Badacze z NASA Marshall Space Flight Center w Huntsville chcą dokonać komputerowej rewolucji dzięki wytwarzanym na orbicie supernowoczesnym materiałom
W przyszłości komputery mają pracować z prędkością światła i mieścić się we wnętrzu pojedynczej komórki naszego ciała.
W dzisiejszych komputerach dane przenoszą elektrony, podróżując zwykle między tranzystorami po metalowych przewodach. Przyszłe komputery optyczne będą wykorzystywały fotony pędzące z prędkością światła po włóknach optycznych lub cieniutkich warstwach polimerowych. Wprawdzie w pełni optyczne systemy komputerowe są nadal kwestią przyszłości, już dzisiaj Donald Frazier z NASA Space Sciences Laboratory i Optron Systems Inc. z Bedford pracują nad hybrydami łączącymi w sobie technologie wykorzystujące zarówno elektrony, jak i fotony. Przyszłe procesory komputerowe będą prawdopodobnie zbudowane z materii organicznej, a nie z krzemu. Lecz kluczem do superszybkich komputerów mają się stać cieniutkie warstwy polimerowe nakładane na płytki kwarcowe. Odpowiednio skupiając wiązkę lasera, można będzie na nich rysować linie o średnicy zaledwie mikrona (czyli jednej milionowej metra).
Badacze chcą za pomocą lasera układać z polimerów obwody optyczne i zastąpić nimi elektronikę stosowaną obecnie w komputerach. Donald Frazier wraz z kolegami wytwarza delikatne warstwy polimerowe podczas misji promów kosmicznych. Na orbicie prawie nie występuje konwekcja, zjawisko wywoływane przez ziemską grawitację i zmianę temperatury. Wytwarzane tam warstwy polimerowe są więc znacznie gładsze i bardziej jednorodne niż te uzyskiwane w ziemskich laboratoriach. - Obwody elektroniczne i kable zostaną zastąpione przez niewielką liczbę włókien optycznych i warstw polimerowych, sprawiając, że całe systemy staną się bardziej wydajne i zminiaturyzowane, zniknie też problem interferencji - twierdzi Frazier. Mniejsze i bardziej spójne komputery są często szybsze, gdyż czas niezbędny do przeprowadzenia każdej operacji jest uzależniony od długości połączeń między poszczególnymi częściami komputera. Aby uzyskać optymalną prędkość, buduje się więc coraz mniejsze chipy, umieszczając na nich jak największą liczbę tranzystorów.
W nadchodzących dziesięcioleciach technika komputerowa sięgnie prawdopodobnie do poziomu atomów. Równocześnie z coraz większym zagęszczeniem tranzystorów i połączeń dochodzi do zakłóceń, które mogą sprawiać użytkownikom komputerów wyjątkowo niemiłe niespodzianki, na przykład zmieniając sygnał cyfrowy. Komputery optyczne zlikwidowałyby ten problem, gdyż nie dochodziłoby w nich do zakłóceń. - Cieniutkie warstwy polimerowe wyeliminowałyby wiele problemów będących plagą współczesnej elektroniki. Dzięki nim moglibyśmy transmitować dane z prędkością światła, uniknęlibyśmy też problemu stałego wytwarzania energii cieplnej przez elektrony - tłumaczy Frazier. Różne częstotliwości światła - czyli różne jego barwy - podróżują po częściach optycznych komputera bez interferencji. Umożliwiłoby to urządzeniom fotonowym jednoczesne przetwarzanie wielokrotnych strumieni danych. Złożone operacje, na których przetworzenie nowoczesne komputery potrzebują nawet tysiąca godzin, komputer optyczny wykonałby w ciągu kilkudziesięciu minut.
