“Живые” компьютеры XXI века.

Хесин Алексей Ильич – доктор технических наук, академик РАЕН,
Пименов Михаил Борисович,
Вавилов Владимир Алексеевич – доктор философских наук,
профессор, академик Академии проблем
национальной безопасности и правопорядка.

В статье дан краткий обзор состояния поисковых исследований в области создания компьютеров будущего (по материалам открытой печати и Интернет). На основе системного анализа обзора, делается вывод что, разрабатываемые в настоящее время научные направления по совершенствованию компьютерной техники не могут привести к кардинальному решению проблемы уменьшения линейных размеров элементной базы и создания компьютеров, обладающих искусственным интеллектом. Для осуществления в этом направлении научно-технического прорыва требуется изменить существующую парадигму структурных автоматов, используемую в основе современных компьютеров, на квантово-механическую с наличием целевой функции. Показывается, что наличие целевой функции в квантово-механической системе создает принципиальную возможность создания “живых машин” с искусственным интеллектом и разумом – “живых компьютеров”. В статье определены требования к “живым компьютерам”, и обозначены подходы к формированию фундаментальной и технологической платформ для их создания.

В настоящее время ведутся широкомасштабные поисковые исследования по дальнейшему уменьшению элементов интегральных схем до линейных размеров 60-120 нм, что, однако, приведет к появлению ряда проблем, связанных с физической природой квантово-механического мира. Во-первых, концентрацию допирующих полупроводниковый кристалл элементов уже нельзя считать одинаковой во всем объеме. Во-вторых, резко увеличится вероятность туннельной электронной утечки (проще говоря, замыкания) между компонентами интегральной схемы. Следствием этих двух причин станет возросшая доля дефектных чипов и недолговечность их эксплуатации (а, значит, и себестоимость полупроводниковой продукции). Эти проблемы являются следствием механистической технологической платформы полупроводниковой отрасли промышленности.

Современные исследователи активно ищут различные варианты решения проблемы перехода на квантово-механический уровень производства сверхбольших интегральных микросхем, исследуются возможности альтернативных вариантов.

Одной из альтернатив современной полупроводниковой технике в будущем могут стать так называемые биологические компьютеры. Биокомпьютеры представляют собой гибрид информационных технологий и биохимии. Исследователи, работающие в различных областях науки (биологии, физики, химии, генетики, информатики) пытаются использовать реальные биологические процессы для создания искусственных вычислительных систем. Существует несколько принципиально различных типов биологических компьютеров, работа которых основана на искусственных нейронных сетях, эволюционном программировании, генных алгоритмах, ДНК и клеточных компьютерах. Первые два типа стали исследоваться еще в начале 40-х годов, но до настоящего времени эти исследования ни к чему реально работающему не привели. Последние три, основанные на методах генной инженерии, имеют гораздо большие перспективы, но работа в этих областях началась только пять лет назад (особенно продвинулись в этом вопросе Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, лаборатории Рокфеллера, а также Техасский университет). Перспектива развития таких компьютеров весьма туманна.

Другим перспективным направлением замены полупроводниковой техники является создание бактериальных компьютеров. Они представляют собой самоорганизующиеся колонии различных "умных" микроорганизмов (очень напоминает пчел, которые организуют упорядоченную, иерархическую структуру внутри семьи). То есть, грубо говоря, стакан с бактериями и будет компьютером. Эти компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна стерильная атмосфера как при производстве полупроводников. И однажды запрограммировав клетку, можно быстро вырастить миллион таких же клеток с такой же программой. Предполагается, что с помощью бактериальных компьютеров станет возможным непосредственное объединение информационной технологии и биотехнологии. Они будут управлять химическим (биохимическим) производством, делая, например, сорт пива, запрограммированный вами, или регулировать биологические процессы внутри вашего организма, например, производить инсулин. Предполагается, что бактериальные компьютеры смогут перевести вычисления на химическую основу. Основной проблемой, с которой сталкиваются создатели бактериальных компьютеров является организация всех клеток в единую работающую систему. В лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического университета создана клетка, способная хранить на генетическом уровне 1 бит информации, также разрабатываются технологии, позволяющие единичной бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с ними упорядоченную структуру и осуществлять массив параллельных операций. Однако, решение задачи создания новой целевой функции бактерии составляет проблему.

