Совершенные компьютеры

Самый последний и самый одаренный ребенок информационной техники - электронная вычислительная машина. В течение нескольких минут ЭВМ сделает те расчеты, на проведение которых математику потребовалось бы почти полгода. Она позволяет на небольшом пространстве хранить громадное количество данных и в любое время готова предоставить их в наше распоряжение. Систематизация данных научных исследований, ведение банковских счетов, автоматизированная продажа авиабилетов, обработка статистической информации, прогноз результатов предстоящих выборов, точнейшие математические расчеты - вот краткий перечень практически безграничных возможностей электронной вычислительной техники.

Принцип действия ЭВМ удивительно прост. Она может лишь сказать "Да" или "Нет", "Больше" или "Меньше", "Равно" или "Не равно" и считать от 0 до 1. Все более крупные числа необходимо разложить и представить в форме определенного сочетания нулей и единиц. На языке ЭВМ число 3 записывается как 00011, число 13 как 01101, а число 23 как 10111. Для запоминания каждого из этих чисел ЭВМ нужно 5 ячеек памяти. Если взять число 23, то в первой ячейке будет храниться цифра 1, во второй - цифра 0, в третьей и четвертой - опять 1 ив последней - вновь 1. Поскольку ЭВМ накапливает в своей памяти громадное количество цифровой информации, ячейки памяти по своим размерам должны быть небольшими. На практике они представляют собой миниатюрные, обладающие магнитными свойствами ферритовые сердечники, помещаемые внутри рамки из проволочного материала (фото 78). Каждый из этих сердечников - накопителей информации имеет диаметр чуть больше одного миллиметра и может запоминать 1 бит информации^*.

^* (Бит - двоичная единица измерения количества информации. - Прим. ред.)

Фото 78. Часть ферритовой матрицы запоминающего устройства с плоской выборкой информации (сильно увеличено). В действительности размер ферритового сердечника равен всего 1,2 миллиметра. В центре фотографии для сравнения помещен элемент памяти современной ЭВМ

В одном магнитном оперативном запоминающем устройстве (МОЗУ), который представляет собой конструктивный элемент ЭВМ, может насчитываться большое число ферритовых матриц (проволочная решетка, в узлах которой помещается от 50 тысяч до 100 тысяч ферритовых сердечников). Следовательно, МОЗУ в состоянии запомнить от 50 тысяч до 100 тысяч битов информации.

В последние годы электронная вычислительная техника добилась больших успехов. Размеры ЭВМ, уменьшаются. Одновременно они становятся все более быстродействующими. В современных ЭВМ применение находят мельчайшие ферритовые сердечники. Отверстие в них настолько мало, что сквозь него с трудом проходит человеческий волос. Внешний диаметр сердечников составляет всего одну пятую миллиметра. В углублении самой обыкновенной мятной таблетки, увеличенное изображение которой дано на фото 79, находится более 4 тысяч таких сердечников, которые способны запомнить более 4 тысяч битов информации. Но промышленности этого мало. Были созданы микроскопические ячейки памяти. В центре фото 78 можно видеть небольшую ферритовую плату квадратного сечения. Размеры стороны квадрата 2,5 миллиметра. На этой плохо различаемой простым глазом поверхности укреплены мельчайшие проводники и кремниевые блочные элементы, всего 664 коммутирующих элемента. Поистине ювелирная работа! Каждый комплекс в состоянии нести 64 бита информации. На той же фотографии изображены 24 ферритовых сердечника, каждый диаметром 1,2 миллиметра, использовавшихся в прежних ЭВМ. Один такой сердечник способен запоминать 1 бит информации.

Фото 79. Снимок позволяет сопоставить размеры мятной таблетки и ферритовых сердечников. В этой небольшой кучке их насчитывается более 4 тысяч штук. Микроскопические размеры сердечников позволяют создать в запоминающем устройстве ЭВМ большое число ячеек памяти

Появление нового поколения ЭВМ связано с широким внедрением микроэлектроники, бурному развитию которой способствовал прогресс в области космических исследований. Размеры неудобных и громоздких прежде установок в последние годы существенно уменьшились. И все же современная электронно-вычислительная машина, состоящая не только из оперативного запоминающего устройства, но также систем ввода и вывода, дополнительных блоков памяти и другой аппаратуры, занимает довольно большое пространство (фото 80). Однако количество ячеек памяти в ней огромно. В зависимости от конструкции центральное устройство может регистрировать от 50 тысяч до 2 миллионов битов. Для техники это исключительно высокий показатель. Представляется невероятным, что на столь небольшом пространстве возможно было бы разместить еще более значительный объем информации.

