полная версия

Даниил Михайлович Платонов
Информационная феноменология жизни. Часть I: Внутриклеточные информационные отношения

Полная версия

Вычислительная техника и вычислительные системы

Проблематика обработки и преобразования информации занимала человечество с момента появления первых, самых примитивных способов письменности. Вполне вероятно, что процесс письменности начался со способов регистрации числовой информации (различные зарубки и штрихи). Следует отметить, что и в дальнейшем на всем протяжении развития человечества наибольшие результаты формализации процедур обработки и преобразования информации были достигнуты в отношении именно числовой (в широком смысле этого понятия) информации. Действительно – это весь мир математики. Достижения математиков обеспечили создание алгоритмов научных, инженерных, финансовых и бытовых расчетов, которые, так или иначе, использовались практически во всех видах деятельности людей. Но долгое время какая-либо механизация, не говоря уж об автоматизации, выполнения расчетов была на достаточно примитивном уровне. На протяжении тысячелетий единственным распространенным прибором механизации обработки числовой информации были «счеты», в той или иной форме выполняющие всего два арифметических действия в позиционной системе счисления. Появлявшиеся другие приборы были определенной экзотикой локального применения и поэтому фактически не меняли обстановку. Вместе с тем, с помощью их создавались предпосылки, которые способствовали продвижению человечества в деле создания средств повышения производительности и эффективности интеллектуальной деятельности людей.

Если смотреть с общих позиций информатизации общества, то феноменологически в развитии компьютерных технологий пока что фактически наблюдается определенный паритет значимости software (программные аспекты) и hardware (материально техническая реализация).

На первых этапах развития вычислительной техники основной акцент разработок был связан с имманентным (структурным) уровнем S_II феноменологического представления вычислительных систем. Происходила как бы наработка структуризации материально-технической базы для обеспечения возможностей создания «открытых» информационных систем. Под открытыми информационными системами в первую очередь понимаются универсальные электронно-вычислительные машины (компьютеры), позволяющие решать широкий круг задач различной прикладной ориентации.

Существенный феноменологический сдвиг в формировании процесса эволюции вычислительной техники, на наш взгляд, произошел при создании вычислительной системы IBM 360 фирмы International Business Machines. Главным обстоятельством явился акцент на архитектуру вычислительной системы (уровень S_TI феноменологической модели стратификации систем). В рамках системного подхода были стандартизированы основные форматы представления информации и система команд (операций), получившая наименование CISC (Complex Instruction Set Computer).

Стандартизация указанных положений вывела вычислительные системы из узкого утилитарного круга вычислительной направленности в широкую сферу информационных систем, обеспечив в дальнейшем основу развития информатики в современном ее представлении. Именно введенная феноменологическая стандартизация создала условия согласованной реализации на системном уровне основополагающих свойств информации – системности, передачи во времени и пространстве и тиражируемости.

Оценивая с современных позиций принятые в ту пору решения, можно обсуждать их оптимальность и какие-либо другие показатели, но при всем при этом неопровержимым фактором является безусловная значимость качественного перехода на новый, архитектурный уровень системного мышления при разработке и создании компьютерных систем. Принятие в качестве базовых стандартов, предложенных по проекту системы IBM 360, было, по-видимому, обусловлено мощью и значимостью корпорации International Business Machines на мировом компьютерном рынке. Конечно, возможны были и другие решения. Но рыночная конъюнктура определила именно такой подход. К счастью, он оказался вполне приемлемым для дальнейшего развития средств вычислительной техники.

Интересен, в этом смысле, взгляд одного из зачинателей направления ЕС ЭВМ (Единой системы электронно-вычислительных машин) в нашей стране, ведущего специалиста по суперкомпьютерам предельной производительности, академика Российской академии наук В. К.Левина. В своей работе «Очерк становления Единой системы ЭВМ» он отмечает: «Система 360 представлялась как целостная, достаточно всеохватывающая и, как подтвердилось впоследствии, перспективная, допускающая развитие как программных, так и аппаратных средств. При всей новизне Системы 360 концепции ее построения органично вытекали из предыдущего опыта вычислительной техники, поэтому в основном система с интересом и положительно воспринималась разработчиками.

