12. Вычислительная техника и биотехнологии

По мнению многих футурологов, занимающихся долгосрочными прогнозами, первая половина XXI века ознаменуется стремительным прогрессом вычислительной техники и биотехнологий. Эти два научно-производственных направления по темпам своего развития в ближайшее время значительно опередят все остальные сферы общественной деятельности. Благодаря их тесному сотрудничеству человечество сможет добиться решения многих важных проблем, которые сегодня кажутся в принципе неразрешимыми.

Если верить этим прогнозам, то к середине XXI века биоэлектронные технологии достигнут такого уровня, что интеллект любого живущего индивидуума можно будет перенести в память компьютера. Специальная аппаратура сделает возможным полное сканирование человеческого мозга и преобразование составляющих его нейронов со всеми их сложнейшими функциями и взаимосвязями в действующие цифровые модели.

Благодаря процедуре такого копирования, сознание личности, по тем или иным причинам прекращающей свое существование, переместиться в цифровую среду, где сможет продолжить свое существование без видимых ограничений по времени. Таким образом, еще до того, как медицина найдет эффективные средства борьбы со всеми болезнями и причинами старения нашего организма, микробиология и компьютерная техника помогут людям обеспечить бесконечное продление жизнедеятельности их разума.

В ряде исследовательских центров США (Массачусетский технологический институт, биомедицинский центр Южной Каролины, университет Клемсона, технологический институт Нью-Джерси и др.) в настоящее время полным ходом идут работы по формированию новой предметной области - синтетической биологии. Целью этого направления является создание искусственных органических объектов с программируемым интеллектом. Например, разрабатываются микросхемы, способные заменит биологические компоненты живого мозга. Конечная цель – производство так называемых человекоэквивалентных чипов, содержащих всю информацию натуральных мозговых клеток. Первые такие чипы могут появиться в свободной продаже в 2015-2020 гг. Если сложенную из этих чипов «кибермыслительную систему» оснастить управляемыми синтетическими имитаторами всех остальных частей человека, то в результате получим искусственный гомо сапиенс.

Идущее в настоящее время широким фронтом наступление электронной промышленности и биоиндустрии привело, в частности, к заметному прогрессу в деле проектирования и производства нового поколения микросхем, базирующихся на биоэлементах естественного происхождения. Идея биологических микрочипов возникла в начале 90-х годов ХХ века в Югославии и России. А опытные экземпляры появились уже в середине 90-х гг. в США. Сейчас их серийным выпуском занимаются несколько американских фирм. Сегодняшний чип представляет собой стеклянную, пластиковую или кремниевую пластинку размером в несколько миллиметров с упорядоченно расположенными на ней молекулами белка или ДНК. На одном квадратном сантиметре пластины могут уместиться до миллиона таких молекул, каждая из которых содержит до огромное количество информации и способна выполнить множество целенаправленных операций. В настоящее время существует несколько способов изготовления биочипов. Самым испытанным является метод «вшивания» в матрицу заранее синтезированных олигонуклеотидов – коротких фрагментов однонитиевых ДНК. Недостаток этого метода – невысокая (не более тысячи) плотность размещения на матрице молекул, а также присутствие трудоемкого процесса их предварительного синтеза. Более современная и прогрессивная технология состоит в синтезе олигонуклеотидов непосредственно на матрице.

В этом направлении работают как известные фирмы мирового биотеха (Affymetrix), так и супергиганты глобальной электроники (Hitachi, Motorola, Fuji, Matsushita). В 2005 году объем продаж производимой этими фирмами биотехнологической продукции превысил миллиард долларов. Публиковались сообщения о создании одного транзистора на одной молекуле бензола (Йельский университет США и Корейский технологический университет города Ганжу).

Обычные современные электронные компьютеры обрабатывают информацию, используя электрические импульсы в кремниевых чипах. Но эта технология приближается к физическим пределам миниатюризации. По разным прогнозам где-то между 2010 и 2015 годами закон Мура (гласящий, что количество компонентов на чипе будет удваиваться каждые полтора года) перестанет действовать. Развитие электроники остановиться на ее физическом пределе. Биологические устройства обладают возможностями более высокого порядка, позволяя хранить гигантские массивы информации на микроскопических носителях, а все операции производить на клеточном уровне. 1 грамм высушенной ДНК, которая держит полный генетический код живого существа, может вобрать в себя столько информации, сколько содержится в нескольких триллионах компакт-дисков (~10²¹ байт).

