Будущее электронного мозга

Пожалуй, мерилом своевременности внедрения в жизнь того или иного новшества, будь то простая техническая новинка или крупное научное достижение, является само наше отношение к нему: чем более естественно новшество входит в нашу жизнь, тем полнее назрела потребность в нем. Положение с вычислительной техникой как раз таково. Мало кто задумывается сегодня о том, что было бы, если бы вдруг исчезли все работающие в стране электронно-вычислительные машины (ЭВМ). А ведь по самым грубым подсчетам, для замены действующего парка ЭВМ понадобились бы десятки миллионов людей, вынужденных заниматься с утра до вечера скучной и малопроизводительной работой.

Итак, мы живем и работаем бок о бок с ЭВМ. И, коль скоро они выполняют разную работу, сами они различны — по назначению, по конструкции, по размерам и мощности.

Я хотел бы в этой статье поделиться некоторыми соображениями о будущем машин высокой производительности — одном из важнейших направлений в области создания вычислительной техники.

В нашей стране разработкой ЭВМ такого класса много лет успешно занимается Институт точной механики и вычислительной техники Академии наук СССР, руководимый одним из ветеранов отечественного математического машиностроения, Героем Социалистического Труда академиком С. Лебедевым, с именем которого связаны известные машины семейства БЭСМ.

Отличительными чертами больших универсальных ЭВМ являются сложная структура, высокое быстродействие, развитое математическое обеспечение. Совокупность этих качеств дает машине возможность перерабатывать в единицу времени очень большое количество информации. Пользуясь аналогией с другими машинами и механизмами, мощность которых оценивается по количеству вырабатываемой (или перерабатываемой) в единицу времени продукции, мы называем такие ЭВМ машинами большой информационной мощности. К машинам такого класса можно, например, отнести БЭСМ-6. Она широко используется в крупных научных центрах. Но даже эта машина, обладающая огромным быстродействием, уже не в состоянии обеспечить растущей потребности в обработке данных, и многие крайне важные задачи еще ждут своего решения.

Что же собой будут представлять большие вычислительные машины завтра, в чем их отличие от сегодняшних машин? Прежде всего в производительности. Новые машины смогут выполнять несколько десятков миллионов операций в секунду. Я имею в виду, конечно, не только арифметические операции — например, сложение, умножение, но и обработку любой информации, представленной в буквенно-цифровом виде. Обработка информации — это общий термин, который объединяет множество процессов, таких, как упорядочивание и более компактное представление данных, контроль информации, поиск необходимых сведений и так далее. Вычисления являются лишь одним, правда существенным, из многих видов обработки информации. При этом вводимая и выводимая информация представляется в наглядном и удобном виде для человека, работающего с машиной, будь то инженер, научный работник, экономист.

Обработку информации в машине выполняют сложные электронные устройства, называемые процессорами. Элементы, из которых будут создаваться процессоры машин завтрашнего дня, — это миниатюрные полупроводниковые кристаллы, каждый из которых представляет собой сложную электронную схему, содержащую много десятков, а иногда и сотен транзисторов (стоит отметить, что в обычном радиоприемнике всего 7—11 транзисторов). Эти элементы — их называют большими интегральными схемами — срабатывают за время порядка около миллиардной доли секунды (для сравнения напомню, что свет пробегает расстояние в один метр за три миллиардных доли секунды). И однако, несмотря на такую огромную скорость, быстродействия одного процессора не хватает. Поэтому в каждой машине будет несколько таких процессоров, работающих параллельно.

Но откуда брать и куда девать то невероятное количество информации, которое поглощают и выдают процессоры?

Характерная черта будущей машины — огромная емкая память, способная запоминать многие миллиарды чисел или слов. Чтобы выдавать и принимать информацию в темпе работы процессоров, память строится как бы ступенями, обладающими разным быстродействием.

Большие перспективы открывают новые принципы запоминания. Например, оптическая система памяти, использующая лазерный луч для записи и считывания, позволит достичь немыслимой ныне плотности хранения информации. Одно такое компактное устройство памяти сможет вместить столько же информации, сколько содержится в томах библиотеки средней величины. По мере эксплуатации машины огромная память превратится в хранилище данных и методов решения задач, используемых во всех сферах человеческой деятельности.

