Сообщение на тему электроника будущего
Обновлено: 02.07.2024
Как ускорить работу компьютера?
Эти вычислительные машины используются, например, для расшифровки ДНК или для предсказания погоды, то есть для решения задач, в которых требуется обрабатывать большое количество данных.
Мечта же обычных пользователей — это относительно компактное устройство, работающее со скоростью суперкомпьютера.
Первый, самый простой способ увеличить скорость работы любого прибора — увеличить количество электронных компонентов, например транзисторов, последовательность которых выполняет элементарные операции. Однако это путь экстенсивный: скорость будет расти, но вместе с этим энергопотребление новых телефонов и компьютеров также увеличится. Такое развитие мы и наблюдаем сегодня — достаточно сравнить, например, время жизни без зарядки своего старого телефона и сегодняшнего смартфона. Такой способ развития был описан американским ученым, одним из основателей компании Intel Гордоном Муром в сформулированном им законе. Исследователь заметил, что каждый год появляются новые модели микросхем и количество транзисторов на них увеличивается вдвое. Так, в середине 1960-х годов он предсказал экспоненциальный рост скорости электронных устройств за короткий промежуток времени. Позже Мур подкорректировал собственный закон, по его мнению, двойное увеличение транзисторов будет происходить каждые два года.
Помимо количественного способа существует и качественный. Для скорости работы устройства важна скорость передачи данных внутри него. Информация передается в виде сигнала с различными значениями напряжения. Некоторые участки этого сигнала соответствуют единице привычного нам двоичного кода. От максимального количества нулей и единиц, которыми процессор может оперировать в течение секунды, и зависит производительность.
Наконец, производительность зависит от времени доступа к динамической памяти. На жестких дисках мы храним информацию в статической (долговременной) памяти, операции с которой являются довольно медленными относительно тактовой частоты процессора. Однако нам не нужны одновременно сразу все данные, которые есть в памяти наших устройств. То, что нам нужно здесь и сейчас, должно храниться в динамической памяти и доставаться именно оттуда.
Работа с этой динамической памятью, которая гораздо дороже и требует определенных энергозатрат, тоже ограничивает скорость гаджета.
Новый взгляд на электрон
На сегодняшний день информация в процессорах, будь то смартфон или суперкомпьютер, переносится с помощью электронов. Электроны, в свою очередь, обладают собственным магнитным моментом, или спином. И хотя открыли спин еще в начале ХХ века, эффективное использование спиновых эффектов в процессорах стало возможно только после 1988 года, когда был открыт гигантский магниторезистивный эффект. Он и дал толчок развитию технологий, использующих спин для переноса информации, именуемых спинтроникой. Суть этого квантового эффекта заключается в следующем: если создать структуру с тонкими чередующимися ферромагнитными и непроводящими слоями, то сопротивление такой структуры сильно зависит от направлений намагниченности ферромагнитных слоев. Эту намагниченность можно менять с помощью внешних факторов, например внешнего магнитного поля. Состояния с различным сопротивлением как раз и служат логическими нулем и единицей. На этом эффекте основана работа головки жесткого диска в современных компьютерах.
Но спинтроника для переноса информации или создания ячейки памяти использует не только ток. В качестве носителя могут рассматриваться также различные частицы или квазичастицы — например, скирмионы. Это такие области намагниченности, в которых спины отдельных атомов как бы закручены в определенном направлении. Такие структуры обладают устойчивостью и, как полагают, дадут в дальнейшем возможность создать память, плотность хранения информации в которой будет намного выше, чем в современной. Изучением таких структур, в частности, активно занимается в России группа ученых из МФТИ.
Со скоростью света
Отдельно стоит рассказать о передаче информации посредством световых импульсов. Их изучает отдельная область физики — фотоника. Ведущие компании полупроводниковой индустрии, такие как IBM, Oracle, Intel, HP, считают ее перспективной и инвестируют в фотонику миллиарды долларов, причем некоторые успехи уже достигнуты. В 2015 году IBM представила гибридный чип, в котором присутствовали фотонные элементы. А все потому, что замена части электронных элементов фотонными может ускорить компьютеры в десятки тысяч раз, не изменяя структуры самого процессора. Дело в том, что быстродействие многоядерных компьютеров определяется не столько тактовой частотой одного ядра, сколько скоростью обмена данными между ядрами. Между тем электрические медные межсоединения в микропроцессорах фундаментально ограничены по пропускной способности.
