Машины, скорости, будущее

Пожалуй, не было в истории техники подобного случая. Машина, еще не успев удивить людей, становится музейным экспонатом, редкостью, большей, чем, допустим, авто начала века. Именно такая участь у первых вычислительных машин, наших современниц.

Вот "Эниак", которому поклонялись вычислители. Сложная тридцатитонная громадина в зале площадью в сто пятьдесят квадратных метров, сорок отдельных панелей, восемнадцать тысяч электронных ламп, полторы тысячи электромеханических реле.

И еще один из ветеранов - "Тридаг". Он занимал целое здание с трансформаторами, электромоторами, установками для охлаждения воздуха, насосными станциями. И все это для обслуживания восьми тысяч электронных ламп и двух тысяч реле.

В чем же причина "быстротекучести жизни" этих гигантов? Главным образом в скорости...

Считали гиганты, хотя и быстро, но... медленно: от десятков до сотен вычислений в секунду - не больше.

Современная же наука и техника выдвигали такие задачи, что даже подумать об их решении было страшно. Возникала необходимость проделывать десятки триллионов арифметических операций! Если вычислять со скоростью десять тысяч операций в секунду, то и тогда потребуется свыше четырех лет непрерывной работы быстродействующей машины. Например, для решения задачи по планированию и управлению народным хозяйством необходимо в год провести 10000000000000000 вычислительных операций - единицы с шестнадцатью нулями, 10 квадрильонов! Только для этой задачи потребуется три с половиной тысячи машин, совершающих сто тысяч операций в секунду.

Выход один: заставить машины считать быстрее. Но быстрее - понятие весьма относительное. Сосчитать до миллиона, трудясь по восемь часов в день, вы смогли бы за три с половиной месяца. А до миллиарда добралась бы лишь за... 500 лет. Машина, конечно, все сделает быстрее... Но как быстрее? За день, за час, за минуту?

Вспоминаю Первую всесоюзную конференцию, посвященную путям развития советского математического машиностроения. В 1956 году на Ленинских горах в строгом белоколонном зале Московского университета собрались математики, физики, инженеры, конструкторы. Как об одном из достижений докладывается о махине БЭСМ на десять тысяч арифметических действий в секунду. Но ученые пытаются заглянуть вперед. Академик А. А. Дородницын заявляет с трибуны о машинах (не помню точно, о возможности, желательности или необходимости) на миллион операций в секунду. В зале переглянулись: для чего такие скорости? С подобным быстродействием машины перерешают все задачи и потом им делать будет нечего. А редактор в "Литературной газете" упорно вычеркивал из моего репортажа "миллион операций", заменяя весьма неопределенным "быстрее". Трудно было бы в то время представить такую скорость: робок был человек в своих прогнозах.

Теперь вычислительная техника достигла многого. Она имеет г-же свою историю, и можно увидеть, как растут машины от поко-1ения к поколению.

Предки нынешних машин - это электромеханические тихоходы, вобравшие в себя весь цвет и всю премудрость времени, когда воздвигалась Эйфелева башня.

Первое поколение заявило о себе ровным гулом электронных ламп в серых металлических шкафах. Лишь только оно окрепло, это ламповое поколение, и проявило чудеса, за которые машины стали называть "думающими", как люди начали прикидывать, какого же размера должны быть машины, чтобы сравняться с мозгом? Вывод был неутешительный. Величина "электронного мозга" - с небоскреб.

Вычислительные машины на лампах присутствовали при рожде-1и кибернетики. Союз новорожденной науки и ламповых гигантов открыл дорогу новому поколению машин.

В машинах второго поколения главную роль играли полупроводники.

Электронная лампа работает не более десяти тысяч часов, а полупроводниковое устройство - 70 тысяч. Полупроводниковые приборы миниатюрны, вместо ламповой колбы - деталь со спичечную головку. У новых машин повысилась надежность, энергии они берут мало, не нужны им большие установки для охлаждения. С появлением новых машин начали поговаривать уже о настольных вычислительных агрегатах, которые заняли бы место вездесущих арифмометров.

А скорости? Секунда, десятая, сотая доля на операцию? Быстрее, гораздо быстрее! Тысячные и десятитысячные доли секунды!

