Від зарубок до біокомп'ютера

Геннадій Іванович Іванов

Для чого толь багато учинено досліди у фізиці і хімії? Для чого толь великих мужів були праці і життя небезпечні випробування? Чи для того тільки, щоб, зібравши велике безліч різних, речей і матерій в безладну купу, дивитись і дивуватися їх безлічі, не думаючи про їх розташування та приведення в порядок?

Михайло Ломоносов

За спостереженнями знаменитого російського мандрівника Н. І. Миклухо-Маклая, тубільці Нової Гвінеї вважали таким чином: "Папуас загинає один за одним пальці руки, причому видає певний звук, наприклад бе-бе-бе ... Дорахував до п'яти, він говорить ібон-бе (рука). Потім він загинає пальці іншої руки ... поки не доходить до ібон-али (дві руки). Йде далі, засуджує бе-бе .., поки не доходить до самба-бе і самба-али (одна нога, дві ноги). Якщо потрібно вважати далі, папуас користується пальцями рук і ніг кого-небудь іншого ".

Ймовірно, пальцевий цей метод був першою спробою давньої людини вести рахунок. Власна рука стала своєрідною лічильної технічної системою, в якій функції двигуна, трансмісії, робочого органу і засобів управління виконував сама людина. Але потреба у веденні рахунку зростала з кожним сторіччям. Пальцевий метод явно давав збої, але все-таки він ще довгий час залишався під багатьох країнах єдиним.

"У світі є багато важких речей, але немає нічого важче, ніж чотири дії арифметики "- такий запис залишив в одному зі своїх численних трактатів середньовічний ірландський чернець Біда Високоповажний (673-735 рр..). На багатьох сторінках свого фоліанта цей працьовитий монах докладно викладав методи рахунку до мільйона на своїх пальцях ... Шкода, що при його житті не було міжнародної організації по обміну науково-технічної інформації. Високоповажний зміг би дізнатися, що задовго до нього в Стародавньому Римі вже зрозуміли неперспективність пальцевого рахунку і перейшли на спеціальні дерев'яні або кам'яні палички з карбами. З'явилася перша рахункова машина, що складається поки з одного робочого органу - палички. Так і повинно було бути.

Дослідження розвинених технічних систем показують, що всі вони зароджувалися з робочого органу, який, як правило, спочатку являє собою одиничний елемент лінійної форми. Потім цей робочий орган починає набувати криволінійні, об'ємні форми. Паличку з щербинами змінив круглий жетон, сферична бирка, куля, які перекладалися з однієї скриньки в іншій. Робочий орган перейшов у полісістему. У майбутньому він ще не раз буде здійснювати подібні дії, коли від нього буде потрібно чергове поліпшення характеристик, а поки розвиток його зупинилося. Потрібна була трансмісія.

У античного історика Геродота (V ст. до н. е..) є розповідь про те, як перський цар Дарій, вирушаючи в похід на скіфів, наказав іонійцями залишитися для охорони мосту через річку Істер і, зав'язавши на ремені 60 вузлів, вручив його з словами: "Люди Іонії, візьміть цей ремінь і зробите так, як я скажу вам: як тільки ви побачите, що я виступив проти скіфів, з того дня ви почнете щодня розв'язувати по одному вузлу, і коли знайдете, що дні, позначені вузлами, вже минули, то можете відправлятися - до себе додому ".

Як бачимо, Дарій заповнив прогалину і першим винайшов лічильний пристрій, в якому частину робочого органу перетворилася в зачаток трансмісії. Цей крок також типовий для всіх технічних систем, і він неминучий, якщо неможливо застосувати трансмісію від іншої системи.

В VI столітті нової ери здобуло популярність китайське лічильний пристрій, в якому знайомі круглі вузлики були виконані у вигляді бус, нанизаних на мотузочку. Це був уже значний крок вперед - елемент трансмісії остаточно сформувався, і робочий орган відокремився від нього, зберігаючи з ним шарнірну зв'язок.

А на рубежі XVI-XVII століть з'явилися російські абак-рахунки, в яких трансмісія вже була виконана у варіанті полісістеми але представляла собою декілька горизонтальних спиць з рядами кісточок. Ця конструкція, пізніше отримала назва бухгалтерські рахунки, поширилася в усьому світі. Вдосконалений варіант, що дозволяє вести нескладні операції додавання і віднімання, зберігся до наших днів.

