Компьютеры будущего: фотоника, кванты, мозговая сеть

Предел Мура

До начала 1980-х годов компьютеры воспринимались обществом и специалистами исключительно как вычислительные машины — громоздкие, дорогие и требовательные. Например, директор IBM Томас Уотсон как-то заявил, что компьютеры всегда будут штучным продуктом, а Кен Олсон, президент корпорации DEC, уверенно прогнозировал, что на персональные компьютеры никогда не будет спроса. Переломным стал август 1981 года, когда IBM выпустила на рынок серийную модель компьютера PC. Хотя самая дешёвая версия стоила больше полутора тысяч долларов, до конца года было продано 136 тысяч экземпляров. Персональные компьютеры оказались востребованы не только учёными и инженерами, но и обычными пользователями.

Попытки выпустить серийный персональный компьютер предпринимались и до IBM, но модель PC 5150, которая стала первой по-настоящему массовой, обладала преимуществами, предопределившими развитие компьютеров на десятилетия вперёд. Во-первых, она строилась на принципах «открытой архитектуры», позволяющей сторонним разработчикам создавать различные устройства, совместимые с компьютером. Во-вторых, она была достаточно компактна, чтобы помещаться на стол. В-третьих, вместе с компьютерами распространялось программное обеспечение, востребованное офисными работниками: текстовый редактор и электронные таблицы. Вскоре появились программы, работающие с графикой, и первые компьютерные игры, написанные специально для PC.

Персональные компьютеры быстро завоевали мир, поскольку оказалось, что они могут использоваться почти в любой сфере. Через десять лет после появления первой массовой модели PC начали распространятся электронные сети, связывающие компьютеры друг с другом, — родилась Всемирная паутина. Параллельное внедрение средств сотовой связи создало предпосылки для появления смартфонов — мобильных телефонов с начинкой и программным обеспечением как у полноценного компьютера. Первое такое устройство называлось Simon, и на рынок его выпустила всё та же IBM в 1994 году.

Дальнейшее развитие компьютеров было направлено на миниатюризацию и рост производительности. Наряду с настольными моделями в обиход вошли ноутбуки, нетбуки, наладонники и планшеты. В настоящее время полноценный компьютер удалось уменьшить до размеров крупинки соли. В марте 2018 года компания IBM представила работающий прототип нового микрокомпьютера размером 1 мм². В нём стоит несколько сотен тысяч транзисторов, память SRAM и фотогальванические ячейки для энергоснабжения. Связь с внешним миром он поддерживает с помощью устройства, совмещающего фотодетектор и светодиод. По характеристикам микрокомпьютер сопоставим с IBM AT 386, то есть на нём вполне можно запустить первую версию Doom. При этом себестоимость девайса составляет всего 10 центов. Компания предполагает использовать его для чипизации при создании «умных» вещей.

В 1965 году Гордон Мур, один из основателей компании Intel, обнаружил определённую закономерность в развитии микросхем, на основании чего позднее сформулировал эмпирический закон, названный его именем: удвоение числа транзисторов на кристалле интегральной микросхемы при сохранении стоимости происходит каждые два года.

Для пояснения закона Мура сформулирована необычная аналогия: если бы авиапромышленность последнюю четверть века развивалась так же, как вычислительная техника, то сейчас «Боинг-767» стоил бы пятьсот долларов и облетал земной шар за двадцать минут, затрачивая не больше двадцати литров керосина.

Однако недавно сам Мур признал, что закон скоро перестанет действовать, поскольку технология приближается к физическому пределу, который нереально преодолеть на полупроводниковой базе. Например, при производстве нынешнего поколения процессоров Tiger Lake используется технология с размером транзисторов 10 нанометров; следующее поколение Meteor Lake, которое предполагают внедрить в 2022 году, будет основано на технологии с разрешением 7 нанометров. И удвоение числа транзисторов после этого, скорее всего, недостижимо, ведь размер транзистора не может быть меньше нескольких десятков атомов (размер атома кремния — 0,2 нанометра). Подсчитано, что даже если удастся создать транзистор, состоящий из одного электрона, то действие закона всё равно закончится — в 2036 году.

