Компьютер будущего — каким он будет, представим?
Персональные компьютеры за несколько последних десятилетий значительно увеличили свою производительность, но при этом уменьшились в габаритах. Однако с технической стороны они не претерпели существенных изменений. В современных компьютерах на основе Intel Haswell используются те же подходы, что и на «допотопном» Apple II. Но все может измениться уже в ближайшее время. Какими же будет принципиально новый компьютер будущего?
Взаимодействие с компьютером
Главным, что измениться будет принцип взаимодействия между компьютером и человеком. Сегодня все «общение» происходит, главным образом, посредством сенсорного экрана, мыши и клавиатуры. Компьютерные сетевые технологии современного интернета дают мгновенную связь между пользователями, а Радиомост WiFi http://www.conetec.su/catalog/wireless/wireless-brige/ без кабеля обеспечивает высокую скорость соединения на расстоянии от 30 км с гарантией стабильности. То есть общение через те технологии, которые были разработаны и внедрены десятилетия назад.
С возлагаемыми на них задачами они справлялись на «отлично» и будут дальше использоваться. Но среди инженеров и ученых преобладает мнение, что будущее за технологиям, которые на сегодняшний день находятся только в зачаточном состоянии.
Компьютер будущего, прежде всего, смогут воспринимать и обрабатывать изображение в режиме реального времени, то есть окружающий мир будет восприниматься машиной как человеком. Например, это даст возможность создавать системы контроля безопасности, которые анализируя окружающую их обстановку смогут предсказывать стихийные бедствия или теракты.
Главным преимуществом данной системы, в отличие от наблюдателя человека – отсутствие усталости или потери бдительности. Кроме этого качественное «зрение» даст возможность компьютерам лучше взаимодействовать с человеком, лучше воспринимая их мимику и жесты.
Также будущие системы научатся лучше слышать. То есть улучшиться не качество приема звука, а способность его анализировать звуковой ряд. Уже сегодня компьютеры умеют воспринимать речь, а в будущем им предстоит улучшить данный навык – научиться различать тончайшие интонации.
Кроме этого, компьютер будущего обучат расшифровывать звуки издаваемые животными. Улучшенная таким образом система будет способна объяснить родителям, причины плача грудного ребенка. Общением дело не ограничивается — на основе анализа звуков компьютер будет способен предупредить о возникновении поломки у различного оборудования.
Ожидается и появление возможности передавать тактильных ощущений. Это станет основой для революции в онлайн-продажах. Товар ведь можно будет и рассмотреть со всех сторон, и предварительно «потрогать».
Мобильные устройства оснастить дисплеями с большими диагоналями просто невозможно, а проекционное оборудование далеко не всегда удобно использовать. Но можно задействовать VRD (виртуальные ретинальные мониторы). В данной технологии изображение будет проецироваться непосредственно на сетчатку глаза. Пользователю в данном случае будет казаться, что монитор «подвешен» в воздухе перед ним.
Если проецирование изображения осуществляется только на один глаз, его можно будет видеть одновременно с окружающими объектами. При проецировании на оба глаза будут создаваться реалистичные и объемные изображения. Также использование VRD снизит нагрузку на батарею мобильного устройства.
И завершающим этапом развития интерфейсов может стать непосредственная связь между человеческим мозгом и электроникой. И для этого вживление чипа под кожу будет не обязательным.
О внешнем виде компьютера будущего, можно только строить предположения. Этим весьма активно занимаются футурологи. Некоторые мечтают о вживленных под кожу чипах, другие о скором появлении компьютеров-браслетов, которые превзойдут по производительности даже самые лучшие современные десктопы. Однако, как говорил Лем, «будущее выглядит иначе, чем мы его себе представляем».
Еще в середине ХХ века мало кто задумывался о массовом распространении тех же планшетов. С уверенностью можно сказать лишь одно — габаритные размеры систем будущего будут уменьшаться, а возможности и производительность значительно увеличатся.
