Беседа седьмая. Самодельный разум

Беседа седьмая. Самодельный разум

Мнимый немой

В одном весьма аристократическом и во многих отношениях благополучном английском семействе не было детей. Были испробованы все респектабельные и некоторые даже не очень респектабельные средства, но шли годы, и постепенно все были вынуждены свыкнуться с тем фактом, что род четырнадцатого баронета должен угаснуть.

И вдруг, когда давно были оставлены последние надежды, родился наследник. Семейное событие, ставшее сенсацией для всего лондонского высшего света! Газета "Тайме" посвятила ему прочувствованную публикацию.

Но никогда не следует забывать, как опасно иметь дело с судьбой. По прошествии трех лет со дня рождения стало ясно: мальчик немой. Снова были пущены в ход все средства. Приглашались на консультацию крупнейшие европейские и заокеанские светила, не были забыты экстрасенсы, тибетские ламы и старые бабки с запасами паутины. Все напрасно, и, что самое главное, ни один специалист не нашел никаких отклонений. Гортань, голосовые связки, электроэнцефалограмма - все оказалось в пределах нормы. Годы шли, и, как прежде, последние искры надежды сменились покорностью судьбе.

Мнимый немой

В день конфирмации наследника собралось довольно много гостей. Было весело, как может быть весело в респектабельном английском доме с неизбежным оттенком даже не грусти, а некоторой сдержанности. И вот, когда большинство уже заканчивало десерт, за столом раздался звонкий мальчишеский голос:

- Пудинг пережарен!

Вряд ли нашелся бы мастер, способный передать кистью, пером или новейшими средствами, например скрытой камерой, то, что последовало. Когда эмоции несколько улеглись, отец мальчика первым вернулся к действительности. Подойдя к сыну, он положил ему руку на плечо и спросил:

- Почему же ты молчал все эти долгие четырнадцать лет?

- Да как-то до сих пор все было в порядке, - ответил сын.

Вопрос о том, когда следует, а когда не следует вступать в диалог, будет одним из центральных в этой беседе. Кроме того, разобравшись в предыдущих беседах, разумеется, в общих чертах, как устроена ЭВМ, мы посмотрим, как решает ЭВМ поставленные перед ней задачи.

Автоматы и жизнь

В предыдущих беседах мы постарались в общих чертах обрисовать те пути, по которым развивалась информационная индустрия, а также основные идеи, положенные в основу ее строительства. Настала пора поговорить о том, какие задачи сегодня ставятся перед информатикой и к чему надо стремиться. Но сначала, естественно, следует выяснить, что может современная информатика, каковы перспективы ее будущего развития и есть ли какие-нибудь принципиальные пределы этому развитию?

Задача информационной индустрии - получение, хранение, передача и преобразование информации. Но примерно тем же самым (за исключением, может быть, передачи) занимается человеческий мозг. Поэтому очевидным является желание сравнить возможности информационных систем и человеческого мозга. Таким образом, хотим мы того или нет, мы приходим к вопросам: может ли машина мыслить и может ли она быть умнее человека?

Оба вопроса возникли сразу после появления первых ЭВМ, то есть в середине 50-х годов, и немедленно вызвали бурную дискуссию. Вначале все выглядело просто.

- Ваши ЭВМ, - утверждали противники искусственного разума, - содержат несколько тысяч электронных ламп и потребляют сотни киловатт электроэнергии. Человеческий мозг содержит несколько миллиардов нервных клеток. ЭВМ, содержащая несколько миллиардов электронных ламп, окажется величиной с небольшой город. Из нескольких миллиардов ламп каждую секунду обязательно хоть одна будет перегорать. Значит, создание устройства переработки информации, равноценного мозгу с точки зрения количества элементов, невозможно, и на этом следует поставить точку.

Что можно возразить? Интересно вот что. Всякий раз, когда появляется новое направление в науке и технике, будь то информатика, квантовая физика, космонавтика или что-либо иное, сразу возникают две группы людей Первые - те, кто непосредственно создает новое направление. Они увлеченно работают, и, как правиле, их мало волнует, к чему в конце концов это направление приведет. Им просто некогда об этом думать. Вторая группа - те, кто, не сделав практически ничего для развития нового направления, с большой охотой о нем рассуждают. Противникам машинного разума почти никто не возражал, во всяком случае, выступления сторонников машинного разума до сих пор насчитываются единицами, но разного рода доказательства невозможности для машины мыслить множились с невероятной быстротой. И хотя оставалось неясным, зачем доказывать то, что много раз провозглашалось очевидным и против чего почти никто не возражает, они множились и множились.

Время шло. Летом 1962 года в США экс-чемпион штата Коннектикут по шашкам Роберт В. Нили впервые за восемь лет потерпел поражение. Его противник начал играть в шашки совсем недавно - в 1955 году, однако быстро усвоил все тонкости игры. Разумеется, мистеру Нили поражение не доставило радости. Его даже не утешала мысль о том, что победу над ним одержала ЭВМ модели ИБМ-7094. Машина победила быстро и четко, без подсказок со стороны. Как автомат научился играть в шашки? Точно так же, как и человек - с помощью наблюдений и на практике, разбираясь в ошибках и запоминая их, чтобы не повторять в будущем.

Опытные шашисты, наблюдая партию, не усомнились бы, что машина обладает высокоразвитым мышлением. Она просчитывала позиции на двадцать ходов вперед и руководствовалась стратегией, поистине достойной чемпиона. Словом, со стороны все выглядело так, будто ЭВМ руководствуется собственным разумом. Конечно, машина не имела разума в человеческом смысле, но в данном конкретном случае - при игре в шашки - она вела себя так, словно обладала хорошо тренированным мышлением.

На деле ЭВМ выполняла только то, для чего и была предназначена, - производила простейшие арифметические операции. Она складывала, вычитала, сдвигала, сравнивала и запоминала числа, состоящие из двух цифр - нуля и единицы. ЭВМ выполняла действия над числами в соответствии с программой, основанной на правилах игры в шашки и подготовленной человеком. Замечательно то, что доктор Артур Л. Сэмюэль, написавший программу игры в шашки, не был сильным шашистом. Он не составлял, да и не мог бы составить конкретного плана игры, который привел к поражению чемпиона Нили.

