Шавырин Сергей. Дао информационных технологий

Дао информационных технологий

Кто соблюдает принцип Дао, того нельзя приблизить
нельзя и отдалить, нельзя сделать ему, что-то полезное
нельзя и навредить, нельзя его возвысить и нельзя принизить.
Поэтому он и становится превыше всех в мире.

Лао Цзы "Дао Де Цзин"

Принципы, по которым развиваются и совершенствуются информационные технологии, не так просты, как это может показаться на первый взгляд. Скорость развития часто не имеет ничего общего с качеством и совершенством технологии, а определяется совокупностью параметров, многие из которых имеют отношение к требованиям рынка сбыта. Например, в середине 2003 года, когда шло сворачивание производства процессора Alpha AXP - настоящего произведения искусства, первое и второе места в списке самых быстрых компьютеров в США занимали кластеры на основе процессоров Alpha. Основной поток написания программного обеспечения и дизайна нового совершенного железа шёл в направлении развития и поддержки компьютерной техники на основе процессоров Intel.

Не секрет, что технологии вокруг ОС от Microsoft включающие дизайн самой операционной системы и архитектура, на которой такая система существует, не являются идеальными. Господствующее положение этих технологий в мире персональных компьютеров было достигнуто благодаря очень разумной и мощной стратегии вполне соответствующей принципам Дао. Чтобы победить - нельзя выступать против соперника - нужно войти с ним в гармонию. Стратегия Apple - была в открытой войне против IBM. Microsoft же подружился с гигантом, и "помог" ему создать свой персональный компьютер. Не смотря на поначалу крепкий союз, Microsoft никогда не стал частью IBM , но благодаря ей завоевала мир. Однажды в 1990 году я присутствовал на семинаре IBM, где они обозначали свою стратегическую линию развития операционной системы для ПК - OS/1. Но тогда что-то менять было уже поздно. Операционная система от Microsoft могла быть установлена на железе, производимом на самых разных фирмах. Сборка "IBM PC" из "комплектующих" могла быть осуществлена где и когда угодно. Очевидно, что в таких PC от "IBM" оставалось только одно название. Процессор был от Intel или AMD, а операционная система от Microsoft. Всё остальное производилось в Китае...

Открытость стратегии Microsoft оказалась главной причиной победа над Apple. Но вместе с этим Windows - система закрытая и ориентированная на вполне конкретную архитектуру "x86". Мир информационных технологий можно сравнить с океаном. Чтобы технология смогла выжить во время шторма нужно войти в гармонию с этой средой и по возможности слиться с ней и в то же время найти механизмы для того, чтобы сохранить индивидуальность. Стратегия Apple концентрировалась на индивидуальности и замкнутости, в то время как Microsoft закрыв свою систему, предоставила полную свободу океану IT для всевозможных разработок поддерживающих свою OS. Технологии, которые развивали само ядро Windows или копировались у конкурирующих компаний - как это было в случае системы окон компьютера Macintosh или покупались с потрохами. Использование бесплатного браузера Internet Explorer ставшего частью OS в ноль обанкротило компанию Netscape, что вызвало длинную серию судебных исков правительства США против Microsoft.

Другой крайностью явилось развитие семейства операционных систем, ведущих историю своего происхождения от системы UNIX, разработанной в AT&T Bell Labs. Это была теоретически хорошо продуманная OS, написанная на специально разработанном для неё языке С. Именно внутренняя структура UNIX используется большинством университетов на курсе CS "Операционные системы". Использование языка высокого уровня, идеально подходящего для любого регистрового процессора работающего в архитектуре типа фон-Неймана и похожих, позволило портировать UNIX на большинство, существующих на сегодняшний день компьютерных архитектур. Для IBM PC была создана система Linux, которая на сегодняшний день вместе со своими клонами является самой популярной операционной системой на Земле. На базе ядра Linux были построены такие операционные системы, как NeXT OS, iOS, Android. И сегодня уже очевидно, что бизнес модель открытой стратегии фирмы Google в развитии Android позволит этой системе в ближайшее время захватить весь рынок малой техники - сотовых телефонов и планшетов. Правда на рынке систем "x86" UNIX уступает "родной" системе Windows, которая была написана не для всех - а только для неё одной.

Глобальная компьютерная сеть Интернет смогла захватить весь рынок благодаря полной открытости, простоте и надёжности. Система начало свою историю в 1957 году, когда Министерство Обороны США решило что на случай ядерной войны с СССР нужна надёжная система передачи информации. Научное военное агентство DARPA предложило разработать для этого компьютерную сеть, что было осуществлено в нескольких университетах США (UCLA, Stanford и др.) на основе научных грантов министерства обороны. Взрывной характер развития Интернет получил в начале 90-х годов, когда после падения СССР, технологии TCP/IP стали доступны и открыты всему миру. В 1993 году появился первый веб-браузер NCSA Mosaic.

Мне лично посчастливилось быть в одной из самых жарких точек развития Интернета. Когда я учился в аспирантуре университета штата Массачусетс, находившегося недалеко от фирмы DEC в1992-1994 годах, я имел возможность изучать многочисленные интернет технологии на различных платформах, включая и небезызвестную Alpha AXP. Курс "Компьютерные сети", остался для меня самым интересным и увлекательным за всю историю моего университетского образования. Талантливый преподаватель этого курса говорил: "Обратите внимание! Очень большое будущее ждёт концепция глобальных поисковых систем". Так и случилось. После взлёта и падения Netscape - пришло время взлёта фирмы Google, которая на сегодняшний день является самым дорогим компьютерным брендом в истории.

Здесь нужно сделать важное отступление. Технологии компьютерных сетей, которые лежат в основе Интернета - TCP/UDP/IP и проч. Были результатом творчества академических, а не коммерческих организаций. Они развивались по тем же самым принципам, по которым развивается фундаментальная наука а, следовательно, ощущали на себе минимальное влияние "рынка". Это привело к тому, что разработанные принципы и концепции стали очень близки к теоретически идеальным технологиям. История развития доказывает, что как бы не влиял на технологии коммерческий рынок в самой дальней перспективе побеждают именно технологии теоретически более правильные и эффективные. Соревнование с Интернетом не смогли выдержать никакие сетевые технологии разработанные в рамках коммерческих проектов, а те что выжили нашли свою нишу в неких локальных частных случаях - как например сети разработанные фирмой Microsoft. Интересно, что поначалу Билл Гейтс недооценивал мощь и возможности интернета, и это оставило Windows навсегда для него чужим, не смотря на то, что очень многое было сделано для соответствующей интеграции.

