7.2.1.1. Новые технические средства

Квантовые компьютеры. Квантовый компьютер будет состоять из компонентов субатомного размера, и работать по принципам квантовой механики. Квантовый мир обладает странными свойствами: объекты в нем могут занимать несколько положений одновременно. Но именно эта странность и открывает новые возможности. Например, один квантовый бит может принимать несколько значений одновременно, то есть находиться сразу в состояниях "включено", "выключено" и в переходном состоянии. 32 таких бита, называемых q-битами, могут образовать свыше 4 млрд. комбинаций - вот истинный пример массово-параллельного компьютера. Однако, чтобы q-биты работали в квантово устройстве, они должны взаимодействовать между собой. Пока ученым удалось связать друг с другом только три электрона. 

Уже есть несколько действующих квантовых компонентов - как запоминающих, так и логических. Теоретически квантовые компьютеры могут состоять из атомов, молекул, атомных частиц или "псевдоатомов" - искусственно созданных ячеек для "отлова" электронов. Ряд таких ячеек может служить проводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать предыдущие в соседние ячейки. Компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуется непрерывной подачи энергии! Однажды занесенные в него электроны больше не покинут систему. 

Насколько близко мы подошли к действующему квантовому компьютеру? Прежде всего, необходимо создать элементы проводников, памяти и логики. Кроме того, эти простые элементы нужно заставить взаимодействовать друг с другом. Наконец, нужно выстроить узлы в полноценные функциональные чипы и научиться тиражировать их. По оценкам ученых, прототипы таких компьютеров могут появиться уже в 2005 году, а в 2010-2020 гг. должно начаться их массовое производство. 

Оптические компьютеры. По сравнению с тем, что обещают молекулярные или биологические компьютеры, оптические ПК могут показаться не очень впечатляющими. Однако ввиду того, что оптоволокно стало предпочтительным материалом для широкополосной связи, всем традиционным кремниевым устройствам, чтобы передать информацию на расстояние нескольких миль, приходится каждый раз преобразовывать электрические сигналы в световые и обратно. 

Целиком оптические компьютеры появятся через десятилетия, но работа в этом направлении идет сразу на нескольких фронтах. Например, ученые из университета Торонто создали молекулы жидких кристаллов, управляющие светом в фотонном кристалле на базе кремния. Они считают возможным создание оптических ключей и проводников, способных выполнять все функции электронных компьютеров. 

Однако прежде чем оптические компьютеры станут массовым продуктом, на оптические компоненты, вероятно, перейдет вся система связи - вплоть до "последней мили" на участке до дома или офиса. В ближайшие 15 лет оптические коммутаторы, повторители, усилители и кабели заменят электрические компоненты. 

Биокомпьютеры. Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки. Пока это чашка Петри, наполненная спиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическим проводам. По существу, наши собственные клетки - это не что иное, как биомашины молекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит наш мозг. 

Ихуд Шапиро из Вейцмановского института естественных наук соорудил пластмассовую модель биологического компьютера высотой 30 см. Если бы это устройство состояло из настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного из компонентов клетки - 0,000025 мм. 

Билл Дитто из Технологического института штата Джорджия провел интересный эксперимент, подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что в зависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи. Вероятно, биологические компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевых устройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования. Дитто намерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботов. 

Молекулярные компьютеры.  Молекулярными компьютерами занимаются в Америке, Германии и у нас в стране. Их эффективность может оказаться в 100 миллиардов раз выше, чем современных кремниевых.

Молекулярная электроника - область применения молекул и молекулярных материалов, позволяющих производить, принимать и обрабатывать информацию. Это направление является одним из важнейших в развитии нанотехнологии. Молекулы и организованные молекулярные ансамбли, обладающие определенными свойствами (такими, как: способность существовать в двух или нескольких термодинамически устойчивых состояниях, проводить электрический ток, обладать определенными магнитными характеристиками), могут стать элементной базой для вычислительных систем следующего поколения. Предполагается, что создание молекулярных компьютеров станет возможным уже в ближайшие 2-3 десятилетия.

Молекулярными компьютерами занимаются в Америке, Германии и у нас в стране. Учёные утверждают, что молекулярные компьютеры придут на смену кремниевым уже через 20-25 лет. А ещё через 10-20 лет будет создано новое поколение ещё более эффективных компьютеров - квантовых и ДНК-компьютеров.

