Перспективы развития современной науки и техники

5.3. Информационные системы и технологии будущего

В каких же направлениях следует ожидать развития информационных систем и технологий? Именно "направлениях", а не "направлении", так как этих направлений несколько и какие из них превратят опытные образцы техники и программ в промышленные и рыночные продукты, предсказать затруднительно, тем более что не все надежды сбываются.

Правда, есть направления, на которых уже созданы серийно выпускаемые продукты, перспективные в ближайшем будущем. Один из таких продуктов - сетевой компьютер как интеллектуальный терминал корпоративных сетей. Его привлекательность - в дешевизне и простоте, что важно для обычного "юзера". Архитектура сетевого компьютера закрытая, наращивать её с помощью upgrade-технологий возбраняется. Сетевой компьютер содержит монитор, клавиатуру, оперативную память и небольшую внешнюю (долговременную) память для хранения используемых программ. Полное программное обеспечение хранится на сетевом сервере и поставляется на сетевые компьютеры лишь в необходимом (для решения текущих задач) объёме. Дисководов, USB-портов нет, а значит, нет и проблемы инфицирования компьютерными вирусами через съёмные носители. А сервер надёжно защищает корпоративную сеть от вирусов, "троянских коней" и спама, циркулирующих в глобальной Сети.

Сетевой компьютер по стоимости не дороже мобильного телефона и предназначен для узкоспециализированных функций: банковских и кассовых операций, делопроизводства, обучения, коммуникации и других централизованно предписываемых и контролируемых задач. Серверы в такой сети подобны АТС в телефонной сети, а сетевые компьютеры подобны телефонным абонентам. Со временем сетевой компьютер может изменить своё название - "сервисный", "тонкий", "функциональный", "операционный", "корпоративный", "смартфон" и др. Но суть его не изменится.

Другой перспективный "серийный продукт" - операционная система Linux (автор Л. Торвалдс, Финляндия). ОС Linux относится к классу серверных ОС (типа UNIX). Её особенности - "открытый код" (доступность), "безлицензионность" (лицензия не требуется), относительная дешевизна (гораздо дешевле UNIX и Windows). Linux завоёвывает популярность не только как серверная ОС, но и как операционная система для автономных ПК, бытовых и промышленных встроенных информационных систем.

В литературе и Интернете много данных (в том числе, спекулятивно-сенсационного характера) о нейрокомпьютерах, биокомпьютерах, молекулярных и квантовых компьютерах, применениях голографии в информационных системах и др. Авторы этих публикаций утверждают, что в недалёком будущем данные устройства и технологии займут свои ниши в развитии информационных систем и технологий. Будем надеяться. Но сначала разберёмся, что же из себя представляет эта "экзотика" компьютерного мира?

Нейрокомпьютер - это на самом деле электронный компьютер (ЭВМ), имитирующий нейронную сеть человека. Основная особенность нейрокомпьютеров, отличающая их от ЭВМ, - это сам способ решения задач. Если для решения задач в обычных ЭВМ используются программы, то в нейрокомпьютерах решение задачи достигается путём перенастройки нейронной сети за счёт адаптивных формальных нейронов и специальных процедур самоорганизации сети. В этом нейрокомпьютеры близки к аналоговым вычислительным машинам. Подобно последним, нейрокомпьютеры обладают огромным быстродействием, недоступным для обычных цифровых ЭВМ. Внедрению нейрокомпьютеров препятствует отсутствие научно обоснованной теории программирования процессов самоорганизации нейронных сетей.

Известны также попытки создать нейрокомпьютер на базе биологической нейронной сети, состоящей из взаимосвязанных живых нейронов, а не их электронных моделей - формальных нейронов, или в виде гибридов живых и формальных нейронов. Живой нейрон отличается от формального нейрона тем, что первый имеет аналогово-дискретную природу, в то время как второй только дискретен. За счёт этого различия изобретатели нейрокомпьютера с биологической основой ожидают получить выигрыш в качестве решения задач по сравнению с электронными нейрокомпьютерами.

