Концепции развития современных технологий и энергетики

Удовлетворение все возрастающих потребностей общества при неуклонном росте народонаселения земного шара требует резкого повышения эффективности всех сфер деятельности человека, непременным условием которого выступает адекватное повышение эффективности информационного обеспечения. Под информационным обеспечением понимается представление необходимой информации с соблюдением требований своевременности и актуальности выдаваемой информации. Представление необходимой информации - одна из важнейших составляющих информационного общества.

Концепция информатизации включает прежде всего создание унифицированной в широком спектре приложений и полностью структурированной информационной технологии, охватывающей процессы сбора, накопления, хранения, поиска, переработки и выдачи всей информации, необходимой для информационного обеспечения деятельности.

Чтобы информационная технология была унифицированной в широком спектре приложений, в не меньшей степени должны быть унифицированы: представление об информации, т.е. ее классификация и описание параметров основных видов, выделенных в классификационной структуре; структура и общее содержание информационного потока, т.е. процессов генерирования, фиксации и циркуляции информации в целях информационного обеспечения деятельности; перечень и содержание процедур обработки информации во все время и на всех этапах информационного обеспечения деятельности; перечень и содержание методов решения задач обработки информации.

Перечисленные проблемы (особенно последние две) оказались достаточно сложными, однако к настоящему времени не только доказана принципиальная возможность их решения, но и получены конкретные решения, представляющиеся достаточно эффективными: обоснована системная классификация информации; построена унифицированная структура информационного потока; доказана возможность разделения всех процедур обработки информации на три унифицированных класса задач - информационно-поисковые, логико-аналитические и поисково-оптимизационные и осуществлена детализация задач в пределах каждого класса; произведена систематизация методов решения задач каждого класса. А это означает, что уже создана практически полная совокупность предпосылок, необходимых для построения унифицированной информационной технологии и полной ее структуризации.

Возможности унификации информационных технологий открывают широкие перспективы развития как самих технологий, так и информатики в целом. На основе естественно-научных предпосылок уже в настоящее время может быть создана и реализована информационная технология, унифицированная в такой степени, что, с одной стороны она может использоваться в различных сферах деятельности без дополнительной трансформации и адаптации, а с другой - она может быть стабильной, не нуждаться в принципиальном совершенствовании достаточно продолжительное время.

Названные обстоятельства создают весьма благоприятные предпосылки для поэтапного, эволюционного и целенаправленного, т.е. по единому перспективному плану, развития и совершенствования способов реализации, распространения и использования информационных технологий. Последовательное решение совокупности решаемых задач означает не что иное, как эволюционный переход от ЭВТ в универсальном исполнении к технике информационных технологий.

При любом подходе к постановке целей и задач информационных технологий вычислительные средства в разнообразных формах, начиная от мини-ЭВМ, персональных компьютеров и кончая суперЭВМ и сложнейшими вычислительными системами и комплексами, играют первостепенную, основную роль в информационном обеспечении и развитии общества.

Управление сложнейшими автоматизированными процессами, быстрая переработка колоссальных объемов научно-технической информации стали уделом не сотен и тысяч, а миллиардов людей, практически в той или иной степени - каждого из нас. Информация - постоянный спутник человека. Это те сведения, которые помогают нам не только ориентироваться в окружающей среде, но и активно воздействовать на нее, выбирая при этом наиболее рациональные и оптимальные способы.

1.2 История развития вычислительных средств

Для облегчения физического труда еще с древних времен изобретались разнообразные приспособления, механизмы и машины, усиливающие механические возможности человека. Но лишь немногие механизмы помогали человеку выполнять работу, похожую в каком-то смысле на умственную, хотя потребность в такой работе возникла очень давно. В течение долгого времени вначале использовались примитивные средства счета: счетные палочки, камешки и т.д. На заре цивилизации для облегчения вычислений стали применять счеты. Если раньше подавляющее большинство людей занималось физическим трудом, то в последнее время значительная часть работающих, особенно в развитых странах, занимается умственной деятельностью. Совершенно ясно, что без машин, способных резко усилить умственные возможности человека, теперь просто не обойтись.

Первые машины, выполнявшие арифметические действия, появились в XVII столетии: в 1642 г, Паскаль изобрел устройство, выполняющее сложение чисел, а в 1673 г. Лейбниц сконструировать арифмометр, позволяющий выполнять четыре арифметических действия. Начиная с XIX в. арифмометры получили очень широкое распространение. С их помощью производились даже сложные расчеты, например расчеты баллистических таблиц артиллерийского назначения. Существовала и специальная профессия - счетчик - человек, работающий с арифмометром, быстро и точно выполняющий определенную последовательность инструкций, впоследствии названную программой. Но все же многие расчеты производились довольно медленно, для осуществления некоторых из них даже десятки счетчиков тратили по нескольку недель, а иногда и месяцев. Причина такой медлительности проста - выбор выполняемых действий и запись результатов производились счетчиком, а скорость его действий весьма ограниченна.

