Вычислительная машина и мозг - Джон фон Нейман

class="sup">i. (Чтобы связать это с тем, что было сказано ранее, следует принять, что N₁ = N′, t₁ = t и N_k = N, t_k = t″.) В данной схеме каждое значение i представляет собой один уровень в иерархии памяти; всего в этой иерархии k таких уровней.

В большой современной быстродействующей вычислительной машине общее количество всех уровней иерархии памяти составляет не меньше трех (возможно, четыре или пять).

Первый уровень всегда соответствует регистрам, описанным выше. Их количество, N₁, практически во всех типах машин составляет минимум три, а иногда и больше (предлагалось даже до двадцати). Время доступа t₁ – основное время переключения машины (или, возможно, в два раза превышает его).

Следующий (второй) уровень иерархии включает специальные органы памяти. Они отличаются от переключательных органов, используемых в остальной части машины (и на первом уровне иерархии; ср. выше). Емкость N₂ органов памяти, в настоящее время применяемых на этом уровне, варьирует от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч слов (последний тип пока находится на стадии проектирования). Время доступа t₂ обычно в пять-десять раз больше, чем время доступа на предыдущем уровне, t₁. На каждом последующем уровне емкость памяти N_i, как правило, возрастает примерно в 10 раз. Время доступа t_i растет еще быстрее, но здесь действуют другие правила, ограничивающие и определяющие время доступа (ср. ниже). Подробное рассмотрение этого вопроса в текущем контексте едва ли оправданно.

Самые быстродействующие элементы, т. е. органы памяти (другими словами, неактивные органы; ср. выше) – это некоторые электростатические устройства и магнитные сердечники. В последнее время чаще всего используются последние, хотя могут применяться и другие методы (электростатические, ферроэлектрические и т. д.). На более высоких уровнях иерархии памяти в настоящее время преимущественно используются магнитные барабаны и магнитные ленты; в некоторых машинах применяются магнитные диски.

Устройства трех последних типов подчиняются особым правилам и ограничениям. Так, доступ ко всем участкам магнитного барабана предоставляется последовательно и циклично. Емкость памяти на магнитной ленте практически не ограничена; все ее участки просматриваются в фиксированной линейной последовательности, однако ленту можно остановить или пустить в обратном направлении. Все эти схемы могут сочетаться с различными устройствами, обеспечивающими синхронизацию состояний функционирования машины и состояний ее памяти.

Последний этап любой иерархии памяти представляет собой внешний мир (внешний с точки зрения машины), т. е. ту ее часть, которая выполняет коммуникативные функции, – иначе говоря, органы ввода и вывода. Как правило, ими являются перфорированные бумажные ленты или карты, а на выходе, конечно, и печатные данные. Иногда основной системой ввода-вывода выступает магнитная лента; в этом случае перевод в форму, которую может непосредственно использовать человек (т. е. бумагу с перфорацией или отпечатанными данными), выполняется вне машины.

Ниже приведены некоторые показатели времени доступа в абсолютном выражении. Так, для запоминающих устройств на ферромагнитных сердечниках время доступа составляет от 5 до 15 микросекунд; для электростатических запоминающих устройств – от 8 до 20 микросекунд; для магнитных барабанов – от 2500 до 20 000 об/мин, т. е. от 24 до 3 миллисекунд на один оборот (за это время можно ввести от 1 до 2000 слов); для магнитных лент – до 70 000 линий в секунду, т. е. 1 линия в 14 микросекунд (слово может занимать 5–15 линий).

Во всех существующих машинах и запоминающих устройствах используется прямая адресация. Иначе говоря, каждое слово в памяти имеет свой собственный числовой адрес, который однозначно характеризует это слово и его положение в памяти (как общей совокупности всех иерархических уровней). Этот числовой адрес всегда указывается явно, когда слово нужно сохранить в памяти или считать из нее. Иногда не все части памяти доступны одновременно (ср. выше; бывает, что в машине имеется несколько запоминающих устройств, не все из которых доступны одновременно, в зависимости от заданных приоритетов доступа). В этом случае доступ к памяти зависит от общего состояния машины в момент запроса. Тем не менее в адресе, а также в участке памяти, который он обозначает, никогда не бывает неопределенности.

Материал, изложенный в первой части, служит базой для сравнения, которое и является конечной целью данной работы. Я описал, более или менее подробно, природу современных вычислительных машин и общие принципы, лежащие в основе их организации. Теперь мы можем перейти к другой стороне сравнения – нервной системе человека – и рассмотреть сходства и различия этих двух типов «автоматов». Что касается сходств, то они хорошо известны. Однако существуют и различия, причем не только в размере и скорости, что достаточно очевидно, но и в некоторых областях, лежащих гораздо глубже. К последним относятся принципы функционирования и управления, общей организации и т. д. Описать их – моя основная задача. Чтобы дать им правильную оценку, мы сопоставим их со сходствами, а также с более поверхностными различиями (размеры, скорость; ср. выше). Поэтому далее им также будет уделено пристальное внимание.

Как показывают наблюдения, функционирование нервной системы носит на первый взгляд цифровой характер. Данный факт, а также лежащие в его основе структуры и функции требуют подробного рассмотрения.

Основным компонентом нервной системы является нервная клетка – нейрон. Нормальная функция нейрона заключается в порождении и передаче нервных импульсов. Нервный импульс представляет собой довольно сложный процесс, включающий электрический, химический и механический аспекты. Тем не менее импульс – это процесс, который определяется однозначно, т. е. он почти одинаков при любых условиях; по существу он представляет собой воспроизводимый, единый ответ на довольно широкий спектр стимулов.

Рассмотрим характеристики нервного импульса, которые представляют интерес в данном контексте, более подробно.

Нервная клетка состоит из тела и одного или нескольких отростков – аксонов. Нервный импульс представляет собой непрерывное изменение, распространяющееся, как правило, с постоянной скоростью (скорость, однако, может зависеть от функции нервной клетки) вдоль аксона (точнее, вдоль каждого аксона). Как упоминалось выше, данное явление – нервный импульс – можно рассматривать с разных точек зрения. Одной из основных его характеристик, безусловно, является то, что нервный импульс – это в первую очередь электрическое возмущение; на самом деле чаще всего данным описанием и ограничиваются. Это электрическое возмущение обычно представляет собой электрический потенциал примерно в 50 милливольт продолжительностью около одной миллисекунды. Одновременно с этим электрическим возмущением вдоль аксона происходят определенные химические изменения. Так, в тех участках аксона, по которым проходит импульсный потенциал,