Научно-техническая стратегия государства

Энергия никуда не пропала – рассеявшись при работе нейронов она направилась на обогрев помещения. А вот информация, заключавшаяся в структуре молекулы утрачена безвозвратно. Как исчезает информация о том, в какой части цилиндра находилась конкретная молекула пара до того, как передвинула поршень.

Термодинамические расчёты свидетельствуют, что окисляя одну молекулу глюкозы мы бесповоротно уничтожает около 240 бит информации. Примерно столько, нужно чтобы описать взаимное положение всех 24 атомов глюкозы с учётом допусков, заданных длинами связей.

То есть, за день человек может выдать 10

, а погубить более 10

 бит. Больше, чем создано человечеством за всю его историю! Притом, что наш организм – весьма продвинутая машина по меркам современной техники.

§17. Закон двухчастной структуры

Системы состоят из упорядочивающей и разупорядочивающей частей.

Рабочая часть системы упорядочивает один фрагмент окружающей среды (превращая сырье в продукт), а служебная – разупорядочивает ради этого другой (более крупный). Эти части сильно отличаются друг от друга по структуре и подходам к проектированию.

Рабочая часть из безликой заготовки делает продукт. Служебная часть всё «портит»: сжигает бензин, превращает электричество в тепло, чистые смазочные материалы в грязные – все ради того, чтобы обеспечивать функционирование рабочей части.

Рабочая часть состоит из подсистем ввода-вывода, преобразования и перемещения ресурсов. Служебная часть состоит из подсистем, подводящих к рабочим модулям информационные потоки и отводящих энтропийные, обеспечивающих поддержание структуры машины в пространстве и времени и постоянство (или нужную динамику) ее состава.

Подсистема менеджмента информационных потоков (содержащих высокоупорядоченные виды энергии или материи) – электричества, сжатого воздуха, топлива, пороха и др. обеспечивает их поставку каждому из рабочих модулей. К ней относятся также функции проверки качества, защиты от помех, преобразования, распределения каждого из этих потоков и питания им всех подсистем машины.

Подсистема менеджмента энтропийных потоков необходима потому, что после того, как мы упорядочили что-то в изделии, использованная при этом энергия стала беспорядочной (обычно – тепловой) и её нужно отвести из машины – через раму, обшивку, воздушное пространство, теплоотводящую сеть, и т. д. Сюда относится и удаление материальных отходов, брака, вышедших из строя компонентов, мусора, воды, посторонних предметов, пыли, заземление для сброса лишних зарядов и напряжений и др.

Подсистема менеджмента пространственной структуры обеспечивает базирование, фиксацию, т.е. пространственную (силовую) синхронизацию всех подсистем машины с надсистемой, в которую она входит. Это как бы скелет, куда крепятся все другие модули данного системного уровня, как служебные, так и рабочие.

Подсистема менеджмента временной структуры обеспечивает управление (приведение в действие частей машины в нужные моменты времени, в зависимости от определённых условий) и обмен сигналами с надсистемой, с отладчиком, оператором. Она обрабатывает данные с рабочих модулей, и выполняет всю информационную работу. Для неё рабочие модули – это чёрные ящики. Она также мониторит состояние служебной части, и, возможно, обесточивает её если есть аварийные признаки. На неё могут возлагаться функции статистики, диагностики, тестирования.

Подсистема менеджмента состава системы обеспечивает ее первоначальное изготовление, ремонт и утилизацию. На современном уровне развития техники она обычно включает в себя человека (с системой заводов), а также пространство, через которое он может подобраться к разным участкам машины с инструментами. Но не всегда: системы автоматической смены инструментов, автоматического залечивания пробоин создаются уже сегодня. В развитом виде она включает в себя функцию иммунитета: распознавание штатных и нештатных объектов, воздействий, ситуаций и реагирование на них. Это антивирусы, контрольные видеокамеры, распознаватели брака, детекторы несанкционированного вскрытия, диспетчеры паролей и обычные замки с ключами.

Полноценными частями этой системы являются поверхность обшивки и пустой внутренний объем, через который одни воздействия на машину избирательно проходят (ремонтные, диагностические, руки наладчика, свет сигнальных огней, свет отражённый от поверхностей для любующихся машиной зрителей) а другие нет: пыль, мусор, действия хакеров и вандалов… Пустота – важная деталь машины. Ей обычно надо быть проводимой для тепла, для света (чтобы было видно что происходит внутри), она должна быть проницаема для рук и инструментов.

