Методические материалы, статьи

Можно ли скрестить транзисторы?

«Пошли», — зычным голосом командует испытатель в микрофон. Осциллограф перед ним отзывается прямой зеленой линией на верху экрана. «Стоп» — и линия мгновенно падает вниз. Никаких чудес тут нет: между микрофоном и осциллографом расположена несложная электрическая сеть, способная различать два этих слова, она выдает 5 вольт на «пошли» и отключает их на «стоп».

Не было бы ничего странного в подобном умении микросхемы, но наш случай — необычный: исследователь Адриан Томпсон не знает, как работает его устройство. Он не может спросить об этом у конструктора, поскольку никакого конструктора не было. Эта электронная схема возникла из «первичного супа» силиконовых деталей в результате естественного отбора.

Томпсон старается сконструировать обычные работающие электрические схемы, но из гораздо меньшего числа деталей (раз в десять), чем это делают конструкторы. Его эксперименты начались всего четыре года назад (и пока принесли ему только степень доктора философии), но уже привлекли к себе большое внимание представителей самых разных областей — изготовителей микросхем, конструкторов спутников и роботов. Все они заинтересованы в миниатюризации своих приборов. Кроме этого, эксперименты Томпсона ставят своей целью понять, может ли идти технологическая эволюция без участия человека.

Компьютерные эксперты всегда обращались к биологии за вдохновением. Упрощенную модель мозга они взяли за образец для нейронных сетей, которые оказались весьма перспективным направлением при распознании образцов подписи на кредитных карточках и отпечатков пальцев. Они также выработали способы для скрещивания и сопряжения программ с их последующей конкуренцией, чтобы создавать наиболее подходящее математическое обеспечение для решения конкретной задачи. Подобные «генетические алгоритмы» используются для разработки программ, которые умеют делать очень многое — от создания произведений искусства до выбора оптимальной стратегии на рынке акций.

Все компьютеры основаны на комбинации последовательностей нулей и единиц, а состоят они из транзисторов, работающих просто ключами с двумя положениями. При этом все забывают, что между «1» и «0» транзистор проходит непрерывную вереницу значений. Да и программисты замкнуты на цифровой природе компьютеров: программа — это последовательность логических инструкций все для тех же нулей и единиц. А Томпсон решил убрать все ограничения и попытаться применить законы эволюции непосредственно к электронным чипам. Будет ли эволюция в мире силикона идти тем же путем, что и в органическом мире? Наиболее подходящими объектами для подобного эксперимента оказались «программируемые массивы переключателей» (FРGА — field-рrogrammable gate array).

Транзисторы в обычном микропроцессоре соединены в логические цепи, выполняющие математические операции. В случае FРGА взаимосвязи между элементами могут изменяться по желанию. В них загружается специальная программа, которая организует схему связей. Изменяя программу, можно получить совершенно другой чип — от усилителя до модема. Именно в такой схеме Томпсон решил применить генетический алгоритм и посмотреть, что за схемы получатся. При этом он поставил задачу, в принципе невыполнимую для конструктора-человека: всего из сотни логических элементов создать схему, способную различать частоту в один и десять килогерц.

Томпсон создал 50 программ, состоящих из последовательности нулей и единиц, и вводил их в компьютер. После этого он проверял, как образовавшаяся электрическая схема разделяет разные частоты. В первом поколении самым лучшим результатом стал устойчивый сигнал 5 вольт независимо от того, что было подано на вход. После проверки и выбора «лучших представителей» Томпсон «скрещивал» программы и проводил в них «мутации». Скрещивание — это просто соединение половины одной программы с половиной другой. Мутация — это перестановка одной из пар «0» и «1» местами. После этих «эволюционных» шагов процесс повторялся.

В поколении 220 лучший образец выдавал на выходе сигналы, аналогичные тем, что подавались на вход — волны в 1 и 10 килогерц, — до желаемого результата явно было далеко. К поколению 650 входной сигнал частотой в 1 килогерц давал почти то, что нужно, — высокий уровень на выходе, а 10 килогерц проходил до выхода без изменения. После 1400 поколений выходной сигнал был, как правило, выше для одного входа, чем для другого. В поколении 2800 два сигнала уверенно различались, но выходные имели некоторые неровности и лишь в 4100 все уже было идеально. После того как удалось получить схему, различающую две частоты, нет никаких преград на пути к различению слов «пошли» и «стоп».

