Реферат: Технологии будущего
Рефератна тему:
«Технологиибудущего»
Вступление
Будущее можетбыть разным, и путей к нему тоже много, но ни то, ни другое предсказатьневозможно. И все же кое-какие широкие штрихи набросать можно, причем вбольшинстве сценариев прогресс приводит к изменению способа нашего общения,объема информации, с которой нам придется иметь дело, и, возможно, даже нашихприродных способностей.
Технологиямикропроцессоров уже приближается к фундаментальным ограничениям. Следуя законуМура, к 2010–2020 годам размеры транзистора должны уменьшиться до четырех-пятиатомов. Рассматриваются многие альтернативы, но, если они не будут реализованыв массовом производстве, закон Мура перестанет работать. Этот закон (вернее,прогноз соучредителя Intel Гордона Мура) гласит, что плотность транзисторов вмикросхеме удваивается каждые полтора года, и все последние 20 лет онвыполнялся. Если в начале нового столетия пост производительностимикропроцессоров прекратится, в вычислительной технике наступит стагнация. Новозможно, что вместо этого произойдет технологический скачок с тысячекратнымувеличением мощности компьютеров.
Последнийсценарий очень привлекателен. Мало того, что целый ряд технологий получитнеобходимое развитие, разработки в одних областях помогут продвижению других.Инженер Рэй Курцвейл (Ray Kurzweil) называет это «законом взаимного усилениявыгод». Когда в развитии какой-то области происходит скачок, время междуоткрытиями сокращается и предыдущие достижения накладываются на следующие, чтоеще больше ускоряет прогресс.
К технологиям,способным экспоненциально увеличивать обрабатывающую мощность компьютеров,следует отнести молекулярные или атомные технологии; ДНК и другие биологическиематериалы; трехмерные технологии; технологии, основанные на фотонах вместоэлектронов; и наконец, квантовые технологии, в которых используютсяэлементарные частицы. Если на каком-нибудь из этих направлений удастся добитьсяуспеха, то компьютеры могут стать вездесущими. А если таких успешныхнаправлений будет несколько, то они распределятся по разным нишам. Например,квантовые компьютеры будут специализироваться на шифровании и поиске в крупныхмассивах данных, молекулярные – на управлении производственными процессами имикромашинах, а оптические – на средствах связи.
Возможностисовременного производства пока не позволяют наладить недорогое массовоеизготовление подобных устройств. Однако многие ученые уверены в том, чторешение будет найдено. Уже есть свидетельства определенного взаимного усилениявыгод по Курцвейлу. Например, эффективность «генетических чипов» удалосьповысить (а стоимость – понизить) благодаря использованию других чипов,содержащих полмиллиона маленьких зеркал, – первоначально они предназначалисьдля оптических систем связи. Цифровая микрозеркальная система (DigitalMicromirror Device, DMD) от Texas Instruments применялась даже для демонстрациипоследней серии фильма «Звездные войны». Точно так же микромашины (MEMS)изготавливаются с применением технологии травления, разработанной дляпроизводства электронных микросхем. В этих устройствах датчики сочетаются смикроприводами, что позволяет им выполнять физические действия. Возможно даже,что MEMS помогут в создании компьютеров атомных размеров, необходимых дляквантовых вычислений.
В наступающемвеке вычислительная техника сольется не только со средствами связи имашиностроения, но и с биологическими процессами, что откроет такиевозможности, как создание искусственных имплантантов, интеллектуальных тканей,разумных машин, «живых» компьютеров и человеко-машинных гибридов. Если закон Мурапроработает еще 20 лет, уже в 2020 году компьютеры достигнут мощностичеловеческого мозга – 20000000 миллиардов операций в секунду (это 100 млрд.нейронов умножить на 1000 связей одного нейрона и на 200 возбуждений всекунду). А к 2060 году компьютер сравняется по силе разума со всемчеловечеством. Одной вероятности подобной перспективы достаточно, чтобыотбросить любые опасения по поводу применения био- и генной инженерии длярасширения способностей человека.
«Я не верю внаучную фантастику типа «Звездного пути», где через 400 лет люди остаютсяпрежними, – сказал астрофизик Стивен Хокинг, выступая в прошлом году в Беломдоме. – По-моему, человеческая раса и сложность ее ДНК очень скоро начнутменяться».