В 1994 г. профессор университета Южной Калифорнии Леонард Эдельман с помощью отрезков ДНК создал устройство для решения задачи Гамильтона (поиск наикротчайшего пути между несколькими точками). В 2002 г. группа израильских ученых под руководством профессора Энада Шапиро в институте им. Вайцмана создала полноценный программируемый биокомпьютер, все блоки которого состояли из молекул ДНК.

В настоящее время в ряде научно-исследовательских объединений США, Европы и Японии ведутся работы по созданию вычислительных сред на основе искусственных органических соединений. Задача состоит в создании искусственной системы, работающей по аналогии с нейронами головного мозга и имеющей возможность симулировать деятельность этого важнейшего органа. Данные работы отличаются тем, что в органической вычислительной среде будут использоваться стабильные клетки на основе липидов, нанесенные на органическое покрытие и работать они будут наподобие нейронов головного мозга.

В Японии разработан новый вид устойчивой памяти на органических материалах, организация которой подобна флэш-памяти. Подобная структура позволяет создавать очень большие по размерам и объему памяти модули для внедрения их широкий спектр существующих устройств.

Важность биологических исследований для стимулирования всего научно-индустриального процесса и востребованность результатов биотехнологических разработок в качестве основы для перестройки промышленных и научных систем предопределили перерастание биотеха из сугубо научной сферы в полноправный сектор бизнеса, обеспечивающий весь цикл создания продукции – от идеи до выпуска на рынок готового товара. Бизнес биотехнологий уже доказал свою состоятельность и к настоящему времени достиг впечатляющих размеров. Но ведь это только начало пути.

13. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вычислительная техника и информационные технологии в настоящее время практически проникли во все сферы деятельности человека. Темпы их развития не знает ни одна область науки и техники. Постоянно совершенствуется элементная база. Свыше 40 лет остается, в общем, справедлив закон Мура (один из основателей фирмы INTEL), согласно которому количество транзисторов на одном чипе (или тактовая частота процессора) удваивается каждые полтора-два года. Некоторые интерпретаторы этого закона считают, что закон Мура не технический, а скорее экономический. Гордон Мур в своей знаменитой статье (1965 г.) показал, что производителям микросхем памяти выгодно удваивать степень интеграции примерно за 18 месяцев. Современные исследования ученых показывают, идеальный квантовый компьютер сможет выполнять 10²⁴ операций в сек. (Эксперименты с квантовым компьютером в настоящее время идут по нарастающей интенсивности и дают позитивные результаты). А остановка роста скорости работы компьютера произойдет только через 75 лет.

Теоретической основой построения компьютеров остается алгебра логики, двоичная и многозначная арифметика и другие специальные дисциплины. Структура компьютера практически не вышла за рамки классической структуры, реализующей постулаты фон Неймана (1946 г).

Дальнейшее развитие вычислительной техники связано с массовым внедрением параллельных вычислений, созданием многоядерных однокристальных структур с относительно небольшими рабочими частотами и низким потреблением энергии, развитием сетевых технологий (в том числе беспроводных) и переходом на новые принципы и элементную базу: биомолекулярные, квантовые, нейронные, нанотехнологии (нанотрубки) и т.п. решения. Для внешних запоминающих устройств наметились тенденции перехода к твердотельным системам, в которых отсутствуют подвижные механические части. Продолжаются исследования в области элементной базы компьютеров. На смену традиционным транзисторам приходят новые компоненты, функционирующие на молекулярном уровне.

Исследователи из корпорации IBM экспериментируют с использованием молекул ДНК в качестве миниатюрных цепей, способных послужить основой для более мощных и скоростных компьютеров. Изучаются необычные методы, при помощи которых ДНК способна самоорганизовываться на поверхности чипов и выступать в качестве проводников (вентилей) которые могут хранить и быстро передавать информацию. Для соединения цепочек ДНК используются углеродные нанотрубки.

Ученые Университета города Иерусалим создали молекулярный компьютер, который использует биологические ферменты для произведения расчетов. Такой компьютер по предположениям ученых в ближайшем будущем можно будет вживлять в человеческий организм.

Расширяется использование вычислительной техники и вычислительных технологий в системах управления различных объектов. Расширяется производство и использование роботов – наземных, морских и воздушных (беспилотных). В настоящее время выпускается партия наземных роботов TALON. Один такой робот представляет собой платформу весом до 45 кг, переносимой человеком. Роботы предназначены для обезвреживания мин и бомб, разведки, могут быть снабжены пулеметами и снайперскими винтовками. Они способны перемещаться по местности с очень сложным рельефом в любую погоду. Сотни роботов TALON успешно использовались в Афганистане и Ираке.

