Будущее-2002

Наши соотечественники, живущие сегодня на широких просторах бывшей "великой и необъятной" в этом плане и вовсе - сущие дети. Мы радуемся и прыгаем до потолка, получая в свое распоряжение забугорные "штучки" типа сотовых телефонов с SMS или компьютерной телефонии и беспроводных сетей.

Но не надо думать, что россияне в этом плане уникальны. Более 80 процентов всего населения планеты не знают (а многие - и не хотят знать) о последних открытиях и разработках в области информационных технологий. Между тем в этой области сейчас происходит нечто подобное научному скачку начала прошлого века, когда были сделаны фундаментальные открытия в области ядерной физики.

Уже столько было копий сломано в обсуждениях путей развития информатики как науки, что даже как-то и неудобно говорить о ее будущем. Поэтому поговорим не о завтрашнем дне информатики, а о послезавтрашнем, то есть о том, что сегодня существует лишь на бумаге и в виде опытных образцов и моделей. А для того чтобы нам с вами было поинтереснее, вспомним о гадалках, способных по картам определять будущее.

Квантовые компьютеры - теория и практика
Шестерка крестей - долгая дорога...

Родоначальником квантовой информатики сейчас принято называть американского ученого Р.П.Фейнмана, который в 1986 году высказал мысль о возможности создания подобного устройства. Идея состояла в том, чтобы в качестве составных частей компьютера использовать элементарные частицы, способные, как известно, находиться в одном из строго фиксированных состояний (квантов). Один такой квантовый "кирпичик" или частица, способная находится в одном из двух квантовых состояний, называется "кубит" ("q-bit"). Основное отличие подобного компьютера от его "неквантовых" собратьев состоит в том, что набор таких "элементарных" кирпичиков обладает совершенно уникальным свойством. Если происходит воздействие на один из кубитов, то одновременно изменяется состояние и всех остальных, причем по вполне определенным законам.

Все это создает предпосылки для существования и успешной работы суперпроизводительных алгоритмов. К примеру, задача определения простых множителей для любого числа (задача факторизации) имеет вполне определенное математическое решение. Однако количество операций, необходимых для его реализации современным компьютером, экспоненциально возрастает в зависимости от разрядности числа. На факте практической неосуществимости подобных вычислений построен алгоритм шифрования информации по стандарту RSA.

В 1994 г. П.У. Шор создал алгоритм для работы квантового компьютера, который способен решить задачу факторизации за n3 операций, где n - разрядность исходного числа. Можете сравнить сами (например, используя любимые таблицы Брадиса) разницу в количестве операций по "обычному" и "квантовому" варианту. Для тех же, у кого нет под рукой нужной литературы, поясню, что при больших разрядностях исходных чисел выигрыш по времени выполнения операций оказывается просто ошеломляющим!

"Узким" местом квантовых компьютеров является то, что все они по большей части существуют сегодня лишь на бумаге. Основной трудностью построения квантовых приборов является то, что в начале работы необходимо произвести "сброс" всех кубитов в исходное состояние. А произойти это может сегодня лишь при температурах, близких к абсолютному нулю.

И еще - существует целый ряд задач, время решения которых на квантовом компьютере практически не отличается от времени решения на обычном. По словам одного из современных лидеров этого научного направления академика Камиля Ахметовича Валиева, "место квантовых компьютеров в компьютерном мире XXI в. можно определить следующим образом: они не вытесняют, а дополняют существующий компьютерный мир".

Тем не менее, все идет к тому, что в скором времени не только информатика, но и техника и технологии станут квантовыми.

Что же с памятью моей станет
Туз бубей - хорошие известия

Увеличение вычислительной мощности компьютерных систем - это, конечно, просто замечательно. Но в соответствии с известной житейской логикой за все приходится платить. Чем выше быстродействие компьютера, чем выше его потенциальные возможности, тем больший объем так называемой массовой памяти ему необходим. И к тому же, память эта должна быть достаточно быстрой, для того чтобы данные вовремя доставлялись к центральному процессору.

Сегодня специалисты рассматривают две технологии как возможную основу для создания устройств хранения и доступа информации будущего. Это голографическая и молекулярная память.

Область применения технологии оптической лазерной записи изображения до последнего времени ограничивалась только узкоспециальными рамками. Например, исследователям микромира было очень удобно записывать информацию о молекулах не на плоскости, а "в объеме". А кроме этого, голограммы "бытового" применения иногда весьма развлекали обывателя. Плохо только, что на подобные изображения смотреть приходилось только предварительно выбрав наилучший угол падения света.

