Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ

Черкесова Л. В.,

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ НОВЫХ ПОКОЛЕНИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
НА НЕПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТНЫХ БАЗАХ

Закон Гордона Мура

Бурное развитие современной микроэлектроники происходит за счёт постоянного уменьшения размеров отдельных элементов микросхем и увеличения плотности их размещения на кристалле. Это позволяет повышать скорость переработки информации. Однако неуклонное возрастание сложности и быстродействия интегральных схем на основе кремния не может продолжаться до бесконечности. Вскоре на этом пути встанет барьер, обусловленный фундаментальными законами физики. В 1965 г., на заре компьютерной эры, один из «отцов-основателей» современной микроэлектроники Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов на одной микросхеме будет ежегодно удваиваться. Прошло почти сорок лет, а закон Мура по-прежнему действует. Когда размеры транзисторов и расстояния между ними достигнут нескольких десятков нанометров (1 нм равен 10–9 м), вступят в силу так называемые размерные эффекты – физические явления, полностью нарушающие работу традиционных кремниевых устройств. Вывод: нужны компьютеры с более высокими скоростными характеристиками. Поэтому специалисты всего мира взялись за решение этой проблемы путем создания вычислительной системы будущего, использующей другие, неполупроводниковые элементные базы.

1. Молекулярные компьютеры

Транзистор может состоять всего из одной органической молекулы. Если из миллиарда таких транзисторов построить процессор, он будет не больше песчинки. При этом его производительность возрастет в тысячи раз по сравнению с совре-
менными компьютерами, а энер-
гопотребление станет существенно меньше. Такие молеку-
лярные процессоры можно будет встраивать в любые устройства настолько малых наноразмеров, что они даже не будут видны человеческому глазу. Молекулярные блоки памяти обеспечат плотность хранения данных, немыслимую для полупроводниковых микросхем. Плотность размещения молекулярных элементов в трехмерной схеме может составить 1012…1015 на мм–3. Это в 106 раз выше, чем в нервных волокнах! Скорость передачи информации также возрастёт в 106 раз. Фантастика? Однако молекулярная микросхема уже разработана, а начало промышленного производства молекулярных компьютеров прогнозируется уже сейчас, к 2015 гг. Сегодня в мире существуют десятки научных центров, занимающихся разработкой устройств молетроники, в создание которых вкладываются огромные средства.

2. Нанотехнологии и нанокомпьютеры

Нанотехнологии позволят создавать абсолютно любые объекты, манипулируя отдельными атомами вещества. Они, заменив другие технологии, позволят не только победить старость и болезни, дав человечеству бессмертие и вечную молодость, но и обеспечат его фантастическими материальными богатствами, позволив освоить космическое пространство. Словом, нанотехнологии – это вечная молодость и материальное изобилие в экологически чистых мирах Вселенной!
О необходимости создания нанотехнологий впервые заговорил физик Ричард Фейнман, поставив задачу компактного хранения информации. Нанотехнологии обещают
радикально изменить как инструменты обработки информации – компьютеры, так и методы их использования. Любые устройства содержат огромное количество атомов. Чтобы выполнить устройство с помощью нанотехнологий, каждый атом нужно переместить на отведённое ему место. Уже найдено много интереснейших способов применения нанотехнологий, и количество прогнозов увеличивается с каждым днём.

Вполне реальным техническим устройством завтрашнего дня становится нанокомпьютер, способный работать с тактовыми частотами в десятки терагерц. Этот нанокомпьютер будет состоять из мельчайших деталей с заранее заданными свойствами, каждая из которых будет собрана всего лишь из нескольких тысяч атомов.

Нанотехнологии невозможны без применения нанокомпьютеров, коммуникаций и программирования. Роботы – сборщики будут получать и обрабатывать информацию извне, а также обмениваться информацией друг с другом, ретранслируя её и образуя коммуникационные сети. Микророботов и программы для них придётся создавать на самой современной вычислительной технике – сначала на обычных компьютерах, а затем на нанокомпьютерах. По прогнозам, промышленное применение нанотехнологий произойдёт уже в начале XXI в., а спустя еще десятилетие нанотехнологии образуют заметный сектор в мировой экономике.

