<< Предыдущая

стр. 11
(из 12 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема искусственного ней­рона, разработанная в Институте кибернетики АН УССР.

7*2, Тз по схеме Муди-Флорида, вырабатывает отрица­тельный импульс. Эмиттерный повторитель Г5 подает его на выход возбуждения. Инвертор Т& и повторитель 7/V формируют тормозящий сигнал. Применение эмит-терных повторителей обеспечивает большой коэффи­циент логического разветвления схемы. Амплитуда, длительность и крутизна выходных импульсов моде­ли нейрона постоянны и не зависят от частоты и ам­плитуды входных импульсов. При необходимости все эти параметры можно изменить.
При втором, бионическом, подходе, преследующем цель создания высокосовершенных кибернетических устройств, ученые стремятся строить модели, способ­ные воспроизводить гибкие логические функции ней­рона и применимые в устройствах технической кибер­нетики. Эти модели, естественно, должны быть лишены ряда «недостатков», присущих (с инженерной точки зре­ния) живым нервным клеткам. Так, например, модели­рование такого явления, как пониженная возбудимость в течение относительно длительного периода, необходи­мого для отдыха и пополнения запаса энергии, израсхо­дованного при возбуждении нейрона, может сказаться на быстродействии кибернетического устройства, что в ряде случаев крайне нежелательно.
Абстрагируясь от физиологических особенностей и используя только «логику» нейронов, ученые за по­следние годы создали ряд формальных моделей нерв­ной клетки, для которых характерны, например, сле­дующие признаки: активность нейрона, т. е. его спо­собность генерировать выходной сигнал, подчиняется

Входные воздей­ствия

Пумлга-тор

Линия задержки











Выход
Пороговое устрой­ство


возбуждения *


Вентиль
Выход л



торможения



Рис. 4. Обобщенная блок-схема искусственного нейрона.

принципу «все или ничего», «да — нет», «нуль — еди­ница»; возбуждению нейрона предшествует некото­рый период накопления сигналов возбуждения от ог­раниченного числа входов (синапсов). Это время не зависит от предыдущего состояния нейрона (рефрак-терность не моделируется), число сигналов и порог не зависят от расположения синапсов в нейроне; запаз­дывание в схеме происходит только в синапсах. Обоб­щенная блок-схема такой модели показана на рис. 4.
Как видно из рисунка, входные воздействия посту­пают на сумматор, где происходит их пространствен­ное суммирование. Линия задержки имитирует замед­ление сигнала на синапсах и осуществляет временное суммирование. Вентиль пропускает обработанный пре­дыдущими каскадами сигнал на пороговое устройство, срабатывающее только при достижении сигнала на его входе определенного уровня. Передача возбуждения через вентиль в обратном направлении невозможна.
На рис. 5 приведена электрическая схема модели нейрона, выполненная на транзисторах. Суммирование входных воздействий осуществляется резисторами R\. Изменяя их величину, можно менять степень влия­ния данного входа на состояние «нейрона». Совмест­но с С| они выполняют и функцию задержки. В каче­стве порогового элемента здесь применен ждущий

Рис. 5. Принципиальная электрическая схема модели нейрона.

мультивибратор, собранный на транзисторах Г 2 и Гз. В устойчивом состоянии Гз открыт и потенциал на его коллекторе примерно равен нулю, вследствие чего Т<± закрыт. Дополнительное запирающее смещение, сни­маемое с резистора Rz, определяет порог срабатыва­ния мультивибратора. Сигнал на мультивибратор по­дается через эмиттерный повторитель, который обес­печивает одностороннюю передачу и выполняет роль вентиля с одновременным усилением результирующе­го возбуждения. При достижении порогового уровня возбуждения схема переходит в состояние квазирав-новесия, при котором напряжение на коллекторе Гг быстро падает до нуля. Длительность пребывания в

этом состоянии определяется емкостью конденсато-
ра Сз и сопротивлением резистора R^. Через время
t >=« сек происходит опрокидывание схемы. При
этом на выходе возбуждения формируется положи­тельный, а на выходе торможения — отрицательный импульсы длительностью t.
На вход этой модели подаются с различными ин­тервалами импульсы определенной амплитуды с дли­тельностью 1 мсек. На выходе схемы при ее срабаты­вании получается импульс длительностью 1 мсек и ам­плитудой 15 в. Максимальная частота срабатывания

Индикация

Выход _s<Ha другие
. нейроны

\ 1

Чувстви­тельные зяемент



Поощрение
Схема проверки Наказание

Рис. 6. Блок-схема артрона.

модели — 500 гц. Эта схема хорошо воспроизводит ос­новные характеристики биологического нейрона, но не способна к адаптации, т. е. к изменению характера ра­боты при изменении окружающих условий.
Этого недостатка лишены аналоги нейронов, полу­чившие название артронов. Они отличаются наличием цепи обратной связи и двух дополнительных входов — «наказывающего» и «поощряющего». Схематически это показано на рис. 6. Внешние условия преобразуются чувствительными элементами в раздражения, которые подаются на входы искусственного нейрона. Информа­ция поступает и от соседних нейронов.
Поскольку «необученная» модель нейрона совер­шенно не знает, как вести себя при определенных внешних условиях и сигналах от соседей, ее выходной сигнал при поступлении первого раздражения имеет чисто случайный характер. Но за свои действия искус­ственному нейрону все же придется отвечать без скид­ки на младенческий возраст! Выходной импульс, по­ступающий на другие нейроны, одновременно подается на схему проверки. Если реакция нейрона на раздра­жение была правильной, то эта схема выдает импульс на поощряющий вход, если же он ошибся, то немед­ленно на другой вход приходит импульс наказания. Действия, подкрепленные поощряющим сигналом, за­поминаются нейроном, и в другой раз при аналогичных условиях он будет выполнять именно их. Если же со схемы проверки поступает наказание, то в следующий раз при таком же возбуждении нейрон сработает по-другому и, возможно, опять будет наказан. Это будет происходить до тех пор, пока не будет найдена «пра­вильная линия поведения», т. е. пока не поступит по­ощряющий импульс. Для ясности заметим, что в этом случае нейроны не являются теми первичными образо­ваниями, которые могут принимать только два состоя­ния — «да» или «нет», а представляют некоторую их комбинацию, способную принимать большее число со­стояний.
Таким образом, состояние рассмотренной схемы за­висит от внешней среды. Из артронов можно создать машину, способную к обучению. В начальный момент она, как и сами артроны, не специализирована. Обуче­ние машины происходит с помощью поощряющих и наказывающих импульсов. Во время обучения машины определяются ее задачи, устанавливается критерий адаптации к широко изменяющимся внешним усло­виям. Цепь обратной связи в процессе обучения «учи­тывает» ошибки. На основе поощрения или наказания произведенной логической операции устанавливается такой режим работы, который способствует закрепле­нию или подавлению этой операции. Узнаете? Речь идет о перцептроне. Адаптивные элементы перцептро­на и есть артрон, а «правильные» связи между ними и эффекторами — это совокупность логических опера­ций, которые не подавляются.
Так в результате «обучения» нейроны становятся специализированными, а вся система — организован­ной. Изменение внешних условий вызывает переход на другие логические операции — внешние условия программируют машину!

Разработано также несколько вариантов биониче-
ских элементов — нейристоров, представляющих собой
активные приборы с распределенными параметрами.
Один из возможных вариантов такого устройства по-
казан на рис. 7. Оно представ-
ляет собой две изолированные
полоски, образующие плоский
конденсатор. Одна из обкла-
˜ док этого конденсатора вы-
Рис. 7. Нейристор с рас- полнена из термисторного ма-
пределенными парамет- териала, электрические свой-
Рами- ства которого зависят от тем-
пературы. Нейристор питает­ся током, который создает равномерный потенциал по всей длине прибора. При подаче возбуждения на оп­ределенный участок нейристора он переходит в актив­ное состояние и освобождает энергию, накопленную распределенной емкостью на этом же участке. В ре­зультате происходит местный разогрев термистора, что вызывает возбуждение соседнего участка канала. В итоге образуется бегущая волна раздражения, рас­пространяющаяся с постоянной скоростью, подобно тому как это происходит в аксоне — разряд распрост­раняется с постоянной скоростью и без затухания. Прежде чем разряженный участок снова сможет. пе­рейти в активное состояние, в нем должно произойти накопление энергии (зарядка конденсатора); иными словами, наступает период восстановления, соответст­вующий периоду рефрактерности нервного волокна. «Это свойство, — как отмечает академик В. В. Парин,— еще более усиливает сходство нейристора с нервным волокном — две волны, идущие навстречу друг другу, угасают».
Разработаны и нейристоры с сосредоточенными па­раметрами. На рис. 8 приведена одна из возможных схем, выполненная на тиратронах с холодным катодом. Такой нейристор представляет собой цепь соединенных последовательно моностабильных схем. В заторможен­ном состоянии емкости С\, С% С3 заряжены и хранят определенный запас энергии. Величины сопротивле­ний R.7, R.9, Re выбираются так, чтобы тиратроны не загорались. Если на поджигающий электрод одного из тиратронов подать «раздражающий» импульс, то он вспыхнет, и время его горения будет определяться вре­менем разряда анодной емкости. При этом на катод­ном сопротивлении формируется импульс, поступаю­щий на входы соседних тиратронов и поджигающий
(к (к {к (к (!к l!k





Г' I* I''

Рис. 8. Нейристор, выполненный на дискрет­ных элементах.

