Текст книги "Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей"

Интернет расширяется настолько быстро, что наша потребность в архивации данных скоро превзойдет возможности существующих технологий. Если мы продолжим идти по тому же пути, то в ближайшие десятилетия нам понадобится экспоненциально больше не только магнитной ленты, дисков или флеш-памяти, но и фабрик для производства этих носителей, и складов для их хранения. Даже если это технически и осуществимо, то экономически невозможно. Решение может предоставить биология. ДНК – самая сложная и плотная среда хранения информации, с какой мы когда-либо сталкивались; она во много раз превышает даже теоретическую емкость магнитной ленты или твердотельного накопителя.

Обширный склад, полный магнитных лент, может быть заменен ДНК размером с кубик сахара. Что касается времени хранения, то мы нашли нетронутую ДНК в тушах животных, которые провели замороженными в канадской тундре 750 тысяч лет. Следовательно, есть серьезные основания объединить способность читать и писать ДНК с ускоряющейся потребностью в носителе для более длительного хранения информации. И нам уже продемонстрировали кодирование и извлечение текста, фотографий и видео в ДНК.

Правительства и корпорации оценили эту возможность и начали финансировать исследования ускорения синтеза и секвенирования ДНК. Для того чтобы конкурировать с типичным ленточным, «ДНК-привод» должен быть способен записывать и читать эквивалент приблизительно 10 человеческих геномов в минуту, что в настоящее время в 10 раз превышает глобальный ежегодный спрос на синтетическую ДНК. Масштабы спроса на ДНК-устройства и цена, по которой они должны продаваться, полностью изменят экономику чтения и записи генетической информации, сокращая роль теперешних многомиллиардных рынков биотехнологии при одновременном массовом расширении возможностей для перепрограммирования живых существ. Этот вид нетрадиционного использования биотехнологии со временем будет лишь увеличиваться.

Рассмотрим производственный потенциал промышленной ферментации, той точки, где сходятся биология и управление бизнес-процессами. Пивоварение работает технично и экономически грамотно на самых разных уровнях – от транснациональных гигантов, выбрасывающих на рынок миллионы литров напитка в год, до изощренных крафтовых пивоварен, производительность которых в литрах исчисляется тысячами и которые можно встретить в современных городах на каждом углу. Эта промышленная структура свидетельствует о том, что распределенное биологическое производство может успешно конкурировать с централизованным, опровергая идею о том, что масштабная экономика всегда благоприятствует крупным хозяйствам. Более того, интегрированные нефтяные компании жизнеспособны только при капитале в десятки миллиардов долларов, тогда как предприятия, бизнес которых основан на процессе ферментации, могут работать при вложении всего нескольких тысяч.

Путем перепрограммирования биологической части этой производственной платформы мы можем гибко перенацелиться на довольно выгодные рынки. В то время как пиво – это в основном вода стоимостью не более нескольких долларов за литр, бактерии могут производить молекулы стоимостью в десятки тысяч долларов за литр. Из более чем 105 млрд долларов, внесенных промышленными биотехнологиями в экономику США в 2012 году, по крайней мере 66 млрд поступили благодаря ферментированным биохимическим продуктам, которые уже вытесняют с мировых рынков продукты нефтехимии (не включая биоэтанол, доля которого в валовом внутреннем продукте США составила в 2012 г. всего 10 млрд долларов). Еще одним показателем спроса является переход фармацевтической промышленности от химического синтеза даже маломолекулярных препаратов, таких как антибиотики, к биологическому, тем самым экономя деньги и сокращая потоки отходов и выбросы углерода. Растущий спрос на эти возобновляемые химические вещества будет во все большей степени определяться производственными системами, включающими как биологические, так и небиологические компоненты.

