Текст книги "Дороги, дураки и компьютеры. Есть ли будущее у России"

Цифровые технологии

Числа правят миром

Пифагор

Я понял одну простую истину. Чудеса надо делать своими руками.

А. Грин

Важность чисел в нашей жизни настолько велика, что человечество очень долго верило в магию цифр и чисел. Люди верили, что мир чисел определяет всю нашу жизнь. Числа правят миром – говорил великий мыслитель древности Пифагор. Это была целая наука – каббала. Многое из этой магии нам досталось в наследство. Например, мы знаем, что 3 и 7 – это счастливые числа, 6 – несчастливое, 666 – число дьявола, а 777 – такое счастливое, что им можно назвать хороший портвейн. Повлияла эта магия и на создание нашей истории.

Каббалистическая хронология истории

Получив в свое распоряжение Библию, человечество, естественно, захотело привязать описанную там историю сотворения мира к текущему времени. Не имея никаких других методов, пришлось использовать магические числа каббалы. Именно благодаря играм со счастливыми и несчастливыми числами мы получили «историю» от сотворения мира до рождества Христова. Известные факты и мифы были привязаны к конкретным векам и годам. Так в XII – XIII веках мы получили «историю» человеческой цивилизации – древний мир – античный мир – средние века – наше время. Историю, в которой, чем дальше от нашего времени, тем больше известно деталей о живших тогда людях. Историю, в которой все умные вещи придумали или сказали древние греки, а потом на долгие века обычные греки все это забыли. Китайцы придумали порох и компас, но были завоеваны безграмотными скотоводами «монголами», которые уже как «татары», ничего не изобретая, умудрились завоевать полмира и т. д. и т. п. Так что роль цифр и чисел нельзя недооценивать! Особенно если в дело «сотворения» мира постоянно вмешиваются политики и религии.

Необъятный цифровой мир

Роботы, киборги, искусственный интеллект – это цифровые технологии. Томографы, позволяющие врачу рассматривать практически любой орган человека так, как будто он держит его в своих руках, тренажеры, видеокамеры, фотоаппараты, телефоны, Интернет и всемирные библиотеки – это цифровые технологии. Для решения этих задач ученые и инженеры вынуждены создавать все новые компьютеры с фантастической памятью и быстродействием. Приходится учить единицы измерения, которые раньше знали только физики-теоретики, и придумывать новые единицы – уже специфически компьютерные.

Кило, Мега, Гига, Тера, Пета, Экса – что дальше?

Чтобы не путать привычное десятичное «кило» = 1000 (10³) с двоичным (2¹⁰) = 1024, международная организация International Electrotechnical переименовала «кило» в «киби». Кбайт теперь нужно произносить как Кибибайт, Мбайт (10⁶) как Мебибайт (2²⁰) и т. д. Но суть не в этих словах, а в огромных объемах памяти и производительности современных ЭВМ. Когда-то память ЭВМ, измеряемая в Кбайтах, считалась хорошей, а теперь приличные люди даже Мбайты не уважают. Теперь приличный объем памяти это Гига (10⁹) – Гиби (2³⁰), Тера (10¹²) – Теби (2⁴⁰), Пета (10¹⁵) – Пеби (2⁵⁰), Экса (10¹⁸) – Эксби (2⁶⁰). То же самое происходит с быстродействием ЭВМ. Еще живо поколение людей, восторгавшееся производительностью в сто и тысячу операций в секунду. Сегодня миллионы и миллиарды операций в секунду – это норма-минимум. Уже не фантастика производительность, измеряемая в Тфлопс (терафлопс) – триллион (10¹²), Пфлопс (петафлопс) – тысяча триллионов или миллион миллиардов (10¹⁵) операций в секунду. Пропускная способность каналов связи между процессорами в современных супер ЭВМ такова, что все содержание нынешних Интернет-сайтов в мире может быть пропущено через них всего за одну секунду.

Суперкомпьютеры создаются без рекламной шумихи.

