Сохранение информации

Фактически спин становится другим носителем информации, который может быть использован в компьютинге, имеющем ряд преимуществ перед классическим компьютингом, используемым в традиционных ЭВМ. Так, информация, которая хранится в памяти современного компьютера, используя систему положительных и отрицательных зарядов, является довольно неустойчивой: она исчезает, как только отключается электрический ток, если выполненная на компьютере работа не была сохранена. При создании соответствующей среды спин является гораздо более устойчивым. Так, в магнитном материале, если спин включен "вверх" или "вниз", он остается в этой ориентации до тех пор, пока его не переключат в другом направлении. Это означает, что когда вы отключаете электрический ток, все остается точно таким же, как и было до отключения тока. Другими словами, это спиновое оборудование остается как бы включенным. Спинтронное оборудование потребляет незначительное количество энергии для включения спина. Поэтому оно является энергетически эффективным, что будет исключительно важным в перспективе для экономии энергии, когда произойдет глобальная компьютеризация планеты и сформируются глобальная информационная экономика и общество. Помимо этого, спинтронное оборудование будет иметь гораздо более высокую скорость переключения, по сравнению с традиционным компьютерным оборудованием. По-видимому, спинтронное оборудование уже в ближайшей перспективе сможет достичь скорости обработки информации в несколько терагерц. Кроме того, спинтронное оборудование имеет великолепную масштабируемость, так как основывается на ферромагнитных полупроводниках, а промышленные технологии производства полупроводников довольно хорошо освоены. Однако в настоящее время в спинтронном оборудовании используются главным образом металлы, а не полупроводники.

Исследователи в странах ЕС заняты поиском полупроводниковых материалов, которые смогут работать при комнатной температуре. Сейчас направление исследований в спинтронике постепенно переходит от проблем спинтронной памяти и хранения информации к процессам обработки спинтронной информации.

В связи с тем, что кремниевые полупроводниковые технологии постепенно, по оценкам аналитиков, приближаются к исчерпанию своих технических возможностей, ученые США (Оксфордский и Техасский университеты, Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, Сандия и Рокфеллера) и других промышленно развитых стран мира проводят исследования с целью создания перспективных инновационных технологий в области биокомпьютеров, технологий хранения и обработки информации в биологических системах. Сейчас исследования осуществляются по нескольким направлениям и типам биокомпьютеров, основанным на разных биологических процессах. В первую очередь это относится к генетическим (ДНК, РНК) и клеточным биокомпьютерам.

ДНК-компьютер или биомолекулярный компьютер - это в основе своей набор специально отобранных нитей ДНК, комбинация которых дает возможность осуществлять отдельные конкретные вычислительные операции. В настоящее время уже разработаны технологии отбора таких нитей ДНК. Как считают эксперты, ДНК-компьютеры дадут возможность создания массивных параллельных схем, которые не могут быть сформированы традиционными компьютерами, работающими на кремниевых чипах. Кроме того, ДНК-компьютеры будут значительно быстрее традиционных компьютеров. Помимо молекул ДНК для этих целей возможно использование других биологических молекул, например протеиновых молекулярных структур, которые в будущем могут привести к созданию пептидных биокомпьютеров, которые будут способны поддерживать гораздо более сложные, комплексные алгоритмы.

Применение в области ИКТ биологических материалов, биомолекул позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки. Ведь по существу, клетки - это не что иное, как биосистемы или биокомпьютеры молекулярного уровня. Одним из примеров уникального биокомпьютера служит мозг человека.

Потенциал биокомпьютеров очень велик. По сравнению с обычными вычислительными устройствами, они имеют ряд уникальных особенностей. Во-первых, в них может использоваться не бинарный, а тернарный код (информация в них кодируется тройками нуклеотидов).

Во-вторых, вычисления в них могут производиться путем одновременного вступления в реакцию, например, триллионов молекул ДНК, в результате чего биокомпьютеры могут выполнять до 1014 операций в секунду.

В-третьих, вычислительные устройства на основе ДНК хранят данные с плотностью, в триллионы раз превышающей показатели современных оптических дисков. В-четвертых, ДНК-компьютеры имеют исключительно низкое энергопотребление.

Однако при разработке биокомпьютеров ученые столкнулись с целым рядом серьезных проблем. Первая связана с проблемой считывания результатов вычислительных операций. Современные способы секвенирования (определения кодирующей последовательности) несовершенны: нельзя за один раз секвенировать цепочки длиной хотя бы в несколько тысяч оснований. Кроме того, это весьма дорогостоящая, сложная и трудоемкая операция. Вторая проблема - ошибки в вычислениях. Для биологов точность в 1 % при синтезе и секвенировании биооснований считается очень хорошей. Для ИКТ она неприемлема: решения задачи могут потеряться, когда молекулы просто прилипают к стенкам сосудов и нет гарантий, что не возникнут точечные мутации в ДНК и т.д. С течением времени ДНК распадаются и результаты вычислений исчезают.