Kolejną nadzieją komputeryzacji jest sztuczna inteligencja. Od maja eksperymentalne inteligentne oprogramowanie Remote Agent kieruje sondą międzyplanetarną Deep Space 1 i jej unikatowym silnikiem jonowym. - Ten program ponosi całą odpowiedzialność za to, co dzieje się ze statkiem w kosmosie. My tylko zaglądamy mu przez ramię i czasami podrzucamy nieprzyjemne niespodzianki, sprawdzając, czy potrafi je rozwiązać i poprowadzić dalej misję bez konieczności interwencji z Ziemi - mówi Pandu Nayak z NASA Ames. - Ta technologia umożliwi nam badanie kosmosu w sposób, który jeszcze kilka lat temu wydawał się zbyt wyszukany, kosztowny i kompletnie uzależniony od człowieka - podkreśla dr Doug Bernard z NASA Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie. Unikatowe oprogramowanie Deep Space 1 zastępuje kilkuosobową załogę: inżynier pokładowy kontroluje instrumenty i odpala silniki, pilot śledzi kurs statku, dowódca opracowuje działania strategiczne, lekarz monitoruje stan sondy. Wszystkie elementy oprogramowania są zintegrowane i mogą się "konsultować" między sobą. W ostateczności Remote Agent może wezwać na pomoc Ziemię. David Noever i Subbiah Baskaran z NASA Marshall Space Sciences Laboratory chcą poddawać takie statki jak Deep Space 1 "kosmicznemu procesowi ewolucji". - Nasz cel to skonstruowanie komputera zdolnego rozpoznawać różnorodne znaki i wzory oraz reagować na nie. Traktujemy wszystkie możliwe projekty misji podobnie jak chromosomy, którymi natura obdarzyła żywe istoty. Możemy poprawiać i przestawiać ich różne wersje z ogromną prędkością, porównywać je oraz wybierać i powielać tylko najlepsze. W ten sposób przetrwają jedynie te projekty, którym udało się osiągnąć cele misji - mówi Noever. Dziś komputery potrafią stworzyć nie kończące się listy możliwych kombinacji, aby rozwiązać zadany problem. Noever i Baskaran chcą jednak nauczyć swoje urządzenia łączyć najbardziej udane operacje, tak aby kolejne generacje komputerów mogły się doskonalić, ucząc się na błędach popełnionych przez wcześniejszą generację. Taki proces przypomina biologiczny dobór naturalny, w wyniku którego przetrwać mogą tylko najlepiej przystosowane organizmy.
Nowe rodzaje komputerów przeniosą naszą cywilizację z komputerowej epoki kamienia
łupanego w XXI wiek
zPodobny cel stoi przed biologicznymi komputerami. Amerykanie skonstruowali komputer wyposażony w mózg zbudowany z neuronów pijawki. Urządzenie poznało już proste operacje matematyczne, na przykład potrafi dodawać. W przyszłości takie komputery staną się nową generacją szybkich komputerów umiejących rozwiązywać problemy i podejmować samodzielne decyzje bez konieczności uzyskiwania szczegółowych instrukcji. Prof. Bill Ditto, kierujący projektem w Georgia Institute of Technology, uważa dzisiejsze komputery za wyjątkowo ograniczone. "Tylko po uzyskaniu stuprocentowo poprawnej informacji mogą dojść do poprawnego wyniku. Mam nadzieję, że biologiczny komputer będzie potrafił myśleć, czyli znaleźć poprawną odpowiedź na podstawie niepełnej informacji" - stwierdził prof. Ditto. Komputer skonstruowany w Georgia Institute of Technology potrafi myśleć, gdyż neurony pijawki mogą tworzyć własne połączenia z innymi neuronami, podczas gdy normalne komputery tworzą połączenia jedynie wtedy, kiedy nakazuje im to program. "Oznacza to, że komputer biologiczny wypracuje własną metodę rozwiązywania problemów. Te neurony trzeba jedynie skierować w kierunku odpowiedzi, a same ją uzyskają" - zapewnił prof. Ditto. Takie urządzenia będą wyjątkowo przydatne w rozpoznawaniu wzorów i znaków, na przykład do odczytywania pisma ręcznego. Konwencjonalny komputer musiałby mieć ogromną pamięć operacyjną do wykonania takiego zadania. Neurony pijawki, choć znacznie prostsze niż ludzkie, umożliwiają komputerowi działanie zbliżone do ludzkiego mózgu. Celem prof. Ditto jest skonstruowanie robota ze sztucznym mózgiem. Obecne superkomputery są po prostu za duże, aby je umieścić na robocie zdolnym się poruszać.
Pierwszą próbę podjął już Michael Korkin z Genobyte w Boulder (w stanie Kolorado), gdzie trwają prace nad sztucznym mózgiem, który znajdzie się w głowie sztucznego kota o imieniu Robokoneko i pozwoli mu reagować na bodźce w najbliższym otoczeniu. Mózg kota-robota będzie miał prawie 38 mln sztucznych neuronów - zwykle sztuczne sieci neuronowe mają do dyspozycji tylko kilkaset. Sztuczne kocie neurony będą ponadto prawdziwymi urządzeniami elektronicznymi, a nie jedynie generowaną przez program komputerowy symulacją. Każdy neuron składa się z tranzystorów połączonych w komórki potrafiące naśladować łączące neurony aksony i dendryty. Zwykłe sieci neuronowe muszą się też uczyć, jak wykonywać poszczególne zadania. Dzisiaj żaden programista nie byłby w stanie napisać oprogramowania dla sieci tak skomplikowanej jak sztuczny mózg Robokoneko. Badacze chcą więc i tu wykorzystać proces naśladujący ewolucję organizmów biologicznych. "Materiał genetyczny" opisujący strukturę i połączenia sieci powstanie w wyniku ewolucji kolejnych generacji przypadkowych mutacji. Aby dokonać takiej ewolucji, potrzebny jest specjalny chip, wewnątrz którego połączenia mogą ulegać stałej rekonfiguracji. Niedawno stworzyła go kalifornijska firma Xilinx.
