Текст книги "Человек или машина?"
Автор книги: Анатолий Абинов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 5 страниц)
– Активная система – это, говоря иначе, человек. Таким образом, мы занимаемся проблемой управления человеком – так пояснил мне суть своей работы заведующий лабораторией активных систем Института проблем управления АН СССР, доктор технических наук В. Бурков. – Причем в данном случае под термином «человек» мы понимаем не только отдельного индивидуума, но и целые коллективы людей, работающих сообща Для достижения общей цели…
Человек же сам по себе достаточно сложная, как говорят специалисты, многокритериальная система. То есть на его поведении могут сказываться многие факторы: степень профессиональной подготовленности, характер работы, привычки и даже то, выспался он или не выспался сегодня… В зависимости от этого ответы на один и тот же вопрос: «Как повысить надежность работы человека?» – получают разные. А значит, и способы воздействия на человека с целью уменьшения ошибки в каждом конкретном случае могут быть различны.
Пожалуй, лучше всего убедить человека, что поступать именно так, как он делал до сих пор, не выгодно ни производству, ни ему самому. Вот вам конкретный пример такой ситуации. Недавно за помощью к сотрудникам лаборатории активных систем обратились инженеры Новокузнецка, занимавшиеся созданием автоматизированной системы управления выплавкой стали.
Плавить сталь – дело непростое. Находясь несколько часов кряду у раскаленной печи, сталевар с подручными все время следит за ходом плавки. То он чуть повысит, то понизит температуру в печи, вовремя добавит нужное количество легирующих элементов и точно в срок выпустит металл.
Как он узнает, что и в какой момент ему нужно делать? Ему помогают в этом анализы экспресс-лаборатории. Зачерпнет Подручный сталевара специальной ложкой-ковшиком на длинной ручке немного металла из печи, и лаборанты через некоторое время сообщают: «В стали столько-то процентов железа, столько-то углерода и серы…»
Но пока длится анализ, можно упустить драгоценное время. Поэтому опытный сталевар умеет определить качество стали и на глаз: по цвету пламени, по виду самого расплава, по времени, которое длится процесс… Такое умение дается нелегко, требует накопления многолетнего опыта, в спешке люди далеко не всегда действуют наилучшим образом… Словом, перед нами как раз тот случай, когда труд человека нуждается в помощи машины.
Однако сделать процесс плавки автоматическим еще никому в мире не удалось. Поэтому в Новокузнецке решили для начала создать автоматизированную систему управления, которая бы работала в режиме «советчик сталевара». ЭВМ с помощью системы датчиков следит за процессом и высвечивает свои рекомендации на экране дисплея. А там уж дело человека – принимать или не принимать эти рекомендации к исполнению.
Сталевары с радостью встретили новинку. Однако процесс выплавки стали, как мы уже говорили, очень сложен, далеко не все его тонкости удалось учесть сразу при проектировании системы. Поэтому нет ничего удивительного в том, что первые советы компьютера были, мягко говоря, весьма далеки от идеала. Сталевары сначала посмеивались над ними, а потом и вовсе перестали обращать внимание на работу ЭВМ.
Впрочем, разработчики не дарам ели свой хлеб. Они создали самообучающуюся, адаптивную систему. То есть компьютер в каждом конкретном случае анализировал свои решения, решения сталевара и выявлял лучшие… Машина училась на ошибках, и через некоторое время ее советы стали заслуживать того, чтобы ими воспользовались. Но сталевары уже привыкли к мысли, что от ЭВМ толк невелик, и но-прежнему не обращали на нее внимания. Что делать? Как преодолеть сложившийся психологический барьер?
Подумав, ученые предложили производственникам использовать двухканальную систему управления процессом. То есть, говоря проще, предложили устроить соревнования между человеком и компьютером. ЭВМ начисто лишена самолюбия, аккуратна, ничего не забывает. Поэтому если ввести в программу небольшое дополнение, то после каждой смены можно будет наглядно увидеть, сколько ошибок сделал человек и сколько компьютер, каков результат труда в том случае, когда человек действовал но своему усмотрению, и каков он был бы, если бы сталевар послушался совета ЭВМ…
Спортивный азарт соревнования в сочетании с точным научным подходом быстро сделал свое дело. В настоящее время все сталевары используют в своей работе советы компьютера. Это позволило на двадцать процентов повысить эффективность их труда, экономить ежегодно миллионы рублей!