В качестве другого примера можно привести исследовательский отчет Пентагона (США), посвященный перспективам развития беспилотных аппаратов в 2005-2030 гг. В отчете утверждается, что к 2010 г. воздушные роботы научаться распознавать лица отдельных людей и засекать солдат противника, скрывающихся в листве; к 2015 г. смогут вести высотную съемку с разрешением 8 см; обеспечат многоканальную связь (до 100 каналов) и по функциональным возможностям сравняются с самолетом электронной разведки и дальнего радиолокационного обнаружения AWACS; научатся вести сражения не хуже современных пилотируемых самолетов F-16 и осуществлять автоматические перевозки грузов и личного состава (на базе машин класса C-130). При этом робот-пилот будет значительно более надежен, чем человек.

Программное обеспечение играет в компьютерах особую роль – это и управление работой вычислительной среды и посредник между компьютером и пользователем. Центральное место здесь занимает операционная система. Наиболее динамично в составе программного обеспечения развиваются прикладные программы, предоставляющие пользователям самые различные услуги: текстовые редакторы, табличные процессоры, СУБД, системы графики, делопроизводства и т.п. В научных исследованиях особое место занимают программы, которые можно объединить под общим названием искусственная жизнь (ИЖ). На этих программах исследуются как эволюционное развитие коллективов, так и взаимодействия отдельных объектов внутри коллектива.

Компьютерные сети являются одним из главных и наиболее эффективных средств информатизации общества и перехода от индустриального общества к информационному.

К числу наиболее распространенных и быстроразвивающихся отраслей относятся локальные сети. В используемых глобальных сетях прослеживается тенденция к интеграции предоставляемых услуг. Это видно на примере «сети сетей» Интернета.

Развитие сетей осуществляется по многим направления. Это – совершенствование и усложнение структуры сети, разработка новых, более эффективных и надежных технических и программных средств обработки информации, внедрение терминальных решений; развитие спутниковых сетей связи и разработка новых средств обеспечения безопасности информации, расширения перечня услуг.

В 2000 г. Тим Бернерс-Ли (автор идеи гипертекста - одной из основных идей Интернета) выдвинул новую концепцию Семантической сети (www.semanticweb.org). Она не предназначена для замены нынешнего Интернета, а представляет собой набор новых структурирующих и классифицирующих хранимых в сети данных на основе их смысла. Все элементы Семантической сети дополнены формальным описанием своего содержания и могут иметь произвольное число осмысленных связей с другими элементами. Это даст возможность быстро и точно, без какого-либо мусора, находить нужные сведения, причем не обязательно по ключевым словам – достаточно описания желаемого результата на естественном языке. А программы научатся самостоятельно понимать, к какой теме или к какому классу знаний в иерархическом классификаторе Сети относится тот или иной материал. Предполагается создание глобальной сети по интеллектуальной обработке информации без помощи человека. Над проблемами Семантической сети в настоящее время работает большое количество университетов и научных подразделений по всему миру. Первая работоспособная версия Семантической сети появилась в 2005 г.

Россия могла бы занять ведущие позиции на мировом рынке информационных технологий в трех следующих направлениях: 1) лингвистическое программное обеспечение (системы перевода, словари, распознавание машинописного и рукописного текста, преобразование текста в речь и т.п.); 2) разработка компьютерных игр и интеллектуальных игрушек (уже сейчас 30% условно-бесплатных игр – российского производства); 3) средства обеспечения информационной безопасности, защиты данных.

Технология, определяющая состояние общества и техники в частности, развивается по экспоненте, поскольку при разработке продуктов нового поколения используются самые современные на данный момент знания. Это напоминает процессы в живой природе. На создание ДНК ушли миллиарды лет. Но когда эта структура развила в себе способность обрабатывать информацию с целью хранения и записи результатов эволюционных экспериментов, у ДНК появилась возможность использовать этот ресурс для перехода на новую ступень развития. Этот этап в развитии жизни именуется кембрийским взрывом.

Аналогичная ситуация складывается в сфере технологий. В распоряжении разработчиков первых компьютеров были всего лишь ручки и бумага, а собирались эти машины с помощью отверток, паяльников и проводов. Современный конструктор сидит за рабочей станцией и оперирует объектами компьютерных программ. Микросхемы макетируются и изготавливаются автоматически, и весь процесс занимает не годы, а дни и недели. Вот почему наблюдается экспоненциальный рост таких показателей технологических изделий как производительность, функциональные возможности и снижение цены. Другими словами можно назвать разработку новых технологий процессом, в котором взаимодействуют люди и машины. Т.е. технология и человеческая цивилизация тесно взаимосвязаны и эта взаимосвязь со временем будет все более тесной. Человек уже сейчас почти сливается со своим компьютером. Недалеко то время, когда компьютер и в самом деле будет функционировать внутри человека. Предполагается, что через 10-20 лет в человеческий организм можно будет вводить неоперабельно интеллектуальные агенты. К этому времени будет разработана технология внедрения в кровеносные сосуды людей миллионы и миллиарды так называемых «нанороботов» – устройств размером с кровяную клетку, которые с кровотоком будут доходить до мозга и взаимодействовать с нейронами. Путем подобной интеграции биологических и машинных компонентов будут расширены мыслительные способности человека.