Зачем вообще машине играть в шашки? На первый взгляд, использование большой и дорогостоящей ЭВМ для игры в шашки просто ненужное трюкачество, не имеющее никакой ценности для науки и техники. Однако доктор Сэмюэль преследовал куда более серьезную цель, чем просто научить ЭВМ, как добиться победы над мистером Нили. Игру в шашки он выбрал как пример разумных действий, повинующихся точно определимым и несложным правилам, которые могут быть выражены в форме, пригодной для использования в ЭВМ. Главная задача опыта - продемонстрировать существование методов обучения ЭВМ.

Когда ИБМ-7094 начала играть в шашки, она делала только самые простые ходы. В ту пору она была "неопытным новичком", и даже ребенок мог бы ее обыграть. Но программа работы предусматривала запоминание на магнитной ленте последовательностей игры, приводящих к выигрышу или прохождению пешки в дамки. Так как одна бобина магнитной ленты позволяет хранить многие миллионы цифр, ЭВМ оказалась в состоянии запомнить огромное количество вариантов партии с хранящимися в ее запоминающем устройстве и делала такой ход, какой, по опыту, давал максимальные шансы на выигрыш.

Чем больше ЭВМ играла, тем больший опыт накапливала. Это позволило создавать и запоминать обобщенные варианты игры, вырабатывать тактику, обеспечивающую сохранение инициативы и защиту от прохождения в дамки. Накопив опыт нескольких тысяч партий, машина ИБМ-7094 стала систематически обыгрывать доктора Сэмюэля, считающего себя "весьма средним игроком". Настал день, когда знания машины в области стратегии и тактики шашек превзошли возможности ее учителя. Сам Нили писал по этому поводу: "В эндшпиле машина играла превосходно и не сделала ни единой ошибки. С 1945 года, когда я в последний раз остался в проигрыше, мне не приходилось встречаться со столь сильной контригрой, особенно в конце партии". Сегодня каждый желающий может сыграть с ЭВМ в шахматы, например, в одном из павильонов ВДНХ. Лучшие шахматные программы позволяют ЭВМ играть примерно в силу кандидата в мастера. Между ЭВМ устраиваются международные шахматные турниры.

ЭВМ пишут стихи, создают музыкальные произведения, пробуют свои силы в изобразительном искусстве. Все это, конечно, своеобразные развлечения. Основные силы ЭВМ были направлены на автоматическое проектирование, и достигнутые в этой области результаты не менее впечатляющи, чем выигрыш у чемпиона. Сказались ли все успехи ЭВМ на позициях противников машинного разума? Только в одном: стало понятно, что просто отмахнуться от подобных вопросов нельзя и заняться ими надо всерьез. А заняться всерьез означает прежде всего определить, что такое разум вообще.

Тут-то началось самое интересное. Оказалось, этого никто не может. Делалось множество попыток, и все они кончались одинаково. Как только давалось очередное определение разума, немедленно появлялась программа, позволяющая ЭВМ делать то же самое.

Наиболее серьезную попытку в этом направлении сделал А. Тьюринг (1912-1954). Он предложил такой тест. Предположим, вы ведете беседу по телефону с невидимым собеседником. Если по результатам беседы вы не в состоянии определить, кто является вашим собеседником - человек или машина, а на самом деле собеседником является машина, то такая машина разумна. В ответ появилось сразу несколько программ, позволяющих проводить подобные беседы. Дискуссии продолжались.

Наконец были вынуждены выступить те, кого с полным правом можно считать творцами современной информатики. 6 апреля 1961 года на методологическом семинаре механико-математического факультета МГУ академик А. Колмогоров прочитал доклад "Автоматы и жизнь". В частности, он тогда сказал:

Автоматы и жизнь

"Поставленный нами вопрос тесно связан с другими: а что такое жизнь, что такое мышление, что такое эмоциональная жизнь, эстетические переживания? В чем, скажем, состоит отличие последних от простых элементарных удовольствий - от пирога, например, или еще чего-нибудь в этом роде? Если говорить в более серьезном тоне, то можно сказать следующее: точное определение таких понятий, как воля, мышление, эмоции, еще не удалось сформулировать. Но на естественно-научном уровне строгости такое определение возможно. Если мы не признаем эту возможность, то окажемся безоружными против аргументов солипсизма...

В заключение следует остановиться на вопросах, касающихся, если можно так сказать, этической стороны идей кибернетики. Встречающиеся часто отрицание и неприятие этих идей проистекают из нежелания признать, что человек является действительно сложной материальной системой, но системой конечной сложности и весьма ограниченного совершенства и поэтому доступной имитации. Это обстоятельство многим кажется унизительным и страшным. Даже воспринимая эту идею, люди не хотят мириться с ней, такая картина всеобъемлющего проникновения в тайны человека, вплоть до возможности, так сказать, "закодировать" его и "передать по телеграфу" в другое место, кажется им отталкивающей и пугающей. Встречаются опасения и другого рода: а допускает ли вообще наше внутреннее устройство исчерпывающее объективное описание? Предлагалось, например, поставить перед кибернетикой задачу научиться отличать по объективным признакам существа, нуждающиеся в сюжетной музыке, от существ, в ней не нуждающихся. А вдруг поанализируем-поанализируем - и окажется, что и в самом деле нет никакого разумного основания выделять такую музыку как благородную по сравнению с другими созвучиями.

Мне представляется важным понимание того, что ничего унизительного и страшного нет в этом стремлении постичь себя до конца. Такие настроения могут возникать лишь из полузнания: реальное понимание всей грандиозности наших возможностей, ощущение присутствия вековой человеческой культуры, которая придет нам на помощь, должно производить огромное впечатление, должно вызывать восхищение! Все наше устройство в самих себе понятно, но понятно и то, что это устройство содержит в себе колоссальные, ничем не ограниченные возможности.