Фермеры уже оценили преимущество гибридных подходов в виде роботизированных доильных аппаратов для молочных хозяйств. Сочетание коров и роботов представляет собой интегрированную систему с превосходными производительностью и рентабельностью. Во всем мире работают уже более 25 тысяч таких систем. Коровы быстро научились посещать доильный сарай в наиболее предпочтительное для себя время. Там их здоровье и производительность отслеживаются электронными устройствами, встроенными в специальные воротники – своего рода «коровий Интернет». Важно отметить, что животным эта система тоже выгодна, поскольку им приходится реже посещать ветеринаров и они производят больше молока. Связанные в сеть, коровы кормятся грубыми кормами и перерабатывают их в ценное вещество, которое затем автономно доставляется в централизованные пункты сбора.

Самое главное здесь заключается в том, что, как и в случае пивоварения, автоматизированные молочные фермы представляют собой чрезвычайно производительную, гибкую и распределенную систему. Такая интеграция является результатом многолетней работы, в результате которой производство молока увеличилось почти вдвое, в то время как численность, так сказать, «молочной армии» вдвое сократилась.

Теперь представьте, что эти «избыточные» коровы вместо молока могли бы производить топливо или химикаты, объем этого производства был бы эквивалентен потребностям Америки в возобновляемых видах топлива в 2017 году, или примерно 17 % от общего спроса на бензин в США.

Согласно планам, для строительства сотни (в настоящее время гипотетических) «нефтеперегонных заводов на биотехнологии» потребуется около 170 млрд долларов. Напротив, сегодняшняя стоимость американской «молочной армии» составляет примерно 20 млрд долларов. Если к этой цифре прибавить целых 10 млрд, потраченных на то, чтобы разобраться, как переделать коров для производства топлива и химических веществ, мы бы все равно с запасом опережали исходную сумму более чем на 100 млрд.

Однако затраты на разработку, скорее всего, будут еще ниже, поскольку нам не придется заходить настолько далеко и заниматься биоинженерным преобразованием реальных коров для доставки продукции в роботизированные доильные сараи. Мы уже можем строить системы ферментации, содержащие синтетические бактерии. Последние потребляют сложное органическое сырье и производят ценные и превосходящие нефтепродукты химические вещества. И мы видим надвигающееся будущее автономных роботов, перемещающихся на колесах или с помощью ног. Сочетание этих технологий полностью преобразует способ управления ресурсами и организацию производства.

Представьте себе оснащенных модулями биообработки роботов, которые медленно бродят по лугам или восстановленным высокогорным пастбищам, потребляя различные растительные корма, перерабатывая их в самые разные продукты от топлива и химикатов до фармацевтических препаратов, а затем доставляя их на пункты сбора. Роботы могут выглядеть как коровы или просто как нынешнее автоматизированное спутниковое оборудование для сбора урожая, дополненное бродильными резервуарами. Эти гибридные «коровборги» – в сущности мобильные мини-пивзаводы – будут автономно распределенными платформами биотехнологического производства.

Какой бы ни стала окончательная форма этих созданий, мы будем использовать биологические компоненты, роботов или цифровые компьютеры там, где каждый вид лучше всего соответствует обстановке. Самое главное не в том, что пределы биологии будут расширяться за счет компьютеризации, а в том, что у обеих технологий, вследствие их влияния друг на друга, появятся новые направления.

Если это звучит как фантастика, вспомните, что в этой книге говорится о событиях, которые могут произойти в течение более трех грядущих десятилетий. Поскольку преимущества биотехнологий уже породили массовый спрос, а барьеры на пути к их реализации резко снизились, через 30 лет стоит ожидать, что экономика будет в значительной степени опираться на гибридные устройства, сочетающие в себе искусственно созданные биотические и абиотические части.

Трудно предугадать, как именно будут выглядеть и что конкретно будут делать построенные в будущем артефакты. Но при взгляде вперед важно понимать: ограничения прошлого, не говоря о настоящем, исчезнут. Будущее будет определяться биологией не в том виде, в каком мы ее находим сегодня, а в том, который мы выстроим завтра.

Я хотел бы поблагодарить Рика Вебринга, Сару Келлер, Эрика Карлсона, Спенсера Адлера и Стивена Олдрича за плодотворные беседы и сложные вопросы.

4. За гранью закона Мура

Тим Кросс

Серьезное увеличение мощности микропроцессоров привело к революции в области вычислений. Но в дальнейшем ее придется продолжать другими способами.