Молекулярный компьютер - это устройство, в котором вместо кремниевых чипов работают молекулы и молекулярные ансамбли. В основе новой технологической эры лежат так называемые «интеллектуальные молекулы». Такие молекулы (или молекулярные ансамбли) могут существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях. Переводить молекулу из одного состояния в другое (переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрического и магнитного поля... Такие переключаемые молекулы - это наноразмерная двухбитовая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора. Интерес к созданию молекулярных компьютеров понятен. Размеры будущего молекулярного транзистора будут на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых. Известно, что производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов, размещаемых на единице площади интегральной схемы. На процессорном чипе современного компьютера расположено до ста миллионов транзисторов, и намного больше разместить уже вряд ли удастся, поскольку доведённые до совершенства технологии их производства достигли своего максимума. Поэтому эффективность молекулярного компьютера может оказаться в 100 миллиардов раз выше, чем современного кремниевого.

Для создания молекулярных транзисторов лучше всего использовать, фотохромные соединения, которые при облучении переходят в изомерные состояния, отличающиеся по своим спектральным, электрическим и химическим характеристикам. Фотохромные соединения, обладающие определенными свойствами (высокая термическая и фотохимическая устойчивость, люминесцентные свойства, ферромагнетизм и др.) и жидкокристаллические полимеры можно использовать для создания устройств трехмерной памяти, емкость которой значительно превышает достигнутую в современных системах хранения информации. 

Так, в  Вайзмановском институте (Израиль) построили компьютер, в основе которого лежат молекулы  одновременно триллион таких компьютеров, то они смогут выполнять миллиард операций в секунду. При этом колба, в которую легко поместится этот триллион, всё равно будет меньше, чем компьютер  Пентиумом 4.

Плотность информации, хранящейся в ДНК, во много раз превышает плотность магнитных и оптических носителей. Один кубический сантиметр ДНК может хранить столько же данных, сколько «триллион компакт-дисков» (по нашим скромным подсчётам, это около 602 185 726 терабайт — если, конечно, речь идёт о стандартных компакт-дисках).

Ввод, вывод и «программное обеспечение» нового компьютеры целиком состоят из молекул ДНК. В качестве «железа» используются энзимы, которые этими молекулами управляют. Вместе они могут выполнять простейшие операции — например, определять порядок нулей и единиц, закодированный во «входной» молекуле и заносить результат на «выходную». Всего компьютер может выполнять 765 подобных операций, потребляя при этом менее одной миллиардной ватта. Точность вычислений составляет более 99.8%.

В будущем молекулярные нанокомпьютеры можно будет помещать внутрь человеческого организма, чтобы они отслеживали там патологические изменения, а также использовать для дальнейшего исследования возможностей ДНК.

В фирме Hewlet Paccard получили патент на технологию, позволяющую конструировать компьютерные микропроцессоры не на основе кремниевых кристаллов, а на основе молекулярных цепочек (в случае, если на основе этой технологии компания сможет создавать рабочие компьютерные системы, то они будут значительно дешевле и в тысячи раз меньше по обьему при производительности, сравнимой с производительностью существующих кремниевых процессоров; в будущем, предполагают ученые, на основе таких систем могут быть созданы компьютеры, надевающиеся на человека, прошиваемые в различные материалы или даже вводимые человеку внутривенно для проведения диагностических процедур).

Ученым удалось найти способ заставить молекулы соединяться в нужном порядке и работать в качестве логических переключателей. Такие конструкции могут быть соединены специальными "проводами", шириной 6-10 атомов, сообщает Associated Press. 

Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей, способных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может состоять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул ротаксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурация компонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логических ключей, создается электронным способом. По оценкам ученых НР, подобный компьютер будет в 100 млрд. раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во много раз меньше места. 

Сама идея этих логических элементов не является революционной: кремниевые микросхемы содержат миллиарды точно таких же. Но преимущества в потребляемой энергии и размерах способны сделать компьютеры вездесущими. Молекулярный компьютер размером с песчинку может содержать миллиарды молекул. А если научиться делать компьютеры не трехслойными, а трехмерными, преодолев ограничения процесса плоской литографии, применяемого для изготовления микропроцессоров сегодня, преимущества станут еще больше. Первые опыты с молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких компьютеров, однако массовое производство действующего молекулярного компьютера вполне может начаться где-нибудь между 2005 и 2015 годами. 

Нейрокомпьютерные  сети, нейрокомпьютеры, ЭВМ подобны мозгу. Все чаще информация о них мелькает на страницах печати. Это – не фантастика. Уже существуют работающие нейрокомпьютеры  и складывается свой рынок этого нового класса перспективных средств  вычислительной техники. 

