Информатика и вычислительная техника второй половины 21 века. Ваш прогноз
Новосибирск 2004
Содержание
Введение. 3
1. Фантастическое настоящее. 5
2. Куда нацелена стрела времени?. 13
Литература. 23
Введение
Стремление предвидеть будущее старо как сам мир. Оракулы, предсказатели, гадалки тысячелетиями раскрывали перед жаждущими непроницаемую завесу времени. В наше, рациональное время, время торжества науки и техники, эту же саму миссию стали выполнять фантасты и футурологи.
Впрочем, насчет фантастов сложно сказать, что они только пытаются спрогнозировать будущее. Порой кажется, что на самом деле они его программируют. И правда, предсказал ли Жюль Верн военную авиацию, подводные лодки — или показал ученым и инженерам путь, в котором надо двигаться?
Но иногда и фантасты не успевают за реальным ходом эволюции: что, кроме улыбки, может вызвать «треск печатных машинок» на лунной станции 2000 года у Артура Кларка в его «Космической одиссее» или то, что курсанты элитных галактических войск пользуются на занятиях по космической навигации логарифмическими линейками (Роббер Хайнлайн)?
Самые «бескрышные» фантасты не берутся предсказывать развитие информатики и вычислительной техники. Слишком велик риск попасть пальцем в небо.
А что же насчет более научных предсказаний? К примеру, футурологи шестидесятых уповали на стремительный технологический прогресс. Как ожидалось в XXI век человек войдет вместе с повсеместным распространением компьютеров, видеотелефонов, роботов, полной автоматикой, летающими автомобилями и другими захватывающими воображение изобретениями.
Что ж, хоть кухонные роботы пока не особо распространены, а автомобили летают в основном в Голливудских фильмах, во многом футурологи шестидесятых оказались правы. Но только не в области вычислительной техники: тут они или были слишком пессимистичны, просчитывая количество действующих компьютеров в 2000 году на пальцах обеих рук, или слишком оптимистичны. Так, успехи в области автоматизации вычислений, достигнутые в первые годы существования информатики и вычислительной техники, привели к необоснованно оптимистическим прогнозам. К примеру, в интервью “Литературной газете” от 1 января 1976 года один из лидеров советской информатики В.М.Глушков утверждал, что искусственный разум, не уступающий человеческому, будет создан к началу XXI века. Однако постепенно стало ясно, что быстрые успехи достигаются в решении только таких задач информатики, которые сравнительно легко алгоритмизуются, и что решение хорошо алгоритмизуемых задач составляет лишь незначительную (и притом наиболее рутинную) часть интеллектуальной деятельности человека.
И, тем не менее, футурологи не перестают давать прогнозы на ближайшее (или не очень) время. Уже в наше время Маршалл Брейн, основатель по-своему великого портала HowStuffWorks, написал объёмистую статью «Нация роботов», в которой предупредил о грядущей безработице, виновниками которой будут роботы. Иные предсказывают слияние реального и виртуального миров и, похоже, это дело и вправду серьезнее, чем просто комикс, на основе которого был снят культовый фильм «Матрица».
Попробую и я внести лепту в дело прогнозирования будущего компьютеризированного и информатизированного общества.
Особенностью современного этапа общественного развития является тот факт, что практически все сферы человеческой деятельности охвачены глобальным явлением, получившим название информатизация общества. Попробуем себе представить, какими будут информатика и вычислительная техника во второй половине XXI века.
Фантастическое настоящее
Но прежде, чем попытаться ответить на этот вопрос, было бы неплохо вначале определиться с тем, чем мы располагаем на настоящий момент и, главное, какие направления развития в области информатики и вычислительной техники наиболее действенны и перспективны. Любое будущее начинается всегда в настоящем.
Вопрос развития информатики и вычислительной техники усложняется тем, что и нынешнее-то их развитие сложно поддается каким-либо предсказаниям и прогнозам. В этой области прогнозы серьезные люди и организации стараются давать на ближайшие год-два: слишком быстро и непредсказуемо развивается творческая и техническая мысль. Прежде всего, это быстрые темпы изменений в технологии. Мостостроитель не сталкивается каждые три года с новым сортом стали, которая была бы в десять раз прочнее наилучших сортов старой. Кораблестроителя систематически не вооружают новой технологией, вдвое снижающей стоимость постройки судна каждые два года. Лица, специализирующиеся в этих областях, могут изучать свой предмет с уверенностью, что техника, которую они изучали, существенно не изменится в течение первых 5—10 лет их практической деятельности. В то же время разработчик вычислительных комплексов не может быть уверен даже в том, что избранные им технические методы не изменятся за время окончания одного проекта.