Генетические ДНК- и РНК-компьютеры - это вычислительные системы, использующие информационные возможности молекул ДНК и РНК.

Молекулы ДНК могут оказаться материалом, который впоследствии заменит кремниевые транзисторы с их бинарной логикой. Всего один фунт (453 грамма) ДНК-молекул обладает емкостью для хранения данных, превосходящей суммарную емкость всех современных электронных систем хранения данных, т.е. всех современных компьютеров. С другой стороны, вычислительная мощность ДНК-процессора размером в несколько миллиметров будет выше самого мощного современного суперкомпьютера. Например, 10 трлн. ДНК-молекул занимают объем всего лишь 1 см3. Этого количества молекул достаточно для хранения объема информации в 10 терабайт. Еще одно преимущество ДНК-процессоров в сравнении с обычными кремниевыми процессорами заключается в том, что они могут производить все вычисления не последовательно, а параллельно, что обеспечивает выполнение сложнейших математических расчетов за исключительно короткое время, измеряемое в минутах. Традиционным компьютерам для выполнения таких расчетов потребовались бы месяцы и годы.

В молекулах ДНК, из которых состоят живые клетки, закодирована генетическая информация. Фактически ДНК - это полимер, состоящий из субъединиц, называемых нуклеотидами. Ученые решили попытаться по примеру природы использовать молекулы ДНК для хранения и обработки данных в биокомпьютерах, или как их впоследствии назвали ДНК/РНК-компьютеры. Идея создания такого биокомпьютера принадлежит Леонарду Адлеману, профессору Университета Южной Калифорнии (1994 г.). Вслед за работой Адлемана последовали другие в Университете штата Висконсин, Принстонском университете и др.

Первая модель биокомпьютера в виде механизма из пластмассы была создана в 1999 г. Ихудом Шапиро из Вейцмановского научно-исследовательского института естественных наук в Реховоте (Израиль). Его модель имитировала работу "молекулярной машины" в живой клетке, собирающей белковые молекулы по информации, получаемой из ДНК, используя при этом РНК в качестве посредника между ДНК и белком.

В 2001 г. И. Шапиро удалось реализовать модель в реальном биокомпьютере, который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов. Молекулы фермента выполняли роль аппаратного обеспечения, а молекулы ДНК - программного. Этот новый тип биологического компьютера способен выполнить до 330 трлн. вычислений в секунду, что примерно в 100 тыс. раз быстрее обычных электронных компьютеров. Полученный на этой основе процессор настолько мал, что в объеме одной капли воды могло бы поместиться до 3 трлн. таких ДНК-компьютеров. Каждый из них может выполнять до 66 млрд. операций в секунду с точностью операций до 99,8%.

Однако, израильский биокомпьютер И. Шапиро пока не может конкурировать с обычными компьютерами из-за ряда ограничений, относящихся к выполняемым задачам.

Тем не менее, исследователям удалось добиться значительных успехов в дальнейшей миниатюризации биокомпьютеров, совершенствовании их "конструкции" и эффективности энергопотребления. Если все предшествующие ДНК-компьютеры нуждались в дополнительном источнике энергии (аденозинтрифосфорной кислоте - АТФ), то новый биокомпьютер получает энергию непосредственно от молекулы ДНК, в которой закодированы исходные данные для вычислений. Исследователи сходятся во мнении, что такая конструкция биокомпьютера более перспективна, нежели вариант с применением внешнего источника энергии - АТФ.

В Израиле создается новый проект ДНК-компьютера, включающий в себя ранее неизвестный биохимический процесс, генерирующий определенное количество энергии, достаточное для того, чтобы ДНК-компьютер мог работать без внешнего источника питания. Традиционные электронные компьютеры обрабатывают информацию на основе электрических импульсов, идущих по микросхемам кремниевых чипов. По разным прогнозам ожидается, что между 2010 и 2015 годами будет происходить переход к разработке биокомпьютеров без внешнего источника питания.

Помимо указанных источников энергии энергопитание ДНК-компьютеров может осуществляться, как считают ученые, за счет тепла человеческой руки или тела. Пока у данной разработки практического применения нет, но, по мнению израильских ученых, она имеет огромный потенциал. В частности, подобный биокомпьютер, помещенный в тело человека, сможет осуществлять мониторинг и распознавать аномальные биохимические явления, принимать решения о способе их коррекции, а также синтезировать и выделять необходимые для этих целей лечебные вещества.