Но не только потому, что основными заказчиками такой техники являются военные. Область применения суперкомпьютеров – задачи метеорологии, физики элементарных частиц, моделирования ядерных взрывов, сбора и обработки данных, поступающих с места военных действий. Результаты, достигнутые в последнем случае, все могли наблюдать во время бомбардировок Белграда. Изображение на ТВ-экранах, якобы заснятое из кабины бомбардировщика, на самом деле – результат компьютерного синтеза по данным, поступавшим с места боя в реальном времени.

Но, слава богу, мирные применения суперкомпьютеров постепенно вытесняют военные. Одной из первоочередных задач является расчет конфигураций молекул (фолдинг) белков. При успешном ее решении изменится вся мировая фармацевтическая промышленность. Например, стало бы возможно производство лекарств под конкретного больного, а не под болезнь вообще. Была бы, наконец, реализована мечта медиков всех поколений – лечить человека, а не болезнь. Но задача фолдинга имеет сумасшедшие размерности – молекула гемоглобина, состоящая из четырех единиц по 150 аминокислот, может иметь минимум 10¹⁵⁰ состояний, что превышает количество элементарных частиц во Вселенной. Справиться с этим математическим кошмаром не могут даже самые быстрые современные компьютеры.

Мир чувств, мозг и компьютер

В школе нас учили, что у человека пять основных органов чувств – зрение (глаза), слух (уши), вкус (язык), обоняние (нос), осязание (кожа). Все остальное мы называли шестым чувством, относя туда и интуицию, т. е. информацию, получаемую из подсознания. На самом деле у человека есть еще и мышечное чувство, вестибулярная чувствительность, чувство голода и еще много чего.

Говорят, что некоторые чувствуют опасность. А другие через подсознание могут общаться с Богом (всемирным информационным полем, мировым разумом, ноосферой).

Но если отключить мозг, то ничего чувствовать человек не будет. И, наоборот, в мозг можно специальным способом послать соответствующие сигналы и человек будет чувствовать себя так, как если бы получил их от своих собственных органов чувств. Голодному человеку, стоящему на краю пропасти и на холодном ветру, можно внушить, что он счастлив и что он птица. Значит, главный орган в человеке – мозг. Как мозг запоминает и обрабатывает информацию, наука еще не выяснила. А вот как это делает компьютер, известно даже школьникам. Здесь все просто и понятно. Компьютер обрабатывает цифры. То, что они двоичные, совсем не важно. Главное – это цифры, т. е. обозначение количества. Даже когда говорят о качестве – все равно это количество чего-то. И мы это количество видим, слышим, обоняем, осязаем и ощущаем.

Звук – это когда воздушные волны ударяют в барабанную перепонку. У звука есть громкость, тон, тембр и т. д. Все это измеримо в цифрах. Свет – это когда другие волны ударяют в глаза. У света есть цвет, яркость, насыщенность и т. д. Опять все измеримо. Про обоняние, осязание и вкус мы знаем меньше, но и эти ощущения измеряемы. Значит, их также можно обрабатывать в компьютере. А как потом результаты этой обработки донести до наших органов чувств – это дело техники и экономической целесообразности.

Практически все звуки, окружающие нас в жизни, в той или иной мере уже подверглись цифровой обработке. Например, если вы говорите по телефону, то весьма вероятно, что ваш телефон или телефон вашего собеседника подключен к цифровой АТС. В этом случае звуки голосов преобразовываются в цифры, передаются по цифровым каналам и потом снова превращаются в аналоговые сигналы. Если вы ведете международный разговор или используете сотовый телефон, то цифровая обработка звука присутствует наверняка.

Если вы решили послушать УКВ-радиоприемник, то знайте, что практически все радиостанции буквально нашпигованы цифровой звуковоспроизводящей техникой и компьютерами. Особенно заметно преимущество цифровой технологии при копировании звука. Копирование цифровых данных осуществляется байт в байт. Если в процессе копирования произойдет ошибка, то операционная система известит вас и предоставит возможность повторить операцию. Копия полностью совпадает с оригиналом. Для аналоговой техники это невозможно! При любом копировании аналогового сигнала качество звука ухудшается.

