платформ наноэлектронных и супрамолекулярных вычислительных технологий. Показано, что аналоги молекулярно-биологических технологий должны учитывать следующие особенности прототипов:]
Инструктированный синтез характерен только для этапа биологической эволюции, а самоорганизация и связанные с ней синергетические принципы и методы управления свойственны предбиологическо-му этапу. Оба этих метода взаимно дополняют друг друга, так как инструктированный синтез отталкивается от достаточно сложного молекулярного субстрата, который в эволюции жизни на Земле мог быть получен только с помощью самоорганизующихся нелинейных автокаталитических реакций.
Неоднозначная идентификация физико-химических объектов, от которой невозможно избавиться даже с привлечением фундаментальных констант:предопределяет необходимость использования полуэмпирических методов и средств управления сложным нелинейным комплексом молекулярно-биологических процессов с глубокими обратными связями;
служит главным источником имитационного моделирования, которое обеспечивает любому организму необходимые условия восприятия и последующего анализа всех внешних воздействий.
Вариационный характер механизмов структурно-параметрической идентификации (узнавания) молекулярно-биологических субстратов говорит о том, что генетический код в традиционном инженерном понимании кодом не является и его следует рассматривать не как совокупность символов, а как совокупность "иероглифов", изменяющих свое "содержимое" в зависимости от контекста.
Криптостойкость генетического кода является результатом объективных эволюционных процессов - в их рамках исходный нуклеиновый субстрат синтезирован с использованием механизмов самоорганизации диссипативных структур и поэтому допускает гиперкомбинаторное множество конформационных преобразований, которое еще требуется ограничить преобразованиями, сохраняющими отношение комплементарности между кодонами и антикодонами, что является необходимым условием инструктированного синтеза макромолекул нативного белка.
В нейрофизиологических системах преобразование информации осуществляется не столько в специфических операционных устройствах, сколько в распределенной и иерархически организованной ассоциативной памяти, работающей на принципах структурно-параметрической адаптации и идентификации.
В результате перспективный нейрокомпилятор должен комплексно использовать как методы и средства "нечисленной" нейроматематики для эффективного сопряжения нелинейных подсистем с глубокими обратными связями, так и строгую "численную" математику, которая способна точно описать поведение сопрягаемых молекулярно-биологических субъединиц, но бессильна дать точную оценку качества на всем гипербольшом многообразии альтернативных вариантов протекания управляемого процесса.
Не все положения и выводы, включенные в книгу, являются бесспорными. В частности, схемотехника нано- и супрамолекулярных структур может остановиться на управляемом извне переносе в пространстве заряженных частиц, как это имеет место в субмикронных УБИС, и не
пойти по пути их перераспределения в пространстве, изменяющем физико-химические свойства многоатомного субстрата, как это предполагается в разделе 7.5. Такая смена физико-технической платформы не может пройти без противоборства со сторонниками "твердотельного рая" в виде потенциальных барьеров и ям, которые сами когда-то вытеснили из вычислительной техники сторонников электронно-вакуумных приборов, считавшиеся более радиационно стойкими.
Разделы 2.1, 2.3-2,5, написаны А.А. Поповым, а разделы 1.3, 8.5 и 8.6 - совместно А.В. Котовым и Г.М. Алакозом. Разделы 2.2, 6.2 написаны А.П. Сериковым. Остальной материал книги написан Г.М. Алакозом.
После распада СССР исследования технологий микропрограммного конструирования были поддержаны командованием Военно-воздушной инженерной академии им. проф. Н.Е. Жуковского, и в первую очередь генерал-полковником авиации, дважды Героем Советского Союза, летчиком-космонавтом В.В. Коваленком, генерал-лейтенантом В.П. Кутаховым, генерал-лейтенантом В.А. Ефимовым, генерал-майором Ю.Б. Кулифеевым, полковником В.П. Харьковым и коллективом кафедры электронной автоматики.
Термин "технология" традиционно ассоциируется с операционной картой, регламентирующей действия персонала с оборудованием и оснасткой в процессе производства материальных продуктов. Словосочетание "информационные технологии" указывает на то, что объектом производства является нематериальный продукт, "карта" которого ограничена тремя типами операций: хранение, передача и преобразование информации, включая ее кодирование. Поэтому вторая специфическая особенность информационных технологий состоит в том, что в них "информация" выступает и как исходное сырье, и как конечный продукт. В результате в информационных технологиях весьма спорными остаются ответы на вопросы о качестве и количестве "произведенного продукта", что требует привлечения не только алгоритмических, вероятностных ил
и статистических, но и семантических и/или прагматических методов и средств оценки.