…Довольно значительной акцией в начале работ по ЕС ЭВМ было принятие стандартов по кодированию и расположению информации на внешних носителях – перфокартах, перфолентах, магнитных лентах и на сменных пакетах магнитных дисков. В отечественных ЭВМ I и II поколений в этой сфере были довольно значительные отличия от тех решений, которые сложились в мировой практике и в большой мере были подтверждены решениями международных организаций по стандартизации – ИСО, МКТТ. Принятие зарубежной системы – Системы 360 – за прототип ЕС ЭВМ стало мощным стимулом для доведения внешних устройств до удобоваримого уровня, причем стандарты на кодирование информации на внешних носителях оказывали значительное влияние и на построение самих внешних устройств. В таких важнейших средствах, как память на магнитных лентах и сменных дисках, принятие общепризнанных стандартов и технических решений IBM и разработка соответствующих отечественных аналогов (совместно с Болгарией и ГДР) оказалось значительным шагом вперед, поскольку предыдущие наши устройства магнитной записи были существенно ниже по параметрам скорости, плотности и объема информации.

…Это было связано не только с привлекательностью широких возможностей системы программирования IBM, но и с тем обстоятельством, что никто у нас не взялся бы за создание оригинального, сколько-нибудь функционально развитого системного программного обеспечения (операционные системы, организация ввода-вывода и баз данных, средства автоматизации программирования – трансляторы и др.), а без этого было бы нельзя работать в прикладном программировании. Непосредственное заимствование системного программного обеспечения фирмы IBM позволяло сразу получить высокий уровень возможностей для прикладного программирования и тем самым охватить широкий спектр областей применения вычислительной техники, создавать разнообразные автоматизированные системы управления и пр., т.е. делать то, что впоследствии стало именоваться информатизацией общества. Поэтому разногласия начального периода создания ЕС ЭВМ относились не столько к полезности ориентации на зарубежные прототипы, сколько к сомнениям в принципиальной возможности осуществления программной совместимости с прототипом и преемственности программ».

Архитектурный акцент системы IBM 360 в значительной степени содействовал процессам совершенствования программного обеспечения (software), определяющего, в конечном счете, прикладные возможности вычислительных систем по назначению. Здесь следует отметить, пожалуй, два основных направления. Это – развитие языков высокого уровня и развитие операционных систем.

Первое из этих направлений обеспечивает пользователям возможности описания решения своих задач без глубокого погружения в знания структуры вычислительной установки. Это создает также возможности создания универсальных библиотек программ решения различных задач. Не у кого не вызывает сомнения актуальность и значимость такого подхода формирования программного обеспечения для развития активно идущих процессов информатизации общества. Вместе с тем некоторая текущая общественная эйфория, связанная с общими достижениями процессов информатизации, на наш взгляд, несколько деформирует феноменологическую значимость отдельных конкретных программных продуктов. Здесь, вероятно, сказывается определенная инфантильность общества в осознании соответствия внутренних процессов информатизации на основе вычислительной техники. Пожалуй, уместно напомнить обобщенную организацию процессов информатизации.

Организация процессов информатизации

В трансцендентном аспекте она охватывает, наряду с технологиями создания средств информатизации, проблемы постановки задач и разработки алгоритмов их решений, а в имманентном аспекте реализацию конкретных вычислительных систем (hardware) и программного обеспечения (software).

В этом перечислении среди software только одна составляющая в общественном представлении особо выделяется как творческий процесс. Это создание программного продукта, который является интеллектуальной собственностью авторов на таких же правах, как произведения искусства и технические решения hardware. Хотя уже в концепции Дж.фонНеймана в основе архитектуры вычислительных машин лежит представление алгоритма решения задачи в виде программы последовательных вычислений. Согласно стандарту ISO 2382/1–84, программа для вычислительной машины – это всего лишь «упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке». Вместе с тем, ни формулы, ни алгоритмы не являются предметом какого-либо авторского права (кроме общественного общечеловеческого признания), хотя те же самые алгоритмы являются распространенной формой директивной государственной и международной регламентации (например, стандарты по протоколам доступа, криптозащите и т.д.). Не кажется ли несколько странной творческая обособленность software? Особенно с учетом того, что компьютерные технологии приобрели статус средств производства.