В 1971 году Intel, тогда ничем не примечательная компания, расположенная в месте, которое позже назовут Кремниевой долиной, выпустила микросхему под названием 4004. Это был первый в мире коммерчески доступный микропроцессор – устройство, в одном миниатюрном корпусе которого были собраны все электронные схемы, необходимые для сложной обработки больших объемов числовых данных. Он был чудом своего времени, собранным из 00 крошечных транзисторов размером около 10 тысяч нанометров (или миллиардных частей метра) каждый, то есть размером примерно с красную клетку крови. Транзистор – это электронный переключатель, который путем перехода между состояниями «истина» и «ложь» обеспечивает физическое представление нуля и единицы, основных строительных кубиков информации.

В 2015 году Intel – к тому времени ведущий мировой производитель микросхем с годовым доходом более 55 млрд долларов – выпустила процессоры серии Skylake. Фирма больше не публиковала точные цифры, но можно предположить, что в каждой микросхеме содержалось 1,5–2 млрд транзисторов, расположенных примерно в 14 нанометрах друг от друга. Каждый из них был настолько крошечным, что был практически невидим, ибо он более чем на порядок меньше длины волны света в видимом диапазоне.

Все знают, что современные компьютеры лучше старых. Но трудно определить, насколько именно, ведь ни одна другая потребительская технология не улучшалась подобными темпами. Стандартной является аналогия с автомобилями: если бы машины с 1971 года улучшались с той же скоростью, что и компьютерные чипы, то к 2015-му новые модели имели бы максимальную скорость около 420 млн миль в час[2]2
  676 млн км/ч. – Прим. ред.


[Закрыть]. Это примерно две трети скорости света, или достаточно быстро, чтобы объехать вокруг света менее чем за 1/5 секунды. А если и это покажется слишком медленно, то к концу 2017 года в шоурумах у дилеров должны были бы появиться модели, которые могли бы двигаться вдвое быстрее света.

Такой молниеносный прогресс является следствием наблюдения, впервые сделанного в 1965 году одним из основателей Intel Гордоном Муром. Он заметил, что количество транзисторов на одном кристалле интегральной схемы ежегодно удваивается. Позже, когда срок удвоения был исправлен на два года, «закон Мура» стал самореализующимся пророчеством, задавшим темп всей вычислительной индустрии. Каждый год такие фирмы, как Intel и Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, тратят миллиарды долларов, выясняя, как сохранить тенденцию к уменьшению элементов интегральных схем. Попутно закон Мура помог построить мир, в котором чипы встроены во все – от чайников до автомобилей (которые все чаще могут обходиться без водителя), – где миллионы людей развлекаются в виртуальной реальности, на финансовых рынках играют торговые роботы, а «белые воротнички» переживают, что искусственный интеллект скоро лишит их работы.

Но это направление уже почти полностью себя исчерпало. Уменьшать компоненты чипа каждый раз становится все труднее, и в современных транзисторах размером в десятки атомов инженеры просто приближаются к пределу возможностей. С момента запуска микропроцессора 4004 в 1971-м и до середины 2016-го пройдено 22 цикла закона Мура. До 2050 года предполагается еще 17. И в последних из них специалистам придется придумывать, как собирать компьютеры из комплектующих размером меньше атома водорода – самого крошечного из существующих природных элементов. Что, насколько известно, невозможно.

Впрочем, бизнес убьет закон Мура прежде, чем это сделают законы физики, поскольку выгода от миниатюризации транзисторов окажется меньше привычной. Закону Мура придает действенную силу связанное с ним явление под названием «масштабирование Деннарда» (по имени инженера IBM Роберта Деннарда, который первым формализовал эту идею в 1974 году). Согласно ему, уменьшение компонентов чипа делает его быстрее, энергоэффективнее и дешевле в производстве. Другими словами, чипы с меньшими компонентами лучше, поэтому компьютерщики смогли убедить потребителей каждые несколько лет вкладывать большие суммы в последние модели устройств. Но старая магия исчезает. Чипы становятся меньше, но это не делает их более быстрыми или более эффективными в том смысле, к которому мы привыкли (рис. 4.1). В то же время рост стоимости ультрасовременного оборудования, необходимого для изготовления чипов, снижает финансовую выгоду. Второй закон Мура (он гораздо любопытнее первого) гласит: стоимость «кремниевой мастерской», как называют подобные заводы, каждые четыре года удваивается. Стоимость современного завода по производству чипов колеблется около 10 млрд долларов. Это большие деньги даже для Intel.