Получается, что в течение ещё двух десятков лет возможно появление более миниатюрных и производительных компьютеров, чем раньше, но предел уже виден, и пора начинать поиск альтернативных путей развития.

Будни фотоники

Одна из возможных альтернатив элементной базы для компьютеров — применение лазеров для передачи и обработки информации. В связи с этим внимание специалистов всё сильнее привлекает фотоника — аналог электроники, где вместо электронов используются фотоны, излучаемые лазерами.

Интересно, что «родилась» фотоника в Ленинградском государственном университете: в 1970 году там была даже учреждена соответствующая кафедра — её основал советский академик Александр Теренин. С этого момента начала развиваться научная школа, которая вывела нашу страну в лидеры фотоники. Наиболее известное устройство, разработанное на её принципах, — оптоволоконные кабели, которые резко повысили пропускную способность информационных каналов.

Сегодня основные работы по фотонике ведутся в российских вузах и Фонде перспективных исследований; всего этим занято свыше 850 организаций. Например, запущен проект модернизации радиолокационных средств для военных. Переход с электронной на фотонную базу позволит уменьшить габариты радиолокационных станций (многоэтажное здание превратится в небольшой фургон) и повысить их эффективность (увеличатся разрешающая способность и устойчивость к электромагнитным помехам). Примечательно, что разработчики сразу думают и о гражданском применении этой технологии: компактные радары можно использовать в скоростных поездах и автомобилях для мгновенного обнаружения препятствий. Больше того, технология будет применяться при создании «умной» обшивки самолётов, благодаря чему весь фюзеляж превратится в мощный радиолокатор, позволяющий пилотам видеть всё, что происходит вокруг «борта» в течение полёта.

Фотоника развивается по нескольким направлениям. Самые молодые из них, оптоинформатика и радиофотоника, призваны заменить существующие компьютерные и сетевые технологии. Чтобы показать преимущества, которые даёт фотоника в этой области, достаточно упомянуть, что созданный в Московском государственном университете сверхбыстрый фотонный переключатель позволяет поднять скорость передачи информации по оптоволоконному кабелю до нескольких сотен терабит в секунду (предел для современных кабелей — сто терабит в секунду).

Внедрение фотонных коммуникаций позволит, помимо прочего, вдвое снизить энергозатраты и, соответственно, стоимость систем хранения данных. Например, в США дата-центры уже потребляют 2% от всей производимой в стране энергии, поэтому экономия при переходе на новую технологию будет существенной. Перейти с электроники на фотонику планируют компании, располагающие крупнейшими дата-центрами в мире: Amazon, Apple, Facebook и Google.

Впрочем, главная задача на ближайшее будущее — создание фотонного компьютера, который в теории значительно обойдёт по производительности системы на полупроводниках. Хотя скептики говорят, что световой сигнал менее устойчив, чем электрический, поэтому устройства по его преобразованию никогда не смогут конкурировать с полупроводниковыми транзисторами, у него есть свои уникальные преимущества. Например, луч света можно расщепить или разложить на спектр, используя каждый из «сублучей» для организации вычислительной логики. В фотонных схемах можно применять фотолюминесцентные вещества, сразу переводя обработку информации на уровень отдельных молекул. Приносит пользу и задержка сигнала при прохождении света через сложную структуру, состоящую из призм и зеркал: оказывается, таким способом почти мгновенно решаются довольно сложные вычислительные задачи, требующие огромных затрат времени и энергии при решении на обычных компьютерах.

Несмотря на очевидные плюсы, фотоника пока развивается очень медленно. Ещё в 1990-е годы компания Bell Labs продемонстрировала несколько прототипов «оптического» компьютера, но с тех пор мало что изменилось. И пока не появится общий и востребованный стандарт для вычислительной фотоники, исследования в этой области останутся единичными и дорогостоящими.

