Журнал «Знание-сила» - Знание - сила, 1998 № 05(851)

А что до опытов Сида — поживем, увидим. •

«Пошли», — зычным голосом командует испытатель в микрофон. Осциллограф перед ним отзывается прямой зеленой линией на верху экрана. «Стоп» — и линия мгновенно падает вниз. Никаких чудес тут нет: между микрофоном и осциллографом расположена несложная электрическая сеть, способная различать два этих слова, она выдает 5 вольт на «пошли» и отключает их на «стоп».

Не было бы ничего странного в подобном умении микросхемы, но наш случай — необычный: исследователь Адриан Томпсон не тает. как работает его устройство. Он не может спросить об этом у конструктора, поскольку никакого конструктора не было. Эта электронная схема возникла из «первичного супа» силиконовых деталей в результате естественною отбора.

Томпсон старается сконструировать обычные работающие электрические схемы, но из гораздо меньшего числа деталей (раз в десять), чем это делают конструкторы. Его эксперименты начались всего четыре года назад (и пока принесли ему только степень доктора философии), но уже привлекли к себе большое внимание представителей самых разных областей — изготовителей микросхем, конструкторов спутников и роботов. Все они заинтересованы в миниатюризации своих приборов. Кроме этого, эксперименты Томпсона ставят своей целью понять, может ли идти технологическая эволюция без участия человека.

Компьютерные эксперты всегда обращались к биологии за вдохновением. Упрошенную модель мозга они взяли за образец для нейронных сетей, которые оказались весьма перспективным направлением при распознании образцов подписи на кредитных карточках и отпечатков пальцев. Они также выработали способы для скрещивания и сопряжения программ с их последующей конкуренцией, чтобы создавать наиболее подходящее математическое обеспечение для решения конкретной задачи. Подобные «генетические алгоритмы» используются для разработки программ, которые умеют делать очень многое — от создания произведений искусства до выбора оптимальной стратегии на рынке акций.

Все компьютеры основаны на комбинации последовательностей нулей и единиц, а состоят они из транзисторов, работающих просто ключами с двумя положениями. При этом все забывают, что между «1» и «0» транзистор проходит непрерывную вереницу значений. Да и программисты замкнуты на цифровой природе компьютеров: программа — это последовательность логических инструкций все для тех же нулей и единиц. А Томпсон решил убрать вес ограничения и попытаться применить законы эволюции непосредственно к электронным чипам. Будет ли эволюция в мире силикона идти тем же путем, что и в органическом мире? Наиболее подходящими объектами для подобного эксперимента оказались «программируемые массивы переключателей» (FPGA — field- programmable gate array).

В прошлом веке монах Мендель скрещивал бобовые растения, в нашем — Мичурин делал опыты на плодовых деревьях, селекционеры в разных странах выводят новые породы животных, сочетая выбранные качества родителей. А можно ли проводить отбор и скрещивание транзисторов и других электронных приборов? Звучит фантастично, но опыты уже начались...

Транзисторы в обычном микропроцессоре соединены в логические цепи, выполняющие математические операции. В случае FPGA взаимосвязи между элементами могут изменяться по желанию. В них загружается специальная программа, которая организует схему связей. Изменяя программу, можно получить совершенно другой чип — от усилителя до модема.

Именно в такой схеме Томпсон решил применить генетический алгоритм и посмотреть, что за схемы получатся. При этом он поставил задачу, в принципе невыполнимую для конструктора-человека: всего из сотни логических элементов создать схему, способную различать частоту в один и десять килогерц.

Томпсон создал 50 программ, состоящих из последовательности нулей и единиц, и вводил их в компьютер. После этого он проверял, как образовавшаяся электрическая схема разделяет разные частоты. В первом поколении самым лучшим результатом стал устойчивый сигнал 5 вольт независимо оттого, что было подано на вход. После проверки и выбора «лучших представителей» Томпсон «скрещивал» программы и проводил в них «мутации». Скрещивание — это просто соединение половины одной программы с половиной другой. Мутация — это перестановка одной из пар «0» и «1» местами. После этих «эволюционных» шагов процесс повторялся.

В поколении 220 лучший образец выдавал на выходе сигналы, аналогичные тем, что подавались на вход — волны в 1 и 10 килогерц, — до желаемого результата явно было далеко. К поколению 650 входной сигнал частотой в 1 килогерц давал почти то, что нужно. — высокий уровень на выходе, а 10 килогерц проходил до выхода без изменения. После 1400 поколений выходной сигнал был, как правило, выше для одного входа, чем для другого. В поколении 2800 два сигнала уверенно различались, но выходные имели некоторые неровности и лишь в 4100 все уже было идеально. После того как удалось получить схему, различающую две частоты, нет никаких преград на пути к различению слов «пошли» и «стоп».

Одним из очень важных элементов традиционного компьютера всегда служат внутренние часы, которые задают единый ритм всему происходящему. А схема Томпсона совершала все свои эволюции и последующие действия безо всяких часов. Как же шел этот необычный процесс?

Исследуя конечную схему, Томпсон обнаружил, что входной сигнал многократно путешествует по сложной схеме колец обратной связи. Он предположил, что. может быть, в этих кольцах создается задержанный сигнал, чтобы потом его сравнивать с другим. «Но, честно говоря, у меня нет ни малейшего представления, как он работает на самом деле», — признается Томпсон. Нет сомнения лишь в том, что FPG А работают аналоговым образом: вплоть до самых последних поколений на выход выдавался сигнал, аналогичный входу, а не сочетание нулей и единиц.

Томпсон пришел и еще к нескольким неожиданным выводам: из с га ячеек в его схеме лишь тридцать две работал и активно, а остальные можно было безболезненно заменять обычным проводом. Было пять и вовсе странных ячеек: не было никакого прямого пути их соединения с выходом, но при их отключении схема переставала работать. Впечатление такое, что эволюция использовала некоторые физические параметры ячеек — емкость или индуктивность, чтобы влиять на проходящий неподалеку сигнал.

После первого успеха Томпсон решил добиваться температурной стабильности своих схем, поскольку в зависимости от температуры физические свойства ячеек могут существенно меняться, а часов, задающих ритм работы, у него не было. Пока его схемы работали лишь при температуре выше 10 градусов, а традиционные компьютеры способны выдержать гораздо более широкий диапазон температур — от минус 20 до плюс 80.