Вычислительная машина и мозг - Джон фон Нейман
Компоненты памяти; вопросы доступа
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 Ni, как правило, возрастает примерно в 10 раз. Время доступа ti 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.
Сложности понятия времени доступа
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).
Принцип прямой адресации
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.
Часть II
Мозг
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.
Упрощенное описание функции нейрона
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.
Природа нервного импульса
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,