Тем не менее, термин " информационные технологии " прочно укрепился в науке и обществе, и к нему прибегают, когда требуется описать хранение, передачу и преобразование информации и используемые при этом вычислительные ресурсы ЭВМ: память, операционные, интерфейсные, адресные, коммутационные и управляющие устройства.
В научных и прикладных разработках информационных технологий можно выделить два взаимно обусловленных направления, одно из которых занимается созданием аппаратных средств и инструментальных платформ их использования, а другое - собственно применением вычислительной техники в конкретных прикладных областях деятельности человека. На начальном этапе развития кибернетики и вычислительной техники доминировало первое направление исследований, но уже с середины 80-х годов прошлого столетия вопросы информационных технологий "собственных нужд" стали уделом "элитарного круга" специалистов высокоразвитых стран. Этот круг был очерчен во многом благодаря успехам кремниевой компиляции, которые привели к повышению качества сквозного, "однопроходного", бездефектного проектирования СБИС и, как следствие, к сокращению сроков разработки и повышению процента выхода годных устройств, что резко удешевило радиоэлектронную и вычислительную аппаратуру, сделав ее массово доступ
ной.
Однако невиданная по масштабам коммерциализация информационных технологий не обошлась без жертв и уже к середине 90-х годов прошлого столетия привела к гипертрофированному дисбалансу между аппаратно-временными затратами, расходуемыми на системные и пользовательские функции. В результате системные функции, связанные с управлением вычислительными ресурсами непосредственно во время вычис-
лений, и особенно так называемый "дружественный интерфейс" стали основными "пожирателями" этих же ресурсов. В таких условиях оказались несостоятельными устоявшиеся оценки эффективности работы вычислительной техники, прямо или контекстно учитывающие некоторый коэффициент полезного действия.
Ситуация в этой области еще больше усложнилась, когда в тот же период времени были развернуты широкомасштабные прикладные исследования элементной базы нанометрового и супрамолекулярного диапазона, где на первое место вышли вопросы сохранения условий правильной работы (когерентности) на интервалах времени и в диапазонах изменения внешних условий, сопоставимых с возможностями современной (суб) микронной элементной базы.
При этом задним числом обратили внимание на тот факт, что при переходе от "навесной" электроники к интегральной микроэлектронике перераспределились функции в "иерархии" разработчиков средств вычислительной техники, что неминуемо привело к изменению показателей оценки качества создаваемых изделий. Действительно, в "навесной" электронике состав элементной базы, узлов и блоков диктовался разработчиками ЭВМ, а схема считалась тем лучше, чем меньше в ней активных элементов. В микроэлектронике состав блоков и устройств процессора стал определяться разработчиком СБИС, а лучшей стала считаться схема, которая занимает меньшую площадь и по максимуму использует "короткие" однородные связи. В итоге все без исключения производители микропроцессоров безоговорочно стали использовать внутренние микроконвейеры, а в процессоры RISC-архитектуры стали включать только те операционные блоки, а с ними и ассемблерные инструкции, которые удовлетворяют условиям эффекти
вной микроэлектронной реализации.
Одновременно с переходом к микроэлектронным изделиям ультрабольшой (свыше 1 млн. транзисторов) степени интеграции даже в массово доступных процессорах развернулась борьба за повышение не только тактовой частоты, но и функциональной насыщенности каждого такта за счет векторно-конвейерного распараллеливания вычислений как на одном кристалле, так и в вычислительной системе в целом.
До этого методы и средства распараллеливания вычислений исследовались и использовались в рамках вычислительных систем, ориентированных на решение задач с " критическими " требованиями к производительности, пропускной способности, точности и отказоустойчивости, которые не менее чем на порядок превосходили физические возможности аппаратуры. Такие задачи ставились и решались в основном разработчиками систем управления в реальном времени локальными и глобальными военными комплексами, объектами атомной энергетики, опасными химическими и биологическими производствами и т. п.
Военно-политическая составляющая таких задач объективно возлагала на военные бюджеты высокоразвитых стран консолидирующую роль в создании и продвижении на рынок новых информационных технологий и программно-аппаратных платформ их поддержки. Наиболее четко эта тенденция проявилась в США и СССР как главных участниках гонки вооружений. Показательно, что "кремниевая долина" США вышла на самоокупаемость только в начале 90-х годов прошлого столетия, а в основе ее технического перевооружения даже в субмикронной области по-прежнему лежат миллиардные военные контракты.