Однако дляэтого вычислительная техника будущего столетия должна вобрать в себя некоторыеновейшие технологии. Ниже приводится обзор нескольких новых технологий ипроцессов, способных не только обеспечить продолжение действия закона Мура, нои превратить его из линейного в прогрессирующий.
Давайтесовершим маленькую экскурсию и представим себе как будет развиваться будущее,что нового будет в нем, и какие технологии будут властвовать там.
Молекулярныекомпьютеры
Итак, перваянаша остановка будет совершена на остановке Молекулярные компьютеры. Давайте совершимэкскурс в историю…
В 2006 годукомпания Hewlett-Packard объявила о первых успехах в изготовлении компонентов,из которых могут быть построены мощные молекулярные компьютеры. Ученые из HP иКалифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) объявили о том, что имудалось заставить молекулы ротаксана переходить из одного состояния в другое – посуществу, это означает создание молекулярного элемента памяти.
Следующимшагом должно стать изготовление логических ключей, способных выполнять функцииИ, 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 изнеобходимого числа ячеек памяти и логических ключей, создается электроннымспособом. По оценкам ученых HP, подобный компьютер будет в 100 млрд. разэкономичнее современных микропроцессоров, занимая во много раз меньше места.
Кроме того,молекулярные технологии сулят появление микромашин, способных перемещаться иприлагать усилие. Причем для создания таких устройств можно применять дажетрадиционные технологии травления. Когда-нибудь эти микромашины будутсамостоятельно заниматься сборкой компонентов молекулярного или атомногоразмера.
Первые опытыс молекулярными устройствами еще не гарантируют появления таких компьютеров,однако это именно тот путь, который предначертан всей историей предыдущихдостижений. Массовое производство действующего молекулярного компьютера вполнеможет начаться где-нибудь между 2010 и 2015 годами.
Биокомпьютеры
Следующейнашей остановкой будет Биокомпьютеры. Некоторые считают, что разработка такихкомпьютеров должна будет основываться на генетическое инженерии. Давайтепосмотрим, так ли это?
Применение ввычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшитькомпьютеры до размеров живой клетки. Пока эта чашка Петри, наполненнаяспиралями ДНК, или нейроны, взятые у пиявки и подсоединенные к электрическимпроводам. По существу, наши собственные клетки – это не что иное, как биомашинымолекулярного размера, а примером биокомпьютера, конечно, служит наш мозг.
Ихуд Шапироиз Вейцманоского института естественных наук соорудил пластмассовую модельбиологического компьютера высотой 30 см. Если бы это устройство состоялоиз настоящих биологических молекул, его размер был бы равен размеру одного изкомпонентов клетки – 0,000025 мм. По мнению Шапиро, современные достиженияв области сборки молекул позволяют создавать устройства клеточного размера,которое можно применять для биомониторинга.
Болеетрадиционные ДНК-компьютеры в настоящее время используются для расшифровкигенома живых существ. Пробы ДНК применяются для определения характеристикдругого генетического материала: благодаря правилам спаривания спиралей ДНК,можно определить возможное расположение четырех базовых аминокислот (A, C, T иG).
Чтобы даватьполезную информацию, цепочки ДНК должны содержать по одному базовому элементу.Это достигается при помощи луча света и маски. Для получения ответа на тот илииной вопрос, относящийся к геному, может потребоваться до 80 масок, при помощикоторых создается специальный чип стоимостью более 12 тыс. дол. Здесь-то ипригодилась микросхема DMD от Texas Instruments: ее микрозеркала, направляясвет, исключают потребность в масках.
Билл Дитто изТехнологического института штата Джорджия провел интересный эксперимент,подсоединив микродатчики к нескольким нейронам пиявки. Он обнаружил, что взависимости от входного сигнала нейроны образуют новые взаимосвязи. Вероятно, биологическиекомпьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, в отличие от кремниевыхустройств, смогут искать нужные решения посредством самопрограммирования. Диттонамерен использовать результаты своей работы для создания мозга роботовбудущего.
