Кибернетика - компьютеризация

Кибернетика (компьютеризация)

"Математика есть только жернов и,
засыпав плохое зерно, мы не можем
получить хорошей муки"
(Томас Гексли - англ. естествоиспытатель)

Кибернетика – наука о процессах управления в сложных динамических системах, основывающаяся на теоретическом фундаменте математики и логики (вообще на формальных языках), а также на применении вычислительной техники. Основной метод кибернетики – метод моделирования систем и процессов управления. Краеугольные камни – теория информации, теория алгоритмов и теория автоматов, изучающая способы построения систем для переработки информации.

Название «кибернетика» происходит от греческого «кюбернетес», что первоначально означало «рулевой», «кормчий», но впоследствии стало обозначать и «правитель над людьми». Примечательно, что римлянами слово «кюбернетес» было преобразовано в «губернатор». Появление кибернетики как самостоятельного научного направления относят к 1948 г. «Отцом кибернетики» по праву называют американского ученого Норберта Винера, который в труде «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» показал, что человеческий мозг действует наподобие электронных вычислительных машин (ЭВМ) с двоичной системой счисления. Он обобщил закономерности, относящиеся к системам управления различной природы – биологическим, техническим и социальным.

Рис. 1. Норберт Винер – основатель кибернетики

 

Первое упоминание о кибернетике принадлежит древнегреческому философу Платону, который в своих сочинениях в одних случаях называет кибернетикой искусство управления кораблем или колесницей, а в других – искусство править людьми. В 1834 г. французский ученый-физик А.М.Ампер назвал кибернетикой науку о текущем управлении государством (народом). Однако вскоре термин «кибернетика» был забыт до 1948 г.

Размышления о кибернетике Платона и Ампера не получили в свое время дальнейшего развития и были в сущности забыты потому, что достаточно солидная научная база для становления кибернетики создавалась лишь в течение XIX – XX веков. Технологическая же база кибернетики непосредственно связана с достижениями электроники за период последних нескольких десятилетий.

В развитых странах доля работников умственного труда, по отношению ко всем работающим, приближается уже к 50%. А производительность умственного труда, в процессе которого до недавнего времени использовались лишь самые примитивные технические средства повышения его эффективности (арифмометры, конторские счеты, логарифмические линейки, пишущие машинки), практически оставалась на зачаточном уровне. Отсюда становилось ясным, что отсутствие механизации информационных процессов тормозит дальнейшее развитие научно-технического прогресса. Указанное обстоятельство обусловило быстрое развитие кибернетики и ее технической базы – кибернетической техники.

Рис. 2. Арифмометр Лейбница в работе

Рис. 3. Арифмометр «Феликс»

Развитие кибернетики как науки было подготовлено многочисленными работами ученых в области математики, механики, автоматического управления, вычислительной техники, физиологии высшей нервной деятельности. Так, основы теории автоматического регулирования и теории устойчивости систем регулирования содержались в трудах русского математика и механика И.А.Вышнеградского (1831-1895 гг.). Общие задачи устойчивости движения, являющиеся фундаментом современной теории автоматического управления, были решены А.М.Ляпуновым (1857-1918 гг.), многочисленные труды которого сыграли огромную роль в разработке теоретических вопросов технической кибернетики. Работы по теории колебаний, выполненные коллективом ученых под руководством А.А.Андронова (1901-1952 гг.) послужили основой для решения впоследствии ряда нелинейных задач теории автоматического регулирования. Труды И.П.Павлова (1849-1936 гг.) стали основой и отправным пунктом для ряда исследований в области кибернетики, и биологической кибернетики в частности.

Материальной базой реализации управления с использованием методов кибернетики является электронно-вычислительная техника. При этом «кибернетическая эра» вычислительной техники характеризуется появлением машин с «внутренним программированием» и «памятью», т.е. таких машин, которые могут работать автономно без участия человека, после того как человек разработал и ввел в их память программу сколь угодно сложной задачи.