Советские ученые также научились использовать подобные деловые игры для различных целей, создают математические модели самых неожиданных процессов и событий. Так, например, несколько лет назад в Вычислительном центре АН СССР вновь разыгралось… Синопское сражение!
– Мы знали во всех деталях тактику русской и турецкой эскадр, в том числе все – целераспределения и маневры, которые совершали русские и турецкие корабли, – вспоминал один из участников этой работы академик Н. Моисеев. – Мы хотели понять, насколько правильно распорядился адмирал Нахимов своими кораблями. Что могли сделать в этой ситуации турки… Результат оказался весьма интересным. ЭВМ показала, что Нахимов действовал практически оптимально. То есть он настолько верно расставил свои корабли и нацелил первый удар, что единственное спасение турок состояло в отступлении. Пока не поздно, им было необходимо ретироваться с поля сражения и попытать счастье уже в другом месте, при другой диспозиции. Иного выхода у них не было…
Понятно, что такая игра – не более как проверка возможностей нового метода математического моделирования. Убедившись в его действенности, специалисты стали использовать его весьма широко, во многих отраслях народного хозяйства. Испробовали они свои силы даже в решении общегосударственных задач.
– Мы решили придумать свою собственную планету, населить ее придуманными персонажами, наделить эти персонажи способностью создавать технологии, вести войну и так далее, – продолжает Н. Моисеев.
Правда, планета, созданная математиками, была весьма далека от реальной даже по форме. Она была не шарообразной, как наша Земля, а цилиндрической – так оказалось удобнее описывать происходящие на ней события в математической форме. На планете размещалось всего три государства – А, В и С. Первое обладало богатыми запасами полезных ископаемых, большим населением, огромной территорией, но низким уровнем развития промышленности. Другая страна обладала, напротив, малой территорией, бедными природными ресурсами, население ее было невелико, зато очень высок уровень промышленного развития. Третья страна занимала промежуточное положение.
Потенциальные возможности государств были описаны математически. Известны и законы, которыми надо руководствоваться, чтобы не «прогореть». Можно начинать игру, т. е. привести модель в действие? Оказалось, нет. Забыли одну «мелочь»-людей, осуществляющих все замыслы, приводящих в действие машины. Модель цилиндрической планеты стала функционировать более-менее удовлетворительно, лишь когда в состав каждого «государства» включили экспертов – людей, которые принимали решения в затруднительных случаях. Машина готовила им данные, показывала, что происходит в результате развития тех или иных событий, но главное действие – решение – производили все-таки люди. Тем не менее, отталкиваясь от таких упрощенных построений, специалисты затем смогли прийти к гораздо более сложным аналогам.
– К настоящему времени система моделей, разработанная в Вычислительном центре АН СССР, – говорит академик Н. Моисеев, – уже позволила провести серию интересных экспериментов, давших новую и в достаточной степени неожиданную информацию о свойствах биосферы на современном этапе ее развития…
В упрощенном виде эту систему можно представить в виде трех блоков – блока климата, блока биоты и блока человеческой активности.
Климатический блок состоит из двух систем. Первая из них описывает динамику биосферы, ее энергетику, перенос влаги, испарение и т. д. Вторая система описывает – динамику океана, его приповерхностного слоя. Океан чрезвычайно инерционен, изменения, например, средней температуре в нем происходят лишь за периоды порядка сотен лет. Поэтому если мы хотим получить какие-то оценки погоды на ближайшее десятилетие, для этого бывает достаточно знать динамику изменения процессов в приповерхностном слое океана.
Все перечисленные процессы чрезвычайно сложны. Из-за этого их пришлось описывать упрощенными уравнениями. Но даже в таком случае математические выражения получаются столь громоздкими, что вряд ли когда-либо их удалось бы проанализировать вручную. Только использование мощнейших компьютеров позволило в какой-то степени надеяться на успех.
Уже первая серия экспериментов, проведенная группой В. Александрова, показала, что предложенная модель климата более-менее правильно отражает уже хорошо изученные синоптиками процессы, например, круговое движение воздушных масс в Атлантике, сибирский антициклон, который устанавливается в январе, и некоторые другие явления. В дальнейшем эти модели будут совершенствоваться и могут стать полезными для долгосрочного предсказания, скажем, «парникового эффекта», тенденций развития «озонной дыры» и других подобных явлений.