Prototyp komputera, który może być mniejszy niż żywa komórka, skonstruowano w Izraelu. Jak donosi "New Scientist", w przyszłości takie maleńkie urządzenia mogłyby wędrować w naszych ciałach, kontrolując stan organów i naprawiając usterki. Plastikowy prototyp skonstruowany przez Ehuda Shapiro z Computer Science Department w Weizmann Institute of Science mierzy 30 cm i został ostatnio zaprezentowany w Massachusetts Institute of Technology. Gdyby zbudować go z cząsteczek biologicznych, mierzyłby zaledwie 25 milionowych części milimetra. Prototyp będzie się zachowywać podobnie jak cząsteczki wewnątrz żywej komórki, potrafiące transportować inne cząsteczki, budować nowe lub rozkładać je na prostsze składniki. Możliwe, że przyszła wersja urządzenia prof. Shapiro doprowadzi do stworzenia komputerów mniejszych niż pojedyncze komórki, lecz zdolnych nimi manipulować. Trudno dziś przewidzieć rozmiar przełomu, jaki dokonałby się w medycynie dzięki takim urządzeniom. "Mogłyby się one poruszać wraz z krwią lub być umieszczane w różnych organach. Taki komputer mógłby wyłapywać nienormalne zmiany biochemiczne w tkance i dzięki swojemu oprogramowaniu decydować, jaki wytworzyć lek" - spekuluje Shapiro, zaznaczając, że coraz prężniej rozwijająca się nanotechnologia sprawia, iż dzień, w którym w naszej krwi popłynie pierwszy mikroskopijny zwiadowca, nie musi być bardzo odległy.
W dzisiejszych komputerach dane przenoszą elektrony, podróżując zwykle między tranzystorami po metalowych przewodach. Przyszłe komputery optyczne będą wykorzystywały fotony pędzące z prędkością światła po włóknach optycznych lub cieniutkich warstwach polimerowych. Wprawdzie w pełni optyczne systemy komputerowe są nadal kwestią przyszłości, już dzisiaj Donald Frazier z NASA Space Sciences Laboratory i Optron Systems Inc. z Bedford pracują nad hybrydami łączącymi w sobie technologie wykorzystujące zarówno elektrony, jak i fotony. Przyszłe procesory komputerowe będą prawdopodobnie zbudowane z materii organicznej, a nie z krzemu. Lecz kluczem do superszybkich komputerów mają się stać cieniutkie warstwy polimerowe nakładane na płytki kwarcowe. Odpowiednio skupiając wiązkę lasera, można będzie na nich rysować linie o średnicy zaledwie mikrona (czyli jednej milionowej metra).
Badacze chcą za pomocą lasera układać z polimerów obwody optyczne i zastąpić nimi elektronikę stosowaną obecnie w komputerach. Donald Frazier wraz z kolegami wytwarza delikatne warstwy polimerowe podczas misji promów kosmicznych. Na orbicie prawie nie występuje konwekcja, zjawisko wywoływane przez ziemską grawitację i zmianę temperatury. Wytwarzane tam warstwy polimerowe są więc znacznie gładsze i bardziej jednorodne niż te uzyskiwane w ziemskich laboratoriach. - Obwody elektroniczne i kable zostaną zastąpione przez niewielką liczbę włókien optycznych i warstw polimerowych, sprawiając, że całe systemy staną się bardziej wydajne i zminiaturyzowane, zniknie też problem interferencji - twierdzi Frazier. Mniejsze i bardziej spójne komputery są często szybsze, gdyż czas niezbędny do przeprowadzenia każdej operacji jest uzależniony od długości połączeń między poszczególnymi częściami komputera. Aby uzyskać optymalną prędkość, buduje się więc coraz mniejsze chipy, umieszczając na nich jak największą liczbę tranzystorów.