В настоящее время возможности человеческого мозга ограничиваются его архитектурой и быстродействием. Обработка информации в мозгу осуществляется с помощью электрохимических сигналов. Эти процессы протекают в миллионы раз медленнее процессов в электронных цепях. Общее число соединений в мозгу человека не может превысить отметку в 100 триллионов (10¹⁴). Это число может показаться большим, но факт остается фактом: реализованный в наших головах метод сохранения данных неэффективен. Эксперт в той или иной области знания реально может запомнить лишь 100 тысяч «фрагментов» знания. Если же сравнить эти данные с возможностями поисковой системы Google , то можно понять, какой мощью в этой сфере обладают машины. В будущем можно будет дополнить те 100 триллионов соединений, которыми располагает сейчас человек, новыми виртуальными соединениями. И как только небиологический интеллект завоюет первые позиции в наших головах, его –интеллекта - дальнейшее развитие пойдет по экспоненте. К началу 2030 –х годов человек станет обладателем биологического интеллекта, усиленного мощными небиологическими компонентами. Т.е. человек будет интегрироваться с новыми технологиями непосредственно.

Как более отдаленная перспектива видится идея трансгумманизма, т.е. расширение возможностей индивидуумов за счет интеграции человеческого мозга и компьютерных (сетевых) технологий. Примерами таких трансгумманистических решений могут быть имплантация мобильных телефонов (с возможностью виртуальной телепатии), создание резервных копий человеческой памяти и ее расширителей, устройств, способных записывать мысли, создание средств взаимодействия мозга и исполнительных механизмов. Одной из положительных сторон трансгумманизма является вовлечение тела и разума в непрерывный цикл модернизации. Примером такого современного решения служит изобретенный корковый дисплей. Другие, еще более совершенные решения начнут появляться ежегодно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зинкевич В.П. Вычислительные машины, системы и сети. Издательство МГОУ, 2009.

2. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. М., Инфра, 2006.

3. Сафронов Н.К. Бейсик в задачах и примерах. СПб, БХВ-Петербург, 2006.

4. Вовк Е.Т. Самоучитель работы на компьютере. М., СПб, БХВ-Петербургб, 2004.

5. Задачи по программированию. Под ред. Угольницкого Г.А. М. «Вузовская книга», 2000.

6. Безручко В.Т. Практикум по курсу «Информатика». М., Финансы и статистика, 2005.

7. Безручко В.Т. Информатика. М. ИД «Форум», 2006.

8. Светозарова Г.И., Мельников А.Л., Козловский А.В. Практикум по программированию на языке Бейсик. Под редакцией С.В. Емельянова. М., «Высшая школа», 1988.

ЛИТЕРАТУРА

1. Семененко В.А., Скуратович Э.К. Вычислительные машины и системы. М., 1998.

2. Реализация многозначных структур автоматики. Под ред. М.А.Ракова. Киев. 1976.

3. Миловзоров В.П. Элементы информационных систем. М., ВШ, 1989.

4. Вычислительные машины и системы. Под редакцией В.Д. Ефремова, В.Ф. Мелехина. М., ВШ. 1993.

5. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. М., Энергоатомиздат. 1991.

6. Павлов В.П. Организация ЭВМ и систем. Самара, 2000.

7. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. М., 1997.

8. Пятибратов А.П., Гудыко П.П., Кириченко А.А. Вычислительные машины, сети и телекоммуникационные системы. М., 2001. 272 с.

9. Фоменко А.М., Фоменко Л.В. Основы информатики и вычислительной техники. Ростов-на-Дону, 2001. 510 с.

10. Кондратьев Д.Д., Неклюдов С.Ю. Локальные вычислительные сети. С.-Петербург, 2002, 341 с.

11.Алиев В.К. Языки BASIC. М. 2000, 223 с.

12. Светозарова Г.И., Мельников А.Л., Козловский А.В. Практикум программирования на языке Бейсик. М.1988, 237 с.