Био- и молекулярные компьютеры - это своеобразные гибриды информационных, молекулярных и биохимических технологий. Так, на базе молекул ДНК, РНК и ферментов был создан ДНК-компьютер (Э. Шапиро, 2001г.). Молекулы фермента выполняли в этом биокомпьютере роль аппаратного обеспечения, а молекулы ДНК - программного обеспечения. При этом в одной пробирке помещалось около триллиона элементарных вычислительных модулей. В результате скорость вычислений достигала миллиарда операций в секунду, а точность вычислений - 99,8% за счет того, что все молекулы ДНК решали единственную задачу параллельно, а не последовательно. Такой компьютер мог решать только самые простые задачи с двумя типами ответов: "истина" и "ложь".

Известны ДНК-компьютеры гибридного типа - молекулярно-электрон-ные. В них между ДНК-молекулами осуществляются специфические химические реакции, обеспечивающие вычисления, а электроника обрабатывает результаты вычислений. Предполагаемая область применения ДНК-компьютеров - медицина, фармацевтика, генная инженерия.

Как известно, в компьютерах (ЭВМ) используется двоичный код. Для изобретателей ДНК-компьютеров биологическим аналогом двоичного кода стало свойство комплементарности (двоичной взаимодополнительности противоположностей) молекул ДНК, РНК и принципов их взаимодействия при белковом синтезе. Комплементарны, например, простота и сложность, лёд и пламень, плюс и минус, истина и ложь, мужское и женское начала, кислота и щёлочь и т.д. В молекуле ДНК комплементарны нуклеотиды в двух спиралях, которые характерны для структуры этой молекулы.

Свойство комплементарности лежит в основе многих внутриклеточных процессов в биологии. Это навело на мысль создать клеточный компьютер. Для клеточного компьютера используются бактерии (микроорганизмы), в геном которых внедряется некая "логическая схема", активизирующаяся в присутствии определённого вещества. Например, для выполнения логической операции "И" в клетку бактерии вводятся два вещества (по сути - входные операнды), под влиянием которых внутриклеточный ген вырабатывает определённый белок. На базе мутированных клеток можно создать и более сложные логические элементы, арифметические "процессоры", а также выполнять параллельные вычисления и т.д.

Биокомпьютеры (ДНК- и клеточные компьютеры) позволяют хранить данные с плотностью, в триллионы раз превышающей плотность хранения данных на оптических дисках, и отличаются чрезвычайно низким энергопотреблением. Они дёшевы в производстве, так как им не нужна столь стерильная атмосфера, как при производстве полупроводниковых чипов. Это, так сказать, "позитив" биокомпьютеров. "Негатив": считывание результатов вычислений затруднительно, они просто могут потеряться, ибо молекулы с течением времени могут распадаться, прилипать к стенкам сосудов, изменять свою структуру; кроме того, биокомпьютеры имеют ограниченную область применения. Но эта область включает и наше здоровье - неизмеримую человеческую ценность. Так почему бы не быть биокомпьютеру, молекулярному компьютеру?! Остаётся надеяться на успех в их разработке и внедрении.

Квантовый компьютер создать непросто. Его основные элементы - атомы, фотоны или специально созданные микроструктуры, хранящие данные в кубитах (квантовых битах). Кубиты должны удовлетворять двум противоречивым требованиям. С одной стороны, они должны быть достаточно изолированы от любых внешних воздействий, которые могут нарушить вычислительный процесс, а с другой - иметь возможность взаимодействовать с другими кубитами в квантовых регистрах. Кроме того, необходимо иметь возможность измерить окончательное состояние кубитов и отразить результаты вычислений. А это не так просто. В качестве одного кубита может использоваться (аппаратно), например, один ион - атом, лишённый части электронов, или любая микрочастица (элементарная частица).