Мозговой процессор

Идею усилить человеческий интеллект за счёт компьютера по аналогии с тем, как электромеханические приспособления усиливают мускульные действия, первым высказал английский психиатр Уильям Эшби в монографии «Введение в кибернетику», изданной в 1956 году. Через шесть лет американский учёный Дуглас Энгельбарт, прославившийся как изобретатель компьютерной мыши, в докладе «Дополнение человеческого интеллекта: концептуальная основа» сформулировал понятие экзокортекса — внешней для человека системы обработки информации. Сегодня под такой системой понимают компьютеры, объединённые через интернет, однако сам Энгельбарт имел в виду технологию, при которой становится возможным прямой обмен информацией по схеме мозг-компьютер. В 1973 году эта технология получила своё современное название — нейрокомпьютерный интерфейс.

Развитие нейрокомпьютерных интерфейсов шло двумя путями: управление поведением животных с помощью компьютера и создание электронных протезов для людей с ограниченными возможностями. В 1998 году американский нейролог Филипп Кеннеди, которого называют «отцом киборгов», впервые имплантировал нейрокомпьютерный интерфейс в мозг парализованного ветерана Джонни Рэя. Пациент получил возможность управлять мышиным курсором и таким образом общаться с внешним миром, используя различные программы. В 2004 году Кеннеди вживил интерфейс 16-летнему Эрику Рэмси, утратившему способность говорить, и добился того, чтобы пациент смог произнести несколько слов через специальный декодер. В 2006 году специалисты компании CNS (Cyberkinetics Neurotechnology Systems) продемонстрировали миру Мэттью Нейгла — футбольную звезду из штата Массачусетс, который оказался частично парализован после драки. Ему имплантировали интерфейс, который позволял не только управлять курсором, но и играть в компьютерные игры, переключать каналы телевизора, шевелить электромеханической рукой и так далее. С этого момента различные виды нейрокомпьютерных интерфейсов начали завоёвывать рынок. Ведь гаджеты, придуманные для инвалидов, могут использоваться обычными людьми.

В ближайшее время ожидается появление нового поколения нейроинтерфейсов: в виде «умных» татуировок на ушах и в виде нейропыли — сверхминиатюрных электронных сенсоров, которые будут внедряться в сосудистую оболочку мозга. По мере их распространения станет развиваться и программное обеспечение, осуществляющее коммуникацию, вплоть до появления «синтетической» телепатии, когда отдельные люди смогут общаться друг с другом без использования речевого аппарата.

В конечном итоге «синтетическая» телепатия позволит создавать «аватаров» — роботов или искусственных существ, которыми оператор будет управлять как своим собственным телом. Возможен и обратный процесс, при котором компьютерные программы будут «арендовать» человеческие мозги для выполнения в природной нейросети наиболее сложных вычислений.

Без сомнения, внедрение нейрокомпьютерных интерфейсов изменит наш мир сильнее, чем некогда — появление персональных компьютеров. Новая технология найдёт применение в военном деле и сфере безопасности, в науке и космонавтике, в медицине и образовании, в маркетинге и развлечениях. Согласно прогнозам футурологов, в ближайшем будущем сформируется и начнёт полноценно функционировать мозго-сеть (brainet, брейнет), соединяющая посредством нейроинтерфейсов мозги людей, высших животных и интеллектуальные программы-агенты в мощнейший органический компьютер, где будет происходить обмен знаниями, включая подсознательный опыт.

Футурологи составили даже «дорожную карту» перехода от интернета к брейнету. До 2024 года будет создан рабочий прототип мозго-сети, предпосылками к появлению которого станут распространение гаджетов с обратной связью, внедрение технологии «дополненной реальности», поступление на рынок серийных биопротезов и экзоскелетов. В то же время учёные научатся оцифровывать различные психические процессы, за счёт чего можно будет сохранять, воспроизводить или продуцировать любые ощущения. В период с 2025 по 2035 год брейнет будет развиваться, обретая новые возможности. Социальные сети и онлайн-игры станут площадками для объединения в «групповые интеллекты». Будет завершено картирование мозга и реализован перевод «языка» нейронов. Начнутся эксперименты по созданию иных вариантов разума. Устройства с нейроинтерфейсами полностью вытеснят прежние средства связи. Многие профессиональные виды деятельности станут невозможны без подключения к мозго-сети, что поспособствует формированию нейросообществ, объединённых общими задачами или интересами. После 2035 года брейнет захватит все средства коммуникации, контролируя и направляя жизнь человечества.