Одним из очень важных элементов традиционного компьютера всегда служат внутренние часы, которые задают единый ритм всему происходящему. А схема Томпсона совершала все свои эволюции и последующие действия безо всяких часов. Как же шел этот необычный процесс?

Исследуя конечную схему, Томпсон обнаружил, что входной сигнал многократно путешествует по сложной схеме колец обратной связи. Он предположил, что, может быть, в этих кольцах создается задержанный сигнал, чтобы потом его сравнивать с другим. «Но, честно говоря, у меня нет ни малейшего представления, как он работает на самом деле», — признается Томпсон. Нет сомнения лишь в том, что FРGА работают аналоговым образом: вплоть до самых последних поколений на выход выдавался сигнал, аналогичный входу, а не сочетание нулей и единиц.

Томпсон пришел и еще к нескольким неожиданным выводам: из ста ячеек в его схеме лишь тридцать две работали активно, а остальные можно было безболезненно заменять обычным проводом. Было пять и вовсе странных ячеек: не было никакого прямого пути их соединения с выходом, но при их отключении схема переставала работать. Впечатление такое, что эволюция использовала некоторые физические параметры ячеек — емкость или индуктивность, чтобы влиять на проходящий неподалеку сигнал.

После первого успеха Томпсон решил добиваться температурной стабильности своих схем, поскольку в зависимости от температуры физические свойства ячеек могут существенно меняться, а часов, задающих ритм работы, у него не было. Пока его схемы работали лишь при температуре выше 10 градусов, а традиционные компьютеры способны выдержать гораздо более широкий диапазон температур — от минус 20 до плюс 80.

Схемы Томпсона выполняют лишь простейшие операции, решают самые элементарные проблемы. Если они будут продвигаться по пути усложнения, ими заинтересуются самые широкие круги общественности. Пока интерес проявили «Моторолла» и «Бритиштелеком».

Кроме того, идеи Томпсона подхватили и развивают Юлиан Миллер и Петер Томсон из шотландского города Эдинбурга. Они применяют их к более обширному списку ячеек и соединений. «Меня пугает то, что у наших устройств нет никаких чертежей, мы не понимаем, как они работают, — подчеркивает Томсон. — Обычные инженеры просто не будут верить таким устройствам». Подобная ситуация может стать недопустимой в сфере медицины.

Однако Пьер Маршалл из швейцарского Центра электроники и микротехнологии считает, что опасения могут возникнуть лишь у дилетантов. По его мнению, и у традиционных микропроцессоров проверяется далеко не все — вот почему ошибка в процессоре «Пентиум» фирмы «Интел» была найдена лишь через год после его выпуска в массовое производство. А повысить веру в новые устройства можно будет их многократными проверками. Прелесть новых приборов в том, что, найдя какую-либо проблему в их функционировании, можно провести следующий цикл эволюции до тех пор, пока она не будет решена. «Вы сможете адаптировать их так же, как иммунная система приспосабливается к новым заболеваниям», — считает Маршалл.

Появляется реальная возможность возникновения мира устройств, не контролируемых человеком и работающих по своим законам и принципам. Многих это пугает, но не надо забывать, что человечество создало тысячи и тысячи отвратительных ядерных зарядов, способных уничтожить все живое, — это ведь гораздо страшнее. К тому же, может быть, наблюдение за механической эволюцией поможет лучше понять эволюцию биологическую.

Александр Семенов



См. также:
Игра с живым дилером
Выбираем геймплей по шансам
Повышение квалификации специалиста по закупкам
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
Выбирайте и покупайте лучшую комплектацию Джипа Ренегат у самарского дилера Jeep - http://jeep-echoauto.ru/renegade_2015/models.php.
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное
ландшафтный дизайн участка При разбивке современного малого сада при коттедже вся территория участка делится на три части:небольшой (малый) садик перед коттеджем за входной калиткой; внутренний сад, занимающий значительную территорию усадьбы, отделенный от дома оградой или зелеными насаждениями, и имеющийся иногда так называемый кухонный садик. Одной из наиболее характерных особенностей ландшафтного дизайна является широкое применение символики и условностей. Садовники создают текущие реки там, где нет...

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005