Текст книги "Технологии Четвертой промышленной революции"

Если нам удастся построить стабильный и мощный квантовый компьютер, то у этой технологии появится шанс стать самой новаторской среди технологий Четвертой промышленной революции. Но это случится не сразу. Квантовые компьютеры меняют сам принцип вычислений, используя причудливые законы квантовой механики. Вместо применения транзисторов, в основе которых лежат бинарные значения, представляющие нули и единицы (биты) и используемые классическими компьютерами для хранения информации и выполнения различных операций, в квантовых компьютерах применяются квантовые биты, или кубиты. В отличие от обычных битов, которые способны принимать только значения «1» или «0», значение кубита представляет собой суперпозицию возможных состояний и заранее может быть известна только вероятность, с которой можно получить то или иное значение при его измерении. Это позволяет кубитам в каждый момент времени представлять несколько состояний.

Еще одно удивительное свойство материи на квантовом уровне – квантовая сцепленность, которая подразумевает, что несколько кубитов, находящихся в этом состоянии, могут быть связаны и измерение квантового состояния одного из них позволяет получить информацию о состоянии остальных кубитов. Таким образом, в квантовых компьютерах могут применяться квантовые алгоритмы, создающие вероятностные обходные пути, что позволяет получать приемлемые решения сложных математических задач. Для решения этих же задач на классических цифровых компьютерах потребовалось бы слишком много времени. Пример такой задачи – разложение больших чисел на простые множители. Работа многих современных приемов шифрования основана на том, что для выполнения этой задачи классическим компьютерам требуется очень много времени. К другим примерам можно отнести решение задач оптимизации со многими переменными – обычно это задачи по повышению коэффициента использования производственных мощностей, оптимизации складского хозяйства или поиску в огромных неструктурированных базах данных{79}79
  Задачи, которые содержат большие числа или большое количество переменных, невозможно решить с помощью классического компьютера: для получения ответа может потребоваться больше времени, чем составляет возраст Вселенной. Квантовые компьютеры способны использовать вероятностную природу суперпозиции для того, чтобы симулировать несколько состояний одновременно и находить лучший возможный (или ближайший к нему) ответ на задачи, недоступные для современных цифровых компьютеров.


[Закрыть].

Квантовые компьютеры могут также моделировать другие квантовые системы, например отражать поведение атомов и частиц, и делать это точнее, а также с учетом необычных условий, например тех, что существуют внутри Большого адронного коллайдера. К примеру, квантовое моделирование на квантовых компьютерах позволит легко рассчитать взаимодействие молекул – для классических компьютеров это очень сложная задача. Эти расчеты – ключ к созданию еще более совершенных материалов, экологически чистых устройств и новых медикаментов. Поэтому реализация квантовых вычислений станет движущей силой многих фундаментальных технологий и систем Четвертой промышленной революции.

Но есть одна существенная оговорка. В теории квантовые компьютеры существуют уже более 30 лет – с того времени, когда Ричард Фейнман (Richard Feynman) предложил их в 1982 году, но их революционный потенциал все так же остается в теории, потому что построение универсального квантового компьютера – исключительно сложная инженерная задача. Для создания и поддержки кубитов необходимы стабильные системы в экстремальных условиях, в частности, компоненты должны находиться при температурах, очень близких к абсолютному нулю{80}80
  Абсолютный ноль – наименьшая теоретически возможная температура, эквивалент –273,15 °C.


[Закрыть]. В лучших современных квантовых компьютерах очень немного кубитов (у квантового компьютера корпорации IBM всего пять кубитов) или практических применений (квантовые компьютеры компании D-Wave Systems, в которых применяется принцип квантового отжига), большинство из которых ограничены мощностью и типом решаемых задач. Тем не менее налицо достаточно быстрый прогресс, и уже можно говорить о практическом потенциале квантовых компьютеров. Развивается и теоретическая база, предлагаются новые идеи в области квантовых алгоритмов и на совершенно новом направлении – в области квантового машинного обучения.

После устранения физических и инженерных сложностей с реализацией квантовых вычислений возникнут новые проблемы, наиболее важными из которых станут доверие и безопасность. Чтобы взломать 2048-разрядный сертификат протокола TLS (Transport Layer Security), который используется в веб-браузерах для подключения к банковским личным кабинетам и электронной почте в Интернете, современным классическим компьютерам потребуется 13 млрд лет. А вот компьютер с квантовым затвором, вооруженный разработанным в 1994 году математиком Питером Шором (Peter Shor) алгоритмом, справится с этой задачей со скоростью, которая сведет на нет все преимущества современных криптографических механизмов{81}81
  Питер Шор (Peter Shor), профессор математики из Массачусетского института, разработал квантовый алгоритм факторизации (алгоритм Шора), который работает экспоненциально быстрее, чем лучший из известных алгоритмов для классической ЭВМ.


