Текст книги "Насосы интуиции и другие инструменты мышления"

секрет 6. Все усовершенствования компьютеров с момента изобретения воображаемой машины Тьюринга, движущейся по бумажной ленте, просто ускоряют их работу.

К примеру, Джон фон Нейман создал архитектуру для первого серьезного работающего компьютера, и чтобы ускорить его работу, он расширил окно головки записи-чтения машины Тьюринга, чтобы она читала зараз не один бит, а много. Многие ранние компьютеры читают 8-битные, 12-битные и даже 16-битные “слова”. Сегодня часто используются 32-битные слова. Это все еще узкое место – узкое место фон Неймана, – но оно в 32 раза шире узкого места машины Тьюринга! Прибегнув к некоторому упрощению, можно сказать, что слова по очереди копируются – COPY – из памяти в особый регистр (регистр инструкции), где эта инструкция читается – READ – и исполняется. Как правило, слово состоит из двух частей, кода операции (например, ADD, MULTIPLY, MOVE, COMPARE, JUMP-IF-ZERO) и адреса, который говорит компьютеру, к какому регистру обращаться за содержимым для проведения операции. Таким образом, 10101110 11101010101 может говорить компьютеру выполнять операцию 10101110 на содержимом регистра 11101010101, всегда помещая ответ в специальный регистр, называемый аккумулятором. Существенное различие между регистровой машиной и машиной фон Неймана заключается в том, что регистровая машина может осуществлять операции на любом регистре (само собой, только операции Инк и Деп), а машина фон Неймана выполняет всю арифметическую работу в аккумуляторе и просто копирует и перемещает – COPY и MOVE – содержимое в регистры памяти (или накапливает его – STORE – в этих регистрах). Все эти дополнительные перемещения и копирования окупаются возможностью осуществлять большое количество аппаратно-реализованных базовых операций. Иначе говоря, существует одна электронная схема для операции ADD, другая – для операции SUBTRACT, третья – для операции JUMP-IF-ZERO и так далее. Код операции напоминает код города в телефонной системе или индекс в почтовом адресе: он отправляет то, над чем работает, в верное место для исполнения. Так программное обеспечение встречается с аппаратным.

Сколько примитивных операций содержится сегодня в настоящих компьютерах? Сотни и даже тысячи. Кроме того, как в старые добрые времена, компьютер может быть наделен сокращенным набором команд (работать на архитектуре RISC): такой компьютер умеет выполнять лишь несколько десятков примитивных операций, но при этом работает молниеносно. (Если инструкции Инк и Деп можно исполнять в миллион раз быстрее, чем аппаратно-реализованную операцию ADD, будет целесообразно составить программу ADD, используя Инк и Деп, как мы делали ранее, и для всех операций сложения, предполагающих менее миллиона шагов, мы останемся в выигрыше.)

Сколько регистров содержится сегодня в настоящих компьютерах? Миллионы и даже миллиарды (но все они конечны, так что огромные числа должны распределяться по большому числу регистров). Байт состоит из 8 бит. Имея на своем компьютере 64 мегабайта RAM (оперативной памяти), вы имеете шестнадцать миллионов 32-битных регистров – или их эквивалент. Мы знаем, что содержимое регистров может обозначать не только положительные целые числа. Действительные числа (например, π, √2 или ⅓) хранятся в форме чисел “с плавающей запятой”. Эта форма представления разбивает число на две части, мантиссу и порядок, как в экспоненциальной записи (“1,495 × 10^41”), что позволяет компьютеру производить арифметические действия, чтобы работать с числами (в приближенном представлении), которые натуральными не являются. Операции с плавающей запятой – это обычные арифметические операции (в частности, умножение и деление) над числами с плавающей запятой, и самый быстрый суперкомпьютер, который можно было купить двадцать лет назад (когда я написал первую версию этой главы), имел производительность более 4 мегафлопс (от англ. floating point operations per second), то есть мог выполнять более 4 миллионов операций с плавающей запятой в секунду.

