От зарубок к биокомпьютеру
Геннадий Иванович Иванов
Для чего толь многие учинены опыты в физике и химии? Для чего толь великих мужей были труды и жизни опасные испытания? Для того ли только, чтобы, собрав великое множество разных, вещей и материй в беспорядочную кучу, глядеть и удивляться их множеству, не размышляя о их расположении и приведении в порядок?
Михаил Ломоносов
По наблюдениям знаменитого русского путешественника Н. И. Миклухо-Маклая, туземцы Новой Гвинеи считали следующим образом: "Папуас загибает один за другим пальцы руки, причем издает определенный звук, например бе-бе-бе... Досчитав до пяти, он говорит ибон-бе (рука). Затем он загибает пальцы другой руки... пока не доходит до ибон-али (две руки). Идет дальше, приговаривает бе-бе.., пока не доходит до самба-бе и самба-али (одна нога, две ноги). Если нужно считать дальше, папуас пользуется пальцами рук и ног кого-нибудь другого".
Вероятно, этот пальцевый метод был первой попыткой древнего человека вести счет. Собственная рука стала своеобразной счетной технической системой, в которой функции двигателя, трансмиссии, рабочего органа и средств управления выполнял сам человек. Но потребность в ведении счета возрастала с каждым столетием. Пальцевый метод явно давал сбои, но все же он еще долгое время оставался во многих странах единственным.
"В мире есть много трудных вещей, но нет ничего труднее, чем четыре действия арифметики" — такую запись оставил в одном из своих многочисленных трактатов средневековый ирландский монах Беда Достопочтенный (673-735 гг.). На многих страницах своего фолианта этот трудолюбивый монах подробно излагал методы счета до миллиона на своих пальцах... Жаль, что при его жизни не было международной организации по обмену научно-технической информации. Достопочтенный смог бы узнать, что задолго до него в Древнем Риме уже поняли неперспективность пальцевого счета и перешли на специальные деревянные или каменные палочки с зарубками. Появилась первая счетная машина, состоящая пока из одного рабочего органа — палочки. Так и должно было быть.
Исследования развитых технических систем показывают, что все они зарождались с рабочего органа, который, как правило, вначале представляет собой единичный элемент линейной формы. Затем этот рабочий орган начинает приобретать криволинейные, объемные формы. Палочку с зазубринами сменил круглый жетон, сферическая бирка, шар, которые перекладывались из одного ящичка в другой. Рабочий орган перешел в полисистему. В будущем он еще не единожды будет совершать подобные действия, когда от него потребуется очередное улучшение характеристик, а пока развитие его остановилось. Нужна была трансмиссия.
У античного историка Геродота (V в. до н. э.) есть рассказ о том, как персидский царь Дарий, отправляясь в поход на скифов, приказал ионийцам остаться для охраны моста через реку Истер и, завязав на ремне 60 узлов, вручил его со словами: "Люди Ионии, возьмите этот ремень и поступите так, как я скажу вам: как только вы увидите, что я выступил против скифов, с того дня вы начнете ежедневно развязывать по одному узлу, и когда найдете, что дни, обозначенные узлами, уже миновали, то можете отправляться — к себе домой".
Как видим, Дарий восполнил пробел и первым изобрел счетное устройство, в котором часть рабочего органа преобразовалась в зачаток трансмиссии. Этот шаг также типичен для всех технических систем, и он неизбежен, если невозможно применить трансмиссию от другой системы.
В VI веке новой эры получило известность китайское счетное устройство, в котором знакомые круглые узелки были выполнены в виде бус, нанизанных на веревочку. Это был уже значительный шаг вперед — элемент трансмиссии окончательно сформировался, и рабочий орган отделился от него, сохраняя с ним шарнирную связь.
А на рубеже XVI-XVII веков появились русские абак-счеты, в которых трансмиссия уже была выполнена в варианте полисистемы и представляла собой несколько горизонтальных спиц с рядами костяшек. Эта конструкция, позже получившая название бухгалтерские счеты, распространилась во всем мире. Усовершенствованный вариант, позволяющий вести несложные операции сложения и вычитания, сохранился до наших дней.