СССР в силу целого ряда объективных и субъективных причин отставал по технологическому уровню микроэлектронного производства от США. Поэтому в развитии информационных технологий "собственных нужд" он вынужден был делать основную ставку на распараллеливание вычислений, которое невозможно было реализовать без глубоких знаний предметной области, а значит, и без теснейшего взаимодействия с информационными технологиями, отработанными специалистами предметной области.
В итоге такого взаимодействия к середине 80-х годов прошлого столетия у нас в стране сформировалась бит-потоковая вычислительная технология сквозного системного проектирования проблемно- и алгоритмически ориентированных субпроцессорных трактов, в рамках которой:
комплексно решались все вопросы от выбора физико-технических процессов работы элементной базы и до потоковых алгоритмов обработки данных;
разработчик прикладных задач получил доступ к микрокомандному уровню управления (сверх)большим коллективом элементарных вычислителей, что обеспечило достижение предельно возможных (по алгоритму и аппаратуре) коэффициентов векторно-конвейерного распараллеливания и требуемой для этого пропускной способности по потокам данных;
заданные показатели отказоустойчивости аппаратуры оказались достижимы при некратном ее резервировании, а негативное влияние распараллеливания вычислений на вычислительную устойчивость алгоритмов компенсировалось высокой адаптивностью разрядной сетки при обработке и передаче промежуточных данных. Теоретическую базу данной технологии составили работы по однородным вычислительным средам и структурам наших отечественных ученых Э.В. Евреинова, Ю.Т. Косарева, А.В. Каляева, И.В. Прангишвили и ряда других авторов, которые своими исследованиями предопределили необходимость объединения в одной вычислительной технологии сверхмассового микрокомандного параллелизма с потоковой и ассоциативной организацией вычислений. В связи с распадом СССР данная технология
не получила широкого распространения даже у нас в стране, но обнародованные результаты натурных исследований успели остудить горячие головы по обе стороны "железного занавеса", которые рвались к развертыванию ударных космических группировок, запланированному не по нашей инициативе на 1995 год.
Стратегический характер данной разработки, а также реальные ограничения на все виды материальных, финансовых, интеллектуальных и других видов ресурсов вынудили проводить ее с учетом 40-летнего прогноза развития электроники и вычислительной техники. Простейший линейный прогноз с экспертным замедлением темпов снижения топологических норм микроэлектроники показал, что к 2015-2020 годам микроминиатюризация может достичь своих физических пределов. В результате процессы производства и функционирования элементной базы должны были оказаться в прямой зависимости от законов квантовой механики. Поэтому базовые положения и программные инструментальные платформы бит-потоковой технологии с микрокомандным уровнем доступа разрабатывались с учетом выхода аппаратных платформ на уровень прямых квантовых взаимодействий.
Прогноз оказался достаточно удачным, и человечество действительно стоит на рубеже освоения нанотехнологий, способных кардинально изменить его взаимоотношения с внешней средой и внутри себя. Учитывая реальность такой перспективы, авторы работы поставили перед собой задачу передать следующему поколению информационных технологов "собственных нужд" достигнутые в области бит-потоковых технологий результаты, сопоставив их с достижениями в других направлениях развития вычислительной техники.
Одним из адресатов книги является менеджерский корпус, от успешной работы которого зависит качество однопроходного, бездефектного, сквозного системного проектирования и запуска информационной технологии "собственных нужд". Управляемость такой разработки, а с ней и успех возглавляемого менеджерами проекта "собственных нужд" определяется уровнем их собственных знаний "болевых" точек и законов их взаимодействия в рамках создаваемой технологии.
Сами "болевые" точки и особенно закономерности их взаимодействия наиболее четко проявляются при решении "критических" задач предметной области, удовлетворение требований которых вынуждает ставить во главу угла всего проекта забытую уже оценку соотношения между аппаратно-временными затратами, расходуемыми на реализацию функций пользователя и функций управления системой. В силу этих причин основу предметной области составили задачи аэрокосмических систем двойного назначения, от решения которых по объективным причинам невозможно отказаться ни в военном, ни в гражданском применении,
несмотря на запредельные и противоречивые требования, одновременно предъявляемые ими к производительности, точности и отказоустойчивости поддерживающих их вычислительных систем.