Словом, долгое время голографию никто не рассматривал как сколь-нибудь полезное для ИТ-техники изобретение.

Однако, нашлись светлые головы из Bell Labs и Almaden Research Center, которые все-таки нашли нужный угол зрения для голографии, и на свет появились устройства голографической компьютерной памяти. При знакомстве с потенциальными характеристиками таких устройств просто захватывает дух.

Судите сами - технология голографической памяти обеспечивает плотность записи информации, равную одному тера(!)-байту на кубический сантиметр. Для сравнения - современные магнитные устройства обеспечивают плотность всего лишь в несколько мегабайт на квадратный сантиметр.

Но это еще не все. Потрясающая плотность записи информации сочетается здесь с высочайшей скоростью доступа к данным, которая достигается за счет того, что данные записываются и считываются параллельно единым блоком. Теоретически тысячи информационных страниц, каждая из которых содержит до миллиона бит, могут быть помещены в устройство размером со стандартный корпус DIP микросхемы.

Но - опять же до практической реализации этой памяти еще далеко. Основная проблема здесь состоит в том, чтобы подобрать подходящий носитель информации, ведь требования к нему очень высокие, а технологические условия изготовления - очень жесткие. И вторая проблема - невозможность использования существующих лазерных светодиодов. Для работы в системах голографической памяти необходимо проектировать новые источники лазерного излучения, обладающие высокой мощностью и излучающие как можно более параллельный пучок.

Исследованием другой технологии создания памяти будущего занимается группа исследователей центра "W.M. Keck Center for Molecular Electronic" под руководством профессора Роберта Р. Бирга (Robert R. Birge). Эти ученые выяснили, что молекулы одной из разновидностей протеина могут, при соответствующих условиях, находиться в одном из двух стабильных состояний. Состояния эти отличаются своими спектрами поглощения, а сама молекула может находиться в одном из состояний стабильно в течение многих лет.

Сегодняшний прототип устройства молекулярной памяти представляет собой сосуд размером 1x1x2 дюйма. С помощью общего для всей системы "страничного" желтого лазера молекулы приводятся в начальное состояние. Для того, чтобы осуществить цикл "записи", используется красный лазер и особая система фокусировки и ориентации луча, предназначенная для записи данных в одну "ячейку". Для стирания информации используются короткие импульсы синего лазера.

По емкости подобное устройство примерно аналогично голографической памяти, а по скорости доступа немного ему уступает, хотя и здесь тоже используется метод параллельной записи и чтения.

Самым главным достоинством молекулярной памяти принято считать то, что она может работать в более широком диапазоне температур, чем традиционная полупроводниковая. Кроме того, сами носители, имеющие совсем небольшие размеры, удобнее хранить - в них практически нет механических частей.

Микросхемы учат себя сами
Девятка пик - измена, обман...

На первый взгляд, идеи Дарвина о естественном отборе ничего общего с компьютером не имеют. Но если хорошенько присмотреться, то можно уловить некое сходство между строками машинного кода и хромосомами. Кроме того, любая информационная система в сущности своей представляет собой упрощенную модель живого организма. Но самое главное сходство состоит в том, что и живые организмы, и компьютерные системы обладают потенциальной возможностью самообучения и самосовершенствования. Правда, для информационных систем в качестве стимулирующего фактора выступает интеллект разработчика и инструменты создания оптимальных алгоритмов. Но в обоих случаях мы имеем дело с закодированной информацией.

В марте 2001 года сетевой журнал NewsObserver сообщил, что британский ученый Адриан Томпсон (Adrian Thompson) из университета Sussex сумел после четырех лет работы создать абсолютно уникальные чипы, способные самостоятельно модифицировать свою структуру. Самое примечательное, что речь идет не о модификации алгоритма работы микросхемы, а об изменении ее "аппаратной" структуры. Метод, созданный ученым, состоит в том, что чипы за считанные наносекунды перебирают свои собственные логические цепочки и выбирают из всего множества возможных конфигураций оптимальную для решения поставленной задачи.

Пока эти микросхемы по заказу ученого изготавливает компания Xilinx, естественно, в штучных экземплярах. Подход к реализации алгоритма достаточно прост. Транзисторы чипов изготавливаются как избыточный массив логических ячеек, каждая из которых может "на лету" изменять свой размер и подключаться к другим ячейкам. Полученная конфигурация записывается во встроенную перепрограммируемую память и используется как "матрица" для работы.

