Файл: История развития средств вычислительной техники.pdf

Многие успехи, которые достиг искусственный интеллект, используют в промышленности и деловом мире. Экспертные системы и нейронные сети эффективно используются для задач классификации: фильтрация СПАМа, категоризация текста и т.д.

Добросовестно служат человеку генетические алгоритмы (используются, например, для оптимизации портфелей в инвестиционной деятельности), робототехника (промышленность, производство, быт - везде она приложила свою кибернетическую руку), а также многоагентные системы. Не дремлют и другие направления искусственного интеллекта, например, распределенное представление знаний и решение задач в Интернете: благодаря им в ближайшие несколько лет можно ждать революции в целом ряде областей человеческой деятельности.

Вера в будущее параллельных вычислений была в то время настолько глубокой, что проект «компьютеров пятого поколения» был принят в компьютерном мире очень серьёзно.

После того, как Япония в 70-е годы заняла передовые позиции в бытовой электронике, и в 80-е годы стала выходить в лидеры в автомобильной промышленности, японцы приобрели репутацию непобедимых.

Проекты в области параллельной обработки данных тут же начали разрабатывать в США - в Корпорации по Микроэлектронике и Компьютерной Технологии (MCC), в Великобритании - в фирме Олви (Alvey) и в Европе в рамках Европейской Стратегической Программы Исследований в области Информационных Технологий (ESPRIT).

В СССР также начались исследования параллельных архитектур программирования. Для этого в 1985 году было создано ВНТК СТАРТ, которому за три года удалось создать процессор «Кронос» и прототипный мультипроцессорный компьютер МАРС.

В отличие от японцев, задача интеграции огромного числа процессоров и реализация распределённых баз знаний на базе языков типа Пролог не ставилась, речь шла об архитектуре, поддерживающей язык высокого уровня типа Модула-2 и параллельные вычисления. Поэтому проект нельзя назвать пятым поколением в японской терминологии.

Рис. 7. Рабочая станция Кронос 2.6 WS

В 1988 году проект был успешно завершён, но не был востребован и не получил продолжения по причине «перестройки» и невыгодной для отечественной компьютерной индустрии рыночной ситуации. «Успех» заключался в частичной реализации прототипной архитектуры (в основном, аппаратных средств), однако подобный японскому «большой скачок» в области программирования, баз данных и искусственного интеллекта в рамках этого проекта даже не планировался.

Последующие десять лет японский проект «компьютеров пятого поколения» стал испытывать ряд трудностей разного типа.

Первая проблема заключалась в том, что язык Пролог, выбранный за основу проекта, не поддерживал параллельных вычислений и пришлось разрабатывать собственный язык, способный работать в мультипроцессорной среде. Это оказалось трудным — было предложено несколько языков, каждый из которых обладал собственными ограничениями.

Вторая проблема возникла с производительностью процессоров. Оказалось, что технологии 80-х годов быстро перескочили те барьеры, которые перед началом проекта считались «очевидными» и непреодолимыми, а запараллеливание многих процессоров не вызывало ожидаемого резкого скачка производительности. Получилось так, что рабочие станции, созданные в рамках проекта, успешно достигли и даже превзошли требуемые мощности, но к этому времени появились коммерческие компьютеры, которые были ещё мощнее.

Помимо этого, проект «Компьютеры пятого поколения» оказался ошибочным с точки зрения технологии производства программного обеспечения. Ещё в период разработки этого проекта фирма Apple разработала графический интерфейс (GUI). А позднее появился Интернет, и возникла новая концепция распределения и хранения данных, при этом интернетовские поисковые машины привели к новому качеству хранения и доступа разнородной информации. Надежды на развитие логического программирования, питаемые в проекте «Компьютеры пятого поколения», оказались иллюзорными, преимущественно по причине ограниченности ресурсов и ненадёжности технологий.

