Fifth Generation Computer Systems ( FGCS ; японский :第五世代コンピュータ, романизированный : daigosedai konpyūta ) была 10-летней инициативой, начатой в 1982 году Министерством международной торговли и промышленности Японии (MITI) для разработки компьютеров на основе массивно-параллельных вычислений и логического программирования . Проект был направлен на создание «эпохального компьютера» с производительностью, подобной суперкомпьютеру, и на создание платформы для будущих достижений в области искусственного интеллекта . Хотя FGCS опередила свое время, ее амбициозные цели в конечном итоге привели к коммерческому провалу. Однако на теоретическом уровне проект внес значительный вклад в развитие параллельного логического программирования .
Термин «пятое поколение» был выбран, чтобы подчеркнуть передовую природу системы. В истории вычислительного оборудования было четыре предыдущих «поколения» компьютеров: первое поколение использовало электронные лампы ; второе — транзисторы и диоды ; третье — интегральные схемы ; и четвертое — микропроцессоры . В то время как предыдущие поколения были сосредоточены на увеличении количества логических элементов в одном ЦП, в то время было широко распространено мнение, что пятое поколение достигнет повышенной производительности за счет использования огромного количества ЦП. [ необходима цитата ]
В конце 1960-х и начале 1970-х годов много говорилось о «поколениях» компьютерного оборудования, которые тогда обычно делили на три поколения.
Из этой таксономии исключены компьютеры «нулевого поколения», основанные на металлических шестернях (например, IBM 407 ) или механических реле (например, Mark I), а также компьютеры после третьего поколения, основанные на сверхбольших интегральных схемах ( СБИС ).
Также существовал параллельный набор поколений программного обеспечения:
На протяжении всех этих поколений вплоть до 1970-х годов Япония строила компьютеры, следуя примеру США и Великобритании. В середине 1970-х годов Министерство международной торговли и промышленности прекратило следовать примеру Запада и начало изучать будущее вычислений в малых масштабах. Они попросили Японский центр развития обработки информации (JIPDEC) указать ряд будущих направлений, а в 1979 году предложили трехлетний контракт на проведение более глубоких исследований совместно с промышленностью и академическими 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 , автомобильной промышленности , потребительской электроники и компьютерной памяти. MITI решило, что будущее будет за информационными технологиями . Однако японский язык , особенно в его письменной форме, представлял и до сих пор представляет препятствия для компьютеров. [2] В результате этих препятствий MITI провело конференцию, чтобы обратиться за помощью к экспертам.
Основными областями исследований в рамках этого первоначального проекта были:
Целью было создание параллельных компьютеров для приложений искусственного интеллекта с использованием параллельного логического программирования. Проект представлял собой «эпохальный» компьютер с производительностью, подобной производительности суперкомпьютера, работающий поверх больших баз данных (в отличие от традиционной файловой системы ), использующий язык логического программирования для определения и доступа к данным с использованием массивно параллельных вычислений/обработки . Они предполагали создание прототипа машины с производительностью от 100M до 1G LIPS, где LIPS — это логический вывод в секунду. В то время типичные рабочие станции были способны на около 100k LIPS. Они предложили построить эту машину в течение десятилетнего периода, 3 года на первоначальные НИОКР, 4 года на создание различных подсистем и последние 3 года на завершение работающей прототипной 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 так описал логику и мотивы этого проекта: [3]
«В рамках усилий Японии стать лидером в компьютерной индустрии Институт компьютерных технологий нового поколения запустил революционный десятилетний план по разработке крупных компьютерных систем, которые будут применимы к системам обработки знаний и информации. Эти компьютеры пятого поколения будут построены на основе концепций логического программирования. Чтобы опровергнуть обвинение в том, что Япония использует знания из-за рубежа, не внося никаких собственных, этот проект будет стимулировать оригинальные исследования и сделает их результаты доступными международному исследовательскому сообществу».
Целью, определенной проектом FGCS, была разработка «систем обработки информации знаний» (грубо говоря, прикладного искусственного интеллекта ). Выбранным инструментом для реализации этой цели было логическое программирование . Подход логического программирования, как его охарактеризовал Маартен Ван Эмден – один из его основателей – как: [4]
Более технически это можно выразить двумя уравнениями:
Обычно используемые аксиомы являются универсальными аксиомами ограниченной формы, называемыми хорновскими предложениями или определенными предложениями . Утверждение, доказанное в вычислении, является экзистенциальным утверждением. [ необходима цитата ] Доказательство является конструктивным и предоставляет значения для экзистенциально квантифицированных переменных: эти значения составляют выход вычисления.
Логическое программирование рассматривалось как нечто, объединяющее различные направления компьютерной науки ( программную инженерию , базы данных , компьютерную архитектуру и искусственный интеллект ). Казалось, что логическое программирование было ключевым недостающим звеном между инженерией знаний и параллельными компьютерными архитектурами.
После того, как японцы оказали влияние на сферу потребительской электроники в 1970-х годах и на автомобильный мир в 1980-х годах, они создали себе прочную репутацию. Запуск проекта FGCS распространил веру в то, что параллельные вычисления являются будущим всех достижений в области производительности, вызвав волну опасений в компьютерной области. Вскоре параллельные проекты были созданы в США как Стратегическая вычислительная инициатива и Корпорация по микроэлектронике и компьютерным технологиям (MCC), в Великобритании как Alvey и в Европе как Европейская стратегическая программа исследований в области информационных технологий (ESPRIT), а также Европейский исследовательский центр компьютерной промышленности (ECRC) в Мюнхене , сотрудничество между ICL в Великобритании, Bull во Франции и Siemens в Германии.
