ЭВМ уходит в завтра

«Трибуна Академии наук СССР» — так называется цикл встреч с ведущими учеными страны, который организован Правлением Всесоюзного общества «Знание». Встреча «Вычислительные комплексы будущих поколений» состоявшаяся в Центральном лектории в феврале этого года, была посвящена проблемам и перспективам компьютеризации производства, научных исследований и процессов обучения. В ней приняли участие академики А. А. Самарский, Г. С. Поспелов. Н. Н. Моисеев, К. А. Валиев, члены-корреспонденты АН СССР С. П. Курдюмов, П. С. Краснощекое, доктор физико-математических наук А. А. Петров.

Открывший встречу академик А. А. Самарский отметил глубокие причины массового распространения вычислительной техники, в частности в научных исследованиях. В двадцатом веке наука достигла такого уровня, на котором становится все заметнее нелинейность большинства процессов, протекающих в природе. Нелинейные эффекты существенно ограничивают применение классических методов математики и резко повышают роль численных расчетов. С другой стороны, из-за растущих масштабов воздействия человека на природную среду все больше проблем переходит в разряд глобальных, причем взаимосвязь таких проблем усиливается. Наконец, высокая динамичность сегодняшнего мира при водит к тому, что человеческая деятельность протекает в условиях острого дефицита времени, а задержка с решением какой-либо задачи, как правило, вызывает ее дальнейшее усложнение. Понятно, что «не вооруженный мозг» не способен быстро найти решение комплекса глобальных задач, содержащих нелинейные зависимости.

Можно выделить три основных направления в многообразных применениях ЭВМ. Первое — создание систем поиска и обработки информации, а также систем связи, способных передавать большие информационные потоки. Второе — автоматизация контроля и управления сложными процессами. Третье — математическое моделирование исследуемых объектов. Эти три на правления, разумеется, нельзя отрывать друг от друга. Так, успешное управление объектом может основываться лишь на его правильной математической модели, а ее создание, в свою очередь, обычно требует обработки большого количества информации. И все же моделирование можно считать особенно важным направлением, по скольку успех вычислительные методы при носят лишь тогда, когда реальный объект достаточно полно описывается математической моделью.

Потребности народного хозяйства поставили перед наукой такие задачи, как полная автоматизация производства, оптимизация существующих технологических процессов и разработка новых. Для решения этих задач требуется создание, отбор и накопление конкретных математических моделей, общих принципов их построения и вычислительных методов их исследования на ЭВМ. Состояние такого фонда (банка знаний) можно рассматривать как важный показатель научно-технического потенциала страны.

Задачу математического моделирования не могут решить одни специалисты по вычислительной технике и вычислительной математике—для составления модели не обходим большой объем знаний о самом объекте исследования. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент являются примером сложной межотраслевой деятельности. Здесь необходимо объединить усилия специалистов в данной предметной области (физиков, механиков, химиков), специалистов по математической физике, по вычислительной математике (алгоритмистов) и программистов. Интеллектуальным ядром математического моделирования является триада «модель — алгоритм — программа», без такого триединства невозможен успех вычислительного эксперимента. Сотрудничество узких специалистов в конкретной области знаний и специалистов по математическому моделированию порождает определенные трудности. Поэтому использование вычислительной техники требует многосторонней подготовки: и научной, и организационной, и даже психологической. Первый шаг на этом пути — перестройка систем среднего и высшего образования, а также системы переподготовки кадров. Они должны выпускать специалистов, в совершенстве владеющих методами работы с ЭВМ в соответствии с указанной триадой «модель — алгоритм — программа». Как показывает опыт, для этого недостаточно ознакомить их с основами программирования. Более того, вредно сводить проблему использования вычислительной техники к проблеме обучения программированию (как это иногда делается). Нужно сформировать у специалиста математическую манеру мышления, которая позволит ему строить удачные модели изучаемых явлений и исследовать их при помощи вычислительного эксперимента.