В первой половине XIX в. была сделана попытка построить универсальное вычислительное устройство - аналитическую машину, которая смогла бы выполнять вычисления самостоятельно, без участия человека. Для этого она должна была исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий), и иметь хранилище для накопления данных и промежуточных результатов (в современной терминологии - запоминающее устройство, память либо накопитель информации). Технические средства того времени не позволили реализовать идею создания аналитической машины: она оказалась слишком сложной для технического воплощения. Только спустя почти столетие, в 1943 г. с применением электромеханического реле - новинки XX в., была создана аналитическая машина.

Потребность в автоматизации вычислений различного назначения, в том числе и для военных нужд, стала настолько велика, что над созданием новых аналитических машин работало несколько групп исследователей и разработчиков. Подобную аналитическую машину начали конструировать уже на базе электронных ламп, а не реле. Такая машина работала в тысячу раз быстрее, чем ее предшественница. В дальнейшем приступили к разработке новой машины, способной хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к этой работе подключился известный математик Нейман, который вскоре сделал получившее широкую известность сообщение об общих принципах функционирования универсальных вычислительных машин, получивших позднее название компьютеров.

Первый компьютер, в котором воплощены принципы Неймана, был создан в 1949г. С того времени компьютеры стали гораздо совершеннее, но большинство из них построено на принципах Неймана.

В настоящее время индустрия производства компьютеров и программного обеспечения для них - одна из важных сфер экономики многих стран. Чтобы более глубоко осознать причины такого стремительного роста компьютеров, вернемся к основным принципам их устройства и работы.

Согласно принципам Неймана, для универсальности и эффективности работы компьютер должен содержать следующие устройства: арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции; устройство управления, которое организует процесс выполнения программ; запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных; внешние устройства для ввода-вывода информации.

В современных компьютерах арифметико-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.

Компьютер обрабатывает информацию только в цифровой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания приборов и т.д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в цифровую форму.

Современная вычислительная техника, в том числе и персональные компьютеры, - это продукт поступательного развития естествознания на протяжении длительного времени, результат кропотливой работы естествоиспытателей многих поколений и прежде всего ученых и специалистов разных и в то же время смежных отраслей естественных наук: в первую очередь механики, на всех этапах развития весьма важной математики, с все возрастающей ролью физики, сравнительно молодой микроэлектроники, зарождающейся наноэлектроники и др. Совершенно очевидно, что крупные достижения прежде всего в физике во второй половине XX в. послужили базой для стремительного развития средств вычислительной техники. Поэтому неслучайно в развитии средств вычислительной техники выделяют четыре поколения, непосредственно связанных с открытиями в прикладной физике.

ЭВМ первого поколения (40-е -начало 50-х годов) базировались на электронных лампах. С появлением дискретных полупроводниковых приборов связывают второе поколение ЭВМ (середина 50-х- 60-е годы). В 60-е годы создано третье поколение ЭВМ, основанное на интегральных микросхемах. Середина 60-х годов считается началом разработки ЭВМ четвертого поколения, элементная база которых включает большие интегральные схемы. В последнее время проводятся интенсивные работы по освоению не только модернизированной элементной базы ЭВМ, но и принципиально новых средств накопления, хранения и обработки информации для создания более совершенных ЭВМ следующих поколений.

ЭВМ 40-х и 50-х годов представляли собой крупногабаритные устройства, занимавшие огромные помещения. На их создание тратились колоссальные деньги, и поэтому они были доступны только лишь крупным учреждениям и компаниям. Благодаря применению передовых технологий, основанных на развитии естествознания в целом, современные ЭВМ стали гораздо компактнее и существенно дешевле (стоимость современных персональных компьютеров колеблется от нескольких сотен до 10 тыс. долл). По сравнению с большими ЭВМ и мини-ЭВМ персональные компьютеры выгодны для многих деловых применений. Без преувеличения можно сказать, что персональный компьютер стал важным инструментом в условиях рыночной экономики.

Стремительный рост индустрии персональных компьютеров объясняется и другими не менее важными особенностями, присущими персональным компьютерам: простота пользования, обеспеченная диалоговым взаимодействием пользователя с компьютером; удобные и понятные программы, включающие меню, подсказки, "помощь" и т.п.; возможность индивидуального взаимодействия с компьютером без посредника; относительно большие возможности по переработке информации; емкость жестких дисков - несколько сотен и более Мбайт); высокая надежность; простота ремонта, основанная на интеграции компонентов компьютера; возможность адаптации к особенностям применения компьютера: один и тот же компьютер может быть оснащен различными периферийными устройствами и разным программным обеспечением; наличие программного обеспечения, охватывающего практически все сферы деятельности, а также мощных систем для разработки нового программного обеспечения.

1.3 Применение вычислительных средств

Возможность сочетания ЭВМ с уже существующими и вновь создаваемыми машинами и системами машин освобождает человека от физического труда, связанного с тяжелыми, а иногда вредными и опасными условиями, а также с монотонными, однообразными, утомительными и нетворческими действиями.

Рассмотрим некоторые характерные примеры применения современных вычислительных средств. Самое широкое распространение получили микропроцессорные системы для станков с программным управлением. В качестве внешних устройств выступают двигатели, перемещающие инструменты (резцы, сверла и т.п.) и обрабатываемые детали. Каждый двигатель имеет свой набор элементарных действий: "опустить резец", "переместить резец вправо на 1 см" и т.п. Для изготовления любой детали составляется алгоритм из элементарных действий. Затем этот алгоритм переводится на язык команд процессора, который, выполняя программу, дает внешним устройствам указания на выполнение действий, необходимых для изготовления детали.

