Будущее уже наступало 50 лет назад

История исследований Следующее поколение компьютеров -- квантовые -- будет работать на фотонных технологиях. Их разработкой сейчас занимаются ученые всего мира. В Европе фотоника включена в список шести ключевых современных технологий, на исследования в этой области выделяются большие деньги. Технологией первостепенной важности фотоника признана и в США. В Китае принята специальная государственная целевая программа, направленная на развитие фотоники. Исследованиям и разработкам в этой области уделяют большое внимание в Японии и в Южной Корее. Недавно компания Hewlett Packard Enterprise представила первый полнофункциональный прототип компьютера радикально новой архитектуры The Machine, разъемы которого позволяют добавлять фотонные коннекторы для связи системы хранения, оперативной памяти и процессоров. И хотя The Machine -- это промежуточная разработка между существующими и квантовыми компьютерами и до ее практического применения может пройти несколько лет, по словам главного аналитика компании Moor Insights and Strategy Патрика Мурхеда, "The Machine -- это компьютерная архитектура будущего, которая и сегодня имеет немаловажное практическое значение". А между тем советский ВПК занимался исследованиями в области фотоники еще 50 лет назад. "Почтовый ящик" как научная барокамера В ненастные дни в одном московском переулке в Лефортово чуть не половина спешивших к рабочим местам людей укрывалась воинскими плащ-палатками: за высоким забором с "колючкой" стояли типовые школьные здания московского НИИ приборной автоматики Министерства радиопромышленности (бывшего НИИ-5 Академии артиллерийских наук Министерства обороны), а в них, кроме гражданских, трудились сотни кадровых и отставных офицеров. Большие научно-технические организмы, в современной терминологии, это сложная сеть (complex network) со множеством вершин -- руководителей, лабораторий, отделов -- и связями (направленными и ненаправленными) между этими вершинами. В отличие от семей у Л.Н. Толстого, они бывают счастливы по-разному. Эффективность функционирования такой сети и ее "счастье" -- следствие хорошей постановки задачи, правильного выбора "вершин" и связей между ними. В "сети" корпорации RAND (Research and Development), которую в 1945 году предложила организовать Douglas Aircraft Co., вершины (отделы) обладали полной свободой действий и в подборе сотрудников, и в выборе программы исследований. Каждый отдел имел свой бюджет и представлял собой небольшую (не более двух десятков исполнителей) группу, решавшую отдельную задачу. Все исполнители в группах, как правило, были связаны между собой ("полный граф"). Исполнители каждой группы могли устанавливать связи с группами других отделов, то есть топология всей сети не была фиксированной -- вершины связывались так, как требовал текущий проект. Судя по результатам, RAND стала типичной "счастливой семьей". Системный анализ и теория игр, искусственный интеллект и интернет, системы безопасности и космические программы -- далеко не полный перечень проблем, инициированных или решенных в недрах "семьи". Джон Нейман и Ричард Беллман, Герберт Саймон и Джордж Данциг, Джон Нэш и Аллен Ньювел -- далеко не полный перечень ученых, которые работали с RAND и задали вектор научных исследований для всего мира на десятки лет вперед. Урод в семье Принципы организации чего бы то ни было в СССР были ортогональны принципам устройства RAND. Но на самом верху внимательно следили за происходящим у потенциального противника и старались что-то перенимать. Бюджет и уровень жизни в СССР после войны были несопоставимы с американскими, зато руководство не имело ограничений, планируя оборонный бюджет, сохранились научные школы в математике и физике, а страна-победитель верила, что "завтра будет лучше, чем вчера". Аналогом Douglas Aircraft Co. стал бывший НИИ-5, его задачей -- автоматизированная система противовоздушной обороны, а случайным и чуждым побочным продуктом -- теоретический отдел. Как писал В.В. Набоков, "благословим чужака, ибо естественный ход эволюции никогда бы не обратил обезьяну в человека, окажись обезьянья семья без урода". Отдел "чужаков" был создан благодаря нескольким историческим обстоятельствам. С давних времен наиболее математически образованной частью офицерского корпуса были артиллеристы. Появившиеся в конце Второй мировой войны автоматизированные системы ПВО стали первым воплощением идей кибернетики -- науки, поначалу вызвавшей гнев идеологического отдела ЦК КПСС. Но гнев гневом, а ленд-лиз -- по расписанию. В 1945 году военно-торговая делегация была направлена в Канаду для изучения поставляемых в СССР вычислительных устройств систем ПВО. В составе этой делегации был инженер-лейтенант Игорь Андреевич Полетаев, который до войны окончил