Когда в борьбу за скорость включились оптотроны и криотроны, высокочастотные транзисторы и тоннельные диоды, спасисторы и твисторы, биаксы и трансфлюксоры, персисторы и криозары, параметроны и текнетроны, счет пошел на сотни тысяч и даже на миллион операций в секунду. Но и этот пестрый хоровод сверхминиатюрных, сверхбыстрых, сверхнадежных устройств в конце концов уступил в борьбе тонким пленкам.

Из тонких пленок удается создать мир маленьких гигантов, воздвигать электронные города необычной архитектуры. Если раньше конструктор мог с гордостью показать вычислительное устройство машины чуть больше баночки из-под килек, то теперь его засмеет инженер, сосредоточивающий на одной пластинке, которая легко умещается на кончике пера, сотню полных электронных схем, а в объеме одного кубического дециметра - триста пятьдесят тысяч схем.

Что же за волшебница, эта тонкая пленка? Откуда у нее такая сила, что ей столько удается?

Большинство пленок получают, испаряя необходимые материалы почти в пустоте, при одной миллиардной доле атмосферы. Материал оседает на стеклянной или металлической пластинке. Эта тонкая работа усложняется во много крат из-за необходимости осаждать материал не как попало, а по строго определенному геометрическому узору. Ведь пленка играет роль участка электроцепи, когда ее ставят в машину. "Электронное вышивание" ведут через отверстие шаблона - маски, точно следуя желаемому узору. При другом способе используется метод фотолитографии. Слои пленки в схемах - а их бывает десять, пятнадцать и больше - должны совпадать с абсолютной точностью. Ничего не нужно добавлять к характеристике сложности работы, если назвать толщину пленок - одна стотысячная миллиметра! Даже как-то неловко здесь употреблять слово "толщина". Ведь она меньше десятитысячной доли толщины бритвенного лезвия. Это всего лишь несколько атомных слоев!

Не искусство монтажа из отдельных блоков, из отдельных "кирпичей", а виртуозное владение веществом, когда каждая его частичка по воле создателя занимает то место, которое он предпишет ей занять, - стало главным сегодня для строителей машин.

Сто миллионов приборов в кубическом миллиметре, и при этом самые большие скорости переключения - вот что такое элементы машин третьего поколения. Их быстродействие от одного до нескольких десятков миллионов операций в секунду, сравнительно большая и быстрая память. Машина может одновременно выполнять многие операции, может одновременно решать несколько задач, может подключаться к различным периферийным устройствам, преобразующим информацию в стандартно-общедоступную форму, чтобы ее мог читать и понимать любой клиент.

А четвертое поколение? Машины эти еще совершеннее. Быстродействие до 10⁹ операций в секунду, объем оперативной памяти 10⁸ байт - специальных внутримашинных единиц информации. Единица эта представляет собой две десятичные цифры или же один алфавитный символ. Даже трудно себе представить, как много - 10⁸ байт. Для примера переведем общий объем внешней памяти машины, превышающий 10¹² символов, на "язык" книг. Получим несколько миллионов томов по 500 страниц в каждом!

По сути дела, машины четвертого поколения с такими характеристиками по своей архитектуре - это сообщества целых машин второго и третьего поколений. Удалось такого достичь благодаря новому оружию сверхминиатюризации - БИСам. "Большие Интегральные Системы" - конструктивный сгусток многих элементов. Сравните: в полупроводниковом приборе в одном корпусе один прибор, в интегральной схеме - до десятка, а в большой интегральной - свыше ста. Но и это не предел. В будущем БИС, вероятно, перерастет в ГИС - "Гигантскую Интегральную Систему", состоящую из нескольких тысяч элементов.

Это уже будут кирпичи электронного мироздания машин пятого поколения, а точнее - высокопроизводительных сообществ целых систем электронных вычислительных машин с общей памятью на миллиарды байт и быстродействием в миллиарды операций в секунду.

Абсолютное превосходство карликов над гигантами. Карлики победили, отворив дверь в неслыханное и невиданное раньше царство, над входом в которое написано: "наносекунда". Здесь время измеряется в миллиардных долях секунды. Такую скорость вычислительной машины, как ни парадоксально, невозможно ни увидеть, ни представить - ее можно только получить, ею можно только пользоваться. Торжество техники полное: руками сделано то, перед чем бессильно воображение.

Но как это обычно в технике бывает, ее очередной успех еще на один шаг приближает нас к очередному препятствию. Быстродействие машин вплотную подошло к скорости распространения электрических импульсов в твердом теле.