Осенью 1982 года были проведены, модельные исследования глобальных биосферных процессов. Они подтвердили работоспособность созданной модели, хотя и не смогли объяснить некоторые явления, уже известные науке. Например, никак не удалось разобраться с так называемым максимумом голоцена. Известно, что 5–7 тыс. лет назад климатические условия на Земле повсюду были более благоприятны, чем сейчас, хотя в ту пору средние температуры на 3–5 градусов превышали нынешние. Согласно современным научным взглядам, это должно было бы привести к повышенной засушливости многих районов. Однако на деле все было далеко не так, даже в Сахаре существовал гораздо более влажный климат, чем сегодня. Почему так произошло? В этом еще предстоит разобраться.
Наиболее впечатляющий результат получился при моделировании некоторых процессов, непосредственно связанных с деятельностью человека. Мы уже привыкли к тому, что человечество, говоря словами Вернадского, превратилось в одну из сильнейших геологических сил на Земле, но как-то особо не задумывались, какими последствиями это может обернуться.
ЭВМ показала все на редкость наглядно. Оказывается, что человечество, имеющее в руках ядерное оружие, может буквально за несколько минут превратить свою цветущую планету в безжизненный ад. До этой работы считалось, что взрыв ядерной бомбы можно в какой-то мере сравнивать с извержением крупного вулкана. Однако математический эксперимент показал, что ядерный взрыв в атомной войне не имеет никаких аналогий с природными явлениями – последствия несопоставимы.
Действительно, самое большое извержение вулкана, зарегистрированное человечеством, произошло в 1815 году в Индонезии. Тогда при взрыве вулкана Тамбора в атмосферу на высоту 20 км было выброшено порядка 100 куб. км пыли и пепла. С одной стороны, это в тысячи раз больше, чем мы имеем при одиночном атомном взрыве – это показали испытания прошлых лет, проводившиеся еще в атмосфере. Но с другой стороны, война разительно отличается от испытаний. При военных действиях наиболее вероятными объектами ядерных ударов окажутся города. Ядерные взрывы наряду с прямым разрушением строений, транспорта, ландшафта и т. д. вызовут и многочисленные пожары. Таким образом в верхние слои тропосферы будут подняты не только облака пыли, как при извержении вулкана, но и сажи. А это уже заметно меняет дело.
Пожар возбуждает своеобразную цепную реакцию, в результате которой образуются огненные торнадо. Они станут, выбрасывать в небо огромное количество сажи. Сажа перекроет доступ солнечному свету, в результате чего на планете резко понизился температура. Уже в первый месяц она может уменьшиться на 15–20 или даже на 30 °C. В итоге сразу наступят «ядерная зима» и «ядерная ночь», которые будут продолжаться 3–4 месяца. Осадки в виде дождя полностью прекратятся, земная поверхность промерзнет на глубину нескольких метров. Это лишит всех еще уцелевших жителей планеты запасов пресной воды, обрекая их на мучительную гибель.
Такую картину, с разницей разве что в некоторых деталях, нарисовали как советские, так и американские компьютеры, поскольку параллельно с нашими учеными аналогичную модель проанализировали сотрудники известного многим американского ученого К. Сагана.
Расчеты произвели соответствующее впечатление на политиков всего мира. И наверняка в процесс нынешнего потепления международной обстановки свой вклад внесли трагические предсказания, сделанные беспристрастным «искусственным интеллектом».
Однако человеческий род, будем надеяться, все же не напрасно носит гордое звание «хомо сапиенс» – человек разумный. У него, наверное, все же хватит ума не превратить Землю во всепланетное кладбище. И потому давайте от грустной темы ядерной войны перейдем к разговору о вещах более веселых. Давайте посмотрим, какие горизонты развития кибернетики открываются в наши дни.
II. На пути к киборгам
Каким вы представляете себе компьютер, равный но своим возможностям человеческому мозгу? Да-да, 10 000 миллиардам его нейронов… В 50-е годы нашего столетия такая ЭВМ заняла бы столько места, как Нью-Йорк или Токио. А энергии потребляла бы больше, чем вся сеть метрополитена в этих городах.
Ныне же ученые говорят о возможности размещения такого компьютера в объеме черепной коробки, а для его питания будет вполне достаточно батарейки от карманного фонаря.
Но прежде чем такие суждения стали возможными, должны были произойти вот какие события.