Внедрение всех этих достижений, по мнению экспертов, будет происходить постепенно. И главную роль здесь сыграет сила человеческой привычки. В полной мере возможности нового всегда оценивает только следующие поколение, а предыдущему приходится лишь приспосабливаться.
Компьютеры будущего: основные концепты
Современные компьютеры работают все медленнее, не справляясь с задачами, которые ставит перед ними человек. Ученые уже разрабатывают вероятностные процессоры, молекулярные, биологические, оптические и квантовые компьютеры, которые придут устаревшим машинам на смену.
Главную роль в устройстве компьютера играют электроны. Оседая в ячейках памяти и регистрах процессора, они формируют информацию, с которой работает пользователь. Но скорость электронов конечна и не очень велика. И время, которое необходимо электрону для прохождения по системе, становится решающей преградой в дальнейшем повышении производительности. Выход можно найти либо в уменьшении размеров систем, либо в новом подходе к их устройству. И поскольку бесконечно уменьшать размеры нельзя, в ход идут новые алгоритмы работы и попытки заменить электроны другими частицами.
Новые алгоритмы для старых электронов
Для задач, связанных с вычислением вероятностей, инженеры американской компании Lyric Semiconductor предлагают использовать процессоры, основанные на принципах байесовской вероятности. Они могут применяться в поисковых системах, системах финансового моделирования и биржевого прогнозирования, обработки биологических и медицинских данных. Такой подход позволяет распределить нагрузку между узлами системы, увеличить производительность и сократить время выполнения поставленных задач.
Компания Lyric Semiconductor создала первый вероятностный процессор
Принцип распределения нагрузки используют при обработке больших массивов данных. При таком подходе множество компьютеров, связанных между собой, работают как единая система. Например, самый «шустрый» процессор на сегодня имеет пиковую производительность в 24 TFlop/s, в то время как распределенная система научно-исследовательского вычислительного центра МГУ имеет пиковую производительность 420 TFlop/s.
Также для повышения скорости вычислений все больше начинают использовать процессоры видеокарт. Преимущество в скорости графическим процессорам дает архитектура, разработанная именно для вычислительных операций. Используя специальное ПО, можно перенаправить основную вычислительную нагрузку с CPU на GPU.
Тем не менее все ближе тот момент, когда кремниевые процессоры не смогут справляться с поставленными задачами, даже с учетом распределения нагрузок и использования архитектур графических и дополнительных процессоров. Выход может быть найден в концептуально новых системах, не ограниченных скоростью электронов.
Компьютеры нового тысячелетия
На данный момент активно ведутся разработки молекулярных, оптических и квантовых устройств, а также ДНК-компьютеров. Сложность разработки таких систем заключается в необходимости перестроения всех основных узлов: центрального процессора, элементов памяти, устройств ввода/вывода.
В основе молекулярных компьютеров лежат бистабильные молекулы, которые могут находится в двух устойчивых термодинамических состояниях. Каждое такое состояние характеризуется своими химическими и физическими свойствами. Переводить молекулы из одного состояния в другое можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрических и магнитных полей. По сути, эти молекулы являются транзисторами размером в несколько нанометров.
Благодаря малым размерам бистабильных молекул можно увеличить количество элементов на единицу площади. Другим достоинством молекул является малое время отклика, которое составляет порядка 10 -15 с. Сами бистабильные переключатели управляются световыми, электрическими импульсами или электрохимическими реакциями. Соединяют функциональные элементы нанотрубки или сопряженные полимеры.
Другой тип компьютеров нового поколения также основан на молекулах, но уже молекулах ДНК. Впервые ДНК–вычисления были проведены в 1994 г. Леонардом Эдлеманом (Leonard Adleman), профессором Университета Южной Калифорнии, для решения задачи коммивояжера. В ДНК–компьютерах роль логических вентилей играют подборки цепочек ДНК, которые образуют друг с другом прочные соединения. Для наблюдения состояния всей системы в последовательность внедрялись флуоресцирующие молекулы. При определенных сочетаниях свечения молекул подавляли друг друга, что соответствовало нулю в двоичной системе. Единице же соответствовало усиленное свечение флюоресцентов. Возможно строить последовательности цепочек, в которых выходной сигнал одной цепочки служит входным сигналом другой.
