Нейроподобные модели как формально-логический базис анализа живых систем

8.1. Самоорганизация и инструктированный синтез себе подобных

Переход высоких технологий вообще и вычислительной техники в частности в нанометровую или супрамолекулярную область невозможен без инструктированного синтеза материалов с заранее заданными свойствами и пространственными формами. Центральная проблема такого синтеза состоит в том, что в нем участвуют "ненадежные" квантовые компоненты с "ненадежными" квантовыми взаимодействиями, как во время синтеза, так и в течение всего "времени жизни" синтезированного субстрата. При этом сама "инструкция" хранится в "ненадежном" квантовом субстрате, который может быть модифицирован непрогнозируемым образом в процессе любого цикла считывания или копирования. Тем не менее, в итоге должен быть получен продукт с устойчивыми, детерминированными потребительскими макро-характеристиками и свойствами.

Проблема синтеза "надежных" вычислителей из "ненадежных" компонент встала перед разработчиками вычислительной техники на самом раннем этапе ее становления [16], потому что впервые в инженерной практике оказалось необходимым создать "надежное" детерминированное устройство более чем из 20-100 тыс. ненадежных электронно-вакуумных (ламповых) вентилей. Основными источниками ненадежности таких вентилей служили множественные гальванические соединения и температурный дрейф уровней сигналов, кодирующих логические переменные.

Переход элементной базы в субмикронную область вновь обострил эти проблемы, Уже сейчас в итоге разработки УБИС должна быть сформирована бездефектная и достоверно исполняемая в производстве "инструкция", которая регламентирует правила соединения порядка 40 млн. вентилей. При этом существующие промышленно освоенные методы и средства борьбы с перекрестными помехами в гигагерцовом диапазоне тактовых частот практически исчерпали свои возможности.

В таких условиях кремниевая компиляция, основанная на иерархии библиотечных элементов, узлов, блоков и устройств, является практически единственным механизмом поддержания технологии бездефектного проектирования микроэлектронных УБИС, а переход к последовательной арифметике с минимумом параллельных многоразрядных шин и к оптоэлектронной системе коммутации способен ослабить влияние перекрестных помех в средствах коммутации. Но весь этот комплекс мер применим в рамках технологии производства субмикронной элементной базы, где управление выращиванием твердотельных гетероструктур представляет собой "надежный" детерминированный процесс с гарантированным результатом.

У сторонников нанометровой, квантовой и супрамолекулярной электроники фактически есть два пути:

• создать технологические процессы производства квантовых гетероструктур на основе атомоскопов или сканирующих туннельных микроскопов (СТМ), которые не уступают по надежности и достоверности исполнения проектных "инструкций" субмикронным технологиям на основе рентгеновских лазеров;
• совместить во времени и пространстве процессы синтеза квантовых гетероструктур с процессами их использования на ограниченных интервалах времени и с последующей их регенерацией, если время жизни гетероструктуры окажется меньше времени актуальности исполняемой слов- или поток-инструкции.

Подавляющее число исследователей является физиками или химиками, и поэтому они идут по первому пути, который сохраняет преемственность с твердотельной субмикронной электроникой и с кремниевой компиляцией. Но в любом случае требуются надежные квантовые механизмы, обеспечивающие переход от "абстрактных" проектных к реальным физико-химическим или молекулярно-биологическим гетероструктурам. Фактически речь идет о создании "надежных" квантовых "посредников", обеспечивающих достоверную "интерпретацию" проектных инструкций в "терминах" состава и схемы соединения конкретных квантовых или супра-молекулярных гетероструктур. При этом в первом случае "время жизни" гетероструктуры должно быть "бесконечным", что разрывает во времени и пространстве процессы производства и эксплуатации, а во втором случае "время жизни" гетероструктуры может быть "малым", что совмещает во времени и пространстве процессы производства и эксплуатации.