На самом деле нужно стремиться этот глупый и бессмысленный страх перед имитирующими нас автоматами заменить огромным удовлетворением от того факта, что такие сложные и прекрасные вещи могут быть созданы человеком, который еще совсем недавно находил простую арифметику, чем-то непонятным и возвышенным".

Казалось бы, наконец все стало ясно. Как бы ни изощрялись противники машинного разума, нужно в конце концов отдать себе отчет в том, что существуют лишь две позиции. Или мы признаем, что человеческий организм, включая мозг, представляет собой физическую систему, состоящую из конечного числа атомов. Такая система воспроизводима если не сегодня, то в обозримом будущем. Если же этого не признавать, не остается ничего другого, как поверить в святой дух, который согласно библейской легенде вдохнул господь бог в свое творение из глины. Проблема эта относится к такой категории, где третьего, как говорится, не дано.

Несмотря на все, вопрос этот не решен до сих пор. Конечно, жизнь заставила отказаться от многих аргументов, например от аргументов, связанных с количеством нервных клеток. О достижениях интегральной технологии мы уже говорили. Если проанализировать сегодняшнее состояние проблемы, то оказывается, что практически все возражения сводятся к следующим трем.

ЭВМ не обладает самостоятельностью, а лишь слепо выполняет то, что предписано ей программой. Поэтому шахматный матч между ЭВМ на самом деле является матчем не между ЭВМ, а их программистами.

По всей вероятности, существует фундаментальный закон, аналогичный закону сохранения энергии, кладущий предел интеллектуальным возможностям искусственных систем. Едва этот закон будет открыт, все станет на свои места, а пока попытки создать думающую машину аналогичны столь распространенным в свое время попыткам построить вечный двигатель.

Машина не думает и не творит. Она представляет собой усилитель соответствующих способностей человека точно так же, как экскаватор представляет собой усилитель его мускульной силы.

С удовлетворением отмечаем, что из множества когда-то высказывавшихся аргументов сохранилось только три. Но и эти три без труда опровергаются.

Несомненно, что ЭВМ работает по программе. Но ведь и человек, каким бы родом деятельности он ни занимался, использует то, чему он научился. А к примеру, любая спортивная победа является победой не только спортсмена, но и его тренера. Тем не менее ЭВМ способна превзойти своего учителя (мы не зря привели пример с шашечной программой), как и человеку свойственно превосходить своих учителей.

Мы верим в справедливость закона сохранения энергии главным образом потому, что до сих пор никогда в природе не обнаруживались факты, его опровергающие. Что касается закона, ограничивающего интеллектуальные способности, то он опровергается наличием физической системы - человек.

Настала пора авторам уточнить свою позицию. С самого начала мы не хотели ввязываться в дискуссию о машинном разуме. Гораздо важнее нам представляется следующее. В современных условиях мы ставим не только наше благосостояние, но и наше здоровье и даже саму жизнь в зависимость от функционирования автоматических устройств. Мы делаем это, спускаясь на эскалаторе в метро, поднимаясь к себе домой на лифте, путешествуя на самолете или поезде, наконец, просто оставаясь дома, потому что системы водоснабжения и отопления также управляются автоматами.

Усовершенствование автоматических систем и лежащей в их основе информатики для нас имеет первостепенное значение. Вряд ли целесообразно провозглашать наличие каких-то принципиальных пределов развитию автоматических систем. Если для чьего-то самолюбия оказывается менее болезненным называть ЭВМ усилителем умственных способностей, пусть будет так. В конечном итоге важен результат деятельности, а не его название. Пусть экскаватор лишь усиливает мускульную энергию человека, хотя делает он это, черпая энергию из собственного источника. Однако давно уже настала пора поговорить о результатах деятельности информационных систем, а не о том, как их называть.

Во Владивостоке

В середине 60-х годов в доме отдыха "Седанка" под Владивостоком собралась очередная конференция по вопросам кибернетики. В памяти всех ее участников сохранилась поразительная, неповторимая красота дальневосточной природы. Сопки, покрытые кедровником, серо-синие прибрежные скалы, омываемые волнами Тихого океана. Несмотря на то что дело было осенью и температура воды в океане не превышала пятнадцати градусов, почти все мы купались. Да и как можно удержаться, если, нырнув хоть раз, обязательно выплываешь с экзотическим трофеем в виде морской звезды, морского конька или на худой конец красивой раковины.

Во Владивостоке

Но не меньшие впечатления остались и от состава участников. Собрались на редкость интересные люди, и стихийно возникло нечто, подобное актерским капустникам. По вечерам мы собирались в холле дома отдыха, и кто-нибудь из коллег выступал с беседой, посвященной наиболее интересным на его взгляд результатам какого-либо из частных направлений того, что тогда еще не получило названия информатики. Ярче всего запомнилась беседа Д. Поспелова. Дмитрий Александрович Поспелов - человек весьма разносторонний. Ему принадлежит целый ряд результатов в области структуры ЭВМ, однако чаще всего его имя связывается с предложенными им и его учениками методами ситуационного управления. Но тогда Дмитрий Александрович посвятил свою беседу не собственным результатам, а теории коллективного поведения автоматов. Теория коллективного поведения автоматов начала развиваться в работах М. Цетлина (1924-1966) и его учеников. После его безвременной кончины самые существенные результаты в теории коллективного поведения автоматов были получены В. Варшавским.

Наверное, для большинства читателей сочетание слов "автомат", "поведение", "коллектив" кажется не совсем обычным. Но если по отношению к автомату можно говорить, что он "ведет себя" в том же смысле, в каком мы применяем это понятие к живым существам, и в частности к людям, то появляются основания называть много взаимодействующих между собой автоматов коллективом. А коли так, можно говорить о поведении автоматов.

Давайте определим термин "поведение" и постараемся сделать это так, чтобы предельно приблизить наше определение к общепринятому бытовому значению этого слова. Про ученика, сидящего на уроке, говорят, что он ведет себя хорошо, если он находится в относительной неподвижности и не произносит слов, не относящихся к уроку. Однако этим же условиям почти полностью отвечает и парта, стоящая в классе, но про парту не говорят, что она "ведет себя хорошо". Следовательно, для того чтобы претендовать на свойства поведения, недостаточно находиться в неподвижности и молчать.