MAYA-II в руках исследователя. Дисплей на заднем плане показывает результат одной из игр в крестики-нолики. ДНК-компьютер (вместо ноликов он играл красными точками), как видим, выиграл у человека (синие точки, иначе — крестики)
Главное достоинство такого компьютера — работоспособность внутри тела человека, что дает возможность, например, осуществлять подачу лекарства там, где это необходимо. Также такие компьютеры позволят моментально производить идентификацию заболеваний в организме.
Еще два варианта компьютера будущего – фотонный и квантовый компьютеры. Первый работает на оптических процессах, и все операции в нем выполняются посредством манипуляции оптическим потоком. Преимущества такого компьютера заключаются в свойствах световых потоков. Скорость их распространения выше, чем у электронов, к тому же взаимодействие световых потоков с нелинейными средами не локализовано, а распределено по всей среде, что дает новые степени свободы (по сравнению с электронными системами) в организации связей и создании параллельных архитектур. Производительность оптического процессора может составлять 10 13 — 10 15 операций в секунду. На сегодняшний день есть прототипы оптических процессоров, способные выполнять элементарные операции, но полноценных и готовых к производству компьютеров нет.
Квантовый компьютер основан на законах квантовой механики. Для выполнения операций квантовый компьютер использует не биты, а кубиты – квантовые аналоги битов. В отличие от битов, кубиты могут одновременно находится в нескольких состояниях. Такое свойство кубитов позволяет квантовому компьютеру за единицу времени проводить больше вычислений. Область применения квантового компьютера – переборные задачи с большим числом итераций.
Проблема создания квантового компьютера
Все прототипы компьютеров будущего – ДНК-компьютеры, молекулярные и фотонные — разные грани одного целого — идеи создания полнофункционального квантового компьютера. Все микрочастицы, будь то кванты, атомы или молекулы, могут быть описаны волновой функцией состояния и подчиняются единым законам квантовой механики. Таким образом, работы над каждым типом компьютеров базируются на одном фундаменте. Есть у них и общие проблемы. Необходимо научиться объединять частицы в совокупности и работать как с каждой частицей в отдельности, так и с совокупностью в целом. К сожалению, на сегодняшний день технологии не позволяют производить такие манипуляции. К тому же система управления должна поддерживать масштабируемость системы частиц, благодаря которой можно наращивать мощность компьютера. Решение этой проблемы станет очередным прорывом в науке.
Над созданием квантового компьютера работают в лабораториях всего мира, в том числе и российских. Ведущие научные сотрудники Казанского физико-технического института Сергей Моисеев и Сергей Андрианов прокомментировали текущую ситуацию в этой области. С 2001 года они начали вести работы в области квантовой памяти и на сегодняшний день исследуют новые твердотельные материалы, пригодные для хранения кубитов. Также решается задача длительности хранения информации. Пока что это время составляет всего несколько миллисекунд. На вопрос, почему квантовый компьютер до сих пор не существует, отвечает Сергей Моисеев: «Насколько я себе представляю, дело в том, что сложность этой проблемы была не сразу осознана. После того как был проведен первый цикл исследований, были сформулированы проблемы, в том числе и физические, которые предстояло решить. На данный момент создание квантового компьютера напоминает своего рода современный Манхэттенский проект. Цель — создать квантовый компьютер, оперирующий 1000 кубитами, с возможностью его масштабируемости».
Однако развитие квантового компьютера тормозят не только технические проблемы, но и экономические. Долгое время на решение этой задачи выделялось крайне мало средств, особенно в России. Проект, в случае его успеха, начнет приносить доход спустя длительное время. При этом требуются крупные капиталовложения. Сейчас, когда преимущества квантового компьютера стали очевидны, начали появляться и инвестиции, но их доля относительно других отраслей по-прежнему невелика.