Рис 4.1. Мур или меньше[3]3
  В оригинале – Moore or less. Игра слов: Moore – так пишется фамилия Гордона Мура на английском, «more» – «больше». Вместе фраза звучит очень похоже на «более-менее», то есть «more or less» (англ.). – Прим. ред.


[Закрыть]. Прогресс замедляется

В результате эксперты Кремниевой долины пришли к согласию о том, что закон Мура скоро утратит свою силу. «С экономической точки зрения, закон Мура мертв», – говорит управляющая аналитической фирмой из Кремниевой долины Линли Гвеннап. Руководитель отдела исследований и разработок IBM Дарио Джил тоже откровенен: «Я категорически настаиваю, что будущее компьютерной индустрии больше не может подчиняться закону Мура». Инженер Боб Колвелл, в прошлом проектировавший интегральные микросхемы в Intel, считает, что в начале 2020-х индустрия, возможно, и создаст кристалл, компоненты которого будут расположены всего в 5 нанометрах друг от друга, «но трудно будет убедить меня в возможности дальнейшего сближения».

Другими словами, одна из самых мощных технологических сил за последние 50 лет скоро исчерпает себя. Предположение, что компьютеры будут безостановочно становиться все лучше и дешевле, намертво впечатано в представление людей о будущем. Оно лежит в основе многих технологических прогнозов из других частей этой книги, говорящих о беспилотных автомобилях, искусственном интеллекте и новых невероятных гаджетах. Но, помимо уменьшения компонентов, существуют и другие способы улучшения компьютеров. Конец закона Мура не означает финала компьютерной революции. Это означает лишь, что предстоящие десятилетия будут выглядеть совершенно иначе, чем предыдущие, ибо ни одна из альтернатив не является столь же надежной или повторимой, как великая миниатюризация прошлого полувека.

Закон Мура сделал компьютеры меньше, превратив их из монстров, заполняющих всю комнату, в изящные карманные устройства. Это также сделало их более экономичными: смартфон, вычислительная мощность которого больше, чем было доступно всему миру в 1971 году, может работать на одном заряде батареи день или более. Но самое главное – компьютеры стали быстрее. Но к 2050 году, когда закон Мура станет древней историей, инженерам, если они хотят заставить компьютеры работать еще быстрее, придется использовать другие приемы.

Есть несколько простых путей. Во-первых, оптимизировать программное обеспечение. Бешеный темп закона Мура до сих пор оставлял компаниям совсем мало времени для оптимизации своих продуктов. И тот факт, что клиенты каждые несколько лет будут покупать более быстрые устройства, еще больше ослабил стимул для идеальной отладки программ: самый простой способ ускорить плохо написанный код – просто подождать год или два, пока не появится оборудование, которое выполнит его быстрее. По мере того как закон Мура перестает работать, слишком короткие циклы жизни продуктов компьютерной индустрии могут начать увеличиваться, давая программистам больше времени для улучшения качества их работы.

Еще одним способом является разработка узкоспециализированных кристаллов, пусть в ущерб вычислительной универсальности. Современные чипы начинают оснащаться специализированными схемами, предназначенными для ускорения наиболее распространенных задач, таких как распаковка фильмов, выполнение сложных вычислений, необходимых для шифрования, или отрисовки сложной трехмерной графики, используемой в видеоиграх. Поскольку компьютеры стали использоваться во всевозможных других видах продукции, подобные специализированные чипы окажутся весьма полезными. Например, беспилотные автомобили будут все чаще использовать машинное зрение, с помощью которого компьютеры научатся интерпретировать изображения из реального мира, классифицировать объекты и извлекать информацию, что является вычислительно очень сложной задачей, для ее решения применение специализированной схемы будет особенно целесообразно.