– Вот говорят: Карузо, Карузо… Ни слуха, ни голоса, да еще и картавит.

– А вы слышали?

– Сам не слышал, но мне Рабинович по телефону напел.

Старый анекдот

Обучить компьютер понимать человеческую речь и «озвучивать» текстовые сообщения – заманчивая задача. Именно ее решает компьютерная телефония – технология, основанная на интеграции телефона и компьютера в единую среду. С одной стороны, компьютер используется для коммутации телефонных вызовов, а с другой, телефон превращается в средство удаленного доступа к компьютерным ресурсам. Сюда же относятся и другие компьютерные системы, связанные с поддержкой передачи информации по телефонным линиям, такие как голосовая почта, факсимильная почта, факс-серверы и т. д.

Распознавание речи

Упрощенно процесс машинного распознавания речи можно описать в нескольких фразах. Аналоговый сигнал, генерируемый микрофоном, оцифровывается, далее в речи выделяются так называемые фонемы, то есть элементарные фрагменты, из которых состоят произносимые слова и определяется, какое слово какому сочетанию фонем соответствует. Из всего этого строится словарь. Распознать слово – значит, найти его в этом словаре по произнесенному сочетанию фонем.

Но, во-первых, человек обычно не делает паузы между словами, а при слитном произнесении к задаче распознавания прибавляется еще и задача выделения слов из потока речи. Особенно «неприятной» кажется необходимость выделять односложные слова – именно с ними и связано максимальное число ошибок реально существующих систем. Можно, конечно, потребовать, чтобы человек произносил слова по одному, делая достаточно продолжительные паузы. Не очень удобно, но для подачи простых команд сгодится.

Следующая проблема – различие диалектов, дикций и прочие особенности говорящих. Для того чтобы система работала устойчиво, она должна, например, «осознавать», что мягкое южное и твердое северное «г» – это одна и та же буква. А звук «р» чего стоит! Специалисты утверждают, что речь человека столь же индивидуальна, как отпечатки пальцев. Именно из-за этих и многих других проблем до полного решения задачи распознавания речи по-прежнему весьма далеко. И все-таки, уже появились технологии, которые позволяют работать с почтой, контактной информацией и расписанием через голосовой интерфейс.

Преобразование текст-речь.

Так называется технология, позволяющая генерировать речь по тексту. Основная область применения – различные автоматические системы, предусматривающие голосовую передачу информации: справочные системы или программы автоматического чтения по телефону Сегодня уже существуют алгоритмы синтеза речи по текстам на английском, немецком, испанском, японском, русском и ряде других языков.

Помните, как в детстве мы перерисовывали картинку? На картинку наносилась сетка, на чистый лист бумаги такая же, и затем, клеточка за клеточкой изображение с картинки переносилось на бумагу. Так можно перенести на чистый лист бумаги не только графику, но и цвет-свет каждой клеточки исходной картинки. И чем больше клеточек, тем более похожим на оригинал будет наше произведение.

А ведь картинку можно описать.

Координаты клеточек обозначать как в игре «Морской бой» (a1, а2….. ж10), а их цветосветовые характеристики буквами типа: тк – тёмнокрасный, сз – светлозеленый, ее – светлосерый и т. д. А теперь представьте, что клеточек мы сделали 1200×800 и с помощью оптики перенесли картинку не на разграфленный лист бумаги, а на специальную светочувствительную матрицу. Каждая клеточка матрицы соединена с определенным участком памяти компьютера, в которой запоминается все о цвете-свете этой клеточки. Теперь в цифрах. Это цифровое описание изображения можно обрабатывать, а затем выводить на экран или с помощью принтера на бумагу.