Возможно, предложенный прогноз слишком оптимистичен и воцарение мозго-сетей будет выглядеть как-то по-другому. Однако не приходится сомневаться: симбиоз человека с компьютером становится всё теснее, и когда-нибудь количество перейдёт в качество, породив принципиально новый вид обработки информации.

Троичный компьютер

Сетунь

Все современные компьютеры построены на двоичной логике — формальной системе, основанной на двух противоположных утверждениях: истина («логическая 1») и ложь («логический 0»). Однако в любую логику можно ввести и дополнительные утверждения: например, в троичной логике добавляется «неизвестно» (или «не определено»). Кажется, что введение неопределённости усложняет создание алгоритмов, поэтому от неё отказались при проектировании первых универсальных компьютеров. И всё-таки исключения встречаются: в 1959 году сотрудники вычислительного центра Московского государственного университета построили под руководством Николая Брусенцова уникальный троичный компьютер, получивший название «Сетунь» в честь протекающей рядом реки. После появления серийного образца Казанский завод математических машин выпустил пятьдесят компьютеров, тридцать из которых использовались в советских университетах. Авторы «Сетуни» на основе обычной двоичной ферритодиодной ячейки создали её троичный аналог, работа которого была построена на двухбитном троичном коде: один трит (так в данном случае называется единица измерения) записывался в два двоичных разряда. «Сетунь» имела явные преимуществе перед двоичными аналогами: большая плотность записи информации, значительное быстродействие, повышенная защищённость от накопления ошибки. «Сетунь» так и не получила развития, однако современные учёные признают, что троичная логика более эффективна, поэтому к ней, возможно, ещё вернутся при проектировании компьютеров будущего.

Квантовый прорыв

Перспективы фотоники и мозго-сетей впечатляют, однако куда большего специалисты ждут от внедрения квантового компьютера. Его концепция появилась примерно в то же самое время, когда учёные начали разбираться в законах, по которым «живёт» квантовый мир. Концепцию выдвинул в 1980 году советский математик Юрий Манин; через несколько месяцев американский физик Ричард Фейнман описал теоретическую модель, а его коллега Пол Бениофф придумал принципы построения необычной вычислительной машины.

Информационная ячейка обычного компьютера может в один момент времени находиться только в одном из двух состояний — «0» или «1» (это называется битом). В отличие от неё, ячейка квантового компьютера может находиться одновременно во всех состояниях от «0» до «1», бесконечная совокупность которых называется кубитом (q-битом, квантовым битом). Если квантовый компьютер удастся построить и снабдить соответствующей программой, то теоретически в нём можно будет запустить бесконечное количество параллельных вычислений, получая результат мгновенно. Причём сложность вычислений никак не должна влиять на быстродействие компьютера. Например, установлено, что 30-кубитный квантовый компьютер по мощности будет равен суперкомпьютеру, работающему с производительностью 10 терафлопс (10 триллионов операций в секунду). Для сравнения: мощность современных настольных компьютеров измеряется всего лишь в гигафлопсах (миллиарды операций в секунду).

Вышеописанная концепция легла в основу экспериментальных квантовых процессоров канадской компании D-Wave Systems. Начав работу в 2007 году, компания прошла путь от прототипа, содержащего 16 кубитов (модель Orion), до чипов с 2000 кубитов (модель D-Wave 2000Q). Свои прототипы квантовых процессоров представили IBM, Intel, Google, Гарвардский университет и Объединённый квантовый институт в Мэриленде. У нас аналогичные проекты ведут сотрудники Российского квантового центра, Института физики твёрдого тела и МГТУ имени Баумана.

