Текст книги "Горизонты науки Башкортостана (сборник)"

Это уже реальность…[24]24
  Опубликовано в газете «Истоки» (№ 06, 07.02.2007), газете «Новая экономическая газета» (№ 23, 09–15.06.2007), на сайте «НЭГ», сайте LiveJournal.com, сайте UfaIntell.narod.ru.


[Закрыть]

«Нейрокомпьютеры и их применение» – такова тема доклада заведующего кафедрой вычислительной техники и защиты информации УГАТУ, доктора технических наук, профессора Владимира Ивановича Васильева, прочитанного им на очередном заседании Башкирского отделения Научного совета РАН по методологии искусственного интеллекта. В. И. Васильев – заслуженный деятель науки РФ, автор свыше 300 научных работ в области кибернетики и информатики.

Для справки

История компьютеров насчитывает свыше 60 лет, но она неотделима от истории логических машин, первые попытки создания которых имели место еще в древней Греции. Например, эллины сумели сконструировать механические приспособления для решения отдельных арифметических задач и операций.

Прошли века, и вновь сведения о подобных устройствах появляются лишь в средневековье. В XIII веке испанский философ-теолог Раймунд Луллий сконструировал «логическую машину», состоящую из семи вращающихся вокруг центра кругов, на каждом из которых были написаны слова, обозначающие различные понятия и логические операции. С помощью вращения этих кругов получали всевозможные сочетания понятий.

Спустя четыре века французский философ, математик и логик Блез Паскаль создал суммирующую машину – для выполнения арифметических операций. Через несколько десятилетий великий немецкий ученый и философ, один из создателей дифференциальных исчислений Готфрид Вильгельм Лейбниц в своем исчислении умозаключений (calculus rationator) заложил идею создания думающей машины (machina rationatrix). При этом Лейбниц весьма интересовался созданием вычислительных машин в металле.

Но все-таки настоящей логической машиной является появившийся во 2-й половине XVIII века «демонстратор» Ч. Стенхопа, который решал элементарные задачи формальной логики, выводил следствия из количественно определенных посылок. А уже в середине XIX века сконструированная Беббиджем цифровая автоматическая машина оперировала с десятичными цифрами.

В 1869 г. английский логик и экономист Уильям Стэнли Джевонс построил «логические счеты» и свой вариант «логической машины», имевшей вид фортепиано с клавишами. На одних клавишах буквы обозначали субъекты суждения (предметы мысли), на других – предикаты суждения (высказывания о предметах мысли). Остальные клавиши выполняли различные команды. Машина Джевонса решала задачи быстрее человека.

Но не прошло и полутора десятилетия, как была создана еще более совершенная вычислительная машина А. Маркванда, которая выполняла логические операции уже с четырьмя независимыми переменными.

В 1904 г. выдающийся русский математик, механик и кораблестроитель академик А. Н. Крылов сконструировал первую механическую вычислительную машину для решения дифференциальных уравнений. Дело Джевонса и Крылова продолжили русские ученые П. Д. Хрущов и А. Н. Щукарев. Первому из них удалось построить логическую машину, которая производила разложение булевых (логико-математических) функций четырех переменных на конституэнты логической единицы. Щукарев же усовершенствовал машину Хрущова, введя электрическую индикацию ответа.

С середины 40-х годов XX века началась эра кибернетики и ЭВМ.

От АВМ к нейрокомпьютерам

Как уже указывалось, вся история вычислительной техники в современном смысле укладывается в немногим более полвека. В 1944 г. в США была создана автоматическая вычислительная машина «Марк-1», имевшая электромагнитное реле и перфоленту, на которой записывались числа и операции с ними. Затем в 1945 г. американский математик венгерского происхождения Джон (Янош) фон Нейман предложил помещать программу вычислений, записанную двоичным кодом (системой двухсимвольных алгоритмов), в запоминающее устройство самой ЦВМ (цифровой вычислительной машины). Отсюда берут старт настоящие ЭВМ (электронные вычислительные машины). Годом позже в СССР была разработана первая АВМ (аналоговая вычислительная машина). А четырьмя годами позже под руководством советского электротехника академика С. А. Лебедева была создана первая ламповая ЦВМ «МЭСМ». Эти машины уже могли осуществлять до 20 тысяч операций в секунду.

