Фотоніка, кванти, мозкова мережа. Якими будуть комп'ютери майбутнього

Межа Мура

До початку 1980-х років комп’ютери сприймалися суспільством та фахівцями виключно як обчислювальні машини — громіздкі, дорогі та вимогливі. Наприклад, директор IBM Томас Вотсон якось заявив, що комп’ютери завжди будуть штучним продуктом, а Кен Олсон, президент корпорації DEC, впевнено прогнозував, що на персональні комп’ютери ніколи не буде попиту. Переломним став серпень 1981 року, коли IBM випустила ринку серійну модель комп’ютера PC. Хоча найдешевша версія коштувала понад півтори тисячі доларів, до кінця року було продано 136 тисяч екземплярів. Персональні комп’ютери виявилися затребуваними не лише вченими та інженерами, а й звичайними користувачами.

Спроби випустити серійний персональний комп’ютер робилися і до IBM, але модель PC 5150, яка стала першою по-справжньому масовою, мала переваги, що зумовили розвиток комп’ютерів на десятиліття вперед. По-перше, вона будувалась на принципах «відкритої архітектури», що дозволяє стороннім розробникам створювати різні пристрої, сумісні з комп’ютером. По-друге, вона була досить компактною, щоб поміщатися на стіл. По-третє, разом із комп’ютерами поширювалося програмне забезпечення, затребуване офісними працівниками: текстовий редактор та електронні таблиці. Незабаром з’явилися програми, які працюють із графікою, і перші комп’ютерні ігри, написані спеціально для PC.

Персональні комп’ютери швидко здобули світ, оскільки виявилося, що вони можуть використовуватися майже у будь-якій сфері. Через десять років після появи першої масової моделі PC почали поширюватися електронні мережі, що зв’язують комп’ютери один з одним, – народилося Всесвітнє павутиння. Паралельне використання засобів стільникового зв’язку створило передумови появи смартфонів — мобільних телефонів з начинкою і програмним забезпеченням як у повноцінного комп’ютера. Перший такий пристрій називався Simon, і на ринок його випустила та сама IBM в 1994 році.

Подальший розвиток комп’ютерів було спрямовано на мініатюризацію та зростання продуктивності. Поряд з настільними моделями у побут увійшли ноутбуки, нетбуки, наладонники і планшети. Наразі повноцінний комп’ютер вдалося зменшити до розмірів крупинки солі. У березні 2018 року компанія IBM представила працюючий прототип нового мікрокомп’ютера розміром 1 мм². У ньому коштує кілька сотень тисяч транзисторів, пам’ять SRAM та фотогальванічні осередки для енергопостачання. Зв’язок із зовнішнім світом він підтримує за допомогою пристрою, що поєднує фотодетектор та світлодіод. За характеристиками мікрокомп’ютер можна порівняти з IBM AT 386, тобто на ньому цілком можна запустити першу версію Doom. При цьому собівартість девайсу становить лише 10 центів. Компанія передбачає використовувати його для чіпізації під час створення «розумних» речей.

У 1965 році Гордон Мур, один із засновників компанії Intel, виявив певну закономірність у розвитку мікросхем, на підставі чого пізніше сформулював емпіричний закон, названий його ім’ям: подвоєння числа транзисторів на кристалі інтегральної мікросхеми за збереження вартості відбувається кожні два роки.

Однак нещодавно сам Мур визнав, що закон незабаром перестане діяти, оскільки технологія наближається до фізичної межі, яку неможливо подолати на напівпровідниковій базі. Наприклад, у виробництві нинішнього покоління процесорів Tiger Lake використовується технологія з розміром транзисторів 10 нанометрів; Наступне покоління Meteor Lake, яке передбачають впровадити в 2022 році, буде засноване на технології з роздільною здатністю 7 нанометрів. І подвоєння числа транзисторів після цього, швидше за все, недосяжно, адже розмір транзистора не може бути меншим за кілька десятків атомів (розмір атома кремнію — 0,2 нанометра). Підраховано, що навіть якщо вдасться створити транзистор, що складається з одного електрона, дія закону все одно закінчиться — 2036 року.