Таким образом, основная "изюминка" новой технологии - в самом алгоритме работы. Именно над ним ученый и работал все эти годы. Результаты оказались просто ошеломляющими. Решая тестовую задачу нахождения различия между двумя звуковыми оттенками, чип построил логическую цепь из ста элементов, из которых только один мог оказаться критическим в работе. Другими словами, ее эффективность оказалась на несколько порядков выше эффективности подобной цепи, которую смогли бы построить люди, использующие известные принципы.

Но самое интересное и странное состоит в том, что никто, в том числе и сам изобретатель, не в состоянии пока объяснить такую высокую эффективность работы. "Похоже, чип прокладывает свою цепь, используя электромагнитные особенности сигнала в соседней ячейке. Но я не знаю, КАК он это делает", - сказал сам изобретатель.

Вот так и появилась проблема, над решением которой первым задумался еще Айзек Азимов, придумавший три закона робототехники. В реальности же получается нечто совершенно удивительное. Техническим специалистам приходится решать для себя философскую проблему - как относиться к устройству, которое высокоэффективно, но чей принцип работы непонятен даже изобретателю.

Вообще говоря, над созданием компьютеров, имитирующих работу нервной системы, трудятся сейчас многие ученые во всем мире. Широкая общественность, обсуждая возможности клонирования, как-то обходит вниманием тот факт, что вскоре могут появиться не клонированные, но искусственные люди. Хотя, конечно, до этого еще очень и очень далеко.

Производство средств производства
Туз крестей - казенный дом

Об этом писал еще классик марксизма - производство средств производства должно идти опережающими темпами. В случае информационной техники средствами производства сегодня стали эти самые маленькие микросхемы или чипы, на основе которых и делаются сегодня все микропроцессорные и другие электронные устройства.

Острейшая конкурентная борьба производителей процессоров привела к тому, что темпы увеличения их производительности сегодня очень высоки - ведущие мировые производители - Intel и AMD удваивают количество транзисторов в них приблизительно каждые 18 месяцев. Аналитики и наблюдатели не раз скептически заявляли, что технологический предел будет достигнут "уже очень скоро". Так было с "технологическим пределом" в 0,25 мкм в начале девяностых, то же самое повторяется с "пределом в 0,13 мкм" и сегодня.

Понятно, что современное производство микросхем - это не кустари-левши, клепающие молотком миниатюрные чипы, норовя при этом на каждой ножке сделать надпись "Made in Taiwan". Автоматизированные линии и заводы по производству микросхем используют сегодня самые прогрессивные методы изготовления кристаллов.

Для того чтобы отодвинуть достижение "технологического предела" на неопределенное время, пару лет назад был создан специальный консорциум, в который вошли Intel, IBM, Motorola и три американские национальные исследовательские лаборатории. И вот, в апреле этого года, наконец, была представлена специальная машина, предназначенная для производства чипов.

Машина, в разработку которой было вложено более 250 миллионов долларов, использует новую технологию ультрафиолетовой литографии для создания ультратонких проводников на кремниевой подложке.

Для наилучшей фокусировки мощных лазеров, первоначально разработанных для военных целей, используются прецизионные зеркала, применяемые для астрономических исследований.

"Технологические пределы миниатюризации чипов были многократно предсказаны в прошлом, - сказал на специальной церемонии старший аналитик исследовательского центра компании MicroDesign Resources Kevin Krewell. - Новая технология способна через четыре года запустить в производство микросхемы с толщиной проводника в 0,07 микрона".

Экстремалы программирования
Король пик - благородные намерения

Как ни парадоксально это звучит, но информационные технологии сегодня - это не только техника и электроника, это еще и люди, на ней работающие. С течением времени многие скептики стали говорить о том, что скоро новый вид человека - "человек компьютерный" - уже не сможет ничего предпринять без помощи компьютера - ни поесть, ни потомство воспроизвести, ни, извините, в туалет сходить.

Однако, в отличие от пессимистически настроеной части мирового населения, современные компьютерщики направляют творческую мысль отнюдь не на облегчение своей тяжелой участи, а даже наоборот - на всемерное увеличение производительности своего труда.

Метод, который разработал англичанин Kent Beck, предлагает для оптимальной организации программистского труда объединяться парами и совместными усилиями активно тестировать, исправлять, анализировать программный код. Группа программирования при этом должна напоминать экипаж самолета. Пилот фокусирует внимание на полете, а навигатор принимает стратегические решения о том, куда двигаться дальше. Такая "парная" работа получала название "экстремального программирования", а люди, ею занимающиеся, соответственно - экстремальными программистами.