К наиболее ранним и близким прообразам современных цифровых электронно-вычислительных машин (ЭВМ) относится «аналитическая машина» английского математика Чарльза Беббиджа (1792-1871 гг.). Его машина содержала арифметическое устройство («мельницу») и память для хранения чисел («склад»), т.е. основные элементы современных ЭВМ. В 1936 г. автомат английского математика Алана Тьюринга (1912-1954 гг.) с бесконечной памятью получил широкую известность как «машина Тьюринга». После второй мировой войны Тьюринг разработал первую английскую ЭВМ, занимался вопросами программирования и обучения машин.

Рис. 4. Машина Чарльза Беббиджа

Рис. 5. Машина Тьюринга

Исключительное значение для развития кибернетики имели работы американского ученого (венгра по национальности) Д. фон Неймана, который в средине 40-х годов XX в. разработал первую цифровую ЭВМ в США. Он также создатель новой математической науки – теории игр, непосредственно связанной с теоретической кибернетикой. Им разработаны пути построения сколь угодно надежных систем из ненадежных элементов и доказана теорема о способности достаточно сложных автоматов к самовоспроизведению и к синтезу более сложных автоматов.

Важнейшие для кибернетики проблемы измерения количества информации разработаны американским инженером и математиком Клодом Шенноном, опубликовавшим в 1948 г. классический труд «Теория передачи электрических сигналов при наличии помех», в котором заложены основные идеи существенного раздела кибернетики – теории информации. Ряд идей, нашедших отражение в кибернетике, связан с именем советского математика А.Н.Колмогорова. Первые в мире работы в области линейного программирования (1939 г.) принадлежат академику Л.В.Канторовичу.

Первая ЭВМ создавалась в 1943 - 1946 гг. в США и называлась она ЭНИАК. Эта машина содержала около 18 тысяч электронных ламп, множество электромеханических реле, причем ежемесячно выходило из строя около 2 тысяч ламп. ЦУ машины ЭНИАК, а также у других первых ЭВМ, был серьезный недостаток - исполняемая программа хранилась не в памяти машины, а набиралась сложным образом с помощью внешних перемычек и громадное потребление электроэнергии.

Принципиальным отличием первого поколения малых ЭВМ от современных «персоналок» является фиксированная конфигурация аппаратных средств. Управление внешними устройствами было централизованным и подключить какое-либо новое оборудование было невозможно. Неудобство такого подхода очевидно, и в более поздних разработках этот недостаток был устранен. Память на магнитном барабане также не допускала расширения.

ЭВМ постоянно совершенствовались, благодаря чему к середине 50 - х годов их быстродействие удалось повысить от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч операций в секунду. Однако при этом электронная лампа оставалась самым надежным элементом ЭВМ. Использование ламп стало тормозить дальнейший прогресс вычислительной техники. ЭВМ первого поколения размещались в больших машинных залах, потребляли много электроэнергии и требовали охлаждения с помощью мощных вентилятогров. Программы для этих ЭВМ нужно было составлять в машинных кодах, и этим могли заниматься только специалисты, знающие в деталях устройство ЭВМ. Благодаря применению более совершенной элементной базы начали создаваться относительно небольшие ЭВМ, Произошло естественное разделение вычислительных машин на большие, средние и малые.

Появление в 1948 году работы Н.Винера было представлено на Западе как сенсация. О кибернетике, вопреки мнению самого Винера, писали как о новой универсальной науке, якобы способной заменить философию, объясняющую процессы развития в природе и обществе. Все это наряду с недостаточной осведомленностью отечественных философов с первоисточниками из области кибернетики привело к необоснованному отрицанию ее в нашей стране как самостоятельной науки. В СССР в 1950-е гг. кибернетика рассматривалась как «буржуазная лженаука», ее сторонники преследовались. Тем не менее, созданная в 1956 г. новая ЭВМ БЭСМ стала лучшей в Европе. Производительность БЭСМ - 6 была на два - три порядка выше, чем у малых и средних ЭВМ, и составляла более 1 млн. операций в секунду. За рубежем наиболее распространенными машинами второго поколения были «Эллиот» (Англия), «Сименс» (ФРГ), «Стретч» (США). Созданный в Швейцарии Международный центр ядерных исследований пользовался для расчетов машинами БЭСМ. Во время советско-американского космического полета «Союз-Аполлон» советская сторона, пользующаяся БЭСМ-6, получала обработанные результаты телеметрической информации за минуту - на полчаса раньше, чем американская сторона.