В [лекции 1 показан междисциплинарный характер всех без исключения компьютерных проектов, начиная с работ основоположников кибернетики и вычислительной техники в лице Н. Винера и Дж. фон Неймана, которые интегрировали достижения науки и техники того периода в таких областях, как (нейро)физиология и психология, статистическая физика и фундаментальная математика, электротехника, техника связи, радиотехника и т. д. Показано, что междисциплинарный характер современных компьютерных проектов только усилился. Это наиболее четко проявляется при создании современных аэрокосмических летательных аппаратов, которые представляют собой сложные технотронные комплексы, - их эксплуатация и (боевое) применение в принципе невозможны без использования компьютерных технологий. Благодаря этой особенности именно в авиационно-космическом приборостроении США зародилась и продолжает развиваться проектная технология прототипирования,
в рамках которой информационная технология "собственных нужд" адаптируется под требования технологии управления и эксплуатации создаваемого летательного аппарата, который по объективным причинам необходимо рассматривать как открытую систему. Открытость авиационно-космической техники проявляется в том, что за "время жизни" (порядка 10-20 лет) ее бортовое оборудование постоянно модифицируется как по составу, так и по показателям качества. Главная опасность такой модификации состоит в том, что на таком интервале времени может измениться не одно поколение разработчиков. В результате может потеряться "системотехнический контекст" всего проекта, так как согласно Дж. фон Нейману "…сложную систему проще сделать, чем описать…". Потеря такого контекста чревата возникновением конфликт-индуцированных ситуаций как между операторами технотронных комплексов, так и между оборудованием и оператором, что грозит потерей контроля над управляемыми объектами и процессами. Потенциальные источники
таких опасностей показаны в разделе 1.3 и должны учитываться разработчиками технотронных комплексов как на этапе их создания, так и на этапах модификации. Опыт консолидации финансовых, экономических, интеллектуальных и технических ресурсов общества для решения задач прорывных научных исследований проанализирован в разделе 1.4 на примере американской программы, получившей название СОИ, и на примере японской программы ERATO, ориентированной на формирование менеджерского корпуса для прорывных научных и технологических проектов XXI века. В завершение лекции показана взаимосвязь]
между комплексом интенсивных и экстенсивных физико-технических, схемо- и системотехнических факторов, определяющих развитие средств вычислительной техники.
В [лекции 2 раскрыт эволюционный характер становления технологии прототипирования при создании боевых летательных аппаратов F-22 и F 35, что, в частности, подтверждает консолидирующее влияние военного бюджета в прорывных проектных технологиях, которые невозможно реализовать только силами даже таких мощных корпораций как Boeing, McDonnell Douglas, Lockheed, Martin Marietta и т. д.]
Необходимость освоения технологии прототипирования вызвана тем фактом, что развитие бортового электронного оборудования (БЭО) авиации США ориентировано на переход от прямого к директивному, а впоследствии и к декларативному управлению сложными технотронными комплексами, в рамках которого пилот задает только цели и режимы функционирования бортовых систем и всего летательного аппарата (ЛА). В таких условиях реализация поставленных целей и оптимизация режимов работы систем ЛА полностью возлагается на его бортовую вычислительную систему (БВС), которая и призвана решить "критические" задачи управления, вплоть до непрерывной оценки технического состояния ЛА и всего БЭО с использованием методов и средств искусственного интеллекта. Стратегический характер задач технологии прототипирования проявляется в стремлении высокоразвитых стран к завоеванию "экономического господства в воздухе", которое неминуемо должно привести
к мировому распределению труда, а с ним и доходов от производства и эксплуатации ЛА, стоимостные характеристики которых уже сейчас приближаются к миллиарду долларов на 1 самолет. Механизм реализации этой стратегии закладывается в процедуры и нормы сертификации ЛА и их БЭО, которые лоббируются через международную организацию гражданской авиации ICAO и которые кардинальным образом перераспределяют задачи обеспечения безопасности полетов между наземными и бортовыми комплексами в пользу последних (стратегия автономизации всех функций управления ЛА). В рамках такой стратегии получает мощный импульс развития беспилотная авиация (в основном военного назначения), которая призвана снизить собственные потери живой силы в локальных военных конфликтах со слаборазвитыми в техническом и экономическом отношениях странами. Показано также, что даже такая технологически развитая страна как США не способна удовлетворить требования "критических" задач управления ЛА на основе одной аппаратной платфор
мы.
Поэтому в БВС ЛА 5-го поколения планируется использовать RISC -процессоры, цифровые процессоры обработки сигналов и FPGA- матрицы, из которых только последние ориентированы на решение "критических" задач управления ЛА, связанных с обработкой
в реальном времени изображений и поддержкой механизмов "виртуальной реальности". ( FPGA- матрица - это Field Programmable Gate Array, или программируемая пользователем вентильная матрица). В итоге можно утверждать, что целевая функция построения и работы БВС за последние 25-30 лет фактически не изменилась и разработчики по-прежнему ориентированы на создание открытых, многоуровневых, неоднородных, распределенных, (сверх)параллельных, защищенных от несанкционированного доступа БВС повышенной живучести.