Такое препятствие заставляет идти в обход. Вырисовываются контуры необычных вычислительных машин. Их "оживит" не электрических ток, а луч света. Теперь уже не образом, почти реальностью зазвучат слова "мысль светится". Ведь если бы можно было взглянуть изнутри на такую машину, мы увидели нечто похожее на ночной город, переливающийся огоньками окон и фонарей.

Оптические вычислительные машины построены на совершенно ином принципе, чем электронные. Короткие импульсы света длительностью в стомиллиардную долю секунды будут включать и выключать систему лазеров на волокнах или из стеклопластиков. Скорость работы в подобных устройствах назвать трудно: переключение - за время пять, деленное на единицу с одиннадцатью нулями. "Световая мысль", работающая со скоростью около трехсот тысяч километров в секунду!

Вот она, фантастическая реальность - свет становится орудием труда, свет превращается в орудие производства. Можно смело говорить, что это первые ласточки машин эпохи световых скоростей!

Фантастические скорости определили и фантастические размеры машин - предельно малые. Ведь "вычислительной ячейкой" в этих светоносных машинах служит молекула и даже атом. Здесь самый острый вопрос - надежность. Даже тульский Левша, подковавший блоху, признал бы себя беспомощным при необходимости отремонтировать вычислительную кроху. Значит, нужна безотказная машина. Аналоги у нее есть: природа выпестовала мозг человека. Надежность его безупречна. Он работает без ремонта и без остановок, хотя за час человеческой жизни отмирает около тысячи нейронов, а за всю жизнь - около пятисот миллионов.

Не слишком ли смела мысль создать машину с надежностью мозга? Не беспочвенное ли это мечтание? Оказывается, нет. Можно построить некое лазерное устройство из стекловолокна, которое будет в принципе работать как живой нейрон. Искусственные волокна сыграют роль нервов в передаче импульсов. Схема работы машины будет имитацией действия нейронов мозга и нервной системы. Этот гибрид оптики и электроники станет, по сути дела, синтетическим мозгом. "Отмирают" искусственные нейроны - выходит из строя часть оборудования, а спутник продолжает передавать сигналы; не прекращает работать внеземная станция, летит к другой планете космический корабль...

Казалось бы, достигнут верх желаний: и гигантская скорость, и удивительная надежность, и совершенство компактности. Но впередсмотрящие, те, кто неустанно вглядывается в будущее, уже различают в туманной дали очертания новых машин. Возможно, их причислят к пятому поколению, а возможно, они откроют собой шестое. Но во всяком случае о них будут говорить без всяких эпитетов: без привычного "думающих" или строгого "вычислительных", или смелого - "мыслящих". Почему?

Считают, что появление нового поколения машин произведет такую же революцию, какую произвели первые электронные устройства, заменившие электромеханические. Ведь количество логических операций в секунду будут тогда обозначать числом не менее чем 10²⁰! Попробуй, подыщи эпитет для такой машины! К тому же и принцип ее работы будет совершенно иным.

Представьте себе, что вы читаете книгу не по строчкам, а сразу целыми страницами, не последовательно нанизывая одну строчку на другую, а единым взглядом. Так и ожидаемые машины, проекты которых уже существуют. Они смогут обрабатывать данные целыми "массивами". Вычислительный элемент включит не строчку, а картину, даже не картину, а десять тысяч картин сразу. Кроме того, одно оптическое "полотно" будет содержать 10¹⁰ двоичных знаков информации. Машины этого класса не потребуют никаких материальных каналов для передачи световых и электронных сигналов. Странные, почти бестелесные создания! Грубо говоря, принцип их работы напоминает эпидиаскоп, посылающий изображение на экран молниеносно и накладывающий их одно на другое. Огромную библиотеку из миллионов томов вместит машинная память, если ее сделать на таких картинах.

Информация из нее будет выбираться не по адресному принципу, когда приходится искать и "улицу" и "дом", чтобы попасть в нужную ячейку, а ассоциативно.

Все, что мы запоминаем, связано между собой, запоминается группами, а не изолированно. Вспомните у Паустовского в "Золотой розе" цепь ассоциаций: от красного свитера через Эйзенштейна на улице в Алма-Ате, через историю завоевания Америки, через талант Горького-рассказчика, через рассвирепевшего Марка Твена, через Геккельберри Финна, державшего за хвост дохлую кошку, к памятнику лермонтовскому Максиму Максимычу или Бэле. Так работает наша память, память человека. Так будет работать и память новых машин. Красивое имя они получили уже до рождения - "картинной логики", или машины "картинной арифметики".