3. Квантовые компьютеры

Квантовые устройства, называемые атомными и молекулярными генераторами, (мазерами), обладают чрезвычайно высокой стабильностью частоты излучаемых ими электромагнитных волн, что используется для точного измерения времени. Принцип действия квантовых компьютеров основан на свойстве квантовых битов (кубитов) одновременно находится в разных квантовых состояниях, т.е. представлять собой не «0» или «1», а их суперпозицию. Экспериментальная модель Orion канадской компании D-Wave состоящая всего из 16 кубитов, способна выполнять 64 000 операций одновременно, а компьютеры, имеющие сотни кубитов, смогут параллельно обрабатывать огромное число процессов, превышающее количество атомов во Вселенной. Появление квантовых компьютеров приведет к изменению системы компьютерной безопасности, т.к. ни один пароль не сможет устоять перед их неограниченной способностью перебора вариантов.

4. Оптические и фотонные компьютеры

Этому способствовал ряд блестящих достижений фундаментальной науки в области голографии, радиофизики, нелинейной оптики и параметрики. Производительность оптических компьютеров, в котором информация обрабатывается со скоростью света, на много порядков превышает возможности современных ЭВМ, работающих на полупроводниковой элементной базе. Очевидны многочисленные преимущества использования света для задач передачи и обработки информации: возможность параллельной передачи и обработки изображений одним световым пучком, возможность использования прозрачных сред для хранения, обработки и коммутации информации, возможность использования поляризации, возможность одновременной, параллельной работы с различными длинами волн и, наконец, возможность работы на очень высокой опорной частоте излучения (порядка 1000 ТГц).

Изображённый на рисунке оптический компьютер DOC-II, разработанный знаменитой компанией «Bell Laboratory», может при поиске ключевого слова в Интернете или базах данных проверять до 80 тысяч страниц текста в секунду. Вместо привычного монитора будет генерироваться трёхмерное голографическое изображение, как в известных фантастических фильмах «Звёздные войны»,

«Аватар» и др. Так, фантастика снова даёт толчок науке и становится реальностью уже для нынешнего поколения.

5. Биологический нанокомпьютер

Выдающиеся способности биологических молекул к хранению и обработке информации уже около десятилетия привлекают внимание ученых, пытающихся отыскать наиболее достойную замену компьютерным микросхемам на основе кремния. Ведь ДНК, знаменитая молекула в форме двойной спирали, присутствует в ядрах всех живых клеток и способна, занимая объем в один кубический сантиметр, содержать информации больше, чем триллион компакт – дисков. Постепенно двигаясь по пути создания программируемых компьютеров на основе молекул ДНК, ученые – исследователи приближают эпоху, когда живые вычислительные машины смогут умещаться в одной клетке человеческого организма. Биологический нанокомпьютер будет настолько мал, что триллион таких устройств может работать одновременно по принципу параллельных вычислений в одной капле воды.

Модели молекул ДНК (знаменитая двойная спираль)

Теоретические расчеты дают основания предполагать, что ДНК – компьютеры, в конечном счете, способны превзойти кремниевые чипы в решении массивно-параллельных задач, требующих одновременного выполнения множества сходных операций. Заманчивые перспективы бионанокомпьютеры сулят в медицине и фармакологии. Однако недавняя работа исследователей, опубликовавших статью в журнале Nature, показывает, что ученые уже научились создавать несложные программируемые вычислительные устройства, способные работать в условиях натурального биологического окружения клетки живого организма. В суммарном подсчёте коллективная вычислительная мощь биологических нанокомпьютеров в устройстве составляет миллиард операций в секунду при точности вычислений более 99,8 %. Затраты же энергии на эти вычисления составляют менее одной миллиардной доли ватта, что делает возможным функционирование бионанокомпьютеров внутри человеческого тела. ДНК – компьютеры создаются во многих научных центрах мира, пытающихся объединить потенциал биологии и информационных технологий. Толчок этим работам дали эксперименты американского учёного Леонарда Эдлмана.

Бионанокомпьютеры на основе молекул ДНК

6. Нейронные компьютеры (нейрокомпьютеры)

Мозг и нервная система живых организмов позволяют решать задачи управления и эффективно обрабатывать сенсорную информацию, а это огромное преимущество для создаваемых вычислительных систем. Именно это послужило предпосылкой создания искусственных интеллектуальных вычислительных систем на базе нейронных систем живого мира.

Специалисты в области искусственного интеллекта, добившись результатов в области биологических нейронных систем, создадут нейронный компьютер с огромными возможностями – способностью к самообучению и развитию, т.е. «мыслящий компьютер», на основе которого можно создавать роботов.

Создание компьютера на основе нейронных систем живого мира базируется на теории персептронов, разработчиком которой был американский учёный Фрэнк Розенблатт. Персептрон – это искусственная нейронная сеть, способная распознавать образы.