Вторым направлением совершенствования программного обеспечения на основе архитектурного акцента системы IBM 360 является развитие операционных систем. К моменту выхода в свет проекта системы IBM 360 представления об операционных системах как среде управления вычислительными ресурсами и организации вычислительного процесса уже достаточно четко сформировалось. Родоначальницей современных операционных систем, практически полностью автоматизирующих внешнюю и внутреннюю организацию вычислительного процесса на электронных вычислительных машинах, пожалуй, следует считать операционную систему для машины «ATLAS» (Великобритания).

Принципиальным положением операционных систем явилось многоуровневая организация памяти. Недаром в названии одной из наиболее распространенных первых операционных систем DOS – Disk Operating System (дисковая операционная система) идентификатором является именно указатель внешнего хранилища памяти – «диска». Как это схоже со значимостью ДНК во внутриклеточной организации информационных отношений живых организмов. Операционные системы, наряду с некоторым ядром, обладают наборами специализированных программ управления отдельными устройствами вычислительной установки – «драйверами»^[29], что позволяет по мере необходимости подключать ресурсы отдельных устройств для реализации текущего вычислительного процесса. Но наиболее важной функцией операционных систем, пожалуй, является управление памятью, которое производит необходимое информационное наполнение и распределение ограниченных объемов оперативной памяти в целях текущего поддержания хода выполнения реализуемого вычислительного процесса. Именно это обеспечивает возможность фактически безграничной информационной поддержки в реализации вычислительных процессов при ограниченных объемах оперативной памяти.

Концепция операционных систем создает предпосылки реализации информационной «открытости» вычислительных систем. Речь идет не о беспрепятственном доступе к вычислительному и информационному ресурсу, а о возможности получать произвольные порции информации из разных источников (включая внешние и внесистемные хранилища информации) непосредственно в ходе выполнения вычислительного процесса. Реализация этих возможностей, фактически, представляет воплощение уровня S_IT модели феноменологической стратификации систем в широком спектре трансцендентных (S_TТ) отношений. Таким образом, к середине 60-х годов ХХ столетия в рамках третьего поколения вычислительной техники фактически были сформированы основополагающие концепции, обеспечивающие возможности реализации осознанного системного подхода при создании вычислительных установок.

При эксплуатации вычислительной техники уже третьего поколения проявился, ранее не совсем прогнозируемый, фактор – консерватизм программного обеспечения. Это, наверное, явилось следствием использования в программировании языков высокого уровня и информационной открытости операционных систем, что поддерживало положительные процессы создания и эффективной эксплуатации библиотечного фонда программ. Однако у этого фактора оказалась и другая сторона медали. Волей или неволей к вновь создаваемым вычислительным средствам фактически предъявлялось требование обеспечения выполнения программ, написанных ранее. Напомним, что декларация программной совместимости была одной из определяющих проекта системы IBM 360 и ее аналога в СССР – ЕС ЭВМ. Выполнение этого требования при создании реальных вычислительных систем было далеко не простым делом. Особенно это касалось применения вычислительных машин с различными аппаратными платформами. Возможно, именно этот фактор ограничил в последствии многообразие архитектуры вычислительных платформ.

Микропроцессоры и персональные компьютеры

Будучи базовыми, стандарты IBM позволяли формировать подмножества, обеспечивающие в некоторых конкретных условиях более эффективную реализацию возможностей той или иной элементно-технической базы при создании вычислительных средств определенного назначения. Так, значительное распространение получили процессоры с RISC-архитектурой (Reduced Instruction Set Computer – сокращенная система команд компьютера), имеющие ограниченную, по сравнению с CISC, спецификацию системы команд. Распространение RISC-архитектуры связывается с созданием микропроцессоров. По-видимому, это один из важнейших качественных феноменологических переходов в hardware на современном этапе развития вычислительной техники.

