Междисциплинарный характер компьютерных проектов

Японская национальная программа ERATO как прототип прорывного исследовательского проекта в области инструктивного синтеза (био)кристаллических и (микро)молекулярных структур с заранее заданными вычислительными свойствами (по состоянию на 1991 г.)

Встретив со стороны США ожесточенную и явно конъюнктурную критику проекта ЭВМ 5-го поколения, японские ученые тем не менее развернули в начале 80-х годов широкомасштабный прорывной исследовательский проект ERATO [36] в области инструктивного синтеза материалов с заранее заданными формами и физико-химическими свойствами.

Этот проект постоянно развивается, и к 1991 году насчитывал 29 целевых программ фундаментальных исследований в области биокристаллов и биополимеров, организации биопопуляций и обмена биоинформацией в системах различного уровня "интеллектуальности", генного регулирования, механизмов квантового взаимодействия и т. д.

Хронология развертывания этих исследований:

1. "Совершенный кристалл" (1981-1986 гг.) - исследовалась GaAs-технология производства опто- и микроэлектронных устройств от восприятия изображений и до сверхскоростных процессоров со временем переключения логических вентилей ~10^-10 сек.
2. "Высококачественный полимер" (1981-1986 гг.) - исследовались практически полезные для опто- и микроэлектроники свойства различных групп полимеров.
3. "Аморфные и interacalation (встраиваемые) соединения" (1981-1986 гг.) - исследовались аморфные кристаллы металлов, ферромагнетиков и керамики размером 800-1200 Е для создания устройств оптической памяти и дисплеев сверхвысокого пространственного разрешения.
4. "Ультрамалые частицы" (1981-1986 гг.) - исследовались кристаллографические, электромагнитные, оптические, термические и каталитические свойства металлов, металлических и кремниевых соединений ультрамалых размеров 40-200 Е.
5. "Bioholonics" (1982-1987 гг.) - исследовались энергетические биомеханизмы как прототип самоорганизации в сверхпараллельных ЭВМ и системах искусственного интеллекта, которая основана на взаимодействии автономных органов управления отдельных элементов типа мышечных тканей (синергетический тип управления).
6. "Передача биоинформации" (1983-1988 гг.) - исследовались различные биохимические механизмы информационно-энергетического взаимодействия центральной нервной системы и простатной железы, влияющие на рецепцию, морфологическую и биохимическую дифференцировку, иммунитет и т. п.
7. "Супержучки" (1984-1989 гг.) - исследовались возможности различных бактерий и используемые ими биомеханизмы для создания биотехнологий очистки земной, водной и воздушной среды, производства тепла и т. д.
8. "Твердая (чистая) поверхность" (1985-1990 гг.) - исследовались различные (фото)химические процессы эпитаксиального наращивания атомарных и молекулярных слоев на металлические, кремниевые и органокристаллические поверхности.
9. "Наномеханизм" (1985-1990 гг.) - исследовались возможности создания контрольно-измерительного оборудования нанометрового диапазона (1-5 нм) на основе рентгеновских микроскопов с максимальной скоростью сканирования ~200 нм/сек.
10. "Биофотон" (1986-1991 гг.) - исследовались биомеханизмы восприятия световых потоков сверхмалой мощности ?10^-17 Вт, что соответствует излучению 10 фотонов в секунду. Основная цель - создание сверхчувствительных фотоприемников.
11. "Молекулярные динамические ансамбли" (1986-1991 гг.) - исследовались изменения 3-мерных супрамолекулярных структур под воздействием рентгеновских лучей.
12. "Квантово-магнитная потоковая логика" (1986-1991 гг.) - исследовались 3-мерные матрицы квантово-магнитных параметронов для создания супер-ЭВМ систолической потоковой архитектуры с МКМД-организацией вычислений. Предполагалось, что такие вычислительные структуры обеспечат время задержки на вентиль ~1 пикосекунды при мощности рассеивания ~1 пиковатт, что на два порядка лучше, чем у джозефсоновских устройств.
13. "Архитектура молекулы" (1998-1992 гг.) - исследовалось влияние стереоориентации липидов и протеинов на биомеханические свойства биологических мембран, существенным образом влияющих на структурно-функциональные свойства клеток за счет избирательной проницаемости экзо- и эндогенных молекул.
14. "Морфогенез" (1987-1992 гг.) - исследовались ранние стадии развития организмов (гаструляция и дифференцировка ткани) для нужд генной инженерии.