их. После разряда емкости тиратрон гаснет и на время ее повторного заряда, имитирующее период рефрак-терности, нечувствителен к возбуждающим импульсам. Таким образом, поданный на схему импульс начинает распространяться в обе стороны от точки, к которой он был приложен, оставляя после себя зону рефрактер-ности.
Если нейристор сделать в виде замкнутой линии, то в нем будет длительное время циркулировать воз­буждающий импульс. Это можно использовать для за­поминания двоичной величины: циркуляция импульса эквивалентна единице, его отсутствие — нулю. Соеди­няя определенным образом нейристоры, получают логи­ческие устройства. Такие устройства отличаются высо­кой однородностью, присущей самим нейристорам, у которых прибор и соединительные провода представ­ляют одно целое. Соединение нейристоров в сложные сети может выполняться без пассивных соединительных элементов, которые вносили бы в схему неоднородно­сти, что в свою очередь могло бы исказить передавае­мый по такой цепи сигнал.
Официально в зарубежной литературе создателем нейристора, т. е. технического устройства, моделиру­ющего определенные свойства нейрона и сочетающего в себе дискретные и непрерывные свойства, считается Крейн. Между тем следует отметить, что в нашей стране физические реализации нейристорной модели были предложены уже давно. Для них характерно использова­ние квантового эффекта, в частности явления так назы­ваемого отрицательного резонансного поглощения света в устойчивой среде.
Один из вариантов квантового нейристора пред­ставляет собой систему из оптического генератора и световода, заполняемого активным веществом, «усили­вающим» свет, с показателем преломления, превыша­ющим показатель преломления окружающей среды. По­мимо чрезвычайно высокого быстродействия нейри­стора (10˜12 сек), такая система Открывает широкие возможности компактного выполнения нейристорных сетей и континуальных моделей*). При использовании полупроводниковых квантовых генераторов характери­стики нейристоров значительно улучшаются.
Следует также отметить, что уже несколько лет ведутся разработки нейристоров с использованием тонких пленок. Если в дальнейшем удастся технически просто реализовать нейристор в виде микроминиатюр­ного устройства на тонких пленках, это, по-видимому, позволит создавать необычайно интересные схемы, по некоторым своим свойствам приближающиеся к живой ткани.
На рис. 9 схематически изображен магнитный интег­рирующий (накапливающий) аналог нейрона (MIND). Основой этого элемента служит магнитный сердечник
*) Континуальные модели — модели управляющих систем, пред­ставляющих собой сплошную, непрерывную, среду. Этим конти­нуальные модели отличаются от дискретных моделей, в которых управляющие системы представлены множеством отдельных эле­ментов со сложными связями между ними. Попытки построить сколько-нибудь сложные дискретные модели управляющих систем встречают значительные трудности, связанные с необходимостью рассматривать функции очень большого числа аргументов.

из феррита с прямоугольной петлей гистерезиса. Внутри сердечника имеется канал, в котором проходит стро-бирующая обмотка. Сверху канал закрыт шайбой из ма-


Обмотки записи и считывания
Обмотка
Ортогональные апробирующей
сердечник ^ктрш поля цепи
Шайба из магнитного материала

В


г' 1' О'
Рис. петля
10. Прямоугольная гистерезиса и про­цесс накопления информа­ции в сердечнике магнит­ного аналога нейрона.
териала с большой магнитной проницаемостью. На сер­дечнике имеются обмотки записи и считывания, которые часто совмещаются. Сердеч­ник реагирует только на вход­ные воздействия, способные создавать напряженность маг­нитного поля, превышающую коэрцитивную силу Нс. Пусть вначале сердечник находится в состоянии, характеризую­щемся точкой 0 (рис. 10). С приходом первого «раздра­жения» он перейдет в состоя­ние а после его оконча­ния — в состояние /. Следую­щее «раздражение» переведет сердечник в состояние 2' и т. д. Таким образом, в сердечнике происходит накопление энер­гии, которая является в данном случае носителем ин­формации.
Считывание осуществляется подачей в нужный мо­мент стробирующего импульса, который вызывает по­явление поля, перпендикулярного исходному. Проис­ходит изменение вектора результирующего поля в сердечнике, и на выходной обмотке наводится сигнал, величина которого зависит от предыдущего состояния сердечника, т. е. пропорциональна накопленному в результате предшествующих экспериментов («обуче­ния») магнитному поток}'.
Достоинством такого элемента является отсутствие расхода энергии на хранение информации и сохране­ние состояния сердечника даже при выключении уст­ройства. Кроме того, такие элементы отличаются очень высоким быстродействием.
Работы по созданию бионических элементов, спо­собных выполнять логические функции живых нерв­ных клеток, из года в год принимают все больший и больший размах. Достаточно сказать, что уже сейчас имеется несколько сот моделей искусственных нейро­нов, которые в большей или меньшей степени отра­жают свойства реальных нейронов. Некоторые из них, такие, как артроны, нейристоры и др., успешно исполь­зуются сегодня для усовершенствования технических средств связи, вычислительных и управляющих машин. Предпринимаются попытки разработать (по аналогии с живыми) искусственные нейроны в виде микроком­понент коллоидных (10˜5 — 10˜7 см) и молекулярных размеров (Ю-7 — 10"s см). С этой целью исследуются полупроводниковые микроструктуры (двух- и трехмер­ные схемы из проводящих элементов в изолирующей среде), коллоидные системы с дисперсной сажей, обра­зующие проводящие нити в изолирующих жидких рас­творах, а также различные микропористые структуры. Изучаются также атомные системы в различных кри­сталлических и полимерных структурах.
В заключение нашего краткого обзора моделей ис­кусственных нейронов различного типа рассмотрим электрохимический элемент памяти, так называемый мемистор. Один из вариантов мемистора показан на рис. 11. Входное воздействие преобразуется в посто­янный ток, цепь которого замыкается через централь­ный электрод 1, электролит 2 и кольцевой электрод 3. Электролитом обычно служит раствор медного купо­роса. Прохождение через него постоянного тока вы­зывает осаждение (или снятие) на электроде 1 слоя меди, что и изменяет его электрическую прозодимость. При изменении анодного тока на несколько миллиам­

пер сопротивление мемистора за 10 сек плавно изме-
няется от 100 до 1 ом. Измеряют это сопротивление
на переменном токе, чем исключается влияние сигна-
ла считывания на процессы электролиза, происходя-
щие в элементе. Вследствие малого разброса парамет-
ров мемисторов обеспечивается возможность создания
большого количества запоминающих уровней. Из та-
ких элементов построе-
ны, например, самопри- "у . g
спосабливающиеся ней- с