К этой системе относятся места для доступа сборочных и контрольных инструментов, технологические отверстия, путей подвода фрез и сварочных электродов. Она обеспечивает возможность первоначально произвести и перестраивать техническую систему в зависимости от ситуации, расширять и развивать (слоты расширения, разъемы для перепрошивки, пустое место с крепёжными планками для дополнительных модулей, кронштейны для навесного оборудования).

Подсистемы служебной части самых разных систем часто бывает одинаковыми, типовыми для достигнутого обществом уровня техники. Например, система «розетка-вилка-шнур-предохранитель-блок питания», типична для многих тысяч технических систем – от пылесоса до лазера. Из-за того, что служебная часть мало зависит от конкретики рабочей части, она легко может адаптироваться к ней как при начальном проектировании, так и при внесении изменений.

Это позволяет использовать одну и ту же служебную часть для обслуживания всех рабочих модулей (как одна система кровообращения снабжает все органы). Она детально проектируется после рабочих модулей, так как обладает высокой адаптивностью и гораздо легче подстроить ее под рабочую часть, чем наоборот. Рабочие модули соединяются со служебными при помощи, типовых внутренних интерфейсов. Один и тот же интерфейс для рабочего модуля является служебным (приносит порядок), а для служебного – рабочим (уносит порядок). По ним, как по пуповине подаётся все нужное и отводится все ненужное.

При этом целесообразно, насколько это возможно, соединять рабочие модули только через служебную часть, которая изолирует рабочие модули от паразитных перекрёстных связей и необходимости согласования (инкапсуляция). Это обеспечивает лёгкую замену и модернизацию рабочих модулей. Их можно отдельно и независимо разрабатывать, собирать отлаживать, испытывать, перемещать. Конструкторам модулей не надо ни ждать друг друга, ни вообще обмениваться информацией.

Это позволяет избегать тупиков когда мы не можем спроектировать А потому что не знаем, каким будет Б и не можем спроектировать Б без готового А, а также избегать порочных кругов и разбегающихся по системе «волн исправлений»: доработали А, от этого поменялось Б, а это опять вызвало изменение в А.

В служебной части сосредоточена большая часть сложности системы, так как каждая ее подсистема взаимодействует с каждой: нужен и подвод электричества к вентилятору охлаждения, и теплоотвод от системы смазки и т. д. Получаются матрицы с сотнями связей.

Поэтому мысленное разделение рабочей и служебной части разгружает от этой сложности конструкторов рабочих модулей, давая им сосредоточиться на главных функциях машины. Затем, благодаря высокой адаптивности подсистем служебной части, справиться с ее типичной сложностью оказывается посильным.

У каждого рабочего и служебного модуля есть собственные рабочая и служебная часть – и так на каждом уровне архитектуры машины. Своими служебными частям дочерние модули подключаются к служебной части материнской системы, иерархически наследуя интерфейсы: охлаждения, управления, питания, базирования, отвода мусора и так далее – что обусловливает древовидную структуру машины.

В ходе развития систем каждый компонент не только рабочей, но и служебной части начинает обрастать собственной служебной частью, формируя иерархии произвольного уровня. То есть, скорее всего, в будущем мы увидим такие вещи как:

– Провода, потребляющие энергию чтобы активно охлаждаться, мониторить своё состояние, залечивать повреждения…

– Теплоотводы с активной защитой от взлома…

– Маслопровод, способный извиваться, избегая травм.

Сам этот шаблон довольно общий и применимый при создании самых разных машин. Он похож на классификацию систем организмов в биологии, на социальные системы. Большинство систем организма имеют аналоги в служебных подсистемах, а единственной рабочей является система размножения.

§18. Закон S-образного развития

Системы проходят типовые стадии жизненного цикла: детство, расцвет, застой и отступление.

В конце XIX века были установлены общие закономерности развития биологических систем: рост численности бактерий, популяций насекомых, массы развивающегося плода и т. п. Впоследствии было показано, что такой же характер имеет развитие множества систем любой природы – от урагана до империи и от каменных топоров до космических челноков.… На каждой из кривых, отражающих этот рост можно было выделить три этапа: медленное нарастание, быстрый лавинообразный рост и стабилизация (иногда убывание) какого-либо важного параметра. В 1920—х было показано, что аналогичные этапы проходят в своём развитии и технические системы.

