Комп'ютер Фібоначчі
Коротка
історія робіт по комп'ютеру Фібоначчі в СРСР
Викладені
в першій частині статті математичні результати стали основою для проектів
створення комп'ютерних і вимірювальних систем на основі
"фібоначчіевого" і "золотого" уявлень. Ці проекти
виконувалися в Радянському Союзі в 1970-і і 1980-і роки. За рішенням
Держкомвинаходів винаходи в області комп'ютерів Фібоначчі були
запатентовані за кордоном. Таким чином, 65 закордонних патентів США, Японії,
Англії, ФРН, Франції, Канади та інших країн і понад 100 авторських свідоцтв
СРСР є офіційними юридичними документами, що підтверджують пріоритет
радянської науки в розробці даної теми. І хоча створити комп'ютер Фібоначчі
так і не вдалося (основною причиною тому став розвал Радянського Союзу і
пов'язане з цим припинення фінансування дослідницьких робіт),
теоретичні основи даного напрямку становлять безперечний інтерес і
можуть стати джерелом нових ідей не тільки в комп'ютерній галузі, а й у
галузі математики. Особливо ефективним автор вважає використання
"фібоначчіевих" представлений в вимірювальної техніки і цифрової
обробки сигналів, де з їх допомогою в останні роки було розроблено
надшвидкі сигнальні перетворення.
А
починалося це так. Увечері 3 березня 1976 у семінарській кімнаті Австрійського
кібернетичного суспільства (Відень, Шотенгассе, 3) було вельми багатолюдно.
Відомі австрійські вчені, члени кібернетичного та комп'ютерного товариств
Австрії, наукові співробітники комп'ютерної лабораторії американської фірми IBM в
Відні та представники посольства СРСР зібралися у семінарській кімнаті. Головною
причиною цього незвичайного зібрання була лекція "Алгоритмічні теорія вимірювання
і підстави комп'ютерної арифметики ". Читав її автор цієї статті
Олексій Стахов, на той час завідувач кафедрою інформаційно-вимірювальної
техніки Таганрозького радіотехнічного інституту. Проте були різні
причини, які зібрали разом відомих вчених в галузі кібернетики та
інформатики і співробітників радянського посольства. Оголошення про лекції
проголошувало наступне:
"Методи
представлення чисел можуть бути розглянуті як спеціальні алгоритми вимірювання.
Така інтерпретація є головною ідеєю лекції.
Основні
наукові результати:
новий
науковий принцип, "Принцип асиметрії вимірювань";
алгоритмічна
теорія вимірювання;
розширення
теорії чисел Фібоначчі;
фібоначчіева
арифметика як спосіб підвищення інформаційної надійності комп'ютерних
систем ".
Таким
чином, головна мета лекції полягала в тому, щоб викласти нову теорію --
"алгоритмічну теорію вимірювання", що випливають з неї нові способи
позиційного представлення чисел і нову комп'ютерну "арифметику
Фібоначчі ", яка може бути покладена в основу комп'ютерів Фібоначчі,
нового напрямку у розвитку комп'ютерів.
Інтерес
радянського посольства до цієї лекції носив політичний характер. Справа в тому,
що 5 березня 1976 р., тобто через два дні після неї, у Москві мало
відбутися відкриття 25-го з'їзду КПРС. А кількома місяцями раніше відомий
західнонімецький журнал Spiegel опублікував дуже гостру статтю "Якщо б
Ленін це знав! ". Стаття була присвячена фактами корупції у вищих ешелонах
КПРС. І тоді ЦК КПРС направив в усі радянські посольства у західних країнах
секретний меморандум, який рекомендував сприяти виступам у цих
країнах радянських артистів, спортсменів і вчених, щоб хоч якось згладити
світової громадськості негативне враження від публікації в журналі Spiegel.
Вельми
позитивні відгуки, які дали про лекції відомі австрійські вчені
(президент Австрійського кібернетичного суспільства проф. Трапель, директор
Інституту обробки даних Віденського технічного університету проф. Ейєр, а
також представник кафедри статистики та інформатики Лінцзьку університету
імені Йоганна Кеплера проф. Адам), викликали в посольстві СРСР в Австрії
природне бажання посприяти розвитку цього напрямку і в Радянському
Союзі. Посол І. Єфремов надіслав до Державного комітету Ради Міністрів
СРСР з науки і техніки і в Міністерство вищої та середньої спеціальної
утворення СРСР відповідний лист.
Наслідком
листа посла було рішення Держкомвинаходів про патентування винаходу проф.
Стахова у всіх провідних країнах - продуцента засобів обчислювальної техніки.