Академик Г. С. Поспелов рассказал об одном из наиболее бурно развивающихся направлений информатики, известном под названием «искусственный интеллект». Этот термин нельзя понимать буквально. Искусственный интеллект невозможно создать ни сейчас, ни в самом отдаленном будущем, если только не произойдет каких-либо непредсказуемых революционных изменений в элементной базе ЭВМ. Ведь по своей сложности машины еще очень далеки от мозга, и даже если в будущем число транзисторов компьютера сравняется с числом клеток (10—15 миллиардов), компьютер все равно останется простой системой на уровне своих элементов-транзисторов, тогда как каждая живая клетка мозга является сложной, до конца не изученной системой. Вот почему работы, в которых пошли по пути копирования психофизиологических процессов в мозге, дали пока более чем скромные результаты.

Так что же такое «искусственный интеллект»? Это метафорическое название комплексной научно-технической проблемы, объединяющей четыре направления. Первое— имитация на компьютерах творческих процессов. Здесь люди разрабатывают алгоритмы и программы игры в шахматы, анализа и синтеза музыкальных произведений, доказательства теорем, автоматического синтеза программ. Такие алгоритмы ориентированы на конечные результаты творческого процесса, а не на воспроизведение деятельности человеческого мозга и потому часто работают совсем не так, как мозг. Другое направление — внешняя интеллектуализация компьютеров, разработка комплексного диалогового интерфейса, то есть системы общения с ЭВМ, доступной неспециалисту. Это не только позволит пользователям самого разного уровня вести прямой (без помощи программистов) диалог с ЭВМ, но и должно улучшить процесс принятия решений в математически слабоформализованных областях — таких, как биология, медицина, общественные науки, управление сложными народнохозяйственными объектами. Не менее важна и внутренняя интеллектуализация ЭВМ — повышение производительности и улучшение характеристик компьютеров за счет совершенствования их архитектуры и новых интеллектуализированиых способов обработки информации. Совместная реализация двух последних направлений приводит к ЭВМ пятого поколения. И, наконец, все большее значение приобретают моделирование целенаправленного поведения роботов и создание интеллектуальных роботов (роботов 3-го поколения). Эта проблема особенно сложна, так как робот в отличие от обычной ЭВМ своими действиями влияет на обстановку вокруг себя и ему приходится решать задачи с изменяющимися условиями, а методы решения таких задач еще недостаточно разработаны. К тому же к быстродействию вычислительной машины робота предъявляются очень высокие требования.

В заключение докладчик привел пример использования комплексного диалогового интерфейса для автоматизации некоторых видов проектных работ, которые в обычных условиях состоят из ряда этапов. Сейчас в компьютеризованной системе проектировщик составляет первый вариант проекта и передает его математику. Тот создает математическую модель объекта и выбирает или разрабатывает алгоритм ее решения. Следующий в цепочке — программист. Он переводит математическую задачу на язык, понятный машине, и передает программу на ЭВМ. Результаты расчета проходят тот же путь в обратном направлении, и так с каждым вариантом проекта. Поэтому вся работа требует дли тельного времени и больших усилий. Комплексный диалоговый интерфейс, заменяя промежуточные звенья, позволяет сократить цепочку до двух элементов: проектировщика и ЭВМ. Конечно, создать интеллектуальный интерфейс не просто — машине нужно передать тот объем знаний, которым владеет и программист, и математик, и даже отчасти сам проектировщик, иначе она его не поймет. Но зато, как показывает практика, качество проектирования при работе с комплексным интерфейсом повышается, а затраты труда для данного типа проектов сокращаются в 400-500 раз.

Если большинство выступающих говорили о важности практических применений ЭВМ, то академик Н. Н. Моисеев обратил внимание на влияние вычислительной техники на самих ученых. Вычислительная техника распространяет математическую манеру мышления среди людей, у которых она была развита слабо. Это помогает находить общий язык тем специалистам, которые раньше с большим трудом понимали друг друга. Более того, в математических моделях самых непохожих явлений существует много общего и результаты, полученные в одной области, можно с успехом использовать в других. Важно также, что, построив математическую модель, мы переводим научную Дискуссию на уровень обсуждения уже не процедуры, не деталей или терминов, а основных предположений модели, значительно облегчая этим психологическую сторону спора. Таким образом, математическое моделирование имеет огромное значение для объединения усилий специалистов разных областей знаний.