Кривые, построенные в системе координат, где по вертикали откладывали численные значения одной из характеристик системы (скорость самолёта, мощность электрогенератора и т. п.), а по горизонтали – «возраст» системы или затраты на её развитие, получили название S—образных (по внешнему виду). Хотя реальные кривые развития могут иметь более сложную форму, простые S-кривые дают богатые возможности понимания и анализа эволюции, позволяя предсказывать развитие и предотвращать или устранять типичные проблемы. В многочисленных публикациях были приведены S—кривые развития для кораблей, тракторов, авиации, бумагоделательных машин и т. д.

S—кривые являются удобной иллюстрацией качественного развития систем. Рассмотрим подробнее этапы развития типичной технической системы.

– Этап 1 («детство») – благодаря изобретению новая система появляется и начинает медленно развиваться. Характерны разнообразные «детские болезни».

– Этап 2 («расцвет») – общество осознает ценность данной системы, начинается ее лавинообразное развитие. Характерны типичные «болезни роста».

– Этап 3 («старость») – исчерпываются ресурсы для развития данной системы, развитие замедляется. Характерны многочисленные «старческие болезни»

– Этап 4 («отступление») – система нового поколения вытесняет старую в узкоспециальные рыночные ниши, где она сохраняет преимущество

На первом этапе развития технической системы по S—кривой рост идеальности идёт преимущественно за счёт снижения факторов расплаты, на втором – за счёт опережающего роста полезных функций. На третьем этапе идёт рост полезных функций при ускоряющемся росте факторов расплаты, в результате чего идеальность системы более или менее стабилизируется. А на четвёртом этапе идеальность начинает падать, развитие сменяется регрессом, который чаще всего приводит к смерти системы, прекращению ее производства и продаж, нередко – банкротству или перепрофилированию компании, ее производившей.

Каждая из подсистем, входящих в сложную систему, рассматриваемая по отдельности, в своём развитии проходит через те же самые этапы. Поэтому S—кривые для сложных систем являются интегральными, состоящими из пучка отдельных S—кривых. Развитие обычно лимитирует самая «слабая» подсистема, ресурсы которой исчерпываются первыми. Она становится тормозом для своей системы, и дальнейшее развитие возможно только после её замены.

§19. Рождение и детство технической системы

Рождение системы становится возможным когда появляются элементы, необходимые для выполнения ее основной функции. В то же время, объединить подсистемы и заставить их совместно работать обычно нельзя без решения серьёзных творческих задач, часто – изобретения новых элементов.

Главное – появление хотя бы одного человека глубоко (а не просто в плане выполнения некоторого задания или поручения) заинтересованного в новой системе. Только благодаря ему и вокруг него формируется соответствующее серьёзное, имеющее шансы на успех Дело.

Противостоят развитию мощные силы торможения. Появление новой системы всегда встречает недоверие и сопротивление, которое усугубляется в тех случаях, когда новая система не пионерная, а идёт на смену старой. К обычной психологической инерции общества тогда добавляется сознательное сопротивление специалистов, разработавших и или использующих старую систему.

Нередко новорожденная система плохо выглядит, обладает очень низкими параметрами, не обеспечивает множества важных вспомогательных и вторичных функций и т. п. Она – как новорожденный ребёнок, которому предстоит ещё длительный путь чтобы вырасти и научиться быть полезным.

Постепенно система привлекает некоторых «ранних пользователей», энтузиастов, а также венчурных инвесторов, готовых рискнуть для будущей прибыли. Начинается поиск наилучшей конструкции, увеличивается надёжность, безаварийность, удобство эксплуатации.

Когда полезность системы осознаётся обществом, а уровень расплаты снижается до приемлемого, начинается новый этап в её развитии. Нередко толчком к этому становится изобретение новых функций и новых неожиданных применений, которые совсем не предвидели создатели системы.

На переходе ко второму этапу делается больше всего ошибок. В истории нашей страны, к сожалению, можно найти примеры таких ошибок почти по каждой системе. Но на самом деле, это характерно и для Запада:

– Развитие радиотехники позволяло обеспечить качественную передачу речи и музыки уже в 1912 – 1914 годах, но никто этим даже не заинтересовался – радио рассматривали только как «беспроволочный телеграф». Лавинообразное развитие коммерческого радиовещания началось только в 1922.

– Более 10 лет Честер Карлсон не мог никого заинтересовать изобретённым им процессом ксерографии, в результате первый коммерческий копировальный аппарат был продан через 20 лет после изобретения.