Фото 80. Так выглядит помещение, в котором установлена современная ЭВМ. На переднем крае справа - основное оперативное запоминающее устройство. В зависимости от конструкции в нем может быть размещено от 50 тысяч до 2 миллионов ячеек памяти

Имея в виду все сказанное, можно предположить, что в области создания накопителей информации человек обошел природу. Для подтверждения (а быть может, опровержения?) подобного допущения попытаемся найти аналогичные устройства в растительном мире. Сделать это будет нетрудно, поскольку мы сталкиваемся с ними каждый день, правда, не на лоне природы, поскольку в большинстве своем мы городские жители. Но, тем не менее, из повседневной жизни мы знакомы и с зерном, из которого изготовляют наш хлеб, и горчичным семенем, делающим столь пикантными наши колбасы, и, наконец, с маком, которым обсыпаются наши любимые булки. Иными словами, речь идет о семенах растений. В каждом из семян содержится подробнейшая информация о внешней форме растения, которому следует появиться из него. В нем хранятся подробные данные о величине, окраске и форме листьев и цветков, а также информация о том, как следует реагировать растению на холод или тепло, кислую или известковую почву, нехватку или избыток влаги, свет или его отсутствие.

Давайте немного посчитаем вместе и попытаемся определить, какое количество битов информации потребуется для того, чтобы запрограммировать с помощью технической ЭВМ только одну окраску цветка любого растения. Сделать это точно практически невозможно. Тем не менее даже приближенный анализ покажет, в чем, собственно, заключается проблема. Нам хорошо известно, что все оттенки цвета получаются за счет комбинирования трех основных цветов: синего, зеленого и красного. Плотность того или иного оттенка определяется содержанием каждого из трех компонентов в их общей смеси. Чтобы упростить наши расчеты, допустим, что содержание каждого из основных цветов будет изменяться на 1 процент. В реальной действительности этого нет, ибо комбинации могут быть самыми различными. Наше допущение означает, что в одной комбинации доля синего цвета будет равна 1 проценту, в другой - 2 процентам, в третьей - 3 процентам и так далее до тех пор, пока доля синего цвета не составит 100 процентов. Те же самые соотношения справедливы для двух остальных основных цветов. Даже при столь грубом упрощении в сумме получается около 5151 оттенка цвета. Для того чтобы заложить в память ЭВМ любую из этих цветных комбинаций, необходимо иметь 13 ячеек памяти. Кроме того, еще 10 ячеек потребуется для запоминания информации, из которой вытекает, что здесь речь идет именно о цвете, а не о чем-то другом. Нужна также информация о величине, форме, жесткости или каком-либо еще отличительном признаке из тысячи других. Как видим, только для "запоминания" машиной окраски цветка требуется 23 ячейки памяти. Далее, говоря о цвете, важно установить, а что, собственно, должно быть окрашено в растении: корни, стебель, листья, плоды или цветок. Исключительно сложно в данном случае ответить на вопрос о количестве битов информации, необходимых для хранения в "памяти" растения этих сведений. Будем руководствоваться тем, что у растения возможными объектами окрашивания являются 24 вида растительной ткани. Таким образом, нам нужны еще 5 запоминающих элементов. В целом же только для хранения информации о цвете уже необходимо иметь 28 таких элементов. Если мы выберем цветок с тройной окраской (например, у очень скромного по расцветке цветка маргаритки корзинка желтая, лепестки в целом белые, а их копчики розоватые), то число требуемых ячеек памяти увеличится до 84 (3X28). Столь же важна информация о том, как протекает изменение окраски, во-первых, на протяжении всей жизни цветка вообще, во-вторых, в зависимости от уровня освещенности, в-третьих, в зависимости от колебания температуры окружающей среды, в-четвертых, в зависимости от содержания минеральных веществ в почве и так далее и тому подобное. Предположим далее, что для наших расчетов будут иметь силу только эти 4 фактора и что в зависимости от эффективности их воздействия наша цветовая шкала, насчитывающая 5151 оттенок цвета, может изменяться не более чем на 500 дополнительных оттенков. Это потребует запрограммировать дополнительно 6 тысяч вариантов (3X4X500), на что понадобится 13 ячеек памяти. Что касается каждого из четырех факторов воздействия, то чрезвычайно важно знать, какой из многих тысяч химических и физических показателей здесь вообще имеется в виду. В этой связи на каждый цвет необходимо иметь 40 ячеек, а всего - 120. Становится очевидным, что для помещения в вычислительную машину всей необходимой информации о раскраске цветка требуется 217 ячеек памяти. И это только для части самой элементарной информации, касающейся будущего растения.