Этим обстоятельством во многом объясняется возрождение интереса к созданию и использованию механизмов самоорганизации, к которым исследователи возвратились еще в начале 80-х годов прошлого столетия в рамках синергетических подходов при разработке проектов ЭВМ 5-го поколения [176]. В современных условиях успехи генной инженерии позволяют приступить к освоению отработанных природой молекулярно-биологических механизмов синтеза себе подобных [36], где роль "посредников" в "молекулярно-биологической интерпретации" генетического кода играют ферменты [34, 230, 231]. Основное препятствие на этом пути состоит в том, что синтез ферментов образует порочный круг с синтезом белков, так как для получения определенного фермента требуется определенный белок, а для получения определенного белка требуется определенный специфический фермент, что и составляет самостоятельную и пока не разрешенную молекулярно-биологическую проблему (см. раздел 1.3).

Использование нейрокомпьютерных технологий на квантовой или супрамолекулярной элементной базе с ограниченным "временем жизни" ставит качественно новую задачу создания развивающихся вычислительных технологий, неотъемлемой частью которых становится этап обучения, порождающий перечень необходимых слов- и/или поток-инструкций. Поэтому в развивающихся вычислительных технологиях "обучение" "материнской" нейросети должно проходить в квазиреальном масштабе времени и на фоне решения текущей задачи "дочерней" нейросетью с ограниченным "временем жизни".

Дж. фон Нейман был активным участником проекта одной из первых ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer - электронный цифровой интегратор и вычислитель), в рамках которого он встал перед дилеммой: надежность компонентов ограничивает сложность автомата, который можно построить, а свойство его самовоспроизводства (копирования) требует высокого уровня сложности. При этом Дж. фон Нейман, а вслед за ним несколько поколений разработчиков ЭВМ исходили из того, что первый обнаруженный отказ останавливает вычислительный процесс, так как накопление карты отказов делает процесс диагностики вековым [16].

Разрешая эту дилемму, Дж. фон Нейман разработал теорию самовоспроизводящихся автоматов, в которой он стремился дать ответы на следующие вопросы:

1. При каких условиях некоторый класс автоматов логически универсален в том смысле, что он может выполнить все операции, опираясь только не некоторое конечное количество операций и реализующих их устройств ( логическая универсальность )?
2. Какой класс автоматов можно сконструировать и построить с помощью надлежащим образом заданного автомата и имеющегося "сырья" ( конструируемость )?
3. Может ли какой-либо надлежащим образом заданный автомат быть конструктивно универсальным, то есть способным сконструировать любой другой автомат ( конструктивная универсальность )?
4. Может ли какой-либо автомат сконструировать в точности такой же автомат ( самовоспроизведение )?
5. Может ли конструирование автоматов автоматами прогрессировать от более простых типов к более сложным (эволюция)? Может ли такая эволюция двигаться от менее эффективных автоматов к более эффективным?

На первый вопрос дал ответ Тьюринг, сформулировав правила работы универсальной машины Тьюринга. На 2-4 вопросы Дж. фон Нейман

получил утвердительные ответы, а на последний - отрицательный из-за неоднозначности в формулировке понятия "эффективный".

1. Дж. фон Нейман рассмотрел 4 модели самовоспроизведения:
2. Кинематическая модель, в которой рассмотрены практически все проблемы сборки гетероструктур: движение, контакт, прикрепление, расположение и разделение. Основные элементы кинематической модели: логические, запоминающие, структурные, кинематические, соединительные и разделяющие (деструктивные).
3. Клеточная модель, в которой самовоспроизведение осуществляется в бесконечном пространстве, разбитом на однотипные клетки, представляющими собой конечный автомат, способный выполнять заданные функции с задержкой на 1 единицу времени, находиться в 29 состояниях и взаимодействовать с 4 ближайшими соседями.
4. Модель типа "возбуждение - порог - усталость", в которой клеточная модель была модифицирована с помощью нейроподобных элементов, обладающих свойством усталости. Такие нейроподобные элементы имеют порог и заданный период рефрактерности (нечувствительности), который разбивается на 2 периода: относительной и абсолютной усталости. Без эффекта усталости нейрон возбуждается мгновенно при превышении суммарным (не взвешенным) возбуждением порога возбуждения. В период абсолютной рефрактерности нейрон вообще нечувствителен к входным воздействиям, а в период относительной рефрактерности порог его возбудимости выше первоначально установленного, но постепенно снижается.
5. Непрерывная модель, в основу которой положена система нелинейных уравнений в частных производных, описывающих процессы типа диффузии в жидкости.