Согласно принципам квантовой механики, подтверждённым экспериментально, ионизированный атом или микрочастица могут одновременно находиться в нескольких местах или нескольких возбуждённых состояниях. Такой квантовый феномен называется суперпозицией (наложением) квантовых состояний и напоминает музыкальный аккорд.

Попытка измерить положение частицы, находящейся в состоянии суперпозиции, приведёт к квантовому коллапсу, при котором частица случайным образом перейдёт в единственное состояние с вероятностью, зависящей от вклада каждого состояния в суперпозицию. В этом и заключается основное различие между квантовым компьютером и обычным. Если считать, что речь идёт всего о двух базовых состояниях (0,1), то в обычном компьютере бит может принимать одно из двух значений 0 или 1 порознь, а в квантовом компьютере кубит находится в состояниях 0 и 1 одновременно. Но базовые состояния кубита - бесконечно малая часть его совокупного множества состояний. Это создаёт предпосылки для истинно параллельных вычислений в квантовых компьютерах (курсы квантовых вычислений уже преподаются во многих университетах мира). Поэтому квантовый компьютер (если он будет реализован!) сможет обладать огромным быстродействием и огромной памятью, что позволит использовать его для решения задач, считающихся сейчас слишком сложными или невыполнимыми даже для современных суперкомпьютеров, например, для обработки информации объёмом в петабайты (1 Пб = 1024 терабайта) и эксабайты (1 Эб = 1024 Пб) на выходе адронного коллайдера и ему подобных устройств и систем.

Микроэлектронные компьютеры и суперкомпьютеры развиваются, в основном, в направлении роста производительности за счёт многоядерности. Так, в обозримом будущем у привычных домашних компьютеров число ядер (микропроцессоров) может вырасти до нескольких десятков, а у суперкомпьютеров - до тысяч-сотен тысяч ядер. Многоядерность способна повысить быстродействие компьютеров за счёт организации параллельных вычислений и многопоточного программирования.

Заметим, что микроминиатюризация в электронике не беспредельна. Микроминиатюризация достигла наноуровня ( м), меньше которого начинают проявляться внутриатомные и квантовые эффекты. Так, радиусы электронных орбит, отнесённые к центру масс атомов, имеют порядок м. Поэтому переход от нанотехнологий к пикотехнологиям ( м) вряд ли возможен в рамках традиционной микроэлектроники. Параллельная обработка временно может дать эффект, но аппаратные ограничения в конце концов потребуют новых решений. В частности, потребуются квантовые компьютеры, а вместе с ними "квантовое мышление", квантовые алгоритмы. Вместо традиционных компьютерных инженеров, программистов и математиков-прикладников потребуются квантовые физики, специалисты по вычислительной химии, квантовому программированию.

Полагаем, назрела необходимость и в модернизации периферийных устройств, в частности, принтеров. Наряду с плоскостными (2D) лазерными и струйными принтерами должны появиться объёмные (3D) принтеры, известные с 90-х гг. ХХ в. (США). Использование тонера и цветных чернил для заправки принтеров становится анахронизмом в век новых всё удешевляющихся полимерных материалов, способных заменить бумагу.

Мы рассмотрели несколько новшеств в области информационных систем и технологий. Но на самом деле их гораздо больше, как в компьютерной сфере, так и в робототехнике. Оптоэлектроника, искусственные зрение, осязание и обоняние, сенсорное управление информационными системами, голографическое кодирование информации, гибридные интеллектуальные системы, гибкие и безлюдные производства, сетевые сообщества, искусственный (виртуальный) субъект, электронная книга, "умная пыль" и другие новшества в той или иной мере уже освоены и используются, правда, в ограниченном объёме (пока!). Мы уверены, что пройдёт не так уж много времени, и нынешние поколения людей будут осваивать новые информационные системы и технологии, во многом не похожие на современные.