8.2. Современные средства накопления информации

Общие сведения. Появление наскальных рисунков и надписей сви-

детельствует о стремлении человека еще в древние времена сохранить

свои наблюдения, передать их потомкам. Позднее стали писать на глиня-

ных пластинах, свитках папируса, а примерно два тысячелетия назад поя-

вился и поныне самый распространенный носитель информации — бума-

га. Но вот наступил век электроники и принес в повседневную жизнь еще

одну новинку — ЭВМ — своеобразный кладезь премудрости человека.

Бумага, верой и правдой служившая человеку долгое время, начинает по-

степенно сдавать некоторые области своей абсолютной монополии. Сей-

час важнейшее место в развитии цивилизации отводится электронной вы-

числительной технике, в первую очередь получившим широкое распро-

странение персональным компьютерам.

Представляют интерес некоторые цифры, характеризующие объем

информации, накапливаемой человечеством. Одна книга среднего фор-

мата содержит около 1 млн. байт информации. Крупнейшая в мире биб-

лиотека Конгресса США хранит примерно 20 млн. книг и 3,5 млн. единиц

звукозаписи, что вместе составляет приблизительно 2 Петабайта

(1 Пбайт = 10l5 байт). По оценке ЮНЕСКО, в мире ежегодно печатается

около 100 терабайт (100 • 1012 байт) нового текста (без учета переизда-

22 - 3290 337

ний), в том числе 10 тыс. газет, издающихся в разных странах. Ежегодно в

мире выпускается примерно 5000 кинофильмов, а всего со времен брать-

ев Люмьер, французских изобретателей, создавших в 1895 г. первый ки-

ноаппарат, в виде кинофильмов выпущено около 1 Пбайта информации.

Профессионалы и любители делают ежегодно 50 млрд. фотоснимков, что

составляет примерно 0,5 Пбайт. На телевизионные передачи приходится

100 Пбайт. Информация, передаваемая по телефону во всем мире, оцени-

вается в несколько тысяч петабайт. Приведенные цифры впечатля-

ют — человечество оказалось в колоссальном информационном океане.

Чтобы свободно плавать в таком безбрежном океане, создаются локаль-

ные и глобальные сети, объединяющие множество персональных компь-

ютеров.

По объему накапливаемой информации и скорости ее обработки воз-

можности персональных компьютеров все же ограничены: на современ-

ном персональном компьютере можно хранить всего лишь десятки гига-

байт информации. Во многих отраслях — банковское дело, системы ре-

зервирования и реализации авиа- и железнодорожных билетов, метео-

служба и компьютерное производство видеофильмов — требуется обра-

батывать сравнительно большие объемы информации с высокой скоро-

стью и, следовательно, нужны большие компьютеры и суперкомпьютеры.

В последнее время наряду с суперкомпьютерами разрабатываются

сравнительно небольшие компьютеры с миниатюрными накопителями

информации. Самый маленький в мире накопитель информации в виде

жесткого диска памяти производит американская фирма IBM. По разме-

рам он сравним с отечественной пятирублевой монетой, однако объем его

памяти достаточно большой — 340 Мбайт. Этот миниатюрный диск

очень удобен для карманных компьютеров и цифровых фотоаппаратов.

На винчестер-малютку можно записать несколько сотен цветных фото-

графий, а затем распечатать на принтере или перевести в память больше-

го компьютера.

Все виды ЭВМ, в том числе большие и малые компьютеры, содержат

запоминающее устройство — тот или иной накопитель информации, или

память. Память — это то, что наделяет ЭВМ интеллектуальными призна-

ками и что существенно отличает ее от других машин и механизмов.

Память человека и память ЭВМ. Память — несомненно, один из

важнейших атрибутов человека. Развитый, утонченный и вместе с тем

изощренный аппарат памяти, пожалуй, это основное, что выделяет чело-

века среди других представителей живого мира. Не только запоминание

окружающего (это неосознанно делают и животные), но и воспоминание,

логическое осмысление, многократное обращение сознания к хранилищу

памяти и извлечение из него всего того, что нужно в данный мо-

мент, — на это способен лишь человек, наделенный разумом.

