Информационная феноменология жизни. Часть I: Внутриклеточные информационные отношения

Феноменологическая структуризация вычислительных ресурсов и их сетевая организация

Системная согласованность hardware и software абсолютно и безусловно определяются аспектами реализации коммуникационных отношений в структуре hardware. Даже для направления развития индивидуальных процессорных структур в рамках концепции Дж.фонНеймана, рассматривающей некоторую совокупность структурно локализованных функционально ориентированных узлов (приборов), реализация коммуникационных отношений была одной из актуальных инженерных проблем.

На ранних этапах развития вычислительной техники примерно одинаковое распространение получили два способа построения вычислительных машин: с непосредственными связями и на основе шины. Типичным представителем первого способа может служить классическая фон-Неймановская структура. В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройство ввода/вывода) имеются непосредственные связи. Недостатком коммуникаций с непосредственными связями является то, что они плохо поддаются реконфигурации.

В варианте с общей шиной все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления. Наличие общей шины существенно упрощает реализацию вычислительных машин, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток таких структурно-архитектурных решений: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Преодоление этого недостатка по мере развития структур вычислительных машин происходило, например, за счет появления интеллектуальных процессоров ввода/вывода, многоуровневой структуризации памяти и осуществлялось на основе иерархии шин. В этом случае помимо магистральной шины имеется еще несколько дополнительных шин.

Дальнейшее развитие коммуникационных отношений в вычислительных системах связано с архитектурами вычислительных сетей. Акцент на архитектуру (уровень STI представления системы на основе феноменологической модели) в данном случае не случаен, а обоснован сутью рассматриваемых системных отношений. Действительно, основной концепцией архитектуры современных вычислительных сетей является положение об их открытости. Сетевая концепция вычислительных систем достаточно адекватно вписывается в рассмотренную стратификацию их иерархических уровней. При этом архитектура вычислительных сетей в том или ином виде обуславливается соответствующей интерпретацией эталонной семиуровневой модели взаимодействия открытых информационных (вычислительных) систем ISO, согласующейся с возможностями реализации и целевым назначением конкретной вычислительной сети.

На макромедийном уровне вычислительные сети организуют ассоциации вычислительных установок в широком диапазоне масштабов. Это глобальные сети общего пользования типа Internet и корпоративные сети различных ведомств, служб, корпораций и локальные вычислительные сети внутри различных организаций.

Характерной особенностью глобальных вычислительных сетей является применение для передачи информации телекоммуникационных средств на основе различных сетей связи общего назначения. Это в значительной степени определяет специфику протоколов информационного обмена, учитывающих глобальность географических масштабов сетей связи и связанные с этим факторы возможных искажений при передаче информации.

Для локальных вычислительных сетей (ЛВС) характерно создание специальных выделенных каналов связи, что обеспечивает достаточно высокий уровень помехозащищенности при передаче сигналов. В связи с этим в протоколах ЛВС основной акцент уделяется повышению пропускной способности выделенных каналов связи и обеспечению минимальных гарантированных задержек при передаче информации.

На компьютерном уровне иерархической стратификации вычислительных систем сетевые структуры наиболее полно применяются при создании высокопроизводительных мультимикропроцессорных суперкомпьютеров с параллельной архитектурой. Основной особенностью работы таких компьютеров является распараллеливание алгоритмов решения задачи. Каждому микропроцессору задается своя уникальная программа выполнения определенного фрагмента алгоритма решения задачи, что позволяет ограничить объем памяти, для обслуживания этого микропроцессора, как для хранения программы, так и для данных, необходимых при реализации фрагмента алгоритма. Такая структуризация программы решения задачи и данных позволяет существенно упростить в рамках локальных фрагментарных вычислений управление ходом вычислительного процесса и снизить связанные с этим удельные накладные расходы на «полезные» вычислительные операции.

Отметим существенный феноменологический аспект такой структуризации. С момента актуализации программы на время реализации фрагмента алгоритма каждый микропроцессор с приданной ему памятью становится как бы самостоятельным специализированным обособленным микро органом, выполняющим специфическую функцию. Элемент структуры компьютера сам становится самостоятельной вычислительной системой. При этом трансцендентным окружением ее (STT в представлениях феноменологической модели системы) является все множество данных, необходимых для выполнения вычислений, а их результаты определяют уровень SIT. Вместе с тем, идентичность структуры трансцендентного окружения структуре единичного микропроцессора позволяют на единых принципах представлять категории STI и SIT феноменологической модели работы микропроцессоров. Создается новое представление внутренней архитектуры суперкомпьютера. Подчеркнем, что разработчики суперкомпьютеров прилагают максимум усилий, чтобы оставить для конечного пользователя элементы внутренней архитектуры суперкомпьютеров на имманентном структурном уровне, не выводя его активно в архитектурные протоколы и интерфейсы (уровень STI феноменологической модели системы).

