Год: 1980
Издательство: Мир
Язык: Русский
Формат: DjVu
Качество: Отсканированные страницы
Количество страниц: 238
Книга известного финского ученого проф. Т. Кохонена представляет собой введение в теорию ассоциативной памяти. Рассмотрены принципы построения, математические модели и вопросы физической реализации памяти этого типа исходя из новых системно-теоретических концепций. Основное внимание уделено использованию ассоциаций для преобразования информации и выборки данных по их фрагментам, а также биологическим аспектам ассоциативной памяти.
Книга предназначена для студентов и научных работников, специализирующихся в области кибернетики, вычислительной техники, математической биологии и психологии.

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ПЕРЕВОДУ

В последние годы наметились два основных на­правления создания высокопроизводительных ЭВМ, предназначенных для анализа сложных проблем уп­равления динамическими системами и технологиче­скими комплексами, а также для применения в автоматах и роботах. С одной стороны, разрабаты­вается элементная база ЭВМ, с другой — ведутся по­иски более эффективных принципов управления си­стемами. Последнее направление часто связывается с разработкой ЭВМ новой архитектуры.

Применение интегральных схем с высокой сте­пенью интеграции привело к созданию микропроцес­соров и даже микро-ЭВМ на кристалле кремния раз­мерами в два-три десятка квадратных миллиметров. Такие небольшие по размерам устройства могут встраиваться в самые разнообразные изделия, прида­вая им новые, «интеллектуальные» свойства.

Однако наряду с успехами, достигнутыми в обла­сти создания современной элементной базы ЭВМ, обнаружились и серьезные недостатки в архитектуре последних, С момента первых практических примене­ний вычислительных машин и вплоть до настоящего времени их^архитектура в сущности не претерпела ка­ких-либо фундаментальных изменений и отражала точку зрения на ЭВМ скорее как на инструмент для вычислений («большой арифмометр»), чем на регуля­тор или искусственный интеллект. Такое односторон­нее толкование функций ЭВМ обусловило значитель­ный разрыв между возможностями ЭВМ, спроектиро­ванных исходя из традиционных архитектурных принципов, и потребностями современной техники и производства. Эта диспропорция обычно связывается, с трудностями ввода — вывода информации и обще­ния человека с ЭВМ, что в какой-то степени преодолев вается с помощью дорогостоящего программного обе­спечения (операционных систем) , компенсирующего некоторые структурные недостатки вычислительных машин. Однако становится все более очевидным, что гипертрофированное развитие программного обеспе­чения является следствием неадекватных принципов обработки информации, положенных в основу совре­менных ЭВМ. В силу тех же причин разработчики мультипроцессорных вычислительных систем — насчи­тывающих десятки, сотни и даже тысячи микропро­цессоров и предназначенных для обработки больших массивов информации и многоканального управления объектами — сталкиваются с принципиальными труд­ностями, связанными с необходимостью распаралле­ливания процессов управления и вычислений и не менее сложными задачами создания языков парал­лельного программирования и соответствующих транс­ляторов.

Поэтому представляют интерес совершенно иные " подходы к решению проблемы построения адекват­ной архитектуры ЭВМ и управления сложными си­стемами. В книге проф. Кохонена предпринята по­пытка развить новые концепции обработки информа­ции н анализа сложных ситуаций. Их сущность ^ заключается в обращении к механизмам ассоциатив- $ ной обработки информации, родственным, по-видимо­му, процессам анализа и синтеза, протекающим в мозгу человека. Вместо традиционного математиче­ского моделирования, требующего разработки моде­ли, программирования и анализа результатов, исполь­зуется особая, так называемая ассоциативная среда, пригодная для запоминания некоторой априорной информации в виде упорядоченной системы отноше­ний между ее элементами. Записанные в ассоциатив­ной памяти априорные отношения, или ассоциации, играют роль математической модели явления (про*, цесса) и позволяют отыскивать «скрытые» связи, со­ответствующие новой входной информации (новой ситуации).

Как известно, отыскание связей или закономерно­стей— главная задача науки (и основное требование успешной адаптации к сложной среде), и в этом от­ношении ассоциативный метод анализа явлений не­посредственнее и нагляднее, чем «неявное»- задание связей или закономерностей в виде формализованной' математической модели узкого круга явлений. С Этой точки зрения, например, система дифференциальных уравнений является частным случаем представления связей в виде трехмерных упорядоченных во времени и пространстве ассоциаций элементов и структур данных.

В книге рассматриваются методы математического описания ассоциативных структур данных и манипу-■ лирования ими, а также принципиальные вопросы реализации и возможная связь ассоциативных запо­минающих систем с процессами, протекающими в мозгу человека. Такой комплексный характер рас­смотрения проблемы выгодно отличает книгу проф. Кохонена от ряда изданных в последние годы книг по перспективам развития ЭВМ и делает ее полезной как для специалистов по вычислительной технике, так и для специалистов в смежных областях исследо­ваний и разработок. Наряду с теоретическими резуль­татами в книге представлены весьма интересные примеры машинного моделирования ассоциативных процессов обработки .информации. Так, программы выявления недостающих фрагментов в изображениях, а также программы устранения шумов и установле­ния различий между отдельными состояниями иссле­дуемых объектов могут быть непосредственно исполь­зованы при разработке систем априорной и апостери­орной обработки данных в медицине, технической диагностике, связи и т,д.