Первая американская ЭВМ «ЭНИАК» была создана в 1945 г. по заказу ВМС США. Над ней работали специалисты из Пенсильванского университета – Голдстайн, Моучли и Эккерт. Эта машина имела 18 тысяч электронных ламп и в тысячу раз превосходила по быстродействию релейные вычислительные машины. Затем была сконструирована вторая американская ЭВМ «ЭДВАК» – в том же Пенсильванском университете.

За шестьдесят с небольшим лет последовательно сменилось пять поколений ЭВМ. Первое поколение ЭВМ – ламповые (1951–1960 гг.), всего их было выпущено около шести с половиной тысяч. Эти машины могли хранить большие запасы информации, автоматически выбирать из них необходимые сведения и производить не только математическую и статистическую обработку информации, но и логические операции.

Затем пошло второе поколение ЭВМ – полупроводниковые (конец 50-х – середина 60-х гг.). Эти машины на транзисторах могли производить до 1 млн. операций в секунду, у них были меньшие габариты и большая надежность.

Машины третьего поколения (середина 60-х – середина 70-х гг.) имели память уже в электронном исполнении – на интегральных схемах, представляющих собой маленькие пластинки из кристаллического вещества (кремния, германия), заменяющие громоздкие блоки из тысяч элементов. Это придало им еще большую надежность. Быстродействие достигло нескольких десятков миллионов операций в секунду.

Четвертое поколение ЭВМ на больших и сверхбольших интегральных схемах (середина 70-х гг. – по настоящее время) отличается быстродействием в десятки и сотни миллиардов операций в секунду. На их основе были созданы первые персональные компьютеры: в 1971 г. был изготовлен первый микропроцессор «INTEL-4004», а в 1974 г. – первая персональная ЭВМ «Альтаир-8080». С начала 80-х годов созданы суперЭВМ, в работе которых используются параллельные алгоритмы и кластеры.

Ожидается, что ЭВМ пятого поколения будут построены с использованием методов и средств искусственного интеллекта (база знаний, подсистема общения с пользователем, речевая связь, непроцедурные языки высокого уровня, эвристические возможности машины). С другой стороны, интеллектуальный интерфейс этих машин требует больших затрат. И вот здесь на первый план выходят принципиально новые вычислительные машины – нейрокомпьютеры (НК).

Отличительной особенностью пяти поколений традиционных ЭВМ было использование разработанной фон Нейманом архитектуры – элементов двоичной системы исчисления (двоичной переменной, принимающей значения единицы и ноля) для компьютеров. Нейрокомпьютеры – это вычислительные системы с архитектурой аппаратного и программного обеспечения, адекватной выполнению алгоритмов, представленных в нейросетевом логическом базисе (со 2-й половины 80-х гг.). То есть в НК используются не элементы двоичной логики, а искусственные нейроны (нервные клетки).

Нейрон и персептрон

Первая модель биологического нейрона была предложена еще в 1943 году американскими учеными – нейрофизиологом Уорреном Мак-Каллохом и математиком-кибернетиком Уолтером Питтсом. В то время считалось, что эквивалентом нейронных сетей в вычислительной технике могут послужить вакуумные лампы. При этом принцип работы нейронов (их возбуждение) аналогичен однократному выбору – по типу «да-нет», производимому при определении разряда двоичного числа. То есть синапс (контакт между нейронами) точно так же определяет – будет ли определенная комбинация выходных сигналов от предыдущего элемента служить для возбуждения (передачи информации, данных) следующего элемента.

В настоящее время под искусственным нейроном рассматривают обобщенную модель, состоящую из аналогов дендритов (воспринимателей сигналов, передающих нервные импульсы в тело нейрона) и синапсов, входов сумматора, сумматора (аналога тела нейрона), выходов сумматора (аналогов аксона – проводника импульсов от тела нейрона наружу). Каждый из входов сумматора имеет свой вес, отсюда главная особенность искусственного нейрона – настраиваемость всех его весовых коэффициентов (весов синаптических связей).

