Опубликован: 03.04.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 315 / 14 | Длительность: 34:17:00
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 9:

Нейроподобные модели как формально-логический базис анализа живых систем

< Лекция 8 || Лекция 9: 123456789
Аннотация: В лекции проанализирована роль нейрокомпиляторов в создании инструментальных платформ наноэлектронных и супрамолекулярных вычислительных технологий.
Ключевые слова: инструкция, цикла, компонент, компиляция, ПО, механизмы, поток, integrator, AND, computer, интегратор, прогрессирующее, автомат, вывод, конфликт, место, анализ, информация, статистические методы, связь, замыкание, множества, функция, кодирование, декодирование, amber, структурный синтез, отношение эквивалентности, разбиение, пересечение, объединение, представление, вектор, размерность, базис, CEP, ATA, прямой, вариация, активность, основание, обратный, мутация, альтернативные, взаимно однозначное отображение, жизненный цикл, разрешимость, Си, очередь, память, гипотеза, эволюционный подход, операционный, Синхронный, ядро, константы, алгебраические, отношение, подкласс, устойчивость, пространство, мощность, Произведение, остаток, знание, выход, замораживание, реакция, постановка задачи, нанотехнологии, значимость, расстояние, площадь, вес, однозначность результата, длина, радиус, отрицательная обратная связь, объект, коэффициенты, поле, идентификация, закон Ньютона, контроль, выражение, симметрия, иррациональное число, энтропия, координаты, интеграл, градиент, диффузия, целый, класс, отношение порядка, количество информации, бит, закономерность, минимум, неравенство, энергия, вероятность, подстановка, единица, равенство, запуск, поиск, деятельность, вычисление, опыт, конечная последовательность, свертка, ранг, скользящее окно, входной, подгруппа, индекс, отображение, умножение, сложение, адаптация, сеть, переменная, матричный коммутатор, базовая, матрица, Главная диагональ, нейроподобный элемент, время задержки, доступ, иерархия, операнд, интерпретация

8.1. Самоорганизация и инструктированный синтез себе подобных

Переход высоких технологий вообще и вычислительной техники в частности в нанометровую или супрамолекулярную область невозможен без инструктированного синтеза материалов с заранее заданными свойствами и пространственными формами. Центральная проблема такого синтеза состоит в том, что в нем участвуют "ненадежные" квантовые компоненты с "ненадежными" квантовыми взаимодействиями, как во время синтеза, так и в течение всего "времени жизни" синтезированного субстрата. При этом сама "инструкция" хранится в "ненадежном" квантовом субстрате, который может быть модифицирован непрогнозируемым образом в процессе любого цикла считывания или копирования. Тем не менее, в итоге должен быть получен продукт с устойчивыми, детерминированными потребительскими макро-характеристиками и свойствами.

Проблема синтеза "надежных" вычислителей из "ненадежных" компонент встала перед разработчиками вычислительной техники на самом раннем этапе ее становления [16], потому что впервые в инженерной практике оказалось необходимым создать "надежное" детерминированное устройство более чем из 20-100 тыс. ненадежных электронно-вакуумных (ламповых) вентилей. Основными источниками ненадежности таких вентилей служили множественные гальванические соединения и температурный дрейф уровней сигналов, кодирующих логические переменные.

Переход элементной базы в субмикронную область вновь обострил эти проблемы, Уже сейчас в итоге разработки УБИС должна быть сформирована бездефектная и достоверно исполняемая в производстве "инструкция", которая регламентирует правила соединения порядка 40 млн. вентилей. При этом существующие промышленно освоенные методы и средства борьбы с перекрестными помехами в гигагерцовом диапазоне тактовых частот практически исчерпали свои возможности.

В таких условиях кремниевая компиляция, основанная на иерархии библиотечных элементов, узлов, блоков и устройств, является практически единственным механизмом поддержания технологии бездефектного проектирования микроэлектронных УБИС, а переход к последовательной арифметике с минимумом параллельных многоразрядных шин и к оптоэлектронной системе коммутации способен ослабить влияние перекрестных помех в средствах коммутации. Но весь этот комплекс мер применим в рамках технологии производства субмикронной элементной базы, где управление выращиванием твердотельных гетероструктур представляет собой "надежный" детерминированный процесс с гарантированным результатом.

У сторонников нанометровой, квантовой и супрамолекулярной электроники фактически есть два пути:

  • создать технологические процессы производства квантовых гетероструктур на основе атомоскопов или сканирующих туннельных микроскопов (СТМ), которые не уступают по надежности и достоверности исполнения проектных "инструкций" субмикронным технологиям на основе рентгеновских лазеров;
  • совместить во времени и пространстве процессы синтеза квантовых гетероструктур с процессами их использования на ограниченных интервалах времени и с последующей их регенерацией, если время жизни гетероструктуры окажется меньше времени актуальности исполняемой слов- или поток-инструкции.