Итак, я решила просканировать Интернет и перелистать компьютерные журналы на предмет новых разработок и вычислительных технологий, и скоро я убедилась, что даже самые новые технологии не вызывают ни удивления, ни воодушевления. Все это где-то уже было. И, конечно, в произведениях фантастической литературы. Похоже, что современная инженерия решительно не способна предложить что-то, выходящее за рамки воображения авторов даже весьма посредственной фантастики. Так что придется нам привыкать к тому, что в ближайшее время ничего удивительного ждать не приходится. Просто фантастические (в смысле, взятые из фантастики) приспособления постепенно и весьма буднично становятся реальностью.
Чудеса миниатюризации уже воспринимаются как должное, рост производительности процессоров и емкости памяти просчитывается лет на пять вперед. Принципиально новые функции программного обеспечения упоминаются одной строкой в пресс-релизах.
Чем, к примеру, порадуют нас дисплеи в обозримом будущем? То, что обычные электронно-лучевые трубки доживают свои последние годы, ясно уже всем. Повсеместный переход на плоскопанельные дисплеи — вопрос только очередного снижения цен.
Заглянув на страницы фантастики, мы обнаруживаем там целую программу развития устройств отображения: гибкие дисплеи, которые вместе с изображением можно мять, как бумажки, огромные экраны размером во всю стену, дисплеи, создающие стереоскопическое и даже полностью трехмерное изображение.
Стереоскопия обеспечивает лишь иллюзию трехмерности за счет эффекта бинокулярного зрения. Для этого каждому глазу предоставляется свое плоское изображение, по которым мозг восстанавливает трехмерную сцену. Подходов к решению этой технической задачи множество – поляризационные очки, синхронизированные с кадровой разверткой экрана, очки-шлемы с отдельными дисплеями для каждого глаза. Причем это уже массово распространенные технологии.
Настоящее же трехмерное изображение отличается тем, что для его рассматривания не требуются приспособления вроде очков, а видеть его могут одновременно несколько человек, естественно, с разных мест. Фантастика? — Ничуть. Голография — уже давно освоенная технология. Единственная оговорка — до недавнего времени голограммы были статичными.
Но вот в последнее время сразу несколько инновационных фирм заявили о том, что у них решена задача создания динамического истинно трехмерного изображения (www.visualabs.com, www.opd3d.com).
Сквозное подключение мобильных устройств к Интернету — это тоже примета времени. Может быть, еще не сегодняшнего, но не такого уж и далекого будущего. Все это обеспечивается технологиями мобильной связи, идущими на смену стандарту GSM. Это технологии GRPS, CDMA, UMTS. Полноценное внедрение этих технологий кардинально изменит роль нынешних карманных компьютеров. Будучи постоянно подключенными к Интернету, эти устройства существенно расширят свою практическую полезность.
Еще несколько лет назад в прессу просочились сведения о разработке учеными NASA особого чипа, который, возможно, придет на смену нынешним микропроцессорам. Новинка получила обозначение FPGA (field programmable gate array – программируемая матрица вентилей) и отличается от нынешних “статичных” микросхем тем, что каждый элемент программируемой матрицы способен к реконфигурации с частотой несколько тысяч раз в секунду. Как следствие, производительность настольных систем, использующих подобное решение, оказывается на несколько порядков выше, чем у традиционных персональных компьютеров. Достигается это за счет возможности распараллеливания процесса вычисления путем создания сразу нескольких одновременно работающих процессоров на базе одной матрицы вентилей.
Обратим внимание на другой класс устройств — на устройства ввода информации. Надо отметить, что со вводом информации в вычислительной технике всегда было больше проблем, чем с ее выводом. Долгое время единственным устройством ввода оставалась клавиатура. Потом появились мышь, джойстик, сканер, звуко- и видеозапись. Однако для ввода текстов — основы всех информационных технологий — по-прежнему не было ничего, кроме клавиатуры. Так продолжалось несколько десятков лет. И вот в самом конце XX века произошла тихая революция — компьютеры обрели новые каналы ввода алфавитно-цифровых данных. Речь, конечно, идет о распознавании текстов и голоса.
«Озвучивание» системы человек-техника идет и с другой стороны.