Ныне насчитывается около 200 разновидностей архитектур (структурных типов) нейронных сетей, например, радиально-базисные сети, многослойные сети Хопфилда, самоорганизующиеся сети Кохонена, рекуррентные (динамические) сети, когнитроны, неокогнитроны… Наиболее известным является персептрон (восприниматель) Розенблатта, по сути, представляющий собой «черный ящик», который настраивается на решение какой-либо конкретной задачи. В нем реализуются входные, выходные и скрытые слои нейронов. Эта модель была предложена в 1958 г. Ф. Розенблаттом и представляет собой 1-й класс нейронных сетей.

Существует несколько способов программно-аппаратной реализации нейрокомпьютеров (при этом используется любой подходящий материальный носитель). Программная эмуляция нейронных сетей (нейроимитаторы) базируется на реализации алгоритма обучения (нейросетевого алгоритма). На базе супер-ЭВМ (многопроцессорных ЭВМ) строятся нейронные сети большого объема. Следующие типы программно-аппаратной реализации НК: на основе программируемых логических интегральных схем и сверхбольших интегральных схем (нейрочипов), к таким относятся 64-разрядные микропроцессоры со статической суперкалярной архитектурой NM6403 и NM6404 – Neuro Matrix, выпускаемые московской фирмой «Модуль» по технологии Samsung. В оптических НК задачи реализуются на элементах оптики. И, наконец, самые передовые технологии – квантовые НК (нанонейрокомпьютеры), имеющие атомно-молекулярные размеры, в том числе ДНК-компьютеры. Преимущество таких компьютеров в том, что они могут решать задачи, превосходящие по своей сложности в тысячи и более раз задачи, которые способны решать любые цифровые (даже самые продвинутые) ЭВМ. А так как все материальные объекты состоят из наноструктур (элементарных частиц, атомов, молекул, макромолекул), то наиболее перспективным представляются разработки именно в этом направлении.

Сухой остаток

Итак, подытожим. Отличительными особенностями нейрокомпьютеров являются: 1) в качестве элементного базиса выступают не элементы пороговой логики (триггеры, регистры, счетчики), а искусственные нейроны – простейшие процессорные элементы с настраиваемыми связями (весами); 2) НК не программируются, а обучаются на примерах; 3) НК позволяют решать плохо формализованные задачи; 4) в силу параллельной архитектуры они имеют потенциально высокое быстродействие и отказоустойчивость (нейроны в нейрочипах более продуктивны, так как могут взаимозаменять друг друга); 5) по критерию «эффективность (качество)/стоимость» они превосходят другие типы ЭВМ.

Самое главное, с помощью НК можно решать плохо формализованные задачи, которые трудно алгоритмизируются, но успешно решаются человеком. Например, распознавание образов, классификация (кластеризация) данных, прогнозирование (предсказание), аппроксимация функций – замена сложных математических объектов более простыми и приближенными (нейросеть – универсальный аппроксиматор-заменитель), оптимизация (решение сложных линейных уравнений) и многое другое.

Практически НК будут использоваться в авиации (управление, навигация, контроль, диагностика, выбор оптимального маршрута), медицине (диагностика, прогнозирование, «кибернетический двойник» – нейросетевая модель человека, на которой проигрываются варианты лечения), бизнесе, финансах, политике (прогнозирование ситуаций, выбор решений – альтернатив), информационной безопасности (биометрические системы идентификации, распознавание лиц и изображений, системы обнаружения атак), энергетике (прогнозирование потребления электроэнергии, диагностика режимов и технического состояния агрегатов), строительстве (виброзащита, управление колебаниями – защита от землетрясений), космосвязи (обработка изображений со спутников) и во многих других областях экономики, политики и социокультурной жизни общества.

Прогнозируется, что к 2030 г. НК сравнятся с человеческим интеллектом. Уже сейчас разработкой и внедрением нейрокомпьтерной техники в мире занимаются свыше 300 фирм и фактически все университеты. Американцы, например, тратят на развитие информационно-вычислительной техники, значительную часть в котором ныне уделяют НК, порядка 2 миллиардов долларов в год. В России, к сожалению, цифры на несколько порядков ниже.