Оптическиекомпьютеры
Следующаяостановка мне кажется интересней и более приближенной к реальности, чем другие.Чем? Давайте разберемся…
По сравнениюс тем, что обещают молекулярные или биологические компьютеры, оптические ПКмогут показаться не очень впечатляющими. Однако ввиду того, что оптоволокностало предпочтительным материалом для широкополосной связи, всем традиционнымкремниевым устройствам, чтобы передать информацию на расстояние несколькихмиль, приходится каждый раз преобразовывать электрические сигналы в световые иобратно.
Эти операцииможно упростить, если заменить электронные компоненты чисто оптическими.Первыми станут оптические повторители и усилители оптоволоконных линий дальнейсвязи, которые позволят сохранять сигнал в световой форме при передаче черезвсе океаны и континенты. Со временем и сами компьютеры перейдут на оптическуюоснову, хотя первые модели, по-видимому, будут представлять собой гибриды сприменением света и электричества. Оптический компьютер может быть меньшеэлектрического, так как оптоволокно значительно тоньше (и быстрее) по сравнениюс сопоставимыми по ширине полосы пропускания электрическими проводниками. Посуществу, применение электронных коммутаторов ограничивает быстродействие сетейпримерно 50 Гбит/с.
Чтобы достичьтерабитных скоростей потребуются оптические коммутаторы (уже есть опытныеобразцы). Это объясняет, почему в телекоммуникациях побеждает оптоволокно: онодает тысячекратное увеличение пропускной способности, причеммультиплексирование позволяет повысить ее еще больше. Инженеры пропускают пооптоволокну все больше и больше коротковолновых световых лучей. В последнеевремя для управления ими применяются чипы типа TI DMD с сотнями тысячмикрозеркал. Если первые трансатлантические медные кабели позволяли передаватьвсего 2500 Кбит/с, то первое поколение оптоволоконных кабелей – уже 280 Мбит/с.Кабель, проложенный сейчас, имеет теоретический предел пропускной способности в10 Гбит/с на один световой луч определенной длины волны в одном оптическомволокне.
Целиком оптическиекомпьютеры появятся через десятилетия, но работа в этом направлении идет сразуна нескольких фронтах. Например, ученые из университета Торонто создалимолекулы жидких кристаллов, управляющие светом в фотонном кристалле на базекремния. Они считают возможным создание оптических ключей и проводников,способных выполнять все функции электронных компьютеров.
Однако преждечем оптические компьютеры станут массовым продуктом, на оптические компоненты,вероятно, перейдет вся система связи – вплоть до «последней мили» на участке додома или офиса. В ближайшие 10 лет оптические коммутаторы, повторители,усилители и кабели заменят электрические компоненты.
Квантовыекомпьютеры
Дальше мыперейдем в область фантастики. Многие фантасты много лет назад писали проквантовые компьютеры. Но на мой взгляд, фантасты тогда имели мало представленияо том что же это такое. Давайте ознакомимся с технологией, и поймем – что жеэто за зверь квантовый такой?
Итак, квантовыйкомпьютер будет состоять из компонентов субатомного размера и работать попринципам квантовой механики. Квантовый мир – очень странное место, в которомобъекты могут занимать два разных положения одновременно. Но именно этастранность и открывает новые возможности.
Например,один квантовый бит может принимать несколько значений одновременно, то естьнаходиться сразу в состояниях «включено», «выключено» и в переходном состоянии.32 таких бита, называемых q-битами, могут образовать свыше 4 млрд комбинаций – вотистинный пример массово-паралельного компьютера. Однако, чтобы q-биты работалив квантовом устройстве, они должны взаимодействовать между собой. Пока ученымудалось связать друг с другом только три электрона.
Уже естьнесколько действующих квантовых компонентов – как запоминающих, так илогических. Теоретически квантовые компьютеры могут состоять из атомов,молекул, атомных частиц или «псевдоатомов». Последний представляет собой четыреквантовых ячейки на кремниевой подложке, образующих квадрат, причем в каждойтакой ячейке может находиться по электрону. Когда присутствуют два электрона,силы отталкивания заставляют их размещаться по диагонали. Одна диагональсоответствует логической «1», а вторая – «0». Ряд таких ячеек может служитьпроводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать предыдущие всоседние ячейки. Компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуетсянепрерывная подача энергии. Однажды занесенные в него электроны больше непокинут систему.