Очень может быть, что в скором времени автомобиль будет в состоянии сам говорить водителю, куда нужно ехать. Уникальной навигационной системой собирается снабдить свою продукцию японская Honda (https://www.honda.com), которая обещает включать в стандартную комплектацию автомобилей Acura RL “электронного штурмана”, способного распознавать человеческую речь и общаться с водителем на обычном языке. Если планам японского автогиганта суждено сбыться, то Honda станет первым автопроизводителем, который снабдит серийные машины навигационной системой с речевым информатором и голосовой системой управления. Причем произойдет это уже в нынешнем году – начало поставок “говорящих” машин намечено на осень-зиму 2004 г.
Подойдем к другому важнейшему направлению развития технологий — к системам искусственного интеллекта. Число примеров таких систем в фантастике неисчерпаемо. Однако ничего подобного фантастическим образам искусственного интеллекта на практике реализовать пока не удается. Философы продолжают дискуссию о том, что такое разум и интеллект и может ли в принципе устройство, созданное руками человека, быть их носителем. А тем временем инженеры продолжают у создавать системы со все более сложным поведением (www.lii.newmail.ru, www.mindpixel.com).
К примеру, экономически весьма привлекательной (и, главное, востребованной!) сейчас является деятельность, направленная на преодоление последствий "информационного взрыва", явления, связанного с лавинообразным увеличением потока информации, который уже попросту не поддается отслеживанию. Между тем, разбиение данных на категории и сортировка информации по темам — классические задачи, относящиеся к области искусственного интеллекта. А это может означать, что компании, специализирующиеся на проведении исследований в области разработки и создания интеллектуальных систем, вновь могут завоевать "симпатии" инвесторов. Тем более что количество научных коллективов, специализирующихся на создании "машинного разума", ощутимо сократилось по сравнению с началом 1980-х годов.
Инженеры компании IBM в настоящее время трудятся над проектированием и построением самодиагностируемых и самонастраивающихся систем, которые, как ожидается, будут более устойчивы к повреждениям по сравнению с нынешними компьютерами и смогут функционировать, практически, без человеческого присмотра.
Уже довольно давно как раз в задачах, связанных с искусственным интеллектом, применяются так называемые нейронные сети. Нейронная сеть — это архитектура компьютера, построенная по аналогии с устройством человеческого мозга. Ее элементами являются элементарные ячейки — нейроны, которые квазислучайно связаны друг с другом. В результате внешнего воздействия (например, получения на вход изображения) некоторые нейроны возбуждаются, по нейронной сети передаются сигналы, и, в конечном счете, сеть переходит в новое состояние, которое можно узнать на ее выходе. Например, она может сообщить, что опознала изображение или голос, а может, наоборот, заключить, что образец ей незнаком.
И тут начинается процесс обучения нейронной сети. Если ответ правильный, сеть получает поощрение, которое укрепляет те связи между нейронами, которые обеспечили правильный ответ. В противном случае эти связи будут ослаблены. Оказывается, что правильно сконструированные сети можно довольно быстро научить, например, распознавать весьма сложные события, для которых крайне трудно найти формальные критерии отбора при алгоритмическом программировании (www.neuropower.de/ris, www.orc.ru/~stasson/menu.html).
Решения на основе нейронных сетей становятся все более совершенными. Уже сегодня имеется немало впечатляющих разработок. База приложений нейронных сетей просто огромна: выявление фальшивых кредитных карточек, прогнозирование изменений на фондовой бирже, составление кредитных планов, оптическое распознавание символов, профилактика и диагностика заболеваний человека, наблюдение за техническим состоянием машин и механизмов, автоматическое управление движением автомобиля, принятие решений при посадке поврежденного летательного аппарата и т.д. [14]. Дальнейшие успехи в разработке искусственных нейронных сетей будут зависеть от дальнейшего понимания принципов работы человеческого мозга, но здесь имеется и обратная связь: искусственные нейронные сети являются одним из средств, с помощью которых совершенствуется наше представление о процессах, происходящих в нервной системе человека, выступая в качестве моделей соответствующих процессов.
Нейросетевые технологии предоставляют сегодня широкие возможности для решения задач прогнозирования, обработки сигналов и распознавания образов. Учитывая высокие темпы роста объемов накопленной в современных хранилищах данных информации, роль нейронных сетей трудно переоценить.