Более сложными микропроцессорными системами являются промышленные роботы. Они снабжены простейшими "органами чувств", способными своевременно реагировать на изменение ситуации.

Применение роботов позволяет полностью автоматизировать работу производственных участков, цехов и целых заводов. Однако всегда останутся области деятельности, где ЭВМ не может полностью заменить человека. Это прежде всего области, связанные с неформальным творческим подходом к делу. Но ЭВМ может облегчить творческий труд. Для этого создаются автоматизированные рабочие места (АРМ). АРМ - это комплекс высокопроизводительных устройств, присоединенных к ЭВМ, заменяющий привычные малопроизводительные орудия труда (справочники, пишущие машинки, телефоны и т.п.). Разумеется, АРМ архитектора не подходит директору завода - состав АРМ определяется его назначением. Например, АРМ конструктора состоит из дисплея, на котором можно изображать чертежи, графопостроителя для выдачи чертежей на бумагу, принтера и других внешних устройств. АРМ, конечно, не может выполнять свои функции без соответствующего программного обеспечения. Для конструкторов - это различные системы автоматизированного проектирования (САПР). Такие системы подсказывают конструктору, какие материалы он может использовать, помогают оформить документацию, считывают элемент конструкции и создают чертежи по эскизу.

Программное обеспечение АРМ директора предприятия содержит автоматизированную систему управления (АСУ). АСУ быстро выдает на экран дисплея или на бумагу оперативную сводку о положении дел на предприятии (наличие ресурсов, ход выполнения плана, сведения о работниках предприятия и т.п.), помогает в выборе смежников, а также экономической стратегии и тактики.

Создаются АСУ, предназначенные для обеспечения оптимального взаимодействия уже не отдельных станков и автоматических линий, а цехов, производственных объединений в масштабах целой отрасли. Они возьмут на себя сбор, обработку, хранение и предоставление информации, необходимой для обоснованного принятия решений в хозяйственной, общественно-политической, научной и других сферах деятельности.

Область применения ЭВМ расширяется в результате не только увеличения числа механизмов, машин и других устройств, к которым подсоединяется ЭВМ, но и роста ее "интеллектуальных" способностей. Так, информационно-поисковые системы и базы данных перерастают в базы знаний. В базах знаний будут храниться не только данные, но и правила вывода новых утверждений из уже имеющихся. А это означает, что база данных способна порождать новые знания.

Сочетание ЭВМ с бытовой техникой может существенно облегчить домашний повседневный труд. Применение ЭВМ делает человека свободным, предоставляя ему широкие возможности для творческого труда.

2. Современные средства накопления информации

Появление наскальных рисунков и надписей свидетельствует о стремлении человека еще в древние времена сохранить свои наблюдения, передать их потомкам. Позднее стали писать на глиняных пластинах, свитках папируса, а примерно полтора тысячелетия назад появился и поныне самый распространенный носитель информации - бумага. Но вот наступил век электроники и принес в повседневную жизнь еще одну новинку - ЭВМ - своеобразный кладезь премудрости человека. Бумага, верой и правдой служившая человеку 15 веков, начинает постепенно сдавать некоторые позиции своей абсолютной монополии. Приближается эра безбумажной цивилизации, и важнейшее место в ней отводится электронной вычислительной технике, в первую очередь получившим широкое распространение персональным компьютерам.

Персональные компьютеры, объединенные в локальные сети, позволяют десяткам и сотням пользователей легко обмениваться информацией и одновременно получать доступ к общим базам данных. Средства электронной почты дают возможность пользователям компьютеров с помощью телефонной сети посылать сообщения в другие города и страны и получать информацию из крупных банков данных. Такая оперативная компьютерная связь вместе с системой "Интернет" интенсивно развивается и охватывает одновременно колоссальное число пользователей.

Однако по объему накопленной информации и скорости ее обработки возможности персональных компьютеров все же ограничены. На персональном компьютере можно хранить более десятка Гбайт информации и получать к ним доступ за сотые доли секунды.

Самый маленький в мире жесткий диск компьютерной памяти производит американская фирма IBM. По размерам он примерно совпадает с отечественной пятирублевой монетой, объем памяти - 340 Мбайт. Всего несколько лет назад такой объем считался достаточным для приличного персонального компьютера. Данные диски подходят для карманных компьютеров и цифровых фотоаппаратов. На винчестер-малютку можно записать насколько сотен цветных фотографий, а затем распечатать на принтере или перевести в память большего компьютера.

Но во многих отраслях знаний и экономики требуется обрабатывать еще большие объемы информации и с еще большей скоростью. К таким отраслям относятся банковское дело, системы резервирования и реализации авиа - и железнодорожных билетов, служба метеопрогнозирования и т.п. На персональном компьютере можно легко создать базу данных индивидуального пользования с названиями и краткой характеристикой периодических изданий в какой-либо предметной области. Но для создания базы данных, в которой хранились бы рефераты статей и тем более их тексты и к которым одновременно могли бы обращаться сотни пользователей, потребуются уже большие ЭВМ.

