Мозг экономичный
Анатолий Протопопов
Мозг экономичный
(мозг как обработчик информации)
В процессе эволюции человечество сделало
огромный шаг вперёд - от дикости к варварству. Ю. Базылев
Дисклеймер: Данная статья не претендует на научную строгость.
Выражаю признательность Ирине Вершининой, Евгению Дуднику, а также пожелавшему остаться неизвестным
"достаточно квалифицированному математику", за ряд очень полезных замечаний и наводок к вариантам статьи.
Подобен ли мозг компьютеру?
В главном - безусловно, да. Ведь мозг, как и компьютер, есть средство обработки информации. И, соответственно - инструмент для принятия решений по результатам этой обработки. Полезно, однако, уяснить, к какому типу компьютеров он ближе всего, и в каких аспектах. Почему это полезно? Ведь мы здесь не собираемся детально рассматривать устройство мозга, и выискивать в нём структуры, имеющие какие-то технические аналоги в мире компьютеров. Например, многим читателям покажется странным, что в статье почти не будет упоминаться такое понятие как "нейронные сети", однако на нашем уровне рассмотрения это оправданно. Вопрос технических аналогов тяжёл для специалистов и покрепче, да и, по большому счёту, не слишком интересен. Наша цель здесь - рассмотреть некоторые закономерности обработки информации, общие для всех "устройств" такого рода, а не технические детали.
Так почему же? А потому, что эти закономерности несколько различно проявляют себя в "обработчиках" различного типа; и пожалуй, в рамках того типа, к которому относится мозг, эти закономерности проявляются особенно ярко. Поэтому обзорный экскурс в устройство тех и других произвести всё-таки придётся.
Все рукотворные компьютеры можно отнести к двум большим царствам - цифровому и аналоговому. Вернее - большим является только царство цифровых компьютеров; это даже не царство, а целая вселенная - под "компьютером" подавляющее большинство людей понимают именно цифровой компьютер. Аналоговое же царство к настоящему времени съёжилось в махонькое провинциальное княжество, даже не всякому специалисту хорошо известное. Для полноты картины можно упомянуть и всякие экзотические типы - стохастические, голографические, и т.п., но, опять же, технические подробности - не наша цель.
В чём главное отличие этих типов? Рукотворный цифровой компьютер состоит из, в общем и среднем, таких же полупроводниковых элементов, что и электронный аналоговый - разве что работают они обычно в несколько других режимах. Тем не менее, они фундаментально различаются в главном - самом подходе к решению задач; и это отражается на общем плане их построения.
Цифровой компьютер оперирует абстрактными сущностями - числами. В привычных нам цифровых компьютерах числа задаются в одной из позиционных систем счисления; технически наиболее удобна двоичная. Узлы такого компьютера, хранящие или преобразующие эти числа, состоят из некоторого количества так называемых "разрядов" - однотипных структур, каждая из которых, хранит или обрабатывает, одну из "цифр" числа - обычно это ноль или единица. Эту структуру можно наглядно представить себе в виде разграфлённого бланка, где отдельные цифры числа могут быть записаны только в графах, но никак не между, и не за пределами их. Количество этих разрядов (граф), наряду с другими особенностями, характеризует вычислительную мощь цифровой системы - в цифровых системах обычно бывает не менее четырёх двоичных разрядов, иначе обработка информации оказывается слишком грубой. В свете нашей темы на это обстоятельство следует обратить внимание, ибо оно показывает наличие минимального порога сложности цифровой системы: оперировать только одноразрядными двоичными числами, могущими принимать только два значения ("да-нет", "чёрное-белое") смысла не слишком много. Впрочем, "чёрно-белое" мышление некоторых людей наводит на определённые параллели... Разумеется, этим сложность цифровой системы далеко не ограничивается, а пожалуй, только начинается.
Цифровые компьютеры были разработаны для решения абстрактных задач, изначально заданных в численной форме. Если же мы хотим приспособить цифровой компьютер к решению задач реагирования на события реального мира, мы должны сначала представить для него этот мир в численном виде, а уж затем что-то с этими числами делать - складывать, вычитать, интегрировать, производить прочие манипуляции, причём строго согласные с математическими законами преобразования чисел. Чисел, обратите внимание! Ну и далее преобразовывать результат этой обработки (некое итоговое число) в степень активности исполнительных узлов, такой, как например, скорость вращения электродвигателя, приводящего в действие наше устройство.
В аналологовой системе никаких чисел нет. И соответственно - нет никаких "разрядов". Есть натуральные величины - в виде силы электрического тока, давления газа или жидкости, концентрации тех или иных веществ, как-то пропорциональные чему-то в окружающем мире. "Серьёзные" аналоговые компьютеры - это довольно сложные устройства, содержащие узлы, позволяющие сравнивать, складывать, интегрировать, и производить прочие преобразования электрических токов, давлений жидкостей, и других величин, отражающих состояние реального мира. Важно, что преобразуются сами величины, а не числа, их описывающие.
Но аналоговая система обработки информации может быть и крайне простой - например, такой системой можно полагать устройство, поддерживающее постоянный уровень воды в сливном бачке унитаза (да простит меня уважаемый читатель за, возможно, не слишком импозантный образ). Информация об уровне воды, посредством датчика (поплавка) чисто механически передаётся в исполнительный клапан, являющийся одновременно устройством, задающим порог срабатывания.
Привычный же нам фон Неймановский цифровой компьютер просто обязан иметь в своём составе некий минимальный, причём, достаточно обширный, набор узлов, строго определённым образом соединённых между собой, - даже если эта задача крайне проста. Но это ещё не всё.
Практически все компьютеры, с которыми приходится сталкиваться нашему уважаемому читателю (да и не менее уважаемому автору) обладают архитектурой, предложенной Джоном фон Нейманом с соавторами в 1946 году. Такой компьютер обязательно содержит в своём составе 1) арифметическое устройство, осуществляющее различные манипуляции с числами, 2) устройство управления, обычно объединённое с арифметическим под общим названием "процессор", и управляющее ходом преобразований и 3) память для хранения чисел, над которыми производятся действия, а также для хранения программ; причём память состоит из однородных ячеек. Также, практически всегда в состав такого компьютера входят устройства, осуществляющие взаимодействие с окружающим данный компьютер миром (устройства ввода-вывода), но эти устройства не являются неотъемлемой частью архитектуры фон Неймана. Программа (описание того, как эту задачу надлежит решать; программой можно назвать, например, кулинарный рецепт) для такого компьютера должна быть составлена заранее, представлена в виде последовательности простых, и чётко-однозначных команд, и в форме условных чисел записана в его память. Сложность решаемой фон Неймановским компьютером задачи ограничена лишь объёмом его памяти, и квалификацией составителя программы её решения, но, вообще говоря, не сложностью устройства данного конкретного компьютера.