«Сердцем» квантового компьютера служит маленькое алюминиевое кольцо. Если перевести его в сверхпроводящее состояние, оно превратится в квантовый объект, ток в котором потечёт как по часовой, так и против часовой стрелки, что и позволяет кубиту принимать значения от «0» до «1» в один и тот же момент времени. Для этого кольца охлаждают жидким гелием до температуры, близкой к абсолютному нулю. Затем их помещают в тонко настроенное магнитное поле. Низкая температура подавляет различные помехи, что позволяет общаться с кубитом посредством микроволн и считывать ответ. Сложность в том, что при таких условиях кубиты «живут» лишь микросекунды. Но и за этот миг они успевают просчитать сотни операций.

Типичный квантовый компьютер выглядит как огромный чёрный шкаф, что объясняется необходимостью поддерживать сверхнизкие температуры и особые магнитные поля. Но ведь когда-то и обычные компьютеры занимали целые этажи. Специалисты утверждают, что смогут миниатюризировать и удешевить квантовые компьютеры, используя фотонику, ведь фотон — тот же квант, обладающий соответствующими свойствами. Однако главная проблема не в размерах, а в извлечении информации: в какой-то момент процесс квантового вычисления нужно остановить, чтобы получить ответ в виде бита — на выходе должны быть всё те же привычные «0» или «1».

Проблему очень образно описал итальянский профессор Томмасо Каларко — крупнейший специалист по квантовым компьютерам: «Представьте себе официанта в ресторане. Если он ходит медленно, то пища наверняка будет доставлена по назначению. Но в квантовых масштабах «медленно» не годится: оно приведёт к декогеренции, то есть нарушению связей в квантовой системе, возникающей из-за влияния внешней среды. Такая «остывшая» система клиенту не подойдёт, и он попросит деньги назад. Если же идти слишком быстро, точность вычислений сильно упадёт и много посуды окажется на полу. Профессиональные официанты ходят иначе: они ускоряются, идут с небольшим наклоном и замедляются. Функционирующий по похожему принципу алгоритм разрабатывают для использования в квантовом компьютере».

В решении этой проблемы российские учёные заняли лидирующие позиции. Скажем, оптимизационный алгоритм, позволяющий повысить точность результата при использовании квантового компьютера, создал выдающийся отечественный математик Вадим Кротов. Итальянский профессор описывает его достижение так: «Вернёмся к нашему официанту. Что вы делаете, когда бьёте тарелки? Правильно, возвращаетесь назад во времени, представляя, как всё было бы, поступи вы немного иначе. Вы проецируете свои желания на то, что уже сделали. И в новой реальности вы будете аккуратнее. Так и алгоритм Кротова постоянно «возвращает» квантовую систему в прошлое и показывает, что будет при некоторой её корректировке. Ошибка при этом, конечно же, уменьшается».

Появление полноценного квантового компьютера, способного решать задачи любой сложности, не за горами. Говоря о перспективах, учёные обычно приводят следующий наглядный пример. Чтобы получить доступ к зашифрованной банковской карте, нужно разложить на два простых множителя число длиной в сотни цифр. Самому мощному суперкомпьютеру Sunway TaihuLight, проводящему квадриллионы операций в секунду, на это потребуется более 15 миллиардов лет — больше, чем возраст Вселенной! А квантовому компьютеру понадобится всего несколько часов.

С помощью квантовой вычислительной техники учёные смогут мгновенно расшифровывать геном, точно предсказывать погоду и климатические изменения, определять оптимальную аэродинамику для автомобилей, самолётов и ракет, обрабатывать колоссальные массивы данных, выявляя закономерности в кажущемся хаосе. Футурологи полагают, что именно через квантовый компьютер лежит самый прямой путь к созданию искусственного интеллекта.

Впрочем, куда интереснее другой момент. Хотя квантовый компьютер — цифровая система, в своей физической основе это аналоговый прибор, работающий на фундаментальном уровне. Проще говоря, это маленькая модель Вселенной. Изучая квантовый компьютер, наука познаёт, как «программируется» Вселенная, как в ней накапливается и преобразуется природная информация. Вполне возможно, разобравшись в этих принципах, человечество научится «программировать» пространство и время. Или даже создавать новые вселенные.