Довольно часто при обработке больших объемов информации наиболее целесообразно одновременное, совместное использование компьютеров разной мощности для решения задач, соответствующих их уровню. Например, в крупном банке обработка информации о клиентах и расчетах скорее всего потребует большой ЭВМ, а ввод данных и анализ результатов можно осуществить и на персональных компьютерах.

При решении многих задач расчетного характера оказывается недостаточной вычислительная мощность персональных компьютеров. Например, расчет механической прочности конструкции из нескольких сотен элементов можно произвести и на персональном компьютере, но для расчета прочности конструкции, состоящей из сотен тысяч деталей, потребуется уже большая ЭВМ или даже суперЭВМ.

Можно привести еще один наглядный пример - компьютерное производство видеофильмов. Персональный компьютер вполне подходит для имитации сравнительно простых движений. Для создания специальных видеоэффектов и фильмов требуется громадное число вычислительных операций, что не под силу персональному компьютеру. Поэтому профессиональные студии, занимающиеся производством фильмов, видеорекламы и т.п., пользуются специализированными компьютерами, выполняющими те операции, которые больше всего подходят для имитации пространственных движений.

Как уже упоминалось выше, любая ЭВМ, в том числе и персональный компьютер, содержит запоминающее устройство или память. Память - это то, что наделяет ЭВМ интеллектуальными признаками и что существенно отличает ее от других машин и механизмов. Параметрами памяти характеризуются мощность ЭВМ и ее потенциальные возможности.

2.1 Память человека и память ЭВМ

Память - несомненно, один из важнейших атрибутов человеческой сущности, делающих человека человеком. Развитый, утонченный и вместе с тем изощренный аппарат памяти, пожалуй, это основное, что выделяет человека среди других представителей живого мира. Не только запоминание окружающего (это неосознанно делают и животные), но и воспоминание, логическое осмысление, многократное обращение сознания к хранилищу памяти и извлечение из него всего того, что нужно в данный момент, - на это способен лишь человек, наделенный разумом.

Процесс "заполнения" памяти ранними детскими представлениями об окружающем мире, знаниями, полученными в школе и в вузе, тем жизненным опытом, который воплощен в образах, событиях, фактах, характеризует в основном становление личности. Содержание памяти в значительно большей степени, чем внешность, определяет неповторимую индивидуальность человеческого "Я".

Совокупная память всех людей, коллективная память человека, материализованная в многочисленных книгах, картинах, нотах, фотографиях, чертежах, кинофильмах, архивных документах и во многом-многом другом, вне всякого сомнения образует один из основных краеугольных камней фундамента человеческой цивилизации.

За последние десятилетия разнообразные технические средства накопления и хранения информации пополнились еще одним - наиболее универсальным и гибким - памятью ЭВМ, которой во все большей степени отводится постоянно возрастающая роль в совершенствовании ЭВМ, и, следовательно, в развитии экономики и общества в целом.

Никогда ранее человечество не накапливало знания столь стремительными темпами. Удвоение объема знаний и увеличение потока информации в десятки раз ожидается уже в ближайшем будущем.

Сегодня ЭВМ стала главным инструментом, с помощью которого осуществляется управление информационными потоками. Так в общих чертах выглядит современная картина. О памяти ЭВМ известно гораздо больше, чем о памяти человека, его сознательной и бессознательной деятельности. Надпись "Познай самого себя", начертанная у входа в дельфийский храм Аполлона, актуальна и по сей день. Память человека обладает индивидуальными, многогранными, удивительными и большей частью не объясненными пока свойствами. Цицерон считал, что "для ясности памяти важнее всего распорядок; поэтому тем, кто развивает свои способности в этом направлении, следует держать в уме картину каких-нибудь мест и по эти местам располагать воображаемые образы запоминаемых предметов". Примерно по такому принципу построена и оперативная память ЭВМ. Из приведенных образных сравнений понятно, что память ЭВМ по многим параметрам отстает от мозга человека. И мы непременно "должны учиться у природы и следовать ее законам", как утверждал Н. Бор.

И творческая, и подсознательная деятельность, и другие ее виды часто объединяемые одним словом "чувство", применительно к памяти ЭВМ можно отнести к искусственному интеллекту, находящемуся в настоящее время на начальной стадии развития.

Высокая плотность записи, большая емкость памяти, высокое быстродействие, способность восприятия и аналоговой, и цифровой информации, возможность оперативного доступа к данным, сочетание адресного и ассоциативного поиска, объединение последовательного и параллельного принципов ввода-вывода информации, отсутствие механически перемещающихся узлов, высокая долговечность и надежность хранения - вот те основные качества, которыми хотелось бы наделить разрабатываемые долговременные запоминающие устройства.

2.2 Технологические возможности реализации высокой информационной плотности

Большинство моделей ЭВМ, от мини-ЭВМ до сложных вычислительных комплексов и систем, содержат внешние запоминающие устройства, которые базируются в основном на магнитной записи. Прогнозы специалистов показывают, что на ближайшую историческую перспективу устройства магнитной записи останутся доминирующими на мировом рынке информационной техники.