Что же касается ситуации в мире на сегодня, уже есть модель, работающая на двух кубитах. Конечно это не 1000, к которым стремятся ученые, но он уже может найти множители, на которые разлагается число. Потенциал же килокубитного квантового компьютера огромен. Он сможет за минуты просчитывать данные, на которые у нынешних систем уйдут годы, а то и десятилетия. С точки зрения информационной безопасности, как только будет построен квантовый компьютер, все системы защиты данных с открытым ключом рухнут, так как квантовый алгоритм позволяет быстро взломать коды. Самый производительный нынешний компьютер, если и решит эту задачу, то за несколько лет. Сегодня криптозащита держится только по той причине, что квантовый компьютер находится в самом начале своего развития. И 2-3-х кубитов не достаточно для взлома шифров.
Предвидя такое развитие событий, компании задумываются о квантовой криптографии, против которых компьютер нового поколения будет бессилен. Особенность квантовой криптозащиты в том, что при попытке «подслушать» информацию она разрушается по закону неопределенности Гейзенберга. Таким образом, при попытке получить доступ к зашифрованному потоку, информация в нем будет утеряна. Однако не стоит считать неуязвимость квантовой криптозащиты абсолютной, как и в любой системе, в ней есть свои слабые места.
На данный момент в Швейцарии уже действует квантовый интернет, протяженность сети составляет 100 км. Уже три года он связывает Женеву и Цюрих. В основе передачи информации такой сетью лежит квантовая сцепленность – явление при котором квантовые состояния двух или более объектов влияют друг на друга, даже если они разнесены в пространстве. Достоинство сети — в ее безопасности. При попытке «подслушать» трафик сети извне сигнал искажается, что сигнализирует принимающей стороне о попытке перехвата. Для того чтобы проложить такой интернет на больших расстояниях, требуется квантовый репитер, который будет пересылать сигнал. И в Европе уже созданы сообщества по работе над ним.
Сергей Андрианов дополняет: «Ближайшая реализация квантового компьютера – система finger printing в научном мире известная, как метод характеристических признаков. Она будет содержать примерно 20 — 30 кубитов и предназначена для выделения «струны» – последовательности данных, содержащей небольшой бит информации — неких характеристических признаков — из базы данных. И если сравнить эту струну со струной из другой базы, то с определенной долей вероятности можно определить, одинаковые эти базы данных или нет. В течение нескольких ближайших лет фирма HP собирается представить такой компьютер, работающий на квантовых точках». Нити с определенной вероятностью довольно точно описывают исходную базу. И если две выбранные последовательности признаков совпадают, то можно предположить, что и исходные базы данных одинаковы. Например, при сканировании сетчатки глаза в системе контроля доступа можно снимать информацию не обо всей сетчатке, а только определенные параметры. Совокупность таких параметров и будет струной. При последующей идентификации можно снять те же параметры с представленной сетчатки и, если последовательности параметров совпадут, можно предположить, что сетчатки одинаковы, а стало быть — принадлежат одному человеку.
Компьютер будущего: взгляд из (недавнего) прошлого
(Этот текст был найден на старом жёстком диске, извлечённом вместе с прочим хламом с чердака. Мне подумалось, что он может быть интересен даже в эпоху гига-, тера-, крипто-. Е.З., 2016-й).
Я редко обновляю свой компьютер, но раз примерно в каждые пять лет наступает момент, когда от апгрейда уже не отвертеться. И вот, усевшись за благоухающий свежим пластиком Pentium 100 — сто мегагерц тактовой частоты, встроенный математический сопроцессор, 16 мегабайт оперативной памяти, фантастические 800х600 точек при 64 тысячах цветов! — подумал, а почему бы и не помечтать? Так многое меняется в айтишной сфере всего-то за пятилетку, и сегодня — великолепным солнечным апрельским утром 1996 года, отчего бы и не позабавиться, продлить очевидные тенденции лет, скажем, на десять, да что там, даже двадцать вперёд?