[Закрыть]. Нам придется переосмыслить стандарты, которые сейчас применяются в онлайновых транзакциях и в других средствах безопасного хранения информации. Это потребует от нас продолжения работы над совершенствованием существующих приемов, чтобы сделать их устойчивыми ко взлому с помощью квантовых компьютеров, а также чтобы задействовать квантовые эффекты для создания новых форм квантовой криптографии.

Вряд ли квантовые вычисления когда-либо полностью вытеснят классические компьютеры. У использования квантовых эффектов меньше важных практических преимуществ, когда речь идет об удовлетворении львиной доли современных потребностей в вычислениях, – они полезнее в узких областях, а именно в математике и химии. Более того, современные представления о физике не дают оснований предполагать, что квантовые компьютеры когда-либо станут дешевле и меньше классических компьютеров. Несмотря на возможность фундаментальных перемен, использование сложных квантовых эффектов скорее всего останется уделом специализированных и очень дорогих вычислений – по крайней мере до начала Пятой промышленной революции.

В 1991 году Марк Уэйзер (Mark Weiser) написал: «Самые фундаментальные технологии – те, что исчезают. Они вплетаются в материю повседневной жизни, становясь неотличимой от нее»{82}82
  Уизер (Weiser) 1991.


[Закрыть]. В результате победного демократизирующего марша закона Мура цифровые компьютеры утратили свое значение дискретных объектов: компьютеры сегодня – это больше, чем просто важная составляющая часть новых автомобилей, потребительской электроники и большинства устройств бытовой техники. Они интегрированы в материю и одежду, а также встраиваются в окружающую нас инфраструктуру – в дороги, светофоры, мосты и здания{83}83
  Например, см. Фрост Гердер (Frost Gorder) 2016.


[Закрыть]. Мы живем в мире, построенном компьютерами.

Благодаря новым сенсорам и алгоритмам машинного обучения мы можем получать доступ к компьютерам по новым каналам. Голосовые команды и естественная речь освобождают нас от необходимости взаимодействовать с экраном и клавиатурой. Сенсоры, считывающие «язык тела», а также жесты руками и движения глаз, позволяют компьютерам понимать как сознательные, так и подсознательные намерения человека при управлении компьютерами и другими устройствами, такими как инвалидная коляска и протезы. В апреле 2017 года компания Facebook объявила, что команда из 60 исследователей, в состав которой входят специалисты по машинному обучению и нейронным протезам, работает над тем, чтобы пользователи могли передавать компьютеру команды и сообщения, используя только силу мысли{84}84
  Солон (Solon) 2017.


[Закрыть]. Такие пошаговые методы получения доступа к компьютерам откроют новые возможности выполнять одновременно несколько задач или обрабатывать информацию, поступающую из окружающего нас мира.

Компьютеры также физически становятся частью нас самих. Внешние носимые устройства, такие как смарт-часы, интеллектуальные наушники и очки дополненной реальности, открывают путь для активных вживляемых микрочипов, которые пересекают естественную границу нашего тела – кожу, создавая интересные новые возможности, простирающиеся от интеграции в тело лечебных систем до расширения способностей человека.

Биологические вычисления вскоре позволят нам заменять специализированные микросхемы специально сконструированными биосистемами, которые представляют собой ключевой компонент «биохакинга» – новой культурной формы выражения и потребления. Исследователи из Массачусетского технологического института показали, что сенсоры, переключатели и микросхемы памяти можно закодировать в обычной бактерии, обитающей в кишечнике человека, а это означает, что наши биомы[10]10
  Биом: совокупность всех живых обитателей, их средств обитания и связей между ними одной природно-климатической зоны. – Прим. ред.


[Закрыть] можно, к примеру, целенаправленно спроектировать так, чтобы они обнаруживали и лечили воспалительные заболевания кишечника или рак толстой кишки{85}85
  Найт (Knight) 2015.


[Закрыть].