Об элементной базе ЭВМ, о той «начинке», которая скрыта от непосвященных за панелями шкафов с аппаратурой, рассказал академик К. А. Валиев. По своему быстродействию (числу элементарных арифметических или логических операций, выполняемых за секунду) современные ЭВМ делятся на несколько классов. Так, к супер-ЭВМ относят машины, способные выполнять сотни миллионов операций в секунду, большие ЭВМ выполняют за секунду до 10 миллионов операций, средние ЭВМ — до миллиона, а малые ЭВМ, персональные компьютеры и встроенные микропроцессорные устройства — только десятки или сотни тысяч операций. Потребность в данной ЭВМ зависит от ее класса. Супер-ЭВМ даже самым высокоразвитым странам нужны в единичных экземплярах. Больших ЭВМ необходимы сотни — они составляют основу крупных отраслевых и региональных вычислительных центров. А вот малых, персональных ЭВМ и микропроцессорных управляющих устройств требуются миллионы — в будущем ими должны быть оснащены каждая производственная установка и автоматический станок, каждое рабочее место инженера или научного работника.

Основные элементы вычислительных машин — интегральные микросхемы, одно из самых удивительных достижений современной технологии и в то же время продукт массового производства. Согласно мировой статистике, только для нужд вычислительной техники сейчас изготовляют миллиарды микросхем в год, а ведь у них есть и другие потребители.

Можно выделить два направления, в которых развивается технология производства интегральных схем. Это, во-первых, повышение уровня интеграции и, в частности, создание СБИС — сверхбольших (по числу элементов) интегральных схем, где на одном кристалле размером примерно сто квадратных миллиметров может разместиться целая ЭВМ, сотни тысяч и даже миллионы транзисторов. Второе направление — создание схем со сверхвысоким быстродействием, у которых время переключения каждого элемента не превышает миллиардной доли секунды. Совместить эти два достоинства в одной микросхеме пока нельзя, поскольку за повышение быстродействия платят увеличением мощности питания каждого элементарного транзистора. Но с кристалла данного размера может отводиться определенное количество тепла, и это ограничивает число элементарных транзисторов, которые можно разместить на схеме со сверхвысоким быстродействием. Как в сверхбыстродействующих, так и в сверхбольших схемах отдельный элемент транзисторной структуры достиг размера 3 микрометра. При этом взаимное расположение элементов выдерживается очень строго — ведь на поверхности кристалла последовательно создается до 15 слоев таких структур и они должны безошибочно вписаться одна в другую. Дальнейшей миниатюризации микросхем препятствует сама технология их производства — фотолитография, по которой рисунок структуры переносится на кристалл с негатива с помощью света. При микронных размерах элементов начинает сказываться дифракция света, и это ставит принципиальный предел оптическим способам создания рисунка. Поэтому сегодня переходят на такие технологии, как электронно-лучевая и ионно-лучевая литография, а также коротковолновое ультрафиолетовое и рентгеновское излучения. В них структура на кристалле или шаблоне-негативе создается пучком из электронной или ионной пушки, которым управляет ЭВМ. Такие технологии сложны и дороги, но они позволяют рисовать элементы размером в доли микрона. Именно с ними специалисты связывают будущее микроэлектроники и вычислительной техники.