Подавляющее число исследователей является физиками или химиками, и поэтому они идут по первому пути, который сохраняет преемственность с твердотельной субмикронной электроникой и с кремниевой компиляцией. Но в любом случае требуются надежные квантовые механизмы, обеспечивающие переход от "абстрактных" проектных к реальным физико-химическим или молекулярно-биологическим гетероструктурам. Фактически речь идет о создании "надежных" квантовых "посредников", обеспечивающих достоверную "интерпретацию" проектных инструкций в "терминах" состава и схемы соединения конкретных квантовых или супра-молекулярных гетероструктур. При этом в первом случае "время жизни" гетероструктуры должно быть "бесконечным", что разрывает во времени и пространстве процессы производства и эксплуатации, а во втором случае "время жизни" гетероструктуры может быть "малым", что совмещает во времени и пространстве процессы производства и эксплуатации.

Этим обстоятельством во многом объясняется возрождение интереса к созданию и использованию механизмов самоорганизации, к которым исследователи возвратились еще в начале 80-х годов прошлого столетия в рамках синергетических подходов при разработке проектов ЭВМ 5-го поколения [176]. В современных условиях успехи генной инженерии позволяют приступить к освоению отработанных природой молекулярно-биологических механизмов синтеза себе подобных [36], где роль "посредников" в "молекулярно-биологической интерпретации" генетического кода играют ферменты [34, 230, 231]. Основное препятствие на этом пути состоит в том, что синтез ферментов образует порочный круг с синтезом белков, так как для получения определенного фермента требуется определенный белок, а для получения определенного белка требуется определенный специфический фермент, что и составляет самостоятельную и пока не разрешенную молекулярно-биологическую проблему (см. раздел 1.3).

Использование нейрокомпьютерных технологий на квантовой или супрамолекулярной элементной базе с ограниченным "временем жизни" ставит качественно новую задачу создания развивающихся вычислительных технологий, неотъемлемой частью которых становится этап обучения, порождающий перечень необходимых слов- и/или поток-инструкций. Поэтому в развивающихся вычислительных технологиях "обучение" "материнской" нейросети должно проходить в квазиреальном масштабе времени и на фоне решения текущей задачи "дочерней" нейросетью с ограниченным "временем жизни".

Дж. фон Нейман был активным участником проекта одной из первых ЭВМ ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer - электронный цифровой интегратор и вычислитель), в рамках которого он встал перед дилеммой: надежность компонентов ограничивает сложность автомата, который можно построить, а свойство его самовоспроизводства (копирования) требует высокого уровня сложности. При этом Дж. фон Нейман, а вслед за ним несколько поколений разработчиков ЭВМ исходили из того, что первый обнаруженный отказ останавливает вычислительный процесс, так как накопление карты отказов делает процесс диагностики вековым [16].

Разрешая эту дилемму, Дж. фон Нейман разработал теорию самовоспроизводящихся автоматов, в которой он стремился дать ответы на следующие вопросы:

  1. При каких условиях некоторый класс автоматов логически универсален в том смысле, что он может выполнить все операции, опираясь только не некоторое конечное количество операций и реализующих их устройств ( логическая универсальность )?
  2. Какой класс автоматов можно сконструировать и построить с помощью надлежащим образом заданного автомата и имеющегося "сырья" ( конструируемость )?
  3. Может ли какой-либо надлежащим образом заданный автомат быть конструктивно универсальным, то есть способным сконструировать любой другой автомат ( конструктивная универсальность )?
  4. Может ли какой-либо автомат сконструировать в точности такой же автомат ( самовоспроизведение )?
  5. Может ли конструирование автоматов автоматами прогрессировать от более простых типов к более сложным (эволюция)? Может ли такая эволюция двигаться от менее эффективных автоматов к более эффективным?

На первый вопрос дал ответ Тьюринг, сформулировав правила работы универсальной машины Тьюринга. На 2-4 вопросы Дж. фон Нейман

получил утвердительные ответы, а на последний - отрицательный из-за неоднозначности в формулировке понятия "эффективный".

