Введение

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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".
8. 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:

1. 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.
2. 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".
3. 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.
4. 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.