Настало время, когда сама национальная безопасность страны зависит от успешных разработок и скорейшего внедрения новейших информационных и биологических технологий. Нанотехнологии и нейрокомпьютеры в своем влиянии на общественный прогресс приобретают все большее значение. Научно-исследовательский и опытно-конструкторский потенциал нашей страны еще достаточно велик, необходимо задействовать его полностью, а для этого нужна поддержка властей, и прежде всего – адекватные финансовые вливания в эту сферу.

Прорыв в будущее[25]25
  Опубликовано в газете «Истоки» (№ 20, 16.05.2007), газете «Новая экономическая газета» (№ 20, 19–25.05.2007, № 49, 08–14.12.2007), на сайте «НЭГ».


[Закрыть]

На одном из заседаний Башкирского отделения Научного совета РАН по методологии искусственного интеллекта завкафедрой математики и информатики БИСТ профессором М. Доломатовым был прочитан интереснейший доклад на тему нанотехнологий. Так что же такое нанотехнология и с чем ее едят?

Мизерные устройства

Греческое слово «нанос» означает «гном», им обозначают миллиардные части целого. Нанотехнологии – область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств размеров порядка нанометра (по системе единиц СИ, 10⁻⁹ метра).

Историк науки Ричард Букер отмечает, что историю нанотехнологии создать сложно из-за неопределенности самого этого понятия. Чарльз Пул, автор книги «Введение в нанотехнологию», приводит такой пример: в Британском музее хранится так называемый «Кубок Ликурга», изготовленный древнеримскими мастерами, – он содержит микроскопические частицы золота и серебра, добавленные в стекло. При различном освещении кубок меняет цвет – от темно-красного до светло-золотистого. Но это не означает, что в Риме была использована нанотехнология.

Обычные и нанотехнологии

Вещество может иметь качественно новые физические и химические свойства, если оно очень мелко раздроблено. Частицы размерами от 1 до 1000 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства: например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Уже сегодня ученым удалось добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров – рибосомами, белками, нуклеиновыми кислотами… Наночастицы могут организовываться в пространственные структуры. Такие структуры также проявляют необычные химические и физические свойства.

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных инженерных дисциплин, потому что это технологии микромира, или пограничной области между нашим и квантовым миром. Обычные технологии металлов, химические технологии в таких масштабах совершенно изменяются. Очень сильно начинают проявляться квантовые свойства вещества. Это дает возможность разработки таких устройств, как молекулярные машины, нанороботы, квантовые компьютеры, молекулярные компьютеры и прочее.

Нанотехнологии и современный мир

Уже к 2004 году мировые инвестиции в сферу разработки нанотехнологий почти удвоились по сравнению с 2003 годом и достигли $10 млрд. Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в этой сфере стали Япония и США. На долю США ныне приходится примерно треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Много в этой области работают Европейский Союз, Япония, Канада, Китай, Южная Корея, Израиль, Сингапур, Бразилия и другие государства. В США одни только федеральные ассигнования на нанотехнологические программы и проекты выросли с $464 млн. в 2001 году до $1 млрд. в 2005-м. В 2006 году США выдели на эти цели дополнительно $1,1 млрд. Еще $4 млрд. в 2006 году потратили на те же цели американские корпорации. На Западе нанолаборатории создают гиганты большого бизнеса – например, General Electric, IBM, Bell, BASF, крупные университеты. Прогнозы показывают, что к 2015 году общая численность персонала различных отраслей нанотехнологической промышленности может дойти до 10 млн. человек, а суммарная стоимость товаров, производимых с использованием наноматериалов, приблизится к $1 трлн.

Начало

В 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. В 1968 году Альфред Чо и Джон Артур разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей. В 1974 году японский физик Норио Танигучи ввел слово «нанотехнологии», которым предложил называть малые устройства, размером один микрон и меньше. В 1981 году германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный различать атомы. В 1985 году американские физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали с помощью электронной микроскопии технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром нанометр, появились манипуляторы для работы с такими объектами. В 1989 году Дональд Эйглер, инженер фирмы IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона. В 1998 году появились первые наноустройства. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

Где используются наноматериалы?

