пятница, 5 декабря 2008 г.

Мнемология и кибернетика

В данной статье приводится вводная глава из книги Крайзмера, посвященная памяти кибернетических систем и собственно обоснованию нового учения мнемологии. Судя по частоте употребления данного термина (мнемология) он не прижился. Но тем не менее я выстроил свою мнемологию почти также как и Крайзмер, только в более узком понимании (сравните схему на рис. 1.3 со схемами приведенными в Основных процессах памяти). В связи с этих есть смысл уточнить термин мнемология. В нашем понимании мнемология (или вернее мнемоническая мнемология) есть учение о сознательной организации содержания памяти человека. Очевидно, что мнемоническая мнемология будет подмножеством общей кибернетической мнемологии.

Крайзмер «Пямять кибернетических систем».
Глава 1. Введение


1.1. Роль памяти в кибернетической системе

Кибернетика, являющаяся наукой об общих принципах и закономерностях управления и передачи информации в технических устройствах, живых организмах и их объединениях, привлекала в течение двух истекших десятилетий все возрастающий интерес специалистов различных отраслей знаний — инженеров и философов, математиков и биологов, экономистов и филологов, искусствоведов и врачей. Столь широкую популярность эта наука, основные положения которой были сформулированы в 1948 г. американским ученым Н. Винером в книге «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине», приобрела в связи с тем, что с процессами управления мы сталкиваемся непрерывно и в своей трудовой деятельности, и при изучении функционирования живых организмов, и при создании современных все усложняющихся инженерных систем, и при организации взаимодействия коллективов людей.

К широкому классу систем, которые можно назвать кибернетическими, относятся системы, состоящие из весьма большого числа элементарных звеньев и характеризующиеся системой управления со сложным поведением и сложной структурой потоков информации. Такими системами являются современные сложные вычислительные машины и машинные комплексы, системы автоматического управления, включающие в себя вычислительные машины, биологические системы управления различных уровней — от простейших организмов до человека, системы управления типа «человек — машина», социальные и экономические системы управления.

Одним из важнейших свойств любой кибернетической системы (технической, биологической, социальной), без которого немыслимо ее целесообразное функционирование, является способность системы к накоплению и хранению информации, т. е. наличие у нее памяти.

Употребляя термин «память», заимствованный из психологии, мы будем в дальнейшем трактовать его значительно более широко, чем это делали психологи. В определении, приведенном в Большой советской энциклопедии, говорится: «Память — запечатлевание, сохранение в мозгу, узнавание и воспроизведение того, что ранее человек воспринимал, переживал, делал, думал. Благодаря наличию памяти становится возможным накопление опыта, его сохранение и использование. Нормальная работа памяти служит необходимым условием единства психической жизни человека, единства его личности».

Исходя из этой концепции, даже процессы восприятия и фиксации информации животными, в том числе и высшими животными, не могут быть определены как процессы памяти, само понятие которой однозначно связывается с человеком. Однако в ряде работ выдающихся физиологов рассматриваются свойства и закономерности памяти животных. Сошлемся хотя бы на исследования в этой области академика И. С. Бериташвили.

Хотя механизмы фиксации информации в различных кибернетических системах резко отличаются друг от друга и, строго говоря, термин «память» в его начальном понимании тесно связан с психологией, в дальнейшем изложении из соображений удобства, во-первых, и исходя из стихийно сложившегося в биологии и технике словоупотребления (генетическая память, память вычислительной машины и т. д.), во-вторых, будем пользоваться расширительным толкованием слова «память».

Условимся называть памятью совокупность процессов и механизмов, определяющих способность организованной материи селективно фиксировать и сохранять во времени следы информационных внешних воздействий и при определенных условиях полностью или частично воспроизводить эти следы.

Говоря о роли памяти в функционировании кибернетической системы, необходимо подразделить память на несколько категорий.

Одна из них — генетическая память, в которой зафиксирована информация, предопределяющая структуру кибернетической системы еще до возникновения последней. В генетической памяти живых организмов, сосредоточенной в зародышевых клетках, хранится наследственная информация, определяющая вид и ряд особенностей организма, который из этой клетки должен развиться. Аналогом генетической памяти в технике можно считать проект, схему конструкции будущего агрегата, заключенные в чертежах его разработчика.

