Этапы развития электроники

Значение кибернетики

Значение кибернетики признано в разных сферах.

1. Философское значение, поскольку кибернетика стремится к очень широким обобщениям, дает новое представление о мире, основанное на роли связи, управле­ния, информации, обратной связи и других понятиях кибернетики.

2. Социальное значение, поскольку кибернетика дает но­вое представление об обществе как организованном целом.

3. Общенаучное значение в двух смыслах: во-первых, по­тому что кибернетика дает общенаучные понятия, которые ока­зываются важными в других областях науки (управле­ние, сложная система и т.п.); во-вторых, потому что дает науке новые методы исследования: вероятностные, моделирования на ЭВМ и т.д.

4. Методологическое значение кибернетики определя­ется тем обстоятельством, что изучение функционирования более простых технических систем используется для выдвижения гипотез о механизме работы качественно более сложных систем (живых организмов, мышления человека). Например, в кибернетике выработано правило (впервые для технических систем), в соответствии с которым для того, чтобы найти ошибку в работе системы, необходима провер­ка работы трех одинаковых систем. По работе двух находят ошибку в третьей. Возможно, так действует и мозг.

5. Техническое значение кибернетики наиболее извест­ное – создание на основе кибернетических принципов электронно-вычислительных машин, роботов, персональных компьютеров.

Электронику можно определить как науку о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газозарядных, полупроводниковых), используемых для передачи, обработки и хранения информации.

Развитие электроники начинается в конце ХIХ – начале ХХ вв. Электромагнитные волны были изучены Г. Герцем в 1886 г. Тео­рия Максвелла объяснила их природу и свойства. В конце позапрошлого века электромагнитные волны были использованы для беспроволочной связи. Впервые это сделал русский инженер А.С. Попов в 1895 году. Настоящую революцию в области связи вызвало создание электронной лампы, которая делает возможным усиление и регенерацию волн. Электронные лампы нашли широкое применение, главным образом, в радиоаппаратуре и ЭВМ первого поколения.

Для военных целей было необходимо создать аппараты, которые бы могли выполнять сложные расчеты траекто­рии снарядов и ракет. Это позволило к концу войны создать первые электронные счетные машины.

Теоретические предпосылки для создания быстродействующих счет­ных машин сложились к 40-м гг. ХХ в. В конце 1930-х гг. английский математик А. Тьюринг показал, что различные задачи могут быть решены с помощью машин, если исходная информация этих задач будет выражена посредством конечного числа операций. В 1940 г. американский математик Н. Винер предложил использовать в вычислительных машинах не десятичную систему исчисления, а двоичную. В этом слу­чае любое число можно записать только с помощью двух цифр: 1 и 0. Двоичная система исчисления и бинарная ло­гика, разработанная Д. Булем в XIX веке, основанная на принципе «да – нет» играют ключевую роль в вычислительной технике.

Первая ЭВМ была создана в Пенсильванском университете в 1945 году под руководством Дж. Маучли. Ее назвали ЭНИАК. Первая ЭВМ была очень громозд­кой. Она состояла из 18 тысяч электронных ламп, 1500 реле и занимала зал длиной 30 метров. За одну секунду этот ги­гант мог складывать или вычитать пять тысяч чисел. Но машина часто останавливалась из-за того, что перегорали лампы, выходили из строя реле, много времени тратилось на подготовительные работы.

В СССР разработка первой отечественной ЭВМ с за­поминаемой программой началась в 1947 г. в Киеве под руководством академика С.Я. Лебедева (1902 – 1974). Серийное производство ЭВМ началось практически одновре­менно в СССР и США в 1951 – 1952 гг. Парк ЭВМ увеличивался очень быстрыми темпами. Если в 1952 – 1953 гг. их было несколько десятков, то в 1965 г. во всем мире использовалось уже около 40 тыс. ЭВМ, а в 1970 г. – свыше 100 тыс. единиц.