Хочется заметить, что процесс функциональной кластеризации решения задач очень напоминает, уже упоминаемую, модель фрактального роста на основе агрегации, ограниченной диффузией Т. А.Уиттена и Л. М.Сандера. Если это так, то имеются все предпосылки предположить, что организация структуры функциональной кластеризации фрагментов вычислительных алгоритмов на поле микропроцессоров суперкомпьютеров носит фрактальный характер. Но тогда должно проявляться свойство нецелочисленной размерности, которое способствует потенциальным предпосылкам повышения эффективности использования вычислительного ресурса. Эта характеристика в значительной степени является определяющей при создании реальных вычислительных систем.

Феноменологический подход к концепциям эволюции информационных систем.

История и практика создания искусственных информационных систем, реализуемых на основе некоторого программного обеспечения, на наш взгляд, позволяют сформулировать определенную гипотезу феноменологического подхода к концепциям их эволюции. Ограничимся в этом вопросе рамками дуального представления таких систем на всех уровнях их феноменологической стратификации в виде: hardware – аппаратно-техническая реализация и software – алгоритмическое и программное обеспечение действующих в системе информационных отношений.

Как показывает практика, на всех этапах эволюции технически реализуемых информационных систем в роли «заказчика» в этом процессе всегда выступали информационные отношения. Вместе с тем создание качественно новых аппаратно-программных реализаций в большинстве случаев приводит к возможностям качественного изменения (усложнения) и информационных отношений, обеспечение которых осуществляется более мощным (на новых технических средствах) программным обеспечением. Это дает возможность расширить проблемную область, доступную искусственным информационным системам, и сформулировать представления о дальнейшем (в смысле доступности ее реализации) ее расширении. Это и становится целью «задания» очередного этапа развития hardware.

Возникает некоторый итерационный процесс: целевое задание информационных отношений проблемной области на создание hardware (адекватное технологическим возможностям его реализации, что нередко приводит к активному стимулированию развития именно этих технологий) ( аппаратно-техническая реализация новых средств и создание их программного обеспечения ( ассимиляция новых аппаратно-программных средств в проблемную область (обычно связано с расширением границ этой области) ( оценка возможности дальнейшего расширения проблемной области для ее реализации на новом уровне технологий создания hardware ( далее цикл повторяется переходом на следующий этап эволюционного развития.

При этом, в отличие от принятия конкретного решения на основе итерационного процесса, когда вводится критерий, определяющий приемлемость достигнутого решения, в процессах общей эволюции информационных систем, и биологических в частности, критерия остановки развития не существует. По крайней мере, на наш взгляд, никакого прагматического представления о таком критерии кроме апокалиптического «конца света» пока что не придумано.

Для искусственных систем характерной особенностью эволюционного процесса является то, что расширение доступной прикладной области происходит за счет технологий создания hardware. И первую очередь это касается непрерывного совершенствования элементной базы для аппаратно-технической реализации. Правда в истории вычислительной техники были и исключения из этого правила. Об одном из них уже упоминалось – это появление и лавинообразное распространение персональных компьютеров. Отход от стереотипа эксклюзивной компьютерной установки позволил выйти на новый уровень реализуемых информационных отношений. Это, прежде всего, сказалось на реализации возможностей межкомпьютерных отношений. Вначале это были коммуникации в основном на сменных информационных носителях. Но эти каналы явно не удовлетворяли расширяющимся потребностям информационного межкомпьютерного трафика. Для устранения этой коллизии были вполне оправдано затрачены существенные ресурсы с целью перевода этого трафика в телекоммуникационное русло. Сейчас всемирная паутина Интернета охватывает весь Земной шар, обеспечивая беспрецедентную гетерогенность вычислительных сетей. При этом процесс создания и развития Интернета не был в своей основе обусловлен совершенствованием элементной базы как первопричины его распространения и реализации на этой основе широкого спектра новых информационных отношений.

Этот пример показывает, что эволюция искусственных информационных систем происходит не только на основе совершенствования технологических возможностей реализации имманентных аспектов, но и в преобразовании межграничных отношений, что раскрывает более широкую сферу взаимоотношений с трансцендентным аспектом – прикладной областью. В свою очередь расширение сферы взаимодействия с окружающей средой вносит обычно вклад в ресурсное обеспечение систем, что способствует, в явном виде (ведь информационные системы – открытые системы), их функционированию и развитию.

Кажущееся различие причин эволюции информационных систем на основе совершенствования элементной базы, либо на модернизации межграничных отношений, снимается при переходе на точку зрения целевой обусловленности их создания. В обоих случаях реализуется рассмотренный итерационный цикл эволюционного поколения. И в обоих случаях преференции формирования цели создания или преобразования системы остаются за трансцендентными аспектами информационных отношений. Именно они диктуют необходимость совершенствования имманентной структуры (и soft-, и hardware).