В настоящее время наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, композиционных материалов, спортивного оборудования и инвентаря, военного снаряжения, транзисторов и диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки, косметики и одежды. В 2002 году на Кубке Дэвиса были впервые использованы теннисные мячи, созданные с использованием нанотехнологий. В общей сложности в США и на Западе сейчас применяют нанотехнологии при производстве около 100 групп потребительских товаров и свыше 1000 видов материалов различного назначения.

Нанокирпичики

Таковыми являются молекулы углерода, напоминающие футбольные мячи, – фуллерены C60 и углеродные трубки фуллерены. Эти структуры были открыты в 1985 году (Нобелевская премия по химии за 1996 год была присуждена первооткрывателям фуллеренов Роберту Керлу, Гарольду Крото и Ричарду Смалли). В 1991 году японским исследователем Сумио Иижима были получены углеродные нанотрубки. Диаметр таких трубок – 0,9 нм, длина – нескольких десятков микрон, поэтому они и получили название нанотрубок.

Как получают нанотрубки?

Это довольно сложная химическая технология, хотя в ее основе очень простое явление – вольтова дуга (плазма дугового разряда). При высокой температуре происходит образование углеродных веществ. Наиболее распространенным способом получения углеродных нанотрубок является термическое распыление графитовых электродов. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под повышенным давлением. При горении плазмы происходит испарение анода, при этом на поверхности катода образуется осадок, в котором имеются нанотрубки углерода. Аналогично производят фуллерены. В настоящее время производство этих материалов выходит на сотни тонн в год.

Достижения нанотехнологий

В Стенфордском университете удалось создать транзистор из одностенных углеродных нанотрубок и некоторых органических материалов. Эриком Дрекслером был предложен проект механокомпьютера – компьютера, в котором все логические операции, хранение и обработка информации производятся с помощью последовательных движений системы стержней (как в первых счетных машинах Блеза Паскаля). Размеры нанокомпьютера на механотранзисторах составляют всего 400х400х400 нм. Если представить себе такой механокомпьютер в сравнении с красной кровяной клеткой (эритроцитом), то последняя будет больше в 10–15 раз! При этом вычислительная мощность нанокомпьютера – 1016 операций в секунду, что можно сравнить с производительностью персоналки на Pentium II с тактовой частотой 1–1,3 ГГц.

В перспективе нас ждет появление гибких компьютеров, которые можно складывать как угодно, и пленочных экранов на нанотрубках. Симбиоз наноэлектроники и достижений биотехнологии позволит делать такие имплантаты, что не снились даже фантастам. Формы жизни, созданные на биоэлектронной основе, будут, в принципе, универсальны – они смогут приспособиться как к вакууму, так и к агрессивным средам, и при этом размножаться. Искусственный интеллект, скорее всего, будет реализован именно в наноэру.

Разработано уже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Например, созданы и опробованы дисплеи, работающие на матрице из нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и вызывают свечение пикселя.

В университете Райса построили модель автомобиля, состоящую из одной молекулы. Шасси автомобиля имеет две пары колес в виде сферических молекул фуллерена. На них наномашина может перемещаться по идеально гладкой поверхности золотого кристалла. Ее диаметр – около 4 нанометров, роль «колес» выполняют фрагменты фуллерена-60, а «шасси» и «ось» – химические связи, которые содержат атомы углерода и водорода. Синтез автомобиля длился около полугода. Размер автомобиля составляет всего 4 нанометра. Исследователи снабдили этот автомобиль двигателем, который состоит из молекулы, меняющей свою форму, когда на нее падает квант света. За счет этих изменений автомобиль может самостоятельно двигаться по поверхности. За движением автомобиля наблюдали с помощью туннельного микроскопа. Это не просто экзотика науки. Это прототипы нанороботов. Ожидается, что уже к 2025 году появятся первые нанороботы.