Еще в 2002 г. появилось сообщение, что фирма Olympus Optical претендует на первенство в создании коммерческой версии ДНК-компьютера, предназначенного для генетического анализа. Машина была создана в сотрудничестве с доцентом Токийского университета Акирой Тояма. Комбинированный компьютер, построенный Olympus Optical, имеет молекулярную и электронную составляющие. Первая осуществляет химические реакции между молекулами ДНК, обеспечивает поиск и выделение результата вычислений. Вторая - обрабатывает информацию и анализирует полученные результаты.

Возможностями биокомпьютеров заинтересовались военные. Так, американское агентство DARPA начало выполнять проект, получивший название Bio-Comp (Biological Computations - биологические вычисления). Его цель - создание мощных биовычислительных систем на основе ДНК. Попутно исследователи надеются научиться управлять процессами взаимодействия белков и генов. Для этого планируется создать мощный симулятор Bio-SPICE, способный средствами машинной графики визуализировать биомолекулярные процессы.

Ученые Колумбийского университета Нью-Йорка и университета Нью-Мехико сообщили о создании ДНК-компьютера, способного проводить самую точную и быструю диагностику таких вирусов, как вирус Западного Нила, птичьего гриппа и др. Они представили первую интегральную ДНК-схему со средней степенью интеграции, которая на данный момент является самым быстрым устройством такого типа. Пока что такие компьютеры могут применяться исключительно в научных целях, в частности, в медицине, биологических исследованиях и пр. По оценкам этих ученых, через 10-15 лет ДНК-компьютеры смогут заменить кремниевые.

Ученые и аналитики полагают: ДНК/РНК-компьютеры в будущем можно будет использовать не только для вычислений, но и как своеобразные нанофабрики лекарств. Эти компьютеры найдут свое широкое применение, прежде всего, в медицине и фармакологии. Поместив подобное "устройство" в клетку, врачи смогут влиять на ее состояние, исцеляя человека от самых опасных недугов.

К клеточным биокомпьютерам относятся такие системы, которые располагаются в клетках организма и осуществляют мониторинг их состояния и лечения. К биомолекулярным компьютерам относятся вычислительные системы, использующие вычислительные возможности молекул (преимущественно, биологических). В молекулярных компьютерах используется принцип вычислительных возможностей, получаемых в результате различного расположения атомов. В целом клеточные и молекулярные компьютеры являются родственными и зачастую работают совместно.

Если говорить о клеточных компьютерах, то для этой цели идеально подходят бактерии, если бы в их геном удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активироваться в присутствии определенного вещества. Такие компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна абсолютно стерильная атмосфера, как при производстве полупроводников. Запрограммировав клетку, можно довольно легко и быстро вырастить тысячи клеток с такой же программой. Еще в 2001 г. американские ученые создали трансгенные микроорганизмы (т.е. микроорганизмы с искусственно измененными генами), клетки которых могут выполнять логические операции типа "И" и "ИЛИ", используемые в традиционных компьютерных технологиях.

Ученые известной американской Лаборатории в Оук-Ридже (штат Теннеси) провели опыты по использованию способности генов синтезировать гот или иной белок под воздействием определенной группы химических раздражителей. Они изменили генетический код бактерий Pseudomonas putida таким образом, что их клетки обрели способность выполнять простые логические операции. Например, при выполнении логической операции "И" в клетку подаются два вещества (по сути - входные операнды), под влиянием которых ген вырабатывает определенный белок. В настоящее время на базе этих клеток создаются более сложные логические элементы. Ведутся исследования в отношении возможности создания клетки, выполняющей параллельно несколько логических операций.

Исследователи Гарвардского и Принстонского университетов разработали имплантируемый в клетку человека биокомпьютер, который способен осуществлять мониторинг за деятельностью и состоянием клеток. Информация, которую предоставляют эти "молекулярные доктора", формируется исключительно из молекул ДНК, РНК и протеинов. Составленные только на основе генетических материалов, эти "молекулярные доктора" могут в перспективе революционизировать всю медицину. Такие биокомпьютеры предназначены для определения мутированных генов, деятельности генов внутри клеток, а также раковых клеток.

По мнению ученых Гарвардского и Принстонского университетов, в настоящее время отсутствуют инструменты для чтения клеточных сигналов. Указанные выше биокомпьютеры фактически являются таким инструментом и смогут перевести сложную клеточную сигнатуру, такую как деятельность множества генов, в читаемую информацию на выходе из клетки.