Проект продолжался с 1982 по 1994 год, потратив в общей сложности чуть менее 57 миллиардов иен (около 320 миллионов долларов США). [5] После проекта FGCS MITI прекратил финансирование крупномасштабных компьютерных исследовательских проектов, и исследовательский импульс, созданный проектом FGCS, рассеялся. Однако MITI/ICOT приступили к проекту нейронных сетей [ какой? ], который некоторые называли Проектом шестого поколения в 1990-х годах, с аналогичным уровнем финансирования. [6] Ежегодные расходы составляли менее 1% от всех расходов на НИОКР в отрасли электроники и коммуникационного оборудования. Например, самые высокие расходы на проект составили 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]
В 1982 году во время визита в ICOT Эхуд Шапиро изобрел Concurrent Prolog , новый язык программирования, который объединил логическое программирование и параллельное программирование. Concurrent Prolog — это процессно-ориентированный язык , который воплощает синхронизацию потоков данных и неопределенность защищенных команд в качестве своих основных механизмов управления. Шапиро описал язык в отчете, обозначенном как ICOT Technical Report 003, [7] в котором был представлен интерпретатор Concurrent Prolog , написанный на Prolog. Работа Шапиро над Concurrent Prolog вдохновила на изменение направления FGCS с фокусировки на параллельной реализации Prolog на фокусировку на параллельном логическом программировании как программной основе для проекта. [3] Она также вдохновила на параллельный логический язык программирования Guarded Horn Clauses (GHC) Уэды, который стал основой KL1 , языка программирования, который был в конечном итоге разработан и реализован проектом FGCS в качестве его основного языка программирования.
Проект FGCS и его результаты внесли большой вклад в развитие области параллельного логического программирования. Проект породил новое поколение перспективных японских исследователей.
В конечном итоге было создано пять работающих параллельных машин вывода (PIM): PIM/m, PIM/p, PIM/i, PIM/k, PIM/c. Проект также создал приложения для работы на этих системах, такие как параллельная система управления базами данных Kappa, система юридического обоснования HELIC-II и автоматизированный доказатель теорем MGTP , а также приложения биоинформатики.
Проект FGCS не имел коммерческого успеха по причинам, схожим с причинами компаний Lisp machine и Thinking Machines . Высокопараллельная архитектура компьютеров в конечном итоге была превзойдена по скорости менее специализированным оборудованием (например, рабочими станциями Sun и машинами 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; было разработано несколько языков, каждый со своими собственными ограничениями. В частности, функция обязательного выбора параллельного логического программирования ограничений мешала логической семантике языков. [8] Проект обнаружил, что преимущества логического программирования были в значительной степени сведены на нет при использовании обязательного выбора. [ необходима цитата ]
Другая проблема заключалась в том, что существующая производительность ЦП быстро преодолела барьеры, которые эксперты предвидели в 1980-х годах, и ценность параллельных вычислений упала до точки, где они некоторое время использовались только в нишевых ситуациях. Хотя в течение срока службы проекта было спроектировано и построено несколько рабочих станций с увеличивающейся производительностью, они, как правило, вскоре оказались превзойденными "готовыми" устройствами, доступными на рынке.
Проект также не смог включить внешние инновации. За время своего существования графические интерфейсы стали мейнстримом в компьютерах; Интернет позволил локально хранящимся базам данных стать распределенными; и даже простые исследовательские проекты давали лучшие реальные результаты в добыче данных. [ необходима цитата ]
Рабочие станции FGCS не имели привлекательности на рынке, где системы общего назначения могли бы заменить и превзойти их. Это параллельно рынку машин Lisp, где основанные на правилах системы, такие как CLIPS, могли работать на компьютерах общего назначения, делая дорогие машины Lisp ненужными. [9]
Подводя итог, можно сказать, что проект пятого поколения был революционным и завершил некоторые фундаментальные исследования, которые предвосхитили будущие направления исследований. Было опубликовано много статей и патентов. MITI создал комитет, который оценил работу проекта FGCS как внесшего значительный вклад в вычислительную технику, в частности, устранив узкие места в программном обеспечении параллельной обработки и реализуя интеллектуальную интерактивную обработку на основе больших баз знаний. Однако комитет был сильно предвзят в оправдании проекта, поэтому это преувеличивает фактические результаты. [5]
Многие из тем, рассмотренных в проекте Fifth-Generation, сейчас переосмысливаются в современных технологиях, поскольку ограничения оборудования, предусмотренные в 1980-х годах, были наконец достигнуты в 2000-х годах. Когда тактовые частоты ЦП начали переходить в диапазон 3–5 ГГц, рассеивание мощности ЦП и другие проблемы стали более важными. Способность промышленности производить все более быстрые системы с одним ЦП (связанная с законом Мура о периодическом удвоении числа транзисторов) стала подвергаться угрозе.
В начале 21-го века многие разновидности параллельных вычислений начали распространяться, включая многоядерные архитектуры на нижнем уровне и массивную параллельную обработку на верхнем уровне. Обычные потребительские машины и игровые консоли начали иметь параллельные процессоры, такие как Intel Core , AMD K10 и Cell . Компании-производители видеокарт , 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. Не было продемонстрировано существенного влияния FGCS на компьютерную индустрию. [ необходима цитата ]