Юрий Чирков – Гомо Сапиенс. Человек разумный (страница 84)
Перечисление различий мозга и ЭВМ можно было бы продолжить. Они напрашиваются сами собой, когда ближе познакомишься с устройством мозга, этим сложнейшим электрохимическим производством, целым комбинатом цехов и лабораторий, создание которых природе удалось блестяще: ни клубов ядовитого дыма, ни загрязняющих среду вредных отходов тут нет.
И вот рядом с этим верхом совершенства, творением, повторить которое человеку никак не удается, мы видим нечто совсем другое – словно бы игрушку из гигантского детского набора, тьму простых деталей, соединенных по нехитрому, заранее заданному плану.
13.3. За световой барьер
Внешним наиболее заметным отличием ЭВМ от мозга является их сказочное быстродействие. Именно скорость обеспечила компьютерам все их преимущества. Это основа их могущества. И вся недолгая история вычислительной техники проходила под знаком борьбы за скорость. За какие-то два десятилетия быстродействие компьютеров возросло с нескольких тысяч до нескольких миллионов операций в секунду!
Поколения ЭВМ… Это не только стремление сделать компьютер миниатюрным и дешевым. Это и битва за скорость: чем компактней интегральная схема, тем короче пути надо преодолевать электронам, тем выше быстродействие. Но здесь перед разработчиками ЭВМ неожиданно возник барьер. Световой. Известно, что (во всяком случае, в нашей Вселенной) скорость любого сигнала не может быть выше скорости света. Гигантской величины – 30 000 000 000 сантиметров в секунду.
Сейчас тактовая частота элементов ЭВМ что-то около 10 Мгц (107 герц, элементарных «движений», которые за секунду способен совершать компьютер). Большая величина, но ее хотелось бы увеличить хотя бы раз в сто (заветные для разработчиков ЭВМ миллиарды операций в секунду). Что этому мешает? Малость скорости света!
За ничтожные миллиардные доли секунды даже световой сигнал (электроны движутся в 1,5–3 раза медленнее) успевает пробежать небольшой путь – всего (легко подсчитать) 10–20 сантиметров. А если расстояния между отдельными блоками компьютера – метры? Да еще при этом каждая команда должна быть повторена много раз?..
Вот это и есть световой барьер. Кажется, что природа воздвигла совершенно непреодолимую преграду, высоченную стену, проникнуть за которую никогда не удастся: ведь изменить скорость света не в нашей власти. Так скорость света из гиганта словно бы превратилась в карлика. Так перед конструкторами компьютеров встала новая проблема.
Впрочем, такая ситуация для техники не редкость. Обычное дело. Сначала развитие какой-то области идет гладко и быстро, без сучка и задоринки. Но так продолжается лишь до определенного времени. Затем на горизонте, как редкие тучи, возникают первые трудности – успехи становятся не столь весомыми, шаги замедляются, темпы падают, приходится тратить все больше сил для продвижения вперед. Вот оно и совсем остановилось… Однако наука не стоит на месте. И вдруг – о, чудо! – ученые дают в руки инженерам волшебные средства, появляется новый взгляд на вещи, и вновь открываются неоглядные дали для прогресса.
Ну а если привести конкретный пример из истории техники, то турбореактивные двигатели и стреловидное крыло в свое время позволили самолетам преодолеть звуковой барьер, дали им возможность летать со скоростями выше скорости звука (больше 300 метров в секунду).
13.4. ЭВМ вместо аэродинамической трубы
Быстродействие ЭВМ крайне необходимо для управления самолетами, судами, технологическими процессами, станками, боевыми операциями, ракетами. Компьютеры тут обязаны работать с опережением идущих процессов, работать, подстраиваясь под человека, в реальном масштабе времени.
Сверхскорости нужны ЭВМ и при расчете сложных объектов: ядерных реакторов, крупных электростанций, новых конструкций самолетов.
Как рассчитывались авиалайнеры прежде, по старинке? На каждом квадратном сантиметре поверхности самолета надо было устанавливать один-два датчика с проволочными ответвлениями в электронный мозг машины, которая выдавала окончательные ответы через неделю.