В целом машина будет содержать сотни миллионов транзисторов и миллиарды других элементов. Все они соединены друг с другом в единую электрическую схему. Что же будет, если выйдет из строя транзистор или испортится одно из соединений? Машина прекратит работать? Нет, этого допустить нельзя. Вычислительная машина будет продолжать действовать. Секрет ее живучести в блочном построении.

Вышедший из строя блок процессора автоматически отключится, а оставшиеся возьмут на себя его работу. Отказал блок памяти? Но в машине их несколько десятков, и поэтому после автоматического обнаружения поломки машина перестроит вычислительный процесс так, что неисправное устройство можно будет безболезненно отключить и ремонтировать. Машина сама сообщит об этом дежурному оператору, напечатав номер неисправного блока и причины выхода его из строя. В большинстве случаев такой отказ устройства не нарушит ход решения задач, а приведет лишь к некоторому замедлению этого процесса.

Но даже в худшем случае отказ одного из устройств может привести к сбою лишь части задач, решаемых машиной одновременно. Я не оговорился, машина действительно решает одновременно много задач. С одной стороны, это помогает избежать простоя оборудования машины (пока из памяти поступает информация по одной из задач, процессор может решать другую), с другой стороны, позволяет одной машине одновременно обслуживать много пользователей.

Сложно ли спроектировать такую машину?

Современная вычислительная машина — это продукт усилий специалистов самых разных специальностей.

После того как всё необходимые радиоэлектронные компоненты для машин созданы и освоены промышленностью, требуется труд инженеров-электронщиков, математиков, технологов, которым предстоит разработать структуру и логику машины, конструкцию и математическое обеспечение. Здесь не обойтись без помощи самих же ЭВМ. На стадии проектирования машина помогает инженеру.

На первом этапе машина по заданию инженера составляет и проверяет логическую и электрическую схему проектируемых устройств и блоков. На последующих этапах она рассчитывает и определяет места расположения отдельных элементов и электрические связи между ними (а таких элементов и связей в проектируемой машине десятки тысяч). В результате машина создает сложнейший объемный узор, по которому технологические линии смогут изготовить отдельные узлы будущей машины. На заключительном этапе ЭВМ выдает электрические схемы, таблицы монтажа и многие другие документы, необходимые для производства новой машины. Эта область использования ЭВМ, часто называемая автоматизацией проектирования, нашла широкое развитие в нашей стране.

Более того, машина составляет программы управления технологическими линиями и станками, где производятся узлы будущей ЭВМ, и контролирует правильность сборки этих узлов.

Как уже отмечалось выше, большая современная ЭВМ способна решать одновременно несколько различных задач. Мы, естественно, заинтересованы, чтобы такая ЭВМ была всегда загружена полностью, работала с наибольшей отдачей. Если каждая большая машина будет тем или иным способом «привязана» к некоторому кругу ее возможных пользователей, то наверняка режим ее работы будет не оптимальным, временами она будет перегружена большим количеством одновременно поступивших заданий, временами же будет работать вполсилы, а то и вовсе простаивать. Здесь уместна аналогия с работой электростанции, которая из-за суточных и сезонных колебаний в потреблении энергии работает в разное время с различной отдачей.

Продолжая аналогию, мы приходим к выводу, что подобно тому, как объединение десятков электростанций в единую энергосистему обеспечивает всем потребителям бесперебойную подачу энергии в требуемых количествах, а каждая электростанция, входящая в сеть, всегда работает с полной нагрузкой, того же эффекта можно достичь, объединяя большие ЭВМ в сложные централизованные системы по переработке информации. Такая сеть машин, связанных со всеми возможными источниками и потребителями информации, а также друг с другом, будет способна при минимальных материальных и трудовых затратах удовлетворять нужды целых отраслей народного хозяйства. В будущем слияние отдельных сетей приведет к созданию единой государственной сети по переработке информации.

Условия планового социалистического общества, в котором мы живем, создают особенно благоприятные предпосылки именно для того наиболее рационального использования нового мощного рычага научно-технического и хозяйственного прогресса, каким является современная быстродействующая электронная вычислительная техника.