В [лекции 3 показана общность традиционных компьютерных технологий, в основе которых лежит теория алгоритмов и машины Тьюринга, с нейрокомпьютерными технологиями, для реализации которых достаточно "нечисленного" операционного базиса в виде "ассоциативной выборки" и "подстановки" (замещения) символов. При этом первичность нейроком-пьютерных технологий по отношению к компьютерным предопределяет сама логика формализации: от эмпирической таблицы к аналитическому или алгоритмическому представлению. Поэтому разница между компьютерными и нейрокомпьютерными технологиями в конечном счете состоит в уровне доступности пользователя к операционному базису. В ней-рокомпьютерных технологиях пользователю доступны "элементарные операции" сетевого уровня управления. В традиционных вычислительных технологиях уровень "элементарных операций" (микрокоманд) доступен только производителю процессора - он формирует ассемблерные команды,
которые для разработчика прикладных программ уже являются "неделимой единицей проекта" и поддерживаются практически независимыми микроэлектронными аппаратными блоками.]
В итоге в нейрокомпьютерных технологиях любое задание можно представить тривиальной таблицей соответствия между входными воздействиями и требуемыми реакциями. В традиционных вычислительных технологиях требуется не только формализованное представление задания, но и алгоритм, регламентирующий последовательность выполнения ассемблерных команд. Показано также, что фундаментальной основой экстенсиональной эквивалентности традиционных и нейроподобных ЭВМ служит сводимость вычислительных по Тьюрингу процедур к перечислимым по Тьюрингу процедурам, первые из которых составляют операционный базис ЭВМ одной из традиционных архитектур, а вторые - одной из нейрокомпьютерных архитектур. Поэтому имеются достаточные и формально доказанные основания утверждать, что любой нейро-ЭВМ можно поставить в соответствие классическую ЭВМ, эквивалентную по вычисляемой функции, и наоборот. ( Экстенсиональная эквивалентность означает эквивалентность по конечному эффекту, а не по процедуре
его достижения.) Отталкиваясь от результатов А.Н. Колмогорова в области
алгоритмической меры информации, показано, что оценку алгоритмической сложности реальных (нейро)компьютерных реализаций можно провести только с определенной погрешностью и при достаточно жестких ограничениях на используемые вычислительные и/или перечислительные алгоритмы, что характерно для алгоритмически ориентированных областей применения традиционных вычислителей и "дочерних" нейро-ЭВМ, а не для машин общего назначения.
В [лекции 4 проанализированы современные нейрохимические модели нейронов, которые исходят из тончайшего молекулярно-биологического взаимодействия внешнего субстрата с внутренними (метаболическими) процессами. Эти особенности работы реальных нейронов не могли быть отражены в электрофизиологической модели Ходжкина - Хаксли, положенной в основу ставших уже традиционными (много)пороговых моделей формальных нейронов. С этих позиций сети Мак-Каллока - Питтса и Ф. Розенблатта отличаются способами соединения и управления пороговыми элементами. Чтобы отразить известные уже нейрохимические особенности работы реальных нейронов в их формальных моделях, необходимо учесть последние достижения нейрофизиологии, среди которых можно выделить теорию конвергентного замыкания условного рефлекса отечественного нейрофизиолога академика П.К. Анохина. Она указывает на существование реальных "нейрокомпиляторов" с уровня межней-рональных взаимодействий, поддерживаемых межклеточным
супрамолекулярным нейросубстратом, на уровень метаболических процессов, и наоборот. В результате можно предположить, что в реальной нервной системе "задание" доводится или по крайней мере может быть доведено до молекулярно-биологических взаимодействий, соподчиненных законам квантовой механики. Поэтому для решения центральной проблемы современной нано- и супрамолекулярной электроники, связанной с деко-герентизацией квантовых систем, осмысленным является поиск методов и средств прямого отображения заданий предметной области на физико-химический уровень работы "элементной базы", что требует динамичного синтеза нанометровых и супрамолекулярных вычислительных структур с ограниченным "временем жизни".]
Следуя по этому пути, удалось синтезировать теоретико-групповую модель формального нейрона, которая позволяет решать задачи оптимального синтеза нейро-ЭВМ на конечном множестве целочисленных вариаций весового и порогового векторов. Такая модель создает предпосылки для прямого отображения задач предметной области применения нейро-ЭВМ на квантовые процессы наноэлектронных систем, фундаментальные свойства которых определяются и описываются группами симметрий.