Если вам этого мало, можно параллельно подключить друг к другу большое количество таких машин, чтобы все они работали одновременно, а не последовательно, не ожидая в очереди результатов для их последующей обработки. Функционал параллельного компьютера не отличается от функционала последовательного компьютера, но работает он быстрее. Фактически большинство параллельных машин, изучавшихся в последние двадцать лет, было виртуальными машинами, смоделированными на стандартных (непараллельных) машинах фон Неймана. Было разработано параллельное аппаратное обеспечение особого назначения, а конструкторы вычислительных машин изучают стоимость и перспективы расширения узкого места фон Неймана и ускорения проходящего сквозь него трафика всевозможными способами – с использованием сопроцессоров, кэш-памяти и различных других подходов. Сегодня японский компьютер Fujitsu K имеет производительность 10,51 петафлопс, то есть более десяти тысяч триллионов операций с плавающей запятой в секунду.

Возможно, этого почти достаточно, чтобы смоделировать вычислительную активность вашего мозга в реальном времени. Ваш мозг – образцовый параллельный процессор, имеющий около сотни миллиардов нейронов, каждый из которых представляет собой сложного маленького агента, имеющего конкретную задачу. Полоса пропускания зрительного “нерва”, по которому визуальная информация передается из глаза в мозг, составляет несколько миллионов каналов (нейронов). Но нейроны работают гораздо медленнее компьютерных микросхем. Нейрон может изменить состояние и отправить сигнал (фактически свою вариацию инструкции Инк или Деп) за несколько миллисекунд – тысячных, а не миллионных и не миллиардных долей секунды. Компьютеры перемещают биты со скоростью, близкой к скорости света, поэтому чем меньше компьютер, тем быстрее он работает: свет преодолевает 30 см примерно за одну миллиардную долю секунды, поэтому если вы хотите, чтобы два процесса коммуницировали быстрее, они должны проистекать ближе друг к другу.

секрет 7. Больше секретов нет!

Вероятно, самое удивительное свойство компьютеров заключается в том, что они составляются – простыми шагами – из элементов (операций), которые также предельно просты, а потому им просто негде хранить секреты. В них нет ни эктоплазмы, ни “морфических резонансов”, ни невидимых силовых полей, ни неизвестных прежде законов физики, ни чудо-ткани. Вы знаете, что если вы сумели написать компьютерную программу, которая моделирует какой-либо феномен, то эта модель не задействует ничего, кроме различных конфигураций арифметических операций.

Что насчет квантовых компьютеров, которые сейчас на пике популярности? Разве квантовые компьютеры умеют что-то такое, что не умеют обычные? И да и нет. Они умеют одновременно решать множество задач и вычислять множество значений, благодаря “квантовой суперпозиции”, причудливому и необычному свойству, которое гласит, что ненаблюдаемая сущность может одновременно пребывать во “всех возможных” состояниях, пока наблюдение не приведет к “коллапсу волновой функции”. (Подробнее об этом почитайте в своей любимой научно-популярной книге по физике или на познавательном сайте.) По сути, квантовый компьютер не что иное, как последняя и весьма впечатляющая инновация – можно сказать, квантовый скачок – в скорости обработки данных. Машина Тьюринга, движущаяся по бумажной ленте, и регистровая машина, неутомимо инкрементирующая и декрементирующая отдельные регистры, крайне ограничены в том, что они могут сделать за короткое время – минуты, часы или дни. Суперкомпьютер вроде Fujitsu K может делать все то же самое в триллионы раз быстрее, но для решения некоторых задач, особенно из области криптографии, этой скорости все равно недостаточно. Именно в этой сфере может пригодиться сверхбыстрый квантовый компьютер – если, конечно, люди сумеют решить невероятно сложные инженерные проблемы, возникающие при попытке создания стабильного и практичного квантового компьютера. Возможно, создать его так и не удастся, и тогда нам придется довольствоваться какими-то квадриллионами флопс.