15. "Терагерц" (1987-1992 гг.) - исследовались условия перехода от технологии производства СБИС с топологическими нормами 0,1 микрон и тактовой частотой 10¹¹ Гц к молекулярной электронике, обеспечивающей тактовую частоту 10¹²-10¹⁵ Гц. В основу положено эпитак-сиальное наращивание молекулярного слоя на GaAs-подложку, где функции лазерных диодов реализованы в молекулярном слое.
16. "Экохимия растений" (1988-1993 гг.) - исследовались механизмы повышения эффективности селекции растений, которые рассматривались как "фабрика лекарственных препаратов".
17. "Микрофотоконверсия" (1988-1993 гг.) - исследовались фотохимические процессы, пригодные для контроля реакций полимеризации в микрообъемах со временем экспозиции 10^-12-10^-13 сек, что применимо во всех "прозрачных" системах контроля фазового состояния.
18. "Квантовые волны" (1988-1993 гг.) - исследовались возможности построения и использования полупроводниковых структур размером 50-200 Е, полученных эпитаксиальным наращиванием молекулярного слоя на GaAs-подложку.
19. "Геносфера" (1989-1994 гг.) - исследовалось (наблюдалось?) влияние пространственной реконфигурации хромосом на внутриклеточные процессы.
20. "Атомарное искусство" (1989-1994 гг.) - исследовались методы и средства ("мезоскопы" - 10 нм и "атомоскопы" - 0,1 нм) контроля эпитаксиального наращивания молекулярных и атомарных рабочих слоев.
21. "Электронный волновой фронт" (1989-1994 гг.) - исследовались условия преодоления ограничений электронной микроскопии с выходом на электронные голограммы, обеспечивающие точность 10^-2 длины волны, что важно для исследования и контроля атомарных и молекулярных структур, ДНК и т. д.
22. "Химическое узнавание" (1990-1995 гг.) - исследовались проблемы управления селективностью ионов металлов и органических молекул с целью выбора механизмов химической самоорганизации в гетерогенной среде.
23. "Пищевая устойчивость" (1990-1995 гг.) - исследовалось влияние "диеты" на ДНК-регулируемые метаболические процессы в организме животных, что является прототипом взаимодействия глобальных неспецифических внешних воздействий на систему в целом (организм) и "метаболических" процессов в отдельных ее элементах (клетках).
24. "Протеиновые матрицы" (1990-1995 гг.) - исследовались условия использования двумерных протеиновых матриц в качестве интеллектуального "фотошаблона" для самоорганизующихся микрокристаллических и супрамолекулярных структур.
25. "Метаплавка" (1990-1995 гг.) - исследовалось выращивание кристаллов сверхвысокой чистоты под воздействием рентгеновских лучей и нейтронных пучков.
26. "Дифференцировка клетки" (1991-1996 гг.) - исследовались механизмы трансформации тканей в процессе роста и развития организмов.
27. "Биостолкновение" (1991-1996 гг.) - исследовались химические механизмы передачи информации у простейших организмов, регулирующие их взаимоотношения в колониях.
28. "Молекулярный катализ" (1991-1996 гг.) - исследовались химически "чистые" реакции, синтезирующие требуемый продукт без побочных продуктов и при минимуме расхода энергии. Основа - органоме-таллическое соединение, в котором промежуточный металлический комплекс реализует локальные каталитические функции, а органическая среда задает требуемую пространственную упорядоченность "составных" элементов.
29. " -электронные материалы" (1991-1996 гг.) - исследовалось управление (био)химическими процессами с высокой пластичностью формы и высокой подвижностью ?-электронов типа графит, GaAs и т. п. Общее руководство программами ERATO осуществляет корпорация

научных исследований Японии (JRDC) во взаимодействии с Агентством науки и технологии (STA) правительства Японии. Годовой бюджет JRDC составляет 17 млрд. иен (?17 млн. $ США).

Научная координация исследований в рамках ERATO осуществляется в трех направлениях: динамические микроспектроскопы, микрохимические функции, микропреобразующие системы. В совокупности эти исследования направлены на реализацию интегрированного проекта в области технологии микрофотопреобразований, актуальных не только для вычислительной техники с элементной базой молекулярного уровня исполнения, но и для аналитического приборостроения, поддерживающего научные и прикладные исследования следующего тысячелетия в области генной инженерии, биохимии, микробиологии и т. д.