аспирантуру МЭИ, где сделал работу по физике электрических разрядов, а с 1941 по 1945 годы служил в частях ПВО инженером дивизии -- отвечал за службу радиотехнического обнаружения самолетов. По возвращении из Канады Полетаева направили в НИИ-5, где уже обосновались два полковника, выпускники математических факультетов университетов (Московского и Днепропетровского), прошедших войну в артиллерии. Один (Залман Михайлович Бененсон) вскоре стал замдиректора НИИ по науке (а затем и генеральным конструктором многих разработок НИИ), второй (Давид Беркович Юдин) создал математический отдел, куда рекрутировались в основном выпускники аспирантуры мехмата МГУ и где начальником лаборатории стал Полетаев. Его усилиями в НИИ-5 начал работать один из первых в стране семинаров по кибернетике (благо учреждение закрытое, и можно не бояться гнева начальства). В 1958 году, когда кибернетика уже была высочайше прощена, Полетаев опубликовал первую в СССР научно-популярную книгу о ней -- "Сигнал". Знак интеграла с паяльником В 1965 году я оказался в аспирантуре НИИ приборной автоматики, клюнув на предложение заниматься бионикой в недавно учрежденной здесь головной лаборатории Министерства радиопромышленности. Как представлялось высокому начальству, в Штатах бионику придумали неспроста, ведь бионика начинала с попыток использования замечательных -- с точки зрения генералов -- боевых возможностей живых организмов. Соответственно, и логотип нового направления -- знак интеграла с паяльником внизу и скальпелем наверху -- ничего хорошего живым организмам не сулил. Военных более всего привлекали дельфины: быстро плавают, хорошо соображают и не могут возразить. Неспроста в США значительная часть финансирования этого направления шла из бюджета ВМС. Так ни в чем не повинная бионика стала одним из приоритетов первых советских кибернетических исследований, а ответственным в Академии наук по этому направлению был назначен вице-адмирал флота академик Аксель Иванович Берг. Уже в 1965 году в Баку состоялся первый Всесоюзный бионический конгресс под председательством академиков Берга и Петра Кузьмича Анохина (нейрофизиолога), собравший массу "открытых" и "закрытых" советских ученых. Предложения изучать насекомых для создания супервертолетов или мыслительные способности дельфинов для доставки взрывчатки находили у начальства отклик. А если выяснялось, что подобные работы уже финансируются американскими военными, деньги (вполне пристойные по советским меркам) появлялись, как кролик из шляпы фокусника. Что, безусловно, можно отнести к "бионическим" эффектам. Решение проблем будущего В радиопроме забыли о лаборатории на следующий же день, а руководство "ящика", у которого хватало своих забот, во исполнение приказа извлекло из какого-то тематического отдела кандидата физматнаук, обладавшего очевидным бионическим достоинством в виде членства в КПСС (что в теоретическом отделе было большой редкостью). Как обычно, начался более или менее случайный набор сотрудников, в том числе и аспирантов. Однако некоторые особенности позволяли говорить о версии RAND light. Финансирование поступало регулярно и особых требований, как по части дельфинов, так и относительно тематики, начальство не выдвигало. Допускались, более того, поощрялись, любые контакты с учеными, и в Москве, и по всему Союзу (командировочные не лимитировались), не говоря уж о внутренних семинарах в отделе. А поскольку кругом была "оттепель", высочайшим соизволением было разрешено даже участие в Международной конференции по теории управления, которая происходила на борту судна "Адмирал Нахимов", следовавшего по маршруту Одесса--Батуми--Одесса. Формальные отличия сотрудников -- степени, звания, возраст -- в научных диспутах во внимание не принимались, и административная карьера никого особо не занимала. Оказалось, что коллектив, где ядром были ученики Колмогорова, Маркова и их учеников, может жить не только счастливо, но и эффективно в научном плане. Никто не требовал публикаций, но статьи регулярно появлялись как в самых престижных математических, так и в академических журналах "Техническая кибернетика", "Проблемы передачи информации", "Автоматика и телемеханика". Лаборатория математиков, наряду с "чистой" математикой, которой многие продолжали заниматься и после защиты докторских, вполне успешно вела исследования в области теории игр и теории оптимизации -- в первую очередь применительно к задачам математического программирования. В лаборатории бионики была небольшая группа, работавшая с физиологами над созданием математических моделей нейронов и нейронных ансамблей, а большая часть аспирантов занималась популярными математическими моделями нейронных сетей Розенблатта. Однако наиболее интересные работы выполнялись в совсем новых (даже для