Почему же все-таки при равных условиях наделяют свойством поведения ученика и не наделяют этим же свойством парту? По всей вероятности, потому, что ученик может и не сидеть неподвижно, а к примеру, играть с соседом в перышки, стучать крышкой парты и проделывать много других шалостей. Именно потому и говорят, что он "ведет себя", поскольку из множества доступных ему поступков он выбирает определенные, следуя при этом (или не следуя, тогда говорят, что он ведет себя плохо) некоторой системе правил.

Но ведь то же самое можно сказать о швейной машине. Швейная машина выполняет много различных операций (действий) на основании системы правил, которые задаются предварительной установкой соответствующих рычагов. И все-таки о швейной машине не говорят, что она "ведет себя хорошо". Наделяя свойством поведения живое существо, мы предполагаем, что не все поступки нашего объекта обусловливаются, во всяком случае в явном виде, некоторой системой правил. Мы наделяем живое существо свободой воли, способностью совершать поступки, не мотивированные тем состоянием внешней среды, в которой оно находится. На таких условиях последовательную цепь совершенных объектом поступков мы называем поведением.

Все сказанное позволяет определить термин "поведение" следующим образом. Объект "ведет себя" или, иначе говоря, обладает свойством поведения, если удовлетворяются два условия. Во-первых, различные воздействия объекта на окружающую его среду, или реакции объекта, достаточно разнообразны. Во-вторых, последовательность таких реакций - это и есть поведение - совершается на основании системы правил, в большинстве случаев связывающих эти реакции с существующим в данный момент прошлым, а иногда и будущим состоянием внешней по отношению к объекту среды. Возможны и такие реакции, которые представляются нам необусловленными или даже противоречащими системе правил. Словом, реакции объекта иногда могут быть непредсказуемыми или предсказуемыми частично.

Обратите внимание на слово "иногда". Относительно объекта, все реакции которого непредсказуемы, не говорят, что он обладает свойством поведения. Объект, отвечающий второму условию, является объектом вероятностным, стохастическим.

Приведенное определение, конечно, не совсем строго. Прежде всего остается неясным, что значит "достаточно большое разнообразие". Неясно и то, в каком соотношении между собой должны находиться предсказуемые и непредсказуемые реакции. Однако на первых порах, чтобы разобраться в сути дела, достаточно и того, что сказано. Рассматривая цепочки последовательных реакций, можно говорить также о степени соответствия этих реакций состояниям внешней среды. Если установлены критерии такого соответствия и если цепочки реакций объекта в установленном смысле отвечают этим критериям, то говорят, что поведение объекта является целесообразным или даже разумным.

Целесообразность или разум?

Разобравшись в понятии "поведение", мы заодно узнали, что такое автомат. Автоматом можно назвать любую конструкцию, которая способна в данный момент времени находиться в одном из некоторого конечного набора состояний, а также в зависимости от тех или иных причин переходить из одного состояния в другое.

Хорошо бы ввести и понятие "среда". Среда - это нечто, способное находиться в каждый момент времени в одном из некоторого конечного набора состояний. Но обладает она и еще важным свойством. Для каждой пары: "состояние автомата - состояние среды", - среда способна выдавать некоторый выигрыш. Выигрыши различны для различных пар. Они могут быть и отрицательными. Отрицательный выигрыш рассматривается как проигрыш, наказание.

Теория позволяет легко посчитать, что если поведение автомата никак не связано с состояниями среды, иначе говоря, по отношению к среде автомат ведет себя случайным образом, то суммарный выигрыш за большой промежуток времени оказывается равным среднему по всем возможным выигрышам. Средний выигрыш может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от конкретной среды.

Пусть некоторый автомат в некоторой заданной среде получает выигрыш, больший среднего. Поведение такого автомата называют целесообразным. Подобное определение совпадает с привычным бытовым понятием целесообразности. Более того, если бы речь шла не об автомате, а о человеке и мы бы видели, что этот человек в некоторых условиях способен добиться выигрыша, мы наверняка назвали бы его поведение разумным. Однако суть не в названии.

Простейшим из всех автоматов, очевидно, является автомат, способный принимать только два состояния. Каждый раз, получая от среды выигрыш со знаком плюс (поощрение), автомат сохраняет свое состояние, а получая выигрыш со знаком минус (наказание), автомат меняет свое состояние на противоположное. Такой автомат подобен деревенскому дурачку, играющему на гармошке только две мелодии - веселую и грустную. Встречает он на улице свадьбу, начинает играть грустную мелодию и, по всей вероятности, получает по шее. На другой день, встречая похоронное шествие, он играет веселую мелодию (переключился в другое состояние) - снова получает по шее и так далее. Поведение подобного автомата не является целесообразным. К такому же выводу приводит и строгая теория.

Представьте себе более сложный автомат, состоящий из двух простых. Один из них - рабочий автомат, а второй - автомат памяти. Состояния рабочего автомата называются действиями. Эти действия воспринимаются средой, и в ответ на каждое действие рабочего автомата среда выдает выигрыш того или иного размера. Иначе обстоит дело со сменой действий рабочего автомата. Они изменяются не в зависимости от выигрыша или проигрыша, а в зависимости от состояния автомата памяти.

Автомат памяти можно уподобить лесенке с перенумерованными ступеньками. Самая нижняя ступенька имеет номер один, следующая за ней - номер два и так далее. Каждому состоянию автомата соответствует нахождение шарика на какой-либо ступеньке. Рабочий автомат меняет свое состояние только в том случае, если шарик в автомате памяти расположен на ступеньке номер один.

В теории рассматривается целое семейство таких автоматов. Первый в этом семействе - автомат с линейной тактикой. При получении положительного выигрыша (поощрения) автомат с линейной тактикой сохраняет свое состояние (действие). При этом шарик в автомате памяти поднимается на ступеньку вверх. Наоборот, при получении наказания шарик в автомате памяти опускается на ступеньку вниз.

