Компьютерные системы пятого поколения

( Компьютерные системы пятого поколения FGCS ; японский : 第五世代コンピュータ , латинизированный : daigosedai konpyūta ) — десятилетняя инициатива, начатая в 1982 году Министерством международной торговли и промышленности Японии (MITI) по созданию компьютеров с использованием массово-параллельных вычислений и логического программирования. . Целью проекта было создание «эпохального компьютера» с производительностью, сравнимой с производительностью суперкомпьютера, и предоставление платформы для будущих разработок в области искусственного интеллекта . FGCS опередила свое время, а ее чрезмерные амбиции привели к коммерческому провалу. Однако на теоретическом уровне проект стимулировал развитие параллельного логического программирования .

Термин «пятое поколение» был призван обозначить систему как передовую. В истории вычислительной техники было четыре «поколения» компьютеров. Компьютеры, использующие электронные лампы, были названы первым поколением; транзисторы и диоды , вторые; интегральные схемы , третий; и те, кто использует микропроцессоры , — четвёртый. В то время как предыдущие поколения компьютеров были сосредоточены на увеличении количества логических элементов в одном процессоре, пятое поколение, как в то время широко считалось, вместо этого обратилось бы к огромному количеству процессоров для повышения производительности. ^{[ нужна ссылка ]}

Фон

В конце 1960-х - начале 1970-х годов много говорили о «поколениях» компьютерного оборудования, которые тогда обычно разделялись на три поколения.

Первое поколение: термоэлектронные вакуумные трубки. Середина 1940-х годов. IBM была пионером в размещении электронных ламп в сменных модулях. IBM 650 был компьютером первого поколения.
Второе поколение: Транзисторы. 1956 год. Начинается эпоха миниатюризации. Транзисторы намного меньше электронных ламп, потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла. Дискретные транзисторы припаиваются к печатным платам, а соединения между ними выполняются посредством экранированных по трафарету проводящих структур на обратной стороне. IBM 7090 был компьютером второго поколения.
Третье поколение: интегральные схемы (кремниевые чипы, содержащие несколько транзисторов). 1964. Новаторским примером является модуль ACPX, используемый в IBM 360/91, который за счет наложения слоев кремния на керамическую подложку позволил разместить более 20 транзисторов на кристалл; чипы можно было упаковать вместе на печатную плату для достижения беспрецедентной логической плотности. IBM 360/91 был гибридным компьютером второго и третьего поколений.

В этой таксономии исключены компьютеры «нулевого поколения», основанные на металлических шестернях (таких как IBM 407 ) или механических реле (таких как Mark I), а также компьютеры третьего поколения, основанные на сверхбольших интегрированных системах ( VLSI) . ) цепи.

Также существовал параллельный набор поколений программного обеспечения:

Первое поколение : Машинный язык .
Второе поколение : языки программирования низкого уровня, такие как язык ассемблера .
Третье поколение : структурированные языки программирования высокого уровня, такие как C , COBOL и FORTRAN .
Четвертое поколение : «Непроцедурные» языки программирования высокого уровня (например, объектно-ориентированные языки). ^[1]

На протяжении многих поколений вплоть до 1970-х годов Япония создавала компьютеры, следуя примеру США и Великобритании. В середине 1970-х годов Министерство международной торговли и промышленности перестало следовать примеру Запада и начало изучать будущее компьютеров в небольших масштабах. Они попросили Японский центр развития обработки информации (JIPDEC) указать ряд будущих направлений и в 1979 году предложили трехлетний контракт на проведение более глубоких исследований совместно с промышленностью и научными кругами. Именно в этот период начал использоваться термин «компьютер пятого поколения».

До 1970-х годов руководство MITI имело такие успехи, как улучшение сталелитейной промышленности, создание нефтяного супертанкера , автомобильная промышленность, бытовая электроника и компьютерная память. MITI решило, что будущее за информационными технологиями . Однако японский язык , особенно в его письменной форме, представлял и до сих пор представляет собой препятствие для компьютеров. ^[2] В результате этих препятствий MITI провело конференцию, чтобы обратиться за помощью к экспертам.