Создание биокомпьютеров перспективно, но очень сложно. Несмотря на недостатки биокомпьютеров исследования в области биотехнологий несомненно будут продолжаться, поскольку полученные результаты важны не только для создания компьютеров, но и для всей биохимии в целом.

Другим научным направлением при создании компьютеров будущего может стать попытка разработки квантового компьютера. Проведенные эксперименты в области квантовой механики предполагают, что квантовый компьютер будет состоять из компонентов субатомного размера. Известно, что объекты квантового мира могут иметь два различных состояния одновременно, именно это и открывает новые возможности.

Например, один квантовый бит может принимать несколько значений одновременно, то есть находиться сразу в состояниях “включено”, “выключено” и в переходном состоянии. 32 таких бита, называемых q-битами, могут образовать свыше 4 млрд комбинаций, что может стать основой квантово-механического компьютера с параллельными вычислительными процессами. Однако чтобы q-биты работали в квантовом устройстве, они должны взаимодействовать между собой. В настоящее временя ученым пока удалось связать друг с другом только три электрона. Созданы несколько действующих квантовых компонентов как запоминающих, так и логических.

Теоретически квантовые компьютеры могут состоять из атомов, молекул, кластеров атомных частиц. Последний представляет собой четыре квантовых ячейки на кремниевой подложке, образующие квадрат, причем в каждой такой ячейке может находиться по электрону. Когда присутствует два электрона, силы отталкивания заставляют их размещаться по диагонали. Одна диагональ соответствует логической “1”, а вторая — “0”. Ряд таких ячеек может служить проводником электронов, так как новые электроны будут выталкивать предыдущие в соседние ячейки. Предполагается, что компьютеру, построенному из таких элементов, не потребуется непрерывная подача энергии и однажды занесенные в него электроны больше не покинут систему.

Однако для создания такого действующего квантового компьютера также необходимо создать элементы проводников, все элементы квантово-механической схемы нужно заставить взаимодействовать друг с другом. По предположениям ученых, прототипы таких компьютеров могут появиться уже в 2005 году, но их будущее, ввиду недостаточной изученности законов квантового мира, сомнительно[].

Ещё одним активно разрабатываемым направлением исследований являются молекулярные компьютеры. Ученые из Hewlett-Packard и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) объявили о том, что им удалось заставить молекулы ротаксана переходить из одного состояния в другое, по существу это означает создание молекулярного элемента памяти. Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей, способных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может состоять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя молекул ротаксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону. Конфигурация компонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти и логических ключей, создается электронным способом. По мнению ученых Hewlett-Packard, подобный компьютер будет в 100 млрд. раз экономичнее современных микропроцессоров, занимая во много раз меньше места.

Сама идея этих логических элементов не является революционной - кремниевые микросхемы содержат миллиарды аналогичных компонентов. Но преимущества в потребляемой энергии и размерах способны сделать молекулярные компьютеры более перспективными, чем существующие полупроводниковые.

Все выше рассмотренные компьютеры основаны на алгоритмических принципах, но такой подход при создании нового поколения компьютеров ошибочен. Предлагается новый принцип - сделать компьютеры как можно более похожими по своим возможностям на людей. Эта мечта об имитации человеческого мыслительного процесса, издавна не давала уснуть создателям "классического искусственного интеллекта". Однако человеческий мозг функционирует абсолютно по-другому по сравнению с алгоритмическими компьютерами. Возможность учиться на собственном опыте, общаться и координировать свои действия с действиями других компьютеров обеспечивая мощный механизм адаптации к изменяющемся задачам, самосовершенствование может обеспечить только “живой компьютер”, представляющий собой динамическую “живую машину”, подобную человеческому мозгу и обладающую интеллектом. Человеческий мозг, разум, способен выйти за рамки доступной информации, полагаясь, главным образом, на огромный предшествующий эмпирический опыт. Процесс восприятия и обработки информации в мозге протекает быстро и эффективно при помощи специализированных параллельных процессов. Люди прекрасно устанавливают значение и сохраняют смысл информации, но их возможности сохранять высокую степень точности и обрабатывать сверх большие объемы информации, весьма ограничены. Поэтому новые компьютеры должны обладать более широкими возможностями, чем человеческий мозг.