Следующей категорией памяти является «врожденная» память. В ней при создании кибернетической системы фиксируется информация, определяющая первоначальные реакции системы на внешние воздействия, т. е. свойственное данной системе «врожденное» поведение. В живых организмах врожденная память представлена комплексом безусловных рефлексов и инстинктов — закономерных сложных врожденных актов поведения животного организма в ответ на изменения внешней и внутренней среды. В кибернетических машинах аналогом врожденной памяти является постоянная память, в которую при создании машины записывается программа, определяющая порядок дальнейшей обработки информации машиной.

Еще одной, наиболее гибкой категорией памяти является прижизненная память, в которой происходит накопление информации в процессе функционирования системы и ее взаимодействия с окружающей средой. Эта память является основой обучения, приспособления и самоорганизации естественных (биологических) и искусственных (технических) кибернетических систем. Накопление системой новой информации обусловливает изменение поведения системы по сравнению с «врожденным» поведением. Ввод информации в кибернетические машины может происходить либо в «принудительном» порядке в определенные интервалы времени (с перфокарт, перфолент и т. д.), либо система может самопроизвольно в определенных границах, заданных характеристиками ее датчиков, воспринимать внешнюю информацию. Также и человек может воспринимать информацию о внешней среде непроизвольно (различные непредусмотренные им заранее внешние воздействия, впечатления и т. д.), либо целенаправленно (чтение, слушание лекций, заучивание материала и т. д.).

В социальных системах поведение групп людей и поколений также обусловлено информацией, заимствованной от других групп или унаследованной от предшествующих поколений, и непрерывно модифицируется в процессе взаимного обмена и прогресса. Однако отличие состоит в том, что появление нового человека или новой технической системы как самостоятельной единицы может быть относительно четко фиксировано во времени, тогда как человеческие сообщества и коллективы, как правило, трансформируются одно в другое постепенно, границы между ними «размыты» и соответственно наследование ими информации представляет собой также растянутый во времени, «размытый» процесс.

1.2. Мнемология — общее учение о памяти

Аналогии в трактовке и изучении проблем памяти качественно различных кибернетических систем представляют интерес не только с точки зрения роли памяти в их функционировании, но и для исследования механизмов, лежащих в ее основе. Особенно плодотворными эти аналогии могут явиться в отношении сравнительного изучения механизмов памяти кибернетических машин и живых организмов. Еще Винер отмечал, что «... проблема объяснения природы и разновидностей памяти у животных находит параллель в задаче создания искусственных органов памяти для, машин».

Успехи в разработке теории и конструировании технических запоминающих устройств (ЗУ) позволили подойти к обоснованию гипотез функционирования биологической памяти с инженерно-математических позиций. С другой стороны, возможности математического и физического моделирования нейронов и нервных сетей облегчили задачи проверки этих гипотез и явились мощным средством дополнения и корректировки данных непосредственного нейрофизиологического эксперимента.

Исследования механизмов памяти живых организмов играют чисто познавательную роль, а также имеют существенное практическое значение не только для медиков, но и для инженеров-кибернетиков. Последние рассчитывают и в этой области на реализацию возможностей бионического моделирования, т. е. использования знания процессов и механизмов памяти животных и человека для усовершенствования и создания новых видов ЗУ кибернетических машин.

Комплексное изучение памяти во всех ее проявлениях позволило накопить значительное количество теоретических и экспериментальных материалов, объединяемых в специальную отрасль кибернетики — мнемологию (учение о памяти). Корень слова «мнемология» происходит от имени Мнемосины или Мнемозины — в греческой мифологии богини памяти, матери девяти муз (мнемонид), рожденных ею от Зевса.