Автомат с линейной тактикой - автомат рассудительный. Если, например, шарик лежал на ступеньке номер три и автомат был наказан, шарик опустится на ступеньку номер два, но своего действия рабочий автомат не изменит. Автомат лишь "настораживается". Только после третьего наказания рабочий автомат принимает меры, то есть меняет свое состояние. Наоборот, несколько следующих друг за другом поощрений заставляют автомат "успокоиться" - шарик поднимается все выше и выше.

Теория показывает, что в стационарной среде, в условиях, когда смена состояний среды происходит случайно, но вероятности каждого из состояний не изменяются во времени, автомат с линейной тактикой демонстрирует целесообразное поведение. При неограниченном увеличении числа состояний памяти автомат с линейной тактикой способен получить выигрыш, максимально возможный в данной среде.

Теория коллективного поведения рассматривает семейство автоматов, близких к автомату с линейной тактикой. Среди них особый интерес представляет автомат В. Крылова. При поощрении он ведет себя как автомат с линейной тактикой. А при наказании он с равной вероятностью либо увеличивает на единичку состояние памяти, либо, наоборот, уменьшает ее на единицу. Автомат Крылова фаталист. Столкнувшись с неудачей, он предпочитает, фигурально выражаясь, как бы подбросить монетку и целиком ей доверяется. Если монета упала кверху орлом, автомат настораживается, а если решкой - успокаивается. Теория говорит нам, что можно поступать и так. Во всех стационарных случайных средах автоматы Крылова не только демонстрируют целесообразное поведение, но и способны добиться максимального выигрыша при неограниченном увеличении количества состояний памяти.

Существенным здесь является то, что среда стационарна. Однажды привыкнув к такой среде, автомат в дальнейшем может ни о чем не беспокоиться, потому что среда не меняет своих свойств. Иначе обстоит дело в переключаемых средах, у которых вероятности различных состояний изменяются время от времени.

Теория коллективного поведения утверждает, что в переключаемой среде автомат с линейной тактикой хотя и демонстрирует целесообразное поведение, но не может достичь максимального выигрыша. Лучшее, чего он может добиться, это некоторого выигрыша, и то при определенном количестве состояний памяти. Выигрыш снижается в обоих случаях, если количество состояний памяти увеличивается или уменьшается.

В условиях переключаемой случайной среды существенное значение имеет "зрелость" автомата. "Пожилой" автомат, накопивший большой жизненный опыт, прекрасно ведет себя в неизменных условиях, но плохо приспосабливается к изменениям условий. "Юный" автомат, вообще не имеющий никакого опыта, также не может претендовать на существенный выигрыш. Выигрывает тот, кто, обладая достаточным опытом, все еще гибок и легко меняет свои привычки.

До сих пор мы говорили об одиночных автоматах. А как же коллектив? Ведь теория, выводы которой мы сейчас рассматриваем, называется теорией коллективного поведения автоматов.

Коллективное поведение ярче всего проявляется, когда автоматы играют друг с другом в различные игры. При этом для каждого конкретного автомата все остальные автоматы-партнеры представляют собой среду.

Методы исследования поведения одного из автоматов в данной среде могут быть перенесены на случай игры нескольких автоматов. Правда, в таком случае среду нельзя считать стационарной или даже переключаемой, поскольку каждый автомат постоянно меняет свою стратегию и соответственно этому меняются свойства среды.

Наиболее ярким примером игр нескольких автоматов служит игра в размещения. Она напоминает следующую ситуацию. Имеется некоторое количество источников с разной производительностью. Например, источник номер один, выдающий в час сколько-то единиц чего-то, источник номер два, выдающий в час еще какое-то количество чего-то, и так далее. Имеется несколько потребителей, в интересы которых входит получить как можно больше от источников. При этом каждый потребитель в данный момент времени может питаться лишь от одного источника, но не знает, питаются ли уже от этого источника другие потребители.

Предположим, в процессе приспособления некоторому потребителю удалось подсоединиться к источнику, дающему максимум, например 50 единиц в час. Второй потребитель в результате аналогичного процесса приспособления подсоединился к тому же источнику, и вдвоем они начали получать только по 25 единиц. А при этом существует источник меньшей мощности, дающий, скажем, 37 единиц.

Есть основания предположить, что в описанных условиях потребители каким-то образом распределятся между источниками, но при этом они вряд ли сумеют получить максимум, хотя бы потому, что никто не захочет питаться от источника с минимальной производительностью и продукция этого источника будет расходоваться впустую. Правда, у них есть возможность получать максимум продукции. Она состоит в том, чтобы каждый потребитель получал продукцию неважно от какого источника, лишь бы все источники были заняты. Имеется в виду, что количество потребителей равно или превышает число источников. Затем весь полученный продукт они складывают вместе и делят поровну между всеми потребителями. Поведение потребителей, додумавшихся до такой возможности и использовавших ее, мы, наверное, назовем вполне разумным.

Как ведут себя в подобных условиях автоматы? Исследования на основе методов теории коллективного поведения автоматов показывают, что если не давать возможности автоматам "заглядывать" в память друг друга - обмениваться информацией, - уже при небольшой емкости памяти они достигают наибольшего в этой ситуации выигрыша. Дальнейшее увеличение опыта приводит лишь к снижению их выигрыша. Если дать возможность автоматам обмениваться информацией, то "глупые" автоматы с небольшой емкостью памяти не используют преимуществ объединения и в результате получают даже меньше, чем разобщенные автоматы в аналогичных условиях. В то же время "умные" автоматы (в данном случае умными оказались автоматы с количеством состояний памяти больше шести) используют преимущества объединения и получают средний выигрыш, значительно больший, чем в предыдущем случае.