Кроме того, эти инструменты могут быть запрограммированы на автоматический перевод клеточных сигналов на выходе в конкретные действия:

Учеными из этих университетов недавно была продемонстрирована работа такого биокомпьютера, размещенного на клетках почки человека. С этой целью они использовали РНК клеток почек человека для создания "молекулярного компьютерного центра". Информация на входе такого вычислительного устройства - это белки и химические вещества, находящиеся в цитоплазме клетки, на выходе - это сигнальные молекулы, которые надежно распознаются базовым лабораторным оборудованием.

В принципе клеточные биокомпьютеры могут быть запрограммированы для автоматического преобразования полученного сигнала в совершенно конкретные действия. Они могут быть использованы не только для маркирования больных клеток, предназначенных для последующего лечения, но и смогут переключаться на терапевтическое воздействие самостоятельно.

По сообщениям американского журнала Science, другие американские ученые собрали из молекул РНК клеточный биокомпьютер, способный выполнять логические операции, работать внутри живой клетки и реагировать на сигналы извне и изнутри нее. Устройство, которое может обрабатывать информацию, находясь внутри живой клетки, может найти широкое применение в биотехнологических системах и медицине, в том числе в диагностике рака и доставке лекарств в нужную точку организма.

Авторы исследования, биологи из Калифорнийского технологического института Маун Ньян Вин (Maung Nyan Win) и Кристина Смоулк (Christina Smolke) собрали клеточный биокомпьютер, работающий внутри клетки дрожжей. Для его создания они использовали короткий фрагмент РНК-молекулы, передающей генетическую информацию в клетке и способный присоединяться к определенным видам молекул (аптамер). Он играл роль приемника входящего сигнала. Молекула ферментативной РНК трансформировала этот сигнал, а специальная молекулярная последовательность, состоящая из двух частей, работала как трансмиттер. Эта система имеет модульную структуру. Из набора таких фрагментов могут быть созданы логические вентили и логические блок-схемы, которые соответствуют элементам обычного электронного компьютера.

Можно сказать, что в принципе уже создан клеточный или биомолекулярный компьютер. Он позволяет "программировать" молекулы таким образом, что они могут осуществлять "команды" человека непосредственно внутри клеток. Такие клеточные биокомпьютеры в перспективе дадут возможность манипулировать биологическими системами напрямую.

Ученые считают, что достаточно запустить специальную генетическую программу, и наш организм сможет под ее руководством самостоятельно построить клеточный биокомпьютер. Важнейшим результатом создания подобных биокомпьютеров ученые считают возможность направлять лечение только на злокачественные или больные клетки, не затрагивая здоровые.

Всемирно известные физики Фриц Лондон и Нильс Бор утверждали, что квантовый феномен проявляется не только в физике, но и в биологии. Следовательно, квантовые и биокомпьютеры имеют определенную взаимосвязь, которая в настоящее время еще мало изучена. В этом контексте доктор биологических наук, академик РАЕН П.П. Горяев считает, например что биокомпьютер - это квантовый биокомпьютер, основанный на принципах "волновой генетики, волнового генома и волнового генетического кода". Классическая генетика, по мнению П.П. Горяева, оперирует "чисто вещественными понятиями генов и хромосом", что в целом правильно. Однако у генов и хромосом имеется квантовая, волновая компонента в соответствии с принципами квантовой механики. По его мнению, ДНК человека, во-первых, является излучателем электромагнитных и звуковых полей. Во-вторых, хромосомы человека и не только человека, но и всех многоклеточных организмов являются еще и голограммами.

Таким образом, биологические системы содержат в себе "голографический видеофильм", который является своего рода руководством по развитию эмбриона из начального состояния одной клетки до взрослого многоклеточного организма. Всеми этими процессами, как считает П.П. Горяев, и управляет хромосома, которая представляет собой в некотором роде квантовый биокомпьютер.

Недавние исследования подтвердили, что электромагнитные волны и сигналы представляют собой важнейший элемент в обеспечении функционирования ДНК. Частично это функционирование обеспечивается ультрафиолетовым излучением, создающим фотоны, которые, как экспериментально было доказано, способны усилить метаболические реакции в тысячу раз. Другим аспектом здесь является "электромагнитный язык", используемый для коммуникаций между ДНК и клетками. Важный элемент в функционировании ДНК - система передачи информации. Другими словами можно считать, что ДНК - это своего рода "квантомеханический биокомпьютер", работающий на биоволнах.