что создание достаточно КЯ^К^ flpOWwa
совершенного, дешевого
и миниатюрного аналога I | i
нейрона откроет широ-
кие ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ ПО- Рис. 11. Электрохимический ана-
строения различных обу- лог нейрона - мемистор.
чающихся, самопрограм­мирующихся, самоорганизующихся, самонастраиваю­щихся, самоприспосабливающихся систем, т. е. систем, обладающих свойством автоматически изменять свои па­раметры в соответствии с изменением внешних условий. Такие системы, как указывает академик В. А. Трапезни­ков,—«это близкое завтра автоматики и, несомненно, следующая, более высокая ступень прогресса человече­ского общества».
Необходимость создания самонастраивающихся и са­моорганизующихся систем ныне возникает в самых раз­нообразных областях техники. Такие системы должны обеспечить наибольшую эффективность работы управ­ляемого объекта в существенно изменяющихся усло­виях. Это положение распространяется на объекты, дей­ствующие непрерывно, периодически и спорадически. Однако наибольшее значение в современных условиях имеет проблема использования самонастраивающихся систем для управления непрерывными процессами. Та­кими системами можно, например, воспользоваться для полной автоматизации управления рядом химических производств, доменным процессом, прокатом металла, сваркой труб и т. п.
Самонастраивающиеся системы дают возможность не только автоматизировать управление сложными про­изводственными процессами, не только автоматически отыскивать наивыгоднейший режим работы той или иной установки и поддерживать его в дальнейшем. До­бавление к самонастраивающейся системе емкой «па­мяти» позволит создавать ^самообучающиеся системы, способные определять наивыгоднейший режим не толь­ко путем поиска, но и путем ассоциации, т. е. ориен­тируясь на условия, которые существовали в про­шлом.
Оценивая степень эффективности приемов управ­ления, отбрасывая менее эффективные и запоминая более эффективные приемы, такие системы смогут не­прерывно совершенствовать их и благодаря этому весь­ма оперативно и эффективно управлять течением про­цессов в изменяющихся условиях. Для тех случаев, когда структуру систем нельзя определить заранее, можно представить себе такие системы упразления, которые сами будут выбирать необходимые источни­ки информации, способы ее обработки и направление воздействий. Подобные устройства уже будут являть­ся самоорганизующимися системами управления.
Хотя разработка аналогов нейрона началась совсем недавно, уже сейчас можно указать ряд практических задач, которые решаются на основе имитации некото­рых свойств естественного нейрона. Так. например, разработан адаптивный, или самоприспосабливающий­ся, фильтр для выделения на фоне шумов сигналов произвольной формы, когда заранее неизвестно, есть ли сигнал на входе приемной системы. В отличие от обычного фильтра, пропускающего сигналы с заранее известными, определенными признаками (длительность импульсов, частота повторения, отношение сигнал/шум), адаптивный фильтр пропускает сигналы с различными параметрами.
Принцип действия адаптивного фильтра основан на быстрой автоматической подстройке фильтра на фор­му приходящего сигнала путем непрерывного сравне­ния сигнала заданной формы с сигналом, поступаю­щим на вход. Наиболее частое совпадение признаков сигналов свидетельствует о полезном сигнале в запо­минающем устройстве. После некоторого времени при­способления (порядка нескольких секунд) в памяти формируется точная форма приходящего импульса, и фильтр начинает пропускать все импульсы этой фор­мы. После прекращения сигналов информация о его признаках в запоминающем устройстве стирается, фильтр начинает пропускать только шумы. При появ­лении на входе фильтра сигнала другой формы весь процесс повторяется.
Другая система — «Кибертрон» — способна само­стоятельно выбирать оптимальный подход к решению различных задач. Одной из задач может быть, напри­мер, диагностирование заболевания по виду электро­кардиограмм. Машине предъявляют ленты с графиче­ской записью биотоков сердца больного, и она точно ставит диагнозы. «Кибертрон» можно также использо­вать для оценки метеорологических данных.
На основе элементов с характеристиками нейри­сторов инженеры создали устройство, воспроизводящее процессы запоминания, опознавания и заучивания. По­добная модель нашла применение в машине В. Тейлора, которая после экспонирования различных предметов, например букв, узнавала их при повторной демонстра­ции. На элементах MIND собран прибор, успешно вы­полняющий логическую функцию опознавания много­численных вариантов входных рисунков, составленных из нескольких информационных сигналов.
По заданию ВВС США ряд американских фирм ве­дет разработки так называемых «познающих» машин на артронах. В электронной машине, созданной одной американской фирмой, пути прохождения сигнала между воспринимающими чувствительными элементами и арт-ронами, а также между отдельными артронами изме­няются по случайному закону до тех пор, пока не будут выбраны оптимальные пути. Когда машина приступает к решению новой задачи, она, несмотря на предыдущее «обучение», возвращается в первоначальное состояние, характеризующееся случайными путями прохождения сигнала. Возможность «обучения» обеспечивается нали­чием четырех быстродействующих переключателей в со­единительных цепях логических схем каждого артрона с его выходом.
Считают, что подобные машины могут быть исполь­зованы для следующих целей:
улучшение методов автоматического предсказания погоды;
автоматическое управление беспилотными космиче­скими летательными аппаратами для исследования планет;
создание быстродействующих командных машин для штабов войсковых подразделений, что позволит вырабатывать решения при подготовке и проведении различных операций;
управление оборудованием, работающим в опасных условиях.
В литературе описана самоприспосабливающаяся си­стема управления полетом реактивных самолетов. Си­стема анализирует свою работу путем сравнения реак­ции самолета с решением электронного устройства, и разностный сигнал используется для воздействия на органы управления самолетом. Автоматическое управ­ление осуществляется при изменившихся окружающих условиях (плотности и скорости воздуха) без измере­ния этих величин. Система не требует предваритель­ного программирования условий полета с учетом лет­ных характеристик самолета.
Считают, что адаптивные, самоприспосабливающие­ся автопилоты, которые обладают свойством непрерыв­но проверять положение в пространстве летательного аппарата и корректировать любые отклонения от задан­ного положения при изменяющихся условиях полета, можно с успехом использовать также на ракетах и даже на космических кораблях.
Итак, начало положено. Созданы машины, воспро­изводящие некоторые функции нервной системы че­ловека. Один из создателей теории автоматического управления Уильям Эшби сказал по этому поводу: «С тех пор, как был разработан первый перцептрон «Марк-1», мы знаем, что мозг и вычислительные машины представляют собой просто различные варианты в прин­ципе одинаковых машин». Было время, когда созда­тель перцептрона, доктор Розенблат, утверждал, что его детище — это не просто машина для распознава­ния образов, а — ни много, ни мало — модель мозга.
Однако это утверждение встретило весьма серьезные возражения.
Дело здесь прежде всего в количественных отличи­ях. Перцептрон моделирует — и весьма несовершен­но — только функции зрительного анализатора челове­ка. А зрение — только одно из пяти его чувств. Далее. Число ассоциативных ячеек перцептрона, которое оп­ределяет его «умственные способности», равнялось в первой модели всего 512. Оно столь ограничено пре­жде всего вследствие трудностей технического порядка и, в частности, из-за чрезвычайной сложности монтаж­ной схемы; в самом деле, от каждой из 400 рецепторных ячеек перцептрона отходит 40 выходных проводников, подключаемых в случайном порядке к 512 ассоциатив­ным ячейкам, каждая из которых имеет от 10 до 100 вы­ходов.
А между тем число нейронов в мозгу человека по­рядка 10 миллиардов. Если распространить тезис Эш-би на обычные цифровые вычислительные машины, то и тогда разница между числом их переключающих элементов и числом нейронов в центральной нервной системе оказывается весьма существенной: самые большие из современных вычислительных машин име­ют сотни тысяч таких элементов.
По ряду своих параметров мозг представляет со­бой настолько высокосовершенную «конструкцию», что, как полагают ученые, вряд ли удастся искусствен­но воспроизвести ее в течение ближайших 50 лет. Очень выпукло выразил эту мысль английский физик Дж. Томсон в своей книге «Предвидимое будущее»: «Тот сложный инструмент, которым все мы облада­ем, или, если хотите, каковым мы все являемся, с его 10 миллиардами рабочих деталей и бесчисленным мно­жеством возможных связей, неизмеримо превосходит все то, что мы когда-либо, по-видимому, сумеем соз­дать, и он так непохож на организованную материю, которую мы, физики, изучаем!»
Одна из важнейших особенностей мозга — его спо­собность надежно работать с большими резервами и с ничтожно малой затратой энергии, обладая фан­тастически малыми габаритами и ничтожным весом. Так, например, мозг Анатоля Франса весил 1017 г, А. П. Бородина — 1325 г, Д. И. Менделеева — 1571 г,
И. П. Павлова — 1653 г, И. С. Тургенева — 2012 г. В сред­нем мозг нормального человека весит 1375 г и имеет объем от 1,5 до 2 дм3. Общее рассеяние энергии в мозгу достигает примерно 10 вт, т. е. около 10˜"9 вт на нейрон. По некоторым литературным данным, из срав­нения линейных размеров, объемов и рассеяния энер­гии вытекает, что естественные элементы мозга эф­фективнее современных ЭЦВМ примерно в 108 — 109
раз!
Говоря о технических характеристиках мозга, труд­но обойтись без тривиальных сравнений. Если бы мы

Рис. 12. Если бы мы взяли самые маленькие из существующих ныне простейших реле диамет­ром в 1 см, чтобы составить из них искусст­венный мозг, то их цепочка дважды протянется от Земли до Луны.