Но даже эта удачная конструкция не могла тогда полностью удовлетворить возрастающим потребностям в счете. Требовалось качественное изменение трансмиссии, и для этого она должна была догнать в своем развитии рабочий орган, т.е. стать динамичной, разделяющейся, и от прямых форм и прямолинейных движений перейти к криволинейным, объемным.
Так и случилось. Но сколько было перед этим пустых проб и ошибок! Их анализ занял бы не одну сотню страниц. Многие жизни оказались потраченными зря. Нужен был гений Блез Паскаля, чтобы уже в 1639 году заменить плоские спицы на круглые оси и шайбы, взаимодействующие друг с другом и с рабочим органом. Поступательное перемещение камешков, костяшек, жетонов в абаковидных инструментах заменилось на вращательное движение осей и колес.
Возможности машины резко возросли. На ней уже можно было производить не только операции вычитания, сложения, но и деления, умножения. Было изготовлено несколько действующих машин. Известие о них воспринималось как чудо. Паскаль получил королевскую привилегию, которая устанавливала его приоритет в изобретении и закрепляла за ним право производить и продавать машины.
В середине шестидесятых годов нашего столетия в Национальной библиотеке Мадрида были обнаружены два тома неопубликованных рукописей великого Леонардо да Винчи. В одном из них нашли эскиз 13-разрядного суммирующего устройства с десятизубовыми колесами... Как видим, необходимость перевода трансмиссии из плоскости в объем была осознана задолго до Паскаля. Но только он, Блез Паскаль, смог окончательно реализовать ее на практике. Следует отметить, что прогрессивность решения Паскаля заключалась не только в том, что в его машинах присутствовала достаточно развитая трансмиссия, но и в том, что в последних своих моделях он впервые ввел зачатки средств управления. Зубчатое колесо трансмиссии снабжалось специальным выступом-штифтом, который в определенный момент воздействовал на механизм переведения десяток. Это освобождало человека от запоминания разрядов чисел и их ручного перевода.
Итак, три части машин сформировались, человек оставался только "двигателем" и частично органом управления. Почти до пятидесятых годов нашего столетия можно было повсеместно встретить механические арифмометры, ручку которых усиленно крутил и студент, и инженер, и научный сотрудник.
Что же происходило дальше? Машина Паскаля совершенствовалась, ее части переходили в полисистему, обрастали вспомогательными устройствами, динамизировались и вновь сворачивались, когда удавалось совместить ряд функций в одной детали. Шел долгий процесс развития на макроуровне. Из громоздкого комода, стоявшего на полу, машина преобразовалась в настольный прибор.
Во второй половине XVIII века в России в городе Несвиже часовым мастером и механиком Е. Якобсоном была создана вычислительная машина, у которой часть трансмиссии выполнялась в виде пружины. При повороте ключа на определенный угол запасалась энергия для последующего вращения шестерен и дисков с цифрами. Эта машина работала значительно быстрее своих предшественников, где медленно, вручную необходимо было поворачивать многие дисковые колеса. Зародился двигатель, точнее зачаток двигателя, который отделился от трансмиссии. Он долгое время не имел собственного источника энергии и работал как аккумулятор внешней энергии. Любопытно то, что такая история наблюдается у всех технических систем — они если не имеют возможности взять готовый двигатель со стороны, то порождают его сами из своей трансмиссии в виде накопителя энергии. Вспомните гончарный круг, где его центральный вал имел утолщение, играющее роль маховика и накапливающее в себе энергию мастера. Вспомните "самобеглую" коляску Кулибина, у которой педалями раскручивался маховик, помогающий на подъемах. Наконец, посмотрите на ножную швейную машинку — принцип тот же.
Таким образом, 200 лет развития суммирующих машин прошли. Сформировалась полная техническая система, у которой впереди предстоял долгий жизненный путь.
Лишь с первого взгляда кажется, что история открытий и изобретений полностью зависит от личности, от его таланта. Вот, мол, родился умный человек, и техника сразу двинулась вперед. Ошибочное мнение! Прежде чем родиться такому человеку, нужно чтобы появилась общественная потребность в определенном механизме. Вспомните счетную машину Леонардо да Винчи, которая намного опередила потребности общества и потому забылась.
Подобное произошло и с вычислительными машинами.
