14 лет назад 20 октября 2004 в 1:58 69

Простой пользователь думает об апгрейде своей машины. А самые светлые умы человечества пытаются решить глобальную задачу – задачу апгрейда технологий.

ОПТИКА

Еще в конце прошлого года израильская компания Lenslet (www.lenslet.com) опубликовала на своем сайте информацию о создании оптического сигнального процессора (DSP). Это была не просто концептуальная модель, а реальный прообраз коммерческого продукта, в основе которого лежали не полупроводники, а оптика.

В представленный оптический процессор, получивший название Enlight, был интегрирован оптический акселератор, который мог обеспечить работу на запредельно высокой скорости. Производительность оптического чипа составила 8 триллионов операций в секунду, при этом его работу обеспечивали 256 лазеров. Таким образом, производительность оптики уже в тысячу раз превзошла производительность классического “кремния”.

Правда, габариты чипа пока приводят в замешательство – 150x150x17 мм. Но специалисты компании уверены, что в течение нескольких лет сумеют уменьшить устройство до размеров микросхемы. А до тех пор оптический чип будет применяться только государственными (в том числе и военными) структурами, для которых размер не имеет значения.

Собственно говоря, все идет по накатанной колее, по которой проехал даже интернет – сначала новинку попробуют на зуб военные, затем они вкладывают солидные суммы в ее разработку, а потом доходит черед и до массового потребителя.
С оптикой вообще связано много ожиданий.

Так, некоторое время назад в знаменитой Санта-Барбаре учеными Калифорнийского университета был создан уникальный чип. Он включает в себя оптический преобразователь длины волны, что позволяет полностью отказаться от медной витой пары и реализовать целиком оптическую сеть.

Выигрыш от ликвидации промежуточных звеньев, которые преобразуют фотонный поток в электронный и обратно (а именно такие устройства сопряжения стоят на стыке каналов “оптика-медь” и согласуют разные длины волн в каналах “оптика-оптика”), очевиден – времени на эти преобразования тратилось много. Более того, необходимость этих преобразований и являлась одним из главных принципиальных ограничений, не позволяющих повышать реальную скорость передачи данных по существующим каналам.

Принцип работы оптического преобразователя таков: конвертер длины волны преобразует излучение настраиваемого лазера в заранее заданный цвет. Другими словами, сам сигнал остается прежним, но смещается в нужную сторону спектра. Вы можете спросить: как же до такой простой вещи не додумались намного раньше? Не только додумались, но даже пытались реализовать это на практике. Однако столкнулись с неразрешимой проблемой – технологически никак не удавалось разместить и лазер, и преобразователь на одном чипе.

Сейчас эта проблема уже решена – применение в качестве материала подложки фосфата натрия позволило изготовить устройство “два в одном”. Помимо чисто технических достоинств этого решения (для преобразования достаточно однократного прохода света через чип), у него есть преимущество экономического характера: при конвейерном производстве комбайн всегда будет стоить несколько дешевле двух отдельных устройств.

Таким образом, есть все основания считать, что первое десятилетие нового века завершится оптической революцией, которая затронет как сами компьютеры, так и коммуникационные линии, объединяющие их в сеть. Иначе говоря, количественные изменения как производительности самих компьютеров, так и скорости передачи данных между ними, скорее всего, приведут к изменениям качественным: грань между данными, хранящимися на диске, и данными, находящимися на удаленной машине, будет стерта. И речь идет не только о пассивных данных – клиент-серверные технологии, о перспективности которых говорят постоянно, могут наконец-то стать по-настоящему массовыми.

Молекулярный компьютер

А чего, собственно, мелочиться? Чем плох молекулярный компьютер? Тем более что никаких препятствий для его создания нет. Так, процессор может состоять из триггеров, в качестве которых используются молекулы с изоморфными формами. При этом известно, что их можно переводить из одной формы в другую путем какого-либо внешнего воздействия.

К примеру, переключать состояния молекул при помощи света (кстати, именно на этом принципе построен известный всем фотосинтез, при помощи которого “кушают” все растения). Осталось только присвоить одному состоянию символ “0”, а другому – “1”, и устройство для выполнения логических функций у нас в кармане.

Можно поступить и более изящно. В ряде научных центров уже разработаны переключающие элементы на так называемых хиральных (зеркально симметричных) изомерах. Таким образом, можно присвоить “правой” форме значение “0”, а “левой” – “1”. И мы опять-таки получим работоспособный триггер, который переключается одновременным воздействием светового потока и электрического поля.