Какова же основная проблематика миемологии как общего учения о памяти кибернетических систем? Она состоит в следующем:

1) решение вопроса об общих принципах механизма воздействия сигнала, несущего информацию, на запоминающую среду и фиксации его в той или иной форме в этой среде;

2) сравнительное изучение характеристик и параметров памяти различных уровней разных кибернетических систем;

3) исследование материального субстрата памяти, а именно возможностей накопления информации непрерывной вещественной средой или дискретными запоминающими элементами;

4) организация накопителей информации, т. е. определенная система коммутации или установления связей между отдельными запоминающими элементами и их ансамблями, а также между ними и входами и выходами всего блока памяти, обеспечивающая возможности ввода и воспроизведения информации;

5)организация связей между отдельными блоками памяти и объединение их в систему и исследование взаимодействия, соподчиненности и иерархии внутри системы;

6) разработка методов размещения информации в памяти при записи и (поиска ее при воспроизведении;

7) решение вопросов надежности функционирования системы памяти.

Разумеется, сфера интересов мнемологии не ограничивается только этими вопросами — здесь сформулированы лишь наиболее важные и крупные общие проблемы учения о памяти кибернетических систем.

1.3. Принципы накопления информации

Любую систему, способную воспринимать и выдавать информацию, или, точнее, сигналы, несущие информацию, можно представить в виде «черного ящика» А, имеющего по крайней мере один вход и один выход (рис. 1.1). В общем случае количество входов и выходов может быть неограниченно большим.


Рис. 1.1. Система, передающая информацию

Пусть на вход системы подается некоторое, изменяющееся во времени, воздействие (сигнал) fвх(t). Система реагирует па это воздействие появлением на ее выходе сигнала fвых(t+т), который обязательно будет запаздывать по отношению к входному сигналу на некоторое время х задержки в системе и обязательно подвергнется некоторой модификации. Условием возможности использования системы А для передачи информации является, очевидно, наличие между функциями fвх(t) и fвых(t+т) связи функционального или хотя бы корреляционного характера. Модификация сигнала может носить характер искажений той или иной природы, но может представлять собой и полезный процесс, например усиление, оптимальную фильтрацию и т. д.

Итак, практически всегда


В ряде случаев это неравенство отражает просто факт искажения, свойственного любой передающей системе, причем мерилом ее работоспособности является соблюдение равенства


где I — смысловое содержание информации, заключенной соответственно во входном и выходном сигналах и доступной к выделению из выходного сигнала.

Это общее описание в равной степени справедливо для любой системы передачи и хранения информации. Действительно, любой канал связи обеспечивает связь между его входом и выходом, но наряду с этим в течение более или менее длительного интервала времени, определяемого длиной канала и его физическими свойствами, задерживает в себе, «хранит» информацию. Здесь время задержки т является, как правило, нежелательным свойством канала и должно быть, по возможности, минимизировано. С другой стороны, любое устройство хранения информации можно рассматривать как канал связи, также осуществляющий передачу информации со входа на выход, но одновременно обеспечивающий задержку этой информации на некоторое, желательно регулируемое и в принципе сколь угодно длительное время, которое; можно назвать временем хранения информации.

Рассмотрим вопрос о возможных путях реализации функций записи, хранения и воспроизведения информации материальной системой, представляющей собой множество элементов а, б, в, ..., связанных некоторым образом между собой (рис. 1.2). Связи между элементами могут быть осуществлены различными путями: по принципу «каждый с каждым», или в определенном порядке, предписываемом логикой работы системы, или, наконец, могут носить случайный характер.


Рис. 1.2. Реализация функций памяти в системе

В принципе связи между элементами могут и вовсе отсутствовать, но тогда условием использования любого элемента для хранения информации является наличие у него входа и выхода для связи с внешней средой. Связи между элементами могут быть двусторонними (а<->б, б<->в) или односторонними (в->е, б->г). Для приема и выдачи информации система должна иметь некоторое количество входов и выходов (на рис. 1.2 соответственно: 1, 2, 3 и 4, 5, 6, 7).

В рассматриваемой системе, очевидно, возможны следующие основные механизмы реализации функций памяти.