Приведенные данные позволяют с достаточной степенью уверенности считать, что основная цель проектов ERATO - это отработка технологий для вычислительных систем со сверхмассовым параллелизмом и с молекулярным уровнем исполнения элементной базы.

В дальней перспективе разрабатываемая технология должна обеспечить достижение фундаментальных физических пределов в производстве средств вычислительной техники:

• линейные топологические размеры "логических элементов" (классический радиус электронной орбиты), что в раз меньше, чем у современных твердотельных вентилей ( );
• потребляемая энергия - при использовании движения электронов вокруг ядер, эВ - при использовании колебательных движений ядер и электронов в молекуле, эВ - при использовании вращательного движения в молекуле.

В рамках среднесрочной перспективы (2005-2015 гг.) предполагалось достичь уровня функциональной интеграции био- и макромолекулярных кристаллов с периодом решетки . При этом следует иметь в виду, что "сложность" реализуемой в активном молекулярном узле функции гораздо выше, чем у твердотельных вентилей, реализующих одну из базисных булевых функций. В результате может оказаться, что в био- и макромо-лекулярных кристаллах функциональная интеграция в булевом базисе будет определяться эквивалентными линейными топологическими размерами .

Базовая концепция продолжающихся программ ERATO фактически сводится к микроминиатюризации наработанных методов и средств в области молекулярной спектроскопии, которые планируются использовать:

• для контроля процесса (возможно и высокомолекулярного) инструктированного синтеза био- и макромолекулярных кристаллических структур подложки и рабочей поверхности;
• в процессе функционирования био- и макромолекулярных вычислителей, преобразующих модулируемый внешний информации световой поток, проходящий через рабочую поверхность;
• в процессе диагностики био- и макромолекулярных вычислительных систем, проводимой в (квази)реальном масштабе времени и желательно параллельно с основными вычислениями.

Реализующая эту концепцию функциональная схема био- или молекулярно-кристаллического вычислителя включает (рис. 1.7):

Рис. 1.7. Биомолекулярный эквивалент оптовычислителя

• модулируемый потоком внешней информации генератор "оптических" сигналов;
• био- или молекулярно-кристаллическую вычислительную среду;
• фотоприемник" результирующих сигналов.

Такая схема воспроизводит схему традиционных оптоэлектронных вычислителей на жидких кристаллах, где в качестве переключательного элемента используется оптически полупрозрачный ключ.

Традиционные микроэлектронные схемы на твердых кристаллах используют в качестве переключателей вентили, биомолекулярный эквивалент которых включает (рис. 1.8):

Рис. 1.8. Биомолекулярный эквивалент вентиля

• элементарный фотоприемник входных сигналов;
• элементарный молекулярный вычислитель-преобразователь;
• элементарный генератор выходного сигнала.

Биокристалический эквивалент оптоэлектронной схемы можно классифицировать как вычислительную систему с глобальным генератором входных сигналов и фотоприемником выходных сигналов, а биокристалический эквивалент микроэлектронной схемы - как вычислительную систему с распределенными генераторами и фотоприемниками входных и выходных сигналов.

Несмотря на существенные отличия этих схем, очевидно, что уровень потребительских характеристик биокристалических вычислителей будет в основном определяться не уровнем микроминиатюризации вычислителей среды, а уровнем микроминиатюризации генераторов и фотоприемников сигналов.

Биокристалические вычислители могут быть выполнены по технологии постоянных запоминающих устройств, в которых вычислительные функции фиксируются на этапе синтеза биокристалла, или по технологии перепрограммируемых запоминающих устройств, в которых вычислительные функции изменяются в процессе вычислений.

Рис. 1.9. Структура органометаллического биокристалла

Достаточно общая технологическая стратегия синтеза (био)моле-кулярного кристалла базируется на молекулярном катализе в органо-металлических соединениях (рис. 1.9), где активные металлические центры (в данном случае рутений Ru) имплантируются в подложку и фиксируют структуру эпитаксиального слоя на основе фосфора P. Рабочая поверхность биомолекулярного вычислителя формируется из хирального органического лиганда, задающего оптические свойства вычислительной среды.

В перепрограммируемых биокристалических средах хиральный лиганд извлекается избирательно из неоднородной жидкой среды, а в молекулярных кристаллах - из газообразной среды.