Однако все эти гипотезы имеют и жестких противников. Квантовая физика и молекулярная биология до недавнего времени развивались как отдельные научные дисциплины. Однако теперь можно говорить о конвергенции квантовой механики и биологии. В результате появилась новая дисциплина - квантовая биология, что исключительно важно для создания квантового биокомпьютера.

Нейрокомпьютеры - это и компьютеры, и роботы, состоящие из биологических компонентов и/или элементов, которые имеются в органических нейронных структурах мозга.

В человеческом мозге происходят постоянные изменения на клеточном уровне, так как в мозг поступает различная информация, которую он кодирует и направляет в память. Человеческий мозг сконструирован природой из сотен миллиардов взаимосвязанных клеток, нейронных и глиальных тканей. Нейроны получают, обрабатывают и передают электрохимические импульсы. Глиальные клетки обеспечивают физическую и электрохимическую поддержку деятельности нейронов. Вместе эти ткани составляют органическую нейронную сеть с примерно триллионом динамичных нейронных связей.

Считается, что память кодируется изменениями в относительной силе электрохимических импульсов и колоссальным количеством связей между нейронами. Некоторые ученые полагают, что не только нейронные структуры мозга меняют паттерны электрохимических импульсов, но и сами паттерны импульсов изменяют нейронные структуры. С точки зрения синергетики это делает мозг гораздо более гибкой и самоорганизующейся системой, чем традиционные компьютеры с использованием кремниевых технологий. С другой стороны, электрохимические процессы на клеточном уровне формируют базовую основу различных функций мозга, что в принципе отличается от процессов, происходящих в современных компьютерах.

В соответствии с существующими научными концепциями нейрокомпьютеры или роботы, смоделированные на основе нейронных сетей, смогут обучаться, приобретать новые знания и функции, которые не были запроектированы их создателями. Они будут способны адаптироваться к изменениям окружающей среды, понимать человеческую речь, жесты, реагировать как на вербальные, так и другие команды человека. Искусственные нейроны будут включать как параллельные, так и резервные компоненты обработки информации. Это позволит им быть более толерантными и гибкими в когнитивных процессах обучения.

Американский ученый Билл Дитто из Технологического института штата Джорджия провел 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. Б. Дитто предполагает использовать результаты своей работы для создания мозга роботов.

При создании нейрокомпьютеров важнейшим элементом будут нейрочипы. Первый в мире нейрочип, который объединил в себе электронные элементы и нейроны, был создан в Германии. Основная проблема в создании нейрочипов - сложность фиксации нервных клеток в соответствующем положении. Дело в том, что когда клетки начинают образовывать взаимные соединения, то они смещаются, а это недопустимо в нейрочипах и, следовательно, в нейрокомпьютерах. Ученым Германии удалось избежать этой ситуации. Взяв нейроны улитки, они закрепили их на кремниевом чипе при помощи микроскопических пластмассовых держателей. В итоге каждая клетка оказалась соединена как с соседними клетками, так и с чипом. Таким образом, им удалось, подавая через биочип электрические импульсы на определенную клетку, управлять всей биосистемой.

Создание нейрокомпьютерных элементов и систем имеет коллосальный потенциал для разработки высоких прорывных технологий XXI в. Нейрочипы позволят создать более совершенные, способные к обучению компьютеры, а также протезы для замены поврежденных участков мозга и высокочувствительные биосенсоры.

Идея создания искусственного интеллекта AI получила наибольший импульс в 1980-е гг. В 1990-е гг. был достигнут определенный успех, связанный с созданием системы Deep Blue, успешно игравшей в шахматы с чемпионом мира Каспаровым. Фактически разработчики AI почти всегда сталкивались с научными аспектами изучения интеллекта и познавательных особенностей мозга человека. Когнитивная наука получила особый импульс развития в последние годы, сделав научные открытия в познании когнитивных функций человека.

В Великобритании в рамках правительственной программы "Форсайт" имеется "Проект когнитивных систем", а также проект "Наука о мозге, зависимость от наркотиков и медикаментов". Одно из форсайтинговых исследований последнего проекта относится, к "лекарственным усилителям" когнитивных способностей здорового человека и лечения больных, страдающих психическими заболеваниями, например шизофренией.