Фирма Локхид предполагает использование нейрокомпьютеров для управления адаптивной фокусирующей системой управления мощным лазерным оружием при ведении «звездных войн». 

Ярким примером реализации нейрокомпьютеров в управлении роботами является разработка системы управления механической рукой для космического корабля «Шаттл». Во многих аэропортах США при досмотре багажа для выявления наркотиков, взрывчатых веществ, ядерных и других материалов используются все те же нейрокомпьютеры.

 60% кредитных карточек в США проходят контроль с применением нейрокомпьютерной технологии.  

Нейроконтроллеры при решении задачи управления уровнем темпе-ратуры жидкости в замкнутом объеме почти вдвое быстрее реагируют на изменение температуры по сравнению с традиционными PI (РID) регуляторами.

Эффективность использования нейрокомпьютеров для обработки радио и гидролокационной информации, причем как на уровне первичной, так и на уровне вторичной обработки, уже не новость.  

Прогнозирование экономических и финансовых показателей, предсказание  возможных осложнений  у  больных в послеоперационный период, диагностика автомобильных и авиационных двигателей, управление атомными электростанциями и даже … стиральными машинами, обработка изображений, формируемых электронным сканирующим микроскопом или телекамерой в охранных системах наблюдения  и многое, многое другое – это все те области, где нейрокомпьютеры различного уровня реализации, от специализированных  аппаратных средств, до простых нейросетевых пакетов программ для традиционных персональных компьютеров, с каждым годом находят все более широкое применение.

Огромный интерес к нейрокомпьютерам держится во всем мире без малого уже десять лет.  Выкладываются миллиарды долларов, открываются десятки факультетов и кафедр, сотни лабораторий. Число фирм – разработ-чиков и производителей нейрокомпьютеров – стало уже более сотни.

Нейронные сети и нейрокомпьютеры в настоящее время быстро становятся одной из тех технологий, на которые делают свои ставки ведущие компании мира как на средство конкурентоспособности в XXI веке. 

Основатель и председатель правления ведущей компании США, специализирующейся на разработке и прикладном внедрении нейрокомпьютеров,  Роберт Хехт  - Нильсен  говорил:  «Я думаю, что  нейрокомпьютерная технология  окажет даже более глубокое воздействие на развитие техники и общества в целом, чем микропроцессор, если иметь в виду ближайшие два десятилетия». К этому можно только добавить, что нейрокомпьютеры – это новый  захватывающий мир, мир новых возможностей и профессий. 

США и Япония, Германия и Финляндия, Франция и ряд других стран  развернули государственные проекты по  исследованиям,  разработкам  и  прикладному  использованию нейрокомпьютеров как в гражданской, так и в военной сферах. Даже мелкие фирмы и отдельные предприимчивые люди  окунулись в эту проблематику. 

С математической точки зрения нейронная сеть представляет собой многослойную сетевую структуру, состоящую из однотипных, параллельно работающих процессорных элементов – моделей нейронов. Однако структурно, функционально и алгоритмически модель нейронной сети при обработке информации и выполнении вычислительного процесса в некотором смысле действительно имитирует отдельные свойства естественных нейронных сетей. Для реализации искусственных нейронных сетей как раз и используют нейрокомпьютеры, т.е. вычислительные устройства, которые максимально ориентированы по своей структуре и функциям на эффективное моделирование нейронных сетей и реализацию нейронных алгоритмов решения различных прикладных задач. 

В целом научное направление, включающее в себя теорию нейронных сетей, разработку нейронных алгоритмов решения прикладных задач  и непосредственно создание нейрокомпьютеров на различной элементной базе – цифровой, аналоговой, оптической и др., получило общее название «нейрокомпьютинг». 

По мнению специалистов, создание и использование нейрокомпьютеров является целесообразным по двум причинам. 

Во - первых, их архитектура ориентирована на параллельные вычисления и позволяет выполнять их без тех осложнений, с которыми связано выполнение этих вычислений на традиционных ЭВМ, ориентированных на последовательную обработку данных. 