К середине XIX века их возможности значительно опережали потребности общественности, и они остановились в своем развитии. Но вот к концу XIX века и началу XX века развивающаяся промышленность потребовала введения многих и быстрых расчетов. Организовался промышленный выпуск суммирующих машин. Все части вычислительной машины стремительно совершенствовались. Рабочий орган приобрел цифровое печатающее устройство, трансмиссия стала многоразрядной и перенастраиваемой, средства управления уже имели отдельный пульт для ввода чисел, введения поправок и поиска ошибок.
Противоречия, возникающие между частями системы, преодолевались увеличением их подвижности, гибкости, введением дополнительных шарнирных связей, согласованием ритмики и другими способами основных законов развития на макроуровне.
К середине 50-х годов XX столетия промышленные счетные машины сформировались окончательно и приобрели уже собственный двигатель-электропривод.
Удовлетворяя возросшие общественные потребности в вычислениях, машина обрастала сотнями механических вспомогательных устройств и вновь ушла со стола, превратившись в большой шкаф. Правда, она уже умела не только вычитать, складывать, умножать и делить, но и извлекать квадратные корни, причем делала это гораздо быстрее, чем человек.
Все было бы хорошо, но попытка еще более увеличить быстродействие машины вызывала в ней катастрофическое понижение надежности. В ней что-то сразу ломалось, заедало, заклинивало. Сотни рычажков, колесиков и кулачков, судорожно дергаясь и подталкивая друг друга, не успевали принять, обработать и передать поставляемую двигателем энергию.
Никакие местные конструктивные ухищрения не могли уже изменить картину. Все! Машина выбрала свои ресурсы на макроуровне и не желала развиваться дальше. Требовались новые качественные изменения внутри системы.
Первые шаги по частичному переводу рабочего органа на микроуровень были сделаны еще в 1887 году американским изобретателем Холлеритом. Он заменил громоздкую полисистему зубчатых колес металлической щеткой, подключенной к источнику тока. Когда она накладывалась на специальную перфокарту, ее волоски замыкались только на определенные контакты определенных электромагнитов, которые, втягивая свой сердечник, поворачивали счетный вал на нужный угол. Идея с перфокартами была подхвачена многими изобретателями, и в 1913 году уже налаживается промышленный выпуск таких электромеханических счетных машин.
В 1944-1947 гг. американский физик Г. Айкен изготавливает и передает Гарвардскому университету ряд новых релейных машин. В этих машинах на выходе не было вала, который надо было вращать. Зато машина включала в себя 13 000 электромеханических реле, замыкающих сотни и тысячи контактов. Операция умножения длилась уже не более 1 секунды. Расцвет релейных машин пришелся на середину 50-х годов. Советский инженер Н. И. Бессонов построил релейную машину, которая работала по предложенному им принципу каскадного выполнения операций. Машина выполняла 20 операций в секунду. Это был рекорд, но это был и предел. Нужно было окончательно переводить машину на микроуровень — в ней еще многое оставалось от "старого мира" — подвижные якоря реле, контакты, пружины и т. п.
135 дней заседал федеральный окружной суд в американском городе Миннеаполисе, прежде чем в конце 60-х годов объявил окончательное решение по поводу спора об авторстве первой электронно-вычислительной машине. Автором ЭВМ признавался доктор философии по теоретической физике Джон Винсент Атанасов. Болгарин по происхождению, Атанасов стал американцем во втором поколении.
В 1970 году по приглашению Болгарской академии наук Атанасов посетил родину своих предков, где был награжден орденом Кирилла и Мефодия I степени за выдающийся вклад в создание электронных вычислительных машин.
В 1933 году Атанасов первым предложил заменить электромеханические реле электронными лампами. Принципиально новым было также и введение в машину элементов памяти в виде нескольких сот емкостных конденсаторов. Машина окончательно перешла на микроуровень. Началась новая бурная эпоха развития вычислительной техники.
В 1952 году была построена первая большая советская ЭВМ "Стрела". Она содержала несколько десятков тысяч электронных ламп и занимала зал 100 м2. Одно только охлаждение ламп требовало 50 кВт электроэнергии — мощности, достаточной для небольшого завода. Но конструкторы шли на это, так как машина позволяла совершать тысячи и тысячи операций в секунду. Затем последовал процесс сворачивания многих элементов в один с выполнением всех прежних функций. Поочередно использовались возможности группы молекул, единичной молекулы, части молекулы; группы атомов, единичного атома, части атома элементарной частицы вещества.