Феноменологическая значимость концепции микропроцессорной организации вычислительных средств, на наш взгляд, определяется принципиально новыми возможностями вариаций согласования имманентного, структурного уровня организации вычислительных систем (уровень S_II феноменологической стратификации модели систем) и архитектурного уровня (S_TI), обеспечивающего вхождение пользователей в вычислительную систему. Эти возможности фактически обеспечили настоящую революцию в информатике, создав иерархию организации вычислительных систем. Нижний уровень этой иерархии (позволим назвать его базовым) охватывает многообразие микропроцессоров с внутренними коммуникационными отношениями, которые в совокупности обеспечивают создание и представление конкретной вычислительной установки, будь то персональный компьютер, рабочая станция или суперкомпьютерная установка.

Каждый микропроцессор со своими интерфейсами представляет собой вполне оформленную самостоятельную вычислительную микросистему со своим феноменологическим системным многообразием. В рамках hardware это ассоциируется с элементной базой, что и побуждает к предложенному наименованию нижнего уровня иерархии вычислительных систем – «Элементная база».

Следующий уровень иерархии охватывает законченные по своему прикладному функциональному назначению вычислительные установки – компьютеры. Естественно называть этот уровень компьютерным. Архитектура этого уровня обеспечивает медиаторную регламентацию постановки и решения задач в сферах компьютеризации и информатизации, которые характеризуют текущее развитие общества и его институтов.

Создаваемые на основе компьютерных технологий корпоративные и межкорпоративные информационно-вычислительные системы представляют собой на настоящее время верхний уровень рассматриваемой иерархии. В последнее время достаточное распространение получил термин – мультимедийные технологии, подчеркивающий многообразие форм информации, используемой для осуществления функционирования этого уровня информационно-вычислительных систем. По ассоциации с таким представлением можно именовать этот уровень иерархической стратификации макромедийным.

Отметим, что на каждом из рассмотренных уровней иерархии формируются свои классы многообразий феноменологической стратификации информационно-вычислительных систем. Это касается и аппаратно-технических средств, и протоколов их взаимодействия. Подтверждением этому являются спецификации продукции hardware и software, распространяемой на рынке компьютерных и информационных технологий.

На первых этапах развития вычислительной техники, создаваемые вычислительные установки были ориентированы на профессионально подготовленный персонал, что в значительной степени ограничивало их область применения. Это обуславливалось многими факторами, которые в совокупности не позволяли компьютерам первых поколений по своей общественно потребительской стоимости стать в ряд продукции широкого применения. Ситуация изменилась коренным образом, когда на рынок вычислительной техники были выпущены персональные компьютеры. Принципиальным феноменологическим отличием персональных компьютеров была их ориентация на широкий круг непрофессиональных (с точки зрения знаний по вычислительной технике) пользователей. Естественно, предпосылки возможности перехода к такой ориентации были заложены достижениями компьютерных технологий, обеспечивших существенное снижение показателя стоимость/производительность.

Феноменологическая структуризация вычислительных ресурсов и их сетевая организация

Системная согласованность hardware и software абсолютно и безусловно определяются аспектами реализации коммуникационных отношений в структуре hardware. Даже для направления развития индивидуальных процессорных структур в рамках концепции Дж.фонНеймана, рассматривающей некоторую совокупность структурно локализованных функционально ориентированных узлов (приборов), реализация коммуникационных отношений была одной из актуальных инженерных проблем.

На ранних этапах развития вычислительной техники примерно одинаковое распространение получили два способа построения вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины. Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-Неймановская структура. В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройство ввода/вывода) имеются непосредственные связи. Недостатком коммуникаций с непосредственными связями является то, что они плохо поддаются реконфигурации.

В варианте с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления. Наличие общей шины существенно упрощает реализацию вычислительных машин, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток таких структурно-архитектурных решений: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Преодоление этого недостатка по мере развития структур вычислительных машин происходило, например, за счет появления интеллектуальных процессоров ввода/вывода, многоуровневой структуризации памяти и осуществлялось на основе иерархии шин. В этом случае помимо магистральной шины имеется еще несколько дополнительных шин.