Как считают некоторые эксперты, машины, обладающие сознанием и разумом, требуют наличия в них чувственной системы, так как чувственная информация на входе в машину наряду с памятью и обработкой поступающей информации - важнейший компонент системы, квалифицируемой как "машинное сознание", или "искусственный интеллект". Мозг человека получает сенсорную информацию из внешнего мира, предварительно обрабатывает ее, запоминает, анализирует и принимает решения на основе результатов этого анализа. Предварительная обработка поступившей информации осуществляется в подсознании человека и в значительной степени сенсорными нейронами. Считается, что внутренние сенсорные обратные связи - критический компонент сознания. Можно сказать, что некоторая имитация этой системы уже существует в так называемых CAW-чипах.

В принципе идея искусственного интеллекта базируется на ряде оценок и достижений, связанных с тенденциями развития "прорывных" высоких технологий. Одна из этих тенденций - миниатюризация и доведение до наноуровня компьютерных систем, беспроводных сетей и силовых технологий. Это дает возможность встраивать такие технологии в живые организмы, клетки, бактерии и т.д. В этом случае на уровне живых систем происходит как бы "сдваивание" реального пространства с цифровым, виртуальным.

Одной из таких технологий, содействующих "сдваиванию", станет маркировка товарной продукции, изготовленной по заказу клиента, и идентификация самого заказчика на основе использования радиочастотных идентификаторов, связанных с соответствующей сетью. Практически всему населению, которое является заказчиком той или иной продукции, в перспективе будут вмонтированы соответствующие чипы, соединенные с нервной системой человека, определяющей его потребности, желания и мысли в отношении той или иной продукции и передающей эту информацию разработчикам и производителям.

С другой стороны, наличие связи заказчика с информационной сетью будет давать возможность получать из этой сети интересующую его информацию о продукте, основах его эксплуатации, ремонте и т.д. Таким образом, будет обеспечена прямая и обратная связь в цепочке "наука - технологии - производство - рынок", т.е. в перспективе будет возможна кастомизация или персонализация самого инновационного процесса, создания и использования инновационного продукта или услуги. Вместе с тем реализация такой технологической схемы может привести и к социальным бифуркациям.

Как считают европейские эксперты, наиболее активно развивающаяся область конвергенции технологий - биоинформатика. Как это обычно бывает с инновационными направлениями науки и технологий, особенно на современном этапе инновационного развития конвергированных технологий, границы, определяющие новые научные дисциплины, довольно сильно размыты. Даже понятие "бионформатика" в мировой практике тоже четко не определено и имеет несколько значений: теоретическая биология, вычислительная и математическая биология, биокомпьютеризация и др. В целом биоинформатика использует методы прикладной математики, статистики и информатики. Проблематика искусственного интеллекта имеет прямое отношение к биоинформатике и к так называемой эре геномики.

Как известно, ген - это материальный носитель наследственной информации. В молекулярной биологии установлено, что гены - это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию, например, о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют рост и функционирование организма. Геном - это совокупность всех генов организма, его полный хромосомный набор.

С ростом количества данных уже давно стало невозможным вручную анализировать последовательности ДНК. Поэтому сейчас для поиска по геномам тысяч организмов, состоящих из миллиардов пар нуклеотидов, используются компьютерные программы, которые могут сопоставить похожие последовательности ДНК в геномах разных видов. Другой пример - применение компьютерного анализа для автоматического поиска генов и регуляторных последовательностей в самом геноме. Разработка алгоритмов выявления кодирующих белки участков генома - это важнейшая задача современной биоинформатики.

В последние годы были разработаны генные чипы, предназначенные для идентификации десятков тысяч последовательностей ДНК, имея в виду, что комбинация некоторых типов генов может быть ответственна за появление в организме человека соответствующих наследственных заболеваний. Если один такой чип может быть ответствен за идентификацию порядка 10 тыс. генов, то в целом интерпретация такого массива генной информации организма человека и его обработка потребуют создания искусственного интеллекта. Это связано и с тем, что биологические данные исключительно сложны и их не может осмыслить даже такой мощный аппарат, как мозг человека.

К ИКТ (информационно-коммуникационным технологиям) относится комплекс методов, производственно-технологических процессов и программных средств, объединяемых для сбора, обработки, хранения, распространения, визуализации окружающего мира и знаний, и других форм информации, накопленной человечеством, в интересах конкретных пользователей, таких как индивидуумы, системы управления в промышленности, экономике, в государственном управлении, банковских системах и т.д. Некоторые эксперты считают, что ИКТ - это "термин-зонтик", который интегрирует любое коммуникационное оборудование и его различные формы использования как то радио, телевидение, мобильные телефоны, компьютеры, компьютерные программы, Интернет, компьютерные сети, спутниковые системы, проведение видеоконференций, осуществление видеотелефонных переговоров, дистанционное образование и медицина, электронные библиотеки и пр.

