Архитектура биокомпьютера

Современные компьютеры построены по архитектуре фон Неймана. Она стала настолько привычной, что кажется, никак иначе и быть не может.

Довольно часто человека сравнивают с компьютером и говорят, что компьютер – это модель человека. Мозг сравнивают с процессором, органы чувств – с устройствами ввода информации, органы речи – с устройством вывода, вот только с памятью большая проблема. Нет у человека отдельного органа памяти. Считалось, что мозг является органом памяти, но понять, как происходит запись и считывание так и не удалось. И потом, мозг – это ведь процессор, а разве может один орган совмещать функции процессора и памяти? А почему бы и нет?

Давайте вспомним о том, какой революционной была идея архитектуры фон Неймана. До него процесс программирования рассматривался как операции над данными. Т.е. данные – это некие отдельные потоки информации (электрических импульсов), а программы – это некие переключатели, которые управляли этими потоками. Революционность архитектуры фон Неймана состояла в том, что она предлагала записывать и хранить программы в общей памяти вместе с данными. Разница между ними заключалась лишь в способе обращения к ним. И теперь программы – это тоже данные, особый вид данных, который содержит информацию об операциях над другими данными. Исполнение программы – это, по сути, взаимодействие двух видов данных, двух кодов, результатом которого являются некие выходные данные или действия – текст на экране, музыка,  видео и т.д.

Единственным узким местом архитектуры фон Неймана осталось ограничение пропускной способности шины, которая соединяет процессор с памятью. Это то, что больше всего ограничивает быстродействие компьютера.

И опять мы упираемся в проблему с памятью!

Давайте рассмотрим, как устроена память в компьютере. Во-первых, есть два вида памяти: оперативная и долговременная. Последнюю часто называют внешней памятью или накопителем. Несмотря на то, что оба эти устройства называются памятью, это принципиально разные вещи. Между ними так мало общего, что гораздо больше сходств можно обнаружить между процессором и оперативной памятью, чем между оперативкой и жестким диском.

Оперативная память – это, по сути, микросхема (логическая схема), по которой все время, пока включен компьютер, циркулирует ток. Фактически то же самое представляет собой и процессор. Между ними происходит постоянный обмен. Беда в том, что когда питание отключается, все данные исчезают. Нет питания – нет данных. Оперативная память не хранит, а каждый миг воспроизводит, творит, порождает данные, постоянно их изменяя, производя над ними логические операции.

Если и сравнивать человеческую память с компьютерной, то именно с оперативной, поскольку и человек обладает памятью пока он жив, и память его представляет собой нечто творческое, обновляющееся.

Если бы компьютер не обладал долговременной памятью, толку от него было бы мало. Приходилось бы каждый раз заново писать программы и создавать документы. Именно поэтому возникла необходимость сохранять ценную информацию во внешней памяти (накопителе). К внешней памяти относится не только жесткий диск, но и любые другие носители информации – магнитные диски, ленты, оптические диски, флеш-накопители, с которых компьютер может вновь считать и загрузить в оперативную память сохраненную информацию.

Устройства хранения информации могут иметь разный принцип, разную технологию. Самое главное, они должны быть достаточно прочными или защищенными, чтобы сохранять измененную во время записи структуру поверхности или намагниченность.

Таким образом, мы видим, что долговременная память необходима компьютеру лишь для того, чтобы сохранять данные в ВЫКЛЮЧЕННОМ состоянии.

Нужна ли долговременная память человеку? Человеческий организм не бывает в выключенном состоянии. Ну, если не считать таким состоянием смерть. Он все время функционирует, даже во сне. Поэтому мы не нуждаемся в специальном накопителе, как компьютер. Нам достаточно оперативной памяти, которая по совместительству является и процессором, судя по всему.

И я не вижу причин, мешающих реализовать подобную архитектуру в железе. Тем самым, мы могли бы решить проблему «узкого места» фон Неймановской архитектуры.

Понятно, что легче сказать, чем реализовать. Поэтому важно заранее продумать архитектуру нового компьютера, в котором функции процессора и оперативной памяти будут совмещены. Кроме того, следует предусмотреть и встроенный генератор электроэнергии, поскольку этот компьютер должен всегда находиться во включенном состоянии. А также программу, поддерживающую необходимый уровень электроэнергии и осуществляющую её восполнение из внешних источников в случае необходимости.

Архитектура биокомпьютера

Я не специалист в области электроники и поэтому техническую сторону рассматривать не буду. Пусть этим займутся специалисты. Я же попробую наиболее подробно описать логическую архитектуру, программную составляющую данного компьютера.

Центральным устройством, мозгом компьютера будет процессор, он же будет исполнять и функцию оперативной памяти.

Вторым важным устройством будет генератор электроэнергии – сердце компьютера. Его функцию в современном компьютере исполняет блок питания. Но в отличие от блока питания генератор должен не просто подключаться к готовому источнику, а генерировать энергию, желательно разными способами, и обладать встроенным программным обеспечением, отслеживающим уровень энергии и обеспечивающим его восполнение.

Мозг компьютера представляет собой единое адресное пространство, в котором постоянно взаимодействуют между собой данные и программное обеспечение, а также создаются новые программы. Т.е. это некое самопрограммируемое устройство.

Каждая программа представляет собой отдельный код. Данные представлены тоже в виде двоичных кодов, но называются файлами. Каждый код, будь то программа или файл, имеет начало и конец, т.е. выраженную направленность. Его нельзя прочитать с конца в начало – получится бессмыслица.

Разделение кодов на два типа подобно половому разделению. Программный код – это активное, мужское начало. Файл с закодированными данными – это пассивное, женское начало.

(Продолжение следует)