Виходить, що протягом ще двох десятків років можлива поява більш мініатюрних та продуктивних комп’ютерів, ніж раніше, але межа вже видно, і настав час починати пошук альтернативних шляхів розвитку.

Будні фотоніки

Одна з можливих альтернатив елементної бази для комп’ютерів – застосування лазерів передачі та обробки інформації. У зв’язку з цим увагу фахівців все сильніше привертає фотоніка аналог електроніки, де замість електронів використовуються фотони, випромінювані лазерами.

Цікаво, що «народилася» фотоніка в Ленінградському державному університеті: 1970 року там було навіть засновано відповідну кафедру — її заснував радянський академік Олександр Теренін. З цього моменту почала розвиватись наукова школа, яка вивела нашу країну у лідери фотоніки. Найбільш відомий пристрій, розроблений на її принципах, – оптоволоконні кабелі, які різко підвищили пропускну спроможність інформаційних каналів.

Сьогодні основні роботи з фотоніки ведуться у російських вишах та Фонді перспективних досліджень; Загалом цим зайнято понад 850 організацій. Наприклад, запущено проект модернізації радіолокаційних засобів для військових. Перехід з електронної на фотонну базу дозволить зменшити габарити радіолокаційних станцій (багатоповерхова будівля перетвориться на невеликий фургон) та підвищить їх ефективність (збільшаться роздільна здатність та стійкість до електромагнітних перешкод). Примітно, що розробники одразу думають і про цивільне застосування цієї технології: компактні радари можна використовувати у швидкісних поїздах та автомобілях для миттєвого виявлення перешкод. Більше того, технологія застосовуватиметься при створенні «розумної» обшивки літаків, завдяки чому весь фюзеляж перетвориться на потужний радіолокатор, що дозволяє пілотам бачити все, що відбувається навколо борту протягом польоту.

Фотоніка розвивається за кількома напрямками. Наймолодші з них, оптоінформатика та радіофотоніка, покликані замінити існуючі комп’ютерні та мережеві технології. Щоб показати переваги, які дає фотоніка в цій галузі, досить згадати, що створений у Московському державному університеті надшвидкий фотонний перемикач дозволяє підняти швидкість передачі інформації по оптоволоконному кабелю до кількох сотень терабіт на секунду (межа для сучасних кабелів — сто терабіт на секунду).

Втім, головне завдання на найближче майбутнє — створення фотонного комп’ютера, який теоретично значно обійде за продуктивністю системи на напівпровідниках. Хоча скептики кажуть, що світловий сигнал менш стійкий, ніж електричний, тому пристрої щодо його перетворення ніколи не зможуть конкурувати з напівпровідниковими транзисторами, має свої унікальні переваги. Наприклад, промінь світла можна розщепити чи розкласти на спектр, використовуючи кожен із «сублучів» в організацію обчислювальної логіки. У фотонних схемах можна застосовувати фотолюмінесцентні речовини, одночасно переводячи обробку інформації до рівня окремих молекул. Приносить користь і затримка сигналу під час проходження світла через складну структуру, що з призм і дзеркал: виявляється, у такий спосіб майже миттєво вирішуються досить складні обчислювальні завдання, потребують величезних витрат часу та енергії під час вирішення звичайних комп’ютерах.

Незважаючи на очевидні плюси, фотоніка поки що розвивається дуже повільно. Ще в 1990-х роках компанія Bell Labs продемонструвала кілька прототипів «оптичного» комп’ютера, але з того часу мало що змінилося. І поки не з’явиться загальний та затребуваний стандарт для обчислювальної фотоніки, дослідження в цій галузі залишаться поодинокими та дорогими.