W nadchodzących dziesięcioleciach technika komputerowa sięgnie prawdopodobnie do poziomu atomów. Równocześnie z coraz większym zagęszczeniem tranzystorów i połączeń dochodzi do zakłóceń, które mogą sprawiać użytkownikom komputerów wyjątkowo niemiłe niespodzianki, na przykład zmieniając sygnał cyfrowy. Komputery optyczne zlikwidowałyby ten problem, gdyż nie dochodziłoby w nich do zakłóceń. - Cieniutkie warstwy polimerowe wyeliminowałyby wiele problemów będących plagą współczesnej elektroniki. Dzięki nim moglibyśmy transmitować dane z prędkością światła, uniknęlibyśmy też problemu stałego wytwarzania energii cieplnej przez elektrony - tłumaczy Frazier. Różne częstotliwości światła - czyli różne jego barwy - podróżują po częściach optycznych komputera bez interferencji. Umożliwiłoby to urządzeniom fotonowym jednoczesne przetwarzanie wielokrotnych strumieni danych. Złożone operacje, na których przetworzenie nowoczesne komputery potrzebują nawet tysiąca godzin, komputer optyczny wykonałby w ciągu kilkudziesięciu minut.
Kolejną nadzieją komputeryzacji jest sztuczna inteligencja. Od maja eksperymentalne inteligentne oprogramowanie Remote Agent kieruje sondą międzyplanetarną Deep Space 1 i jej unikatowym silnikiem jonowym. - Ten program ponosi całą odpowiedzialność za to, co dzieje się ze statkiem w kosmosie. My tylko zaglądamy mu przez ramię i czasami podrzucamy nieprzyjemne niespodzianki, sprawdzając, czy potrafi je rozwiązać i poprowadzić dalej misję bez konieczności interwencji z Ziemi - mówi Pandu Nayak z NASA Ames. - Ta technologia umożliwi nam badanie kosmosu w sposób, który jeszcze kilka lat temu wydawał się zbyt wyszukany, kosztowny i kompletnie uzależniony od człowieka - podkreśla dr Doug Bernard z NASA Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie. Unikatowe oprogramowanie Deep Space 1 zastępuje kilkuosobową załogę: inżynier pokładowy kontroluje instrumenty i odpala silniki, pilot śledzi kurs statku, dowódca opracowuje działania strategiczne, lekarz monitoruje stan sondy. Wszystkie elementy oprogramowania są zintegrowane i mogą się "konsultować" między sobą. W ostateczności Remote Agent może wezwać na pomoc Ziemię. David Noever i Subbiah Baskaran z NASA Marshall Space Sciences Laboratory chcą poddawać takie statki jak Deep Space 1 "kosmicznemu procesowi ewolucji". - Nasz cel to skonstruowanie komputera zdolnego rozpoznawać różnorodne znaki i wzory oraz reagować na nie. Traktujemy wszystkie możliwe projekty misji podobnie jak chromosomy, którymi natura obdarzyła żywe istoty. Możemy poprawiać i przestawiać ich różne wersje z ogromną prędkością, porównywać je oraz wybierać i powielać tylko najlepsze. W ten sposób przetrwają jedynie te projekty, którym udało się osiągnąć cele misji - mówi Noever. Dziś komputery potrafią stworzyć nie kończące się listy możliwych kombinacji, aby rozwiązać zadany problem. Noever i Baskaran chcą jednak nauczyć swoje urządzenia łączyć najbardziej udane operacje, tak aby kolejne generacje komputerów mogły się doskonalić, ucząc się na błędach popełnionych przez wcześniejszą generację. Taki proces przypomina biologiczny dobór naturalny, w wyniku którego przetrwać mogą tylko najlepiej przystosowane organizmy.