Себестоимость внешних запоминающих устройств по сравнению с себестоимостью других устройств современных ЭВМ, относительно велика. Поэтому их совершенствование направлено, с одной стороны, на снижение себестоимости, а с другой - на повышение качества записи и воспроизведения информации.

С развитием средств вычислительной техники растет и будет расти спрос на запоминающие устройства небольших размеров, способные хранить большой объем информации. В этой связи проблема повышения информационной плотности записи - одна из важнейших в современных запоминающих устройствах большой емкости.

В запоминающих устройствах на подвижном магнитном носителе, где основное - это накопление информации, фактором первостепенной важности является поверхностная информационная плотность записи, определяемая количеством информации, приходящейся на единицу площади поверхности рабочего слоя носителя записи. Поверхностная информационная плотность записи зависит от плотности записи вдоль одной дорожки (продольной плотности) и числа самих дорожек на единицу длины в поперечном относительно движения носителя направлении (поперечной плотности). Теоретически доказано, что продольная плотность записи информации на магнитном носителе может быть равной примерно 20000 бит/мм.

Если в настоящее время в лучших накопителях на магнитных дисках реализована продольная плотность около 5000 бит/мм, то становится понятным, какие возможности еще не реализованы.

Магнитная запись с перпендикулярным намагничиванием, когда перемагничивание рабочего слоя осуществляется в его перпендикулярной плоскости, обеспечивает существенное повышение информационной плотности записи. Так, в лабораторных образцах накопителей уже достигнута продольная плотность, составляющая более 10 000 бит/мм.

Оценим плотность записи, которую можно реализовать, используя элементную базу, необходимую для магнитной записи. Современной технологии вполне под силу изготовление магнитных элементов шириной около 1 мкм. Толщина такого работоспособного элемента может быть гораздо меньше 0,1 мкм (известны магнитные преобразователи с магнитным элементом толщиной менее 0,1 мкм, позволяющие получить продольную плотность записи более 10000 бит/мм). Следовательно, площадь поперечного сечения магнитного элемента, который может быть рабочим элементом основного полюса магнитной головки для записи составляет 0,1 мкм2. Минимальный диаметр светового пятна в оптических запоминающих устройствах равен примерно 1 мкм, что соответствует площади, приблизительно равной 1 мкм2. Теперь становится понятным, что реальная элементная база при магнитной записи позволяет реализовать информационную плотность на порядок выше предельно возможной плотности в оптических накопителях.

Современная технология позволяет изготавливать тонкопленочный элемент, ширина либо длина которого составляет примерно 1 мкм, что более чем на порядок меньше размера элемента серийно изготавливаемых магниторезистивных преобразователей. Существенное уменьшение толщины магниторезистивного элемента даже с использованием самых перспективных технологических приемов сопряжено с нарушением однородности по толщине, что влечет за собой изменение и электрических, и магнитных свойств. Технология сегодняшнего дня позволяет изготавливать магниторезистивный элемент, минимальное поперечное сечение которого составляет 0,030 мкм2, что в принципе дает возможность воспроизвести информацию, записанную с поверхностной плотностью около 33 бит/мкм2. Такая плотность приблизительно на порядок меньше соответствующей предельной плотности, к которой допускает приблизиться реальный магнитный носитель - с кобальт-хромовым рабочим слоем (напомним: она составляет 400 бит/мкм2). Если принять во внимание технологические возможности ближайшего будущего, когда линейный размер элемента уменьшится примерно на порядок, то магниторезистивный преобразователь с таким элементом позволит воспроизвести информацию, записанную с поверхностной плотностью, приближающейся к 400 бит/мкм2.

Это означает, что в обозримом будущем магниторезистивный преобразователь, опираясь на перспективную технологию, должен догнать магнитный носитель, и тогда их предельные характеристики плотности сравняются. При этом следует помнить, что предельные возможности и реальные устройства - это не одно и то же. В то же время без реальных возможностей не бывает и реальных устройств. Другое дело, что между ними, как правило, лежит непроторенный путь, который при недостаточно объективной оценке каких бы то ни было возможностей может оказаться безысходным. В данном случае правильный путь может выбрать практик-разработчик, каждое действие которого обосновано научным пониманием решаемой им проблемы,

2.3 Проблемы воспроизведения живого образа

Коснемся также важной области применения магнитной записи в различных аппаратах записи и воспроизведения звука и изображения. С относительно недавнего времени все чаще можно встретить и в научно-технической, и в популярной литературе термины: "цифровая звукозапись", "цифровой магнитофон" и т.п. Невольно может возникнуть вопрос: какое отношение к звукозаписи либо видеоизображению имеет "цифра"? Оказывается, имеет, причем непосредственное и прямое. И цифровой способ записи роднит, казалось бы, далекие друг от друга по назначению области магнитной видео - и звукозаписи с магнитной записью, лежащей в основе хранения громадного объема информации в современных ЭВМ. Высококачественная запись и воспроизведение звука - довольно сложная и трудная техническая задача, даже если учесть относительно высокий уровень развития современных технических средств. А теперь можно себе представить, насколько сложная задача решается при записи звука и изображения и последующего их воспроизведения, что осуществляется с помощью видеокамер и видеомагнитофонов. Магнитная лента в этом случае должна запомнить не только особенности звука, но и более сложные особенности света, его цветовой гаммы, яркости, контрастности и т.п., чтобы видимое на экране изображение приблизить к реальному воспроизводимому объекту, т.е. сделать его естественным, натуральным.