В средине 50-х годов отношение к кибернетике в СССР изменилось, а в 1960-е и 1970-е гг. произошел кардинальный поворот – кибернетика была не только реабилитирована, но зачастую с ней связывались довольно нереалистичные ожидания. Интенсивное развитие кибернетики в нашей стране связано с деятельностью таких крупных ученых, как академик А.И.Берг (1893-1979 гг.) – ученый, организатор и бессменный руководитель Научного совета по кибернетике АН СССР; академик В.М.Глушков (1923-1982 гг.) – математик и автор ряда работ по кибернетике; академик В.А.Котельников, академик С.А.Лебедев (1902-1974 гг.), под руководством которого создан ряд быстродействующих ЭВМ, член-корреспондент АН СССР А.А.Ляпунов (1911-1973 гг.) и ряд др. ученых.

В 1958 году была запущена в серию машина М-20, которая стала самой быстродействующей ЭВМ в мире, а также М-40 и М-50, ставшие «кибернетическим мозгом» советской противоракетной системы, созданной под руководством В.Г. Кисунько и сбившей в 1961 году реальную ракету - американцы смогли повторить это только через 23 года.

Очередная смена поколений ЭВМ произошла в конце 60 - х годов при замене полупроводниковых приборов в устройствах ЭВМ на интегральлые схемы. Применение интегральных схем позволило увеличить количество электронных элементов в ЭВМ без увеличения их реальных размеров. Быстродействие ЭВМ возросло до 10 миллионов операций в секунду. Кроме того, составлять программы для ЭВМ стало по силам простым пользователям, а не только специалистам - электронщикам. Наряду с цифровыми вычислительными машинами, в то время существовали и аналоговые ЭВМ, которые не получили такого развития как первые.

Развитие цифровых вычислительных машин, которые со временем стали называть компьютерами неразрывно связано с разработкой программного обеспечения. Первые ЭВМ и компьютеры создавались исключительно для вычислений (что отражено в названиях «ЭВМ» и «компьютер»). Даже самые примитивные компьютеры в этой области во много раз превосходят людей. Не случайно первым высокоуровневым языком программирования был Фортран, предназначенный исключительно для выполнения математических расчётов.

Вторым крупным применением были базы данных. Прежде всего, они были нужны правительствам и банкам. Базы данных требуют уже более сложных компьютеров с развитыми системами ввода-вывода и хранения информации. Для этих целей был разработан язык Кобол. Позже появились СУБД со своими собственными языками программирования.

Катастрофой для нашей страны стало принятое в 1967 году решение руководства СССР перейти на «обезьянью политику» - копировать американскую вычислительную технику, запустить в производство машины IBM-360 под названием Единая Система «Ряд».

«А мы сделаем что-нибудь из «Ряда» вон выходящее!» - горько шутил С.А. Лебедев. И как он ни боролся за самобытный, лучший путь развития нашей вычислительной техники, то самое низкопоклонство перед Западом, с которым упорно боролся Сталин, одержало верх.