Разработки российских учёных в 90-х годах прошлого столетия, в рамках научных направлений “живые машины” и “красная ртуть” [1], финансируемых из частных источников, позволили приблизиться к созданию таких “живых” компьютеров - “живых машин”. В качестве элементов “живых машин” выступают “живые системы” обладающие специализированными целевыми функциями [3].

Учитывая сложность поставленной задачи по созданию “живых” компьютеров, её многокритериальность при реализации, и ограниченность целевых функций существующих “живых систем”, из которых планируется создание новых форм жизни, требуется коренное изменение концептуальных взглядов на построение таких систем. Решение поставленных таким образом задач невозможно без применения системного подхода, рассматривающего поиск и формулировку системообразующего фактора как основу успешного построения системы в целом, для чего предлагается использовать концепцию В.И. Вернадского [2] о переходе костной материи в живую материю, то есть преобразование “физических” систем в “живые системы”. Используя данную концептуальную модель, опираясь на теоретические основы “открытых систем”, представляется возможным построение фундаментальной базы для создания “живых систем” с заранее заданной целевой функцией выполнения конкретных динамических задач.

“Живая машина” предполагает под собой совокупность “живых систем”, связанных общей целевой функцией и представляет систему высокого порядка сложности, объединённую в образ целостного физического объекта [3].

Можно логически предположить, что “живые машины” должны обладать:

• целевой функцией выполняемых задач;
• функцией искусственного разума, для самостоятельного принятия решений по управлению процессами;
• автоматической системой управления, а так же контроля внутренней и внешней среды существования;
• разветвленной системой передаточных функций, для обеспечения адаптации “живой машины” к изменениям внешней среды;
• разветвленной системой исполнительных механизмов и сенсорных устройств контроля результата выполнения целевой функции;
• системой безопасности для человека, реализуемой за счет жестко ограниченной целевой функции.

Сложность процесса реализации создания “живых машин” на современном этапе развития научного направления заключается в отсутствии:

• фундаментальной научной базы по синтезу “живых” систем из “физических” (“косной материи” по В.И. Вернадскому [2]);
• концепции создания автоматических систем управления на квантовых и квантово-размерных эффектах, а также искусственного интеллекта[4];
• математической и физической моделей синтеза “живых машин” из “живых” систем [2,5];
• технологической платформы способной обеспечить формирование “живых” систем на квантово-механическом уровне атомарной сборки и синтеза “живых машин”.

Подход к технологии создания “живых машин” должен основываться на фундаментальной научной базе теории открытых систем, неускорительной физике элементарных частиц, кибернетике, термодинамике, теории сложных систем и теории функциональных систем [3].

Особую значимость приобретает вопрос создания технологической платформы, ведущее место в которой должны занимать результаты трудов научных школ А.Н. Тихонова, П.К. Анохина, А.Н.Колмогорова, А.А.Ляпунова, А.А.Логунова, А.Ф.Иоффе, И. Пригожина, Н.Н.Семёнова, Янга, Ли, А.М.Прохорова, Б. Понтекорво.

Для решения данной задачи концентрируются усилия исследователей и разработчиков на следующих приоритетных направлениях: расширение круга имеющихся материалов, которые могут быть использованы в производстве “живых машин” для нужд различных отраслей науки и промышленности; изучение свойств кремния и кремнийсодержащих материалов; исследование поверхностных эффектов на микроуровне, взаимодействия газообразных веществ и твердых тел, влияние давления, температуры и агрессивных сред на структуру материалов, предполагаемых для использования в производстве “живых машин”; поиске методов формирования “живых систем” и синтеза “живых машин”.