Приблизиться к живому образу помогает магниторезистивное воспроизведение. Сущность магниторезистивного воспроизведения проста. Изменяющееся магнитное поле рассеяния вызывает изменение электрического сопротивления помещенного в него магниторезистивного элемента, снимаемое напряжение с которого соответствует сигналу воспроизведения.

Магниторезистивное воспроизведение используется не только в запоминающих устройствах с подвижным носителем. Применение его гораздо шире. На магниторезистивном принципе может быть основано воспроизведение информации в запоминающих устройствах большой емкости, позволяющих реализовывать логические функции и длительно хранить информацию без разрушения. Магниторезистивные элементы могут быть использованы во многих высокочувствительных устройствах и приборах.

Преимущества магниторезистивного воспроизведения проявляются в полной мере в цифровых системах записи и воспроизведения. В настоящее время многие фирмы уже предлагают потребителю высококачественные цифровые магнитофоны.

Сегодняшний массовый потребитель оценивает качество современной бытовой радиоаппаратуры не по рекламным сообщениям или популярным статьям, а по четкости телевизионного изображения, сочности красок, естественности звучания и т.п., т е. по тому, насколько близко соответствует воспроизводимая картина реальному живому образу.

Что же дает обращение к цифре? Цифровой сигнал, так же как и аналоговый, подвержен искажениям - и частотным, и нелинейным, и шумовым наслоениям. Но для цифрового сигнала они не страшны, исказить цифровой сигнал - это значит совсем убрать какой-либо импульс или ввести импульс там, где была пауза. Такие искажения можно предотвратить, а более мелкие, меняющие форму импульса или нарушающие чистоту паузы, нетрудно устранить. Для этого используется электронный блок - регенератор цифрового сигнала. Из него выходят неискаженные, отреставрированные последовательности импульсов - пауз, из которых после цифро-аналогового преобразования рождается практически неискаженный аналоговый сигнал, а значит, в конечном результате и неискаженный звук. Достаточно сказать, что в системах цифровой звукозаписи уровень шумов незначителен, т.е. они гораздо слабее основного сигнала и практически не слышны.

Таким образом, цифровая звукозапись и согласующееся с ней магниторезистивное воспроизведение - реальные средства приближения к воспроизведению тембрового богатства и соловьиного пения, и большого оркестра, а также ярких красок на весеннем лугу т.е. реальные средства для последовательного, поступательного приближения к воспроизведению живого образа того или иного объекта.

2.4 Голографическая память

Весьма важным является быстродействие памяти, обусловленное инерционностью процессов записи, поиска, считывания и в случае реверсивного носителя - стирания. Запись и считывание описываются скоростью обмена информацией, поиск и стирание - продолжительностями этих процессов.

Резкое увеличение емкости памяти требует и обязательного роста скорости обмена информацией. Иначе "электронный архив" превратится в "электронную свалку". А повышения быстродействия фактически невозможно добиться, лишь совершенствуя, улучшая дисковые накопители, - необходим какой-то иной принцип ввода (записи) и вывода (считывания) информации.

Необходима иная идейная концепция. Оказывается, такая концепция существует, она давно известна, интенсивно разрабатывается и уже привела ко многим достижениям в ряде областей техники. Речь идет о голографическом запоминающем устройстве.

Голографическое запоминающее устройство позволяет практически реализовать все те особенности, которые присущи человеческому мозгу, а также дополнить их возможностями цифровых ЭВМ. А чисто технические потенции этих устройств, разумеется, неизмеримо богаче, чем возможности мозга.

Однако прошло несколько десятилетий с начала разработки голографической памяти, а реальных конкурентоспособных устройств, которые можно было бы отнести к промышленным, а не к лабораторным, до сих пор нет. В чем же дело? Все тот же известный диссонанс идейных концепций и "элементной базы". Мы ставим здесь кавычки, так как в наш "технологический век" именно то, что иногда высокомерно, по старинке, называют "элементной базой", составляет физико-техническую основу, вернее, сущность новых направлений. Транзистор, интегральная схема, микропроцессор - эти "элементы", каждый в свое время, определяли "лицо" вычислительной техники и не только параметры конкретных ЭВМ, но и всю идеологию этого научно-технического направления. Появился лазер - и возникли квантовая радиофизика, топография, нелинейная оптика. Хотя, строго говоря, идейные основы этих направлений были известны намного раньше. Но только лазер дал каждому из них жизнь.

Элементная база оптических дисковых накопителей сложилась к концу 70-х годов, и конечно же, не случайно именно в начале 80-х начался "бум" в развитии и этого направления.

С голографическими запоминающими устройствами ситуация, увы, иная. Используемые в лабораторных разработках элементы - газовые лазеры, разнообразные оптические затворы, дефлекторы, транспаранты - еще очень несовершенны. Как правило, они громоздки, недолговечны, сложны в изготовлении и эксплуатации, обладают недостаточно высокими значениями определяющих параметров. В элементах используются разнородные материалы, они не всегда хорошо согласуются друг с другом. Реверсивные голографические среды, структуры для многослойной объемной записи вообще еще очень далеки от практического применения. Приходится констатировать, что "элементная база" голографической памяти - если оценивать ее с позиций промышленного производства - еще не создана.