При этом сохраняется традиционная схема кремниевой компиляции с использованием библиотек стандартных элементов, которая и ограничивает совокупность используемых теоретико-групповых преобразований, отвечающих физико-химическому уровню описания работы нанометровой или супрамолекулярной элементной базы.
В [лекции 5 показана принципиальная возможность использования в вычислительной технике упрощенных аналогов механизмов конвергентного замыкания. Для этого достаточно:]
признать тот факт, что многофункциональность "элементарных вычислителей" является не только прерогативой нейрокомпьютер-ных технологий и она может быть реализована методами и средствами традиционных компьютерных технологий;
использовать микрокомандный уровень доступа и естественный структурно-функциональный дуализм между потоками инструкций и данных, который позволяет рассматривать мультиплексор и как коммутационный автомат, и как универсальный логический модуль, способный реализовать любую логическую функцию фиксированного числа переменных.
Структурно-функциональный дуализм предопределяет также и эффективность использования PD -ассоциативных методов управления, особенно в многопроцессорных вычислительных системах МКМД-типа, которые критичны к процедурам инициализации и распределения потоков инструкций. (МКМД - организация вычислений по типу "множественный поток инструкций - множественный поток данных".) В таких условиях PD -ассоциативное управление позволяет с помощью специально организованного потока данных и без обращения к внешней памяти модифицировать в реальном времени инструкцию, закрепленную за локальным вычислителем. PD -ассоциативное управление критично к информационным и аппаратным "сбоям", но оно адекватно условиям работы нанометро-вых и супрамолекулярных вычислителей, в которых "тирания" паразитных полимодальных квантовых взаимодействий способна изменить реализуемую функцию. В результате PD- ассоциативные конструкции позволяют компл
ексно использовать структурно-параметрические методы и средства хранения и преобразования информации во время динамичного синтеза квантового "рабочего тела" проблемно-ориентированных нанометровых или супрамолекулярных вычислителей. В таких условиях физико-химический синтез становится составной частью вычислительного процесса, а предшествующая ему деструкция "рабочего тела" вычислителя-предка будет тем "глубже", чем выше размерность PD- ассоциативного управляющего вектора в вычислителе-потомке.
В [лекции 6 сопоставлены возможности основных информационных технологий "собственных нужд":]
кремниевая компиляция, которая используется для создания программируемых и заказных СБИС или УБИС;
ПЛИС-технология, которая обеспечивает прямое отображение основных, интерфейсных и управляющих функций на (полу)заказ-ные СБИС или УБИС (ПЛИС - программируемые логические интегральные схемы);
бит-процессорная технология, которая обеспечивает отображение функций пользователя в "терминах" микропрограммного уровня организации вычислений в (Б)ВС с массовым параллелизмом, повышенной живучести и вычислительной устойчивости.
ЦПОС-технология, которая обеспечивает отображение проблемно-ориентированных функций пользователя в "терминах" языка низкого уровня (ЦПОС - цифровой процессор обработки сигналов);
RISC-технология, которая обеспечивает отображение проблемно-ориентированных функций пользователя в "терминах" языка высокого уровня многопроцессорных (Б)ВС (RISC - редуцированная система инструкций на микропрограммном уровне управления);
нейрокомпьютерная технология, которая обеспечивает прямое отображение функций пользователя на сетевой уровень организации вычислений.
Показано:
В комплексной оценке качества (Б)ВС тесно переплетены как системотехнические, так и конструктивно-технологические факторы, первые из которых фактически предопределяют коэффициент использования физических возможностей параллельных (Б)ВС, а вторые - сами эти возможности.
Основными факторами, ограничивающими допустимый уровень параллелизма в (Б)ВС, являются не только потребляемая мощность и габариты, но и вычислительная устойчивость, которая в параллельной арифметике падает с ростом коэффициента распараллеливания вычислений. Поэтому в (сверх)параллельных (Б)ВС более перспективной можно считать последовательную (конвейерную) арифметику, обеспечивающую одинаковую и произвольно наращиваемую в ходе вычислений разрядность как регистров-аккумуляторов, так и шин обмена данными.
Основные системные аппаратно-временные издержки (сверх)парал-лельных (Б)ВС связаны с обеспечением взаимодействия многомерных потоков команд и многомерных потоков данных, в которых образуются "вихри" из-за наличия в программах операторов условных переходов, нарушающих линейный порядок перечисления потоков инструкций.
Прямой перенос алгоритмов и программ с последовательных на параллельные (Б)ВС может привести к потере вычислительной устойчивости, а значит, и к непрогнозируемому поведению автоматизированных комплексов в целом. Это чревато потерей управления сложными и опасными технотронными комплексами, функционирование которых осуществляется на и над собственной территорией.