У кого не отпало желание продолжать вычисления и кто обладает навыками и знаниями в области электронной обработки информации, тот может аналогичным путем запрограммировать и другие отличительные признаки растения. Вне всякого сомнения, он впадет в отчаяние, решая данную задачу, поскольку сразу же возникнет вопрос об окраске корней, ствола, ветвей, листьев, самых разнообразных шипов, волосков, плодов, семян и т. п. Затем наступит очередь информации, описывающей размеры органов растения, структуры их поверхности, а также множества других характеристик. Одно лишь математическое описание внешней формы дерева, системы ветвления его корней и строения кроны, соотношения между диаметром ствола и толщиной ветвей, точной геометрической формы листьев, почек, цветков, плодов, структуры коры потребует нескольких миллионов бит информации. За описанием внешнего облика растения последует описание внутреннего строения: характера расположения основных тканей в растении, формы, размеров и строения клеток специализированных тканей и так далее. Наконец, нельзя обойтись без данных о химическом составе клеточного сока, о процессах роста и развития растения, об их поведении во всех возможных взаимосвязях с окружающей средой, о способе и времени размножения.

Для запоминания всей информации, касающейся растения, не хватит объема памяти крупной современной ЭВМ, к примеру такой, какая изображена на фото 80. Растение же хранит эту колоссальную массу сведений в крохотном семени: у некоторых видов бромелиевых (например, Pitcairnia maidifolia) на один грамм веса приходится не менее 25 тысяч семян^*.

^* (Перечисленная здесь и вся остальная генетическая информация о строении и развитии будущего растения содержится не только В семени растения, но и в любой из его клеток. - Прим. ред.)

Еще миниатюрнее в роли запоминающего устройства, изобретенного природой, споры грибов, но и они содержат всю исчерпывающую информацию о строении и поведении того гриба, который их породил. Для того чтобы, например, соблюсти масштабность оригиналов и получить снимок споры гриба в том же увеличении, в каком изображены ферритовые сердечники на фото 79, нужно использовать фотобумагу размером 3,6 метра на 4,8 метра. Это площадь жилой комнаты размером 17 квадратных метров. Нельзя забывать, что размеры оригинала не превышают пяти тысячных долей миллиметра. В сравнении с микроскопическими размерами запоминающего устройства растения память современных сверхминиатюрных ЭВМ выглядит подобно вулкану, сравниваемому со спичкой. Вы считаете, что это преувеличение? Отнюдь пет. Высота вулкана в 3000 метров превышает длину спички в 70 тысяч раз. Объем пространства, занимаемого некрупной, длиною 5 метров, ЭВМ, в миллионы раз больше объема, занимаемого спорой гриба. Ко всему прочему, спора не только и не просто запоминающее устройство, но и одновременно хранитель тех веществ, из которых в будущем разовьется растение.

Ошибается и тот, кто утверждает, что ЭВМ с ее гигантскими размерами не столь восприимчива к посторонним помехам, как "память" семени растения. Для безотказной работы запоминающего устройства ЭВМ необходимы чистый воздух, постоянные влажность и температура воздуха. А что же растения? Семенам некоторых растений и спорам большинства грибов не могут причинить вреда ни низкие температуры, пи температура почти кипящей воды. Они успешно переносят и абсолютное отсутствие влаги и "всемирный потоп". Не страшны им ни песок пустынь, ни чистый, лишенный даже пыли воздух. Иными словами, они готовы ко всему, что может предложить им окружающая среда.