В 1946 г. американский математик и физик Джон фон Нейман выдвинул и обосновал принципы создания новых ЭВМ. В них предполагался переход на двоичную систему исчисления, а также ввод и хранение программы в памяти ЭВМ аналогично данным. Прогресс вычислительной техники в 40 – 50-е гг. ХХ в. был обусловлен появлением ряда работ по численному анализу и созданием Н. Винером общей теории информации и связи, нашедшей применение в самых различных областях – от физики до биологии и языкознания.

В развитии вычислительной техники можно выделить несколько этапов («поколений» ЭВМ):

1. К первому поколению ЭВМ (1950 – 1958 гг.) относятся ламповые вычислительные машины. Они были громоздки и малонадежны, отличались высокой стоимостью и боль­шим энергопотреблением, работали в однопрограммном режиме, обладали низким быстродействием.

2. Ко второму поколению относятся полупроводниковые ЭВМ (1959 – 1967 гг.), в которых электронные лампы были заменены транзисторами. В ЭВМ второго поколения были применены новые принципы организации и работы машины: совмещение операций ввода и вывода данных с вычислениями на центральном процессоре, повышение быстро­действия процессора за счет параллельного во времени выполнения частей 1 – 2 команд. Параллельно с техническим совершенствованием ЭВМ шла работа по созданию универсальных языков, пригодных для широкого класса машин. В 60-х гг. ХХ в. были разработа­ны и получили широкое распространение универсальные языки АЛГОЛ, КОБОЛ, ФОРТРАН и др.

3. К третьему поколению (середина 1960-х гг.) относят­ся машины, построенные на интегральных схемах – миниатюрных монокристаллических пластинках полупроводника, на которых размещалось значительное ко­личество логических элементов. Это программно-совместимые ЭВМ, отличающиеся большой производительностью, максимальным объемом оперативной памяти, составом периферийного оборудования.

4. Новый этап использования ЭВМ связан с появлением быстродействующих и весьма емких запоминающих устройств, решением задачи быстрого по­иска данных, обеспечения одновре­менного доступа к ним различных потребителей, находя­щихся географически в самых разных точках (предпосылка появления Web-сети), вывод информации на экран дисплея, а не на бумажные носители.

Созданные в начале 1960-х годов первые образцы микро­схем содержали тысячи активных элементов (диодов, тран­зисторов) в одном кубическом сантиметре. С каждым последующим десятилетием количество элементов увеличивалось примерно в 10 раз. В начале 80-х гг. ХХ в. стали выпускать микросхемы, со­держащие до 100 тысяч элементов в одном кубическом сантиметре, а во второй половине 1980-х годов это число пе­ревалило за миллион, а в 1990-х гг. – за 5 млн. Этот фантастический прогресс – результат глубоких исследований и миллиардных капвложений.

Один из путей дальнейшего развития электроники – создание микросхем на основе белковых структур. Одна японская фирма создала первые образцы так называемых биочипов – микросхем, выполняющих функции электронной памяти на основе искусственно выращен­ных белковых структур. По оценкам японских специалистов в ближайшем будущем емкость памяти микросхем на био­чипах превысит емкость памяти микросхем, выполненных на полупроводниковых кристаллах, в миллиард раз.

Стратегическая цель электроники – создание машин, скорость операций которых превысит скорость мыслительной деятельности человека. При этом электронные устройства должны быть такими же компактными как человеческий мозг. Нейронные сети головного мозга человека чрезвычайно компактны: 10¹¹ нейро­нов мозга уместились в объеме 1,5 литра. Сеть из 10¹¹ искусственных электронных нейронов, выполненная на обла­дающих самой высокой степенью интеграции микросхемах, получилась бы величиной с жилой дом. Причем этот гигантский искусственный мозг был бы весьма примитивен по сравнению не только с человеческим мозгом, но и с мозгом животных. Несмотря на то, что современные ЭВМ еще далеки от возможностей человеческого разума, какие-то его отдельные свойства они уже превосходят. Так, скорость перебора вариантов у ЭВМ 100 млн. в секунду против 2 вариантов в секунду у человека.