Рис. 6. БЭСМ-6 – лучшая в мире

Рис. 7. Первая мини-ЭВМ

В процессе совершенствования микросхем увеличивалась их надежность и плотность размещенных в них элементов. Это привело к появлению больших интегральных схем (БИС). На основе БИС были разработаны ЭВМ четвертого поколения. Благодаря БИС на одном крошечном кристале кремния стало возвожным разместить такую большую электронную схему, как процессор ЭВМ. Однокристальные процессоры впоследствии стали называться микропроцессорами. Первый микропроцессор был созда компанией Intel(США) в 1971 г. Это был 4-х разрядный микропроцессорIntel 4004, который содержал 2250 транзисторов, имел тактовую частоту 108 кГц и выполнял 60 тыс. операций в секунду

Микропроцессоры положили начало мини - ЭВМ, а затем и персональным компьютерам, то есть ЭВМ, ориентированным на одного пользователя. В СССР выпуск семейства малых ЭВМ международной системы СМ ЭВМ начат с 1970 г. Микропроцессоры положили начало эпохи персональных компьютеров (ПК). Появление ПК было подготовлено всей предшествующей историей развития ЭВМ. Первой ласточкой стал компьютер KENBAK-1, сконструированный Джоном Бланкейнбейкером в 1971 г. Внешне он напоминал скорее автомобильный радиоприемник с индикаторными лампочками и переключателями, чем привычный нашему глазу персональный компьютер.

С 1971 г. по 1974 г. различными фирмами создавались разные модели ПК. Однако ввиду ограниченных возможностей этих компьютеров интерес к ним был невелик. По - настоящему пользователи и производители заинтересовались персональными компьютерами в 1974 г., когда американская фирма MITS на основе микропроцессора Intel 8080 разработала компьютерAltair. Этот персональный компьютер был значительно удобнее своих предшественников и обладал более широкими возможностями. Более совершенная модель персонального компьютераApple была разработана в 1976 г. двумя молодыми американцами Стивом Возняком и Стивом Джобсом. В следующем году они выпустили модель Apple II, которая имела материнскую плату, дисплей, клавиатуру и внешне напоминала собой телевизор.

Первые ПК были 8 - разрядными и больше походили на дорогую игрушку, чем на серьезную ЭВМ. Так продолжалось до тех пор, пока в отрасли индивидуальных компьтеров не появился компьютерный гигант - фирма IBM, которая специализировалась на изготовлении больших ЭВМ. В 1982 г. фирма IBM выпустила 16 - разрядный компьютер. Он был построен на основе микропроцессора Intel 8088, работал с тактовой частотой 4.77 МГц и использовал операционную систему MS - DOS. Называлась эта модель компьютера как IBM PC или просто PC. Далее развитие ПК происходило очень высокими темпами: фирма IBM каждый год создавала по новой модели. В 1983 г. появилась модель PC XT, а в 1984 - более совершенный и производительный компьютер PC AT. Они быстро завоевывали рынок ПК и стали своего рода стандартами, которые старались подражать фирмы - конкуренты.

Наряду с компанией IBM, в производстве вычислительной техники и ее составляющих занято множество компаний. Однако несмотря на то, что в различных разработках встречаются свои особенности, все-таки в процессе развития систем определенного класса сохраняется совокупность их основных (базовых) функций. Применительно к вычислительной технике можно утверждать: каждое новое поколение сохраняет (воспроизводит) совокупность основных функций, реализуемых ЭВМ и компьютерами предшествующего поколения. Какие это функции? PMTC – Processing (обработка), Memory (хранение), Transfer (передача), Control (управление). Все это сохраняется на протяжении всех поколений вычислительных систем. Поэтому с целью совместимости разработок различных производителей сетевого оборудования и программного обеспечения в 1982 году была принята эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС - OSI - Open Systems Interconnection Basic Reference Model).