25. Виртуальные машины

Реальные машины состоят из материальных подвижных частей и, как правило, называются в соответствии с задачами, для выполнения которых они сконструированы. Дизайн газонокосилок, открывашек и кофемолок бывает разным. Порой в основе их работы даже лежат разные физические принципы, но кое-что остается неизменным: машины, которые называются одинаково, выполняют более или менее одинаковую работу. Возможно, некоторые из них выполняют ее лучше других, но все зависит от предпочтений пользователя. Домовладелец может выбрать медленную газонокосилку, которая работает тише; владелец кафе может выбрать кофемолку, которая имеет больше степеней помола, пускай пользоваться ею и сложнее. Некоторые машины универсальны: надев другую насадку, можно превратить дрель в пилу или шлифовальную машинку. Компьютеры тоже универсальны, но могут делать не десяток, а целую тучу разных вещей. Вместо того чтобы надевать для выполнения каждой задачи новую насадку, вы открываете новую программу – очень длинную последовательность нулей и единиц, – которая ставит все необходимые внутренние переключатели в нужное положение, чтобы выполнить задачу. Каждая схема настройки – это уникальная машина, уникальная виртуальная машина, машина “из инструкций”, а не из подшипников, шестеренок, блоков и проводов. В компьютерах инструкции могут заменять блоки и шестеренки, потому что вместо хлебного теста, целлюлозы и стальных болванок компьютеры обрабатывают информацию, а информацию всегда можно перевести в двоичный код, состоящий из нулей и единиц, единственный код, который компьютер может – и имеет необходимость – “читать”. Микросхемы на кремниевых подложках манипулируют триллионами этих нулей и единиц, временно открывая и закрывая шлюзы, переводя потоки информации к той или иной микросхеме и таким образом контролируя, что с ней происходит. Миллионы крошечных элементов аппаратного обеспечения, которые могут принимать одно из двух состояний – 0 или 1, – это единственные “подвижные части” машины, и от настроек тысяч или миллионов этих крошечных элементов зависит то, какой именно машиной является компьютер в конкретный момент времени.

Виртуальной называется машина, которая возникает, когда определенный набор инструкций (а точнее, диспозиций) применяется к реальной машине, обладающей высокой пластичностью, то есть машине, взаимодействующие элементы которой могут пребывать в большом количестве разных состояний. Поскольку виртуальная машина работает с информацией, она может выполнять ту же задачу, что и компьютер, в котором роль “подвижных частей” играют изменения состояния аппаратного обеспечения, производя все эти изменения в представлениях этих подвижных частей. Вы можете выполнять деление столбиком, записывая процесс карандашом на бумаге, но деление столбиком дается вам особенно хорошо, так что вы можете производить его “в уме”, просто представляя – или воображая – цифры на листе или классной доске. Поскольку речь идет об информации, результат всегда один: вы получаете ответ. Напротив, если вы представите себе бутерброд с ветчиной, почувствовав голод, настоящего бутерброда это не заменит. Компьютеры так хорошо справляются с информационной работой “в уме” (представляя машину, которая выполняет работу), что практически невозможно сказать, с какой машиной вы при этом имеете дело – с “особой”, “аппаратно-реализованной”, ориентированной на выполнение конкретной задачи по обработке информации машиной или же с виртуальной машиной, работающей на многоцелевой микросхеме. К примеру, подавляющее большинство крошечных, дешевых компьютерных микросхем, которые используются сегодня в лифтах, кондиционерах, машинах, холодильниках и пультах дистанционного управления, на самом деле представляют собой многоцелевые компьютеры, способные выполнять вариации всех программ, установленных на вашем ноутбуке, но обреченных всю жизнь выполнять единственную относительно простую программу (программу регулировки зажигания, цикла разморозки и т. д.), “вшитую” в ПЗУ, и эта программа ограничивает все их выдающиеся способности одним-двумя трюками. Это дешевле изготовления микросхем специального назначения, разработанных для выполнения только этих простых задач.