Во - вторых, нейрокомпьютеры не работают по жесткому алгоритму, не перепрограммируются под разные задачи,  а каждый раз обучаются решению новой проблемы. Конечно, необходимость обучения нельзя считать только достоинством. Отрицательными его сторонами являются как необходимость организации специальных наборов данных для обучения - обучающих выборок, так и затраты времени на их создание. Более того, использование нейрокомпьютеров для решения задач, требующих высокой точности,  может оказаться нецелесообразным. Однако при решении задач, для которых не существует алгоритма или решение по алгоритму занимает слишком много времени, нейрокомпьютеры оказываются предпочтительнее традиционных. Здесь сразу возникает их значительное преимущество. Поэтому и возник с конца 80 - х годов этот нейрокомпьютерный бум, который не затихает по настоящее время.

Наиболее эффективны нейрокомпьютерные технологии прежде всего на задачах, где необходимо обрабатывать неполную и нечеткую информацию. Например, распознавание летящей цели, медицинская диагностика, прогно-зирование различных чрезвычайных ситуаций, прогнозирование в эконо-мической  и  финансовой  сферах,  моделирование  в  научных экспериментах, управление технологическими процессами и т.д. Все это возможно для нейрокомпьютеров благодаря их способности к обучению, установлению ассоциативных связей, распознаванию образов, т.е. благодаря имитации работы биологических нейронных сетей.

С расширением сферы применения нейронных сетей возникают всё новые задачи, которые требуют применения нейронных сетей большой размер-ности и реального времени их моделирования. Для этих целей персональные ЭВМ слишком медленные, большинство супер ЭВМ и параллельных ЭВМ имеют большие габариты и высокую стоимость, а известные  зарубежные  нейрокомпьютеры  во  многих  реализациях специализированы на узкий класс нейросетевых задач или отдельные классы задач и не позволяют эффективно решать прикладные задачи большой размерности при малом времени реакции. 

Таким образом, несмотря на большое количество известных в мире нейрокомпьютеров, постоянно возникают  всё новые требования к созданию и использованию высокопроизводительных и универсальных вычислительных средств,  структурно и функционально поддерживающих прикладные процессы нейрообработки информации в режиме супервычислений при высоких требова-ниях к быстродействию.

Что касается России, то до отечественных разработок, начатых в конце 80-х годов в рамках  государственных  проектов,  несмотря  на  наличие  мощ-ной вычислительной техники и фундаментальных работ в области теории нейронных  сетей,  промышленных  нейрокомпьютеров  отечественной разработки не было.  

Что дальше?  Термин "квантовый скачок" означает, что в квантовом мире изменения происходят не постепенно, а скачками. К началу двадцатых годов XXI века, если не раньше, подобный скачок произойдет и в вычислительной технике: к тому времени мы перейдем от традиционных кремниевых полупроводников к более совершенным технологиям. 

Результатом станут намного более компактные, быстродействующие и дешевые компьютеры. Появится возможность наделять любые промышленные продукты определенными интеллектуальными и коммуникационными способностями. Банка кока-колы, помещенная в холодильник, на самом деле будет саморегистрироваться в его сети; предметы - автоматически упорядочиваться. 

Каждый человек ежесекундно будет пользоваться Интернетом, хотя за большинством обращений к нему будут следить его электронные персональные агенты, автоматически отвечая на вызовы или переадресовывая их в службу передачи сообщений. 

К 2030 году может начаться распространение вживленных устройств с прямым доступом к нейронам. Ближе к середине столетия в мире киберпространства будут царить микро- и наноустройства (интеллектуальная пыль). К тому времени Интернет будет представлять собой отображение почти всего реального мира. Причем разрешение изображений, учитывая вероятные размеры емкости запоминающих устройств того времени, будет очень высоким. 

Надев на себя шлем виртуальной реальности, можно будет совершить полноценный круиз в любой уголок земного шара, не покидая своей квартиры. А если кто-нибудь, скажем, из Рима, захочет нанести вам визит через Сеть, вы сможете открыть для него (и для всего мира) свое собственное изображение реального времени. Таким образом грань между кибер- и реальным пространством начнет исчезать. 

На биологическом фронте исследования в области клетки приближают возможность замены тканей или органов, включая нейроны, которые раньше считались незаменимыми. Более того, клетки и ткани можно будет наделять способностями обработки и передачи данных. Подобный контроль над живыми процессами дает надежду на увеличение продолжительности жизни: ученые не видят принципиальных препятствий к тому, чтобы люди жили по несколько сотен лет. 

Пока здравый смысл не приспособился к переменчивому технологическому миру, это будущее кажется чуждым такому знакомому современному миру. Путешествие во времени может завести и в рай, и в ад, но, во всяком случае, скучным его не назовешь.