Логические проблемы, с которым столкнулся Дж. фон Нейман при создании теории самовоспроизводящихся автоматов, рассмотрены в разделе 1.3. Сейчас же важно отметить, что логические противоречия в теории самовоспроизводящихся автоматов устраняются, если конструирующий автомат сложнее конструируемого. Но в этом случае уместнее говорить не о самовоспроизводстве, а " воспроизводстве себе подобных", в котором степень подобия зависит и от процедур синтеза, и от "исходного материала", и от их "совместимости".

Строго говоря, и в простейших одноклеточных системах процесс деления с чисто формальных позиций может иметь четыре исхода:

• обе клетки-наследницы идентичны между собой и клетке-потомку;
• обе клетки-наследницы идентичны между собой, но не клетке-потомку;
• обе клетки-наследницы не идентичны между собой и клетке-потомку;
• обе клетки-наследницы не идентичны между собой, но одна из них идентична клетке-потомку.

Поэтому и в живых системах рост и размножение можно рассматривать, по крайней мере с формальных позиций, как воспроизводство себе подобных, а не тождественных особей.

И. Пригожину и Г. Николису удалось разработать и исследовать модели [33], которые описывают процессы самоорганизации в диссипативные структуры, протекающие в открытых нелинейных системах, находящихся вдали от равновесного состояния. Эти модели перекрывают задачи, которые ставил перед собой Дж. фон Нейман, но М. Эйгену удалось показать [34], что темпы эволюции живой материи явно превышают темпы образования диссипативных структур даже в идеальных условиях. Отсюда был сделан вывод, что механизмы диссипации характерны для предбио-логического этапа эволюции, который на много порядков превосходит по времени собственно биологический ее этап, которому свойственен инструктированный синтез биополимеров. Решающая роль в этом синтезе принадлежит сугубо специфическим ферментам, обеспечивающим посреднические функции по схеме "один ген - один фермент - один белок". Поэтому и в субклеточных молекулярно-биологических процессах уместно говорить о воспроизводстве себе подобных, в рамках которых более критичные к декогерентизации процессы "квантовых измерений" заменены менее критичными процессами "квантовой идентификации" на основе механизмов "узнавания" с использованием ферментов [191].

Одним из главных этапов воспроизводства в живой природе является развитие одноклеточного до взрослой особи, во время которого происходит рост и дифференцировка тканей и органов. Попытки построения теории развивающихся автоматов [17], показали, что воспроизводство себе подобных также не лишено внутренних противоречий, свойственных теории самовоспроизводящихся автоматов Дж. фон Неймана.

Трудности построения теории самовоспроизводящихся автоматов во многом связаны с неопределенностью одного из центральных понятий кибернетики - "организация" [2], под которым обычно понимают некоторую упорядоченность в системе и противопоставляют ее "хаосу", идентифицируемому как "неупорядоченность".

Таким образом, на основе приведенных данных можно утверждать:

• воспроизводство себе подобных является альтернативой самоорганизации, и ее преимущество состоит в том, что в ее рамках можно использовать плохо формализуемые, но однозначные процедуры идентификации вместо процедур точных измерений;
• формализация моделей самоорганизации и синтеза себе подобных рано или поздно приводит к внутреннему противоречию, разрешение которого является очередным шагом развития теории синтеза

сложных систем, которые, согласно Дж. фон Нейману, "проще сделать, чем описать".

Для глобальных технотронных комплексов последнее положение необходимо воспринимать с определенной оговоркой, связанной с тем, что возникший конфликт может быть "разрешен" гибелью, и не только комплекса, как это имеет место в эволюции, где такой способ "разрешения" конфликта приводил к гибели вида.