Вычислительная техника помогает не только рассчитывать системы, подчиняющиеся известным законам, но и открывать новые, порой совершенно неожиданные закономерности. Это подчеркнул член-корреспондент АН СССР С. П. Курдюмов, рассказывая о синергетике, исследующей, в частности, самоорганизацию и процессы эволюции в так называемых открытых системах и решающей многие свои задачи лишь за счет использования современных ЭВМ. Наука издавна оперировала понятием закрытой системы, элементы которой взаимодействуют только между собой. Однако большинство реальных природных и искусственных систем принадлежит к открытым, то есть имеет внешние источники и стоки энергии. Расчеты показали, что в таких системах при наличии нелинейных зависимостей происходят чрезвычайно интересные явления. Если для закрытой системы характерен переход от первоначально упорядоченной структуры к хаосу теплового равновесия, то в открытых возможно самопроизвольное рождение упорядоченных структур из первоначально однородного состояния. Примеры такой самоорганизации на ходят в физике плазмы и в гидродинамике, в космологии, биологии и даже в социальных процессах. Вид зародившейся структуры зависит от начальных условий, причем зависимость немонотонная — разные классы начальных условий приводят к совершенно различным конечным состояниям, одним и тем же для данного класса. Изучение открытых нелинейных систем крайне важно для оптимизации управления ими: зная внутренние законы такой системы, можно очень малым, но правильно распределенным в пространстве начальным возбуждением («укалывая» среду в нужных точках) добиваться значительных перемен в ее конечном состоянии.

Член-корреспондент АН СССР П. С. Краснощекое осветил перспективы, которые применение ЭВМ открывает в автоматизации проектирования. До сих пор при всем разнообразии целей, проблем и технологических возможностей инженеры почти всегда решали прямые задачи — определяли характеристики выбранной конструкции. Если они оказывались удовлетворительны ми, конструкция передавалась в производство, если нет — разрабатывались новые ее варианты. Развитие методов оптимизации, математического аппарата и вычислитель ной техники позволило думать о решении обратной задачи: по заданным характеристикам искать вид конструкции, синтезировать ее. Не следует думать, что внедрение ЭВМ резко уменьшит интенсивность труда конструктора, наоборот, она увеличится с расширением масштабов компьютеризации. Но при этом еще сильней увеличится отдача конструкторского труда, а главное, исключив рутинные элементы, ЭВМ сделает этот труд гораздо более творческим и интересным.

Доктор физико-математических наук А. А. Петров коснулся такой важной темы, как использование вычислительной техники в экономике. Экономика относится к тем математически слабоформализованным областям, где качество решений, как правило, ограничивается не возможностями машинных расчетов, а несовершенством моделей. Если используемая модель описывает явление неточно, то применение ЭВМ может лишь ускорить получение результата, а не повысить его качество. К сожалению, математические модели в экономике пока далеки от совершенства, в частности потому, что они отражают технологические связи в экономике, но не отражают отношений людей, возникающих в процессе производства. Обычно сбои в экономике — результат не ошибок в расчетах, а нарушения производственных отношений, которые достаточно сложно описать формулами. Но задача математического описания производственных отношений может быть решена, и над ней сейчас работает большинство экономистов-математиков.

Вычислительная техника должна занять в экономике важное место. Во-первых, она должна в максимальной мере делать то, что может делать уже сегодня — обрабатывать огромные информационные потоки, возникающие в социально-экономических системах. Во-вторых, ЭВМ позволяют организовать вычислительный эксперимент, наиболее эффективный и наиболее безболезненный тип эксперимента из всех возможных в экономике. В экономической сфере вычислительный эксперимент играет особую роль, так как дает информацию не о деталях и параметрах процессов, а об основных качественных особенностях изучаемых явлений.

Отвечая на вопросы слушателей, выступавшие еще раз подчеркнули, что проблему компьютеризации нельзя сводить только к совершенствованию вычислительной техники и созданию новых ЭВМ. Не менее важная ее сторона — повышение эффективности использования вычислительных машин. Это требует и самого серьезного подхода к подготовке школьников и студентов для работы с ЭВМ, и роста творческой активности уже работающих математиков и программистов. Лишь тогда прогресс и широкое распространение вычислительной техники дадут те заманчивые результаты, которых мы вправе от нее ждать.

журнал "Наука и жизнь" №8 1985 год