Концепция виртуальной машины – один из лучших стимуляторов воображения, которые пришли к нам из компьютерной науки. Она успела доказать свою состоятельность в сфере информатики, и теперь ее пора применять в других сферах. Я использую этот термин в более широком смысле (и в свое время я объясню почему), поэтому не лишним будет узнать, каково его изначальное – как скажут некоторые, истинное – значение. Термин предложили специалисты по теории вычислительных систем Джеральд Попек и Роберт Голдберг (1974). Изначально он означал “эффективный, изолированный дубликат реальной машины” – дубликат, состоящий из… инструкций. Реальная машина – назовем ее А – это настоящий аппарат, сконструированный из кремниевых чипов, проводов и тому подобного, а виртуальная машина – это компьютерная программа (выполняющаяся на другой реальной машине, машине Б), которая полностью имитирует аппаратное обеспечение машины А: она может работать немного медленнее, потому что ей приходится составлять все базовые операции машины А из базовых операций, доступных на ее собственном аппаратном обеспечении, машине Б, но при этом выполняет те же самые программы. Программа, написанная для выполнения на аппаратном обеспечении А, должна без проблем выполняться и на аппаратном обеспечении Б, если на аппаратном обеспечении Б работает виртуальная машина, имитирующая машину А.

Этот фокус удивительно полезен – и не только из-за явной экономии, которую он предполагает: скажем, у вас нет компьютера на Mac OS, но есть дорогое программное обеспечение, работающее только на Mac OS. В таком случае вы можете написать виртуальную машину (ВМ), имитирующую Mac OS на вашем компьютере на Windows, и тогда программы для Mac OS будут работать на вашем компьютере при запущенной ВМ Mac OS. Ваш компьютер на Windows будет “притворяться” компьютером на Mac OS, но программы ничего не поймут! Представьте человека, который сломал руку. Ему наложили гипс, который сильно ограничивает подвижность руки, а его вес и форма также требуют корректировки остальных движений тела. Теперь представьте мима (скажем, Марселя Марсо), который изображает человека с загипсованной рукой. Если мим хорош в своем деле, движения его тела будут ограничиваться ровно так же: у него на руке виртуальный гипс – и он “практически виден”. Компьютер на Windows, имитирующий компьютер на Mac OS с применением ВМ Mac OS, должен быть неотличим – для программного обеспечения, работающего на нем, и для стороннего наблюдателя – от настоящего компьютера на Mac OS.

В реальности все обычно наоборот. Хотя и есть сконструированные ВМ Mac OS, работающие на Windows, насколько мне известно, это скорее баловство, чем настоящее, практичное программное обеспечение. Напротив, для Mac OS созданы надежные, удобные в использовании ВМ Windows, которые позволяют владельцам компьютеров на Mac OS запускать любые программы, написанные для Windows. Большинство программ сегодня создается без привязки к конкретному аппаратному обеспечению, но с привязкой к конкретным операционным системам (которые, в свою очередь, работают на разном аппаратном обеспечении). Первая причина расширить определение виртуальной машины – необходимость включить в него виртуальные имитации операционных систем. Операционная система тоже представляет собой своеобразную виртуальную машину, позволяя немного разному аппаратному обеспечению выполнять одни и те же программы, но операционная система – это исключительно программное обеспечение; она не имитирует настоящее аппаратное обеспечение, но создает – фактически задавая конкретные условия – воображаемую машину, которая подчиняется определенным правилам, принимает определенные данные и так далее.