Nowe rodzaje komputerów przeniosą naszą cywilizację z komputerowej epoki kamienia
łupanego w XXI wiek
zPodobny cel stoi przed biologicznymi komputerami. Amerykanie skonstruowali komputer wyposażony w mózg zbudowany z neuronów pijawki. Urządzenie poznało już proste operacje matematyczne, na przykład potrafi dodawać. W przyszłości takie komputery staną się nową generacją szybkich komputerów umiejących rozwiązywać problemy i podejmować samodzielne decyzje bez konieczności uzyskiwania szczegółowych instrukcji. Prof. Bill Ditto, kierujący projektem w Georgia Institute of Technology, uważa dzisiejsze komputery za wyjątkowo ograniczone. "Tylko po uzyskaniu stuprocentowo poprawnej informacji mogą dojść do poprawnego wyniku. Mam nadzieję, że biologiczny komputer będzie potrafił myśleć, czyli znaleźć poprawną odpowiedź na podstawie niepełnej informacji" - stwierdził prof. Ditto. Komputer skonstruowany w Georgia Institute of Technology potrafi myśleć, gdyż neurony pijawki mogą tworzyć własne połączenia z innymi neuronami, podczas gdy normalne komputery tworzą połączenia jedynie wtedy, kiedy nakazuje im to program. "Oznacza to, że komputer biologiczny wypracuje własną metodę rozwiązywania problemów. Te neurony trzeba jedynie skierować w kierunku odpowiedzi, a same ją uzyskają" - zapewnił prof. Ditto. Takie urządzenia będą wyjątkowo przydatne w rozpoznawaniu wzorów i znaków, na przykład do odczytywania pisma ręcznego. Konwencjonalny komputer musiałby mieć ogromną pamięć operacyjną do wykonania takiego zadania. Neurony pijawki, choć znacznie prostsze niż ludzkie, umożliwiają komputerowi działanie zbliżone do ludzkiego mózgu. Celem prof. Ditto jest skonstruowanie robota ze sztucznym mózgiem. Obecne superkomputery są po prostu za duże, aby je umieścić na robocie zdolnym się poruszać.
Pierwszą próbę podjął już Michael Korkin z Genobyte w Boulder (w stanie Kolorado), gdzie trwają prace nad sztucznym mózgiem, który znajdzie się w głowie sztucznego kota o imieniu Robokoneko i pozwoli mu reagować na bodźce w najbliższym otoczeniu. Mózg kota-robota będzie miał prawie 38 mln sztucznych neuronów - zwykle sztuczne sieci neuronowe mają do dyspozycji tylko kilkaset. Sztuczne kocie neurony będą ponadto prawdziwymi urządzeniami elektronicznymi, a nie jedynie generowaną przez program komputerowy symulacją. Każdy neuron składa się z tranzystorów połączonych w komórki potrafiące naśladować łączące neurony aksony i dendryty. Zwykłe sieci neuronowe muszą się też uczyć, jak wykonywać poszczególne zadania. Dzisiaj żaden programista nie byłby w stanie napisać oprogramowania dla sieci tak skomplikowanej jak sztuczny mózg Robokoneko. Badacze chcą więc i tu wykorzystać proces naśladujący ewolucję organizmów biologicznych. "Materiał genetyczny" opisujący strukturę i połączenia sieci powstanie w wyniku ewolucji kolejnych generacji przypadkowych mutacji. Aby dokonać takiej ewolucji, potrzebny jest specjalny chip, wewnątrz którego połączenia mogą ulegać stałej rekonfiguracji. Niedawno stworzyła go kalifornijska firma Xilinx.
Prototyp komputera, który może być mniejszy niż żywa komórka, skonstruowano w Izraelu. Jak donosi "New Scientist", w przyszłości takie maleńkie urządzenia mogłyby wędrować w naszych ciałach, kontrolując stan organów i naprawiając usterki. Plastikowy prototyp skonstruowany przez Ehuda Shapiro z Computer Science Department w Weizmann Institute of Science mierzy 30 cm i został ostatnio zaprezentowany w Massachusetts Institute of Technology. Gdyby zbudować go z cząsteczek biologicznych, mierzyłby zaledwie 25 milionowych części milimetra. Prototyp będzie się zachowywać podobnie jak cząsteczki wewnątrz żywej komórki, potrafiące transportować inne cząsteczki, budować nowe lub rozkładać je na prostsze składniki. Możliwe, że przyszła wersja urządzenia prof. Shapiro doprowadzi do stworzenia komputerów mniejszych niż pojedyncze komórki, lecz zdolnych nimi manipulować. Trudno dziś przewidzieć rozmiar przełomu, jaki dokonałby się w medycynie dzięki takim urządzeniom. "Mogłyby się one poruszać wraz z krwią lub być umieszczane w różnych organach. Taki komputer mógłby wyłapywać nienormalne zmiany biochemiczne w tkance i dzięki swojemu oprogramowaniu decydować, jaki wytworzyć lek" - spekuluje Shapiro, zaznaczając, że coraz prężniej rozwijająca się nanotechnologia sprawia, iż dzień, w którym w naszej krwi popłynie pierwszy mikroskopijny zwiadowca, nie musi być bardzo odległy.
Więcej możesz przeczytać w 29/1999 wydaniu tygodnika Wprost .
Archiwalne wydania tygodnika Wprost dostępne są w specjalnej ofercie WPROST PREMIUM oraz we wszystkich e-kioskach i w aplikacjach mobilnych App Store i Google Play.