Разработка научных направлений “живые машины” и “красная ртуть” [1], позволили приблизиться к формированию реально работающей технологической платформы реализации процесса создания “живых систем”, однако создание “живых машин” с искусственным разумом требует дополнительных исследований в теоретической области проблемы коллективных взаимодействий.

В настоящее время группа Российских учёных нашла подходы к решению данной проблемы и в ближайшее время планирует создание “живых компьютеров” с искусственных разумом [5].

Принципиальное значение приобретает разработка методов бесконтактного, неразрушающего контроля созданных “живых машин”, в виду их квантово-механических особенностей. Создание научной базы построения новых эталонов физических величин и практическое применение высокоточных измерительных систем во многом решит проблемы метрологического обеспечения создания “живых машин” и методов тестирования их целевой функции. Таким образом, технология “живых машин” требует широкого междисциплинарного научного подхода.

Создание “живых машин”, как автоматических систем управления и контроля, позволяет перейти на качественно новый технологический уровень решения проблем человечества и экологии планеты. Технологии “живых машин” - это технологии, носящее глобальный характер, они открывают человечеству путь к новым возобновляемым источникам энергии, совершенным средствам коммуникаций, накоплению и совершенствованию научных и технологических знаний.

Создание “живых компьютеров”, как “живых машин” позволит с наибольшей эффективностью решать вопросы по:

• всеобщей компьютеризации населения;
• созданию неинвазивной диагностической и терапевтической медицинской техники;
• моделированию технологических процессов для создания материалов с заранее заданными свойствами;
• созданию автоматических систем управления и контроля технологических процессов в различных областях промышленного производства;
• дальнейшему развитию стратегических направлений науки и техники;
• сохранению ведущих научных школ в области физики, химии, материаловедения;
• более глубокому освоению принципиально новых методов исследования квантовой и волновой природы материи, ее основных форм существования (вещества и поля);
• исследованию уникальных квантовых и волновых свойств физического вакуума, пространства и времени, элементарных частиц, нелинейных эффектов самоорганизации материи [7].

Полученные фундаментальные научные знания позволят учёным подняться на новый уровень понимания свойств окружающего мира, дадут возможность создания принципиально новых технологий для изменения всего облика промышленного производства и качества жизни людей [7].

Выводы

Для осуществления научно-технического прорыва в создании “живых компьютеров” требуется изменить существующую парадигму структурных автоматов на квантово-механическую с целевой функцией.

Наличие целевой функции в квантово-механической системе нового поколения компьютеров создает принципиальную возможность создания искусственного интеллекта и разума.

Создание “живых компьютеров”, как автоматических систем управления и контроля, с искусственным разумом позволит осуществить прорыв на качественно новый технологический уровень решения проблем человечества и экологии планеты.

Развитие технологии “живые машины” уже сейчас формирует будущие мировые рынки на базе зон совершенства Российской науки. “Живые машины” очень скоро станут много миллиардным бизнесом.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.И. Хесин, В.А. Вавилов, Тайна красной ртути, Национальная безопасность и геополитика России, М., №7-8, 2003

2. В.И. Вернадский. Размышления натуралиста. Научная мысль как планетарное понятие, М, Наука, 1977.

3.Анохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем. — Москва. Медицина. 1975. “Принципиальные вопросы общей теории функциональных систем"(Стр. 17-55).

4.Полосухин Б.М., Феномен вечного бытия, Некоторые итоги размышлений по поводу алгоритмической модели сознания. - М., Наука, 1993

5.Коштоев В.В., Информационные системы и феномен жизни.

6.А.И. Хесин, В.Н. Ушмодин, Технология КНИ (SOI) в производстве кремниевых пластин для элементов микро- и наноэлектроники методами квантовой микромеханики,. Национальная безопасность и геополитика России, М., №5-6, 2003

7. Программа РФФИ.