Речь идет не о каких-то сложнейших программах ЭВМ, а в общем-то о совершенно примитивных конструкциях. Конечно, для получения только что описанных результатов никто не изготовлял автоматы с линейной тактикой. Их поведение моделировалось с помощью ЭВМ. Но при желании автомат с линейной тактикой можно сделать из тех же дощечек и гвоздиков, которые мы использовали для построения машины, решающей задачу о волке, козе и капусте. Так что, наверное, самое правильное - это прекратить бесплодные споры о том, чего мы даже не умеем определить, и сосредоточить усилия ученых на извлечение максимальной пользы из наших помощников ЭВМ. Кстати сказать, методы теории коллективного поведения автоматов могут с успехом использоваться, например, при решении задачи о наилучшем распределении работ между членами бригады, задаче, имеющей огромное значение сейчас, когда происходит повсеместный переход на хозрасчет, самофинансирование и самоокупаемость.

Гангстеры-программисты

Современные ЭВМ делятся на три основных класса: большие, средние и микро. До последнего времени существовал промежуточный класс, мини-ЭВМ, но они постепенно растворились - частично среди средних, а частично среди микроЭВМ. По всей вероятности, такая же судьба уготована средним ЭВМ, однако в этой книге мы не ставим себе целью делать прогнозы.

Что такое большая ЭВМ? Ее быстродействие, то есть количество простых (типа сложения) операций, выполняемых за одну секунду, достигло рекордной отметки миллиард - в сто тысяч раз больше, чем у "Стрелы". Объем памяти измеряется в гигабайтах, то есть в миллиардах байт, где байт - последовательность, состоящая из восьми бит. С учетом возможности организации так называемой виртуальной памяти объем ее вообще не ограничен сверху. Большая ЭВМ работает одновременно с многими абонентами, число которых доходит до десятков тысяч. Абоненты могут быть сколь угодно удалены от ЭВМ, даже находиться на другом континенте.

Приведем хотя бы такой пример. В связи с непрерывно растущей преступностью в капиталистических странах получили большое распространение кредитные карточки. Кредитная карточка - это пластмассовый прямоугольник размером примерно с карманный календарик. На нем - полоска из магнитного материала, на которой нанесены все необходимые данные. Вы входите в магазин и, выбрав покупку, подходите к кассе. Вместо денег подаете кассиру кредитную карточку. Кассир вставляет карточку в специальную щель кассового аппарата. По телефонной линии аппарат автоматически связывается с большой ЭВМ, установленной в банке, та отыскивает ваш текущий счет и передает кассовому аппарату сумму остатка. Из этой суммы вычитается стоимость покупки и в текущий счет вносится соответствующее изменение. Вам же кассовый аппарат выдает чек и "благодарит" за покупку.

Главное, на что здесь надо обратить внимание, - в ЭВМ хранятся сотни тысяч, а может быть, миллионы счетов. Одновременно к ней обращаются десятки тысяч покупателей, в том числе и находящиеся в других городах и даже в других странах, а вся описанная операция занимает несколько секунд.

Таких примеров можно было бы привести много. Большие ЭВМ способны управлять движением сотен самолетов в районе аэропорта, продавать авиационные и железнодорожные билеты, при этом в памяти хранится положение всех поездов (самолетов), курсирующих по дорогам страны, и состояние (свободно - занято) всех мест в вагонах и самолетах с дополнительной информацией - если место занято, то когда освободится. В этой связи можно привести интересную подробность. Министерство транспорта Народной Республики Болгарии намерено приступить к созданию собственной системы резервирования и продажи железнодорожных билетов. Пока же эти функции выполняет советская система "Экспресс", связанная по телефону с билетными кассами Болгарии. Что касается авиации, то уже больше десяти лет функционирует система, отслеживающая местоположения всех авиапассажиров, в каком бы уголке планеты они в данный момент ни находились.

Всесоюзный институт научной и технической информации (ВИНИТИ) АН СССР и Госкомитет по науке и технике СССР составляет краткие рефераты, в среднем около десяти строчек, всех без исключения научных публикаций, выходящих в мире, - порядка 1 миллион 250 тысяч рефератов в год. Эти рефераты помещают в память вычислительной системы, получившей название "Ассистент" и выполняющей все операции, связанные с их подготовкой к печати. Она постоянно хранит их в памяти, и в течение нескольких секунд можно либо извлечь текст любого реферата, либо получить подборку рефератов на заданную тему. Наверное, скоро настанет время, когда к системе "Ассистент" мы будем обращаться по телефону.

Перед тем как распрощаться с большими ЭВМ, подведем некоторые итоги. Сейчас во всем мире примерно один процент, а может быть меньше, мощности больших ЭВМ затрачиваются на решение весьма сложных и, несомненно, важных математических задач, иначе говоря, на вычисление. Только этот процент и может служить оправданием тому, что в названии ЭВМ еще сохранилось слово "вычислительная". Девяносто девять процентов мощности больших ЭВМ затрачивается на выполнении операций, объединенных под общим названием "обработка данных".

Интересно, что при обработке данных почти не используются никакие "таланты" ЭВМ, кроме большого быстродействия и больших объемов памяти. На первый план здесь выступают методы систематизации и непосредственно связанные с ними методы баз данных. Систематизация - это основа современной информационной индустрии. Конечным итогом всякой работы в области систематизации являются базы данных. Методам создания баз данных посвящен большой и бурно развивающийся раздел информатики. Если забыть про упомянутый выше один процент, можно было бы сказать, что большие ЭВМ используются сегодня как средства поддержки (хранилища) базы данных.

Следует помнить еще об одном важном обстоятельстве. С большими ЭВМ связана определенная "идеология", сводящаяся к тому, что каждая база данных обеспечивает одновременный доступ большому количеству (десятки и сотни тысяч) пользователей. Это именно "идеология", которая сама по себе порождает множество проблем, в том числе так называемую проблему несанкционированного доступа. Действительно, любой пользователь в принципе может не только получить любую информацию, что само по себе не всегда желательно, но и исказить, а подчас разрушить содержимое базы данных.

Появление в капиталистических странах кредитных карточек и других способов финансовых расчетов с использованием ЭВМ породило новую породу гангстеров. Современный гангстер - программист экстра-класса, сидящий за пультом ЭВМ и пытающийся разгадать те хитрости, к которым прибегают программисты из противоположного лагеря для защиты базы данных. Квалификация и тех и других непрерывно повышается, средства становятся все более изощренными.