Другая причина расширить определение заключается в том, что одной из самых популярных и широко распространенных виртуальных машин сегодня является виртуальная машина Java, или JVM, которая, подобно операционной системе, не имитирует никакую аппаратно-реализованную машину, а существует только в форме программно-реализованной машины. Именно изобретению Java интернет в основном обязан своей универсальностью: Java позволяет скачивать с сайтов маленькие программы – Java-апплеты, – которые дают возможность разгадывать кроссворды, играть в судоку, изучать карты, увеличивать фотографии, играть в игры с людьми с другого конца света, а также решать множество “серьезных” вычислительных задач. Создавая программы на языке программировании Java, веб-дизайнер не должен знать, кто именно придет к нему на сайт – пользователи Mac OS, Windows (или Linux), – поскольку Java-апплет всегда запускается на JVM, сконструированной специально для работы на компьютере на Mac OS, Windows или Linux. Соответствующая JVM автоматически скачивается и за несколько секунд устанавливается на ваш компьютер, а затем Java-апплет, как по волшебству, выполняется на этой JVM. (Возможно, вы замечаете, как на ваш компьютер скачиваются обновления Java, а возможно, и не замечаете этого! В идеале вы можете забыть о том, какая JVM установлена у вас на компьютере, и ожидать, что каждый посещаемый вами сайт либо будет использовать Java-апплеты, которые уже работают на вашей JVM, либо соответствующим образом обновит Java для корректной работы.)

Таким образом, в соответствии с моим расширенным определением термина, виртуальной машиной можно считать практически любую компьютерную программу, поскольку она представляет собой программное обеспечение – систематический список инструкций, – при запуске превращающее универсальный компьютер в машину конкретного назначения, которую можно было бы сконструировать и подключить в качестве аппаратного обеспечения. Алан Тьюринг сделал блестящий вклад в науку – и оказал огромную услугу человеческой цивилизации второй половины двадцатого века, – предложив идею “универсального” компьютера (сегодня мы называем его универсальной машиной Тьюринга), который можно превратить в любой другой компьютер, созданный для конкретной цели, просто установив и запустив соответствующую программу! (Если вы решили пропустить главу 24, то имейте в виду: в ней об этом говорится подробнее.) Не нужно создавать все возможные конфигурации аппаратного обеспечения – хватит и одной, ведь все остальное сделает программное обеспечение. Со времен Тьюринга нам известно, что можно взять сложную штуковину – аппаратное обеспечение, – обладающую большой пластичностью – регулируемыми ячейками “памяти” или регистрами, – и поместить в эти ячейки памяти набор инструкций, при выполнении которых эта штуковина превратится в любой компьютер, какой нам под силу ясно вообразить.

Машина Тьюринга – или ноутбук – выполняет по одной инструкции зараз и переходит к следующей инструкции, но “параллельные” компьютеры могут выполнять много (миллионов) инструкций одновременно. Регистр – это любой фрагмент аппаратного обеспечения, который может пребывать в том или ином состоянии (например, в состоянии нуля или единицы в случае с компьютерными битами, но состояний может быть и больше двух), пока не получит команду изменить состояние. Любая система регистров, которая может производить определенные элементарные операции на основании этих состояний (к примеру, менять состояние регистра или использовать состояние регистра, чтобы определить, какую операцию выполнять дальше), может и настраивать свои регистры таким образом, чтобы “вычислить функцию” или “исполнить программу”. Получается, что на любом подобном аппаратном обеспечении может работать виртуальная машина, созданная для использования этих простых шагов. Этот фокус можно проворачивать не один, а много раз, устанавливая виртуальные машины на виртуальные машины на виртуальных машинах… на аппаратном обеспечении.

Рассмотрим шахматную программу, написанную на высокоуровневом языке программирования Common Lisp, запущенную на операционной системе Windows 7, запущенной на компьютере. Этот компьютер притворяется машиной Windows, которая притворяется машиной Lisp, которая притворяется машиной для игры в шахматы. Если рассмотреть детали программы на высшем уровне, они будут более или менее понятны подкованному в компьютерах и шахматах наблюдателю (“Ага! Эта подпрограмма генерирует все возможные ответы на перемещение слона, а затем запускает подпрограмму оценки, которая…”). Настоящий программный код той же программы – последовательность нулей и единиц, которая помещается в регистр инструкций аппаратного обеспечения, – напротив, способен свести любого с ума, поэтому мы благоразумно сосредотачиваем внимание на высших уровнях. На каждом уровне мы видим лес за деревьями, поскольку детали низших уровней весьма кстати скрыты от наших глаз. Параллель между каскадом виртуальных машин на компьютере и каскадом гомункулов в гомункулярнофункционалистском представлении о сознании не просто совпадение. Именно необычайный успех виртуальных машин, которые помогли нам понять, как решать немыслимые ранее задачи (бронирование авиабилетов, игру в шахматы, прогнозирование погоды, письмо под диктовку и т. д.), дает повод надеяться, что мы сумеем провернуть подобный – всего лишь подобный – фокус, когда осуществим обратное проектирование мозга.