338

Совокупная память всех людей, коллективная память человечества,

материализованная в многочисленных книгах, картинах, нотах, фотогра-

фиях, чертежах, кинофильмах, архивных документах и во многом-мно-

гом другом, вне всякого сомнения образует один из основных краеуголь-

ных камней фундамента человеческой цивилизации. За последние деся-

тилетия разнообразные технические средства накопления и хранения ин-

формации пополнились еще одним — наиболее универсальным и

гибким — памятью ЭВМ, которой во все большей степени отводится по-

стоянно возрастающая роль в совершенствовании ЭВМ, и, следователь-

но, в развитии общества в целом.

Сегодня ЭВМ стала главным инструментом, с помощью которого

осуществляется управление информационными потоками. Так в общих

чертах выглядит современная картина. О памяти ЭВМ известно гораздо

больше, чем о памяти человека, его сознательной и бессознательной дея-

тельности. Надпись «Познай самого себя», начертанная у входа в дель-

фийский храм Аполлона, актуальна и по сей день. Память человека обла-

дает индивидуальными, многогранными, удивительными и большей ча-

стью не объясненными пока свойствами. Цицерон считал, что «для ясно-

сти памяти важнее всего распорядок; поэтому тем, кто развивает свои

способности в этом направлении, следует держать в уме картину ка-

ких-нибудь мест и по этим местам располагать воображаемые образы за-

поминаемых предметов». Примерно по такому принципу построена и па-

мять ЭВМ. Из приведенных образных сравнений понятно, что память

ЭВМ по многим параметрам отстает от мозга человека. И мы непременно

«должны учиться у природы и следовать ее законам», как утверждал

Н. Бор.

И творческая, и подсознательная деятельность, и другие ее виды, час-

то объединяемые одним словом «чувство», применительно к памяти

ЭВМ можно отнести к искусственному интеллекту, привлекающему вни-

мание многих исследователей.

Высокая плотность записи, большая емкость памяти, высокое быст-

родействие, способность восприятия и аналоговой, и цифровой информа-

ции, возможность оперативного доступа к данным, сочетание адресного

и ассоциативного поисков, объединение последовательного и параллель-

ного принципов ввода-вывода информации, отсутствие механически пе-

ремещающихся узлов, высокая долговечность и надежность хране-

ния — вот те основные качества, которыми хотелось бы наделить разра-

батываемые долговременные запоминающие устройства.

Технологические возможности реализации высокой информаци-

онной плотности. Запоминающие устройства большинства моделей

ЭВМ основаны на магнитной записи. Прогнозы специалистов показыва-

339

ют, что в ближайшем будущем устройства магнитной записи останутся

доминирующими на мировом рынке информационной техники.

С развитием средств вычислительной техники растет и будет расти

спрос на запоминающие устройства небольших размеров, способные хра-

нить большой объем информации. В этой связи проблема повышения ин-

формационной плотности записи — одна из важнейших в совершенство-

вании запоминающих устройств большой емкости.

В запоминающих устройствах на подвижном магнитном носителе,

где основное — это накопление информации, фактором первостепенной

важности является поверхностная информационная плотность записи,

определяемая количеством информации, приходящейся на единицу пло-

щади поверхности рабочего слоя носителя записи. Поверхностная ин-

формационная плотность записи зависит от плотности записи вдоль од-

ной дорожки (продольной плотности) и числа самих дорожек на единицу

длины в поперечном относительно движения носителя направлении (по-

перечной плотности). Из теоретических расчетов следует, что продоль-

ная плотность записи информации на магнитном носителе может дости-

гать 20 000 бит/мм. Если в настоящее время в лучших магнитных накопи-

телях продольная плотность около 5000 бит/мм, то становится понятным,

какие возможности еще не реализованы.

Магнитная запись с перпендикулярным намагничиванием, когда пе-

ремагничивание рабочего слоя осуществляется в его перпендикулярной

плоскости, обеспечивает существенное повышение информационной

плотности записи. Так, в лабораторных образцах накопителей уже дос-

тигнута продольная плотность, составляющая более 10 000 бит/мм.

Для этого применяется записывающий элемент толщиной 0,1 мкм.