ПЗС (прибор с зарядовой связью) или ПЗС-матрица

Такой светочувствительный прибор был изобретен в 1970 году и получил название ПЗС (прибор с зарядовой связью) или ПЗС-матрица. Первоначально эта технология нашла применение в телевидении. Именно появление ПЗС-матриц позволило создать легкие репортажные камеры с батарейным питанием, а затем и домашние видеокамеры. Фотография на основе аналогичной технологии возникла позже, т. к. для движущейся телевизионной картинки качество не столь важно, как для статического фотоизображения. Все дело в количестве светочувствительных клеточек. Если в матрице 1200 клеточек по горизонтали и 800 по вертикали, то всего их 960000, а для хорошей цифровой видеокамеры нужна ПЗС-матрица с количеством таких элементов не менее 1.5 миллиона, для хорошего фотоаппарата – не менее 3 миллионов. А ведь для описания изображения по каждой из этих миллионов клеточек нужна информация о ее цветосветовых характеристиках. Представляете, какое море нулей и единиц должно быть записано в памяти компьютера? А если картинка еще и меняется 25 раз в секунду? И при этом для обработки и превращения этого моря нулей и единиц в картинку компьютер должен выполнять множество самых разных операции? Вот все это и называется цифровыми видео технологиями.

Бурная экспансия цифровых технологий

Первые системы компьютерной графики (КГ) появились вместе с первыми цифровыми компьютерами. Началом эры КГ можно считать проект 1950 года Массачусетского технологического института. Система имела дисплей и этого оказалось достаточно, чтобы пробудить интерес телевидения.

1960-е годы – первые коммерческие и теоретические вехи

Докторская диссертация Ивана Сазерленда 1963 года явилась теоретической основой для программного обеспечения компьютерной графики. К середине 1960-х наступил период плодотворной работы и в промышленных приложениях КГ.

1970-е годы – системы «под ключ» и растровые системы

В конце шестидесятых – начале семидесятых в области КГ начали работать новые фирмы. Если ранее для выполнения каких-либо работ покупателям приходилось устанавливать уникальное оборудование и разрабатывать новое программное обеспечение, то с появлением разнообразных пакетов программ, облегчающих процесс создания изображений, чертежей и интерфейсов, ситуация существенно изменилась. За десятилетие системы «под ключ» стали настолько совершенны, что почти полностью изолировали пользователя от проблем, связанных с программным обеспечением. В конце семидесятых в КГ произошли значительные изменения. Память для дисплеев стала дешевле, появилась возможность создания растровых дисплеев, имеющих множество преимуществ: вывод больших массивов данных, устойчивое изображение, работа с цветом.

1980-е годы – уменьшение соотношения цена/производительность

В восьмидесятые полного расцвета достигло первое приложение – «убийца» компьютерной графики как чистой технологии. Это были системы автоматизированного проектирования CAD/CAM – одно из первых применений КГ, способном вернуть сделанные в нее капиталовложения. ПК также развивались как важная часть компьютерной графики, особенно с появлением в 1984 году модели Apple Macintosh с их графическим интерфейсом пользователя. К концу десятилетия программное обеспечение имелось для всех сфер применения: от комплексов управления до настольных издательских систем. Эти годы характеризовались существенным повышением производительности и снижением соотношения цена/производительность. Манипулятор «мышь» стал естественным графическим устройством ввода, наряду с сенсорными системами. Вследствие появления интереса к работе с трехмерными изображениями возникли устройства ввода, обладающие шестью степенями свободы; сенсорное устройство позиционирования вместе с разнообразными очками, реагирующими на положение руки и движение пальца руки.

В конце десятилетия акцент сдвинулся в сторону обработки, хранения и передачи сканируемых пиксельных изображений. Стала более реальной возможность создания стереоизображений. Ранние системы использовали двухцветную (обычно красный и зеленый) технику, которая ограничивала реальность, а также объемные и дорогие вибрирующие мембраны. К 1989 году стало возможным купить стереоскопические очки или полноэкранный жидкокристаллический дисплей с поляризующими панелями. Очки имели компактную батарейку возле ушной раковины и были связаны с терминалом посредством беспроволочного инфракрасного соединения. Следствием этого стало широкое внедрение стереоскопического программного обеспечения в приложения, использующие трехмерную визуализацию, например при моделировании молекул.