Аналіз
фібоначчіевой арифметики (див. http://www.goldenmuseum.zibys.com/) показав, що
основними її операціями є так звані "згортка",
"розгортка" і заснована на них операція приведення коду Фібоначчі до
мінімальної формі. Саме тому головним об'єктом патентного захисту став новий
операційний елемент комп'ютерної техніки, названий пристроєм приведення
коду Фібоначчі до мінімальної формі (див. нижче).
Незважаючи
на граничну простоту пристрою (див. малюнок), воно не мало прототипів по
своєму функціональному призначенню і було визнано в СРСР і в інших країнах
винаходом піонерного характеру. Потім були розроблені інші операційні
елементи комп'ютера Фібоначчі (зокрема, лічильники та суматори). Це також
були нові елементи комп'ютерної техніки, але вони не були піонерним
винаходами, оскільки грунтувалися на пристрої приведення коду Фібоначчі до
мінімальної формі.
Як
відомо, для отримання закордонного патенту оформляється відповідна заявка
на винахід з урахуванням вимог патентного відомства тієї чи іншої країни, і
ця заявка подається в це відомство з клопотанням видати патент на
винахід. Треба відзначити, що в жодній країні патентне відомство не зацікавлене
у видачі такого патенту, тому що це обмежить права власних
виробників; тому проводиться дуже ретельна патентна експертиза,
яка в багатьох випадках закінчується відмовою у видачі патенту. При цьому всі
послуги з патентування (навіть в разі негативного рішення), сплачує
країна, порушує клопотання про видачу патенту. Ось чому рішення про патентування
радянських винаходів за кордоном (особливо в галузі електроніки та
обчислювальної техніки) приймалися тільки у виняткових випадках і
здійснювалися на державному рівні. Однак відповідно до патентними
законами більшості країн неможливо отримати патент на математичне
винахід, яким, по суті, і була фібоначчіева арифметика. І тоді
виникла думка про непряму захист цієї арифметики через комп'ютерні
пристрої, що реалізують її. Такими пристроями є регістри, лічильники,
суматори, множні і ділильні пристрої і т. д., тобто основні
операційні пристрої комп'ютера Фібоначчі. При цьому бажано було
придумати такий оригінальний операційний елемент, який міг би потягнути на
піонерні винахід, на основі якого можна було б створити всі інші
операційні елементи.
З
економічної точки зору (вартість патентування) вигідніше патентувати заявку
на винахід з так званої багатоланкової формулою. По суті, мова йшла про
такої великомасштабної заявці, яка включала б у себе кілька десятків
технічних рішень, об'єднаних загальною ідеєю і загальною формулою винаходу.
Такою і була перша заявка на винахід комп'ютера Фібоначчі: вона містила
понад 200 сторінок текстового матеріалу, близько 100 малюнків (операційні
пристрої та їх елементи), а Багатоланкова формула винаходу складалася з 85
пунктів, описувала 85 технічних рішень, тобто 85 винаходів. Всього ж до
патентуванню було прийнято 12 заявок.
Патентування
здійснювалося у восьми країнах (США, Японія, Англія, Франція, ФРН, Канада,
Польща і НДР). Для цього кожна з 12 заявок складалася з урахуванням патентного
закону кожної країни і потім переводилася відповідною мовою.
Підсумки
патентування "фібоначчіевих" винаходів перевершили всі очікування: 65
зарубіжних патентів, виданих патентними відомствами США, Японії, Англії,
Франції, ФРН, Канади, Польщі та НДР, свідчать про те, що ідея комп'ютера
Фібоначчі має світову новизну, так як західна патентна експертиза не
зуміла нічого протиставити радянським "фібоначчіевим"
винаходів.
Спеціальна
конструкторсько-технологічне бюро "Модуль"
До
жаль, самі по собі патенти ще нічого не означали. Для того щоб отримати
економічні вигоди від патентування, зокрема від продажу ліцензій на ці
патенти, терміново була потрібна реалізація винаходів у вигляді деяких систем і
пристроїв, які за своїми параметрами повинні були перевершувати світової
рівень. Таке завдання було поставлено перед автором з боку
Держкомвинаходів СРСР, який ніс державну відповідальність за
патентування та докладав усіх зусиль, щоб зрушити з мертвої точки
"проблему впровадження".
В
1977 автор був обраний на посаду завідувача кафедрою обчислювальної
техніки Вінницького політехнічного інституту, і саме цей вуз став основним
науковим центром, де були розгорнуті роботи з реалізації винаходів.
Складність полягала ще й у тому, що напрям почав розвиватися не в одному
з визнаних радянських комп'ютерних центрів (Москва, Київ, Мінськ), а в
української Вінниці, "цукрових" столиці України, де хоч і були
електронні заводи, але їх цільова спрямованість і рівень технології явно не
відповідали задачі створення комп'ютера Фібоначчі. Та й сам інститут
знаходився в стадії росту, йшли нескінченні чвари в професорському колективі - і
все це не сприяло розвитку цього наукового напрямку.