Нейрокомпиляция является единственной альтернативой современным технологиям погружения заданий предметной области на уровень аппаратной реализации, и она призвана сократить финансовые, временные и интеллектуальные издержки на формирование исполняемого формата за счет замены дорогостоящих этапов алгоритмизации, программирования и компиляции обучением "дочерней" нейро-ЭВМ.
Нейрокомпьютерные технологии не отменяют интеллектуальный этап и связанные с ним затраты на создание формализованного описания задач. Они лишь изменяют представление формализованного описания в виде репрезентативных обучающих выборок. Обоснование и формирование репрезентативной обучающей выборки - не менее сложная интеллектуальная задача, чем получение формализованного описания задания пользователя ЭВМ.
Основное преимущество нейрокомпьютерных технологий сосредоточено в стандартных процедурах обучения или, что одно и то же, в формировании исполняемого формата задания вплоть до физико-технического или молекулярно-биологического уровня описания вычислительного процесса, а основная опасность использования нейрокомпьютерных технологий в технотронных комплексах проистекает от непрогнозируемости их поведения в быстро изменяющейся "внешней среде".
Успех RISC -технологий был обусловлен максимальной консолидацией финансовых и интеллектуальных ресурсов США под эгидой Агентства по прорывным исследовательским проектам в области обороны, но успешное продвижение инновационной технологии обеспечила коммерциализация инновационного проекта, изменившего стратегию создания изделий вычислительной техники.
В [лекции 7 проанализированы наиболее вероятные изменения информационных технологий "собственных нужд", которые могут вызвать наноэ-лектронные или супрамолекулярные аппаратные платформы. Отталкиваясь от фундаментальных положений квантовой механики, мы показали:]
В субмикронных твердотельных вентилях строго фиксированные детерминированные переходные процессы между уровнями физических сигналов, кодирующих логический "ноль" и логическую "единицу", находятся под полным контролем разработчиков и эксплуатирующего персонала средств вычислительной техники. В супрамо-лекулярных гетероструктурах переходные процессы уже существуют априори и носят вероятностный характер. Поэтому в супрамолеку-лярной электронике необходимо подавить множественные "паразитные" полимодальные взаимодействия как между субъединицами гетероструктуры, так и всей гетероструктуры с внешней средой.
Классическая технология кремниевой компиляции сохранит свою актуальность и в нанометровых вычислителях с той разницей, что:может измениться на противоположное отношение "простой-сложный" между логическими и арифметическими функциями и реализующими их блоками, а также между комбинационными и конечными автоматами, работа которых приобретет вероятностный характер, включая и (до)определение начальных и текущих состояний;
размещение библиотечных бит-, слов- и поток-инструкций в тело (микро)программы практически всегда будет сопровождаться их структурно-функциональной "деформацией".
В нанометровых и супрамолекулярных вычислителях ассоциативная обработка приобретает атрибутивный характер, обеспечивая если и не динамичную, то по крайней мере приемлемую по времени структурно-функциональную адаптацию гипербольшого коллектива вычислителей (в случае полной деструкции вычислителя-предка) под требования как задач-наследников, так и действующей карты отказов.
Если в (суб)микронных изделиях электроники задача потребления энергии, отвода и рассеяния тепла решается на схемотехническом и конструктивно-технологическом уровнях проектирования, то в нано-метровых вычислителях для этого придется привлекать и системотехнический уровень, обеспечивающий пространственно-временное перераспределение парциальной энергии за счет ее аккумулирования и расходования в специфической для отдельных элементов, блоков и устройств физико-химической форме.
В результате таких изменений могут оказаться более эффективными:
критерии оптимальности, учитывающие не минимум аппаратно-временных затрат на решение каждой задачи, а максимум структурно-функционального сходства (родства) в общем случае непрямых алгоритмически ориентированных вычислителей-наследников и их предков;
методы и средства структурно-функциональной адаптации и эволюции открытых систем, которые в явном виде учитывают энергетические (термодинамические) затраты:на частичную или полную деструкцию вычислителя-предка;
на полную или частичную консервацию термов вычислителя-предка для их дальнейшего использования в непрямом и, вообще говоря, отстоящем во времени вычислителе-наследнике;
на поддержание устойчивого функционирования вычислителя-наследника, "родственного" по структурно-функциональной схеме вычислителю-предку, на интервалах активности задач и т. п.;
не методы классической компиляции программ, а формальнологические методы интерпретации задач-наследников в терминах задач-предков, которые могут изменять отношение "родства", повышая живучесть одной из задач-предков, а значит, и одного из вычислителей-предков;
аналоги молекулярно-биологических технологий, в которых объединены в единый производственный цикл фактически неразрывные процессы:"формализации" задач пользователя;
"проектирования" нанометровых вычислителей путем компиляции или интерпретации алгоритмов и программ на уровне квантовых процессов;
адаптации или "производства" в неоднородном функционально-логическом и "технологическом" базисе гиперпараллельных вычислителей;
поддержания условий их правильного функционирования в широком диапазоне изменения внешних воздействующих факторов и при наличии "карт отказов" и т. п.