В 1941 г. немецким инженером и "пионером компьютеров" Конрадом Зюссом (1910-1995) был создан цифровой программный, осуществлявший математические расчеты компьютер Zuse3 или Z3. Позднее, в 1950 г. был создан другой, более мощный Z4. Концепция компьютера как счетной машины или мощного арифмометра с большим объемом памяти существовала около 50 лет.

В 1980-е гг. эта концепция компьютера начата меняться. Произошел процесс технологической конвергенции: с компьютером постепенно совместились коммуникационные и медийные технологии. Это был первый, еще "эмбриональный" этап конвергенции высоких технологий, которые затем получат название "прорывных технологий" в политических и других документах.

Что касается упомянутой "расчетной парадигмы" развития компьютеров, то в 1990-е гг. она стала смещаться в сторону сбора, обобщения и анализа информации, а в настоящее время - конвергенции ИКТ. При этом ИКТ напрямую начали связываться с нано- и когнитивными технологиями, образуя комплекс конвергентных NBIC-технологий. Вместе с тем ИКТ приобрели термин "глобальная технология", учитывая не только их широкомасштабное распространение по всей планете, но и то, что ИКТ проникают во все поры экономики и социума. Идет активный процесс формирования "информационной экономики" и "информационного общества" с их спецификой, позитивными и негативными сторонами их применения.

Компьютерные технологии в основе своей хорошо "конвергирующиеся" технологии. Это одна из самых многообещающих инновационных сфер технологической конвергенции и синергии. Уже сейчас имеются идеи и концепции использования биомолекул для вычислительных операций и компьютерной памяти, что приведет к развитию новой науки - бионики и созданию биомолекулярных компьютеров. Имеются идеи создания перспективных квантовых компьютеров, использования в компьютерах ядерного магнитного резонанаса (спинтроники), а также компьютеров на базе ДНК и др. В перспективе в архитектуре молекулярных компьютеров будут использоваться углеродные нанотрубки и полупроводниковые наносоединения.

Значительный вклад в процесс технологической конвергенции внесло создание компьютерных сетей. Они появились еще в 1960-е гг. Однако взрыв создания распределенных компьютерных сетей относится лишь к 1990-м гг., после коммерциализации сети Интернет. Все это иллюстрирует тенденцию продолжения конвергенции информационных технологий с коммуникационными, создав глобальную сеть ИКТ, которая наряду с сетью Интернет, мобильной телефонии включает электронную почту, систему электронной торговли, глобальную банковскую и биржевую электронные системы и т.д. Интернет фактически приобретает черты "информсферы" или того "внешнего", "глобального метамозга", о котором писали известные американские ученые Элвин и Хейди Тоффлер.

Ранее В.И. Вернадский и Тейяр де Шарден ввели термин "ноосфера", или сферы разума. Кроме того, развитие перспективных ИКТ прямо связано с развитием электронной промышленности и в первую очередь с перспективной наноэлектроникой.

В соответствии с законами классической физики нанотехнологическая продукция с размерами менее 50 нм находится под воздействием квантового эффекта, вызывая различные оптические, электрические, магнитные и другие эффекты, отличные от тех, которые свойственны более масштабным размерам этой продукции. Все увеличивающаяся миниатюризация элементной базы ИКТ не может продолжаться бесконечно. При достижении физических пределов "кремниевых транзисторных технологий" будут появляться все новые, перспективные инновационные технологии, используемые в вычислительных системах. Это, прежде всего, три перспективные технологии:

Эти перспективные технологии именно в таком порядке станут появляться на мировых рынках в среднесрочной и долгосрочной перспективе. Углеродные нанотрубки будут представлять собой продолжение и развитие кремниевых технологий, используемых в настоящее время, и базироваться на транзисторной парадигме. По прогнозам исследователей, использование углеродных нанотрубок в нанокомпьютерах начнется еще до 2020 г., в квантовых компьютерах в период 2040-2060 гг., а в молекулярных - с 2050 г.

Вместе с тем первые модели молекулярных компьютеров будут созданы уже к 2030 г. Использование углеродных нанотрубок в компьютерных тоннельных транзисторах FETs (field-effect transistors) станет начальным этапом создания молекулярных компьютеров. Однако чтобы этого добиться, потребуется проведение серьезных НИР и резкое снижение стоимости производства нанотрубок. Некоторые эксперты полагают, что для этих целей могут использоваться фуллереновые структуры (С60).

По прогнозам, к 2017 г. станет возможной кодировка одного бита информации в одном атоме, что даст мощный импульс для создания в перспективе квантовых компьютеров и разработки квантовых алгоритмов для вычислительных систем.