Концептуальной парадигмой подобной системной эволюции, основанной на целях, формулируемых трансцендентными отношениями, и воплощаемой на основе развития технологий для создания качественно новых элементных баз, является такая смена поколений информационных систем, при которой полностью уходят в небытие предшествующие поколения и классы информационных систем. В настоящее время абсолютно отсутствуют ламповые электронно-вычислительные машины, которые представляли первое поколение компьютерных технологий. В Лету канули и системы на дискретной транзисторной элементной базе. При переходе на новый этап эволюционного развития hardware предыдущего поколения полностью выходит из употребления, пропадая навеки. В принципе, это в определенной степени касается и имманентного программного обеспечения, хотя software, как некоторый класс информационных отношений, кажется более консервативным к эволюционной изменчивости, чем hardware. Обычно отношения системного software предыдущего поколения достаточно активно участвуют в обеспечении функционирования информационных систем нового поколения в начале их внедрения. Но вряд ли можно конструктивно сравнивать современные операционные системы с управляющими программами электронно-вычислительных машин первых поколений. Таким образом, наблюдаемая концепция эволюции смены поколений искусственных информационно-технических систем зиждется на абсолютной замене систем предыдущего поколения системами нового поколения.

Вместе с тем, если отойти от класса технически воплощаемых искусственных информационных систем, к системам другой природы, то влияние трансцендентных аспектов в процессах их эволюции может не нести какой-либо концептуальной прокламации. Конечно, трансцендентные отношения и воздействия могут внести определенный вклад и в их эволюцию, но это явно не концептуальный фактор, а скорее некоторый сопутствующий случайный эпизод. Впечатление, что такие эпизоды, выходящие за рамки концепции эволюции систем, чаще всего являются катастрофами, приводящими либо к гибели системы, либо к такой трансформации системы, что фактически эквивалентно ее гибели с точки зрения предыдущего существования системы.

Природа и человечество создало целый ряд подобного рода систем. В качестве примера такой информационной системы можно привести Науку. Развитие Науки происходит принципиально лишь в структуре имманентных аспектов. Другим подобным примером может служить система отношений производства и распределения ресурсов на протяжении истории развития человечества. В этой связи интересен тезис, поддерживаемый многими исследователями этих отношений (К.Маркс, П. А.Кропоткин, В. И.Ульянов (Ленин) и др.), что общественные традиции (читай – информационные отношения) значительно консервативнее производственной базы общества. Не это ли приводит к ряду катастрофических ситуаций на всем протяжении развития человеческих цивилизаций? Эта мысль довольно ярко обсуждается П. А.Кропоткиным в его работах по этике. Приведя эти примеры, мы хотели показать лишь то, что эволюция информационных систем отнюдь не всегда обусловлена целевыми трансцендентными обстоятельствами.

Наиболее мощным примером эволюции на основе имманентных потенций системных информационных отношений является Живая Природа Земли. Она представляет собой иерархическую совокупность почти беспредельного (если смотреть на всем историческом периоде ее развития и будущих прогнозах) гетерогенного многообразия информационных систем, интегрированных в единую биосферу.

Феноменология концепции эволюции Живой природы, на наш взгляд, опирается на фактическое единство «элементной базы», обеспечивающей реализацию и развитие информационных отношений живых организмов. В Природе организовалась качественно новая категория существования Материи – Живая материя. Биологические организмы, являясь открытыми системами, именно на основе присущих им имманентных информационных отношений обеспечивают своё формирование, развитие, и динамический круговорот Живой материи в рамках биосферы Земного шара в определенном единстве организации этой материи. И именно на этой основе создались условия совместного сосуществования многообразия видов живых организмов от архебактерий до человека.

Дальнейшие материалы в значительной степени ориентированы на иллюстрацию этой концепции. Хотим отметить, что при обсуждении биологических вопросов, наряду с использованием материала специальных работ, мы в значительной степени опирались на современное руководство по общей биологии, написанное английскими авторами Н.Грин, У.Стаут, Д.Тейлор, под редакцией Р.Сопера. Биология: В 3-х томах. Пер. с английского. – М.:Мир, 1990. (Biological science. N. P. O. Green B.Sc., M. I.Biol, G. W. Stout B.Sc., M.Ed. M. I.Biol, D. J. Taylor B.Sc., M. I.Biol, Editor R. Soper B.Sc., M. I.Biol. Cambridge University Press – Cambridge, London, New York, New Rochelle, Melbourne, Sydney).

Вероятно, читателю может показаться слишком длинным приведенное Вступление. Конечно, это от ограниченного умения авторов кратко излагать мысли. Но даже Гораций признавался:

Brevis esse labore, obscurus fio, –

стараюсь быть кратким, делаюсь темным.

Нам хотелось дать тот фон ассоциаций, на основании которого формировалось представление о приведенных в дальнейшем гипотезах информационной феноменологии жизни.

Пражизнь

Химия живого – это алгоритмическая химия, в отличие от обычной, стохастической химии.