В [лекции 8 проанализирована роль нейрокомпиляторов в создании инструментальных платформ наноэлектронных и супрамолекулярных вычислительных технологий. Показано, что аналоги молекулярно-биологических технологий должны учитывать следующие особенности прототипов:]
Инструктированный синтез характерен только для этапа биологической эволюции, а самоорганизация и связанные с ней синергетические принципы и методы управления свойственны предбиологическо-му этапу. Оба этих метода взаимно дополняют друг друга, так как инструктированный синтез отталкивается от достаточно сложного молекулярного субстрата, который в эволюции жизни на Земле мог быть получен только с помощью самоорганизующихся нелинейных автокаталитических реакций.
Неоднозначная идентификация физико-химических объектов, от которой невозможно избавиться даже с привлечением фундаментальных констант:предопределяет необходимость использования полуэмпирических методов и средств управления сложным нелинейным комплексом молекулярно-биологических процессов с глубокими обратными связями;
служит главным источником имитационного моделирования, которое обеспечивает любому организму необходимые условия восприятия и последующего анализа всех внешних воздействий.
Вариационный характер механизмов структурно-параметрической идентификации (узнавания) молекулярно-биологических субстратов говорит о том, что генетический код в традиционном инженерном понимании кодом не является и его следует рассматривать не как совокупность символов, а как совокупность "иероглифов", изменяющих свое "содержимое" в зависимости от контекста.
Криптостойкость генетического кода является результатом объективных эволюционных процессов - в их рамках исходный нуклеиновый субстрат синтезирован с использованием механизмов самоорганизации диссипативных структур и поэтому допускает гиперкомбинаторное множество конформационных преобразований, которое еще требуется ограничить преобразованиями, сохраняющими отношение комплементарности между кодонами и антикодонами, что является необходимым условием инструктированного синтеза макромолекул нативного белка.
В нейрофизиологических системах преобразование информации осуществляется не столько в специфических операционных устройствах, сколько в распределенной и иерархически организованной ассоциативной памяти, работающей на принципах структурно-параметрической адаптации и идентификации.
В результате перспективный нейрокомпилятор должен комплексно использовать как методы и средства "нечисленной" нейроматематики для эффективного сопряжения нелинейных подсистем с глубокими обратными связями, так и строгую "численную" математику, которая способна точно описать поведение сопрягаемых молекулярно-биологических субъединиц, но бессильна дать точную оценку качества на всем гипербольшом многообразии альтернативных вариантов протекания управляемого процесса.
Не все положения и выводы, включенные в книгу, являются бесспорными. В частности, схемотехника нано- и супрамолекулярных структур может остановиться на управляемом извне переносе в пространстве заряженных частиц, как это имеет место в субмикронных УБИС, и не
пойти по пути их перераспределения в пространстве, изменяющем физико-химические свойства многоатомного субстрата, как это предполагается в разделе 7.5. Такая смена физико-технической платформы не может пройти без противоборства со сторонниками "твердотельного рая" в виде потенциальных барьеров и ям, которые сами когда-то вытеснили из вычислительной техники сторонников электронно-вакуумных приборов, считавшиеся более радиационно стойкими.
Разделы 2.1, 2.3-2,5, написаны А.А. Поповым, а разделы 1.3, 8.5 и 8.6 - совместно А.В. Котовым и Г.М. Алакозом. Разделы 2.2, 6.2 написаны А.П. Сериковым. Остальной материал книги написан Г.М. Алакозом.
После распада СССР исследования технологий микропрограммного конструирования были поддержаны командованием Военно-воздушной инженерной академии им. проф. Н.Е. Жуковского, и в первую очередь генерал-полковником авиации, дважды Героем Советского Союза, летчиком-космонавтом В.В. Коваленком, генерал-лейтенантом В.П. Кутаховым, генерал-лейтенантом В.А. Ефимовым, генерал-майором Ю.Б. Кулифеевым, полковником В.П. Харьковым и коллективом кафедры электронной автоматики.