Однако чтобы вычислительные мощности продолжали расти так, как мы привыкли, понадобится нечто более радикальное. Одна из идей решения этой проблемы заключается в попытке сохранить закон Мура путем его переноса в третье измерение. Современные чипы, по своей сути, плоские. Но исследователи уже пробуют сделать микросхемы, в которых компоненты уложены друг на друга. Даже если площадь таких чипов перестанет уменьшаться, наращивание слоев позволит дизайнерам продолжать набивать в них больше компонентов, точно так же, как на одной площади фундамента в высотных домах могут поселиться больше людей, чем в малоэтажных.

Первые такие устройства уже выходят на рынок: крупный южнокорейский производитель микроэлектроники Samsung продает накопители, реализованные на многослойных схемах памяти. Перспективы этой технологии весьма многообещающи. В современных компьютерах память смонтирована в нескольких сантиметрах от процессоров. При нынешних скоростях сантиметр – это очень долгий путь, означающий значительные задержки при обработке данных. 3D-чипам удалось устранить эту проблему: слои логики обработки в них расположены между слоями памяти. IBM считает, что 3D-микросхемы могут позволить разработчикам сжать суперкомпьютер, сегодня заполняющий целое здание, до объема коробки для обуви.

Но чтобы заставить его работать, потребуются кардинальные изменения конструкции. Современные чипы уже и так сильно греются, требуя для охлаждения больших радиаторов и вентиляторов. С трехмерной микросхемой будет еще хуже, поскольку доступная для удаления тепла площадь поверхности будет увеличиваться гораздо медленнее генерирующего тепло объема. По той же причине на такую микросхему трудно подавать нужные количества электроэнергии и данных для обработки. Поэтому суперкомпьютер IBM размером с обувную коробку потребует жидкостного охлаждения. В каждом чипе будут проложены микроскопические каналы, что позволит охлаждающей жидкости течь внутри него. Вместе с тем в компании считают, что хладагент может заодно выполнять функцию источника питания. Идея заключается в том, чтобы использовать его в проточной батарее в качестве электролита, в которой последний протекает мимо неподвижных электродов.

Существуют и более экзотические задумки. Квантовые вычисления предлагают использовать трудные для понимания законы квантовой механики для построения машин, способных решать определенные типы математических задач гораздо быстрее любого обычного компьютера, каким бы быстрым или высокотехнологичным он бы ни был (хотя для многих других задач квантовая машина не даст никаких преимуществ). Их самое известное применение – взлом некоторых криптографических кодов. Но наиболее важны они для точного моделирования квантовых явлений в химии. Эта проблема имеет тысячи вариантов применения в промышленном производстве и других отраслях человеческой деятельности, но для обычных машин она почти неразрешима.

Десятилетие назад квантовые вычисления ограничивались теоретическими исследованиями в университетах. В наши дни в подобные технологии вкладывают деньги несколько крупных компаний, в том числе Microsoft, IBM и Google, поскольку, по их прогнозам, квантовые чипы станут доступны в течение следующего десятилетия или двух (хотя на самом деле любой, кто интересуется этим вопросом, уже может поиграть с одной из таких микросхем IBM удаленно, программируя его через Интернет). А канадская фирма D-Wave уже продает квантовый компьютер с ограниченным функционалом: он может выполнять всего одну математическую функцию. Впрочем, до сих пор не ясно, действительно ли эта конкретная машина быстрее неквантовой модели.

Как и 3D-чипы, квантовые компьютеры нуждаются в специализированных уходе и питании. Для работы такого устройства оно должно быть полностью изолировано от внешнего мира. Его следует охлаждать жидким гелием, температура которого лишь чуть выше абсолютного нуля. Наконец, такой компьютер нуждается в сложном экранировании, ибо даже самый маленький импульс тепла или случайная электромагнитная волна могут разрушить тонкие квантовые состояния таких машин.