Теоретикиутверждают, что компьютер, построенный на принципах квантовой механики, будетдавать точные ответы, исключая возможность ошибки. Так как в основе квантовыхвычислений лежат вероятностные законы, каждый q-бит на самом деле представляетсобой и «1», и «0» с разной степенью вероятности. В результате действия этихзаконов менее вероятные (неправильные) значения практически исключаются.
Насколькоблизко люди подошли к действующему квантовому компьютеру? Прежде всегонеобходимо создать элементы проводников, памяти и логики. Кроме того, этипростые элементы нужно заставить взаимодействовать друг с другом. Наконец,нужно встроить узлы в полноценные функциональные чипы и научиться тиражироватьих. По оценкам ученных, прототипы таких компьютеров могут появиться уже в 2010году, а в 2015–2020 годах должно начаться их массовое производство.
Искусственныйинтеллект
Ну а теперьдовольно интересная, на мой взгляд, тема. Она затрагивает множество отраслей. Вэтой точке, как в фокусе, сконцентрированы наибольшие усилия кибернетиков,философов, лингвистов, психологов, математиков и инженеров. Еще Айзек Азимовписал… Ну да ладно, обо всем по порядку…
Понятиеискусственный интеллект, как впрочем и просто интеллект, весьма расплывчаты.Если обобщить все сказанное за последние тридцать лет, то оказывается, чточеловек просто хочет создать себе подобного в той или иной форме, хочет, чтобыкакие-то действия выполнялись более рационально, с меньшими затратами времени иэнергии. С конца 40-х годов ученые все большего числа университетских ипромышленных исследовательских лабораторий устремились к дерзкой цели:построение компьютеров, действующих таким образом, что по результатам работы ихневозможно было бы отличить от человеческого разума. В последнее времянаблюдается возрастание интереса к искусственному интеллекту, вызванноеповышением требований к информационным системам. Умнеет программноеобеспечение, умнеет бытовая техника. Мы неуклонно движемся к новойинформационной революции, сравнимой по масштабам с развитием Интернета, имякоторой – искусственный интеллект.
Искусственныйинтеллект является сейчас «горячей точкой» научных исследований. Именно здесьрешаются многие коренные вопросы, связанные с путями развития научной мысли, своздействием достижений в области вычислительной техники и робототехники на жизнь будущих поколений людей. Преждевсего, необходимо понять механизмы процесса обучения, природу языка ичувственного восприятия. Выяснилось, что для создания машин, имитирующих работучеловеческого мозга, требуется разобраться в том, как действуют миллиарды его взаимосвязанныхнейронов. И тогда многие исследователи пришли к выводу, что, пожалуй, самаятрудная проблема, стоящая перед современной наукой – познание процессовфункционирования человеческого разума, а не просто имитация его работы. Чтонепосредственно затрагивало фундаментальные теоретические проблемыпсихологической науки.
В самом деле,ученым трудно даже прийти к единой точке зрения относительно самого предмета ихисследований – интеллекта. Некоторые считают, что интеллект – умение решатьсложные задачи; другие рассматривают его как способность к обучению, обобщениюи аналогиям; третьи – как возможность взаимодействия с внешним миром путемобщения, восприятия и осознания воспринятого. Тем не менее, многиеисследователи ИИ склонны принять тест машинного интеллекта, предложенный вначале 50-х годов выдающимся английским математиком и специалистом повычислительной технике Аланом Тьюрингом. «Компьютер можно считать разумным, –утверждал Тьюринг, – если он способен заставить нас поверить, что мы имеем делоне с машиной, а с человеком».
В настоящеевремя различают два основных подхода к моделированию искусственного интеллекта(AI – artificial intelligence): машинный интеллект, заключающийся в строгомзадании результата функционирования, и искусственный разум, направленный намоделирование внутренней структуры системы. Разделение работ по искусственномуинтеллекту на два направления связано с существованием двух точек зрения навопрос, каким образом строить системы искусственного интеллекта.