Перед нами прошли поколения машин. Обратили вы внимание, как стремительно растут их возможности, с какой стремительной быстротой они уходят от привычного понятия "машина" и становятся совершенно невообразимыми. И все-таки: предельны ли их возможности? Жизнь пяти поколений приводит к утверждению: беспредельны. А как же быть с ограничениями, накладываемыми законами природы, например, с постоянностью скорости света?..

Никуда не денешься от того, что скорость передачи информации ограничена скоростью света. Поэтому будущую оптическую машину надо построчить так, чтобы луч света проходил в ней наименьшие расстояния. Вероятно, она будет иметь форму шара, поскольку из геометрии известно, что из всех тел одинакового объема у сферы наименьшая поверхность. И еще. Ученые подсчитали, для уменьшения времени выборки информации в машине необходимо затрачивать большую энергию: больше энергии - выше скорость.

Когда мы переходим из привычного, нашего мира в микромир, то сталкиваемся с иными законами, иными "порядками". Здесь у нас предмет особой заботы - верхняя граница плотности, с которой можно заполнить память машины. А там, в микромире, один кубический сантиметр ядерного вещества весит миллиард тонн. Сколько же информации можно вложить в материю с такой плотностью! А в живой природе? Подумать только: в объеме, равном дождевой капле, заключена материальная основа, передающая генетическую информацию при рождении всего населения земного шара - трех миллиардов человек.

Значит, природа чрезвычайно изобретательно и экономно умеет "упаковывать" информацию и подсказывает конструкторам дорогу, по которой ближе всего к достижению цели.

Не случайно, давно уже высказанная химиками мысль, что на смену современной "макромашине" должна придти молекулярная химическая "микромашина", созданная методом химического синтеза, закономерно продолжена в наши дни биониками. Возможно, что именно в направлении конструирования молекулярных схем, предполагают они, и откроется в будущем дорога к биологическим "умным" машинам, неким подобиям созданий живой природы.

Не фантастика ли все это? Не беспредельные ли по времени мечтания?

Посудите сами. Перед вами весьма наглядный пример динамической эволюции машин, беспрерывно улучшающих свое устройство и повышающих свою эффективность.

До 1950 года - предыстория вычислительной техники.

Первое поколение - на радиолампах - начало жить в 1951 году, вошло в "силу" в 1955. Машины эти автоматизировали существовавшие ранее методы решения научных задач.

Второе поколение - на полупроводниках (время жизни - 1960 - 1965 годы) - уже открывает эру обработки сверхгигантских по объему данных.

Третье поколение - начало интегральных схем - можно считать, уступило дорогу следующему типу машин лишь после 1970 года. Свое призвание оно проявило не столько в успешной обработке больших объемов данных, сколько в превращении этих данных в информацию. Можно отметить, что третье поколение машин положило начало эре информации.

Четвертое поколение - на больших интегральных схемах - несет с собой небывалое распространение дистанционных устройств и универсальность. Наступает, если можно так сказать, эра разговора с ЭВМ на расстоянии.

Ну, а машины пятого поколения? Думают, что они родятся в 1975 году и определят собой эру мгновенно действующих помощников человека. Вероятно, уже к началу 80-х годов любой и каждый и повсюду сможет пользоваться услугами ЭВМ.

Каждое новое поколение вычислительных машин появляется в среднем через 5 - 6 лет и живет, уступая дорогу следующему, 10 лет.

Всего за четверть века сложилось четыре поколения. В переводе на масштаб человеческой жизни - это соответствует примерно столетию. И за это время - назовем его "сто в двадцать пять" - пройден путь от простой автоматизации вычислений до сотрудничества почти на равных человека и машины. Поэтому многие наши предположения могут оказаться реальными.

Сегодня трудно определить место будущих машин в жизни человека.

Что станут делать интеллектуальные автоматы, запоминающие больше, чем мозг человека, и думающие быстрее, чем мозг человека?

Ответить трудно. Ясно только одно: единственный предел возможностей умной машины - не в ней самой, а в изобретательности и фантазии людей, ее создающих.