Идея саморазвития системы, по которой система сама должна менять свои внутренние правила и параметры, оказалась непродуктивной, т.е. система, переходя через определённую точку, скатывалась в состояние потери надёжности и утраты цельности, резко «глупела» и становилась неадекватной.

Идея широкомасштабной замены программных средств аппаратными оказалась в корне неверной. Развитие компьютерной индустрии пошло по противоположному пути, совершенствуя программные средства на более простые, но стандартных аппаратных. Проект был ограничен категориями мышления 70-х годов и не смог провести чёткого разграничения функций программной и аппаратной части компьютеров.

С любой точки зрения проект можно считать абсолютным провалом. За десять лет на разработки было истрачено более 50 млрд. ¥, и программа завершилась, не достигнув цели. Рабочие станции так и не вышли на рынок, потому, что однопроцессорные системы других фирм превосходили их по параметрам, программные системы так и не заработали, появление Интернета сделало все идеи проекта безнадёжно устаревшими.

Неудачи проекта объясняются сочетанием целого ряда объективных и субъективных факторов:

• ошибочная оценка тенденций развития компьютеров - перспективы развития аппаратных средств были катастрофически недооценены, а перспективы искусственного интеллекта были волюнтаристски переоценены, многие из планируемых задач искусственного интеллекта так и не нашли эффективного коммерческого решения до сих пор, в то время как мощность компьютеров несоизмеримо выросла;
• ошибочная стратегия, связанная с разделением задач, решаемых программно и аппаратно, проявившееся в стремлении к постепенной замене программных средств аппаратными, что привело к излишнему усложнению аппаратных средств;
• отсутствие опыта и глубинного понимания специфики задач искусственного интеллекта с надеждой на то, что авось увеличение производительности и неведомые базовые принципы системы приведут к её самоорганизации;
• трудности, выявившиеся по мере исследования реального ускорения, которое получает система логического программирования при запараллеливании процессоров. Проблема состоит в том, что в многопроцессорной системе резко увеличиваются затраты на коммуникацию между отдельными процессорами, которые практически нивелируют выгоду от параллелизации операций, отчего с какого-то момента добавление новых процессоров почти не улучшает производительности системы;
• ошибочный выбор языков типа Лисп и Пролог для создания базы знаний и манипулирования данными. В 80-е годы эти системы программирования пользовались популярностью для САПР и экспертных систем, однако их эксплуатация показала, что приложения оказываются малонадёжными и плохо отлаживаемыми по сравнению с системами, разработанными обычными технологиями, отчего от этих идей пришлось отказаться. Кроме того, трудность вызвала реализация «параллельного Пролога», которая так и не была успешно решена;
• низкий общий уровень технологии программирования того времени и диалоговых средств (что ярко выявилось в 90-е годы);
• чрезмерная рекламная кампания проекта «национального престижа» в сочетании с волюнтаризмом и некомпетентностью высших должностных лиц, не позволяющая адекватно оценивать состояние проекта в процессе его реализации.

3 Перспективы развития вычислительной техники

Сегодня продолжается дальнейшее развитие архитектур компьюте­ров. Интенсивные разработки ведутся по многим направлениям. Особенностью этих архитектур является то. что все они основа­ны не на кремниевых технологиях.

К технологиям, способным экспоненциально увеличивать производительность компьютеров, следует отнести:

— создание молекулярных компьютеров;

— создание биокомпьютеров (нейрокомпьютеров):

— разработку квантовых компьютеров:

— разработку оптических компьютеров.

Рассмотрим основные принципы их построения.

3.1 Молекулярные компьютеры

Молекулярные компьютеры — вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преиму­щественно органических). В молекулярных компьютерах исполь­зуется идея вычислительных возможностей расположения атомов в пространстве.

Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на воздействия током, светом и т.п. Ученые фирмы Hewlett-Packard и Калифорнийского уни­верситета (UCLA) доказали принципиальную возможность соз­дания молекулярной памяти ЭВМ на основе молекул роксана. Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых, подобный компьютер будет в сотни миллиардов раз экономичнее современных микропроцессоров.