Мозковий процесор

Ідею посилити людський інтелект за рахунок комп’ютера за аналогією з тим, як електромеханічні пристрої посилюють м’язові дії, першим висловив англійський психіатр Вільям Ешбі в монографії «Введення в кібернетику», виданої 1956 року. Через шість років американський учений Дуглас Енгельбарт, який прославився як винахідник комп’ютерної миші, у доповіді «Доповнення людського інтелекту: концептуальна основа» сформулював поняття екзокортексу — зовнішньої для людини системи обробки інформації. Сьогодні під такою системою розуміють комп’ютери, об’єднані через інтернет, проте сам Енгельбарт мав на увазі технологію, за якої стає можливим прямий обмін інформацією за схемою мозок-комп’ютер. У 1973 році ця технологія отримала свою сучасну назву – нейрокомп’ютерний інтерфейс.

Розвиток нейрокомп’ютерних інтерфейсів йшло двома шляхами: керування поведінкою тварин за допомогою комп’ютера та створення електронних протезів для людей з обмеженими можливостями. 1998 року американський нейролог Філіп Кеннеді, якого називають «батьком кіборгів», вперше імплантував нейрокомп’ютерний інтерфейс у мозок паралізованого ветерана Джонні Рея. Пацієнт отримав можливість керувати мишачим курсором і таким чином спілкуватися із зовнішнім світом, використовуючи різні програми. У 2004 році Кеннеді вжив інтерфейс 16-річному Еріку Ремсі, який втратив здатність говорити, і досяг того, щоб пацієнт зміг вимовити кілька слів через спеціальний декодер. У 2006 році фахівці компанії CNS (Cyberkinetics Neurotechnology Systems) продемонстрували світу Меттью Нейгла – футбольну зірку зі штату Массачусетс, який виявився частково паралізований після бійки. Йому імплантували інтерфейс, який дозволяв не тільки керувати курсором, а й грати в комп’ютерні ігри, перемикати канали телевізора, рухати електромеханічною рукою і так далі. З цього моменту різні види нейрокомп’ютерних інтерфейсів почали завойовувати ринок. Адже пристосовані для інвалідів гаджети можуть використовуватися звичайними людьми.

Найближчим часом очікується поява нового покоління нейроінтерфейсів: у вигляді «розумних» татуювань на вухах та у вигляді нейропилу — надмініатюрних електронних сенсорів, які впроваджуватимуться в судинну оболонку мозку. У міру їхнього поширення розвиватиметься і програмне забезпечення, що здійснює комунікацію, аж до появи «синтетичної» телепатії, коли окремі люди зможуть спілкуватися один з одним без використання мовного апарату.

Без сумніву, використання нейрокомп’ютерних інтерфейсів змінить наш світ сильніше, ніж колись — поява персональних комп’ютерів. Нова технологія знайде застосування у військовій справі та сфері безпеки, у науці та космонавтиці, в медицині та освіті, у маркетингу та розвагах. Згідно з прогнозами футурологів, у найближчому майбутньому сформується і почне повноцінно функціонувати мозок-мережа (brainet, брейнет), що з’єднує за допомогою нейроінтерфейсів мізки людей, вищих тварин та інтелектуальні програми-агенти в найпотужніший органічний комп’ютер, де відбуватиметься обмін знаннями, включаючи підсвідомий.

Футурологи склали навіть дорожню карту переходу від інтернету до брейнету. До 2024 року буде створено робочий прототип мозокмережі, передумовами до появи якого стануть поширення гаджетів із зворотним зв’язком, впровадження технології «доповненої реальності», надходження на ринок серійних біопротезів та екзоскелетів. У той самий час вчені навчаться оцифровувати різні психічні процеси, рахунок чого можна буде зберігати, відтворювати чи продукувати будь-які відчуття. У період з 2025 по 2035 рік брейнет розвиватиметься, знаходячи нові можливості. Соціальні мережі та онлайн-ігри стануть майданчиками для об’єднання у «групові інтелекти». Буде завершено картування мозку та реалізовано переклад «мови» нейронів. Почнуться експерименти зі створення інших варіантів розуму. Пристрої з нейроінтерфейс повністю витіснять колишні засоби зв’язку. Багато професійних видів діяльності будуть неможливі без підключення до мозок-мережі, що сприятиме формуванню нейроспільнот, об’єднаних загальними завданнями чи інтересами. Після 2035 року брейнет захопить усі засоби комунікації, контролюючи та спрямовуючи життя людства.