Основными областями исследования этого первоначального проекта были:

Компьютерные технологии логического вывода для обработки знаний
Компьютерные технологии для обработки крупномасштабных баз данных и баз знаний
Высокопроизводительные рабочие станции
Распределенные функциональные компьютерные технологии
Суперкомпьютеры для научных расчетов

Запуск проекта

Целью было создание параллельных компьютеров для приложений искусственного интеллекта с использованием параллельного логического программирования. Проект представлял собой «эпохальный» компьютер с производительностью, подобной суперкомпьютеру, работающий поверх больших баз данных (в отличие от традиционной файловой системы ), использующий язык логического программирования для определения и доступа к данным с использованием массово- параллельных вычислений/обработки . Они предполагали создать прототип машины с производительностью от 100M до 1G LIPS, где LIPS — это количество логических выводов в секунду. В то время типичные рабочие станции были способны выполнять около 100 тыс. LIPS. Они предложили построить эту машину в течение десяти лет: 3 года на первоначальные исследования и разработки, 4 года на создание различных подсистем и последние 3 года на создание работающего прототипа системы. В 1982 году правительство решило продолжить проект и основало Институт компьютерных технологий нового поколения (ICOT) посредством совместных инвестиций с различными японскими компьютерными компаниями. После завершения проекта MITI рассмотрит возможность инвестирования в новый проект «шестого поколения».

Эхуд Шапиро уловил обоснование и мотивацию этого проекта: ^[3]

«В рамках усилий Японии стать лидером в компьютерной индустрии Институт компьютерных технологий нового поколения запустил революционный десятилетний план разработки больших компьютерных систем, которые будут применимы к системам обработки знаний и информации. Это пятое поколение. компьютеры будут построены на основе концепций логического программирования. Чтобы опровергнуть обвинения в том, что Япония использует знания из-за границы, не внося никаких собственных, этот проект будет стимулировать оригинальные исследования и сделает их результаты доступными для международного исследовательского сообщества».

Логическое программирование

Целью, определенной проектом FGCS, была разработка «систем обработки знаний» (грубо говоря, прикладной искусственный интеллект ). Инструментом для реализации этой цели было выбрано логическое программирование . Подход к логическому программированию, охарактеризованный Маартеном Ван Эмденом – одним из его основателей – как: ^[4]

Использование логики для выражения информации в компьютере.
Использование логики для представления проблем компьютеру.
Использование логического вывода для решения этих проблем.

Более технически это можно суммировать в двух уравнениях:

Программа = Набор аксиом .
Вычисление = Доказательство утверждения из аксиом .

Обычно используемые аксиомы представляют собой универсальные аксиомы ограниченной формы, называемые предложениями Хорна или определенными предложениями . Утверждение, доказанное в результате вычислений, является экзистенциальным утверждением. ^{[ нужна ссылка ]} Доказательство является конструктивным и предоставляет значения для экзистенциально определяемых переменных: эти значения представляют собой выходные данные вычислений.

Логическое программирование мыслилось как нечто, объединяющее различные направления информатики ( программная инженерия , базы данных , компьютерная архитектура и искусственный интеллект ). Казалось, что логическое программирование было ключевым недостающим связующим звеном между инженерией знаний и параллельными компьютерными архитектурами.

Результаты

Оказав влияние на сферу бытовой электроники в 1970-е годы и на автомобильный мир в 1980-е годы, японцы завоевали прочную репутацию. Запуск проекта FGCS распространил убеждение, что параллельные вычисления — это будущее всего повышения производительности, вызвав волну опасений в компьютерной области. Вскоре параллельные проекты были созданы в США как Инициатива стратегических вычислений и Корпорация микроэлектроники и компьютерных технологий (MCC), в Великобритании как Alvey в Европе как Европейская стратегическая программа исследований в области информационных технологий , а также (ESPRIT). Европейский исследовательский центр компьютерной индустрии (ECRC) в Мюнхене , результат сотрудничества ICL в Великобритании, Bull во Франции и Siemens в Германии.

Проект длился с 1982 по 1994 год, на него было потрачено чуть менее 57 миллиардов йен (около 320 миллионов долларов США). ^[5] После проекта FGCS MITI прекратило финансирование крупномасштабных компьютерных исследовательских проектов, и исследовательский импульс, развиваемый проектом FGCS, угас. Однако MITI/ICOT приступили к реализации проекта нейронной сети. ^{[ который? ]} который в 1990-х годах некоторые называли «Проектом шестого поколения» с аналогичным уровнем финансирования. ^[6] Ежегодные расходы составляли менее 1% от всех расходов на НИОКР в отрасли электроники и коммуникационного оборудования. Например, самый высокий год расходов на проект составил 7,2 миллиона иен в 1991 году, но только IBM потратила 1,5 миллиарда долларов (370 миллиардов иен) в 1982 году, в то время как отрасль потратила 2150 миллиардов иен в 1990 году. ^[5]