США) направлениях. Это были теоретические работы в области сложности логических схем и участие в экспериментальных работах по созданию оптического вычислителя. Советские математики, получившие после 1955 года возможность свободно заниматься работами в теории логических сетей и автоматов, в течение следующих десяти лет выполнили цикл исследований, посвященных сложности логических схем при различных ограничениях и различных показателях качества. Влияния таких геометрических ограничений как длина соединений и плотность размещения элементов на сложность схемы, выяснение оптимального значения затрачиваемой энергии при вычислениях, связь сложности схем и энергии потребления -- именно этими задачами занимались в бионической лаборатории. Подобные исследования в Союзе велись в то время лишь в ведущих академических институтах, таких как Институт прикладной математики в Москве или Институт математики в новосибирском Академгородке. Нельзя сказать, что интерес к физическим ограничениям в работе вычислителей был чистой игрой разума. Существенным оказалось влияние двух физиков: Рувима Павловича Поплавского, начальника лаборатории бионики, и его друга Льва Абрамовича Ривлина, а также знаменитой книги Леона Бриллюэна "Наука и теория информации", в которой впервые обсуждался вопрос энергетической цены передачи бита информации. Лев Абрамович Ривлин еще в 1961 году впервые обосновал возможность создания ядерного гамма-лазера, что сегодня принято считать началом развития новой ветви физики, названной автором "квантовая нуклеоника". Когда была создана лаборатория бионики, он был начальником лаборатории полупроводниковых лазеров в "п/я 2008" Министерства электронной промышленности. Эта лаборатория стала пионером в исследовании динамики излучения инжекционных лазеров. Но исследование самих инжекционных лазеров показалось ему слишком рутинной задачей. И тут на помощь пришла та самая бионика, в рамках которой оживленно обсуждалась модель "нейристора", призванная воспроизводить особенности передачи информации по нервным волокнам. Прежде всего, явление рефрактерности, которое идеально моделировалось работой полупроводникового инжекционного лазера. Так лаборатория бионики была подключена к разработке принципиальных схем логических элементов на невиданной еще технологической базе. Основная задача состояла в том, чтобы на базе полупроводниковых лазеров, которые передают информацию с помощью когерентного излучения в ультрафиолетовой части спектра, синтезировать полную систему логических элементов. Ее решение было бы доказательством принципиальной возможности построения оптического цифрового компьютера. Конечно, проект требовал решения множества технологических проблем. Лазеры на основе арсенида галлия работали только в жидком азоте (температура кипения -195°C) и потребляли огромное количество энергии. Уменьшить потребление можно было только за счет принципиально новых методов очистки арсенида галлия, чем без заметных успехов занимались многие исследовательские институты. Но это были трудности лаборатории Ривлина. Наши были из области computer science -- было необходимо синтезировать логические схемы в совершенно новых базисах, с учетом тех физических ограничений, которые еще никем не рассматривались. Информация в лазерном компьютере переносилась световыми импульсами длительностью 10-12 с и частотой 109-1010 Гц (в середине 1960-х для computer science это выглядело фантастикой). Поскольку свет не остановить, требовалось создать "динамические" элементы, которые обрабатывали бы информацию "на лету". Притом нельзя было пренебречь геометрическими размерами элементов и временем прохождения оптических сигналов. Тем более что запоминать информацию предлагалось с помощью "динамических" элементов памяти -- световой импульс путешествовал между двумя микрозеркалами. По сути дела, наши лаборатории в начале 1960-х вплотную столкнулась с проблемами, которые спустя десяток лет возникли в кремниевой технологии при создании сверхбольших интегральных схем. Тем не менее принципиальная схема логически полной системы элементов была создана и даже экспериментально показана возможность ее физической реализации. После чего стало ясно, что для продолжения работ необходим масштабный экспериментальный проект, а значит, заказчик, который будет готов его финансировать. Тут дело и застопорилось -- информации, что подобные исследования ведутся в Штатах, не было. К концу 1960-х в Союзе начали считать деньги. Работы по лазерному вычислителю в Министерстве электронной промышленности были свернуты; бионика перестала радовать военных, наша головная лаборатория в Минрадиопроме была ликвидирована. Александр Горяшко, доктор технических наук, профессор кафедры прикладной математики и моделирования систем, Московский технологический институт