Страница 11 из 15
Здесь есть две проблемы: аппаратное и программное обеспечение. А 25 циклов закона Мура (глава 4) дали людям в целом и физикам в частности вычислительные средства огромной мощности. Рост, раньше бывший экспоненциальным, замедляется, больше не предполагая удвоения количества компонентов в интегральной схеме каждые два года, поскольку, когда миниатюризация достигает атомных масштабов, начинают действовать другие законы физики. Тем не менее в ближайшие десятилетия мы можем ожидать по крайней мере еще несколько циклов даже без резкого изменения ситуации в существующей полупроводниковой технологии.
Существует и ряд перспективных новых направлений. В основном обработка информации сегодня основана на перемещении электрического заряда, реализуемом как движение электронов. Но электроны движутся гораздо медленнее света, и их трафик порождает тепло, которое хлопотно удалять. Для передачи больших объемов информации на дальние расстояния уже регулярно используется свет – процесс, требующий преобразования из электронного кодирования в световое и обратно. При работе с ним преобразователи быстро становятся более эффективными и универсальными и могут превратиться в самостоятельные «фотонные» компьютеры.
Более революционной является перспектива квантовых компьютеров, использующих для кодирования информации явление квантовой запутанности. В принципе, это явление имеет сложную структуру, что позволяет использовать его для хранения и обработки информации с чрезвычайно высокой плотностью. К сожалению, сложность эту переоценить трудно. Весьма перспективными кажутся несколько возможных технологий для защиты и эксплуатации этого явления, но пока они находятся в зачаточном состоянии. Если большие и практичные квантовые компьютеры могут быть построены, они должны быть очень хороши в решении задач квантовой механики, высвобождая скрытую силу нашей основной темы.
Еще одно направление – возможность черпать вдохновение в биологии. Современные компьютеры в основном двумерны. Они базируются на чипах, которые должны производиться в условиях идеально чистого помещения, поскольку любое отклонение от этого требования может оказаться фатальным для их работоспособности. Если чип поврежден, его уже нельзя восстановить. Мозг человека отличается от чипов во всех отношениях: он трехмерный, создается в грязных условиях, не требуя при этом особого контроля со стороны, и способен восстанавливаться при сбоях и травмах. В системах, сохраняющих плотность записи, скорость и масштабируемость полупроводниковых технологий, существует хорошая возможность достижения этих характеристик, и нет явного физического барьера, не позволяющего реализовать эту идею.
Наиболее эффективные алгоритмы используют особенности задач, для решения которых они предназначены. Их работа – это совершенно творческий процесс, который трудно рассматривать в общих чертах. Здесь я остановлюсь только на одном – наиболее примечательном – аспекте разработки программного обеспечения. Значительная часть работы, проделанной для подкрепления закона Мура (особенно в его самых последних циклах), была основана на современных программных средствах и системах автоматизированого проектирования (САПР). Последние, описывая влияние фундаментальной физики в новых условиях, позволяют инженерам исследовать и уточнять новые пути реализации элементов схемы (например, уменьшая транзисторы) и оптимизировать ее архитектуру. Таким образом, существует мощный цикл обратной связи, благодаря которому успехи в области вычислений приводят к усовершенствованию конструкции компьютера, в свою очередь, способствуя дальнейшему прогрессу в вычислениях. Мы можем предвидеть, что с усложнением искусственного интеллекта возникнут многие другие петли обратной связи такого же рода. В результате открытия, сделанные при помощи наиболее мощных (и все более автономных) компьютеров, приведут к созданию еще более мощных компьютеров.
Фундаментальная физика утверждает, что существуют важные аспекты мира, которые мы могли бы наблюдать, но пока не можем этого сделать. Хочу упомянуть о нескольких наиболее выдающихся из них.
Еще недавно лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (еще известная под английской аббревиатурой LIGO), которая работает для нужд Калифорнийского и Массачусетского технологических институтов, была мало кому известна. Она наблюдала сигнал гравитационных волн, вызванных слиянием двух массивных черных дыр, каждая из которых весила в несколько десятков раз больше Солнца. LIGO предназначена для обнаружения совершенно ничтожных изменений расстояния между несколькими парами зеркал. Цифры просто потрясающие. Зеркала расположены в 4 километрах друг от друга, и предполагается, что расстояния между ними должны меняться менее чем на одну тысячную диаметра протона. Зеркала могут смещаться вследствие множества причин, но гравитационные волны создают уникальную картину изменений, поэтому их сигнал можно вычленить из шума. Это стало кульминацией 50-летних трудов. Конечно, это было бы немыслимо без указания со стороны фундаментальной физики о том, каких сигналов следует ожидать и как измерять такие крошечные расстояния. (Между прочим, тот факт, что подобные колоссальные события производят столь ничтожные изменения в пространстве-времени, сильно охлаждает наши мечты об искусственно созданных «кротовых норах», двигателях для перемещения в гиперпространстве, машине времени и т. п.)
Гравитационные волны открывают новое окно во Вселенную, позволяя получить доступ к ее скрытым областям, а также ко внезапным и бурным событиям. Чтобы в полной мере использовать их потенциал, нам необходимо развернуть в космосе множество высокоточных приборов, простирающихся на многие миллионы километров в межпланетном пространстве.
Человеческое восприятие оставляет желать много лучшего. Рассмотрим, например, цветовое зрение. В наши глаза поступают электромагнитные волны непрерывного спектра, которые, кроме того, поляризованы. То, что мы воспринимаем при этом как «цвет», является лишь грубой хеш-функцией, выделяющей из всего спектра одну октаву, распределяющую ее по трем сенсорам, причем поляризация при этом игнорируется. Многие животные реализуют более совершенный алгоритм восприятия, и чувствительность их зрения распространяется на инфракрасный или ультрафиолетовый диапазон. Мы, люди, способны на гораздо более точный частотный анализ звука и можем выделить много различных тонов в аккордах.
Таким образом можно получить ценную информацию об окружающей нас среде, не говоря уже о возможностях для искусства и визуализации данных. Современные микроэлектроника и компьютеры обеспечивают привлекательные возможности для доступа к ней. Путем соответствующих преобразований мы можем закодировать ее таким образом, что она станет доступной для наших органов восприятия в виде своего рода индуцированной синестезии. Это значительно расширит возможности наших органов чувств, раздвинув наши горизонты восприятия.
При наличии более мощных датчиков и приводов опыт познания окружающего мира станет более убедительным. Легко представить себе разнообразные привлекательные возможности: туризм в любом месте и в любое время, не выходя при этом из дома. Хрупкие человеческие тела плохо подходят для освоения глубокого космоса, но наше сознание сможет добираться в самые труднодоступные места. Мы предвидим серьезное развитие астрономии – благодаря увеличению количества автоматизированных межпланетных зондов, виртуальному телеприсутствию и использованию подходящего биологического материала. Это гораздо надежнее и проще, чем отправка хрупких и плохо приспособленных для этого человеческих тел в глубины космоса.
Если взять наше основное заявление в чистом виде, то биология предоставляет такие «доказательства существования» потенциальных возможностей материи, которые в ином случае были бы весьма неочевидны. Я уже упоминал о целесообразности создания сложных трехмерных, самособирающихся и саморегулируемых информационных процессоров. Это могло бы показаться фантазией, но в большинстве человеческих черепов содержатся полностью реализованные примеры подобных устройств. Точно так же нереализуемой мечтой может показаться возможность чрезвычайно быстрой параллельной обработки больших объемов данных с использованием медленных, ненадежных элементов схемы, но это описание реальной деятельности человеческой зрительной системы.