В
1986 Мінвузу України за наполяганням Держкомвинаходів призначив автора
директором спеціального конструкторсько-технологічного бюро
"Модуль", що входив до складу Вінницького політехнічного інституту.
Він мав кілька відділів конструкторського напрямки і деяку технологічну
базу, але знаходилося на межі фінансового краху. Тому першочерговим завданням
було знайти стійке джерело фінансування розробок. Вирішити її вдалося за
короткий термін завдяки підтримці цього наукового напрямку перш за все з
боку Держкомвинаходів, а також деяких високопоставлених чиновників
колишнього СРСР. У Києві таким чиновником виявився Володимир Павлович Горбулін,
обіймав посаду заступника начальника оборонного відділу ЦК Компартії України,
в Москві - Олег Федорович Антуфьев, начальник одного з провідних главків
Міністерства загального машинобудування (МОМ) СРСР (радянського ракетного
міністерства). Саме з ініціативи цих двох прогресивної думки радянських
функціонерів роботи по комп'ютеру Фібоначчі були включені в одне з секретних
постанов ЦК КПРС і СМ СРСР з розвитку оборонної тематики. У результаті на
розробки було виділено близько 15 млн. рублів - значний для того часу
сума, втричі перевищувала річний обсяг фінансування науково-дослідних
робіт всього Вінницького політехнічного інституту.
Замовником,
в якості якого виступала головний комп'ютерна організація МОМ, було
сформульовано три основних напрямки наукових і дослідно-конструкторських
розробок:
проектування
самоконтролірующегося процесора Фібоначчі для спеціальних застосувань;
проектування
самокорректірующіхся "фібоначчіевих" аналого-цифрових та
цифро-аналогових перетворювачів високої точності та метрологічну
стабільності;
проектування
самосінхронізірующіхся систем цифрового магнітного запису та волоконно-оптичних
систем передачі інформації.
До
цих розробок в СКТБ було підключено близько 200 працівників.
Перша мікросхема
Одним
з найважливіших напрямків інженерних розробок СКТБ "Модуль" стало
створення елементної бази комп'ютерів Фібоначчі, на чому особливо наполягав
"замовник". У перспективі планувалося, що така елементна база
стане основою для проектування високонадійного бортового комп'ютера
Фібоначчі (Ф-комп'ютера) для спеціальних застосувань.
Першої
була розроблена мікросхема невеликий розрядності, що виконує функції
процесора. Кілька таких мікросхем в сукупності представляли процесор
Ф-комп'ютера більш високої розрядності.
Пристрій приведення коду Фібоначчі до мінімальної
формі
Один з можливих варіантів такого пристрою
показано на малюнку. Пристрій складається з п'яти RS-тригерів і логічних
елементів AND, OR (І, АБО), які призначені для реалізації
"згортки". Операція "згортки" виконується, починаючи з
молодшого тригера T1 до старшого тригери T5, за допомогою
логічних елементів AND1 - AND5 та відповідних
логічних елементів OR (АБО), розташованих перед R-і С-входами
відповідних тригерів. Логічний елемент AND1 реалізує
"згортку" 1-го розряду в 2-й розряд регістра. Два його входу пов'язані
з прямим виходом тригера T1 і "інверсний" виходом
тригера T2. Третій вхід пов'язаний з сигналом синхронізації C.
Логічний елемент AND1 аналізує стану Q1 і Q2
тригерів T1 і T2. Якщо Q1 = 1 і Q2
= 0, це означає, що умова "згортки" для 1-го і 2-го розрядів
виконується. Синхросигнал C = 1 є причиною появи логічної 1 на
виході елемента AND1. Ця логічна 1 викликає переключення
тригерів T1 і T2 в протилежний стан, що
призводить до виконання операції "згортки" над першими двома розрядами
регістра. Логічний елемент ANDk k-го розряду (k = 2, 3, 4, 5)
реалізує операцію "згортки" (k - 1)-го і k-го розрядів у (k + 1)-й
розряд. Три його входу пов'язані з "прямими" виходами тригерів Tk
- 1 і Tk і "інверсний" виходом тригера Tk + 1.
Четвертий вхід пов'язаний з синхросигналами C. Логічний елемент ANDk
аналізує стану Qk - 1, Qk і Qk + 1
тригерів Tk - 1, Tk і Tk + 1. Якщо Qk --
1 = 1, Qk = 1 і Qk + 1 = 0, це означає, що
умова "згортки" виконується. Синхросигнал C = 1 приводить до перемикання
тригерів Tk - 1, Tk, і Tk + 1. При цьому
виконується операція "згортки" над відповідними розрядами (011