Сторонникиодной точки зрения убеждены, что «важнее всего результат», т.е. хорошеесовпадение поведения искусственно созданных и естественных интеллектуальныхсистем, а что касается внутренних механизмов формирования поведения, торазработчик искусственного интеллекта вовсе не должен копировать или дажеучитывать особенности естественных, живых аналогов.
Другая точказрения состоит в том, что именно изучение механизмов естественного мышления ианализ данных о способах формирования разумного поведения человека могутсоздать основу для построения систем искусственного интеллекта, причемпостроение это должно осуществляться прежде всего как моделирование,воспроизведение техническими средствами принципов и конкретных особенностейфункционирования биологических объектов.
Первое направление,таким образом, рассматривает продукт интеллектуальной деятельности человека,изучает его структуру, и стремится воспроизвести этот продукт средствамисовременной техники. Основные результаты заключаются в создании экспертныхсистем, систем разбора естественного языка и простейших систем управления вида«стимул-реакция». Ясно, что успехи этого направления искусственного интеллектаоказываются тесно связанны с развитием возможностей ЭВМ и искусствапрограммирования, то есть с тем комплексом научно-технических исследований,которые часто называют компьютерными науками.
Второенаправление искусственного интеллекта рассматривает данные онейрофизиологических и психологических механизмах интеллектуальной деятельностии, в более широком плане, разумного поведения человека. Оно стремитьсявоспроизвести эти механизмы с помощью тех или иных технических устройств, с темчтобы «поведение» таких устройств хорошо совпадало с поведением человека вопределенных, заранее задаваемых пределах. Развитие этого направления тесносвязано с успехами наук о человеке. Для него характерно стремление квоспроизведению более широкого, чем в машинном интеллекте, спектра проявленийразумной деятельности человека.
Системыискусственного разума базируются на математической интерпретации деятельностинервной системы во главе с мозгом человека и реализуются в виде нейроподобныхсетей на базе нейроподобного элемента – аналога нейрона.
Нейроподобныесети в последнее время являются одним из самых перспективных направлений вобласти искусственного интеллекта и постепенно входят в бытность людей вшироком спектре деятельности./>
Нейронныесети
Что такоеискусственные нейронные сети? Что они могут делать? Как они работают? Как ихможно использовать? Эти и множество подобных вопросов задают специалисты изразных областей.
Что же такоенейронная сеть? Это искусственный аналог биологической сети, по своимпараметрам максимально приближающийся к оригиналу. Нейронные сети прошлидлинный путь становления и развития, от полного отрицания возможности ихприменения до воплощения во многие сферы деятельности человека.
Современныецифровые вычислительные машины способны с высоким быстродействием и точностьюрешать формализованные задачи с вполне определенными данными по заранее известнымалгоритмам. Однако в тех случаях, когда задача не поддается формализации, авходные данные неполны, зашумлены или противоречивы, применение традиционныхкомпьютеров становится неэффективным. Альтернативой им становятсяспециализированные компьютеры, реализующие нетрадиционные нейросетевыетехнологии. Сильной стороной этих комплексов является нестандартный характеробработки информации. Она кодируется и запоминается не в отдельных ячейкахпамяти, а в распределении связей между нейронами и в их силе, поэтому состояниекаждого отдельного нейрона определяется состоянием многих других нейронов,связанных с ним.
Следовательно,потеря одной или нескольких связей не оказывает существенного влияния нарезультат работы системы в целом, что обеспечивает ее высокую надежность.Высокая «естественная» помехоустойчивость и функциональная надежность касаютсякак искаженных (зашумленных) потоков информации, так и в смысле отказовотдельных процессорных элементов. Этим обеспечиваются высокая оперативность идостоверность обработки информации, а простая дообучаемость и переобучаемостьнейронных сетей позволяет при изменении внешних факторов своевременноосуществлять переход на новые виды решаемых задач.
Приведенныевыше преимущества нейросетевой обработки данных определяют области применениянейронных сетей:
· обработкаи анализ изображений;
· распознаваниеречи независимо от диктора, перевод;
· обработкавысокоскоростных цифровых потоков;
· автоматизированнаясистема быстрого поиска информации;
· классификацияинформации в реальном масштабе времени;
· планированиеприменения сил и средств в больших масштабах;
· решениетрудоемких задач оптимизации;
· адаптивноеуправление и предсказание.