Но эти возможности сопряжены с вызовами и рисками. Расширение возможностей двустороннего потока информации между нами и окружающей средой требует постоянного расширения пропускной способности канала обмена, а также совершенствования технологий сжатия. Громадные объемы данных, создаваемых в цифровом мире, требуют новых подходов, которые позволили бы создать плотное и долгосрочное хранилище. Одно из решений заключается в использовании ДНК для хранения информации. В 2012 году ученый Джордж Черч (George Church) из Гарвардского университета продемонстрировал возможность хранения данных в ДНК с плотностью, в 100 тыс. раз превышающей возможности лучшей флеш-памяти. Данные оставались стабильными в широком диапазоне температур. Черч утверждает: «Вы можете оставить носитель где угодно – в пустыне или у себя на заднем дворе, и данные останутся в целости и сохранности и через 400 тыс. лет»{86}86
  Черч (Church) записал 70 млрд копий одной книги на ДНК-микросхеме, добившись плотности записи данных в 5,5 петабит на кубический миллиметр. См. Кэмерон (Cameron) и Мауэт (Mowatt) (2012).


[Закрыть].

В определенном смысле глобальные вычисления способны сделать мир более хрупким, особенно в экстремальных условиях. Если полагаться на системы, которые всегда нуждаются в вычислениях, то отключение электроснабжения может приводить к катастрофическим последствиям. Ситуация может усугубляться слабыми навыками использования более простых запасных систем с ручным управлением – это может усугублять негативные последствия аварий. У распространения глобальных вычислений также совершенно определенно будут социальные последствия. Более быстрые и меньшие по размеру компьютеры уже изменили поведение человека: к примеру, простое присутствие мобильного телефона на столе означает, что человек скорее всего будет меньше уделять внимания собеседнику или вряд ли запомнит все детали разговора{87}87
  См. обсуждение. Шваб (2016).


[Закрыть]. Использование социальных сетей также связывают со снижением способности к сопереживанию среди молодых людей.

Негативные последствия для окружающей среды будут усугубляться по мере распространения вычислительных технологий. В развитых странах центры обработки данных уже потребляют около 2 % всей вырабатываемой электроэнергии. В Соединенных Штатах это 70 млрд киловатт-часов, что больше годового потребления электроэнергии такой страны, как Австрия. Если мы хотим быть ответственными хозяевами своей планеты, то при продвижении разработанных исследователями и компаниями новых материалов, предназначенных для следующей волны инноваций в области вычислений, мы должны применять такие механизмы продвижения на рынке, которые повысят возобновляемость и энергоэффективность вычислительных методов и оборудования. При разработке новых типов процессоров главная задача должна заключаться в обеспечении возобновляемости ресурсов.

Не забывая о возобновляемости, важно понимать ограничения систем, которые мы сейчас создаем. Хотя «облака» доступны широким кругам потребителей менее десяти лет, тенденции к созданию более крупных и эффективных централизованных центров обработки данных и обеспокоенность по поводу безопасности и конфиденциальности личной информации заставляют проявлять больше изобретательности в отношении того, как и где хранятся данные, а также сколько за это приходится платить. Если данные используются для получения информации и принятия решений в реальном времени, более оперативным решением может оказаться использование вычислений в сетях – вычисления с участием многих устройств в Сети. В центрах обработки данных могут храниться архивы, а сетевые вычисления предоставят необходимую аналитику и возможность быстрого принятия решений на месте, без дополнительных затрат на масштабирование центров обработки данных, повышая тем самым их эффективность.

Также важен аспект равных возможностей. Передний край разработки и внедрения новых вычислительных технологий обычно находится в развитых странах, где есть крупные и богатые потребительские рынки, обширный человеческий капитал и возможности привлечения инвестиций в разработку технологий. Чтобы преимуществами Четвертой промышленной революции могли воспользоваться более широкие массы людей, требуется разрабатывать доступные вычислительные технологии, а также технологии, способные работать в самых разных средах, включая места с непостоянным энергоснабжением, значительными перепадами температур и даже с возможностью облучения радиацией{88}88
  Память магнитного случайного доступа с вращательным моментом (STT-MRAM) – инновационная технология, которая использует спиновый момент электронов для хранения информации вместо заряда транзисторов. Такая память устойчива к радиации и высокой температуре, а также может быть защищена от несанкционированного доступа. Она может использоваться в неблагоприятных условиях – например, в космосе или на производственных линиях; Airbus и BMW уже использовали ее.


[Закрыть]. Один из примеров – Raspberry Pi, недорогой, но высокопроизводительный компьютер, призванный сделать вычисления более предметными и доступными людям во всем мире. С момента начала его выпуска в 2012 году продано более 12 млн экземпляров Raspberry Pi{89}89
  Raspberry Pi Foundation 2016.