1990-е годы – неограниченные возможности

Процессоры рабочих станций стали иметь быстродействие, достаточное для управления как векторной, так и растровой информацией. Но настоящее видео – это слияние этих двух форм. Добавились аудиовозможности и возникла компьютерная среда. Сжатие данных стало технологией, влияющей на продвижение мультимедиа с интерактивными компакт-дисками и системами видеоконференций. Становятся обычным явлением высокоскоростные оптоволоконные сети с диапазонами частот на два порядка выше, чем сети с коаксиальными кабелями. Это естественным образом повлияло на конструкцию рабочих станций и их сетей, в которых уже нет места большим хранилищам данных в каждом узле. Появились системы, распознающие индивидуальные особенности пользователя. На разных стадиях разработки находятся способы организации интерфейсов на базе голоса и жестов. Увеличение возможностей трехмерной графики способствует развитию графических интерфейсов, появились фантастические дисплеи и принтеры. А на подходе четырехмерная (и далее) графика! Короче, читайте книгу далее.

Искусственный интеллект, роботы и киборги

Человек был создан в последний день творения, когда Бог уже утомился

Шутка

Существует средневековая легенда. Кельн середины XIII столетия. В одном из центров теологии работают монах Фома Аквинский и его учитель Альберт фон Болынтедт, за свою ученость еще при жизни прозванный Великим. Альберт часто создавал хитроумные устройства и механизмы. Однажды, придя к нему в гости, Фома увидел женщину, тело которой светилось каким-то неземным светом. Она подняла руку, повернула к нему голову и вежливо поздоровалась. Но было в ней что-то неживое. Воспитанный в благочестии и почитании бога, Фома сразу же понял, что это дьявольское наваждение и тростью разбил лучшее инженерное творение того времени – человекоподобную куклу, которая умела ходить, двигать руками и говорить.

Сказки не возникают на пустом месте. Идеи гомункулусов – человекоподобных существ, которых якобы создали искусственно в XVI веке, андроидов – механических людей XVIII века, роботов XX века – вытеснивших название «андроиды», были попытками моделирования человеческого поведения и человеческих возможностей. И усилия, потраченные на их создание – не напрасны. Был положительно решен вопрос о возможности механической имитации антропоморфных движений. Следствием стало развитие науки биомеханики, что позволило в наше время создавать протезы для людей. Параллельно попыткам моделирования внешних человеческих возможностей шел поиск имитации процессов мышления. Этим занимались: Сократ (сократические беседы), Аристотель (теория силлогизмов), Гиллель (герменевтика), Ф. Бэкон (индукция), Д. Буль (математическая логика) и т. д. К середине XX века сформировалась теория логических рассуждений.

На недостатки естественных человеческих языков, связанные с их многозначностью и неточностью, обращали внимание еще в Древней Греции. В XVII веке идея создания точного «философского» языка для описания знаний об окружающем мире нашла многочисленных сторонников. Попытки Декарта, Тирояна, Лейбница не увенчались успехом, Но усилия, потраченные на создание философского языка, не пропали даром. Например, классификация Карла Линнея – первая научная классификация в естествознании – возникла на основе идей философского языка. Современные исследования в области интеллектуальных систем также активно используют идеи о строгом языке знаний, сформулированных 350 лет назад.

Такова история имитации внешних форм поведения человека, его способностей к рассуждениям и коммуникациям. К началу XX века многие из этих идей дали плоды, как например, идея формализации рассуждений. Другие остались на уровне начальных догадок. Однако все они оказались нужными и полезными, когда появились электронные вычислительные машины, способные имитировать многие специфические особенности мышления и жизнедеятельности человека. Все это непосредственно предшествовало появлению науки «Искусственный интеллект».