У компании Hewlett-Packard свое мнение по поводу молекулярного компьютера. Она предлагает использовать для создания триггеров молекулы ротаксанов. Циклический тип молекулы имеет только два возможных устойчивых положения, переключение между которыми происходит при изменении кислотно-щелочного баланса среды, что можно инициировать электрическим сигналом.

А вот в процессе перехода из одного состояния в другое сдвигается полоса поглощения света и информацию можно считать оптическими методами. Важно учесть и то, что полимерная цепь ротаксана может достигать довольно большой длины и принципиально возможно передать сигнал переключения “по цепочке”.

Однако самый красивый способ основывается на существовании длинных молекул, состоящих из групп либо потенциальных ям, либо потенциальных барьеров. При этом если взять за исходное такое состояние молекулы, при котором электрон проходит сквозь нее за счет резонансного тунеллирования, то любое изменение любой группы приведет к “запиранию” электрона. Таким образом можно создавать логические элементы с большим количеством входов двух различных типов.

Используя любую из вышеперечисленных технологий или их комбинацию, можно создавать сколь угодно сложные логические блоки, включая модули хранения информации. Конечно, набор модулей – это еще не компьютер. Но современные технологии уже позволяют создавать из отдельных органических молекул длинные связки, когда “выходы” одних элементов соединяются со “входами” других.

Метод, лежащий в основе этой технологии, довольно стар – еще в семидесятых годах прошлого века появилась так называемая “технология Меррифилда”, при помощи которой можно было получать полипептиды с заданной последовательностью аминокислот. Компания IBM творчески переработала этот метод и создала синтезатор компонентов компьютера на молекулярной основе.

В реакторной сфере базовая молекула присоединяется к одной из тысяч находящихся там пластиковых сфер. Затем к ней добавляются новые молекулы. Процесс занимает несколько дней, и в результате можно получить очень длинную молекулу, которая в точности копирует заранее рассчитанный и находящийся в памяти обычного компьютера прототип. Сперва собираются молекулярные вентили, потом из них собираются сложные логические элементы, которые связываются в молекулярный компьютер, где в качестве соединительных элементов используются уже известные нам углеродные нанотрубки.

В качестве устройств для ввода информации в молекулярном компьютере можно использовать традиционные входные порты, однако их специфика требует наличия преобразователя сигналов из одной формы в другую. А для вывода информации, скорее всего, будут применяться принципиально новые интерфейсы на основе тех же молекулярных технологий.

БИОКОМПЬЮТЕР
Температура нанотрубки

Последние исследования британских ученых показали, что нанотрубки обладают одним интересным свойством, которое наверняка заинтересует оверклокеров. Дело в том, что говорить о температуре этих устройств некорректно, поскольку никакой температуры у них попросту нет.

До недавнего времени было очевидно, что понятие температуры можно применять только к довольно большой группе атомов. Процесс передачи энергии от более нагретого тела к менее нагретому происходил только тогда, когда тела имели сравнительно большой размер. Ученые решили экспериментально найти минимальный размер тела, к которому еще применимо понятие температуры.

Результаты получились весьма неожиданными – выяснилось, что размер тел в тот момент, когда они уже перестают обмениваться энергией, значительно больше, чем это было принято считать, причем критический размер сопоставим с габаритами нанотрубки.

Если данные эксперимента подтвердятся, на практике это приведет к тому, что температуры нанотрубок не будут выравниваться и теплообмен в системе, состоящей из нанотрубок, будет невозможен. Инженерной оценки этого открытия пока нет, но вполне можно ожидать, что конструкторы компьютеров будущего могут столкнуться с такими проблемами, о которых они пока даже и не догадываются.

Ученые из Виргинского политехнического института (он же Virginia Tech) вообще считают, что следует брать пример с природы и использовать для производства компьютеров цепочки ДНК. Для этого они синтезировали специальные супрамолекулярные комплексы, которые умеют обмениваться информацией с ДНК-спиралями.

Комплекс представляет собой связку из нескольких молекул, объединенных в определенную структуру. Как только супрамолекулярный комплекс соприкасается с нуклеиновым основанием ДНК, он тут же меняет свою структуру, “копируя” последовательность нуклеиновых оснований. Методом лазерной спектроскопии информация сможет быть считана для дальнейшей обработки.

Действующее устройство на основе нанотрубок и молекул ДНК было создано в Израильском технологическом институте (Technion). Основная задача, которую поставили перед собой инженеры, заключалась в том, чтобы сделать процесс производства углеродных нанотрубок менее трудоемким и длительным, при этом сохранив их диаметр, равный одному нанометру. Для этого было предложено использовать процесс, состоящий из двух стадий.