[Закрыть].

Создание компьютеров, способных работать в самых разных условиях, – всего лишь небольшая часть более сложной задачи организации распределения преимуществ, предоставляемых вычислительными технологиями. От инновационных технологий обычно больше всего выигрывают те, кто начал использовать их первыми. Нужны дополнительные усилия, чтобы обеспечить более уязвимым в экономическом, социальном и физическом отношении людям доступ к новым инструментам. Это нужно для того, чтобы они могли воспользоваться экономическими преимуществами новых технологий общего назначения. Это вопрос не только справедливого налогообложения, но и конкурентной политики и прав потребителей: находясь на гребне волны прогресса вычислительных технологий, «суперплатформы» в состоянии получить непропорционально огромную власть над происходящими в цепочках создания ценности процессами. Например, возможность использовать специализированные процессоры и получать доступ к огромным объемам данных позволяет создавать ценовую дискриминацию среди потребителей и, в итоге, выдавливать конкурентов с рынка{90}90
  Эзрачи (Ezrachi) и Штуке (Stucke) 2017.


[Закрыть].

Наконец, как говорилось в предисловии, наблюдается кризис доверия к институтам и технологиям. По мере того как компьютеры становятся неотъемлемой частью повседневной жизни все большего числа людей в мире, безопасность и защита личной информации становятся жизненно важными для восстановления доверия между гражданами, государством и корпорациями.

Пять главных мыслей

1. Действие закона Мура (постоянное снижение размера и стоимости транзисторов) подходит к концу из-за физических ограничений на атомном уровне, а закон Деннарда (увеличение скорости и снижение энергопотребления транзисторов) уже перестал действовать. Специалисты по материаловедению пытаются найти решение проблемы, но линейная обработка достигла физического предела. Нужны новые формы вычислений.

2. Основные проблемы удовлетворения потребностей в вычислениях связаны не только с вычислительными ресурсами (числом транзисторов), но и с требованиями к скорости, задержкам и энергопотреблению, которые заставляют искать новые пути вычислений, – именно поэтому проявляется такой интерес к альтернативам, таким как квантовые вычисления, фотоэлектроника и вычисления в сетях.

3. Распространение небольших и быстрых компьютеров означает, что устройства заполняют собой наше городское пространство, потребительские товары, дома и даже наше тело. При подключении к Интернету эти устройства становятся частью глобальной Сети (см. главу 7).

4. Центры обработки данных становятся централизованными пространствами для наших данных и сейчас предоставляют доступ к архивным данным и вычислительным мощностям. В будущем для удовлетворения наших запросов на адаптивные вычисления потребуется локально более доступные вычислительные ресурсы для наших устройств, чтобы обеспечить необходимую скорость и своевременность реакции. Это может означать значительные перемены в том, где и как используются вычислительные мощности.

5. Расширение проблематики новых вычислительных технологий увеличивает возможности их влияния на общество – в целом и в его частях. Доступности, всеохватности и вопросам безопасности, сохранения личной информации и полномочий надо уделять столько же внимания, сколько и самим технологиям.

Имя Сатоши Накамото (Satoshi Nakamoto), под которым в октябре 2008 года был опубликован документ, описывающий основы технологии распределенного реестра, когда-нибудь может стать известным не только в кругах технических специалистов. Персона или группа людей, стоявшая за этой анонимной публикацией, предложила технологию платежей на основе блокчейна, несущую в себе огромный потенциал для преобразований. Эта новаторская комбинация математики, криптографии, компьютерных технологий и теории игр положила начало развитию цифровых валют и созданию совершенно новой системы хранения и обмена ценностей как в цифровом, так и в реальном секторе экономики{91}91
  Понятие «блокчейн» включает в себя распределенные реестры и смарт-контракты, защищенные с помощью криптографии, а также другие децентрализованные и зашифрованные интернет-технологии.


[Закрыть].

К 2030-м годам разные версии технологий распределенных реестров – или блокчейн – могут значительно изменить все, от онлайновых финансовых транзакций до способов голосования и решения вопросов о производстве товаров. Представьте, что будет, если около 10 % мирового ВВП будет храниться и обращаться в валютах, не связанных с какими-либо государствами, или если налоги во всех секторах экономики будут собираться автоматически, прозрачно и без задержек. Широкое распространение блокчейн-технологий может стать поворотной точкой в истории, но пока и сами эти технологии, и возможности для их применения находятся на начальной стадии развития. Реализации преимуществ блокчейна препятствуют разногласия во мнениях о структуре блокчейн-сетей, возможное несоответствие транзакций национальным законам о передаче данных и многие другие проблемы. Коллективное управление, привлечение заинтересованных сторон и решение ряда «офлайновых» задач координации – наиболее приоритетные вопросы, которые необходимо решить для раскрытия потенциала этой революционной технологии и переосмысления концепций доверия и транзакций.