При его ширине 0,1 мкм поверхностная плотность записи информации

равна 100 бит/мкм2, что примерно на два порядка больше предельно воз-

можной плотности в оптических накопителях. Воспроизведение инфор-

мации, записанной с такой высокой плотностью, производится с помо-

щью высокочувствительных магниторезистивных преобразователей.

Голографическая память. Быстродействие памяти зависит от дли-

тельности процессов записи, поиска и воспроизведения информации.

Увеличение емкости памяти требует и роста скорости обмена информа-

цией. Существенно повысить быстродействие в результате модерниза-

ции дисковых накопителей информации — задача довольно трудная.

Нужна другая идейная концепция. Оказывается, такая концепция извест-

на и уже привела к некоторым результатам. Речь идет о голографической

памяти. Она основана на применении лазерного излучения и позволяет

реализовать многие свойства, присущие памяти человека.

Однако прошли десятки лет с начала разработки голографической па-

мяти, а реальных, конкурентоспособных устройств, которые можно было

340

бы отнести к промышленным, а не к лабораторным, до сих пор нет. В чем

же дело? Все тот же известный диссонанс идейных концепций и элемент-

ной базы. Транзистор, интегральная схема, микропроцессор — элемен-

ты, в свое время определявшие лицо вычислительной техники и не только

параметры конкретных ЭВМ, но и идеологию научно-технического про-

гресса. Появился лазер — и возникли новые отрасли естествознания:

квантовая радиофизика, топография, нелинейная оптика. Хотя идейные

основы данных отраслей предложены гораздо раньше, но только лазер

дал им жизнь. С применением полупроводниковых лазеров созданы оп-

тические дисковые накопители.

С голографической памятью ситуация, увы, иная. Используемые в ла-

бораторных разработках ее элементы — газовые лазеры, разнообразные

оптические затворы и др. — пока еще несовершенны: как правило, они

громоздки, недолговечны, сложны в изготовлении и эксплуатации, в них

используются разнородные материалы. Приходится констатировать, что

элементная база голографической памяти для промышленного производ-

ства еще не создана.

Правда, в последнее десятилетие в развитии ряда направлений опто-

электроники достигнуты определенные успехи, которые косвенно, а ино-

гда и прямо способствуют решению рассмотренной проблемы. Созданы

полупроводниковые лазеры с высокой степенью когерентности излуче-

ния, позволяющие записывать качественные голограммы. Развивается

интегральная оптика, в рамках которой традиционные объемные оптиче-

ские элементы заменяются тонкопленочными. Например, тонкопленоч-

ные оптические затворы могут переключаться напряжением всего в не-

сколько вольт, при этом время переключения менее 1 нс.

Нейронные сети. В 80—90-е годы XX в. прогресс в развитии вычис-

лительной техники многие связывают с созданием искусственных ней-

ронных сетей. Успехи в разработке и использовании нейрокомпьютеров

определяются их принципиально новым свойством — возможностью эф-

фективного самообучения в ходе решения наиболее сложных задач. По

своей сути нейрокомпьютер является имитацией нейронной сети мозга

человека.

Используя терминологию вычислительной техники, можно сказать,

что нейрон является бинарной ячейкой. Он может находиться либо в воз-

бужденном, либо в невозбужденном состоянии, которое изменяется в ре-

зультате взаимодействия с другими нейронами. В нейронной сети полез-

ная информация запоминается не отдельными нейронами, а группами

нейронов, их взаимным состоянием. Каждый нейрон в большей или мень-

шей степени связан примерно с 104 нейронами. Принимая внешнюю ин-

формацию и обмениваясь внутри головного мозга, каждый отдельный

нейрон имеет возможность последовательно приближаться к принятию в

341

сложной внешней обстановке решения и переходу в нужный момент в

нужное (возбужденное либо невозбужденное) состояние. Чем больше

объем нейронной сети, тем более сложную задачу можно решить с ее по-

мощью.

К настоящему времени производится моделирование нейронных се-

тей. Магнитооптические управляемые устройства уже сегодня позволя-

ют сформировать высококачественный массив информации, скорость об-

работки которого по алгоритму нейронной сети существенно превосхо-

дит возможности человеческого мозга.