В первой стадии нанотрубки связываются с фрагментами молекулы ДНК при помощи молекул белка, входящих в состав бактерии кишечной палочки. Бактерии “присасываются” к центральной части ДНК, а к самому белку “коннектятся” молекулы антител, которые предварительно связываются с нанотрубками.

После этого свободная часть ДНК превращается в проводник, и весь состав обрабатывают раствором, содержащим ионы серебра, которые могут связываться с фосфатными группами ДНК. Но если какая-то группа уже имеет связь с белком, то ион серебра не прощает такой измены и просто игнорирует такую группу, невзирая на ее мольбы и стоны.

Довершает все это дело раствор альдегида, который заставляет серебро проститься с ионной формой и перейти в металлическую. Итак, проводник электрического тока уже получился. Закрепляет успех коллоидное золото, частицы которого осаждаются на серебре. В результате образуется не просто проводник, а проводник с высочайшей электропроводностью.

Оказалось, что нанотрубка, на концах которой находится этот проводник, может выполнять функцию транзисторного затвора. Следовательно, принципиальных препятствий для создания компьютеров на полученных таким образом нанотрубках нет. Остальное – дело техники.

А техника пока не подводит. Уже можно говорить о появлении технологии, позволяющей объединять отдельные нанотрубки в подобие нитей, из которых можно сделать достаточно широкую поверхность. Интересно, что для получения нитей не требуется готовых нанотрубок, поскольку их удобнее делать прямо в процессе получения наноткани.

Нанонити вытягиваются из вращающегося углеродного аэрогеля, нагретого до температуры 1200 градусов Цельсия. Скорость образования нитей достигла нескольких сантиметров в минуту, что является весьма неплохим результатом. Как и у каждой новой технологии, у такого метода получения нановолокна есть свои недостатки. Главный из них – это даже не высокая стоимость (через это проходит каждая новая технология), а низкая прочность получаемого материала. Так что инженерам еще предстоит найти способ, который заставит нанонити прочнее “держаться” друг за друга.

КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР

И наконец, нельзя не упомянуть о квантовых компьютерах, идею создания которых первым выдвинул известный физик Ричард Фейнман. В конце прошлого века математик Питер Шор предложил алгоритм вычисления простых множителей больших чисел для квантового компьютера. При этом оказалось, что эффективность алгоритма чрезвычайно высока – она практически соответствовала эффективности обычного перемножения чисел простым компьютером.

Ученые считают, что квантовый компьютер можно создать двумя принципиально различными путями. Первый путь заключается в использовании импульсного ядерного магнитно-резонансного спектрометра высокого разрешения. Единицами измерения информации в этой модели служат спины ядер, входящих в состав атомов исследуемой в спектрометре молекулы. В произвольном магнитном поле каждое ядро имеет свою частоту резонанса. Таким образом, воздействуя на всю систему импульсом конкретной резонансной частоты, можно добиться реакции только одного ядра, то есть весь процесс сводится к управлению импульсами переменного магнитного поля.

Также возможно использование ионных ловушек – из них можно получить одномерный ионный кристалл, который будет фиксироваться в пространстве внешними полями. При этом два уровня энергии каждого входящего в кристалл иона и являются Q-битами.

А может быть, все вернется к истокам, и квантовый компьютер будет работать на кремнии. Точнее, не на самом кремнии, а на фосфоре, который является очень хорошо изученной примесью кремния. Если молекулы фосфора расположить в кремнии так, чтобы их электронные облака немного пересекались, то атомы смогут обмениваться состояниями – один атом будет управлять электронами другого. Если поменять резонансную частоту спина ядра атома фосфора при помощи обычного электрода, то получится практически полный аналог полевого транзистора, только роль электрического тока будут играть состояния атомов.

ИСКУССТВЕННАЯ ЖИЗНЬ
Искусственный интеллект

Пока ученые размышляют о далеком и непонятном, прагматики из компании IBM уже выпустили пакет Autonomic Computing Toolkit, обладающий зачатками искусственного интеллекта. Этот пакет вполне в состоянии заменить среднего сисадмина, при этом надежность сети останется на прежнем уровне.
Пакет состоит из четырех частей.

Наряду с Integrated Solutions Console, дающей человеку-администратору возможность контроля за работой всей системы, и Common Base Event, отвечающей за регистрацию неисправностей, в пакете присутствуют блоки Autonomic Management Engine и Solution Installation. Первый модуль наблюдает за всей компьютерной системой и анализирует ее состояние, а второй – решает проблемы, которые возникают при инсталляции программного обеспечения.