Как подразумевает термин «технология распределенного реестра», в основе блокчейн-технологии лежит возможность создавать уникальные цифровые записи и обмениваться ими без централизованной доверенной стороны. С помощью хитрой комбинации криптографии и одноранговых сетей эта технология гарантирует точность и прозрачность хранящейся и передающейся в системе информации, предоставляя некоторые дополнительные преимущества, такие как возможность видеть все предыдущие состояния записи и создавать программируемые записи, так называемые «смарт-контракты».

Эта технология революционна по четырем причинам. Во-первых, блокчейн помогает контролировать одновременно полезную и опасную особенность цифровой экономики – возможность точно копировать цифровые объекты и передавать их почти без предельных издержек многим людям одновременно. Это полезно для обмена информацией, но проблематично, когда необходимо передать что-то уникальное или требующее надежного подтверждения источника происхождения, будь то единица цифровой валюты, документ с важной информацией или предмет искусства, для которого важно, кто владеет оригиналом. Блокчейн позволяет создавать и передавать достоверно уникальные цифровые объекты без риска создания фальшивых копий и дублирования отправки, порождая так называемый «Интернет ценностей»{92}92
  Тэпскотт (Tapscott) 2016, стр. 24.


[Закрыть].

Второй революционный аспект заключается в том, что технологии распределенных реестров обеспечивают прозрачность, верифицируемость и неизменность данных, не требуя от участников доверия к единой централизованной третьей стороне. Это важно, потому что во многих случаях очень сложно выбрать или создать доверенную третью сторону, которая будет вести записи о транзакциях либо сможет подтвердить личность владельца или источник происхождения ценного объекта.

Третий важный атрибут: предоставляемая распределенными реестрами возможность создания программируемых действий, то есть транзакций, которые могут выполняться (а затем отслеживаться и подтверждаться) без вмешательства человека. Потенциал этой возможности простирается далеко за пределы алгоритмического трейдинга или автоматических онлайновых переводов. Смарт-контракты в блокчейне могут передавать любые данные или объекты при выполнении любых указанных условий; это может быть страховой контракт, исполняющийся, когда количество осадков превышает определенный уровень, или автоматическая выплата гонораров участникам проекта за разную долю участия в нем. Важно, что сам код, от которого зависит исполнение смарт-контракта, хранится в блокчейне, и проверить его может кто угодно, когда угодно и без задержек.

Четвертый аспект – инклюзивность цифровых реестров. Транзакции в блокчейн по своей природе одновременно прозрачны, безопасны и отслеживаемы. При желании они могут также быть анонимными. Минимум, необходимый пользователю для совершения транзакции, включает лишь базовое ПО, место для хранения и подключение к Сети. Это значит, что отдельные люди и мелкие вкладчики, обычно неспособные выйти на рынок, становятся его полноправными участниками в качестве производителей, акционеров, бенефициаров или потребителей любых ресурсов, пригодных для отслеживания и продажи в цифровом виде{93}93
  Легко решить, что стоимость транзакций в распределенном реестре стремится к нулю, так как в процессе не принимает участие централизованный посредник. На самом деле стоимость транзакций зависит от того, каким способом осуществляется верификация распределенного реестра, и может оказаться гораздо выше, чем у централизованного сервиса. Так, 11 июня 2017 года наименьшая возможная стоимость транзакции с Bitcoin составляла 2,61 долл. при среднем размере транзакции всего 226 байт. С таким уровнем затрат Bitcoin не подходит для микротранзакций (Bitcoin Fees 2017).


[Закрыть].

Благодаря этим характеристикам блокчейн предлагает миру беспрецедентные возможности для распределения вознаграждений за экономическую активность с гораздо меньшим риском их перехвата и без скрытых расходов, связанных с централизованными, монополистскими или рентоориентированными посредниками. Возможно, использование распределенных реестров позволит отдельным людям вернуть некоторую стоимость своих персональных данных или хотя бы обеспечит больше прозрачности и безопасности в мире, где данные о людях представляют собой важный актив и потенциальную угрозу.