В последние десятилетия ведутся активные исследо­вания по проблеме искусственного интеллекта. Электронные машины на основе искусственного интеллекта должны не только обладать большим быстродействием и объемом памяти, но и должны быть способны к творчеству, умению сформулировать задачу. Эта проблема будет решена, если искусственный интеллект будет способен сам создавать себе программы для решения поставленных задач. Пока созданием и подбором необходимых машин занимается сам человек. Цели человеческой деятельнос­ти и мышления задает общество, в котором живет чело­век. Следовательно, искусственный интеллект необходимо «социализировать», ввести в социум, сделать его реальным членом общества, наделить чувствами, эмоциями, волей. Но где гарантии, что цели искусственного интеллекта и цели общества совпадут? Все эти вопросы показывают, что про­блема искусственного интеллекта – это не только техни­ческая проблема, но и проблема философская, гуманитар­ная. Для ее решения необходимо объединить усилия ученых различных направлений.

Теория самоорганизации (синергетика)

В последние годы на первый план все больше выходит но­вое междисциплинарное направление исследований, именуе­мое синергетикой (буквально означает «теория совместного действия»), порожденное переходом науки к познанию сложно организованных эволюционирующих систем. Это на­правление возникло в начале 70-х гг. ХХ в. и связано в первую очередь с именами бельгийского физика и химика русского происхождения Ильи Романовича Пригожина (1917 – 2003) и немецкого математика Германа Хакена (р. 1927). Синергетика рассматривает общие закономерности самоорганизации в системах живой и неживой природы – от физических до социальных, лишь бы они обладали такими свойствами, как открытость, нелинейность, неравновесность, способность усиливать слу­чайные флуктуации. Предмет синергетики – это прямые и обратные переходы систем от стабильности к нестабильности, от хаоса к порядку, от разрушения к созиданию.

В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.п. Теория самоорганизации имеет дело с открытыми, нелинейными диссипативными системами, далекими от равновесия.

Открытые системы – это системы, поддерживаемые в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному состоянию. Открытые системы – это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени. В открытых системах ключевую роль – наряду с закономерным и необходимым – могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существующая организация разрушается.

Поскольку большинство систем во Вселенной носит открытый характер, то в ней доминируют не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер – при плавном изменении внешних условий по­ведение системы изменяется скачком. Другими словами, в состояни­ях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усили­ваться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению. Такие «неадекватные» системы называют нелинейными. Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких усло­виях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, ко­торые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимули­рует производство его самого). Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданны­ми и необычными.

Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состоя­ние – диссипативность, которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекаю­щих на микроуровне. Неравновесное протекание множества микропроцессов приобретает некоторую интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

Главная идея синергетики – это идея о принципиальной возможнос­ти спонтанного возникновения порядка и организации из беспоряд­ка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фак­тором самоорганизации является образование петли положитель­ной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой. Например, в химии такое явление называют автокатализом. В неорганической химии автокаталитические реакции довольно редки, но, как показали исследования последних десятилетий в об­ласти молекулярной биологии, петли положительной обратной связи (вместе с другими связями – взаимный катализ, отрицательная обратная связь и др.) составляют саму основу жизни.

Становление самоорганизации во многом определяется характе­ром взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Система самоорганизуется не гладко и просто, не неизбеж­но. Самоорганизация переживает и переломные моменты – точки бифуркации, в которых наиболее вероятен переход в новое состояние. Вблизи точек бифуркации в системах возрастает хаотичность, наблюдаются зна­чительные флуктуации, роль случайных факторов резко возрастает. В переломный момент самоорганизации принципиально неиз­вестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее разви­тие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации. В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация может по­служить началом эволюции (организации) системы в некотором оп­ределенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) на­правлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях.

Как выясняется, переход от Хаоса к Порядку вполне поддается математическому моделированию. И более того, в природе существу­ет не так уж много универсальных моделей такого перехода. Качест­венные переходы в самых различных сферах действительности (в природе и обществе – его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию. Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации — от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).

Дата добавления: 2014-01-07