Если какая-то технология развивается в рамках научной, академической организации, то можно ожидать теоретически наилучшей технологии. Но максимальная скорость развития технологии определяется, насколько полномасштабной может быть свободная конкуренция в живом мире бизнеса. И в этом дилемма. Государственный подход СССР к развитию технологий привёл к фатальному отставанию по всем областям - но в то же время те отрасли, которые не допускают в себя бизнес по объективным причинам, в СССР были развиты на очень высоком уровне. Это, прежде всего, ядерная энергетика и космическая промышленность. После распада СССР многие ученые, работавшие в области фундаментальной науки и получившие возможность работать за рубежом, нашли своё место среди самых выдающихся "американских" учёных. Недавние выпускники российских вузов очень активно принимались в американскую аспирантуру. В некоторых университетах США даже возникали такие ситуации, когда российские учёные читали лекции российским аспирантам.

Я считаю, что решением этой дилеммы может стать модель развития, включающая в себя совместное и взаимовыгодное сосуществование государственной военной или академической структуры и коммерческого бизнеса имеющего возможность развития за счёт обратной связи - дохода от продуктов. В этом случае результаты теоретически наилучших научных разработок могут быть использованы для дальнейшего развития для потребительского рынка. Моя уверенность основана на том, что около семи лет я работал в такой гетеро структуре и прекрасно знаю, о чём говорю. С одной стороны я формально числился в коммерческой организации Informax Inc., занимавшейся разработками программного обеспечения широко использовавшегося в фармацевтических и научно-исследовательских медицинских и биологических организациях, вовлечённых в изучение вопросов молекулярной биологии. С другой стороны, я фактически являлся сотрудником центральной федеральной правительственной структуры США, занимающейся созданием глобальной базы данных всех молекулярно-биологических соединений полученных или синтезированных когда-либо по всему миру, а также всех, когда и где либо, опубликованных медицинских статей.

Большинство компьютерных технологий, считающихся на сегодняшний день "шаблонами" для развития, так или иначе, являются результатом всё же не академического, а коммерческого развития. Так вся технология, тотально завоевавшая рынок персональных компьютеров - Windows@x86 стартовала от кое-как написанной операционной системы для 8-и битного процессора Intel 8088. Все последующие семейства процессоров этой группы имеют схожий набор машинных команд и подразумевают одинаковую компьютерную архитектуру. Очевидно, что такая компьютерная архитектура не может быть "наилучшей". С другой стороны является объективным фактом следующее утверждение: чем ближе друг к другу операционная система и компьютерная архитектура - тем эффективнее система в целом - а, следовательно, путь предлагаемый клонами Linux так же не выход.

Размышляя над историей развития компьютерной техники - с чего она начала и как дошла до такой жизни, я задавался целью понять - а какая же компьютерная архитектура может претендовать на то, чтобы быть ТЕОРЕТИЧЕСКИ НАИЛУЧШЕЙ? Для того, чтобы ответить на этот вопрос нужно обратиться к буддийскому принципу "пустоты". Чтобы воспринимать реальность в её сущности как таковой в её "обнажённости" необходимо очистить сознание от всего лишнего. Как говорят буддисты - нужно опустошить свою чашку, чтобы иметь возможность её наполнить. Установленные общепринятые принципы закрепляют и цементируют то, что должно течь и изменяться. Слепое следование шаблонам есть путь, который ведёт в никуда. Истина лежит вне шаблонов. Чтобы найти её нужно отчеркнуть все, что было сделано и достигнуто и только после этого можно будет идти дальше.

Вначале рассмотрим аналогию с развитием живого мира. Два миллиарда лет назад произошла клеточная революция - появились эукариоты - организмы, которые были способны к созданию многоклеточных организмов. Внутри прокариота все структурные единицы были более-менее независимы. Клетки эукариотов обладают ядром, покрытым оболочкой своеобразным командным центром. Есть предположение, что возникновение многоклеточных организмов было вызвано возникновением субординации или объектно-ориентированного подхода в живой природе. Так на первом уровне существуют элементы клетки. На втором "клетка", где центральное управление принадлежит ядру. Третий уровень управления - "многоклеточный организм" или в случае сложных существ "орган". Каждый элемент системы является объектом. Так "центральная нервная система" управляет деятельностью "органов". "Орган" управляет своими "клетками", а каждая клетка в отдельности управляется своим "ядром". Трудно себе представить существование одноклеточного организма величиной с курицу. Природа не шла по пути значительного усложнения отдельной структуры - вместо этого функционирование отдельной клетки было упрощено и возникли многоклеточные организмы.

Существует компьютерная архитектура, которая отвечает всем принципам многоклеточного организма. Первая успешная имплементация такой архитектуры была выполнена в 1961 году фирмой Burroughs - B5000. Примечательно, что основу для этой архитектуры заложил молодой талантливый студент Дональд Кнут, впоследствии ставший автором самой фундаментальной книги по компьютерным алгоритмам "Искусство программирования". В самом общем виде архитектура B5000 включает в себя матрицу из большого числа идентичных процессоров, на каждом из которых имплементирован язык высокого уровня Алгол, выполняющий роль ассемблера. Здесь идея взаимной связи hardware и software подходит к своему логическому завершению - поскольку они сливаются. Для такой системы очень хорошо подходит термин middleware. Это компьютерный язык, превращённый в полупроводниковый камень. Интересно, что B5000 была настолько эффективна, что до сих пор используется фирмой UNISYS в своей линейке ClearPath. Я познакомился с этой архитектурой, когда работал в UNISYS Corporation с 1994 по 1995 г. Компания разрабатывала систему кредитных карточек для Сбербанка России. Интересно, что в России такая нетривиальная архитектура поначалу очень понравилась, но в связи с её особенностями и нетрадиционными концепциями, разработка и обслуживание велись не в компьютерной фирме, а в Институте Радиоэлектроники.