взяли самые маленькие из существующих ныне прос­тейших реле диаметром 1 см в количестве 17 милли­ардов штук (по числу нейронов в человеческом моз­гу), то их цепочка протянулась бы от Земли до Луны в два ряда (рис. 12). Теперь представьте себе, что мы захотели бы построить универсальную вычислительную систему на обычных электронных лампах с таким же ко­личеством элементов, какое имеет мозг. Подобное устройство могло бы разместиться примерно в таком вы­сотном здании, как Московский государственный уни­верситет, весило бы более миллиона тонн, и для его пи­тания была бы необходима энергия десяти Братских ГЭС (!), а для охлаждения — река Ниагара. При исполь­зовании в качестве элементов релейного действия триг­геров на полупроводниках объемом 1—2 см3 каждый наша вычислительная машина после осуществления всех разводок и соединений не уступала бы по размерам со­временному большому жилому дому и потребовала бы энергии нескольких Днепрогэсов! А сколько времени по­требовалось бы только для изготовления такого количе­ства элементов? Если предположить, что изготовление модели нейрона длится 1 сек (пока мы такими возмож­ностями еще не располагаем) и это производство начато в 1968 г., то последний аналог нейрона из гигантской гартии в 17 миллиардов штук будет сдан в отдел техни­ческого контроля в конце 2393 г. Время, которое потре­буется на монтаж и настройку такой электронной ма­шины, вообще никакой оценке не поддается.
За последние 25 — 30 лет сложность электронных устройств увеличилась примерно в 1000 раз, причем конструкторы электронных систем продолжают раз­рабатывать устройства все возрастающей сложности, требующие все большего и большего количества де­талей. Обсуждая недавно проблему использования вы­числительной техники для целей проектирования циф­ровых систем, ученые отметили, что «...сложность циф­ровых систем будущего приводит к выводу, что такая методика проектирования является фактической необ­ходимостью. В настоящее время ведется разработка многих систем, содержащих сотни, тысячи и даже мил­лионы активных элементов». Само собой разумеется, что вместе с неограниченным ростом числа элементов в электронных системах обеспечение эксплуатацион­ной надежности последних является ныне, выражаясь словами академика А. И. Берга, «проблемой № 1». До­статочно выйти из строя какой-либо одной детали — и работа электронной системы нарушается, а то и вовсе прекращается на длительное время, так как только на поиски неисправности приходится тратить много часов. Ведь был же такой случай на Всемирной выставке в Брюсселе. Одной электронной машине поручили рас­пределение мест в гостиницах. Из-за технической не­исправности машина выдавала нелепые рекомендации — направляла гостей в занятые уже номера. В итоге про­изошла крупная неприятность: 50 тысяч туристов на одну ночь остались без крова...
Этот случай на первый взгляд может показаться анекдотичным, но за ненадежность электронной аппа­ратуры в наше время нередко приходится расплачивать­ся не только отсутствием крова на ночь или потерей ве­чернего развлечения (в случае выхода телевизора из строя), но и более дорогой ценой — колоссальными экономическими потерями вследствие простоев автома­тических линий и цехов, нарушения производственных процессов целых предприятий, где «командиром» явля­ется электрон, а иногда и человеческими жизнями. И еще надо иметь в виду следующее. Надежность эле­ктронной аппаратуры — это не только обеспечение бес перебойной работы, но еще и гарантия высокой точно­сти ее работы. Например, кремний для полупроводни­ковых фотоэлементов должен обладать неслыханной чистотой: допустимо не более одного атома посторон­ней примеси на каждые 10 миллиардов атомов полу­проводника. Аппаратура, которая контролирует чистоту кремния, должна, естественно, отличаться необыкновен­ной точностью работы, а значит, и исключительной на­дежностью. Надежность, т. е. вероятность безотказной работы в течение заданного отрезка времени в опреде­ленных эксплуатационных условиях, — важнейшая ха­рактеристика современной сложной электронной аппа­ратуры. Надежность электронной системы равна произ­ведению надежностей всех входящих в нее элементов. Поэтому, если предположить, что вероятность безотказ­ной работы искусственного нейрона в течение 1000 час составляет 0,999, то надежность гипотетического ис­кусственного мозга, состоящего из 1010 таких нейронов, составит 0,99910 — ничтожно малое число, которое сле­дует интерпретировать таким образом, что машина не проработает и секунды после первого включения.
Еще пример. Если в системе управления ракетой имеется тысяча электронных компонент и надежность каждой равняется 0,95, то общая надежность системы выразится десятичной дробью, в которой перед первой значащей цифрой после запятой будет стоять 21 нуль! Такая надежность соответствует следующей ситуации: если ежесекундно запускается миллион ракет, то в те­чение 300 миллионов лет лишь один запуск окажется вполне удачным. В остальных случаях на той или иной стадии полета в ракете возникнет неисправность.
Между тем современные ракеты насчитывают гораз­до большее число деталей, чем мы предположили в на­шем примере. В частности, система управления амери­канского межконтинентального снаряда «Атлас» состоит более чем из 300 ООО элементов. Если принять, что в среднем при каждом запуске ракеты выходит из строя 1 деталь из 100 000, а это, по американским данным, близко к действительному положению дел, то из 100 запусков лишь около 5 окажутся удачными. В остальных случаях в газетах появятся сообщения: «Вчера на мысе Кеннеди произведен очередной запуск ракеты... Из-за неисправностей в системе управления... по команде с Земли ракета была взорвана в воздухе».
Причин к выходу из строя той или иной детали в современной электронной аппаратуре довольно много: здесь и широкий интервал изменения температур и дав­ления, недолговечность многих компонент, удары, виб­рации, пыль, влажность, грибки, радиация и т. д. Другое дело — человеческий мозг. Хотя его отдельные элемен­ты, по-видимому, не более надежны, чем элементы лю­бого электронного устройства, мозг человека способен функционировать непрерывно и бесперебойно в тече­ние длительного времени — на протяжении всей жизни человека в самых разнообразных условиях: в жару и в стужу, в кромешной тьме и при ослепительном сиянии Солнца, в полном одиночестве и в контакте с тысячью умов. Его подвергают наркозу, но человек не погибает от расстройства дыхания. Большие дозы алкоголя опья­няют мозг, но и в таком состоянии он помогает своему «хозяину» найти дорогу домой. Нередко мозг претер­певает механические, термические, биологические, луче­вые травмы, кровоизлияния, инфекционные процессы разрушают те или иные участки центральной нервной системы, гибнут тысячи нейронов, а мозг продолжает жить и творить. Так, например, в недавно изданной у нас книге Д. Вулдриджа «Механизмы мозга» описан по­разительный случай, происшедший в сентябре 1848 г. со старшим мастером бригады дорожников-строителей Финеасом Гейджем.
«По-видимому, — пишет Вулдридж, — Гейдж заложил пороховой заряд в отверстие, пробитое в скале, подго­товляя очередной взрыв. После этого его помощник должен был, как обычно, засыпать порох сверху песком.
По какой-то причине это не было сделано, а Финеас Гейдж пренебрег проверкой выполнения этой опера­ции. Вместо этого, полагая, что порох прикрыт песком, он опустил в отверстие тяжелую железную трамбов­ку, не придерживая ее. Результат был катастрофиче­ским: железная палка, ударившись о скалу, высекла искру, воспламенила порох и устремилась к небесам. На своем пути эта палка длиной больше метра и тол­щиной 3 сантиметра насквозь пронзила головной мозг Гейджа, войдя через его левую щеку и выйдя около темени.
В течение часа Гейдж находился в оглушенном со стоянии, после чего он смог с помощью сопровождав­ших его людей пойти к хирургу и по дороге спокойно и невозмутимо рассуждал о дырке в своей голове. В кон­це концов он оправился от инфекции, развившейся в ране, и прожил еще 12 лет. Гейдж кончил свою жизнь в Сан-Франциско, где он умер при обстоятельствах, по­требовавших вскрытия тела. Несомненно, что только благодаря этому случайному обстоятельству ученые-ме­дики смогли проверить эту историю путем прямого ис­следования поврежденного мозга. Выяснилось, что не только левая лобная доля подверглась тяжелому повреж­дению, но травма распространилась и на правую лобную долю...
Как ни поразителен был счастливый исход столь внушительной травмы, не менее поразительными оказа­лись ее последствия. Поражало в них именно отсутст­вие резких изменений психики. Гейдж по-прежнему оставался дееспособной личностью: у него не обнару­живалось никакой потери памяти, и он был в состоянии заниматься своим делом».
Череп Гейджа и железная палка ныне экспонируют­ся в Гарвардском университете как символ исключи­тельной надежности человеческого мозга.
Возможно, описанный случай, происшедший с Фине­асом Гейджем, является в истории медицины беспреце­дентным. Но если вы поговорите с любым нейрохирур­гом, то он расскажет вам о десятках и сотнях других самых невероятных, порой фантастических случаях, когда больным вместе с опухолями, осколками мин и снарядов удаляли значительную часть мозга и они по выздоровлении продолжали плодотворно работать, при­чем в сфере интеллектуального труда. И в этом нет ничего удивительного. Надежность — ключевая, острей­шая проблема современной радиоэлектроники и кибер­нетики — блестяще разрешена живой природой в устрой­стве головного мозга и нервной системы человека. И не только человека, но и животных. Высочайшая надеж­ность биологических систем возникла в результате дли­тельного эволюционного процесса в условиях изменчи­вой внешней среды. В жестокой конкурентной борьбе за существование, длившейся сотни и тысячи миллионов лет, живые организмы и, в частности, мозг обрели ту надежность, которой мы не перестаем сегодня восхи­щаться.
В прошлом феноменальную надежность мозга неко­торые ученые пытались объяснить его способностью ре­генерировать (восстанавливать)поврежденные или по­гибшие нервные клетки. Когда же было установлено, что нейроны не восстанавливаются, возникло другое предположение. Стали считать, что долговечность и на­дежность нашей сложнейшей «кибернетической маши­ны» обеспечивается ценой многократного дублирования и резервирования *) ее нервных клеток подобно тому, как это делается при конструировании современных электронных систем. Однако расчеты показали, что тог­да мозг человека был бы в десятки тысяч раз больше, чем на самом деле.
Каковы же принципы, заложенные в схему регули­рования жизненных процессов организма и обеспечи­вающие столь высокую надежность работы мозга?
Один из них — охранительное «запредельное» тор­можение. Реакция организма на сигнал раздражителя тем сильнее, чем сильнее сигнал. Но до определенного порога. Выше его реакция ослабевает, а затем прекра­щается совсем. Организм охраняет себя от чрезмерного возбуждения нервных клеток. Ученые поставили такой опыт. У собаки создали рефлекс на звонок. С увеличе­нием силы звука увеличивалось слюновыделение. Но