Дальнейшее развитие коммуникационных отношений в вычислительных системах связано с архитектурами вычислительных сетей. Акцент на архитектуру (уровень S_TI представления системы на основе феноменологической модели) в данном случае не случаен, а обоснован сутью рассматриваемых системных отношений. Действительно, основной концепцией архитектуры современных вычислительных сетей является положение об их открытости. Сетевая концепция вычислительных систем достаточно адекватно вписывается в рассмотренную стратификацию их иерархических уровней. При этом архитектура вычислительных сетей в том или ином виде обуславливается соответствующей интерпретацией эталонной семиуровневой модели взаимодействия открытых информационных (вычислительных) систем ISO, согласующейся с возможностями реализации и целевым назначением конкретной вычислительной сети.

На макромедийном уровне вычислительные сети организуют ассоциации вычислительных установок в широком диапазоне масштабов. Это глобальные сети общего пользования типа Internet и корпоративные сети различных ведомств, служб, корпораций и локальные вычислительные сети внутри различных организаций.

Характерной особенностью глобальных вычислительных сетей является применение для передачи информации телекоммуникационных средств на основе различных сетей связи общего назначения. Это в значительной степени определяет специфику протоколов информационного обмена, учитывающих глобальность географических масштабов сетей связи и связанные с этим факторы возможных искажений при передаче информации.

Для локальных вычислительных сетей (ЛВС) характерно создание специальных выделенных каналов связи, что обеспечивает достаточно высокий уровень помехозащищенности при передаче сигналов. В связи с этим в протоколах ЛВС основной акцент уделяется повышению пропускной способности выделенных каналов связи и обеспечению минимальных гарантированных задержек при передаче информации.

На компьютерном уровне иерархической стратификации вычислительных систем сетевые структуры наиболее полно применяются при создании высокопроизводительных мультимикропроцессорных суперкомпьютеров с параллельной архитектурой. Основной особенностью работы таких компьютеров является распараллеливание алгоритмов решения задачи. Каждому микропроцессору задается своя уникальная программа выполнения определенного фрагмента алгоритма решения задачи, что позволяет ограничить объем памяти, для обслуживания этого микропроцессора, как для хранения программы, так и для данных, необходимых при реализации фрагмента алгоритма. Такая структуризация программы решения задачи и данных позволяет существенно упростить в рамках локальных фрагментарных вычислений управление ходом вычислительного процесса и снизить связанные с этим удельные накладные расходы на «полезные» вычислительные операции.

Отметим существенный феноменологический аспект такой структуризации. С момента актуализации программы на время реализации фрагмента алгоритма каждый микропроцессор с приданной ему памятью становится как бы самостоятельным специализированным обособленным микро органом, выполняющим специфическую функцию. Элемент структуры компьютера сам становится самостоятельной вычислительной системой. При этом трансцендентным окружением ее (S_TT в представлениях феноменологической модели системы) является все множество данных, необходимых для выполнения вычислений, а их результаты определяют уровень S_IT. Вместе с тем, идентичность структуры трансцендентного окружения структуре единичного микропроцессора позволяют на единых принципах представлять категории S_TI и S_IT феноменологической модели работы микропроцессоров. Создается новое представление внутренней архитектуры суперкомпьютера. Подчеркнем, что разработчики суперкомпьютеров прилагают максимум усилий, чтобы оставить для конечного пользователя элементы внутренней архитектуры суперкомпьютеров на имманентном структурном уровне, не выводя его активно в архитектурные протоколы и интерфейсы (уровень S_TI феноменологической модели системы).

Хочется заметить, что процесс функциональной кластеризации решения задач очень напоминает, уже упоминаемую, модель фрактального роста на основе агрегации, ограниченной диффузией Т. А.Уиттена и Л. М.Сандера. Если это так, то имеются все предпосылки предположить, что организация структуры функциональной кластеризации фрагментов вычислительных алгоритмов на поле микропроцессоров суперкомпьютеров носит фрактальный характер. Но тогда должно проявляться свойство нецелочисленной размерности, которое способствует потенциальным предпосылкам повышения эффективности использования вычислительного ресурса. Эта характеристика в значительной степени является определяющей при создании реальных вычислительных систем.