- Ну а результат? - поинтересовались мы у одного из сотрудников французского банка "Лионский кредит".

- И так бывает, и этак, - смущаясь, ответил он.

Гангстеры-программисты

Куда деваться середнякам?

Большие ЭВМ с самого начала строились как универсальные средства широкого назначения. Слово "универсальная" даже входило в название некоторых из них. Логика развития привела к тому, что именно большие и сверхбольшие ЭВМ сегодня, как правило, узкоспециализированы. Это всякий раз либо система продажи билетов, либо телефонное справочное бюро, либо хранилище банковских счетов, либо нечто другое в том же роде.

Значительно труднее определить "экологическую" нишу для средних ЭВМ. Более того, трудно даже определить, что такое вообще ЭВМ среднего класса. Лет пять тому назад сказали бы, что к среднему классу следует относить ЭВМ с объемом памяти в несколько миллионов байт, быстродействием несколько миллионов операций в секунду, с развитой системой устройств внешней памяти, с обязательным набором магнитных дисков и магнитных лент. Стоил такой комплекс сотни тысяч долларов.

На сегодня аналогичные показатели по объему памяти и быстродействию достигнуты или почти достигнуты микроЭВМ. Что касается магнитных дисков и магнитных лент, есть все основания полагать, что они скоро уступят свое место полупроводниковым микросхемам массовой памяти. Так или иначе, но ЭВМ среднего класса с перечисленными характеристиками сегодня существуют, и еще не настало время делать категорические прогнозы.

Применение их весьма разнообразно. Они составляют, к примеру, основу вычислительного центра небольшого предприятия и решают задачи чрезвычайно широкого спектра, начиная от управления технологическими процессами и кончая расчетами заработной платы. В этих делах им присуща высокая степень универсальности. Та же ЭВМ среднего класса может быть использована в более крупной системе в качестве коммуникационного процессора, и единственная ее задача в этом случае - посылать запросы, принимать, должным образом организовывать, систематизировать и отсылать дальше блоки информации - сообщения. Так, глобальная система слежения за авиапассажирами в США состоит из одной большой ЭВМ, размещенной на западном побережье страны, и ЭВМ среднего класса, установленных в столицах нескольких государств.

ЭВМ-малютки

Перейдем наконец к микроЭВМ. Исторически они появились последними, и прогресс их был поистине стремительным. На сегодня количество работающих микроЭВМ исчисляется десятками миллионов. Отличительные их черты, прежде всего малые габариты - от нескольких кубических дециметров до нескольких кубических сантиметров, малая масса - десятки граммов, малая потребляемая мощность - единицы ватт и малая стоимость - от ста до тысячи долларов. Объем оперативной памяти составляет сейчас сотни тысяч байт, и нет никаких сомнений в том, что скоро он начнет измеряться мегабайтами. Быстродействие микроЭВМ исчисляется миллионами операций в секунду и неуклонно продолжает увеличиваться.

Главная отличительная черта микроЭВМ, определяющая связанную с ними идеологию, это то, что они по всем параметрам представляют собой средство индивидуального пользования. Имеются в виду не только микроЭВМ, обслуживающие одного человека-пользователя, но и микроЭВМ, встроенные в автомобильный или тепловозный двигатель, навигационно-пилотажный комплекс самолета, станок с программным числовым управлением или кассовый аппарат (их называют также микроконтроллерами).

Если в основу идеологии больших ЭВМ был положен принцип "коллектив пользователей, обслуживаемый одной ЭВМ", то для микроЭВМ - это "коллектив микроЭВМ, обслуживающий одного пользователя", определяющий структуру самих микроЭВМ. Все они имеют магистрали, или шины, что дает возможность без дополнительных операций соединять между собой любое количество микроЭВМ или подсоединять к одной микроЭВМ добавочные устройства. Благодаря этому микроЭВМ стремятся объединять в многопроцессорные системы. Отдельные микроЭВМ могут располагаться на значительных расстояниях друг от друга.

Многопроцессорная система, в которой отдельные микроЭВМ распределены в пространстве, называется вычислительной сетью.

Сейчас много говорят о локальных вычислительных сетях. Локальная вычислительная сеть - сеть, сосредоточенная, например, в пределах одного учреждения или предприятия. Довольно часто вычислительная сеть подсоединяется как единое целое к большой ЭВМ.

Интеллектуалы в среде ЭВМ

Хороший пример структуры на основе микроЭВМ дают нам интеллектуальные терминалы. Мы уже говорили, что большие ЭВМ, как правило, работают с коллективами пользователей. Каждый пользователь, естественно, имеет свое рабочее место, снабженное всеми необходимыми средствами для эффективного обмена информацией между ним и ЭВМ. В последние годы такое место представляет собой видеодисплей, то есть устройство с электронно-лучевой трубкой, на которую выводятся либо до 24 строк по 80 символов в строке, либо всевозможные графические изображения, в том числе и цветные. Дисплей снабжается клавиатурой, а зачастую и световым пером, позволяющим вводить в ЭВМ графическую информацию. Кроме того, рабочее место пользователя часто комплектуется печатающим устройством и в случае необходимости - устройствами записи на магнитную ленту.

Это рабочее место универсального назначения. Существуют также узкоспециализированные рабочие места, как, например, кассовый манипулятор железнодорожного или авиационного билетного кассира. Во всех случаях основная цель при создании рабочего места - обеспечить максимальную эффективность обмена информацией между пользователем и ЭВМ. Это достигается, во-первых, наибольшей возможной скоростью передачи информации от пользователя к пользователю, во-вторых, снижением до минимума количества ошибок и случаев взаимного непонимания пользователя и ЭВМ.

Скорость обмена информацией ограничивается двумя факторами: возможностями ЭВМ и возможностями пользователя. ЭВМ работает одновременно с большим количеством (это могут быть десятки тысяч) пользователей, которые, грубо говоря, стоят в очереди. Количество ошибок уменьшается благодаря различным сервисным средствам, предоставляемым пользователю. В последнее время особое внимание уделяется диалоговому режиму. В диалоге с пользователем инициатива принадлежит ЭВМ, а пользователь часто ограничивается односложными ответами типа "да" - "нет". При этом, естественно, снижается скорость обмена информацией.