Параллельное логическое программирование

В 1982 году во время посещения ICOT Эхуд Шапиро изобрел Concurrent Prolog , новый язык программирования, который объединил логическое программирование и параллельное программирование. Concurrent Prolog — это процессно-ориентированный язык , который воплощает в себе синхронизацию потоков данных защищенных команд и неопределенность в качестве основных механизмов управления. Шапиро описал этот язык в отчете, помеченном как Технический отчет ICOT 003: ^[7] который представил интерпретатор Concurrent Prolog, написанный на Prolog. Работа Шапиро над Concurrent Prolog вдохновила на изменение направления FGCS с сосредоточения внимания на параллельной реализации Prolog на параллельное логическое программирование как программную основу для проекта. ^[3] Это также послужило вдохновением для создания языка параллельного логического программирования Guarded Horn Clauses (GHC) от Ueda, который лег в основу KL1 , языка программирования, который был наконец разработан и реализован проектом FGCS в качестве основного языка программирования.

Проект FGCS и его результаты внесли большой вклад в развитие области параллельного логического программирования. Проект породил новое поколение многообещающих японских исследователей.

Коммерческий провал

В конечном итоге было создано пять работающих параллельных машин вывода (PIM): PIM/m, PIM/p, PIM/i, PIM/k, PIM/c. В рамках проекта также были созданы приложения для работы в этих системах, такие как параллельная система управления базами данных Kappa, система юридического обоснования HELIC-II и автоматизированное средство доказательства теорем MGTP , а также приложения для биоинформатики.

Проект FGCS не имел коммерческого успеха по причинам, схожим с компаниями-разработчиками машин Lisp и Thinking Machines . Высокопараллельная компьютерная архитектура в конечном итоге была превзойдена по скорости менее специализированным оборудованием (например, рабочими станциями Sun и компьютерами Intel x86 ).

Основной проблемой был выбор параллельного логического программирования в качестве моста между параллельной компьютерной архитектурой и использованием логики в качестве языка представления знаний и решения проблем для приложений ИИ. Это никогда не происходило чисто; был разработан ряд языков, каждый со своими ограничениями. В частности, функция обязательного выбора в параллельном логическом программировании с ограничениями вмешивалась в логическую семантику языков. ^[8] Проект обнаружил, что преимущества логического программирования в значительной степени сводятся на нет при использовании осознанного выбора. ^{[ нужна ссылка ]}

Другая проблема заключалась в том, что существующая производительность ЦП быстро преодолела барьеры, которые ожидали эксперты в 1980-х годах, и ценность параллельных вычислений упала до такой степени, что какое-то время они использовались только в нишевых ситуациях. Хотя за время существования проекта было спроектировано и построено несколько рабочих станций возрастающей мощности, они, как правило, вскоре оказались уступающими «готовым» устройствам, доступным на коммерческой основе.

Проект также не смог внедрить внешние инновации. За время своего существования графические интерфейсы стали широко распространены в компьютерах; Интернет ; позволил распространить локально хранящиеся базы данных и даже простые исследовательские проекты давали лучшие реальные результаты в интеллектуальном анализе данных. ^{[ нужна ссылка ]}

Рабочие станции FGCS не имели никакой привлекательности на рынке, где системы общего назначения могли их заменить и превзойти по производительности. Это аналогично рынку машин Lisp, где системы, основанные на правилах, такие как CLIPS, могут работать на компьютерах общего назначения, что делает ненужными дорогие машины Lisp. ^[9]

Опережая свое время

Подводя итог, можно сказать, что проект «Пятое поколение» был революционным и позволил провести некоторые фундаментальные исследования, которые предвосхитили будущие направления исследований. Опубликовано множество статей и патентов. MITI учредил комитет, который оценил эффективность проекта FGCS как внесший значительный вклад в компьютерные технологии, в частности устранение узких мест в программном обеспечении параллельной обработки и реализацию интеллектуальных технологий. интерактивная обработка на основе больших баз знаний. Однако комитет был сильно предвзят в оправдании проекта, поэтому фактические результаты завышаются. ^[5]

Многие из тем, рассматриваемых в проекте «Пятое поколение», теперь по-новому интерпретируются в современных технологиях, поскольку аппаратные ограничения, предусмотренные в 1980-х годах, наконец, были достигнуты в 2000-х. Когда тактовые частоты процессоров начали приближаться к диапазону 3–5 ГГц, рассеивание мощности процессора и другие проблемы стали более важными. Способность промышленности производить все более быстрые однопроцессорные системы (связанная с законом Мура о периодическом удвоении количества транзисторов) оказалась под угрозой.