Взгляните на сегодняшние вычислительные машины. По возможностям они не уступают первой ЭВМ, но их можно положить в портфель или даже в карман. Вместо прежних габаритных электронных ламп — основного рабочего органа — стала работать внутренняя структура вещества. На одном квадратном миллиметре твердого кремниевого кристалла удается разместить десятки и сотни тысяч рабочих элементов. Такие интегральные схемы позволяют вести миллион и более математических операций в секунду. Ведутся успешные исследования по вкраплению специальных веществ в кремниевые кристаллы с помощью лазерной техники. Это позволяет включить в работу группу и единичные атомы, как самостоятельные функциональные элементы вычислительной машины. Вся машина теперь может быть представлена в виде одного небольшого кристалла, потребляющего для своей работы крохи световой или тепловой энергии из окружающей среды.
А где двигатель, трансмиссия и средства управления? Они исчезли, т.е. "свернулись" в один рабочий орган, представляющий собой одно универсальное "идеальное" вещество. При этом новая техническая система автоматически поглотилась многими надсистемами, где уже в их составе продолжает свое совершенствование.
Сегодня ЭВМ менее всего используется как чисто математическая машина. Она ведет самолеты, корректирует полеты спутников, помогает модельеру найти лучший фасон одежды, составляет оптимальный рацион кормов на фермах и выполняет тысячи других важных и нужных людям дел. ЭВМ продолжает совершенствоваться. Открытие эффекта сверхпроводимости позволило применить импульсивный квантовый ток, который несет в себе массу новых возможностей. Идут попытки заменить традиционные электроны фотонами света. Крошечные частицы света позволят создать новые вычислительные машины так называемого ассоциативного поиска.
Когда-то математик Шенкс потратил всю свою жизнь на то, чтобы вычислить число П с точностью до семисот семи десятитысячных знаков. Недаром на его могиле лежит плита без единой надписи на ней, изображен только знак (пи).
Современная вычислительная машина сделает эту работу за несколько минут. Жизнь — и несколько минут... В самом деле, назначение разума не в том, чтобы просто решать задачу, а в том, чтобы найти ее, понять и, доверив решение машине, искать новую задачу и новые средства для ее решения.
Технические средства, создаваемые человеком, становятся продолжением самого человека, его мира, его мысли. Постепенно техника все более и более будет составлять суть самого человека. Из бездушного набора механизмов техника превратится в живой биологический саморазвивающийся мир, возвышающий могущество человека. Природные элементы и технические средства будут неотличимы друг от друга.
Не осталось сомнения в том, что машины будущего — это машины, выращиваемые (!) по специальной биотехнологии. Уже получен ряд интересных успешных опытов по созданию таких "живых" компьютеров. Такие компьютеры, возможно, даже научатся читать наши мысли! Во всяком случае, о такой возможности вполне серьезно рассуждают американские исследователи, проведшие ряд опытов, в ходе которых выяснилось, что, анализируя биотоки, поступающие из разных областей мозга, машина способна улавливать не только эмоциональное состояние человека — спит он или бодрствует, спокоен или в гневе,- но даже определить направление его мыслей.
И, наконец, уже сегодня просматривается принципиальная возможность вживления биологических компьютеров под кожу человека, с тем чтобы заменить отмершие нервные волокна или, быть может, даже отдельные клетки мозга!
Вспомните, в начале главы мы говорили о том, что человек для счета использовал самого себя. Прошли века. Система счета, сделав огромную спираль, снова вернулась к человеку.
Мы кратко проследили путь развития и перспективы только одной технической системы. Типичен ли этот путь? Все ли системы пойдут по нему? Были проверены десятки и сотни технических систем. Оказалось, что все они имеют одни и те же этапы развития. Иначе просто и не могло быть. Законы едины, и развитие может идти только по ним. Составлена своеобразная единая схема развития технической системы с учетом известных на сегодня законов.
Однако дело усложняется тем, что законы развития срабатывают не последовательно друг за другом, а параллельно, переплетаясь между собой, и дополняя друг друга. Сегодня наметились, возможно, не бесспорные, но только фрагменты та кой схемы, зато ясно обозначилось огромное поле для исследований.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.trizland.ru