А начну прямо со скоростей. Кто-то скажет — ничего особенного, но меня и по сей день поражает способность коробки на столе производить сто миллионов операций в секунду над числами в четыре байта длиной, и сотни тысяч — сложной математики. Конечно, персоналка не чета суперкомпьютерам, вроде обсчитывающему двести миллионов (уже не операций: шахматных комбинаций!) Deep Blue, только что обставившему Гарри Каспарова в матче века. Но и того, что есть, достаточно, чтобы творить чудеса.
Ведь всего только несколько лет назад PC стала достаточно мощной, чтобы синтезировать звук подобно профессиональным синтезаторам и обрабатывать его так, что разницу на слух и не заметишь. Вы слышали про трекеры? Это такие программы для музицирования: записываешь («оцифровываешь») короткие отрывки звука, а потом воспроизводишь их, накладывая любые эффекты — вроде эха, смены тональности, одновременного проигрывания нескольких нот и т.п. Лично я верю, что пусть не каждый, но многие из тех, кто сейчас трекерит, однажды станут настоящими музыкантами и будут собирать полные залы на своих концертах: среди таких Deadmau5, Infected Mushroom, Boom Jinx.
А ещё оказалось, что любой звук возможно разложить на простые составляющие, после чего некоторые из них ещё и выбросить без вреда для звучания (это называется психоакустикой) — и тогда минута музыки с CD-качеством уместится в одном мегабайте! Такой аудиоформат называется MP3 и процессоры, начиная с 486DX, уже способны его воспроизводить (правда, напрягшись, желательно, отключив все остальные приложения). Выходит, что на жёстком диске средней персоналки теперь может уместиться целая фонотека из сотен и даже тысяч записей! И не нужно больше никакой магнитной ленты, никаких дискет. Это ли не чудо?
Конечно, производительности хотелось бы побольше, но история показывает, что её всегда не хватает — а в ближайшем будущем, можно полагать, дефицит проявится ещё острее. Ведь мир ПК сжался до архитектуры x86. Apple, пользующаяся RISC-процессорами и долгое время бывшая соперником Intel на рынке персоналок, теперь на грани разорения и вряд ли даже покупка NeXT и возврат гордеца Джобса (о чём ходят слухи) ей помогут. У x86 же запас по тактовой частоте невелик. Вспомните, что первые микропроцессоры работали на частотах в сотни раз меньше сегодняшних! Но теперь уж увеличить стократно не получится: не позволит закон Мура, упрёмся в предел возможностей полупроводников. Запас так мал, что даже кнопка «Turbo», всего лишь удваивающая частоту, делает это ценой опасного перегрева процессора. Да и запас по оптимизации исполнения, кажется, исчерпан: Pentium — суперскаляр, то есть выполняет операции не по порядку и несколько штук одновременно, но ведь бесконечно много таким образом тоже не сделаешь.
Поэтому скорее всего львиную долю труда в ближайшем будущем возьмут на себя сопроцессоры нестандартных архитектур: графические, вроде выпущенного недавно 3dfx Voodoo Graphics. Их конструкторы не зажаты узкими рамками обратной совместимости, почему кажется вероятным, что со временем графические акселераторы вырастут в полноценные «числодробилки», на которые будут разгружать тяжёлую математику — и не только графическую!
Но самые масштабные перемены происходят вне системного блока. Начиная с этого года официально самым крупным «электронным» сообществом на Земле — уже почти 40 миллионов человек по всему миру! — стало сообщество пользователей WWW. Покупаете коробочку-модем, устанавливаете программу-браузер (Netscape или, что проще, Internet Explorer, распространяемый вместе с Windows 95), звоните провайдеру, и — границы буквально стираются! Уже сейчас в интернете больше ста тысяч сайтов и число их растёт экспоненциально: библиотеки, поисковые машины, виртуальные штаб-квартиры и домашние странички простых пользователей, службы электронной почты, магазины, и порнография, конечно, куда же без неё. Производители порно, эти первопроходцы высоких технологий, поспели и здесь, и уже экспериментируют с видеовещанием через интернет!