В начале 21 века многие разновидности параллельных вычислений начали распространяться , в том числе многоядерные архитектуры на нижнем уровне и массово-параллельная обработка на верхнем уровне. Обычные потребительские машины и игровые консоли стали иметь параллельные процессоры, такие как Intel Core , AMD K10 и Cell . Компании, производящие видеокарты , такие как Nvidia и AMD, начали внедрять большие параллельные системы, такие как CUDA и OpenCL .

Однако похоже, что эти новые технологии не ссылаются на исследования FGCS. Неясно, использовалась ли FGCS для содействия этим разработкам каким-либо существенным образом. Никакого существенного влияния FGCS на компьютерную индустрию не было продемонстрировано. ^{[ нужна ссылка ]}

Ссылки

^ «Поколения программного обеспечения Роджера Кларка» .
^ Дж. Маршалл Унгер, Заблуждение пятого поколения (Нью-Йорк: Oxford University Press, 1987)
^ Перейти обратно: ^а ^б Шапиро, Эхуд Ю. (1983). «Проект пятого поколения — отчет о поездке» . Коммуникации АКМ . 26 (9): 637–641. дои : 10.1145/358172.358179 . S2CID 5955109 .
^ Ван Эмден, Маартен Х. и Роберт А. Ковальски. «Семантика логики предикатов как языка программирования». Журнал ACM 23.4 (1976): 733-742.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Одагири, Хироюки; Накамура, Ёсиаки; Сибуя, Минорул (1997). «Исследовательские консорциумы как средство фундаментальных исследований: пример компьютерного проекта пятого поколения в Японии» . Исследовательская политика . 26 (2): 191–207. дои : 10.1016/S0048-7333(97)00008-5 .
^ МИЗОГУТИ, ФУМИО (14 декабря 2013 г.). Пролог и его приложения: взгляд из Японии . Спрингер. п. ix. ISBN 978-1-4899-7144-9 .
^ Шапиро Э. Подмножество Concurrent Prolog и его интерпретатор, Технический отчет ICOT TR-003, Институт компьютерных технологий нового поколения, Токио, 1983. Также в Concurrent Prolog: Сборник статей, Э. Шапиро (редактор), MIT Press, 1987, Глава 2.
^ Карл Хьюитт. Устойчивость к несогласованности в логическом программировании ArXiv 2009.
^ Хендлер, Джеймс (1 марта 2008 г.). «Как избежать еще одной зимы искусственного интеллекта» (PDF) . Интеллектуальные системы IEEE . 23 (2): 2–4. дои : 10.1109/MIS.2008.20 . S2CID 35914860 . Архивировано из оригинала (PDF) 12 февраля 2012 года.

[1] «Поколения программного обеспечения Роджера Кларка» .

[2] Дж. Маршалл Унгер, Заблуждение пятого поколения (Нью-Йорк: Oxford University Press, 1987)

[EhudTrip-3] Перейти обратно: ^а ^б Шапиро, Эхуд Ю. (1983). «Проект пятого поколения — отчет о поездке» . Коммуникации АКМ . 26 (9): 637–641. дои : 10.1145/358172.358179 . S2CID 5955109 .

[4] Ван Эмден, Маартен Х. и Роберт А. Ковальски. «Семантика логики предикатов как языка программирования». Журнал ACM 23.4 (1976): 733-742.

[Odagiri-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Одагири, Хироюки; Накамура, Ёсиаки; Сибуя, Минорул (1997). «Исследовательские консорциумы как средство фундаментальных исследований: пример компьютерного проекта пятого поколения в Японии» . Исследовательская политика . 26 (2): 191–207. дои : 10.1016/S0048-7333(97)00008-5 .

[6] МИЗОГУТИ, ФУМИО (14 декабря 2013 г.). Пролог и его приложения: взгляд из Японии . Спрингер. п. ix. ISBN 978-1-4899-7144-9 .

[7] Шапиро Э. Подмножество Concurrent Prolog и его интерпретатор, Технический отчет ICOT TR-003, Институт компьютерных технологий нового поколения, Токио, 1983. Также в Concurrent Prolog: Сборник статей, Э. Шапиро (редактор), MIT Press, 1987, Глава 2.

[8] Карл Хьюитт. Устойчивость к несогласованности в логическом программировании ArXiv 2009.

[HendlerEditorial-9] Хендлер, Джеймс (1 марта 2008 г.). «Как избежать еще одной зимы искусственного интеллекта» (PDF) . Интеллектуальные системы IEEE . 23 (2): 2–4. дои : 10.1109/MIS.2008.20 . S2CID 35914860 . Архивировано из оригинала (PDF) 12 февраля 2012 года.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]