Мини… микро… меньше некуда!Транзистор заменил радиолампу, и ЭВМ, занимавшая машинный зал, стала умещаться в тумбах письменного стола. На смену транзистору пришли интегральные схемы, и сегодня мы носим ЭВМ в кармане…
Интегральная схема – это десятки, а то и сотни тысяч активных элементов – триодов, диодов, конденсаторов, размещенных методами современной технологии в полупроводниковом кристалле размером менее ногтя мизинца – так называемый чип. Микропроцессор такой же величины может иметь миллионы активных элементов. Причем размещение их в целях экономии места ведется в несколько этажей.
Однако ничего в нашем мире не дается даром. За запах цветов заплачено химической энергией растения, за шум прибоя – энергией ветра и волн, за красоту окружающего мира – энергией солнечного света… Платим мы и за миниатюрность счетно-решающих приборов. Их компактность не может быть снижена беспредельно при дальнейшем использовании нынешней технологии. И вот почему..
Компактность хороша не только сама по себе, но еще и потому, что она повышает быстродействие электронных приборов. В большом устройстве нужно больше времени, чтобы электроны пробежали свой путь по проводникам, накопили заряд в конденсаторах… Но уменьшая размеры электронных устройств, мы должны сохранять на определенном уровне их мощность. Иначе выходные сигналы окажутся настолько слабы, что не будут восприняты органами наших чувств, прежде всего зрением. А сохранение мощности, в свою очередь, приводит к повышению плотности энергии, выделяемой в единице объема.
– Говоря проще, – рассказывал доктор технических наук В. Дорфман, – мы здесь сталкиваемся примерно вот с какой ситуацией. Вы вышли погулять в ветреную погоду: Пока ветер не очень силен, вы легко преодолеваете его сопротивление. Но ветер все усиливается, превращается в ураган, и в конце концов прогулка становится невозможной – того и гляди вас унесет…
Такая аналогия дает наглядное представление о процессах электромиграции. Суть этого процесса заключается в том, что при определенной плотности энергии, выделяемой в единице объема, сила тока в проводнике может достигать миллионов ампер в пересчете на квадратный сантиметр! Обладая такой силищей, электроны начинают «сдувать» атомы с их законных мест в кристаллической решетке. И дело-кончается тем, что в каком-то месте проводник разрушается, перестает проводить электрический ток. Что делать?
Выход из положения нашел американский физик Дж. Баркер. «Раз проводники становятся помехой на пути микроминиатюризации аппаратуры, – предложил он, – давайте обойдемся без них…»
И Баркер предложил использовать вместо проводимости… туннельный эффект! Суть дела тут вот в чем. Специалисты в области. физики твердого тела обнаружили странное с нашей обыденной точки зрения явление: время от времени электроны появляются в тех местах полупроводникового кристалла, где их быть не должно. Их кинематическая энергия недостаточна, чтобы преодолеть потенциальный барьер запрещенных уровней, и все-таки электроны появляются. Каким образом?
Попробуем обратиться к помощи такой механической аналогии. – Представьте себе шарик, который катится по ровному столу. На пути шарика – препятствие, барьер. Перескочить его шарик не может, для этого он должен обладать по крайней мере вдвое большим запасом энергии. Значит, шарик не может оказаться по другую сторону барьера? Может! Но только при одном условии: если на его пути мы проделаем в барьере отверстие, туннель.
В действительности, конечно, никто никаких туннелей не делает. Шарик-электрон оказывается по ту сторону препятствия – потенциального барьера – только потому, что он обладает двойственными свойствами^, с одной стороны, он – частица, с другой – волна. И то, что не может сделать электрон-частица, вполне доступно электрону-волне. Ом, словно вода. сквозь земные недра, «просачивается» сквозь потенциальный барьер.
Вот этот-то туннельный эффект и предложил использовать Дж. Баркер. «Поскольку, благодаря туннельному эффекту, электроны могут просачиваться сквозь полупроводниковое вещество, – рассуждал он, – то зачем нам проводники? Нужно вычислить вероятность перехода электронов из одного места в другое и считать, что в данном месте с такой-то вероятностью у нас есть проводник…»
Революционность такого вывода трудно переоценить. Баркер, по существу, перевернул все традиционные представления классической электроники. В самом деле, представьте, каково было бы водителям, если бы перед мостом на обочине шоссе вдруг появился плакат: «Внимание! Мост функционирует с вероятностью 0,5…» То есть, говоря иными словами, то ли он есть, то ли его нет в данный момент, никто не знает. Но вообще-то, если поток автомобилей будет непрерывным, есть шанс, что каждый второй доберется до другого берега.