Уже с помощью ЭВМ четвертого поколения можно рассчитать прочность всех элементов лайнера за считанные часы. А как быть дальше? Ведь требования к самолетам растут – увеличиваются и расчетные трудности. Компьютеры с быстродействием даже в миллион операций в секунду уже не обеспечивают достаточно надежного и быстрого ответа при решении столь сложных математических задач. При определении прочности конструкции большого пассажирского самолета приходится составлять и рассчитывать систему уравнений, в которой как минимум миллион неизвестных! Ни одну из действующих сейчас ЭВМ не заставить решить задачу такой сложности «одним махом» – у нее и память слишком ограничена да и скорость мала. Вот и приходится делить самолет условно на части и постепенно рассчитывать его фрагменты на многих ЭВМ.
Кропотливая, не всегда эффективная работа, чреватая потерей времени и ресурсов. Согласовывать расчеты отдельных ЭВМ трудно, да и общее быстродействие многомашинных комплексов можно повышать лишь до определенного предела – на стыках потери скорости вычислений становятся слишком большими.
Нет, самое простое – это создать математическую модель всего самолета и рассчитать ее, вместо того чтобы «гонять» реальный самолет в аэродинамической трубе (и на различных стендах, где испытываются динамика и прочность будущего лайнера).
ЭВМ вместо аэродинамической трубы? Заманчиво. Но такое задание под силу лишь архибыстрым компьютерам.
Они необходимы и в задачах, где есть сверхизобилие информации. Например, в геофизике. При обработке бесчисленных данных геологической разведки – сейсмометрических, магнитометрических, электро- и гравиметрических. Без этого трудно вести поиск новых месторождений полезных ископаемых.
Быстрота нужна и при анализе телеметрической информации, полученной со спутников, в метеорологии, при составлении прогнозов погоды, при моделировании больших экологических, экономических и социальных систем, при суждении о динамике крупных водных бассейнов, к примеру, Каспийского моря: мелеет ли оно, или полнится, как изменяется уровень воды, как влияют на его водный баланс тысячи впадающих в него речушек…
13.5. Почему компьютер бездельничал
Что мешает ЭВМ преодолеть световой барьер? Что не позволяет им решать задачи, требующие высокой сноровки? Ответ может показаться парадоксальным, но препятствием тут служит как раз то, что когда-то было основой прогресса вычислительной техники.
Первым, кто оценил огромное практическое значение быстродействия компьютеров, был уже упоминавшийся выше американский математик Джон фон Нейман. «Когда Джонни увидел, к чему мы пришли, – вспоминал один из создателей ЭНИАКа, – он двумя ногами прыгнул в электронные вычислительные машины».
ЭНИАК был только что создан. Один из наиболее ощутимых его недостатков заключался в способах управления ходом вычислений. К расчетам машину готовили несколько дней, а собственное решение задачи длилось всего несколько минут.
За дело взялся Нейман и быстро выправил положение. Ученый был необычайно одарен. Современники отмечали, что его знание древней истории было неправдоподобно детальным… Он был и полиглотом: прекрасно помнил и школьную латынь и греческий, бегло говорил по-немецки и по-французски, знал испанский…
В 1946 году анализ сильных и слабых сторон ЭНИАКа позволил Нейману сформулировать новые принципы организации работы электронного мозга. Они стали классикой, составили основу для разработки множества вычислительных машин.
Во-первых, было предложено перейти от десятичной к двоичной системе счета. Эта мера значительно упрощала выполнение машиной арифметических и логических операций.
Двоичную арифметику задолго до работ Неймана предложил гений Германии философ и математик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716). Он искал «алфавит» человеческого мышления, в котором все истины познания могли бы быть недвусмысленно выражены в числах. Лейбниц руководствовался философской мыслью о том, что мир базируется на противоположности, с одной стороны представляющей «ничто» – 0, а с другой – «реальность» – 1. На базе этих двух чисел и правил их сочетания философ надеялся решить все мировые проблемы и избавиться от всех противоречий с помощью здравого смысла и логики.
Второе из предложений Неймана, вернемся к ним, заключалось в рекомендации круто изменить стиль работы ЭВМ, придерживаясь «принципа хранимой программы». В соответствии с ним программы работы компьютера, как и исходные числовые данные, вводились и хранились в памяти машины.
Из памяти отдельные команды извлекались в устройство управления, где их содержание декодировалось (расшифровывалось) и использовалось для передачи чисел из памяти в арифметическое устройство, для выполнения операций над ними и отсылки результатов счета обратно в память.
Другими словами, Нейман («Видите ли, Джонни вовсе не человек. Но он так долго жил среди людей, что научился прекрасно их имитировать») предложил процедуру, при которой ЭВМ сама управляла своей работой. Вмешательство человека – оно бы замедлило ход процессов, свело бы на нет все преимущество быстроты ЭВМ – было теперь полностью исключено.