В-4. Кибернетика и вычислительные машины

Вопрос о месте вычислительных машин в кибернетике трактуется по-разному. Кибернетика является самостоятельной наукой со своими определениями и методами, так же как физика или химия, и имеет право на существование независимо от вычислительных машин. Однако в отличие от всех других наук она теснее связана с вычислительными машинами и зависит от них более сильно, чем, например, физика от физических приборов. Это не означает, что кибернетика - это вычислительные машины. Инженер-кибернетик должен знать принципы работы вычислительных машин, но не обязан уметь их создавать, настраивать или эксплуатировать. Для кибернетика обязательно уметь доводить свои задачи до составления программы на каком-либо алгоритмическом языке типа АЛГОЛ, уметь общаться, "разговаривать" с ЦВМ на проблемно-ориентированном языке. Знание этих языков для кибернетика является обязательным условием.

Большинство задач управления сводится к решению сложных дифференциальных уравнений или к перебору тысяч и сотен тысяч вариантов, что в состоянии выполнить только машина. Например, задачу оптимального распределения ресурсов (материалов, электроэнергии и пр.) по нескольким отраслям (металлургической, автомобильной, машиностроения и пр.) можно решить путем оптимального перебора с помощью динамического программирования. Для одного и двух видов ресурсов задача может быть решена, как правило, вручную. Однако для трех ресурсов требуется вычислительная машина, а для четырех и более даже современные машины не в состоянии решить задачу из-за большого количества вариантов перебора. В этом случае приходится отказываться от "чистого" алгоритмического, полностью автоматного метода решения и применять человеко-машинные способы, в которых широко используются опыт и интуиция человека, с одной стороны, и большие банки данных и программ для компиляции - с другой.

Вместе с развитием и становлением кибернетики и главным образом АСУ ЦВМ прошли несколько стадий или несколько поколений эволюционного развития [Л. 8, 17]. Первое поколение характеризуется использованием их в качестве большого вычислительного устройства, арифмометра. Как правило, эти машины были ламповые, хотя элементная база не главное, что отличает ЦВМ различных поколений. Машины второго поколения в основном ориентированы на обработку крупных массивов информации. Хотя структура ЦВМ сохранила свой универсальный характер, математическое обеспечение и внешние устройства специально ориентированы на задачи обработки данных. С приходом машин третьего поколения ориентация на эти задачи еще больше увеличивается, от ЦВМ требуется представление результирующих данных в удобном для человека информативном виде. Здесь получили широкое распространение терминальные устройства для ввода и вывода информации на электронно-лучевых трубках типа дисплея, телетайпы и т. д. и много абонентный режим работы с дистанционных пультов с широко развитой системой связи для передачи цифровой информации. И, наконец, машины четвертого поколения ориентируются на создание полного сервиса как в части технических, так и информационно-программных средств для непосредственного взаимодействия человека и ЦВМ, с терминалами и минимашинами. Средняя продолжительность жизни одного поколения ЦВМ составляет около 10 лет. Со сменой поколений меняется и элементная база: для машин второго поколения - транзисторы, третьего поколения - интегральные элементы (или интегральные схемы ИС), четвертого поколения - большие интегральные схемы (БИС). Для машин трех первых поколений характерны универсальность построения самой машины и программный способ решения задач. Таким же программным путем решаются на современном этапе задачи в АСУ. При этом наблюдается эволюция от программирования в кодах машины для машин первого поколения, что создавало жесткую привязку программного обеспечения к конкретной ЦВМ, которое умирало вместе с машиной, к программированию на проблемно-ориентированных языках для машин второго и третьего поколения и частично программированию на языках-диалогах или "разговорному" программированию, при которых программы и информационные массивы сохраняются при смене машины. Эта эволюция должна привести к тому, что программы будет составлять сама ЦВМ, а за человеком останется составление задания на программирование на входном языке машины, причем этот язык с течением времени все более приближается к естественному человеческому языку.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по внедрению методов кибернетики в управление экономическими системами. Создаются АСУ, в которых автоматизируется с помощью вычислительных машин управленческий труд.

Вычислительные машины для целей управления применяются в двух направлениях: первое - математическое моделирование будущей системы управления. Здесь необходимы мощные машины универсального типа, так как при моделировании таких сложных систем, как, например, работа большого аэропорта, требуется реализовать программы объемом порядка 2,5 млн. команд, а для моделирования экономики страны - 10 млн. команд. При этом машины должны быть надежны (ламповые машины здесь совершенно не подходят), обладать высоким быстродействием (около 10 млн. операций/сек), большим объемом оперативной памяти (порядка 500 тыс. слов) и с внешней памятью до 10 000 млн. слов. В ЦВМ должно быть сильно развитое программное обеспечение. Так, наиболее распространенная в мире система программирования IBM-360 в основном содержит порядка 2 млн. слов (или, точнее, операторов). Средняя производительность программиста примерно 1 000 операторов в год. В случае применения проблемно-ориентированных языков скорость программирования повышается в 3-8 раз в зависимости от уровня автоматизации программирования, заложенного в языке. С помощью этих цифр можно судить о трудоемкости решения задач на ЦВМ.

Второе направление - это применение вычислительных машин непосредственно в системе управления в качестве узла или звена системы. Требования к надежности таких машин значительно выше по сравнению с надежностью машин, на которых производится моделирование. Мощность же их значительно меньше. На первом этапе исторического развития в основном применялись для моделирования проектируемых систем и управления в этих системах аналоговые ЦВМ непрерывного действия благодаря своей простоте, надежности, дешевизне и хорошим средствам общения человек - машина, в значительной степени обусловленных не столько элементной базой, сколько аналоговым принципом построения. Однако с переходом к старшим поколениям надежность ЦВМ существенно возросла, с переходом к БИСам наметились тенденции к снижению их стоимости. Кроме того, разработка и внедрение информационно-программных и технических средств общения практически позволило придать ЦВМ более совершенные приемы общения по сравнению с аналоговыми машинами. По существу с позиций потребителя такая ЦВМ обладает многими свойствами аналоговых машин, хотя технически основана на цифровом принципе. В последних моделях ЦВМ третьего и особенно четвертого поколения определенная проблемно-ориентированная система программирования стала реализовываться за счет технических средств машины ("запаиваться" в нее). По прогнозам специалистов машины четвертого поколения будут специализироваться на проблему "жесткой" реализацией определенной системы программирования в технических средствах.

Рассмотренная выше тенденция превращения машины-арифмометра в устройство для переработки и выдачи информации, т. е. в некоторую кибернетическую машину, в значительной степени обусловливается требованиями разработки и внедрения АСУ.