Стековая архитектура является самой натуральной архитектурой для компьютерного языка. Имплементация такой архитектуры наиболее проста и дешева. В СССР были хорошо известны настольные калькуляторы серий БЗ-34/МК-54 использовавшие "польскую нотацию" - по существу стековый язык команд. На этих калькуляторах можно было записать и загрузить полнофункциональную программу с вводом и выводом. В наше время даже существует какая-то российская фирма, которая ещё выпускает калькуляторы совместимые с МК-54, чтобы поддержать давно написанные коды.

Логическим завершением развития компьютерных языков, ориентированных строго на стековую архитектуру, является язык Forth. Недавно автор этого языка Чарльз Мур с небольшой группой в 18 человек (компания GreenArrays, Inc)создал процессор GA144. Этот 88-пиновый процессор содержит в себе 144 независимых процессора, каждый из которых, является hardware implementation of Forth language. От характеристик процессора GA144 захватывает дух. Его стоимость 20$ (~600 рублей). Размер - сантиметр на сантиметр. Скорость выполнения инструкций 1400 пикосекунд (эквивалент 700 МГц, у стековой архитектуры нет понятия "тактовая частота"). Сверхнизкое энергопотребление - при низких нагрузках способен работать от фотоэлементов. Стоимость выполнения базовой инструкции 7 пикоджоулей (7*10^-12 Дж). Энергопотребление в "спящем" режиме менее 100 нановатт. И создан такой процессор был без особых затрат, маленькой группой энтузиастов.

Грустно сравнивать достижения американской техники с российскими фирмами. Так известная зеленоградская фирма "Ангстрем" включает 1800 сотрудников - в 100 раз больше, чем GreenArrays. На сайте Ангстрема я нашёл, что их лучший микропроцессор - это Л1876ВМ1-RISC. Частота 25 МГц энергопотребление 4 Ватт. Имеется сноска, что такой процессор "Предназначен для использования в составе ЭВМ с шиной VME". Министерство Обороны России использовало услуги этой организации для создания последних раций для армии.

Произведёт ли процессор GA144 революцию в технике? Конечно, нет. Не смотря, на его исключительные характеристики, никто его серьёзно использовать не будет. Язык Forth достаточно ограничен и мало популярен. На нём почти ничего нет. Операционной системы типа UNIX для GA144 существовать не может - даже всемогущий и всепроникающий Linux на стековой архитектуре бессилен. GreenArrays выпустила некий GDE для того, чтобы создавать программы для GA144, но это вряд ли поможет. Полагают, тем не менее, что GA144 вполне может найти своё место в робототехнике, диагностике состояния "бортовых систем" в реальном времени, обеспечение курсы цифровой обработки сигналов, параллельного программирования и нестандартных архитектур вычислительных систем. Параллельная система может использоваться для распознавания и синтеза речи модулятора и демодулятора сигналов.

Итак, теоретически идеальная компьютерная система должна максимально приближать hardware и software. Выход - middleware - компьютерный язык, написанный ПРЯМО на железе. Ввиду исключительной простоты имплементации стековой архитектуры (калькулятор MK-54) становится возможным создание матрицы большого количества одинаковых несложных процессоров объединённых в один блок (примеры B5000 и GA144). Остался самый последний стратегический шаг выбрать, какой именно язык необходимо уложить на железо для создания теоретически идеального процессора будущего?

Искомый язык должен быть с одной стороны достаточно низкоуровневым, а с другой стороны достаточно функциональным. Компьютерные энтузиасты должны положительно относиться к этому языку - должно существовать множество наработок и большой опыт в имплементации систем самого разного уровня. Кажется очевидным, что единственным кандидатом на место такого уникального в своём роде языка является Java. Я лично имею опыт программирования на Java и в середине 2000-х годов представлял в Кембридже, UK свою демонстрационную программу, интерфейс к представлению молекулярных последовательностей базы NCBI. Нужно сказать что после многолетнего программирования на С, я попал в совершенно иной мир. Java мне очень понравилась. На Java написано сегодня неисчислимое количество программ. Все программы для Android - это чистая Java. Современные приложения для бизнеса требуют хорошей графики. Старые системы UNISYS типа B5000 не способны на это и поэтому сегодня на верхних уровнях приложений этих систем та же Java. Java был изначально был создан, как язык, ориентированный на стековую архитектуру некого виртуального компьютера Java Virtual Machine. Программа, написанная на Java транслируется в последовательность byte codes, которые являются фактически набором команд для JVM. Понятно, что большинство JVM сегодня существуют действительно виртуально - за исключением нескольких попыток создания реальной - а не виртуальной Java машины, где её набор команд является фактически языком ассемблера для процессора.

Понятно, что если процессор спроектирован полностью для одной конкретной задачи - имплементация JVM, то скорость исполнения программ на языке Java на этом процессоре будет соответствовать скорости программы на ассемблере для того же процессора "х86". Вместе с этим простота имплементации стековой архитектуры позволит значительно большую плотность инструкций на единицу hardware. Конечно, такая архитектура не будет в точности стековой, как в случае GA144, но, наверное, ближе к B5000. В настоящее время существует единственный (!) реально имплементированный вариант Java процессора, который был создан как PhD тезис в Венском Технологическом Университете в 2005 году by Martin Schoeberl. Его имплементация очень оригинальна и академически продумана. Java Optimized Processor представляет собой RISC имплементацию стековой архитектуры JVM, где часть команд имплементирована прямо на железе, а часть существует в виде microcode. Создание такого высокоуровневого процессора стало возможным благодаря FPGA - то есть программируемого hardware - железа, которое можно создавать и изменять с помощью компьютерной программы. Очевидно, что любую систему, спроектированную на FPGA можно свободно перенести в обыкновенный микропроцессор, за которым, кстати, можно даже оставить возможность перепрошивки микрокода.

Ну и чтобы довести идею до логического завершения нужно сказать, что имплементации в железе подлежит не чистая Java, а скорее Jython - имплементация языка Python на Java. Если набором команд процессора являются java bytecodes, то программа, написанная на языке Jython должна идти с теоретически максимальной скоростью для такого языка. Не смотря на возможности Java - это язык слишком низкоуровневый и со строгой типизацией. Программы с логикой более высокого уровня на таком языке написать сложно. С другой стороны Python является на сегодня самым гибким и многофункциональным языком за всё время существования программирования. К слову нужно сказать - что у гиганта Google двумя главными языками для создания всех приложений являются эти два языка - Java и Python. Именно на языке Jython должна быть написана операционная система для искомой архитектуры и прототипом для такой операционной системы станет, скорее всего, Master Control Program (MCP) для архитектуры В5000. Таким образом, Java оказывается аналогом языка ассемблера (для архитектуры х86), а Jython аналогом языка C (для Linux).

Подведя промежуточный итог, я хочу подчеркнуть, что считаю теоретически идеальной на сегодняшний день компьютерной архитектурой - многоклеточную, многопроцессорную стековую архитектуру, аналогичную B5000, где в качестве "языка железа" является Java&Jython. При этом стартовой точкой для имплементации отдельного Java процессора нужно взять JOP by Martin Schoeberl. По техническим характеристикам такой процессор не должен сильно отличаться от GA144.

Если теперь добавить Flash memory в качестве "жёсткого диска", Ethernet interface, USB и стандартный радиомодуль с WiFi, Bluetooth, 3G/4G и т.д. то получается вполне законченный микрокомпьютер. Принципиально, что все протоколы могут быть имплементированы на Java/Jython, поскольку для нашего процессора - это язык ассемблера, работающий с максимально возможной для данной архитектуры скорости. Но, новая архитектура должна также включать в себя новую компьютерную сеть. При этом очевидно, что можно создавать сеть практически с нуля - то есть, используя те концепции, протоколы и сервисы которые имеют только косвенное отношение к существующим системам. Такая сеть могла бы успешно сосуществовать со всеми существующими параллельно и независимо.

Теперь обсудим, какие возможности существуют для создания нового независимого Интернета. Единственным случаем в истории развития сетей, когда возникла система параллельная Интернету, было развитие сотовой связи. Правда, существование параллельно несколько независимых коммерческих организаций предоставляющей услуги сотовой связи с одной стороны имеет свои положительные стороны - здоровая конкуренция позволяет создать более качественный и дешёвый сервис, основанный на самых последних технических разработках. С другой стороны достаточно комично видеть в одном районе три разных набора из сотовых вышек вещающих совершенно независимо. Понятно, что при этом качество и сила сигнала в рамках каждого отдельного оператора в 3 раза хуже, чем, если бы они все работали синхронно.

Ясно, что реформировать существующий сегодня Интернет невозможно из-за его фрагментации. Эта сеть не принадлежит никому и в то же время в любом месте находится какая-то организация, которая предоставляет к нему (платный) доступ. Самая классическая и естественная проблема - это переход на систему 128-и битных адресов IPv6. Когда Министерство Обороны США проектировало эту сеть, никто и вообразить себе не мог, что 2³²адресов когда-то окажется мало. Технология NAT, которая пытается вылечить эту проблему не может быть окончательным решением. Но как можно перейти на IPv6 в масштабах всего мира?

Отвлекаясь от того, как устроен Интернет сегодня, посмотрим, как можно было бы, творчески переработав все созданные на сегодняшний день технологии, синтезировать наиболее эффективную и удобную компьютерную сеть. Сегодня существуют две модели глобальной сетевой архитектуры. Одна - это модель OSI, которая существует в основном теоретически и TCP/IP - как это используется в современном Интернете. Центральным отличием этих моделей является принципиальная независимость отдельных уровней в модели OSI. Используемая модель современного Интернета возникла стихийно и поэтому не придерживается строгой объектной ориентированности уровней. Физический (Physical) уровень отсутствует. Канальный (Data Link) уровень посредством таких протоколов как Ethernet так скреплён с сетевым уровнем IP, что разделить их невозможно.

"Не смотря на то, что IP и TCP протоколы были тщательно продуманы и хорошо имплементированы, многие другие протоколы были созданы случайным образом - часто несколькими группами студентов писавших программы только до того, как не были приняты на работу. Имплементации протоколов распространялись бесплатно, что привело к их широкому использованию, глубокому укоренению и поэтому исключительной сложности и х замены. Некоторые из таких протоколов на сегодняшний день вызывают просто замешательство. Известный протокол виртуального терминала TELNET, например, был спроектирован для механического терминала типа Teletype работающего со скоростью 10 символов в секунду. Протокол не знает ничего от графическом интерфейсе и мыши. Тем не менее он до сих пор широко используется - через 30 лет после создания."

Таненбаум "Компьютерные сети. 5-е издание"

Для имплементации jNet (так я буду называть для простоты сеть для Java/Jython многоклеточной архитектуры) ключевой должна стать имплементация самого нижнего, физического уровня. Механизм передачи информации должен быть строго отделён от протокола передачи - в этом случае все протоколы можно имплементировать на Java/Jython и оперативно заменять их не меняя, сам механизм передачи. На первый взгляд кажется - а чего тут думать - в беспроводной связи используются обыкновенные электромагнитные волны всё дело лишь в том, какой протокол связи выбрать. Тем не менее, вопрос не однозначен.

Существует два ортогональных друг другу способа передачи информации "по воздуху". Исторически первым способом был излучатель Герца - источником электромагнитных волн была искра между двумя электродами. Наиболее классическая форма импульса, который получается от искры - это моноцикл Гаусса - двойной всплеск. Дальнейшее развитие беспроводной связи пошло по пути использования монохроматических волн, CDMA. Особенно для передачи цифровых данных важно сделать "несущие частоты" более узкими - тогда плотность передачи информации выше. В протоколе LTE 4G (Advanced) используемом сегодня такими компаниями, как Мегафон и др. возможна передача информации до 1 Гбит/с . Импульсы в наши дни применяются в области радиолокации включая радар-детекторы и соответственно антирадары. Сетевой протокол, использующий короткие импульсы, называется UWB (Ultra Wide Band). На базе UWB был создан стандарт Wireless USB, который правда не получил широкого распространения. Можно использовать любой Data Link протокол и кодировать его посредством импульсов. Можно вспомнить основные достоинства импульсов, по сравнению с монохромным излучением. (см. например Владимир Дмитриев "Технология передачи информации с использованием UWB" Компоненты и технологии, 2004 N1)

Большие скорости передачи информации. В традиционных системах рабочая частота и ширина отведённой полосы спектра в основном определяют пропускную способность канала связи, а мощность передатчика - его дальность. В UWB два этих понятия тесно взаимосвязаны, позволяя перераспределять имеющиеся возможности между дальностью связи и скоростью передачи.
Высокая помехозащитность. Поскольку UWB-сигнал распределён в широком спектре частот, влияние узкополосных помех ограниченной мощности на него оказывается незначительным в результате корреляционной обработки. Кроме того, применение очень коротких импульсов позволяет генерировать их с высокой скважностью (то есть относительно "редко"), при которой суммарная длительность импульсов может составлять менее 1% от общего времени связи и, таким образом более 99% шума стробированием будет просто "вырезаться".
Устойчивая связь в условиях многолучевого распространения радиоволн. Данный эффект, обусловленный поступлением на приёмную антенну, как прямого сигнала, так и сигналов, отражённых от окружающих предметов, является одним из важнейших факторов, ухудшающих условия радиоприёма в любых системах. Образование искажений в таких каналах связано с наложением одного сигнала на другой с примерно равной амплитудой, но отличающийся по фазе. Поскольку в UWB применяются очень короткие импульсы, межсимвольные искажения не возникают - энергия принятого сигнала практически всегда успевает фактически полностью затухнуть до момента прихода его следующей копии, которая к тому же ещё зачастую просто отсеивается в корреляторе приёмника, как помеха, не имеющая отношения к сигналу.
Высочайшая степень защищённости связи от перехвата. Приёмники обыкновенных радиосистем воспринимают UWB-сигналы, как случайные помехи, которые к тому же нередко оказываются и по амплитуде полностью скрыты в естественных шумах. Различные же UWB системы используют разные алгоритмы построения кодирующих псевдослучайных последовательностей, общее число которых в принципе весьма велико. Поэтому случайные совпадения кодов у разных систем практически исключены, а целенаправленный подбор кода представляет собой весьма сложную и трудоёмкую задачу.
Высокая электромагнитная совместимость. Шумоподобная структура, обычно довольно маленькие уровни сигналов UWB-систем и использование кодирования, в том числе для сглаживания спектра мощности, практически не создают помех для других устройств - работая в ортогональном к ним режиме.
Возможность работы на безлицензионной основе. Согласно современному "регламенту радиосвязи", весь спектр радиочастот распределён между различными службами и свободных участков практически не осталось во всём диапазоне от сверхнизких до сверхвысоких частот. Приятной особенностью UWB-систем является тот факт, что им для работы не требуется специально выделенный для них частотный диапазон - они могут использовать участки спектра, уже занятые другими системами и не создавать им помех. Дело здесь заключается в том, что, даже обладая достаточно высокой суммарной мощностью, передаваемой в эфир (и, следовательно, возможными значительными расстояниями уверенного приёма), UWB сигналы, распределённые в сверхширокой полосе частот, в каждой конкретной точке этого спектра имеют очень небольшой уровень. На практике он не превышает уровни побочных излучений, разрешённые для самых разных домашних, офисных и промышленных устройств (компьютеры, телевизоры, станки, кофемолки и фены) - и по всем существующим правилом является допустимым. Формально, искровые системы как не нарушающие принятых правил могут использоваться без получения каких-либо специальных лицензий.
Высокая проникающая способность UWB-сигналов через различные препятствия обеспечивает их надёжное распространение в самых различных условиях: внутри и даже в небольшой толще земли. Именно благодаря сверхширокополосности, затухание короткоимпульсных сигналов в различных средах оказывается достаточно малым, поскольку их подавление обычно происходит не во всём диапазоне. Именно поэтому, даже при малой мощности такие сигналы могут эффектно использоваться, например, для целей подповерхностной локации и наблюдения сквозь стены. Сигнал UWB лучше всех остальных видов сигналов проникает сквозь стены и другие препятствия.
Возможность измерения расстояний с очень высокой точностью. Весьма малая длительность импульсов обуславливает возможность определения расстояний с погрешностью до единиц сантиметров.
Возможность работы с малой излучаемой мощностью обеспечивающая в дополнение к скрытности передачи радиосигналов с низкой вероятностью перехвата информации ещё и миниатюризацию оборудования и экономичное энергопотребление. Технология UWB, по сравнению с традиционными системами допускает работу со значительно меньшими мощностями передатчика, а следовательно, и с малыми энергозатратами. Кроме этого, так как UWB-системы оперируют с импульсами очень малой длительности при коэффициенте заполнения импульсной последовательности всего около 0,5-1%, это, в свою очередь, также снижает потребление энергии UWB-устройствами.
Техническая простота и относительная дешевизна аппаратурной реализации приёмных и передающих устройств обеспечивает высокую рентабельность и экономичность их массового производства. Изделия на основе UWB технически проще традиционных, ведь в UWB системах нет необходимости в использовании мощных усилителей, их приёмники не имеют гетеродинов и прецизионных элементов частотной фильтрации, а узлы модуляции и демодуляции сигналов достаточно просты и дёшевы. Действительно, в системах UWB схема передатчика проста до предела, ведь в нём, по сути, просто формируется импульс необходимой формы, и он может сразу отправляться в антенну. А так как антенные системы UWB также достаточно просты по исполнению и могут изготовляться непосредственно на печатных платах. Таким образом, можно сказать, что с UWB сбывается мечта всех радиоинженеров о возможности создания однокристальных приёмопередатчиков без каких-либо сложных внешних цепей частотной фильтрации и усиления.
Высокая потенциальная плотность передачи данных. Этот показатель является одним из важнейших критериев, характеризующих эффективность систем беспроводной связи. Он определяется, как величина достижимой суммарной скорости передачи данных на один квадратный метр рабочей зоны и имеет размерность бит/с/м². UWB системы имеют наивысшее значение этого показателя среди всех беспроводных систем.

Экспериментальные возможности беспроводных импульсных технологий

(требуется экспериментальная разработка)

Понятие "длина фотона" в теоретической физике не определено. Классическая физика считает электромагнитные волны бесконечными и непрерывными. Квантовая электродинамика считает фотон точечным объектом. При этом остаётся, например, неопределённым такой вопрос - за какое время фотон отражается от поверхности, поскольку отражение от поверхности - это квазиклассическое явление. Наиболее демократичен подход обыкновенной квантовой механики - она определяет не длину фотона, а характерную длину, соответствующую точности измерения и эта длина вытекает из соотношения неопределённостей. Так, если характерное время излучения велико, то образовавшийся фотон будет "длинным" и, следовательно, достаточно монохроматичным. Заметим, что абсолютно монохроматичных фотонов, как это выглядит из формулы Планка, не существует. Если характерное время излучения мало - как в импульсных лазерах или в простой искре - возникает электромагнитный объект, представляющий собой волновой цуг - в пределе моноцикл Гаусса.

Теперь становится не совсем ясным, а что в таком случае вообще "частота фотона", которая также оказывается неопределённой в связи с сверхшироким спектром импульса. Если ни "длина" ни "частота" для фотона точно определены быть не могут, то, что должно сохраниться, например, при отражении импульса от поверхности, когда он вполне может поменять свою форму и "размеры"? Единственной характеристикой, которая сохраняется всегда - это энергия. Классические эксперименты, фотоэффект и излучение абсолютно чёрного тела как раз обнаружили квантование энергии электромагнитного поля. Когда радиомодуль излучает электромагнитные волны, то результатом всегда являются фотоны определённых энергий. В случае классических протоколов беспроводной связи излучение монохромно и частота фотонов хорошо определена, что и используется в Physical layer компьютерных сетей. Если излучение имеет форму очень коротких импульсов - как в случае UWB, одним из способов описания излучения является разложение в спектр большого количества монохромных фотонов различной частоты. А может ли радиомодуль излучить один единственный фотон, который имеет форму моноцикла Гаусса? Альтернативный метод описания импульсов заключается в том, что каждый импульс - это совокупность идентичных фотонов имеющих очень малую "квантомеханическую длину" и неопределённую частоту. При этом каждый из таких фотонов будет иметь вполне конкретную энергию соответствующую некой "частоте", соответствующей формуле Планка.

На следующую идею меня натолкнуло существование хорошо известного метода - как пронести через металлодетектор, например, сотовый телефон на запрещённую территорию. Встречаются некоторые виды дешёвых обёрток для продуктов, состоящие из сплава алюминия и пластика, которые получают путём вторичной переработки алюминиевых пивных банок и пластиковых бутылок, причём без тщательного очищения. В таких упаковках атомы алюминия расположены на длинных полимерных волокнах. К слову одно из возможных использований такого материала может быть стелс-технологий двойного назначения. Чистый алюминий очень хорошо отражает электромагнитное излучение. Чистый пластик полностью его пропускает. При определённой концентрации примеси алюминия - излучение "переизлучается". То есть, по-прежнему оказывается возможным механизм упругого отражения, но поскольку значительную роль играет не, сколько кристаллическая решётка металла, а упругость полимерных волокон - то характерное время переизлучения оказывается очень большим. Если на такую поверхность попадает короткий электромагнитный импульс, то отражать он будет монохромное излучение. Металлодетектор ожидает получить импульс в ответ - а к нему возвращается совсем не то, что нужно. Поэтому металлический предмет, завёрнутый в такой материал, оказывается скрытым.

Но, если фотон отражается упруго, то его энергия при этом должна сохраниться. Если это так, то каждый импульс, использующийся в UWB, кроме своего положения в потоке данных может нести ещё информацию, имеющую отношение к его "эффективной частоте". Такая частота может быть определена, как "частота, которой бы обладал фотон, составляющий короткий импульс, если бы он был монохромным". Отсюда следует, что должна быть вполне однозначная зависимость между длительностью импульса UWB и той частотой, на которой такой фотон будет переизлучаться с использованием металлопластика. Это означает, что разделение сигналов в одной локальной сети или вокруг одной вышки сотовой связи, может быть осуществлено путём использования различной длительности импульсов.

На основании такого подхода любой существующий протокол беспроводной связи может быть абстрагирован как Data Link layer над импульсным Physical layer. Например, использование протокола LTE Advanced может быть осуществлено следующим образом - программное обеспечение, которое может быть вполне написано на Java/Jython формирует логические сигналы соответствующие протоколу LTE Advanced. Но когда эта логика доходит до конкретной физического излучателя - частоты преобразуются в длительности импульса и передаются в сверхширокополосном спектре. В качестве приёмной антенны используется металлопластик, который транслирует импульсы обратно в частоты и передаёт программе отрабатывающей протокол LTE Advanced на обработку. Если такая возможность будет разработана, то информативная ёмкость UWB будет соответствовать, тому, если бы обыкновенный протокол использовали абсолютно все радиочастоты.

Солитон-импульсы в линиях электропроводки

Сегодня уже существуют технологии, позволяющие создавать локальные сети, использующие электропроводку, как носитель сигнала. В таких технологиях также возможно использование коротких импульсов, аналогичных UWB. Из теории нелинейных колебаний известно, что при определённых условиях могут существовать частицеподобные образования, которые называются солитоны. Одним из самых известных солитонов образуется как решение нелинейного уравнения Шредингера - то есть фактически одномерного волнового уравнения с добавлением нелинейности. Одним из примеров такого солитона является эффект самофокусировки мощного электромагнитного излучения в сильно диспергирующей среде. Очень коротко - дифракция или расхождение волнового пакета в результате различного коэффициента преломления для разных длин волн полностью компенсируется явлениями, связанными с нелинейностью среды. Такая нелинейность возникает из-за того, что сам коэффициент преломления среды изменяется под воздействием падающего излучения и определяется его мощностью. Существуют разработки использования оптических солитонов для передачи информации по стекловолокну.

Распространение коротких импульсов в электропроводке происходит благодаря упругости свободных электронов. Очевидно, что упругость такой системы может быть линейной только в случае слабой мощности сигнала. Нелинейности становятся неизбежны при достижении мощности определённого уровня. И любая функция упругости может быть разложена в ряд, где первый коэффициент будет второго порядка. Это означает, что импульс тока при определённых условиях может распространяться по проводу без изменения свой формы, как частицеподобный солитон. Также очень важным является соседство с существованием обыкновенного напряжения электропроводки с частотой 50 Гц. Дело в том, что в нелинейной системе все частоты связаны между собой и существует возможность перекачки энергии между различными частотами. Необходимы определённые экспериментальные исследования, которые позволят обнаружить возможность распространения в линиях электропроводки незатухающих солитоноподобных импульсов.

Для идеального импульс солитона в электропроводке дисперсия должна полностью компенсироваться нелинейностью упругости свободных электронов. Причём нелинейность возникает под воздействием самого импульса. Естественные потери за счёт "трения" или "сопротивления среды" должны полностью компенсироваться подкачкой со стороны основного напряжения электропроводки. Конечно, в некоторых случаях распространение таких солитоноподобных импульсов может быть опасно для определённых типов электроники, у которой отсутствует защита от импульсных скачков напряжения, но это уже детали. Если радиомодуль UWB может также дублировать сигнал по линии электропроводки, то область, которая достижима для отдельного излучателя, значительно расширяется. Электропроводка может проникнуть в такие области, куда радиосигнал достигнуть не может, причём если солитон стабилен, то расстояние, на которое он сможет продвинуться по проводам, можно определить только теоретически.

Поскольку для электропроводки никогда не используется витая пара, то такой провод будет хорошей антенной для излучения и поглощения - что позволит сигналу беспроводной UWB системы использовать электропроводку как дополнительную альтернативную среду распространения.

Cтратегия бизнеса для развития Java&Jython параллельной стековой архитектуры

Итак, прежде чем возникнет реальная возможность для создания коммерческих товаров двойного назначения, которые можно использовать как в нуждах военной промышленности, так и в товарах широкого потребления необходимо несколько предварительных шагов.

Разработка отдельного микроскопического Java&Jython оптимизированного процессора, доведённая до возможности её промышленного изготовления
Разработка матрицы из нескольких сотен J/J процессоров объединённых вместе на примере B5000 и GA144 с поддержкой PCI Express по характеристикам и размерам не уступающим GA144
Создание операционной системы, аналогичной MCP на B5000 - jOS
Интеграция всех возможных сетевых интерфейсов USB/Ethernet/Bluetooth/3G/4G имплементированных на Java&Jython
Разработка совершенно новой сети jNet@UWB, имплементированной на Java/Jython и соединяющей в себе все самые сильные стороны всех существующих сетей и интеграция этой сети в ядре jOS

Рынок любых информационных технологий в наши дни очень жёсткий, но при наличии нетрадиционных технологий всегда можно найти нишу, где обыкновенные технологии неэффективны и предложить реальную альтернативу. Все проекты, связанные с Java/Jython архитектурой можно грубо разделить на следующие группы:

1. Малые встроенные системы

Датчики и сенсорные устройства для управления пилотируемыми и беспилотными летательными устройствами.
Контроль качества линий сборки
Считывающие устройства бар-кодов
Пищевые автоматы (кофе и т.д.)
Видеокамеры
Робототехника
Контроллеры жёстких дисков и другой периферии
Обработчики смарт-кард
Контроллеры инжекторов топлива
Медицинское оборудование
Контроллеры звуковых систем (напр. колонки Bluetooth)
Сварочные машины

Для создания малых систем может быть достаточно одного или нескольких параллельных Java/Jython процессоров с минимальной jOS или даже без неё.

2. Коммуникационные беспроводные системы

Военная радиосвязь
MP3/FM радио плееры
Оборудование для беспроводного цифрового телевидения
Сотовые телефоны и планшеты
Комплексная система видеонаблюдения

Такие системы уже могут требовать матрицу из нескольких сотен Java/Jython процессоров (аналогично GA144) и полнофункциональную jOS операционную систему, включающую графическую оболочку (типа X-Windows)

3. Большие компьютерные системы

Для того, чтобы выйти на самый жаркий рынок персональных компьютеров, мощных рабочих станций, серверов и далее до суперкомпьютеров, может быть полезен союз с мощной компьютерной компаний (как это в своё время сделал Microsoft с IBM). Основная цель при этом - американская фирма UNISYS. Параллельные системы всегда были стратегической основой компании, но системы и архитектуры, разработанные в 60-е годы, на ALGOL&COBOL в наше время уже бесконечно устарели. На самых верхних уровнях - бизнес приложениях UNISYS сейчас повсеместно использует платформу Java. Если старые параллельные системы типа B5000 будут заменены на архитектуру, оптимизирующую Java/Jython, то все текущие программы UNISYS по-прежнему будут работать - причём в сотни раз эффективнее. Все последствия конкуренции новой архитектуры с такими монстрами, как IBM и Microsoft при этом возьмёт на себя фирма UNISYS.

4. Параллельные локационные системы

Антенная решётка, представляющая собой матрицу из СВЧ излучателей, с использованием математического аппарата цифровой обработки волновых фронтов может быть использована как радиолокация сверхвысокого разрешения. Если имеется несколько сотен независимых точечных излучателей, то такая система тождественна электромагнитной линзе и компьютерная обработка излучения в реальном времени может позволить создание трёхмерного образа окружающего пространства. На базе такой адаптивной антенной решётки могут быть созданы системы защиты периметра объекта, общий мониторинг территории, а также возможно мониторинг близкого воздушного пространства на случай, например низколетящей беспилотной или пилотируемой техники.

Параллельная обработка десятков тысяч независимых сигналов, а также обработка трёхмерного изображения в реальном времени требует особой компьютерной техники и использование современных суперкомпьютеров - это слишком дорогое удовольствие. Архитектура тысяч, десятков/сотен тысяч процессоров, оптимизирующая Java/Jython - это теоретически идеальное решение для такого рода задач. Причём импульсная техника jNet@UWB сети - идеальный тип электромагнитного излучения для радиолокации.

5. Медицинская томография и бесконтактная хирургия

Обыкновенные радиолокационные системы используют локацию объектов, которые находятся на расстоянии от излучателя намного превышающего длину волны излучения, когда фотоны уже полностью сформировались. Хорошо известно, что на расстояниях меньших, чем длина волна, излучение ещё только формируется и обладает свойствами отличными от обыкновенных волн. Так в "ближней зоне" существует стоячая волна и соответственно эффективное волновое число соответствует пространственной длине волны на много порядков меньше чем та же длина в волновой зоне. Но стоячая волна - это опять же приближение. В реальной системе существует некая очень низкая эффективная "скорость" излучения, соответствующая эффективной пространственной длине волны.

Это означает, что чисто математически можно так настроить и фазировать антенную решётку, что она будет концентрировать всё своё излучение в ближней зоне на очень малом пространстве. На вскидку, если эффективная "пространственная длина волны" в ближней зоне на пять порядков меньше чем в волновой (отношение скорости молекул среды, т.е. скорости звука к скорости света), то СВЧ излучение 800 МГц можно сфокусировать на пространстве в микроны. Эта технология должна быть тем не менее экспериментально подтверждена. Очевидным использованием этого эффекта будет медицинская томография, селективное уничтожение злокачественных образований и бесконтактная хирургия.

Импульсное излучение, концентрирующая излучение наиболее компактно - в виде моноцикла Гаусса, основа сети jNet@UWB - идеальное излучение для этих целей. Современные жидкокристаллические мониторы представляют собой матрицу из TFT тонкоплёночных транзисторов, управляющих активной матрицей на жидких кристаллах. TFT транзисторы, используемые в мониторах - это разновидность полевого транзистора. Известно, что полевой транзистор обладает вольтамперной характеристикой, имеющей область с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Эта область используется в режиме "пробоя", то есть создания искры, а, следовательно, может использоваться для излучения моноцикла Гаусса. Далее - в последнее время в качестве антенн для UWB-систем стали использоваться системы на жидких кристаллах. Таким образом, обыкновенный TFT LCD монитор может использоваться в режиме двухмерной адаптивной СВЧ решётки для медицинской сверхточной томографии и бесконтактной хирургии.

6. Проект небольшой военной базы

Жилищная проблема для военнослужащих всегда была большой проблемой, особенно в малонаселённой местности и на территории условно дружественных стран. Матрица из СВЧ излучателей, представляющая собой радиолокационную систему высокого разрешения, может быть замаскирована в небольшом посёлке. Так, каждая отдельная антенна может быть вмонтирована в обыкновенный флюгер или шпиль дома. Я предлагаю проект экспериментальной военной базы, на которой можно отработать стратегию построения небольших типовых военных баз, а также обыкновенных посёлков повышенного качества жилья. Такая экспериментальная база могла бы стать одновременно и экспериментальной лабораторией для разработки проектов, которые я перечислил выше, а также других проектов, которые могут потребовать определённого уровня секретности. Краткий набросок плана построения такого посёлка я написал в

Новый урбанизм по-русски

У меня есть на примете вполне конкретное место - где бы очень удачно могла расположиться эта экспериментальная база. С одной стороны - это Московская область, а следовательно находится в непосредственной доступности от основных университетских центров. С другой стороны территориально это недалеко от особо охраняемой природной территории федерального значения Завидово со статусом национального парка, где расположена одна из резиденций президента России, "Русь". Непосредственно к предполагаемому объекту примыкают территории принадлежащие министерству обороны. Раньше здесь находилась военная база огневой дивизион 789-ого полка особого назначения в/ч 92881 позиция "Малинка" - зенитно-ракетный комплекс Системы-25 (шифр "Беркут").

Малинки, Малинки, такие вечеринки,
Зеленые тропинки, где тихо и свежо!

В настоящее время от дивизии остались следы военной базы связистов - (Радиотехнический центр (РТЦ) центральный, радиолокатор наведения ЦРН ЗРК С-25), непосредственный интерфейс к системам армейской связи. Военный городок превратился в посёлок Марков Лес, в котором проживает много отставных военнослужащих ЗРК и других частей. В 90-е годы некоторые территории в обозначенном районе активно раздавались предприятиям оборонно-промышленного комплекса под дачи. Например, здесь находится дачный посёлок НПО "Астрофизика", которое в 80-е годы занималось разработками программ "Звёздных войн". Мне посчастливилось участвовать в этой программе, когда я был студентом МФТИ и проходил практику в НПО "Астрофизика". Интересно, что именно в "Астрофизике" был разработан математический аппарат, который может быть успешно использован для обработки изображений СВЧ радиолокации и медицинской томографии. На территории самого ЗРК в/ч 92881 находятся ДСК военнослужащих "Лесной". Также здесь находятся дачи предприятий имеющих отношения к производству различных частей баллистических ракет, включая ракетные двигатели. Появление военнослужащих и сотрудников государственной безопасности здесь никого не удивит. А то что, военные строят посёлок новых русских урбанистов, будет однозначно расценено, как очередное отмывание денег такой структурой, как ОАО "Оборонсервис".

Оставить комментарий © Copyright Шавырин Сергей (serge.shavirin@phystech.edu) Размещен: 03/03/2013, изменен: 05/02/2015. 55k. Статистика. Статья: Изобретательство Не сотвори кумира Скачать FB2		Ваша оценка:
Аннотация: Проект нетрадиционной параллельной компьютерной архитектуры для Java&Jython. Преимущества и экспериментальные возможности протоколов на основании UWB. Набросок стратегии развития альтернативных информационных технологий на базе ОАО "Оборонсервис".

Шавырин Сергей : другие произведения.

Дао информационных технологий

Дао информационных технологий