Можливо, запропонований прогноз надто оптимістичний і воцаріння мозок-мереж виглядатиме якось інакше. Однак не доводиться сумніватися: симбіоз людини з комп’ютером стає все тіснішим, і колись кількість перейде в якість, породивши принципово новий вид обробки інформації.

Трійковий комп’ютер

Всі сучасні комп’ютери побудовані на двійковій логіці – формальній системі, заснованій на двох протилежних твердженнях: істина (логічна 1) і брехня (логічний 0). Однак у будь-яку логіку можна запровадити і додаткові твердження: наприклад, у трійковій логіці додається “невідомо” (або “не визначено”). Здається, що запровадження невизначеності ускладнює створення алгоритмів, тому відмовилися при проектуванні перших універсальних комп’ютерів. І все-таки винятки зустрічаються: у 1959 році співробітники обчислювального центру Московського державного університету побудували під керівництвом Миколи Брусенцова унікальний трійковий комп’ютер, який отримав назву «Сетунь» на честь ріки, що протікає поряд. Після появи серійного зразка Казанський завод математичних машин випустив п’ятдесят комп’ютерів, з яких тридцять використовувалися в радянських університетах. Автори «Сетуні» на основі звичайного двійкового феритодіодного осередку створили її трійковий аналог, робота якого була побудована на двобітному трійковому коді: один трит (так у даному випадку називається одиниця виміру) записувався в два двійкові розряди. «Сетунь» мала явні переваги перед двійковими аналогами: велика щільність запису інформації, значна швидкодія, підвищена захищеність від накопичення помилки. «Сетунь» так і не набула розвитку, проте сучасні вчені визнають, що трійкова логіка ефективніша, тому до неї, можливо, ще повернуться при проектуванні комп’ютерів майбутнього.

Квантовий прорив

Перспективи фотоніки та мозок-мереж вражають, проте значно більше фахівці чекають від впровадження квантового комп’ютера. Його концепція з’явилася приблизно в той же час, коли вчені почали розбиратися в законах, за якими «живе» квантовий світ. Концепцію висунув 1980 року радянський математик Юрій Манін; Через кілька місяців американський фізик Річард Фейнман описав теоретичну модель, а його колега Пол Беніофф вигадав принципи побудови незвичайної обчислювальної машини.

Інформаційний осередок звичайного комп’ютера може одночасно перебувати лише у одному з двох станів — «0» чи «1» (це називається бітом). На відміну від неї, осередок квантового комп’ютера може бути одночасно у всіх станах від «0» до «1», нескінченна сукупність яких називається кубитом (q-бітом, квантовим бітом). Якщо квантовий комп’ютер вдасться побудувати та забезпечити відповідною програмою, то теоретично в ньому можна буде запустити нескінченну кількість паралельних обчислень, отримуючи результат миттєво. Причому складність обчислень ніяк не повинна впливати на швидкодію комп’ютера. Наприклад, встановлено, що 30-кубітний квантовий комп’ютер за потужністю дорівнюватиме суперкомп’ютеру, що працює з продуктивністю 10 терафлопс (10 трильйонів операцій за секунду). Для порівняння: потужність сучасних настільних комп’ютерів вимірюється лише в гігафлопсах (мільярди операцій на секунду).

Вищеописана концепція стала основою експериментальних квантових процесорів канадської компанії D-Wave Systems. Розпочавши роботу в 2007 році, компанія пройшла шлях від прототипу, що містить 16 кубітів (модель Orion) до чіпів з 2000 кубітів (модель D-Wave 2000Q). Свої прототипи квантових процесорів представили IBM, Intel, Google, Гарвардський університет та Об’єднаний квантовий інститут у Меріленді. У нас аналогічні проекти ведуть співробітники Російського квантового центру, Інституту фізики твердого тіла та МДТУ імені Баумана.