  1. Дж. фон Нейман рассмотрел 4 модели самовоспроизведения:
  2. Кинематическая модель, в которой рассмотрены практически все проблемы сборки гетероструктур: движение, контакт, прикрепление, расположение и разделение. Основные элементы кинематической модели: логические, запоминающие, структурные, кинематические, соединительные и разделяющие (деструктивные).
  3. Клеточная модель, в которой самовоспроизведение осуществляется в бесконечном пространстве, разбитом на однотипные клетки, представляющими собой конечный автомат, способный выполнять заданные функции с задержкой на 1 единицу времени, находиться в 29 состояниях и взаимодействовать с 4 ближайшими соседями.
  4. Модель типа "возбуждение - порог - усталость", в которой клеточная модель была модифицирована с помощью нейроподобных элементов, обладающих свойством усталости. Такие нейроподобные элементы имеют порог и заданный период рефрактерности (нечувствительности), который разбивается на 2 периода: относительной и абсолютной усталости. Без эффекта усталости нейрон возбуждается мгновенно при превышении суммарным (не взвешенным) возбуждением порога возбуждения. В период абсолютной рефрактерности нейрон вообще нечувствителен к входным воздействиям, а в период относительной рефрактерности порог его возбудимости выше первоначально установленного, но постепенно снижается.
  5. Непрерывная модель, в основу которой положена система нелинейных уравнений в частных производных, описывающих процессы типа диффузии в жидкости.

Логические проблемы, с которым столкнулся Дж. фон Нейман при создании теории самовоспроизводящихся автоматов, рассмотрены в разделе 1.3. Сейчас же важно отметить, что логические противоречия в теории самовоспроизводящихся автоматов устраняются, если конструирующий автомат сложнее конструируемого. Но в этом случае уместнее говорить не о самовоспроизводстве, а " воспроизводстве себе подобных", в котором степень подобия зависит и от процедур синтеза, и от "исходного материала", и от их "совместимости".

Строго говоря, и в простейших одноклеточных системах процесс деления с чисто формальных позиций может иметь четыре исхода:

  • обе клетки-наследницы идентичны между собой и клетке-потомку;
  • обе клетки-наследницы идентичны между собой, но не клетке-потомку;
  • обе клетки-наследницы не идентичны между собой и клетке-потомку;
  • обе клетки-наследницы не идентичны между собой, но одна из них идентична клетке-потомку.

Поэтому и в живых системах рост и размножение можно рассматривать, по крайней мере с формальных позиций, как воспроизводство себе подобных, а не тождественных особей.

И. Пригожину и Г. Николису удалось разработать и исследовать модели [33], которые описывают процессы самоорганизации в диссипативные структуры, протекающие в открытых нелинейных системах, находящихся вдали от равновесного состояния. Эти модели перекрывают задачи, которые ставил перед собой Дж. фон Нейман, но М. Эйгену удалось показать [34], что темпы эволюции живой материи явно превышают темпы образования диссипативных структур даже в идеальных условиях. Отсюда был сделан вывод, что механизмы диссипации характерны для предбио-логического этапа эволюции, который на много порядков превосходит по времени собственно биологический ее этап, которому свойственен инструктированный синтез биополимеров. Решающая роль в этом синтезе принадлежит сугубо специфическим ферментам, обеспечивающим посреднические функции по схеме "один ген - один фермент - один белок". Поэтому и в субклеточных молекулярно-биологических процессах уместно говорить о воспроизводстве себе подобных, в рамках которых более критичные к декогерентизации процессы "квантовых измерений" заменены менее критичными процессами "квантовой идентификации" на основе механизмов "узнавания" с использованием ферментов [191].

Одним из главных этапов воспроизводства в живой природе является развитие одноклеточного до взрослой особи, во время которого происходит рост и дифференцировка тканей и органов. Попытки построения теории развивающихся автоматов [17], показали, что воспроизводство себе подобных также не лишено внутренних противоречий, свойственных теории самовоспроизводящихся автоматов Дж. фон Неймана.

Трудности построения теории самовоспроизводящихся автоматов во многом связаны с неопределенностью одного из центральных понятий кибернетики - "организация" [2], под которым обычно понимают некоторую упорядоченность в системе и противопоставляют ее "хаосу", идентифицируемому как "неупорядоченность".

Таким образом, на основе приведенных данных можно утверждать:

  • воспроизводство себе подобных является альтернативой самоорганизации, и ее преимущество состоит в том, что в ее рамках можно использовать плохо формализуемые, но однозначные процедуры идентификации вместо процедур точных измерений;
  • формализация моделей самоорганизации и синтеза себе подобных рано или поздно приводит к внутреннему противоречию, разрешение которого является очередным шагом развития теории синтеза

сложных систем, которые, согласно Дж. фон Нейману, "проще сделать, чем описать".

Для глобальных технотронных комплексов последнее положение необходимо воспринимать с определенной оговоркой, связанной с тем, что возникший конфликт может быть "разрешен" гибелью, и не только комплекса, как это имеет место в эволюции, где такой способ "разрешения" конфликта приводил к гибели вида.

< Лекция 8 || Лекция 9: 123456789
Виктор Бузмаков
Виктор Бузмаков
Россия, г. Москва
Юрий Самков
Юрий Самков
Россия