Конечно, в обыденной жизни такая ситуация никого не устроит. Но физики довольно часто руководствуются странными законами необычного мира микрочастиц и тем не менее достигают хороших результатов. Так получилось и в этот раз. Дж. Байкеру удалось убедить скептиков. Причем сделал он это довольно простым способом: он построил модель электронного блока, руководствуясь своими принципами. И модель эта оказалась вполне работоспособной!
И на этом история новой технологии, по существу, только начинается. Дело в том, что к этой же проблеме предельной микроминиатюризации с другой стороны подошли биологи. Еще в 1974 году они установили, что многие органические материалы способны проводить электрический ток. Более того, когда проходит электрический сигнал определенной полярности, органическое вещество способно переходить в другое состояние. То есть, говоря проще, внутри каждого живого организма работают словно бы миллиарды триггеров – электронных приборов, каждому из которых свойственны два устойчивых состояния – «0» или «1».
Причем электроника живой клетки имеет молекулярный уровень. То есть своеобразным триггером может быть всего лишь одна молекула… Но ведь и Дж. Баркер предлагает создавать электронные приборы на атомно-молекулярном уровне! Нельзя ли объединить одно с другим?.. Несколько групп исследователей ведут в настоящее время работы на неисследованной территории.
Так, например, группа специалистов лаборатории физики твердого тела в Орсе (Франция), работающая под руководством Д. Жерома, интересуется сразу двумя видами материалов – проводящими полимерами и мономолекулярными кристаллами. Почему именно ими?
Мы привыкли к четкому разделению органического и неорганического миров. Трудно пока представить себе, что органические молекулы, можно использовать для создания транзисторов. Однако ныне дела обстоят именно так. Более того, некоторые из органических веществ могут обладать даже свойствами сверхпроводимости!
Идея о сверхпроводимости в органических молекулах была высказана около четверти века назад американским ученым Б. Литтлом. Пять лет спустя в лаборатории Института химической физики АН СССР группа И. Щеголева получила класс органических веществ, способных хорошо проводить электрический ток при комнатной температуре. Основу этих проводящих молекулярных кристаллов составляли колонки из плоских органических молекул.
После еще нескольких лет напряженной работы в советских, американских и французских лабораториях были получены соединения, которые оставались проводящими при самых низких температурах, вплоть до 0,1 К. Таким образом была подготовлена почва для создания сверхпроводящих соединений, которые, как полагали в то время, могут существовать лишь при сверхнизких температурах.
И действительно в 1980 году датскому химику К. Бернгарду удалось использовать плоскую органическую молекулу тетраметил-тетраселенфульвалена для синтеза соединений, в которых молекулы переходят в сверхпроводящее состояние при температуре около 1,5 К.
Не меньшие достижения получены и в области органических проводящих полимеров. Несколько лет назад американский физик А. Хигер продемонстрировал вентилятор, работавший от аккумулятора, пластины и рабочее вещество которого состояли только из органических веществ. Какие же преимущества могут оказаться решающими при выборе между органикой и неорганикой? Их много. Органика, как вы уже поняли, открывает дальнейшие пути развития микроминиатюризации электронных устройств вплоть до молекулярного уровня. Органика состоит из весьма распространенных в природе веществ. И наконец, органические молекулы обладают значительным разнообразием, способны к плавной перестройке, что может привести к созданию веществ с точным, заранее известным набором необходимых свойств.
– Эти преимущества уже были «взяты на вооружение» природой в процессе возникновения живых организмов, и нет причин сомневаться в том, что они могут быть использованы и при синтезе систем с нужными нам сверхпроводящими или полупроводниковыми свойствами, – считает доктор физико-математических наук Л. Булаевский.
Отсюда, кстати, вытекает и еще одна особенность органической электроники. В одном из опытов подложку из кремниевого кристалла попытались заменить на протеиновую. Этот белок хорош не только тем, что вырабатывает электрические сигналы. Он является также родственным материалом многих клеток человеческого тела. А это значит, что протеиновые микрочипы можно будет имплантировать в человеческий организм!
Правда, как говорят скептики, у органической микроэлектроники проявляется очевидный недостаток: сложные органические молекулы, как правило, нестабильны, быстро распадаются. А значит, и основанные на них биологические микрокомпьютеры вряд ли будут очень долговечными. Однако мы знаем, как природа обошла эту трудность – она создала самовоспроизводящиеся системы. Именно к этому и стремятся специалисты в настоящее время.