Переход к молекулярным компьютерам и компьютерам, работающим на базе ДНК/РНК, позволит увеличить производительность вычислительных систем по отношению к существующим примерно, в 100 тыс. раз.

Мировая электронная промышленность по производству компьютеров уже сегодня практически работает на наноуровне в границах, измеряемых 90 нм и ниже, а именно порядка 40-30 нм. В лабораторных условиях достигнут уровень даже в 5 нм. Промышленные технологии пока еще не могут освоить такие технологии. Несмотря на то что использование нанотехнологий уменьшит размеры полупроводников, они будут использовать технологии CMOS23 по крайней мере еще лет 10.

Но к 2015-2020 гг. полупроводники уже будут совмещаться с поколением электронного нанооборудования и представлять собой гибридные конвергентные технологии, сочетающие достоинства технологий CMOS с внекристаллическими оптоэлектронными соединениями.

К 2015 г., как считают эксперты фирмы Allianz, в мировой электронной промышленности наметятся две основополагающие тенденции. Первая будет связана с изменением приоритетов при производстве полупроводников. Акцент будет сделан на интеграции потребностей конкретного потребителя и создании бионанооборудования с использованием интегрированных наносистем и ИКТ. Это может иметь место в промышленности продовольственных товаров и строительной промышленности.

Вторая тенденция - использование конвергенции NBIC-технологий в области создания моделей мышления и функционирования мозга человека, что будет уже относиться к разделу когнитивных наук и технологий.

По оценкам экспертов, в период до 2020 г. появятся новые интерфейсы - мультисенсорные, мультимодальные, мультилингвистические и виртуальные интерфейсы, создающие эффект телеприсутствия, интерфейсы "мозг человека - машина" или "мозг - мозг". Создание их потребует конвергенции ИКТ с когнитивными технологиями. Помимо этого будет внедряться мобильное, прикрепленное к одежде и головным уборам человека различное оборудование на основе ИКТ, а также объемные персональные и микродисплеи.

Другая тенденция показывает, что чипы памяти компьютеров становятся все меньше и меньше. По оценкам, к 2015 г. будут созданы идентификаторы, чипы памяти и процессоры, а также коммуникационное оборудование так называемого "ближнего радиуса действия". Их размеры будут меньше клетки кожи человека, которая составляет порядка 10 мкм. Планируется, что эти технологии позволят делать отпечаток этих чипов на коже или размещать их под верхними слоями кожи, создавая электронные приспособления под соответствующие потребности клиента.

Уже сегодня полупроводниковая интегральная схема может быть отпечатана на руке человека, используя для этого струйный принтер. Идея заключается в том, чтобы использовать многоуровневую архитектуру с несколькими электронными компонентами, углубленными в кожу человека. При этом эти компоненты на теле человека могут находиться на постоянной основе и иметь контакты с кровяными капиллярами и нервными окончаниями и другими слоями многоуровневой архитектуры.

Все эти печатные платы на коже могут смываться через какое-то время. Другие чипы могут изготавливаться в заводских условиях на основе тонких полимерных мембран, которые могут временно приклеиваться к коже наподобие детских татуировок. Эти комбинации чипов на коже или под кожей человека могут дать возможность создать систему коммуникаций с друзьями, родственниками, Интернетом, поликлиникой, работой и пр.

Информационно-коммуникационные технологии являются важнейшими технологиями для формирования и развития "общества знаний" XXI в. Совместно с когнитивными технологиями будут сформированы информационные системы, охватывающие весь объем знаний, накопленный человечеством.

Воздействие ИКТ и когнитивных технологий на мозг человека приобретут особую актуальность при формировании глобальной инновационной экономики и глобального инновационного общества.

Есть две области, где ИКТ конвергирует с нейробиологией, - нейроинформатика и нейроинформационные технологии. Нейроинформатика представляет собой область науки, где компьютерные технологии используются для моделирования мозга человека. Нейроинформатика прямо связана с разработкой искусственного интеллекта. Фактически это новая область научной деятельности, которая отличается от традиционной информатики и относится к сфере когнитивных наук. В ЕС имеется целый ряд проектов, связанных с нейроинформатикой в рамках так называемой инициативы "Будущие и появляющиеся технологии". В Интернете создана и финансируется ЕС сеть "нейроинформтехнологии" по междисциплинарным исследованиям в области нейронаук и информационных технологий, в том числе, создания искусственного интеллекта. Таким образом, поддерживается конвергенция по двум основным научно-технологическим направлениям биотехнологий и ИКТ.