Хотя в книге и не нашли отражения некоторые теоретические и экспериментальные исследования ассоциативных ЭВМ и биологических механизмов за­поминания и обработки информации, предлагаемая советскому читателю книга несомненно окажет сти­мулирующее влияние на исследователей и инженеров, чья деятельность связана с такими направлениями науки и техники, как архитектура ЭВМ, искусствен­ный интеллект, автоматическое управление, робото­техника и т.д. Можно ожидать, что в ближайшие годы разработчики ЭВМ уделят значительное внима­ние новому поколению вычислительных машин, спо­собных решать задачи не только путем традиционных вычислений, но и на основе первоначального накоплення опыта решения задач в виде ассоциаций (меж­ду условиями и решениями) и последующего исполь­зования этого опыта для обнаружения связей и зако- ■ номерностей в новых условиях. По-видимому, архи­тектура таких машин станет однороднее и будет в большей степени соответствовать требованиям со­временной технологии изготовления электронных ком­понентов. И очень возможно, что в скором времени ассоциативные ЭВМ окажутся незаменимыми в каче­стве моделей механизмов запоминания и обработки информации в. мозгу человека и животных,

ZJ. К. Быховский

ПРЕДИСЛОВИЕ

Проблемы, рассмотренные в книге. В этой книге предпринята попытка рассмотреть противоречивые и довольно расплывчатые представления об ассоциа­циях^ ассоциативной памяти и ассоциативном воспо­минании, или ассоциативной выборке. Обзор такого рода, видимо, необходим, так как, насколько нам из­вестно, до сих пор нет монографии, посвященной обсу­ждаемой здесь теме. Однако главным стимулом для написания книги послужили другие причины. Дело в том, что полученные в последние годы результаты мно­гих системно-теоретических исследований способство­вали разработке новой концепции ассоциативной памяти, существенно отличающейся от принятых в на­стоящее время — абстрактной и ориентированной на вычислительную технику. Согласно предлагаемой кон­цепции, определение ассоциативной памяти — предна­значенной, вообще говоря, для хранения информации вместе с отношениями, или ассоциациями, между эле­ментами данных, а также селективной выборки запо­минаемой информации по отдельным ее фрагментам — следует соотносить не столько с технологией проек­тирования пусть даже самых современных запоми­нающих устройств ЭВМ, сколько с весьма общими, математически описываемыми процессами, протекаю­щими в физических или иных системах и характери­зующимися адаптивным изменением состояний запо­минающей среды, С этой точки зрения представляется, что хорошо известные типы ассоциативной памяти, а именно конкретные схемы памяти для ЭВМ или абст­рактные системы и данные, в действительности яв­ляются лишь частными примерами более широкого класса процессов, объединенных термином «ассоциа­тивная память».

Таким образом, описанные в книге исследования следует рассматривать как новый системно-теоретический подход к проблеме ассоциативной памяти. Хо­телось бы надеяться, что приведенные формальные • методы и примеры их использования вызовут интерес у специалистов, работающих в области кибернетики, вычислительной техники, математической психологии, физиологии и физики.

Различные аспекты рассмотрения памяти. Проблема памяти рассматривается в современной науке с самых различных позиций, чем и объясняется раз­нообразие моделей памяти. Подобно тому как совре* менная концепция вычислений основана на понятиях машины, программы и информационного процесса, связанного с выполнением программы на машине, концепция памяти кибернетической системы предпо­лагает наличие 1) субстрата памяти, т.е. электронной системы, физической системы или органического ве­щества, которые являются носителями информации, 2) множества записанных в памяти образов (в био­логии их называют «следами» памяти), 3) некоторой абстрактной структуры знаний, неявно закодирован­ной в образах, и соответствующих смысловых связей между образами, а также 4) возможности восстанов­ления некоторых событий в процессе, аналогичном воспоминанию.

Благодарности, Большинство идей, высказанных в книге, появилось в .ходе многочисленных обсужде­ний. В частности, при работе над янигой мне оказали ценную помощь Пекка Лехтио и Эрки Ойя. Многие сотрудники лаборатории внесли вклад в разработку моделирующих программ и примеров, представлен­ных в книге. Я благодарен всем, кто помогал лкне; это — К- Брай, Л, Гиппелейнен, Й. Хивядоннен, Л, Хелл, Т, Юнккари, И, Кархунен, X Лейне, X. По- 4 янпело, И. Рекула, Е. Риихимяки, И, Ровамо, П. Тей-тинен, И. Туоминен и Л. Вайнио, Очень полезны были некоторые замечания, высказанные акад. Эрки Лаурила, проф. Джеймсом А. Андерсоном и проф. у Майклом А. Арбнбом. А также благодарен моей жене за поддержку.