*) В современной электронной технике различают «холод­ное» и «горячее» резервирование. Холодное резервирование оз­начает, что в системе имеются элементы, готовые заменить вы­шедшие из строя, но находящиеся в нерабочем состоянии. При горячем резервировании используется несколько одинаковых эле­ментов, работающих параллельно.
когда звук становился сильнее определенной величины, выделение слюны уменьшалось, а затем и совсем прек­ращалось. Это объясняется тем, что раздражитель стал непосильным для нервной системы животного, и тогда сработала система запредельного торможения, сделав возможным восстановление в дальнейшем нормальной работы нервных клеток. Так природа отражает нападе­ние слишком грозного противника. Особенно чутко и быстро реагирует на опасное усиление раздражителя ослабленный, больной организм.
Поскольку многочисленными экспериментами было установлено, что торможение наступало каждый раз после того, как клетки были возбуждены, ученые приш­ли к заключению, что переход в заторможенное состоя­ние нервных клеток следует рассматривать как актив­ное вмешательство организма в деятельность своих эле­ментов с целью перевода их в нерабочее состояние для восстановления пониженной работоспособности. Поми­мо такого «профилактического ремонта на ходу» клетки ежесуточно «ремонтируются» более основательно: сон позволяет хорошо отдохнуть всей центральной нервной системе. Поэтому наш мозг с самых ранних лет и до смертного часа действует одинаково ясно и энергично.
Другим важным фактором, обеспечивающим высо­кую надежность головного мозга, является способность нервных центров к быстрой функциональной перест­ройке и обучению. Провели такой опыт. Собаке под наркозом пришили сухожилия мышц-сгибателей к раз­гибателям, а сухожилия разгибателей — к сгибателям. После операции, когда собаке нужно было согнуть ла­пу, она ее... разгибала. Но это продолжалось недолго. Время — великий целитель, а способность нервных кле­ток к переучиванию огромна. Произошла перестройка нервных центров, и животное научилось правильно вла­деть своими конечностями.
Третье «конструктивное ухищрение», предпринятое природой в целях обеспечения высоконадежной работы головного мозга, заключается в целесообразном соче­тании самоуправления с центральной регуляцией. Нож хирурга и эксперименты физиологов позволили уста­новить, что система регулирования жизненных функций организма «многоэтажна». Высший этаж — кора боль­ших полушарий, низший — система саморегуляции от­дельных органов. Животное, лишенное коры головного мозга, утрачивает способность к выработке условных рефлексов. Но оно живет, двигается, способно погло­щать пищу, которую ему положили в рот. Оно «управ­ляется» деятельностью двигательных центров, располо­женных в отделах мозга, лежащих под корой. Если перерезать нервы, идущие к мышцам, управление нару­шится. Но сами мышцы еще могут сокращаться под дей­ствием электрического тока или химических раздражи­телей. Более того, у животных есть «автоматические механизмы», например сердце. Вынутое из организма, оно может еще очень долго работать — сокращаться (если пустить по его сосудам обогащенную кислородом кровь). Такое построение нервной системы (сочетание относительной самостоятельности низших регуляторов с их подчинением высшим мозговым центрам) служит од­ним из важнейших условий надежной работы мозга. Но и это еще не все.
Вездесущая сеть нервов, помимо виртуозной пере­дачи импульсов-приказов, умеет еще и другое, не до­ступное пока никаким электронным системам: она сама, без всякой помощи извне, налаживает связи с подчиненными органами. Любой нерв прокладывает себе путь среди множества клеток и волокон, уверенно пробивается к цели среди растущих, непрерывно пе­ремещающихся тканей зародыша. Просто диву даешься, как удается ему опознать «своих», как умудряется ка­кая-нибудь нейронная ветка, затерянная среди тысяч таких же волоконец, всегда отыскивать один и тот же нервный ствол и, вплетаясь в него, доставлять сигнал в заданный участок мозга.
Один дотошный экспериментатор решил проверить, сохранится ли это удивительное чутье, самоопознава­ние растущих нейронов, если изменить обстановку, пе­ресадить, скажем, кожу с живота головастика на спину. Найдет ли кожный нерв дорогу к своим, определит ли среди множества стволов тот единственный, что соеди­няет его с мозгом?
К тому времени, когда головастик стал лягушкой, пересаженная кожа окончательно прижилась на спине. Даже опытный микроскопист, наверное, с трудом опре­делил бы здесь кусочек, срезанный с живота.' Зато ля­гушечьи нервы быстро разобрались в подмене и, не признав ее законной, соединились, как обычно. Стоило пощекотать лягушке спину, она тут же принималась чесать задней лапкой живот. Видно, чувствительный нейрон не дал себя обмануть. Попав вместе с кожей на спину, он все-таки отыскал «своих», вплелся в нерв, не­сущий ощущения с живота. И хотя кусочек кожи ока­зался на новом месте, вдали от постоянной «прописки», его сигналы шли в мозг обычным путем.
В этом быстром, безошибочном объединении сход­ных нейронов, в точном скреплении их в заданных ме­стах заключен один из важнейших секретов высокой надежности монтажа элементов сложнейшей из всех систем организма — центральной нервной системы.
Итак, одна из главнейших задач бионики — изуче­ние и перенесение в технику важнейших принципов, используемых природой для обеспечения высокой на­дежности функционирования живых организмов. «По­жалуй, самое главное, что должна перенять радиоэлек­троника у живой природы, — пишет член-корреспондент АН СССР В. И. Сифоров,— это высокая надежность. Ведь если вы поцарапали палец, то организм сам произ­водит необходимый «ремонт». Кровь свертывается, кро­вотечение немедленно останавливается, и через неко­торое время царапина заживает. Сейчас мысль ученых и инженеров направлена на то, чтобы создать нечто подобное и в технических устройствах. Пока «самоза­лечивание» электронных машин в основном сводится к автоматическому включению резервных блоков, од­нако в будущем, по-видимому, появятся системы, кото­рые будут находить неисправную деталь и заменять ее новой».
Из известных нам природных принципов, обеспечи­вающих надежность центральной нервной системы и живого организма в целом, сегодня наибольший инте­рес для теории и практики надежности электронной техники представляют методы многоступенчатого резер­вирования, методы автоматического изменения структу­ры и методы автоматического изменения (загрубления) параметров отдельных частей системы при неблаго­приятных условиях. Но как все это практически осу­ществить с наибольшей эффективностью для радио­электронных и кибернетических устройств, как добиться стопроцентной надежности в работе? — вот вопрос во­просов!
Ряд интересных соображений на сей счет высказал известный советский физиолог член-корреспондент АН СССР 3. А. Асратян. В основном они сводятся к сле­ду ющему:
«Во время процессов торможения нервные клетки восстанавливают свою активность, подготавливаются к дальнейшей деятельности. В сложных автоматических системах не все элементы одновременно участвуют в работе. По-видимому, целесообразно иметь в таких си­стемах специальный механизм, который, не участвуя в основной деятельности, использовал бы вынужденные простои для проверки этих элементов, для их профи­лактического ремонта...
Запасные элементы нервной системы во многом обе­спечивают ее надежную работу. Они не лежат на скла­де, как запасные детали машин, а в любую минуту го­товы встать в строй взамен пораженных. И неважно, что многие функции основных элементов им не под силу. Главное — организм продолжает жить, создается возможность для возвращения в строй поврежденных участков.
Конструкторы должны научиться использовать этот принцип при создании сложных автоматов. Ведь даже самые совершенные из них оказываются сейчас беспо­мощными при поломке второстепенной детали. Но как конкретно воплотить это пожелание в жизнь? Принци­пиально так. Создадим машину из элементов трех ти­пов: постоянно действующих элементов, которые обес­печивали бы быструю и точную работу машины, таких же элементов, но работающих при выходе из строя пер­вых, и элементов еще одного типа, работающих не так быстро и не так точно, но поддерживающих беспере­бойность работы системы до тех пор, пока не будут за­менены или исправлены основные.
Не этот ли принцип динамической перестройки, пе­рестройки «на ходу» даст возможность создавать в будущем машины, сопоставимые по своей надежности с мозгом?
И вот что еще следовало бы перенять у нервной системы. Отдельные узлы машины должны быть доста­точно самостоятельными, но относительная самостоя­тельность узлов должна объединяться и подчиняться высшим регуляторам системы. При этих условиях под­чиненные регуляторы будут работать даже при выходе из строя высших».
Как видите, сегодня физиолог дает инженерам, твор­цам электронных систем, замечательные идеи и даже рекомендует готовые методы повышения надежности вычислительных и управляющих машин. Союз физио­логии и электроники, осуществляемый бионикой, с каждым днем делается все более плодотворным. Ярким примером тому служит успешное изучение и исполь­зование выработанных природой методов достижения высокой структурной надежности. Хотя здесь сделаны лишь первые шаги, но они привели к созданию «три­плетов» — строенных элементов, действующих по мето­ду «голосования», при котором характер выходного сигнала (0 или 1) соответствует характеру сигналов на большинстве выходов. При таком методе резервиро­вания система сохраняет работоспособность при вы­ходе из строя части логических элементов.
Допустим, что мы имеем систему, в которой только три логических элемента; тогда для ее выхода из строя необходимо, чтобы отказали по крайней мере два из трех элементов. Этот же принцип можно распростра­нить на любое число нечетных логических элементов. Если в системе используется, например, пять логиче­ских элементов, включенных параллельно, то специаль­ное устройство, которое называется мажоритарным элементом *) и выполняет роль «судьи», будет выдавать решение по сигналам трех или большего числа логи­ческих элементов. И если даже откажут два из пяти элементов, устройство все же будет продолжать рабо­тать. В общем случае включается 2п -\- 1 логический элемент параллельно, а мажоритарный элемент прини­мает решение по сигналам не менее чем п -f- 1 элемента. Чтобы такая система отказала, надо, чтобы отказал по крайней мере п-\-\ логический элемент.