3.2 ДНК-компьютер

ДНК-компьютер — вычислительная система, используюшая вычислительные возможности молекул ДНК (рис. 8). Функцио­нирование ДНК-компьютера сходно с функционированием тео­ретического устройства, известного в информатике как машина Тьюринга. Особое место принадлежит ДНК-процессорам.

Рис. 8. ДНК-процессор

ДНК-процессоры на уровне отдельных молекул работают очень медленно, но зато с их помощью можно организовывать параллель­ные вычисления, что дает пер­спективы по наращиванию произ­водительности. Кроме того, пот­ребляемая мощность таких про­цессоров очень мала, поэтому оче­видны преимущества над полу­проводниковыми технологиями.

В 1994 г. Леонард Адлеман, профессор университета Юж­ной Калифорнии (одни из изобретателей криптосистемы RSA), продемонстрировал, что с помощью пробирки с ДНК можно весьма эффектно решать классическую комбинаторную «задачу о коммивояжере» (кратчайший маршрут обхода вершин графа). Классические компьютерные архитектуры требуют множества вычислений с опробованием каждого варианта. Метод ДНК по­зволяет сразу сгенерировать все возможные варианты решений с помощью известных биохимических реакций. Затем возможно быстро отфильтровать именно ту молекулу-нить, в которой зако­дирован нужный ответ.

Компьютер Л. Адлемана отыскивал оптимальный маршрут обхода для семи вершин графа. Но чем больше вершин графа, тем больше требуется компьютеру ДНК-матери ала. Было под­считано, что для решения задачи обхода не 7 пунктов, а около 200, масса количества ДНК, необходимого для представления всех возможных решений, превысит массу нашей планеты.

Ученые Колумбийского универ­ситета и университета Нью-Мексико сообщили о создании ДНК-компью­тера, способного проводить самую точную и быструю диагностику та­ких вирусов, как вирус западного Нила, куриного гриппа и т.д. Они представили первую интегральную ДНК-схему со средней степенью ин­теграции, которая на данный момент является самым быстрым устройст­вом такого типа (Рис. 9).

Рис. 9. ДНК-вентили компьютера MAYA II в пробирках

Изобретению дали название MAYA-П (Molecular Array of YES and AND logic gates), MAYA-II может играть в сложные крестики-нолики. Над ходом он может думать до тридцати ми­нут, но зато никогда не проигрывает. MAYA-I созданный ранее, умеет играть только в простые крестики-нолики.

В 2003 г. сотрудники лаборатории биомолекулярных ком­пьютеров Вейцмановского научного института (Израиль) во гла­ве с профессором Э. Шапиро объявили о создании новой модели биомолекулярной машины, которая не требует наружного источ­ника энергии и работает в 50 раз быстрее, чем ее предшественники. Более ранние системы зависели от молекул АТФ. которые являют­ся главным источником энергии клеточных реакций. В последней модели молекула ДНК обеспечивает и обработку данных, и дос­таточное количество энергии для выполнения операций. Новый ДНК-компьютер, способный производить 330 трлн вычислитель­ных операций в секунду, был внесен в Книгу рекордов Гиннеса как «самое маленькое биологическое вычислительное устройст­во, когда-либо построенное человеком».

3.3 Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры

Нейрокомпьютеры — это компьютеры, которые состоят из большого числа параллельно работающих простых вычислитель­ных элементов (нейронов). Элементы связаны между собой, об­разуя нейронную сеть. Они выполняют единообразные вычисли­тельные действия и не требуют внешнего управления. Большое число параллельно работающих вычислительных элементов обес­печивают высокое быстродействие.

Архитектура нейрокомпьютеров иная, чем у обычных вы­числительных машин. Микросхемы близки по строению нейрон­ным сетям человеческого мозга. Именно отсюда и пошло название.