Техника - молодёжи 2002-04, страница 22
ПРОБЛЕМЫ И ПОИСКИ В современных интегральных схемах переработка информации идет на атомно-молекулярном уровне, причем в наиболее мощных компьютерах множество отдельных идентичных процессоров работают параллельно и объединяются в сеть, которая по структуре напоминает нервную систему человека. Поэтому такие устройства, способные успешно соревноваться с шахматными гроссмейстерами и даже управлять военными операциями, называют нейрокомпьютерами. Одновременно с совершенствованием архитектуры электронно-вычислительных машин идет и поиск для них новой элементной базы. Современные микросхемы, или чипы, делают на основе кремния, германия и других неорганических полупроводников (например, фосфидов и арсенидов галлия или индия) и ищут лишь методы их дальнейшей миниатюризации. Но уже в 1980-х гг. исследователи активно заинтересовались электрофизическими свойствами органических молекул (см. сб. «Итоги науки и техники». М., 1987, т. 22). Работы в этой области сразу же пошли по нескольким направлениям. Во-первых, ученые попытались просто применять органические материалы вместо неорганических полупроводников, что стало возможным в результате успехов химического синтеза. Во-вторых, возникла мысль о возможности использовать физические явления, происходящие в сложных органических молекулах — например, типа хлорофилла. А в-третьих — имитировать процессы переработки информации, идущие в настоящих живых организмах. Последнее направление можно называть молекулярной электроникой, или сокращенно — молектроникой. Пойди туда — не знаю куда... Чем же заинтересовала ученых молекулярная электроника? Она вроде бы не сулит особых выгод в смысле быстродействия и сверхминиатюризации, которые ограничиваются законами квантовой механики. Но биокомпьютеры способны, в принципе, решать задачи, которые «не по зубам» обычным ЭВМ даже самой сложной конфигурации. Так, известно, что все математические задачи делятся на вычислимые и невычислимые, и даже среди вычислимых задач встречаются такие, которые обычными числовыми методами решить невозможно. Одна из таких задач называется «задачей о коммивояжере». Формулируется она следующим образом: есть некоторое число городов, которые коммивояжер должен объехать по кратчайшему маршруту, не побывав ни в одном из них два раза. Эту задачу можно решить методами обычной вычислительной техники только в том случае, если городов мало; но уже при числе их, равном семи, задача переходит в разряд невычислимых. Впервые с такой задачей математики столкнулись, когда попытались составить план прогулки по семи мостам Кёнигсберга (ныне Калининград). И с каждым годом таких «плохих» задач становится все больше — ЭВМ они возникают в самых различных областях науки и техники. Реакцией на резкий рост подобных практически важных, но «плохих» задач, и стало создание нейрокомпьютеров: в них сравнительно простые элементы объединяются в систему, которая, благодаря многочисленным связям, демонстрирует весьма сложное поведение, подобное поведению биологических структур. Так, в живых организмах вели- 1. Принципиальная схема «машины Тьюринга»: а — бесконечная лента, на которой записаны символы «О», «1» и «пробел»; б — считывающая головка, способная передвигаться вдоль ленты налево, направо или оставаться на месте; в — внутренняя память; г — устройство управления считывающей головкой.
2. Считывание информации с молекулы ДНК, лежащее в основе работы молекулярной «машины Беннета»: а —двойная нить молекулы ДНК, на которой, как на ленте «машины Тьюринга», записана наследственная информация; б — комплекс ферментов, считывающих наследственную информацию; в — молекула РНК, управляющая последующим биосинтезом; г — банк материалов, необходимых для синтеза РНК. 2. Считывание информации с молекулы ДНК, лежащее в основе работы молекулярной «машины Беннета»: а —двойная нить молекулы ДНК, на которой, как на ленте «машины Тьюринга», записана наследственная информация; б — комплекс ферментов, считывающих наследственную информацию; в — молекула РНК, управляющая последующим биосинтезом; г — банк материалов, необходимых для синтеза РНК. кое множество совершенно одинаковых клеток-лейкоцитов действуют сообща, распознают встреченные объекты по принципу «свой-чужой» и мгновенно принимают решение — уничтожать их или нет. Однако такая строгая согласованность действий отдельных однотипных элементов недоступна любым современным супер-ЭВМ. Кроме того, биологические системы демонстрируют и так называемое нелинейное поведение, не поддающееся обычному математическом^ анализу. ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 4 ' 2 0 0 2 Это значит, что если в обычной математике 2x2 всегда равно четырем, то в нелинейной системе 2x2 может быть равно и трем, и пяти... Поэтому устройства Молекулярной электроники, как и структуры человеческого мозга, способны решать задачи с нечеткими начальными условиями типа «пойди туда — не знаю куда». Так, совершенно очевидно, что мозг живого шахматиста работает не методом мгновенного перебора миллионов позиций (некоторые гроссмейстеры признают, что никто из них в действительности не способен просчитать последствия 10 —12 ходов, а стремятся они лишь не получить мат в два хода!) и, тем не менее, еще достаточно успешно сражается со сверхбыстродействующими «электронными мозгами». Быстро все делается только в сказках В нашей стране энтузиастом создания систем молекулярной электроники стал доктор химических наук Николай Георгиевич Рамбиди, заведующий отделом информатики Международного научно-ис-следовательского института проблем управления. Его идея заключалась в том, чтобы использовать для создания биокомпьютера так называемые реакции Белоусова — Жаботинского; подобные реакции моделируют некоторые важные процессы, происходящие в живых организмах. А именно, если в плоский сосуд налить тонкий слой смеси определенных реактивов, то между ними происходит периодическая химическая реакция, создающая сложную систему динамически изменяющихся узоров — колец или спиралей. Поведением этой системы можно управлять, воздействуя на нее светом, а результат фиксировать цифровой видеокамерой и анализировать с помощью обычного компьютера. Оказалось, что такой «гибрид» способен решать весьма сложные, нелинейные задачи и даже распознавать изображения. Другой путь заключается в том, чтобы использовать поразительное сходство В ПРОБИРКЕ 20 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