*) Мажоритарный элемент включается на выходе группы одинаковых логических элементов и производит выбор выход­ных значений по большинству. Чтобы избежать неопределенности в решении задачи выбора правильного сигнала, количество вхо­дов в мажоритарный элемент должно быть нечетным.
Этот принцип «голосования по большинству» чрез­вычайно ценен в тех случаях, когда в логических уз­лах системы могут возникать какие-то неисправности, искажающие информацию (узел работает, но работает неправильно). Так, например, к качеству передачи срочных и важных цифровых данных, поступающих от электронных вычислительных систем, предъявляются очень жесткие требования. Достаточно сказать, что в этой информации допускается не более чем 1 ошибоч­ный знак на 10 миллионов переданных, т. е. вероят­ность ошибки при передаче должна быть практически сведена к нулю. Мажоритарный принцип резервирова­ния открывает широкие возможности для создания самоприспосабливающихся устройств. В этих устрой­ствах после отказа одного логического узла происходит самовосстановление системы, при котором отдельные логические узлы принимают на себя функции вышед­шего из строя и их действие оптимизируется. Други­ми словами, система самоприспосабливается к возни­кающим в ней отказам подобно тому, как это проис­ходит в живых организмах.
В настоящее время разработан ряд схем резервиро­вания с соединениями, очень похожими на соединения нейронов. В них для обеспечения такой же надежности, как у обычных схем, требуется в 200 раз (!) меньше компонент, причем надежность последних может быть в 10 раз меньше! По литературным данным, одна из экспериментальных моделей, построенная по принципу, напоминающему принцип соединения нейронов в жи­вых организмах, надежно работала при отказе 50% составляющих ее компонент.
Помимо проблемы надежности в радиоэлектронной промышленности имеется еще ряд жизненно важных задач, ждущих своего разрешения. В основном они сводятся к необходимости резкого увеличения выпуска и снижения себестоимости радиоэлектронных си­стем, уменьшения их габаритов, веса и потребляемой мощности. Говоря языком цифр, ученым и инженерам предстоит в ближайшие 15 — 20 лет увеличить объем производства радиоэлектронных устройств не менее чем в 6 раз по сравнению с достигнутым ныне уровнем, уменьшить их размеры, вес и потребление энергии в 100-1000 раз!
На человека, не посвященного в современные проб­лемы радиоэлектроники, приведенные цифры могут произвести ошеломляющее впечатление. Зачем, напри­мер, увеличивать выпуск радиоэлектронной аппаратуры в 6 раз, когда и так наша радиоэлектронная промыш­ленность развивается вдвое быстрее, чем все промыш­ленное производство страны? Или зачем уменьшать га­бариты, вес и потребляемую мощность радиоэлектрон­ных устройств в 100—1000 раз, когда радиоприемники уже уменьшились до карманных размеров и потребля­ют мизерное количество электроэнергии? Попытаемся кратко ответить на эти вопросы.
Расчеты показывают, что при сохранении существу­ющего уровня технической оснащенности сферы пла­нирования, управления и учета в 1980 г. потребовалось бы занять в этой сфере заметную часть взрослого на­селения Советского Союза. А если бы мы сохранили современный технический уровень в сфере производ­ства, то в 1980 г. нам пришлось бы привлечь к работе во всех отраслях народного хозяйства не менее 400 мил­лионов рабочих. Поскольку это практически неосу­ществимо, надо искать иные пути резкого повышения производительности труда. Огромными потенциальными возможностями в решении этой важнейшей государ­ственной задачи располагает электронная техника. По­этому вполне естественно, что объем выпуска радио­электронной аппаратуры должен из года в год резко увеличиваться.
Теперь о проблеме уменьшения габаритов и веса электронной аппаратуры.
Многие радиоэлектронные устройства, которые мож­но было бы с большим успехом применять в народном хозяйстве, в оборонной технике, не изготовляются только потому, что они очень громоздки, не вписыва­ются в отводимые для них места и очень тяжелы. Луч­ше всего это знают конструкторы всевозможных лета­тельных аппаратов — самолетов, искусственных спутни­ков, космических кораблей. Известно ли вам, например, сколько насчитывается различных деталей в радиоэлек­тронной аппаратуре, установленной на современном тяжелом самолете? Более 150 тысяч штук! На рис. 13 показан рост числа деталей, используемых в электрон­ных системах американских самолетов-бомбардировщи­ков, за 25 лет. В конце второй мировой войны на само­летах В-17 и В-29 применялась аппаратура, состоявшая из 1000 — 2000 электронных деталей. Ныне на самоле­тах В-70 число их возросло до 150 000! Для того чтобы поднять в воздух 1 кг самолетного оборудования, нуж­но на 10 — 20 кг увеличить взлетный вес самолета. Еще хуже выглядит это соотношение для космических ра­кет. По американским данным, отношение веса систе­мы разгона космического корабля к полезному гру­зу, запускаемому в кос­мос, составляет 1000 : 1!
Таким образом, чем легче и компактнее элек­тронные устройства, уста­навливаемые на искус­ственных спутниках, тем больше полезной инфор­мации можно получить из космоса, не увеличивая мощности ракетных дви­гателей. Не менее важно и другое. От уменьшения размеров электронной аппаратуры в большой степени зависит также повышение ее надежно­сти, ибо хорошо известно, что малогабаритные кон­струкции значительно лучше противостоят ударной и вибрационной нагрузкам, чем крупногабаритные. Все дело в том, что силы, создаваемые ускорением, пропор­циональны массе того тела, к которому они приложены. А масса в свою очередь пропорциональна кубу среднего размера тела. При уменьшении размера электронного устройства его масса уменьшается очень существенно и система становится более устойчивой к силам, возни­кающим при ускорениях.
Уменьшить габариты и вес современной электрон­ной аппаратуры в 100—1000 раз — дело, конечно, нелег­кое. Но добиться этого ученые и инженеры обязаны. Иначе ею нельзя будет оборудовать космические ко­рабли для полетов человека на Луну, Марс и Венеру. Ведь на таких кораблях будет очень много электронной аппаратуры: установки для связи с Землей, локаторы, счетно-решающие устройства для вычисления траекто­рии полета, установки, поддерживающие нормальные условия для жизнедеятельности экипажей, и т. д.
Иначе сотни тысяч вычислительных устройств, ко­торые будут созданы в течение ближайшего десятиле­тия, потребуют нерационально больших помещений.
Иначе электроника не сможет занять подобающее ей место в нашей будущей жизни: из-за громоздкости электронной аппаратуры она окажется неприемлемой на производстве, на транспорте, в медицине, в быту.
Не менее остро стоит сейчас вопрос о резком сни­жении мощности, потребляемой радиоэлектронной ап­паратурой. Важность этой проблемы видна хотя бы из того, что для питания выпускаемых ежегодно в нашей стране телевизоров и радиоприемников нам требуется каждый год три новых Днепрогэса! И еще пример. Дальнейшее изучение космоса требует запуска искус­ственных спутников, которые вращались бы вокруг Земли в течение 5—10 лет. Для обеспечения пита­нием электронной аппаратуры спутников в течение столь длительного времени необходимо, чтобы потреб­ляемая ею энергия исчислялась не ваттами, а милливат­тами.
По какому же пути следует идти, чтобы достигнуть резкого увеличения объема производства, снижения стоимости, уменьшения габаритов, веса и потребляемой мощности электронной техники? Магистральной доро­гой комплексного решения всех этих задач служит микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры.
Микроминиатюризация — принципиально новый ме­тод разработки и изготовления радиоэлектронных си­стем. В ее основе лежит модульная система конструи­рования, заимствованная из отечественной строительной техники. В строительстве этот метод конструирования заключается в выборе и взаимоувязке размеров зда­ний и их элементов (ширина и длина помещений, высота этажей, высота и ширина оконных и дверных проемов и т. д.), а также размеров выпускаемых про­мышленностью строительных деталей, материалов и оборудования зданий. В соответствии с этим же мето­дом выбираются и размеры мебели. Основным требо­ванием модульного метода является кратность всех но-