Как видно, IBM не дерзнула полностью исключить из системы человека. Но неизвестно, является ли это условие неотъемлемой частью системы или менеджеры корпорации решили не оригинальничать ради того, чтобы не отпугнуть потенциальных пользователей.

Один из наиболее дискуссионных вопросов компьютерной футорологии заключается в том, следует ли проводить четкую грань между живым и неживым или эта грань может быть сильно размыта. Проще говоря, насколько неживая система может быть автономной.

Американские ученые попытались создать искусственные системы, которые смогут не только поддерживать свое личное существование, но и создавать себе подобных. Они, кстати, не скрывают, что их конечная цель заключается в полном моделировании настоящей экосистемы, элементы которой рождаются, размножаются, но не погибают.

Разумеется, пока рано говорить о создании колонии искусственных организмов (а иначе их назвать сложно), но прототип системы уже прошел первые успешные испытания. В процессе создания робота, способного к размножению, была использована интеллектуальная компьютерная система, жестко тестирующая генетические алгоритмы каждой особи и отбирающая наиболее жизнестойкие.

В результате этой работы появляются модели, поведение которых можно признать осмысленным. Затем робот собирается, причем его основу составляют обычные пластиковые трубки и миниатюрные электромоторы. Понятно, что внешне такой робот будущего напоминает скорее детскую игрушку, а не серьезную систему. Однако заблуждаться на сей счет не стоит – эта программа предполагает не количественное наращивание вычислительной мощности системы, а качественный пересмотр всей концепции роботостроения.

При этом одной из возможных сфер применения эволюционирующих искусственных систем является разработка новых компьютеров (разумеется, название “компьютер” в данном случае весьма условно). Эти компьютеры породит не человеческий ум, который изначально скован массой условностей и предубеждений, а непонятный нам разум, способный создать нечто принципиально новое.

Неизвестно, что получится в результате этого эксперимента, но хотелось бы, чтобы мы не увидели обыкновенные счеты, которые новый разум сочтет самым совершенным и безотказным инструментом для решения расчетных задач. Более того, вполне может получиться, что электронному разуму просто “не придет в голову” создавать какой-либо инструментарий для решения систем интегральных уравнений, поскольку он их и так щелкает, как орешки.

Ответный ход

А что же сам человек? Не опасается ли он, что развитие компьютерной техники приведет к реализации писательских фантазий на предмет мира машин, поработившего мир людей? Если еще не так давно ответ на этот вопрос был отрицательным, то сейчас он уже не столь однозначен. В этой связи интересно мнение талантливого физика Стивена Хокинга, с 30 лет прикованного к инвалидной коляске, а после удаления трахомы потерявшего способность говорить и использующего для общения компьютер, который синтезирует человеческую речь.

Несколько лет назад в своем интервью для издания Focus он не только подтвердил свою уверенность в том, что появление искусственного интеллекта является исключительно делом времени (при этом он апеллировал к закону Мура, который до сих пор никто не опроверг), но и признал, что человечество должно принимать серьезные меры для того, чтобы не быть выброшенным за ненадобностью не в меру “поумневшей” машиной.

Хокинг видит только две возможности предупреждения этой угрозы. Первый путь заключается в искусственном усилении возможностей человеческого мозга за счет подключаемых к нему электронных модулей. Этот путь привлекателен тем, что позволяет прекратить разработку электронных блоков, которые будут наделяться интеллектом для принятия решения, поскольку в качестве этого блока будет использоваться человеческий мозг.

С другой стороны, нельзя гарантировать, что кому-то не придет в голову несколько улучшить человеческую систему принятия решений (а соблазн весьма велик!), что может привести к появлению весьма странных существ. Второй путь более радикален, он заключается в усовершенствовании самих человеческих генов. События последних лет показывают, что, скорее всего, человечество пойдет именно этим путем – эксперименты с генами продолжаются, несмотря на протесты и запреты.

Продолжаются в том числе и потому, что некоторые ученые уже осознали неизбежность этого пути, альтернативой которому является полный запрет совершенствования вычислительной техники. К сожалению, пока мало кто усматривает связь между этими процессами. Однако очевидно, что вычислительная техника, как компонент системы “человек – машина” для своего развития потребует либо вывода себя из этой системы и получения статуса самодостаточной, либо совершенствования второй части системы. То есть нас с вами.

Ученые из Виргинского политехнического института считают, что следует брать пример с природы и использовать для производства компьютеров цепочки ДНК.

Человечество должно принимать серьезные меры для того, чтобы не быть выброшенным за ненадобностью не в меру “поумневшей” машиной.