Отдельныенейроны, соединяясь между собой, образуют новое качество, которое, в зависимостиот характера межнейронных соединений, имеет различные уровни биологическогомоделирования:
· группанейронов;
· нейроннаясеть;
· нервнаясистема;
· мыслительнаядеятельность;
· мозг.
Другимисловами, нейронная сеть – это параллельная связная сеть простых адаптивныхэлементов, которая взаимодействует с объектами реального мира аналогичнобиологической нервной системе.
Заключение
Давайтеподведем итог нашей «экскурсии». Начнем с более понятного… Термин «квантовыйскачок» означает, что в квантовом мире изменения происходят скачками. Похоже,что где-то около 2020 года, если не раньше, подобный скачок произойдет и ввычислительной технике: к тому времени мы перейдем от традиционных кремниевыхполупроводников к более совершенным технологиям.
Результатомстанут намного более компактные, быстродействующие и дешевые компьютеры.Появится возможность наделять любые промышленные продукты определеннымиинтеллектуальными и коммуникационными способностями. Банка кока-колы помещеннаяв холодильник, на самом деле будет саморегистрироваться в его сети; предметы – автоматическиупорядочиваться. Каждый человек ежесекундно будет пользоваться Сетью, хотя забольшинством обращений к нему будут следить специальные устройства,автоматически отвечая на вызовы или переадресовывая их в службу передачисообщений.
К 2030 годуможет начаться распространение вживленных устройств с прямым доступом кнейронам. Ближе к середине столетия в мире киберпространства будут царитьмикро- и наноустройства (интеллектуальная пыль). К тому времени Интернет будетпредставлять собой отображение всего реального мира. Представьте себе мир,окутанный беспроводной сетью данных, по которой путешествуют огромные объемыинформации. Тогда такие фантастические и мистические явления, как телепатия ителекинез, станут самым простым проявлением Всемирной сети. Грубо говоря,телепатия будет выглядеть как сгенерированная вашими нейронами информация,путешествуя в пакетах к другим нейронам для расшифровки.
Почти какпротокол TCP/IP сегодня. А телекинез (передвижение мыслью физических объектов)будут производить наноустройства, активированные вашей мысленной командой.Простейшие устройства, реагирующие на мысленные команды, существуют уже исегодня. Хотя к тому времени вам вряд ли захочется передвигать реальные объекты,если возможно будет просто переместить их цифровые копии. Без шлемоввиртуальной реальности можно будет совершить полноценный круиз в любой уголокземного шара, не покидая своей квартиры. Мысленно можно будет вызвать цифровуюпроекцию любого места, причем события в нем будут отображаться в реальномвремени. Или наоборот, спроецировать себя, в любую точку нашей планеты. Такимобразом, грань между кибер- и реальным пространством исчезнет.
Набиологическом фронте исследования в области клетки приближают возможностьзамены тканей или органов, включая нейроны, которые раньше считалисьнезаменимыми. Более того, клетки и ткани можно будет наделять способностямиобработки и передачи данных. Подобный контроль над живыми процессами даетнадежду на увеличение продолжительности жизни: ученые не видят принципиальныхпрепятствий к тому, чтобы люди жили по несколько сотен лет.
К концу 21-говека, благодаря достижениям генной инженерии в сочетании с биоинженернымитканями и имплантантами, люди станут совсем не похожими на современных. Пока неясно, какой процент населения пожелает принять участие в подобныхусовершенствованиях, но отказавшиеся рискуют остаться сторонними наблюдателями,следя с обочины за тем, как люди, развитые биоинженерными методами, гигантскимишагами устремляются вперед рука об руку с разумными машинами. Могу себепредставить, как в какой-то момент человечество разделится на два лагеря, будутсоциальные волнения, но прогресс не остановить. Если все это будет происходить,как прогнозируется, годах в 2050-х, то, как вы думаете, кто будет самойконсервативной частью общества? Правильно – нынешняя молодежь, правда, к томувремени немного постаревшая. Примерно, как сейчас бабушки и дедушки недоверчивокосятся на коробчатые компьютеры, так же будущее старшее поколение будетнедоверчиво смотреть на своих детей, получающих биологические имплантанты прирождении и общающихся не открывая рта.