Але навіть ця вдала конструкція не могла тоді повністю задовольнити зростаючим потребам в рахунку. Було потрібно якісна зміна трансмісії, і для цього вона повинна була наздогнати у своєму розвитку робочий орган, тобто стати динамічною, що розділяється, і від прямих форм і прямолінійних рухів перейти до криволінійним, об'ємним.

Так і сталося. Але скільки було перед цим порожніх спроб і помилок! Їх аналіз зайняв б не одну сотню сторінок. Багато життя виявилися витраченими даремно. Потрібен був геній Блез Паскаля, щоб вже у 1639 році замінити плоскі спиці на круглі осі і шайби, які взаємодіють один з одним і з робочим органом. Поступальний переміщення камінчиків, кісточок, жетонів в абаковідних інструментах замінилося на обертальний рух осей і коліс.

Можливості машини різко зросли. На ній вже можна виготовляти не лише операції віднімання, додавання, але і ділення, множення. Було виготовлено кілька діючих машин. Звістка про них сприймалося як диво. Паскаль отримав королівський привілей, яка встановлювала його пріоритет у винаході та закріплювала за ним право виробляти і продавати машини.

В середині шістдесятих років нашого століття в Національній бібліотеці Мадрида були виявлені два томи неопублікованих рукописів великого Леонардо да Вінчі. В одному з них знайшли ескіз 13-розрядного підсумовує пристрої з десятізубовимі колесами ... Як бачимо, необхідність перекладу трансмісії з площини в обсяг була усвідомлена задовго до Паскаля. Але тільки він, Блез Паскаль, зміг остаточно реалізувати її на практиці. Слід зазначити, що прогресивність рішення Паскаля полягала не тільки в тому, що в його машинах була присутня досить розвинена трансмісія, а й у тому, що в останніх своїх моделях він вперше ввів зачатки засобів управління. Зубчасте колесо трансмісії забезпечувалося спеціальним виступом-штифтом, який у певний момент впливав на механізм переведення десяток. Це звільняло людини від запам'ятовування розрядів чисел і їх ручного перекладу.

Отже, три частини машин сформувалися, людина залишалася тільки "двигуном" і частково органом управління. Майже до п'ятдесятих років нашого століття можна було повсюдно зустріти механічні арифмометри, ручку яких посилено крутив і студент, і інженер, і науковий співробітник.

Що ж відбувалося далі? Машина Паскаля вдосконалювалася, її частини переходили в полісістему, обростали допоміжними пристроями, динамізувати і знову згорталися, коли вдавалося поєднати ряд функцій в одній деталі. Йшов довгий процес розвитку на макрорівні. З громіздкого комода, що стояв на підлозі, машина перетворилася в настільний прилад.

Під другій половині XVIII століття в Росії в місті Несвіжі годинниковим майстром і механіком Е. Якобсоном була створена обчислювальна машина, у якій частина трансмісії виконувалася у вигляді пружини. При повороті ключа на певний кут запасати енергію для подальшого обертання шестерень і дисків з цифрами. Ця машина працювала значно швидше за своїх попередників, де повільно, вручну необхідно було повертати багато дискові колеса. Зародився двигун, точніше зачаток двигуна, який відокремився від трансмісії. Він довгий час не мав власного джерела енергії і працював як акумулятор зовнішньої енергії. Цікаво те, що така історія спостерігається у всіх технічних систем - якщо вони не мають можливості взяти готовий двигун з боку, то породжують його самі зі своєї трансмісії у вигляді накопичувача енергії. Згадайте гончарний круг, де його центральний вал мав потовщення, що грає роль маховика і нагромаджує в собі енергію майстра. Згадайте "самобеглую" коляску Кулібіна, у якої педалями розкручувався маховик, що допомагає на підйомах. Нарешті, подивіться на ножну швейну машинку - принцип той самий.

Таким чином, 200 років розвитку підсумкових машин пройшли. Сформувалася повна технічна система, у якої попереду стояв довгий життєвий шлях.

Лише з першого погляду здається, що історія відкриттів та винаходів повністю залежить від особистості, від його таланту. Ось, мовляв, народився розумна людина, і техніка відразу рушила вперед. Хибна думка! Перш ніж народитися такій людині, потрібно щоб з'явилася суспільна потреба в певному механізмі. Згадайте лічильну машину Леонардо да Вінчі, яка набагато випередила потреби суспільства і тому забулася.

Подібне сталося і з обчислювальними машинами.