минальных размеров регламентированной единице из мерения, называемой модулем (в СССР в строительстве принят модуль, равный 100 мм). Главная цель, которую преследует модульная система, — это содействие типиза­ции и стандартизации в проектировании и производст­ве, способствующим механизации и автоматизации, снижению стоимости и сокращению сроков строитель ства.
Радиоэлектронная аппаратура также может констру­ироваться в виде модулей, т. е. узлов стандартных размеров, кратных определенной единице измерения. Модули могут состоять из различных радиодеталей и выполнять различные рабочие функции (генератора, усилителя, триггера и т. д.). В зависимости от харак­тера применения электронной аппаратуры, отводимого для нее пространства на объекте установки и от окру­жающих условий работы модульные функциональные узлы могут иметь различную форму, но для конкретной аппаратуры узлы изготовляются по однотипной кон­струкции.
Широкому использованию принципов модульного конструирования в радиоэлектронике в большой сте­пени способствовало появление полупроводников и ос­воение техники печатного монтажа. Применение мо­дульного конструирования, использование миниатюр­ных полупроводниковых приборов, разработка новых технологических приемов монтажа позволили резко, в 5—10 раз, повысить плотность «упаковки» радиодета­лей в функциональных узлах электронной аппаратуры. Там, где еще недавно радиотехника удовлетворялась размещением 0,2 — 0,3 детали в 1 смъ объема и считала это пределом плотности монтажа, стала возможной ус­тановка 1,5 — 3 деталей. Самое же главное заключается в том, что новый метод конструирования функциональ­ных узлов и печатный монтаж впервые позволили ме­ханизировать и частично автоматизировать сборку ра­диоэлектронных устройств, уменьшив ее трудоемкость по сравнению с традиционным навесным монтажом в 10 и более раз! Таким образом, метод модульного кон­струирования, создание полупроводниковых приборов и использование печатного монтажа положили начало миниатюризации, механизации и автоматизации произ­водства радиоэлектронных устройств.
Около десяти лет назад у слова «модуль» появилась приставка «микро». Микромодуль — это функциональ­ный узел, элементом которого является стандартная плоская керамическая пластинка — галета размером 9,6X9,6X0.25 мм. На такой пластинке можно размещать различные радиодетали, например: четыре сопротивле­ния (до 1 Мам), конденсаторы, в том числе электроли­тические, кварцы для стабилизации частот (начиная с 7 Мгц), катушки индуктивности (от долей микрогенри до 10 Мгн), транзисторы, диоды и другие полупровод­никовые приборы (рабочая часть их размещается меж­ду двумя тонкими галетами), электромеханические фильтры, а также другие детали — подстроечные кон­денсаторы и т. д. Производство микроэлементов, сборка их в пакеты (их спаивают проволочками, образуя по­добие «этажерки»), настройка и последующая гермети­зация (их заливают «намертво» специальным, очень прочным составом) осуществляются машинами-автома­тами. Высота микромодулей, собираемых на квадрат­ных пластинках, может быть различной и зависит от схемы. Максимальная рассеиваемая мощность составля­ет 1—2 вт на каждый микромодуль. Два-три таких ку­бика-микромодуля размером в 1 — 2 сж\ установленные на общей плате из диэлектрика и электрически соеди­ненные друг с другом печатными проводниками, образу­ют радиоприемник, передатчик, телевизор и другие ра­диоэлектронные устройства.
Электронные системы в микромодульном исполне­нии обладают хорошей механической прочностью, они легки и компактны. В каждом кубическом сантиметре микромодуля помещается от 15 до 25 радиоэлементов. Это значит, что в таком функциональном узле можно достичь почти в 10 раз большей плотности монтажа, чем в печатных схемах, и примерно в 100 раз превысить плотность классического, навесного, объемного монта­жа обычных радиодеталей. Наглядное представление о том, насколько микромодули позволяют уменьшить размеры и вес радиоэлектронной аппаратуры, могут дать следующие примеры. В чехословацком Научно-ис­следовательском институте техники связи им. А. С. По­пова создан малогабаритный чувствительный радиове­щательный супергетеродинный приемник. Он состоит из 7 микромодулей и имеет размеры 92X72X32 мм, ко-

