В этом быстром, безошибочном объединении сходных нейронов, в точном скреплении их в заданных местах заключен один из важнейших секретов высокой надежности монтажа элементов сложнейшей из всех систем организма — центральной нервной системы.
Итак, одна из главнейших задач бионики — изучение и перенесение в технику важнейших принципов, используемых природой для обеспечения высокой надежности функционирования живых организмов. "Пожалуй, самое главное, что должна перенять радиоэлектроника у живой природы, — пишет член-корреспондент АН СССР В. И. Сифоров, — это высокая надежность. Ведь если вы поцарапали палец, то организм сам производит необходимый "ремонт". Кровь свертывается, кровотечение немедленно останавливается, и через некоторое время царапина заживает. Сейчас мысль ученых и инженеров направлена на то, чтобы создать нечто подобное и в технических устройствах. Пока "самозалечивание" электронных машин в основном сводится к автоматическому включению резервных блоков, однако в будущем, по-видимому, появятся системы, которые будут находить неисправную деталь и заменять ее новой".
Из известных нам природных принципов, обеспечивающих надежность центральной нервной системы и живого организма в целом, сегодня наибольший интерес для теории и практики надежности электронной техники представляют методы многоступенчатого резервирования, методы автоматического изменения структуры и методы автоматического изменения (загрубления) параметров отдельных частей системы при неблагоприятных условиях. Но как все это практически осуществить с наибольшей эффективностью для радиоэлектронных и кибернетических устройств, как добиться стопроцентной надежности в работе? — вот вопрос вопросов!
Ряд интересных соображений на сей счет высказал известный советский физиолог член-корреспондент АН СССР 3. А. Асратян. В основном они сводятся к следующему:
"Во время процессов торможения нервные клетки восстанавливают свою активность, подготавливаются к дальнейшей деятельности. В сложных автоматических системах не все элементы одновременно участвуют в работе. По-видимому, целесообразно иметь в таких системах специальный механизм, который, не участвуя в основной деятельности, использовал бы вынужденные простои для проверки этих элементов, для их профилактического ремонта...
Запасные элементы нервной системы во многом обеспечивают ее надежную работу. Они не лежат на складе, как запасные детали машин, а в любую минуту готовы встать в строй взамен пораженных. И неважно, что многие функции основных элементов им не под силу. Главное — организм продолжает жить, создается возможность для возвращения в строй поврежденных участков.
Конструкторы должны научиться использовать этот принцип при создании сложных автоматов. Ведь даже самые совершенные из них оказываются сейчас беспомощными при поломке второстепенной детали. Но как конкретно воплотить это пожелание в жизнь? Принципиально так. Создадим машину из элементов трех типов: постоянно действующих элементов, которые обеспечивали бы быструю и точную работу машины, таких же элементов, но работающих при выходе из строя первых, и элементов еще одного типа, работающих не так быстро и не так точно, но поддерживающих бесперебойность работы системы до тех пор, пока не будут заменены или исправлены основные.
Не этот ли принцип динамической перестройки, перестройки "на ходу" даст возможность создавать в будущем машины, сопоставимые по своей надежности с мозгом?
И вот что еще следовало бы перенять у нервной системы. Отдельные узлы машины должны быть достаточно самостоятельными, но относительная самостоятельность узлов должна объединяться и подчиняться высшим регуляторам системы. При этих условиях подчиненные регуляторы будут работать даже при выходе из строя высших".
Как видите, сегодня физиолог дает инженерам, творцам электронных систем, замечательные идеи и даже рекомендует готовые методы повышения надежности вычислительных и управляющих машин. Союз физиологии и электроники, осуществляемый бионикой, с каждым днем делается все более плодотворным. Ярким примером тому служит успешное изучение и использование выработанных природой методов достижения высокой структурной надежности. Хотя здесь сделаны лишь первые шаги, но они привели к созданию "триплетов" — строенных элементов, действующих по методу "голосования", при котором характер выходного сигнала (0 или 1) соответствует характеру сигналов на большинстве выходов. При таком методе резервирования система сохраняет работоспособность при выходе из строя части логических элементов. . Допустим, что мы имеем систему, в которой только три логических элемента; тогда для ее выхода из строя необходимо, чтобы отказали по крайней мере два из трех элементов. Этот же принцип можно распространить на любое число нечетных логических элементов. Если в системе используется, например, пять логических элементов, включенных параллельно, то специальное устройство, которое называется мажоритарным элементом[27] и выполняет роль "судьи", будет выдавать решение по сигналам трех или большего числа логических элементов. И если даже откажут два из пяти элементов, устройство все же будет продолжать работать. В общем случае включается 2n + 1 логический элемент параллельно, а мажоритарный элемент принимает решение по сигналам не менее чем п + 1 элемента. Чтобы такая система отказала, надо, чтобы отказал по крайней мере n + 1 логический элемент.
27
Мажоритарный элемент включается на выходе группы одинаковых логических элементов и производит выбор выходных значений по большинству. Чтобы избежать неопределенности в решении задачи выбора правильного сигнала, количество входов в мажоритарный элемент должно быть нечетным.