В таком случае, возможно, сходства мозга людей, говорящих по-французски, несмотря на все наблюдаемые анатомические различия, лучше всего объяснить на уровне виртуальной машины: все франкоговорящие люди имеют в голове ту или иную версию ФВМ, французской виртуальной машины, системы взаимосвязанных диспозиций, или микропривычек, каким-то образом хранящихся в миллиардах регистров мозга. Мозг русскоговорящих людей будет отличаться наличием подобной системы надежных шаблонов, РВМ. Если сказать франкоговорящему человеку: Donnez-moi le sel, s’il vous plait, – ФВМ гарантированно проконтролирует то же самое поведение, которое у русскоговорящего человека можно вызвать посредством введения в РВМ в его голове следующих данных: “Передай мне соль, пожалуйста”. Как же создаются ФВМ и РВМ, которые функционируют в нашем мозге?

Мы пока не знаем, как описать разные уровни активности мозга людей, играющих в шахматы или говорящих по-французски[32]32
  Попытки определить эти уровни совершаются в рамках исследований когнитивной нейробиологии и вычислительной нейробиологии. Две этих области различаются в основном уклоном: специалисты по вычислительной нейробиологии сосредоточены на создании работающих (компьютерных) моделей своих идей, а специалисты по когнитивной нейробиологии часто довольствуются набросками высокоуровневых шаблонов способностей и взаимодействий, которые должны внедряться в любую модель более низкого уровня. В компьютерной науке подобная война идет годами: на одном полюсе стоят ИИ-визионеры, которые не пишут работающие программы, а демонстрируют факты о спецификациях любой успешной программы для выполнения той или иной задачи, а на другом полюсе – прожженные инженеры, которых сложно впечатлить, пока они не увидят реальный работающий код. Остальное, по их мнению, нельзя назвать программным обеспечением – это лишь “иллюзорное обеспечение” (англ. vaporware). Но их нетерпимость к самым склонным к теоретизированию коллегам не идет ни в какое сравнение с враждебностью, наблюдаемой между специалистами разного уровня по нейробиологии. Один заведующий лабораторией (который специализировался на изучении кальциевых каналов в аксонах нейронов) однажды сказал мне: “В нашей лаборатории говорят: работая над одним нейроном, ты занимаешься нейробиологией. Работая над двумя нейронами – психологией”. И это был не комплимент! Поскольку когнитивная нейробиология забирает львиную долю внимания прессы (все в восторге от новых открытий в сфере зрительных иллюзий, памяти, сознания, речи и понимания, но не каждый интересуется сотнями разных нейромодуляторов и их рецепторов, нейрон-астроглиальными взаимодействиями… или кальциевыми каналами), специалисты по вычислительной нейробиологии нередко страдают от профессиональной ревности по отношению к специалистам по когнитивной нейробиологии.


[Закрыть]. Несомненно, не стоит и надеяться на появление подробной схемы наподобие той, что позволяет программистам создавать свои творения на высшем уровне, имея полную уверенность, что компилятор (программа, которая берет инструкции высшего уровня и преобразует их в код, понятный аппаратному обеспечению) выдаст работающую программу. Но теперь у нас есть прекрасный экспериментальный образец: мы знаем по крайней мере один способ объяснить высокоуровневые способности машины с триллионами подвижных частей, не прибегая к концепции чудо-ткани.