Правда, в последнее десятилетие в развитии ряда направлений оптоэлектроники достигнуты значительные успехи, которые косвенно, а иногда и прямо способствуют решению рассмотренной проблемы. Созданы полупроводниковые лазеры с высокой степенью когерентности излучения, позволяющие записывать качественные голограммы. Развивается интегральная оптика, в рамках которой традиционные объемные оптические элементы заменяют тонкопленочными. Тонкопленочные оптические затворы могут переключаться напряжением всего в несколько вольт, при этом время переключения может быть менее 1 нс. Непрерывно улучшаются характеристики пленочных акусто-оптических дефлекторов, заметны сдвиги и в совершенствовании оптических транспарантов. Все это вселяет оптимизм.

Оптическая память с ее огромной плотностью записи, сверхвысокими скоростями обмена информацией, способностью оперировать и с цифрами и с образами, с ее надежностью, долговечностью, ничтожно малой "стоимостью хранимого бита" заслуживает, чтобы на ее становление и развитие человечество не пожалело сил.

2.5 Нейронные сети

В 80-90-е годы прогресс в развитии вычислительной техники многие связывают с созданием искусственных нейронных сетей. Успехи в разработке и использовании нейрокомпьютеров определяются их принципиально новым свойством - возможностью эффективного самообучения в ходе решения наиболее сложных задач.

По своей сути нейрокомпьютер является имитацией человеческой нейронной сети. Поэтому стоит сделать ряд замечаний об устройстве головного мозга. Основная элементарная ячейка мозга - нейрон - имеет объем всего лишь 10-3 мм и массу 10-6 г. Нервная ткань, покрывающая полушария головного мозга слоем толщиной в несколько миллиметров, окрашена в два цвета. Серые нейроны окружены белыми отростками - аксонами и дендритами, которые проводят нервные импульсы к другим клеткам. Нейрон взаимодействует с нейроном, посылая ему электрический сигнал - нервный импульс. Помимо электрической, нейрон обладает еще и химической активностью. При этом для дальней связи служит длинный отросток нейрона - аксон, который способен усиливать сигнал и передавать его без затухания со скоростью до 100 м/с и выше. Дендриты служат в основном для приема сигналов, хотя могут с затуханием передавать сигнал до мишени на небольшие расстояния.

Используя терминологию вычислительной техники, можно сказать, что нейрон является бинарной ячейкой. Он может находиться либо в возбужденном, либо в невозбужденном состоянии. Наибольший интерес представляет то, как ему удается изменять свое состояние в результате взаимодействия с другими нейронами и клетками. Сам по себе нейрон не генерирует никакого выходного сигнала, пока суммарный входной сигнал не превышает определенной пороговой величины. Если же порог превышен, то нейрон начинает посылать сигналы другим нейронам. В нейронной сети полезная информация запоминается не отдельными нейронами, а группами нейронов, их взаимным состоянием. Можно считать, что каждый нейрон в большей или меньшей степени связан примерно с 104 нейронами. Принимая внешнюю информацию и обмениваясь внутри головного мозга, каждый отдельный нейрон имеет возможность последовательно приближаться к принятию в сложной внешней обстановке правильного решения и переходу в нужный момент в нужное (возбужденное либо невозбужденное) состояние. При этом человеческий мозг в целом также имеет возможность последовательно принимать правильные решения.

Чем больше объем нейронной сети, тем более сложную задачу можно решить с ее помощью. Например, при машинном чтении текстов для распознавания трех букв использовалась сеть из 32 нейронов. Распознавание алфавита, включающего 26 букв, требует 260 нейронов.

Ученые научились моделировать нейронные сети, используя метод последовательных приближений. Однако в цифровой вычислительной технике весьма сложно решается проблема соединений между большим количеством ячеек. А для 104 ячеек, как несложно вычислить, необходимо порядка 108 межсоединений. Как считают многие специалисты, на достаточно высоких частотах уже такое количество межсоединений принципиально нельзя осуществить даже в перспективных технологиях изготовления интегральных микросхем.

Другое дело в оптической обработке информации, где необходимо лишь сформировать требуемый массив ячеек, а межсоединения осуществляются сами собой и практически без искажений в оптическом тракте системы. Магнитооптические управляемые устройства уже сегодня позволяют сформировать высококачественный массив бинарной информации из 104 ячеек, причем скорость обработки его по алгоритму нейронной сети на несколько порядков превосходит возможности человеческого мозга.

3. Мультимедийные системы и виртуальный мир

В 90-е годы на базе персональных компьютеров созданы мультимедийные системы со все возрастающим влиянием их на различные сферы деятельности. Попытаемся рассмотреть их с точки зрения диалектического единства и борьбы противоположностей. Но прежде всего о самом предмете рассмотрения и о том, как его представляют популярные периодические издания, чаще всего в рекламных целях.