“Серцем” квантового комп’ютера служить маленьке алюмінієве кільце. Якщо перевести його в надпровідний стан, воно перетвориться на квантовий об’єкт, струм у якому потече як за годинниковою, так і проти годинникової стрілки, що дозволяє кубіту приймати значення від «0» до «1» в один і той же момент часу. Для цього кільця охолоджують рідким гелієм до температури близької до абсолютного нуля. Потім їх поміщають у тонко налаштоване магнітне поле. Низька температура пригнічує різні перешкоди, що дозволяє спілкуватися з кубитом за допомогою мікрохвиль та зчитувати відповідь. Складність у тому, що за таких умов кубити живуть лише мікросекунди. Але й за цю мить вони встигають прорахувати сотні операцій.

Типовий квантовий комп’ютер виглядає як величезна чорна шафа, що пояснюється необхідністю підтримувати наднизькі температури та спеціальні магнітні поля. Але колись і звичайні комп’ютери займали цілі поверхи. Фахівці стверджують, що зможуть зменшити та здешевити квантові комп’ютери, використовуючи фотоніку, адже фотон — той же квант, який має відповідні властивості. Однак головна проблема не в розмірах, а у витягуванні інформації: у якийсь момент процес квантового обчислення потрібно зупинити, щоб отримати відповідь у вигляді біта — на виході мають бути ті самі звичні «0» або «1».

Проблему дуже образно описав італійський професор Томмасо Каларко — найбільший фахівець із квантових комп’ютерів: «Уявіть собі офіціанта у ресторані. Якщо він ходить повільно, то їжа, напевно, буде доставлена за призначенням. Але в квантових масштабах «повільно» не годиться: воно призведе до декогеренції, тобто порушення зв’язків у квантовій системі, що виникає через вплив довкілля. Така «остигла» система клієнту не підійде, і він попросить гроші назад. Якщо ж йти занадто швидко, точність обчислень сильно впаде і багато посуду опиниться на підлозі. Професійні офіціанти ходять по-іншому: вони прискорюються, йдуть з невеликим нахилом і сповільнюються. Алгоритм, що функціонує за схожим принципом, розробляють для використання в квантовому комп’ютері».

У вирішенні цієї проблеми російські вчені зайняли лідируючі позиції. Скажімо, оптимізаційний алгоритм, що дозволяє підвищити точність результату під час використання квантового комп’ютера, створив видатний вітчизняний математик Вадим Кротов. Італійський професор визначає його досягнення так: «Повернемося до нашого офіціанта. Що ви робите, коли б’єте тарілки? Правильно, повертаєтеся назад у часі, уявляючи, як усе було б, роби ви трохи інакше. Ви проектуєте свої бажання те, що вже зробили. І в новій реальності ви будете обережнішими. Так і алгоритм Кротова постійно «повертає» квантову систему в минуле і показує, що буде за деякого її коригування. Помилка при цьому, звичайно, зменшується».

За допомогою квантової обчислювальної техніки вчені зможуть миттєво розшифровувати геном, точно передбачати погоду і кліматичні зміни, визначати оптимальну аеродинаміку для автомобілів, літаків і ракет, обробляти колосальні масиви даних, виявляючи закономірності в хаосі. Футурологи вважають, що саме через квантовий комп’ютер лежить прямий шлях до створення штучного інтелекту.

Втім, куди цікавіший інший момент. Хоча квантовий комп’ютер — це цифрова система, у своїй фізичній основі це аналоговий прилад, що працює на фундаментальному рівні. Простіше кажучи, це маленька модель Всесвіту. Вивчаючи квантовий комп’ютер, наука пізнає, як «програмується» Всесвіт, як у ньому накопичується і перетворюється природна інформація. Цілком можливо, розібравшись у цих принципах, людство навчиться «програмувати» простір та час. Або навіть створювати нові всесвіти.