Нейрокомпьютеры – это совершенно новый тип вычислительной техники, иногда их называют биокомпьютерами. Их можно построить на базе нейрочипов, которые функционально ориентированы на решение конкретной задачи. Для решения задач разного типа требуется нейронная сеть разной топологии. Возможна эмуляция нейрокомпьютеров, как программно на ЭВМ и суперЭВМ, так и программно-аппаратно на цифровых сверхбольших интегральных схемах. Развитие нейрокомпьютерной технологии приведет к созданию мощных вычислительных систем, решающих сложнейшие задачи управления и параллельной обработки информации.

Первые персептроны, предложенные Розенблаттом в 1958 г., имели два слоя нейронов. Однако собственно обучающимся был лишь один, последний слой. Первый (скрытый) слой состоял из нейронов с фиксированными случайными весами. Эти ассоциирующие нейроны получали сигналы от случайно выбранных точек рецепторного поля. В этом признаковом пространстве персептрон осуществлял распознавание подаваемых на вход образов.

Преимущества нейрокомпьютеров учёные видят в том, что все алгоритмы нейронной информатики высоко параллельны, что является залогом высокого быстродействия. Нейронные системы очень устойчивы к помехам и разрушениям. Надежные нейронные системы могут создаваться даже из ненадежных элементов, имеющих значительный разброс параметров. Нейронная система способна эффективно
самообучаться. Результаты обучения нейронной сети позволяют решать сложные задачи за несколько тактов – наносекунд. Типичные области применения нейрокомпьютеров – управление в реальном времени, распознавание образов и прогнозирование.

Различные нейронные чипы, нейронные интерфейсы и имплантанты, разработанные на сегодняшнее время, будут значительно улучшены, и их биологическая совместимость с нервными тканями человека станет ещё более полной. Тогда наступит долгожданное время настоящей виртуальной реальности и полноценного взаимодействия с компьютерами через нервную систему человека, когда управление любой аппаратурой станет возможным с помощью импульсов головного мозга человека. Возможности мыслительных процессов человека могут быть практически неограниченно расширены путём взаимодействия мозга с компьютерными сетями и подключения к компьютерным хранилищам информации.

7. Интеллектуальные компьютеры

Интеллектуальными называются компьютеры, способные решать интеллектуальные задачи и не способные нанести вред человечеству. Они включают в себя персональные компьютеры, оснащенные дополнительным программным обеспечением и персональной памятью, подключенной к широкополосной информа-ционной сети. На сегодня носителями искусственного интеллекта являются перспективные ЭВМ, экспертные системы, роботы, а также интеллектуализированные телекоммуникации.

Сами по себе интеллектуальные компьютеры не создают новую информацию, но увеличивают интеллектуальный потенциал человечества. Сохраняя, трансформируя и перенося знания, они приумножают возможности людей.

Компьютеры в виде систем искусственного интеллекта (ИИ) рождают так называемый социальный интеллект как единую целенаправленную творческую систему. Существуют различные подходы к построению систем ИИ: логический, структурный, эволюционный, имитационный. Нейрокомпьютеры также относятся к области искусственного интеллекта. Чаще всего встречаются смешанные системы ИИ, где одна часть работ выполняется по одному принципу, а вторая – по-иному.

Значительная часть используемых сегодня роботов обладает зачатками искусственного интеллекта. Они могут ориентироваться в окружающей обстановке, выбирать маршрут движения и распознавать нужные объекты, даже играть в спортивные игры.

Технологии машинного зрения и распознавания образов применяются устройствах автоматики и в системах безопасности.

Экспертные системы используются, например, в геологии, для поиска полезных ископаемых, в медицине, при диагностике заболеваний, в юриспруденции, где юридические программы, содержащие законодательную базу, выносят решения по мелким правонарушениям и дают консультации по сложным законам. Технологии на основе ИИ используются для перевода текстов на иностранном языке, проверки правописания, распознавания речи. Компьютерные системы с искусственным интеллектом управляют промышленными объектами – заводами, атомными станциями, транспортом. Крупнейшие финансовые организации используют интеллектуальные программы для прогнозирования положения дел, и сверхбыстрого принятия эффективных решений на фондовых и валютных рынках. Искусственный интеллект широко применяется в тренажеростроении и в компьютерных играх.

Искусственный интеллект с его компьютерами и телекоммуникационными системами формирует коллективный разум человечества, создает единый социальный интеллект (ноосферу, о которой писал ещё В.И. Вернадский), эффект которого находится намного выше суммы от-
дельных интеллектов, его обра-
зующих. Человечество, как слож-
ная система, приобретает известное в математической теории
сложных систем синергетичес-
кое свойство «эмерджентности», т.е. становится «надсистемой» – СВЕРХСИСТЕМОЙ РАЗУМА.