Из сказанного видно:

1. В (био)молекулярных кристаллах вычисления могут быть реализованы только по принципу "одна инструкция - один процессор", что требует "бездефектных" средств погружения (под)программ на аппаратурный (молекулярный) уровень реализации.
2. "Программирование" биокристалических сред можно производить только в режиме разделения времени с обработкой информации, так как такое "программирование" требует реконфигурации структурно-функционального состава хирального рабочего слоя.
3. Реконфигурация биокристаллического вычислителя может осуществляться как замещением органических молекул хирального оптического слоя, так и модификацией их пространственной ориентации за счет "деформаций" структуры эпитаксиального слоя (в данном случае молекул фосфора).
4. Фиксируемые пользователем структурно-функциональные схемы хирального оптического слоя предполагают потоковую организацию вычислений, при которой все инструкции программы пространственно закреплены за молекулами хирального слоя, а потоки обрабатываемой информации распространяются по среде по заранее заданным "каналам" передачи данных.
5. В структурно "программируемых" биокристалла динамика реконфигурации зависит от активности процессов диффузии и узнавания биомолекул при формировании или модификации хирального слоя, времени задания (инструктирования) пространственной ориентации молекул эпитаксиального слоя, уровня гомо- и гетерогенности хирального слоя и т. д.
6. Наиболее высокую динамику реконфигурации биокристалических вычислителей обеспечивает ассоциативная организация вычислений на основе дуального взаимодействия потоков инструкций (биомолекул хирального слоя) и данных (световой поток). При такой организации вычислений содержимое данных, полученных на предыдущем такте, доопределяет обрабатывающую инструкцию на последующем такте работы.
7. Основанная на дуализме потоков инструкций и данных ассоциативная организация вычислений в биокристалических структурах резко усложняет их диагностику, которая должна проводиться в темпе реального времени с обработкой входной информации.
8. В более ранней перспективе при переходе на квантовый уровень реализации элементной базы с варьируемым пространственно-временным распределением ядер в макромолекуле встает проблема синтеза макромолекул, их контроля и диагностики в реальном времени. При этом требуется обеспечить условия когерентного взаимодействия модулируемых (информационных) потоков "свободной" энергии со "связанными" электронами, так как любое воздействие на квантовую систему изменяет ее состояние, а значит, и пространственно-временное распределение "связанных" электронов, задающее локальную вычислительную функцию с вероятностными условиями реализации.

Таким образом, переход на молекулярный уровень исполнения элементной базы кардинальным образом изменяет физико-технические и схемотехнические принципы синтеза и работы (сверх)многопроцессор-ных вычислительных систем (ВС):

1. Если в современной твердотельной электронике физико-технические решения направлены на ускорение пространственно-временных потоков "свободных" электронов, определяющих время и энергию переключения вентилей, то в молекулярной электронике основное внимание приходится уделять пространственно-временной фиксации молекулярных орбиталей "связанных" электронов, определяющих элементарные вычислительные функции в активных центрах макромолекул.
2. Если в современной твердотельной электронике схемотехника базируется на комбинационных автоматах, из которых синтезируется блоки и устройства, в том числе и конечно-автоматного типа, то в молекулярной электронике в качестве элементарных приходится рассматривать конечные автоматы и на схемотехническом уровне обеспечивать их трансформацию в комбинационные.
3. Если в современной твердотельной электронике многофункциональные арифметико-логические модули реализуются на схемотехническом уровне, то в молекулярной электронике они могут быть погружены на уровень физико-химического процесса, адекватного по выполняемому отображению функциональному оператору пользователя. При этом различным операторам могут соответствовать и различные свойства физико-химического процесса, определяемые пространственно-временным распределением спиновых, магнитных и электрических моментов в макромолекуле.
4. Если в современной твердотельной электронике физическая модальность (токи, напряжение и т. п.) управляющих и информационных сигналов и их значения, как правило, одинаковы, то в молекулярной электронике, как и в оптоэлектронике, эти сигналы имеют разную физическую природу.
5. Если в современной опто- и микроэлектронике организация вычислений существенно зависит от дискретной или аналоговой формы используемых физических процессов, то в молекулярной электронике организация вычислений должна быть инвариантна этим формам.
6. Если в современной теории конечных автоматов выходная реакция зави-сит от входного сигнала и предшествующего состояния, то в квантовых системах выходная реакция зависит еще и от последующего состояния.