Прежде всего, под влиянием поступивших извне сигналов могут произойти устойчивые изменения состояний элементов а, б, в, ..., которые логично называть в таких системах запоминающими элементами. Эти изменения состояний могут осуществляться в виде непрерывного процесса (например, плавное изменение заряда конденсатора, постепенное послойное перемагничивание ферритового сердечника) или скачкообразно (переключение триггера, перемагничивание сердечника из одного состояния намагниченности в другое и т. п.). Соответственно может идти речь о запоминающих элементах аналогового или дискретного типа. В качестве дискретных элементов могут применяться любые мультистабильные элементы, способные изменять свое состояние под влиянием внешних воздействий, длительно сохранять и допускать распознавание этого состояния при наличии внешнего запроса. Так как подавляющее большинство дискретных систем обработки и хранения информации работает в двоичном коде, то наибольший интерес с точки зрения построения запоминающих устройств представляют бистабильные запоминающие элементы.

Другой возможный механизм фиксации информации может заключаться в более или менее устойчивом изменении состояний каналов связи между элементами. Эти изменения можно осуществлять либо с помощью замыкания или размыкания каналов, либо с помощью плавных или скачкообразных изменений их амплитудных, частотных или каких-либо иных характеристик.

Оба механизма — устойчивые изменения состояний запоминающих элементов или связей между элементами— могут служить основой работы так называемых статических устройств хранения информации.

Еще один возможный механизм хранения информационного кода — циркуляция его по некоторому замкнутому контуру (или по нескольким контурам). Так, информационный сигнал, поступивший на вход 1, может возбудить элемент а, который через связь а->б возбудит элемент б, далее возбуждение распространится, например, к элементам в и е, вернется к элементу а и т. д. Таким образом, возникает контур рециркуляции информации абвеа..., показанный на рис. 1.2 штриховой линией.

Не исключена возможность возникновения дублирующих рециркуляционных процессов и в других контурах, например абгдеа ..., абва ... и т. д. Описанный механизм может явиться основой создания так называемых динамических рециркуляционных устройств памяти (например, запоминающих устройств на линиях задержки). Естественно, что для длительного поддержания рециркуляционных процессов в соответствующие замкнутые контуры должны входить активные элементы, обеспечивающие компенсацию потерь и восстановление амплитуды кодовых сигналов.

Практически во всех современных системах хранения дискретной информации, кроме динамических ЗУ на линиях задержки, в основу положен принцип статического хранения за счет вынужденного извне перехода элементов (как правило, бистабильных) из одного состояния в другое и последующего длительного сохранения этого состояния. То же можно сказать и о хранении информации в биологических системах, где согласно доминирующей в настоящее время теории основой долговременной (прижизненной) и генетической памяти является сохранение тех или иных статических состояний нейронов или их частей, а динамические рециркуляционные процессы происходят лишь в качестве механизмов кратковременной или оперативной памяти при вводе и выводе информации.

Ввод информации в любую систему хранения при запоминании (фиксации, записи) и вывод информации из нее при воспроизведении (выборке, считывании) связаны с изменением во времени сигналов, несущих информацию.

Хранение же информации внутри блока памяти, основанного на статических принципах, может быть выражено, очевидно, не временной функцией f(t), а некоторой пространственной функцией f(x, y, z, t), характеризующей распределение состояний тех или иных параметров запоминающей среды или накопителя информации в трехмерном пространстве (рис. 1.3). При этом под влиянием входных сигналов fвх(t1) и сигнала адреса fа(t1) к моменту t2 окончания переходных процессов формируется некоторое адекватное функциям fвх(t1) и fа(t1) состояние среды ф(x, y, z, t2). Этот процесс может быть формально записан в виде


где A — некоторый оператор, определяющий соответствие между элементами множества входных сигналов, кодирующих записываемую информацию и заданный адрес, и множества состояний носителя информации.

В идеальном накопителе состояние ф(x, y, z, t2) должно оставаться неизменным в течение всего заданного промежутка времени хранения информации tхр.


Рис. 1.3. Формальное описание процессов записи, хранения и воспроизведения информации в памяти

Однако в реальных накопителях к моменту начала считывания информации t3=t2+tхр состояние среды неизбежно изменяется как под влиянием внутренних процессов, свойственных всякой материи (явление старения, тепловое движение, квантово-механические явления и т. п.), так и под влиянием внешних воздействий (изменения температуры, воздействия электромагнитных полей, вибраций, радиации, соседних участков запоминающей среды или соседних запоминающих элементов и т. д.).