торые определяются в основном габаритами громкого­ворителя, переменного конденсатора и четырех миниа­тюрных батарей. Его выходная мощность равна 100 мет. Недавно разработан образец радиоприемника на 5 микромодулях (каждый объемом 1,64 см3). По своим размерам он не больше авторучки, весит 62 г, а по ка­честву не хуже обычного лампового приемника сред­него класса, который мы с трудом поднимаем двумя руками. Объем индикатора навигационного устройства, выполненного на микромодулях, в 100 раз меньше, чем при использовании ламп, а потребление мощности — в 6 раз меньше. Американская аппаратура для высокоча­стотной телефонии AN/TCC13, собранная на электрон­ных лампах с применением объемного монтажа, весила 540 кг и занимала объем 1100 дм3. Новая аппаратура на транзисторах AN/TCC26, имевшая такие же парамет­ры, весила всего 31 кг и имела объем 68,5 дм3. Такая же аппаратура на микромодулях имеет вес 1,35 кг и объем 1,93 дм3. И последний пример. Электронное устройство размером в комнату в микромодульном исполнении за­нимает объем портативной пишущей машинки.
А какова надежность микромодулей? Инженеры мо­гут гордиться: у современных микромодульных радио­электронных систем она в 60 раз выше, чем у лампо­вых устройств, и в 5 раз выше надежности приборов, собранных на полупроводниках. Практически это озна­чает, что микромодульная радиоэлектронная аппарату­ра может безотказно проработать десяток лет, а затем раньше, чем она выйдет из строя, ее спишут, как мо­рально устаревшую.
Микромодули получили широкое применение в уст­ройствах для высокочастотной телефонии, а также в различных устройствах импульсной техники: в вычисли­тельных машинах, коммутаторах и т. п. Особенно вы­годно их применение в импульсной технике, например в радиолокационном оборудовании. Здесь в основном используются элементы, которым можно придать прак­тически плоскую форму (сопротивления, конденсато­ры, транзисторы, диоды), и отпадает необходимость в применении таких «объемных» деталей, как катушки индуктивности. При этом степень механизации и ав­томатизации производства аппаратуры резко повы­шается.
Но не успели создатели микромодулей закрепить за собой почетные титулы основоположников и зачина­телей микроминиатюризации радиоэлектронной аппа­ратуры, как ученые перешли к молекулярной электро­нике (молектронике). Важнейшей вехой на пути разви­тия этого нового направления в конструировании и производстве электронной техники явились тонкопле­ночные схемы, или, как их часто называют, микро­схемы.
Техника пленочных схем имеет много чрезвычайно важных достоинств. Она позволяет в значительно боль­шей степени, нежели микромодули, микроминиатюри-зировать радиоэлектронные устройства и повысить их надежность. Другое замечательное свойство пленочной микроэлектроники — возможность создания микросхем в едином технологическом процессе.
Тонкопленочные схемы изготовляют в сверхчистой среде — специальном высоковакуумном агрегате, рабо­тающем при давлении порядка одной десятимиллион­ной доли атмосферы. Весь процесс основывается на термическом испарении различных материалов или их распылении при помощи ионной бомбардировки (для сопротивлений используется тантал, нихром, вольфрам и т. п., для изоляции — моноокись и двуокись кремния, сульфид цинка и некоторые сложные стекла, для ди­электрика конденсатора — моноокись кремния, фториды церия и др.; для проводников — алюминий, серебро, зо­лото и др.) и последующем осаждении в виде тончай­ших пленок на нагретую до определенной температуры полированную подложку, изготовляемую обычно из ке­рамики, стекла или ситалла.
Так путем последовательного напыления на под­ложку через маски (трафареты) тонких слоев различ­ных материалов можно сформировать любой электрон­ный блок, по своей структуре похожий на слоеный пирог. Один из слоев может содержать микросопротив­ления, несколько следующих — микроконденсаторы, определенные слои могут нести соединительные схемы и другие элементы. Количество слоев и возможность сочетания различных материалов целиком зависят от совершенства технологических методов и наших знаний физики тонких пленок. Сейчас уже можно создавать из различных материалов двадцатислойные пленочные структуры, обеспечивающие высокое быстродействие микросхем.
Ярким примером, иллюстрирующим возможности пленочной электроники, служит отечественный микро­приемник «Микро», построенный по схеме прямого усиления, с автоматической регулировкой громкости. Он работает в двух диапазонах — на средних и на длинных волнах. Приемник изготовлен на основе сверхсовре­менной пленочной технологии. Размеры этого шести-транзисторного приемника — 42X28X6 мм, вес— 18 г. Приемник прикалывается к платью булавкой, как брошь. Да, он выглядит нарядной безделушкой — на­много меньше спичечного коробка и тоньше многих на­ручных часов. Пленочная схема приемника напоминает абстрактную картинку размером с почтовую марку, за­мысловатый рисунок ее скрывает около 30 конденсато­ров и сопротивлений и не один десяток соединительных проводов. Когда смотришь на это чудо микроэлектрони­ки, невольно вспоминается лесковский тульский ору­жейник, сумевший подковать блоху. Кажется, ничего не может быть меньше, компактнее, миниатюрнее этого поистине ювелирного изделия, ничего не может быть совершеннее его. Но...
В еще большей степени, нежели пленочные схемы, проблему микроминиатюризации радиоэлектронной ап­паратуры позволяет решить «планарная» технология из­готовления твердых, или, как их еще называют, интег­ральных схем. Твердые схемы — прямые потомки полу­проводниковых триодов и диодов. Размеры кристаллов, которые применяются в полупроводниковых прибо­рах,— примерно порядка 1 мм. Но работает в таком кристалле практически лишь небольшой слой толщиной в несколько микрон — так называемый р — тг-переход, т. е. район, где смыкаются две зоны кристалла с раз­личной проводимостью — дырочной, положительной (р — positiv), и электронной, отрицательной (п — nega-tiv). В твердых же схемах с помощью очень тонких и сложных технологических приемов в одном кристалле создают десятки подобных р — n-переходов, выполняю­щих обязанности диодов, транзисторов, конденсато­ров, сопротивлений и др. Выражаясь техническим язы­ком, интегральная схема — это «микроминиатюрная структура, в которой многочисленные радиоэлементы



кремния образуется область с электронной проводимо­стью — эмиттер. Следующая операция заключается в удалении окисла с части эмиттерной и базовой областей для выполнения омических контактов. Наконец, в ре­зультате последней операции также методом фотолито­графии создают необходимую систему металлизирован­ных выводов.
Вероятно, если бы лесковскому Левше довелось се­годня познакомиться с изящностью методов планарной технологии и виртуозным мастерством инженеров по созданию твердых схем, великий умелец не поверил бы глазам своим. Да и у нашего современника, в течение многих лет привыкшего к так называемому классиче­скому, навесному, монтажу, в плену которого радиотех­ника находилась не один десяток лет, результаты, по­лученные на интегральных схемах, с большим трудом укладываются в сознании. Согласитесь, что нелегко представить себе усилитель низкой частоты мощностью в 5 вт, размером с копейку или кремниевую пластинку диаметром с наручные часы, на которой сформированы одновременно 65 твердых схем, каждая из которых со­держит 15 транзисторов, 7 диодов, 15 сопротивлений и целый лабиринт соединений! В результате замены обыч­ных деталей интегральными микроузлами объем аме­риканских электронных счетных машин для управле­ния снарядами удалось уменьшить в 66 раз, а вес — в 23 раза.
Наряду с резким уменьшением габаритов и веса радиоэлектронной аппаратуры, интегральные схемы поз­воляют успешно решить и такую фундаментальную за­дачу электроники сегодняшнего и завтрашнего дня, как повышение надежности. Ведь в твердых схемах отсут­ствуют соединения цепей, выполненные с помощью пайки,— один из самых ненадежных элементов радио­электронных систем. Согласно одному подсчету, в 1960 г. в электронной вычислительной машине, рабо­тающей на лампах, повреждение возникало один раз в 8,65 час. В 1964 г., после перехода на электронные вы­числительные машины на транзисторах, число аварий сократилось до одного случая в 74 час. Применение интегральных схем дает еще большие преимущества. В 1965 г., когда были применены первые интегральные

схемы, в работающей на них электронной вычисли­тельной машине одно повреждение приходилось на 1650 час работы. Предполагается, что к 1970 г. длитель­ность безаварийной работы достигнет 12 400 час.
Одним из важнейших достоинств интегральных схем является то, что они позволяют резко снизить пот­ребляемую мощность. Ниже приводится таблица, по­казывающая улучшение важнейших параметров усили­тельного каскада при его переводе на твердые схемы.
Таблица 3


Исполнение



на лампа*
ча транзисто­рах
на твердых сх е м ал"
Частота отказов на 100 час Объем схемы, см3 .... Потребляемая мощность,
0,1 65 26
5
0,05 16,2 7
0,75
0,007 0,016 0,02
0,06
Сейчас в твердых
схемах достигнута

<< Предыдущая

стр. 11
(из 12 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>