По мнению специалистов, интеллектуальный анализ данных войдет в десятку важнейших информационных технологий. В последние годы началось активное внедрение нейросетевой технологии. Ее активно используют такие крупные корпорации как American Express, Lockheed и многие другие. Естественно, в ответ на этот интерес на рынке программных средств стали появляться соответствующие инструментальные средства.
И вот еще одна такая фантастическая технология, как нейро-имплантанты. Сама идея нейроимплантанта предельно проста: известно, что нервные импульсы представляют собой электрические сигналы. Надлежащим образом присоединив электроды, их можно регистрировать, а можно и порождать. Проблема лишь в том, чтобы понимать смысл нервных импульсов — биотоков. К сожалению, в этом деле прогресс идет далеко не фантастическими темпами. В мозгу известно множество зон, отвечающих за различные процессы жизнедеятельности и связанных с определенными видами мыслительной активности. Но практически ничего больше пока узнать не удается. Это и понятно. В нейронной сети — грубой модели мозга — тоже нельзя придать какой-то конкретный смысл состоянию отдельного нейрона и отдельным сигналам, передаваемым между нейронами.
В результате все фантазии о создании контроллера прямого доступа в человеческую память, о переносе свойств человеческой личности на машинный носитель и о других подобных технических забавах так и остаются фантазиями. И все же некоторые возможности на пути сопряжения человека с машиной есть. С определенными оговорками «подсоединиться» удается к периферийным зонам нервной системы человека. В этом направлении идут работы по созданию так называемых активных протезов, которые реагируют на импульсы, поступающие по нервным волокнам (www.kv. minsk.by/index2000433901.htm).
Есть и другой путь, в чем-то, пожалуй, более перспективный. Он состоит в добавлении человеку новых инструментов воздействия на внешний мир. На голове пациента закрепляются электроды энцефалографа, регистрирующего состояние определенной зоны мозга. В зависимости от ее активности на экране, куда смотрит испытуемый, например, перемещается курсор. После определенного времени тренировки (20-60 часов) испытуемый оказывается в состоянии сознательно перемещать курсор (forum. rust.ru/cgi-bin/forum.pl.cgi?lukian&r1756).
В прессе уже неоднократно сообщалась о подобных экспериментах с участием безнадежно парализованных людей, но со временем эти методики можно будет распространить и на здоровых людей, давая им новые возможности взаимодействия с внешним миром, в том числе и с компьютерами (www.zdnet.ru/news.asp?ID=1077).
Последнее время в информатике особое внимание уделяется кругу проблем, которые в последнее время часто называют общим термином “мягкие вычисления”. Сам этот термин принимают далеко не все специалисты по искусственному интеллекту, но если говорить не о словах, а о том, что за ними стоит, то можно утверждать, что проблематика “мягких вычислений” является одной из центральных в проблеме искусственного интеллекта. В жестких рассуждениях, связанных с количественными расчетами, длинными последовательностями строгих логических умозаключений, человек сильно уступает компьютеру. В тех областях, где такие рассуждения – необходимая часть профессии (точные науки, счетная работа, шахматы), соответствующие навыки вырабатываются годами и требуют постоянной тренировки. Основные же интеллектуальные процессы человека, как правило, — “мягкие”. В них вместо четкости присутствует размытость, вместо количественных оценок — качественные, вместо точности — приблизительность, вместо тождества — сходство, вместо истинности — правдоподобность, вместо доказательства — аргументация.
Рассуждения человека, как правило, неточны – они всего лишь правдоподобны, часто логически некорректны, не сохраняют истинность. Строгое логическое рассуждение — слишком медленное даже для компьютера, оно содержит очень много шагов; кроме того, оно требует полноты информации. В бытовых ситуациях, когда надо принимать быстрые решения, у человека нет ни времени, ни всей нужной информации. Но именно в этих – сильно недоопределенных, слабоструктурированных ситуациях человек действует эффективнее компьютера, хотя часто он даже не может хорошо сформулировать ни правила, по которым он действует, ни даже понятия, в терминах которых он описывает возникшую проблему.
Возрастающий в искусственном интеллекте интерес к мягким вычислениям связан со стремлением понять эффективность механизмов мозга, успешно использующих эту “мягкость”, попытаться построить адекватные модели этих механизмов, чтобы, в конечном счете, использовать их для создания новых информационных технологий.
Итак, вчерне рассмотрев, где находится электронно-вычислительная эволюция, попробуем определить, в каком направлении станет развиваться информатика и вычислительная техника ко второй половине XXI века.