До середині XIX століття їх можливості значно випереджали потреби громадськості, і вони зупинилися в своєму розвитку. Але до кінця XIX століття і початку XX століття розвивається промисловість зажадала введення багатьох і швидких розрахунків. Організувався промисловий випуск підсумкових машин. Всі частини обчислювальної машини стрімко удосконалювалися. Робочий орган придбав цифровий друкуючий пристрій, трансмісія стала багаторозрядних і переналаштовує, засоби управління вже мали окремий пульт для введення чисел, введення поправок і пошуку помилок.

Протиріччя, що виникають між частинами системи, долалися збільшенням їхньої рухливості, гнучкості, введенням додаткових шарнірних зв'язків, узгодженням ритміки і іншими способами основних законів розвитку на макрорівні.

До середині 50-х років XX століття промислові рахункові машини сформувалися остаточно і придбали вже власний двигун-електропривод.

Задовольняючи збільшені суспільні потреби в обчисленнях, машина обростала сотнями механічних допоміжних пристроїв і знову пішла зі столу, перетворившись на велика шафа. Правда, вона вже вміла не тільки віднімати, складати, множити і ділити, а й витягувати квадратний корінь, причому робила це набагато швидше, ніж чоловік.

Всі було б добре, але спроба ще більше збільшити швидкодію машини викликала в ній катастрофічне зниження надійності. У ній щось відразу ламалося, заїдав, заклинювало. Сотні важелів, коліщаток і кулачків, судорожно сіпаючись і підштовхуючи один одного, не встигали прийняти, обробити і передати поставляється двигуном енергію.

Ніякі місцеві конструктивні хитрощі не могли вже змінити картину. Все! Машина вибрала свої ресурси на макрорівні і не бажала розвиватися далі. Були потрібні нові якісні зміни всередині системи.

Перші кроки щодо часткового перекладу робочого органу на мікрорівень були зроблені ще в 1887 американським винахідником Холлеріта. Він замінив громіздку полісістему зубчастих коліс металевою щіткою, підключеного до джерела струму. Коли вона накладалися на спеціальну перфокарти, її волоски замикалися тільки на певні контакти певних електромагнітів, які, втягуючи свій сердечник, повертали рахунковий вал на потрібний кут. Ідея з перфокартами була підхоплена багатьма винахідниками, і в 1913 році вже налагоджується промисловий випуск таких електромеханічних лічильних машин.

В 1944-1947 рр.. американський фізик Г. Айкен виготовляє і передає Гарвардскому університету ряд нових релейних машин. У цих машинах на виході не було вала, який треба було обертати. Зате машина включала в себе 13 000 електромеханічних реле, що замикає сотні і тисячі контактів. Операція множення тривала вже не більше 1 секунди. Розквіт релейних машин припав на середину 50-х років. Радянський інженер Н. І. Бессонов побудував релейну машину, яка працювала за запропонованим ним принципом каскадного виконання операцій. Машина виконувала 20 операцій у секунду. Це був рекорд, але це був і межа. Потрібно було остаточно переводити машину на мікрорівень - в ній ще багато чого залишалося від "старого світу" - рухливі якоря реле, контакти, пружини і т. п.

135 днів засідав федеральний окружний суд в американському місті Міннеаполісі, перш ніж наприкінці 60-х років оголосив остаточне рішення з приводу спору про авторство перших електронно-обчислювальної машини. Автором ЕОМ визнавався доктор філософії в галузі теоретичної фізики Джон Вінсент Атанасов. Болгарин по походженням, Атанасов став американцем у другому поколінні.

В 1970 році за запрошення Болгарської академії наук Атанасов відвідав батьківщину своїх предків, де був нагороджений орденом Кирила і Мефодія I ступеня за видатний внесок у створення електронних обчислювальних машин.

В 1933 Атанасов першим запропонував замінити електромеханічні реле електронними лампами. Принципово новим було також і введення в машину елементів пам'яті у вигляді кількох сотень ємнісних конденсаторів. Машина остаточно перейшла на мікрорівень. Почалася нова бурхлива епоха розвитку обчислювальної техніки.

В 1952 році була побудована перша велика радянська ЕОМ "Стріла". Вона містила кілька десятків тисяч електронних ламп і займала зал 100 м2. Одне тільки охолодження ламп вимагало 50 кВт електроенергії - потужності, достатньої для невеликого заводу. Але конструктори йшли на це, тому що машина дозволяла здійснювати тисячі і тисячі операцій у секунду. Потім пішов процес згортання багатьох елементів в один з виконанням всіх колишніх функцій. По черзі використовувалися можливості групи молекул, одиничної молекули, частини молекули; групи атомів, одиничного атома, частини атома елементарної частинки речовини.