Скорость связи на самых быстрых модемных соединениях не превосходит 5 килобайт в секунду. Этого уже сейчас недостаточно для комфортной работы (сетяне оказались неожиданно жадными до изображений; наибольший трафик порождают не цифровые библиотеки, а коллекции фотографий — ну кто мог такое предвидеть?!), но и представить страшно, что начнётся, когда люди станут пересылать друг другу музыкальные записи, массово смотреть в интернете кино. Сеть вообще может остановиться! К сожалению, если пропускную способность крупных цифровых магистралей увеличить реально, то возможности телефонного провода ограничены. Скорость модемов вряд ли удастся поднять радикально, придётся переходить на специальные («выделенные») типы линий, тянуть в квартиры компьютерный кабель. Пока это слишком дорого и надежда лишь на то, что публика не разочаруется в Веб так же быстро, как её полюбила: тогда миллиарды пользователей сформируют достаточный спрос.
Впрочем, связывая компьютерное будущее с компьютером на столе, мы поступаем как те провидцы из эпохи пара, что видели во всём и везде паровой двигатель. Очень может быть, что в отдалённом будущем акцент сместится на цифровые устройства нового класса, свидетелями рождения которого мы являемся: класс наладонных компьютеров. Лучший его представитель — семейство U.S.Robotics/Palm Pilot. Компьютер, умещающийся в кармане рубашки, хранящий всю важную информацию, распознающий рукописный текст, даже умеющий ходить в интернет через подключаемый внешний модем!
Если предположить, что мобильные технологии будут развиваться такими же темпами, как у настольных машин, логично представить уже в следующем десятилетии «наладонники» с цветным экраном, воспроизводящие фотографии и музыку (прощай, Walkman!), работающие диктофоном и записной книжкой, а может быть даже заменой пейджеру и телефону, если удастся сбить цену пока ещё слишком дорогой сотовой связи.
Вообще, главная преграда на пути к этому светлому будущему — не цены, а малая ёмкость аккумуляторов. Наиболее популярные сегодня аккумуляторы NiMH слишком «слабы», чтобы удовлетворить потребность в энергии многофункциональных цифровых устройств ближайшего будущего. Главная надежда теперь на литий-ионную технологию: она обещает резкое увеличение ёмкости, долговечность, удобство эксплуатации, меньший вес. Правда, литиевые батареи пожароопасны, но, думается, лет за пять-десять инженеры и исследователи эту проблему решат.
Что по-настоящему сомнительно, так это способность ИТ-индустрии решить проблему проводов. Цифровая техника эволюционирует быстро, провода на столе множатся. И совершенно непонятно, как и чем этот рост ограничить! Из отлаженных механизмов беспроводной связи мы пока имеем только инфракрасный порт, но он медленный и капризный, тогда как необходимо что-то, сравнимое в скорости с персональными компьютерами и не требующее прицеливания. Кое-кто прочит большое будущее цифровым беспроводным радиопротоколам, в частности, Bluetooth, но смогут ли вендоры стандартизовать их достаточно, чтобы использовать без проблем в разнообразных устройствах? Не станет ли «голубой зуб» «главным глюкалом» эпохи, головной болью для пользователей?
Но пора подвести итог. По каждому направлению ИТ у нас есть некоторый запас хода и свои опасности. Сможем ли мы обойти их, сможем ли не замедлить бег? Сегодня утром я смотрю в будущее с оптимизмом. Кто-то скажет, что я не объективен, что на оценку влияет скорость новенького компьютера — которая совсем скоро будет съедена выросшими потребностями, моими и программ. Что ж, в чём-то он прав.
Но — давайте начистоту: если бы восьми бит хватало для всего, если бы CP/M хватало для всего, если бы для всего хватало 640 килобайт — стоял бы сейчас на моём столе «Пентиум»?