История развития компьютерных средств,подтверждает один интересный факт: с совершенствованием технологий многие аппаратные решения заменяются на их программные эмуляторы. Примеров довольно много. Например, в первых ЭВМ аппаратно реализовался алгоритмический язык программирования, вскоре эта функция стала программной. Или другая ситуация с так называемой «оконной» технологией. Первым коммерческим «оконным» продуктом был Xerox 8010 (в 1981 году печально известный под именем Star). Затем появились Apple LISA (1983 год) и Macintosh (1984 год). Вслед за этим произошла принципиальная перемена. Следующим продуктом, реализующим «оконную» технологию, стал Topview фирмы IBM (1984), за ним последовали Windows от Microsoft (1985) и позднее – X Windows System (1987) для UNIX. Эти продукты уже представляли программные реализации системы, которые обеспечивали доступность «оконной» технологии на обычных машинах, не оснащенных специальной аппаратурой.

С первым поколением вычислительной техники сформировались два основных направления в архитектуре цифровых вычислительных машин — мэйнфреймы (mainframes) и мини-ЭВМ. Последние, наряду с традиционными вычислениями, стали использоваться для управления всевозможными устройствами. Здесь развитие шло от узкоспециализированных устройств (часто аналоговых) к постепенному внедрению стандартных компьютерных систем, на которых запускались управляющие программы. Кроме того, всё большая часть техники начинает включать в себя встроенный управляющий компьютер.

Наконец, компьютеры развились настолько, что стали главным информационным инструментом как в офисе, так и дома. Возникла потребность объединения компьютеров в информационные сети. Теперь почти любая работа с информацией зачастую осуществляется через компьютер — будь то набор текста или просмотр фильмов. Это относится и к хранению информации, и к её пересылке по каналам связи. Основное применение современных домашних компьютеров — навигация в Интернете и игры.

Рис. 8. Настольный персональный компьютер

Рис. 9. Переносной компьютер

Кроме персональных компьютеров, существуют и другие, значительно более мощные компьтерные системы. Начиная с середины 90-х гг., в мощных компьютерах начинают применяться БИС супермасштаба, их характерной чертой должно стать использование искусственного интеллекта и естественных языков общения. Современные суперкомпьютеры используются для моделирования сложных физических и биологических процессов. Например, для моделирования ядерных реакций или климатических изменений. Некоторые проекты проводятся при помощи распределённых вычислений, когда большое число относительно слабых компьютеров одновременно работает над небольшими частями общей задачи, формируя таким образом очень мощный компьютер.

Таким образом, теоретическая кибернетика, подобно математике, является по существу абстрактной наукой. Наиболее весомыми теориями, объединяемыми кибернетикой, можно назвать следующие: теория связи/сигналов, теория информации, теория систем, теория управления, теория автоматов, теория принятия решений, синергетика и др. Прикладную кибернетику, в зависимости от типа систем управления подразделяют на техническую, биологическую и социальную кибернетику.

Техническая кибернетика – наука об управлении техническими системами, но ее часто и, пожалуй, неправомерно отождествляют с современной теорией автоматического регулирования и управления. Огромное значение в технической кибернетике по праву принадлежит вычислительным процессам, компьютеризации и программированию. Кибернетика охватывает все науки, но не полностью, а лишь в той их части, которая относится к сфере процессов управления, связанных с этими науками и соответственно с изучаемыми ими системами.

Современный уровень развития радиоэлектроники позволяет ставить и разрешать задачи создания новых устройств, которые освободили бы человека от необходимости следить за производственным процессом и управлять им. Вычислительная техника используется не только для управления технологическими процессами и решения многочисленных трудоемких научно-теоретических и конструкторских вычислительных задач, но и в сфере управления народным хозяйством, экономики и планирования.

В заключение следует отметить, что эволюция вычислительных систем пока еще не достигла своего апогея. То, что мы имеем сейчас, только начало. Если предположить, что 21-й век станет веком информационных технологий, то 20-й являлся всего лишь предпосылкой к их появлению. Однако не будем конкретизировать по поводу того, что они смогут дать людям. Ведь недаром на дверях компании Intel написано: "It is a way to..." Вместо многоточия каждый может поставить то, что ему больше нравится, что он видит. Путь именно "в...", а вовсе не к бескрайним просторам интернета. Главное только, чтоб этот путь не привел человечество к плачевным последствиям…