Мультимедиа - это объединение нескольких каналов передачи информации от машины к человеку: звук, изображение, реже - движение реальных предметов. Подразумевается и обратная связь - действия человека должны напрямую и существенно влиять на ход событий в системе. Разработчики современных мультимедийных систем стремятся к возможно более точному моделированию реальности, созданию виртуального мира, в котором человек мог бы совершать то, что недоступно ему в реальности, и в котором он занимал бы ведущее место. Для этого прилагаются всевозможные усилия. Так, создан специальный шлем, позволяющий получить сразу несколько преимуществ: улучшенное восприятие стереофонического (объемного) звучания, возможность создания стереоскопического изображения. Специальные датчики следят за поворотами головы человека, и на мини-дисплеях меняется видеоинформация перед его глазами сообразно той картине, которую он должен увидеть, повернувшись.

Приведем дословное описание одной из многочисленных мультимедийных игр, например "Стреляющий корабль - 2000". "Основа игры вполне традиционна: вам предлагается на боевом вертолете выполнить одно из заданий командования (американского, разумеется). Вы летаете либо над Европой, либо в небе Персидского залива и рушите радары, мосты и танковые колонны. В бою будьте аккуратны, но безжалостны. Только в этом случае у вас появляется шанс вернуться на базу с победой. Ну а если не сложится - не беда". Ярые сторонники мультимедийных игр, отвечая на вопрос "почему мы играем?", подчеркивают, что спорить с неигравшим о прелестях игры - все равно, что рассказывать дальтонику о гениальности Гогена.

Что же заставляет людей просиживать перед мониторами часы напролет? Ответ простой - способность создавать альтернативную реальность с иными образами и атрибутами вещей, возможность погрузить свое "я" в ткань иного мира, мифа; игра, как правило, гуманна, победа добра и зла лежит на чашах весов, и в вашей воле, куда их склонить. В то же время наряду с изложенным выше восторженным описанием мультимедийных возможностей появляются, хотя и редко, такие, которые напоминают об обратной стороне медали; вот одно из них: "увлечение играми - причина серьезных разладов в семье". Некоторые увлеченные мультимедийными играми утверждают, что трехмерная графика, объемное звучание настолько увлекают игрока, что первое время невероятной кажется уже окружающая повседневная обстановка.

А теперь попытаемся разобраться в диалектике двуединого начала мультимедийной системы. Но прежде вспомним, чем люди занимались долгие тысячелетия по изгнании их за грехи из рая.

Они с усердием создавали себе вторую искусственную физическую природу, чтобы защитить себя от холода и жары с помощью одежды и жилищ (своеобразных искусственных приспособлений). Они изобретали средства передвижения на различной тяге, чтобы перемещаться по земле, в воде и в воздухе, и создавали разнообразное технологическое оборудование для выполнения простых и сложнейших операций. В результате всего этого вокруг человека стала формироваться искусственная оболочка, отгораживающая его от реальной физической природы и от ее дестабилизирующих факторов, т.е. от всего того, что ранее было принято считать средой обитания.

Среда обитания трансформировалась, появились признаки необратимых процессов. Люди стали пренебрегать реальной средой обитания, активно вторгаясь в нее и засоряя ее бытовыми и промышленными отходами. Плата за все это - глобальные экологические катаклизмы, потребовавшие региональных и глобальных мер экологической защиты и не менее глобальных экономических и социальных мер, связанных с жизненным обеспечением творцов искусственной физической природы.

Создание искусственной информационной природы - мультимедийной среды с ее альтернативной реальностью - виртуальным миром - имеет в определенном смысле те же характерные признаки. Исходная задача создания искусственной информационной природы заключалась прежде всего в управлении машинами. В качестве примера можно привести первый автоматический регулятор паровой машины Уатта. Усложнялась конструкция машин, и вместе с этим становились все сложнее устройства управления, многие из которых по "интеллектуальным" возможностям превосходят даже самого подготовленного специалиста. Профессионалы создают устройства управления микроклиматом жилища, различными средствами транспорта и технологическими комплексами. Программирование работы устройств искусственной информационной природы требует знания не только возможностей технических средств управления, их структуры и специфики, но и свойств рецепторного и рефлекторного аппаратов человека, а также законов психологии восприятия визуальных, акустических и тактических образов.

Программы функционирования таких устройств довольно сложны и доступны лишь узкому кругу специалистов. И вне всякого сомнения развитие работ в данном направлении вполне органично вписывается в более общую проблему совершенствования мультимедийных систем - именно в этом проявляется их неоспоримое положительное качество.

Стремительный рост информационного потока активизирует защитную реакцию человека, и неосознанно начинает появляться желание отгородиться от внешнего информационного воздействия: люди нашего поколения, как никогда ранее, почувствовали усталость от различного рода политической информации и прежде всего от явных идеологических спекуляций. В этом заключается одна из причин чрезвычайно большой популярности современной аудио - и видеотехники, позволяющей в определенной степени отгородиться от внешнего информационного потока. Но при этом не нужно забывать, что индивидуальные устройства памяти любых любимых видео - и аудиосюжетов выбираются из общего идеологического "корыта", заполняется которое чаще всего зарубежными "доброжелателями", преследующими вполне определенные политические цели.

Страницы: 1, 2