Видоизменённый разум
Компьютеры будущего
Хотя персональный компьютер прошёл долгий путь от громоздкой машины до миниатюрного смартфона, базовые принципы его работы почти не изменились. Будущее компьютеров обычно связывают с зарождением искусственного разума. Однако многие учёные скептически смотрят на то, что он появится на существующей элементной базе. Вероятно, для того чтобы «поумнеть», придётся измениться и самим компьютерам. Какими они станут?
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 Skylake используется технология с размером транзисторов 14 нанометров; следующее поколение, которое предполагают внедрить до конца 2018 года, будет основано на технологии с разрешением 10 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.