Странно, однако, то, что такая технология работы получила широкое признание только в Европе, где компании-производители компьютерной мебели стали даже производить и активно продавать специальные изогнутые столы, за которыми очень удобно сидеть бок о бок у компьютера.

Американцы, которые хоть и умеют считать деньги, не так дальновидны, как их европейские коллеги, да и не так оптимистичны. "Мы ценим преимущества двух программистов перед одним, но полученная таким образом прибыль пока не оправдывает двойных расходов. - говорит Larry Zucker - исполнительный директор департамента ПО компании Dollar Rent A Car Systems. - К тому же теперь я должен опасаться превращения процесса программирования в общественное событие".

Вот тут американцев вполне можно понять. Программирование само по себе является творческим процессом. А какой же творческий человек откажется от обсуждения своих творческих проблем со своими коллегами, особенно если один из них постоянно находится рядом. По крайней мере, в России это, как правило, заканчивается совместным распитием известного программистского напитка.

В Европе же решили эту проблему по-другому. Старший разработчик компании Connextra из Англии Tim MacKinnon говорит: "Теперь процесс программирования похож на то, что вы постоянно чувствуете свою совесть, сидящую около вас".

Космическая Межпланетная Сеть
Десятка бубей - неожиданное свидание...

Ну вот, наконец-то и свершилось то, что было на протяжении последнего десятилетия одним из основных мотивов любого фантастического боевика. Глобальная межгалактическая Сеть теперь вполне может стать реальностью, так как ее прототип не только описан и оформлен в виде идей и протоколов, но и будет реализован на практике примерно к 2003 году.

Речь идет о проекте IPN (InterPlaNetary Internet) - межпланетного Интернета, над которым с 1998 года работают NASA, Jet Propulsion Laboratory, корпорация Mitre, Global Science and Technology и SPARTA. Гениальность идеи проекта в том, что развитие цивилизации Земли за пределы Солнечной системы предлагается осуществлять путем расширения сети коммуникаций.

Проект повторяет путь сегодняшней глобальной Сети. Во-первых, он финансируется агентством DARPA - родоначальником современного Интернета, а во-вторых, среди его отцов-идеологов один из разработчиков протокола TCP/IP Винтон Серф.

Проект был разбит на три этапа. Первая его часть, исследовательская, была завершена, когда несколько недель назад организация, ответственная за разработку и утверждение протоколов и стандартов Интернета, - Internet Engineering Task Force (IETF) - представила предварительные документы (internet-drafts), описывающие структуру межпланетного Интернета.

Основные отличия новой иделогии построения межпланетной Сети связаны с конечностью скорости света. При передаче данных между планетами возникают сложности, немыслимые при работе на Земле. Например, задержка сигнала величиной в несколько суток, делает невозможным повторный запрос потерянной информации. Кроме того, возникают проблемы построения сверхнадежных приемопередатчиков, которые будут способны работать многие годы, полагаясь только на собственные источники питания.

Второй этап проекта, которой планируется закончить во время очередной американской марсианской экспедиции, предусматривает архитектурную проработку IPN и испытание опытного образца коммуникационного устройства, работающего по IPN-протоколам.

А третий этап должен завершиться к 2004 году запуском в космос специальных серверов.

Глобальность проекта просто впечатляет. Если сегодня любой желающий может посмотреть по Сети прямой репортаж о футбольном матче, то в будущем мы сможем наблюдать практически в реальном времени вращение колец Сатурна, или Большое Темное Пятно Нептуна, или, например, обмениваться e-mail со своими знакомыми на орбитальных станциях Марса и Венеры. А там, глядишь, и дойдет дело до прямой доставки замороженных продуктов прямо с Плутона, или аренды выделенных каналов для экстренной связи с филиалом на Луне...

Но давайте будем последовательны в своем стремлении к совершенству. Космические аппарты, транслирующие изображения действующих вулканов на спутниках Урана - это все-таки еще очень и очень дальняя перспектива. Тем не менее, не стоит упускать из виду то, что нашему разуму вполне по силам не только реализация самых смелых идей, но и рождение этих самых идей. Поэтому как только вам в голову пришла бредовая мысль, ну, к примеру, построить воздушный замок, то не спешите ее отбрасывать, а лучше узнайте, а не существует ли чего-либо подобного в сфере информационных технологий.

Сергей Кондращев