Этот процесс запишем в виде


где В — оператор, описывающий процесс изменения множества состояний носителя информации за время хранения информации, т. е. в интервале времени от t2 до t3. В отличие от детерминированного в своей основе оператора A (хотя и подверженного случайным флюктуациям) оператор B в значительно большей степени имеет вероятностно-статистический характер.

Очевидно, что


Процесс воспроизведения или вывода информации можно записать в виде


где C — оператор, реализующий в интервале времени от t3 до t4 процесс вывода и определяющий соответствие между элементами множества состояний носителя информации, заданным адресом и элементами множества выходных сигналов или сигналов считывания.

Быстродействие блоков памяти определяется, очевидно, длительностью интервалов (t2-t1) и (t4-t3), причем в эти интервалы включается и время успокоения всей системы, необходимое для того, чтобы система была способна к восприятию новых внешних информационных воздействий.

1.4. Некоторые вопросы терминологии

Сложившаяся к настоящему времени терминология в области кибернетики вообще и в области теории и техники хранения информации в частности формировалась в значительной степени стихийно и обладает рядом существенных недостатков. К ним относятся многозначность, синонимия, наличие дезориентирующих терминов, имеющих буквальные значения, противоречащие сущности понятий, выражаемых этими терминами. Естественно, что такое положение затрудняет обмен информацией, чтение нужной литературы, работу конференций и т. д.

Хотя далее в книге дается истолкование некоторых терминов, представляется полезным привести здесь наиболее важные основные определения, которыми мы будем пользоваться в дальнейшем изложении.

Память — совокупность процессов и механизмов, определяющих способность организованной материи селективно фиксировать и сохранять во времени следы информационных воздействий и при определенных условиях полностью или частично воспроизводить эти следы. Такое расширительное толкование термина «память» отличается от определения, сложившегося в психологии, где явления памяти неразрывно связываются с психической деятельностью человека. Предлагаемое определение позволяет использовать этот термин для описания функций хранения информации в любых кибернетических системах — живых организмах, машинах, социальных системах.

Мнемология — учение о памяти кибернетических систем.

Запоминающее устройство (ЗУ) — техническое устройство, предназначенное для реализации функций памяти в кибернетических машинах и других инженерных системах. Термин ЗУ в отношении живых организмов не применяется.

Накопитель — часть ЗУ, предназначенная собственно для хранения информации — накопительная или запоминающая среда.

Запоминающий элемент — элемент, который может находиться в нескольких (по крайней мере, двух) устойчивых состояниях и предназначается для фиксации и хранения одной цифры или разряда числа. Аналоговые запоминающие элементы, предназначенные для хранения величин, выраженных в аналоговой форме, должны обладать способностью (во всяком случае теоретически) находиться в бесконечном количестве устойчивых состояний. Иногда запоминающие элементы называют элементами памяти, однако этот термин нельзя считать удачным.

Ячейка ЗУ, запоминающая ячейка — часть накопителя (совокупность запоминающих элементов), предназначенная для хранения кода одного слова или числа.

Регистр — схема, совокупность запоминающих элементов, предназначенная для хранения кода — отдельное ЗУ, используемое для хранения одного числа.

Запись (фиксация) — ввод информации в память (ЗУ) на хранение.

Считывание (воспроизведение) — извлечение (вывод) информации из памяти (ЗУ).

Обращение к памяти (ЗУ) — совокупность процессов и операций, необходимых для записи или считывания информации.

Адресное ЗУ — запоминающее устройство, в котором место обращения определяется адресом, т. е. номером запоминающей ячейки, в которой хранится информация.

Ассоциативное ЗУ — запоминающее устройство, в котором место обращения определяется содержанием хранящейся информации. Поиск нужной информации в ассоциативном ЗУ осуществляется по ее содержанию или специальным признакам.

Поиск — совокупность процессов, обеспечивающих отыскание в памяти (ЗУ) нужного слова.

Емкость — наибольшее количество слов или бит, которое может одновременно храниться в памяти (ЗУ).

Плотность записи (удельная емкость) — количество битов информации, приходящееся на единицу объема накопителя.

Комментариев нет: