9
Компьютеризация памяти

Компьютер во многом напоминает человеческую память. Механизмы его работы – извлечение информации и действия с нею – аналогичны тем, на основе которых функционирует наша память, а программист, будучи одновременно источником информации (в том числе и ложной), и лицом, способным вносить изменения и улучшения, выступает по отношению к машине в той же роли, что и любой человек по отношению к собственной памяти. Мы должны сознавать и учитывать, что наша память обладает изменчивостью, но есть и способы улучшить ее. В заключительной главе книги мы опишем некоторые из этих полезных приемов.

На самом деле именно компьютер – лучшая и наиболее сложная модель, демонстрирующая податливость нашей памяти. Компьютеры способны успешно хранить большие объемы данных и быстро находить необходимую информацию. Задачи, с которыми сталкивается память компьютера, и способы извлечения хранящейся в ней информации во многом напоминают механизмы, лежащие в основе работы человеческой памяти.

К примеру, в медицинской базе данных может содержаться детальная информация о ходе лечения тысяч пациентов. Эти данные обычно систематизированы, так что когда врач вбивает в поиск то, на что жалуется обратившийся к нему человек, компьютер просматривает имеющиеся файлы, находит пациентов с наиболее схожими симптомами, выявляет общие для них характеристики, анализирует проводившееся лечение и в краткой форме выдает результат поиска на экране. Этот процесс представляет собой вычленение конкретного воспоминания, сравнение его с другими воспоминаниями и выработку сложного решения на основе прошлого опыта – тем же самым часто приходится заниматься человеческой памяти.

Чтобы «компьютерная магия» работала, необходимо соблюдение четырех условий. Во-первых, нужно место для хранения информации – магнитная лента, магнитный диск или любой другой носитель. Во-вторых, должен быть способ узнать, что и где хранится. Этой цели служит система файлов и несколько алфавитных указателей. В-третьих, необходимо каким-то образом извлекать сохраненную информацию. Эту функцию выполняют программы сбора данных и отдельные процессы внутри их. В-четвертых, должен быть способ объединить исходные данные в осмысленное целое. Для этого используются аналитические программы. Любая система памяти, будь она биологической или искусственной, должна отвечать этим четырем условиям.

Компьютерное оборудование развивается аналогично человеческой памяти, и это отнюдь не случайно. В любом компьютере есть основной мыслительный элемент – так называемое ядро. На нем в каждый конкретный момент времени хранится относительно небольшое количество данных, но они всегда доступны для обработки. Ядро в той или иной мере аналогично сенсорной памяти человека, в которой на короткий срок задерживается полученная из внешних источников информация. В более современных компьютерах этот элемент усовершенствован и включает в себя виртуальное ядро. Оно напоминает кратковременную память человека: информация, которая находится здесь, может поступить на обработку почти мгновенно. Аналогом долговременной памяти служат базы данных на магнитном диске. Извлечь оттуда информацию не трудно, причем возможен произвольный доступ к любому элементу. Однако для поиска данных на магнитном диске необходима их правильная индексация. Если нет нужды в быстром доступе к информации, ее можно записать не на диск, а на магнитную ленту – она используется для резервного копирования на случай, если данные на магнитном диске окажутся потеряны, а также для хранения информации, которая бывает нужна не слишком часто. Таким образом обеспечивается избыточное кодирование и сохранность данных. Для того чтобы получить нужную информацию с магнитной ленты, необходимо начать с одного ее конца и прокручивать до тех пор, пока не будет обнаружено искомое. Эти понятия (произвольный доступ, резервное копирование, избыточное кодирование и хранение данных), вероятно, можно применить и к человеческой памяти. Скажем, удаление любой части мозга млекопитающего не влияет на конкретный вид памяти. Это значит, что при работе памяти производится избыточное кодирование информации и существуют резервные копии на случай потери воспоминаний из-за повреждений какой-либо группы нейронов.

Долговременная и кратковременная память компьютера сильно отличаются друг от друга. Машина при помощи электрических сигналов сохраняет информацию в ядре. Однако если данные необходимо хранить и использовать в течение долгого времени, они физически фиксируются на магнитном диске в виде слоя ферромагнитного материала. Как и при работе человеческого мозга, электрические сигналы проще использовать для записи данных, но они слишком ненадежны, чтобы с их помощью можно было обеспечить долговременное хранение. Если будет отключено питание или нормальное функционирование компьютера прервется по какой-то другой причине, информация, сохраненная посредством электрических сигналов, окажется утеряна, а записанная при помощи ферромагнетиков – останется.

Данные на компьютере хранятся в виде битов – своего рода переключателей, у которых есть только два положения – «включен» и «выключен». Из последовательности битов складывается код, который может представлять собой цифру, букву, слово или понятие. Для того чтобы инструкции, сформулированные человеческими словами, делать понятными для компьютера, существуют машинные языки. Они позволяют выполнять бинарные операции, то есть работать с битами. Язык программирования позволяет отдавать компьютеру те или иные команды, а механизм запросов, разработанный для простых пользователей, помогает компьютеру понимать сложные инструкции.

Вероятно, человеческая память тоже обладает многими подобными функциями. В сущности, информация сохраняется в виде некоего биологического кода, который может и не быть бинарным, но должен иметь конечное число состояний, не превышающее количества возможных воспоминаний. На каком-то уровне работы человеческой памяти должны быть способы считывания биологически кодированной информации, ее перевода на язык электрических сигналов и постепенного объединения этой информации в более сложные понятия. Возможно, что долговременные воспоминания человека фиксируются в виде белковых кодов подобно генетической информации, или в виде физических связей между клетками мозга, формирующих специфические комбинации, или каким-то другим способом, относительно которого ученые пока еще даже не имеют гипотезы. Но четыре базовые операции – хранение, индексирование, извлечение и анализ информации – должны каким-то образом осуществляться.

Мы обошли вниманием два условия, необходимые для работы как компьютера, так и человеческой памяти. Во-первых, нужна файловая структура, возможно представляющая собой некую разветвляющуюся систему или иерархию. Во-вторых, данные надо как-то индексировать. Необходима карта, позволяющая определить, что и где хранится. Даже если в целях безопасности фрагменты информации в памяти хранятся по отдельности, должна быть возможность не просто отыскать и объединить их при помощи индекса, но сделать это за доли секунды.

Многие другие составляющие процесса извлечения информации на компьютере представляют большой интерес для тех, кто изучает человеческую память. Например, программа сбора данных способна прочитать информацию, химическим способом зафиксированную на диске, и перенести ее в ядро. Таким образом она создает электронную копию данных, не внося изменений в запись на диске. После использования этой копии в ядре ее можно удалить, никоим образом не затронув исходную информацию.

Однако гораздо чаще после извлечения той или иной информации используется другой механизм действий. Данные переносятся из химического хранилища в электронное, определенным образом изменяются в ядре, а затем в старый файл записывается новая информация. После этой операции возможности извлечь исходные данные уже нет. В некоторых системах они хранятся еще какое-то время, но в индексе отсутствуют и в конце концов полностью уничтожаются. Эта ключевая особенность компьютера, без которой не смогла бы эффективно работать ни одна машинная база данных, во многом напоминает изменчивость человеческой памяти. Учитывая ограниченные возможности нашего мозга, такая гибкая система памяти оказывается намного продуктивнее, чем та, что не поддается деформации.

Есть еще один вариант – извлечь данные, использовать их в ядре, а затем сохранить как изначальную версию, так и измененную. Человек может сберечь последовательность воспоминаний о том, как с годами менялось его мнение по определенной теме. Такие операции тоже бывают крайне важны и должны входить в состав любой продуманной системы извлечения данных – гибкой системы с ограниченными возможностями.

Еще несколько интересных подробностей: компьютерные системы извлечения информации не предоставляют равных возможностей доступа ко всем данным. Обычно самыми легкодоступными являются часто извлекаемые или приоритетные единицы. Иерархия системы хранения позволяет быстро добраться до необходимого элемента, а данные, ассоциируемые с ним, часто хранятся в том же месте, в той же записи. Это наводит на мысль, что человеческая память может сильно зависеть от того, насколько качественно систематизирована эта иерархия.

Если какая-то конкретная информация извлекается неоднократно, программист может написать программу, которая будет производить этот поиск автоматически. В таком случае не будет необходимости каждый раз, сталкиваясь с определенной проблемой, повторять одну и ту же последовательность логических операций. Программы, которые при необходимости вызываются в ядре, служат для краткого изложения данных, их систематизации, вычисления и получения выводов. Эти программы, подпрограммы и макросы обрабатывают информацию. Используя применимую к людям терминологию, можно сказать так: даже если вы забудете цепочку рассуждений, вы будете помнить вывод. Использование такого человеческого аналога макроса сделало бы нашу память более продуктивной, но лишило бы ее гибкости. Иногда это явление наблюдается у пожилых людей.

Обычно в ядро поступает больше информации, чем на самом деле используется. Данные хранятся в виде так называемых записей, и даже если пользователю необходима только часть той или иной записи, она воспроизводится целиком. Такое нерациональное использование компенсируется легкостью программирования и простотой файловой системы – это одно из многих компромиссных решений. Если говорить о человеке, воспоминание, скажем, о какой-нибудь книге заставляет нас вспомнить множество фактов о ней, которые не были нужны нам изначально. В результате мы будем готовы ответить на дополнительные вопросы. Это, с одной стороны, избыточность, а с другой – повышенная продуктивность.

Избыточность информации в файловой системе компьютера – это тоже скорее хорошо, чем плохо. Иногда улучшение сохранности данных или скорости доступа к ним оправдывает дублирование или многократное копирование приоритетной информации. Практически не остается сомнений, что человеческий мозг делает то же самое. Основной принцип заключается в том, что работа машинной памяти предполагает оптимальное соотношение разных приоритетов – например, скорости и размера или свободного пространства и нуждающихся в нем различных задач. В результате любых изменений в устройстве этой системы она будет лучше выполнять одни задачи и хуже – какие-то другие. Разработчик должен выбрать, какие функции следует оптимизировать.

Некоторые из возможных параллелей между компьютерами и людьми представлены в табл. 3. Вполне вероятно, что гиппокамп представляет собой место, где физически расположен индекс человеческой памяти. Эта часть мозга активируется каждый раз, когда мы пытаемся вспомнить что-то, но нет связи между конкретным воспоминанием и активизацией нервных клеток гиппокампа. Когда прерывается подача электрического тока в компьютер, наступает нечто похожее на гиппокампальный приступ или воздействие электрошока. Электрически кодированная часть памяти, в том числе и индекс, полностью стирается. Долговременная память остается нетронутой. После приступа индекс можно перезагрузить с помощью электрических сигналов, воспользовавшись резервными копиями. Похоже, что гиппокампальные приступы, в частности, служат причиной временной потери возможности вспоминать.

Кратковременная память представлена в компьютере в виде виртуального ядра. В качестве долговременного хранилища часто используется магнитный диск. Влияние, которое оказывают изменения температуры внутри компьютера на его работу, похожи на воздействие наркотических веществ, таких как алкоголь, марихуана или ЛСД, на функционирование человеческого мозга. Определенные процессы могут ускориться или замедлиться, а также иногда возникают короткие замыкания. Ночное обновление файлов, при котором программа оптимизирует процесс извлечения информации, систематизируя полученные в течение дня данные, можно сравнить со своеобразной формой человеческого сна.

Таблица 3. Возможные параллели между человеческим мозгом и компьютерными базами данных

Основная мысль этой части главы заключается в том, что возможности человеческого мозга и компьютерных баз данных конечны. Авторы существующих моделей устройства человеческой памяти часто игнорируют ограничения, накладываемые на количество данных, которые можно сохранить и извлечь. В течение многих столетий человеческий мозг увеличивался в размерах – возможно, потому, что возрастающая вероятность выживания позволяла организму увеличивать мощность мыслительных процессов. Но очевидно, что полость черепа имеет ограниченный объем. Поистине неудачным проектным решением было бы использование этого пространства для хранения информации, которая никогда не потребуется, или отсутствие механизма для периодического удаления ненужных данных.