Погляньте на сьогоднішні обчислювальні машини. За можливостями вони не поступаються першим ЕОМ, але їх можна покласти в портфель або навіть у кишеню. Замість колишніх габаритних електронних ламп - основного робочого органу - стала працювати внутрішня структура речовини. На одному квадратному міліметрі твердого кремнієвого кристала вдається розмістити десятки і сотні тисяч робочих елементів. Такі інтегральні схеми дозволяють вести мільйон і більше математичних операцій в секунду. Ведуться успішні дослідження з вкраплення спеціальних речовин в кремнієві кристали за допомогою лазерної техніки. Це дозволяє включити до роботу групу і поодинокі атоми, як самостійні функціональні елементи обчислювальної машини. Вся машина тепер може бути представлена у вигляді одного невеликого кристала, що споживає для своєї роботи крихти світловий або теплової енергії з навколишнього середовища.

А де двигун, трансмісія та засоби управління? Вони зникли, тобто "згорнулися" в один робочий орган, який представляє собою одне універсальне "ідеальне" речовина. При цьому нова технічна система автоматично поглинула багатьма надсістемамі, де вже в їх складі продовжує своє вдосконалення.

Сьогодні ЕОМ найменше використовується як суто математична машина. Вона веде літаки, коректує польоти супутників, допомагає модельєра знайти кращий фасон одягу, складає оптимальний раціон кормів на фермах і виконує тисячі інших важливих і потрібних людям справ. ЕОМ продовжує вдосконалюватися. Відкриття ефекту надпровідності дозволило застосувати імпульсивний квантовий струм, який несе в собі масу нових можливостей. Йдуть спроби замінити традиційні електрони фотонами світла. Крихітні частинки світла дозволять створити нові обчислювальні машини так званого асоціативного пошуку.

Колись математик Шенкс витратив все своє життя на те, щоб вирахувати число П з точністю до семисот семи десятитисячних знаків. Недарма на його могилі лежить плита без єдиної написи на ній, зображений тільки знак (пі).

Сучасна обчислювальна машина зробить цю роботу за кілька хвилин. Життя - і кілька хвилин ... Справді, призначення розуму не в тому, щоб просто вирішувати завдання, а в тому, щоб знайти її, зрозуміти і, довіривши рішення машині, шукати нове завдання і нові засоби для її вирішення.

Технічні кошти, створені людиною, стають продовженням самої людини, його світу, його думки. Поступово техніка все більше і більше буде складати суть самої людини. З бездушного набору механізмів техніка перетвориться в живій біологічний саморозвиваються світ, хто підноситься могутність людини. Природні елементи і технічні засоби будуть не відрізняються один від одного.

Не залишилося сумніву в тому, що машини майбутнього - це машини, що вирощуються (!) по спеціальної біотехноло?? ії. Вже отримано ряд цікавих успішних дослідів по створення таких "живих" комп'ютерів. Такі комп'ютери, можливо, навіть навчаться читати наші думки! У всякому разі, про таку можливість цілком серйозно міркують американські дослідники, які провели ряд досліджень, в ході яких з'ясувалося, що, аналізуючи біострумів, що надходять з різних областей мозку, машина здатна вловлювати не тільки емоційний стан людини -- спить він або не спить, спокійний або в гніві, - але навіть визначити напрямок його думок.

І, нарешті, вже сьогодні проглядається принципова можливість імплантації біологічних комп'ютерів під шкіру людини, з тим щоб замінити відмерлі нервові волокна, чи, може, навіть окремі клітини мозку!

Згадайте, на початку глави ми говорили про те, що людина для рахунку використовував самого себе. Пройшли століття. Система рахунку, зробивши величезну спіраль, знову повернулася до людині.

Ми коротко простежили шлях розвитку і перспективи тільки однієї технічної системи. Типовий чи цей шлях? Чи всі системи підуть по ньому? Були перевірені десятки і сотні технічних систем. Виявилося, що всі вони мають одні й ті самі етапи розвитку. Інакше просто і не могло бути. Закони єдині, і розвиток може йти лише за ними. Складена своєрідна єдина схема розвитку технічної системи з урахуванням відомих на сьогодні законів.

Однак справа ускладнюється тим, що закони розвитку спрацьовують не послідовно один за одним, а паралельно, переплітаючись між собою, і доповнюючи один одного. Сьогодні намітилися, можливо, не безперечні, але тільки фрагменти та кой схеми, зате ясно позначилося величезне поле для досліджень.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.trizland.ru