В подобных условиях эффективность повышается, когда диалог реализуется на рабочем месте без обращения к большой ЭВМ. Рабочее место в таком случае снабжается микроЭВМ. Подобная комбинация и получила название интеллектуального терминала. МикроЭВМ берет на себя все функции организации диалога, включая необходимые уточнения и исправление ошибок. Если в обмене присутствует графическая информация, микроЭВМ переводит изображение с экрана электронно-лучевой трубки в последовательность символов. В результате образуется компактное сообщение, передаваемое в большую ЭВМ за одно обращение.

Аналогичным образом сообщение большой ЭВМ снабжается необходимыми комментариями, редактируется в соответствии с принятыми форматами и предоставляется пользователю. При наличии графических элементов микроЭВМ строит соответствующее изображение на основе последовательностей символов, полученных от большой ЭВМ.

Дальнейшее развитие этого принципа. МикроЭВМ интеллектуального терминала решает вопрос, нужно ли передавать запрос пользователя в большую ЭВМ или она способна ответить ему самостоятельно. Система интеллектуальных терминалов представляет собой промежуточную стадию между системой массового обслуживания на основе большой ЭВМ и локальной вычислительной сетью.

Сети

Сегодня наиболее типичными информационными системами являются уже упоминавшиеся локальные сети. Локальная сеть состоит из одной относительно большой ЭВМ и нескольких соединенных с ней микроЭВМ, или, -как их иначе называют, персональных ЭВМ. Современные микроЭВМ не так уж малы. Их оперативная память позволяет хранить сотни тысяч байт, что вполне достаточно для хранения больших программ и больших массивов данных. Быстродействие современной микроЭВМ оценивается величиной в миллион операций в секунду, что также вполне достаточно для решения многих "индивидуальных" задач.

Но локальная сеть для того и создается, чтобы реализовать принцип "ничего лишнего". Все информационные запасы, которые могут понадобиться, а могут и не понадобиться индивидуальному пользователю, хранятся в памяти большой ЭВМ и черпаются оттуда по мере необходимости. Кроме того, микроЭВМ имеет возможность заглянуть в память соседки. Правда, такая возможность ограничивается теми областями памяти, которые предназначаются для всеобщего обозрения.

Таким образом, пользователь персональной ЭВМ имеет возможность решать свои собственные задачи, если они не превышают некоторых средних размеров. Он может обращаться за дополнительной информацией в память большой машины или поручить большой ЭВМ решение задач, непосильных для персональной ЭВМ. Наконец, локальная сеть позволяет организовать коллективный процесс обработки информации, который совершается под руководством со стороны большой ЭВМ.

Столь большие успехи, достигнутые в области ЭВМ или, в более широком смысле, технических средств переработки информации, привели к тому, что самым узким местом оказываются средства обмена информацией между человеком и информационной системой. ЭВМ, если можно так выразиться, предпочитают эпистолярный стиль. Для ввода данных, как правило, используется клавиатура, аналогичная клавиатуре пишущей машинки, а данные, выводимые из ЭВМ, либо печатаются на бумаге, либо опять-таки в виде последовательностей букв и цифр выводятся на экран дисплея. Правда, в последнее время появилась возможность вводить и выводить информацию, имеющую форму рисунков и даже цветных картин.

Эффективность общения с ЭВМ увеличилась бы во много раз, если бы осуществлять обмен информацией голосом. Попытки научить ЭВМ распознавать слова, произнесенные голосом, начались вскоре после появления самих ЭВМ. Сначала казалось, что задача эта не слишком сложна, затем, однако, встретился целый ряд трудностей, причем таких, что до сих пор проблема распознавания голоса полностью не решена, хотя определенные успехи на этом пути достигнуты. Распознавание голоса, распознавание рукописных текстов и перевод с одного языка на другой - вот три задачи, которые пока еще не поддаются эффективному решению на ЭВМ и по этой причине служат постоянными аргументами противников машинного разума.

В чем же дело? Разговаривать ребенок начинает очень рано, так что, наверное, задача не так уж сложна. В этой связи вспоминаются опыты, производившиеся в 50-х годах в акустической лаборатории Московской консерватории Л. Терменом. Лев Сергеевич Термен известен как изобретатель первого в мире электромузыкального инструмента, который был назван терменвоксом и оказался родоначальником большого семейства современных электромузыкальных инструментов. Кроме создания электромузыкальных инструментов, Л. Термен Демонстрировал и необычные для того времени опыты - заставлял певицу петь басом, а певца колоратурным сопрано.

Сущность опытов состояла в том, что каждое слово, произносимое человеческим голосом, разлагается на несколько составляющих - формант. Каждая форманта, в свою очередь, состоит из основного тона и обертонов. Л. Термен сначала разлагал вокальное произведение на отдельные форманты, затем заменял у каждой форманты основной тон на более высокий или более низкий, сохраняя соотношения между основным тоном и обертонами. После этого осуществлялся синтез формант, и мы слушали алябьевского "Соловья", исполняемого низким басом.

Если можно разложить речь и затем снова синтезировать ее, в таком случае непонятно, почему нельзя, анализируя формантный состав, распознать смысл произносимых слов? Тем, кого этот вопрос действительно интересует, мы предложим провести очень простой эксперимент. Попросите вашего приятеля продиктовать вам по телефону несколько десятков слов, по возможности не очень вам известных, лучше всего терминов незнакомой вам науки, и не имеющих между собой смысловых связей. Вы сразу убедитесь, что по меньшей мере в половине случаев придется просить вашего собеседника диктовать слова по буквам. Дело совсем не в том, что качество телефонной связи низкое. Просто в процессе обычной беседы вы не столько слышите отдельные слова, сколько угадываете их, главным образом по контексту, ведь тема вам известна. Сталкиваясь с совершенно незнакомыми словами, вы попадаете в то же самое положение, что и ЭВМ, которая пока еще не может понимать, о чем идет речь.