Поэтому перед физикой и стоит задача создания принципиально новых межсоединений для ядер — например, на основе света. Оптическая линия передачи в десятки тысяч раз быстрее медной, и ее пропускной способности хватит надолго. Но главной проблемой таких соединений станет размер. Длина волны света в инфракрасном диапазоне составляет примерно микрон, а это значит, что и размеры фотонных элементов будут как минимум составлять единицы-десятки микронов. В реалиях гонки за энергоэффективность и борьбы с паразитным теплом — это большая проблема.
Обойти дифракционный предел помогает плазмоника. Вдоль границы раздела металла и диэлектрика может распространяться электромагнитная волна, возбуждаемая фотонами, которая и называется поверхностным плазмон-поляритоном. И если размер фотона и есть тот самый микрон, то уже сегодня ученые создают плазмонные волноводы шириной в 100 нм. Но для успешной интеграции плазмоники в современную электронику необходимо, кроме всего прочего, сделать ее коммерчески привлекательной.
Квантовый компьютер
Из-за этого вычислительная мощность квантового компьютера растет экспоненциально.
На сегодняшний день уже несколько групп ученых создали прототипы элементарных ячеек памяти, кубитов. В 2013 году немецкая группа ученых сообщила о кубите, хранящем свое состояние при комнатной температуре около 39 минут. В 2015 году группа российских ученых из Российского квантового центра, МФТИ, МИСиС и ИФТТ РАН создала свой кубит, а в 2016 году в МФТИ была создана первая российская двухкубитная система. Иначе говоря, прогресс в этой сфере двигается семимильными шагами, в том числе и в нашей стране.
Когда будут получены квантовые компьютеры достаточных вычислительных мощностей, непонятно, но это направление — одно из самых бурно развивающихся в современной физике.
Биомолекулы
Еще со времен опытов Гальвани по воздействию электричества на лягушачьи лапки взаимодействие электричества и биологических тканей является широко обсуждаемой в научном мире темой. Эти простые опыты послужили отправной точкой для настоящего прорыва понимания механизма проведения сигнала по нервной ткани в 60-х годах прошлого века. Теория, построенная тогда, до сих пор является самой точной во всей биофизике. К этому моменту электроника была очень развитой наукой, поэтому только зародившаяся наука биоэлектроника изучала возможности присоединения уже известных электронных устройств к биологическим тканям. Так появились кардиостимуляторы, измерители уровня глюкозы и нейроинтерфейсы для управления протезами, которые спасают и облегчают жизнь миллионам больных. Но в последнее время очень быстрое развитие молекулярной биологии показало, что электронике есть чему поучиться у живых организмов. Так началась эра биомолекулярной электроники.
Главная ее черта — переход с металлических проводов и кремниевых полупроводников на органические вещества, которые заметно лучше взаимодействуют с живыми организмами.
Существует мнение, что биокомпьютеры будут доступны для практических целей заметно раньше, чем более популярные квантовые компьютеры, решая при этом почти тот же круг задач.
Иное будущее
Никто не может знать наверняка, каким будет будущее компьютеров. Одно понятно точно: современная электроника принципиально устарела, и рано или поздно придется делать переход на что-то новое. Крупные компании вроде Intel и IBM инвестируют в самые разные направления, многообещающие результаты получают ученые изо всех научных сфер, связанных с альтернативной электроникой, и по мере приближения человечества к созданию рабочих прототипов этих новых компьютеров начнется увлекательная битва технологий, подобных которой человечество еще не видело.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Описание презентации по отдельным слайдам:
ПРОЕКТ ПО ТЕХНОЛОГИИ на тему: электроэнергетика будущего
Электроэнергетика - это область экономики, охватывающая выработку, преобразование, передачу и использование электроэнергии. Для получения электроэнергии используются различные источники энергии. Поэтому рассмотрим энергетику в общем.
Энергетика будущего: реальность и фантазии. Альтернативные источники энергии Ни для кого не секрет, что используемые сегодня человечеством ресурсы конечны, более того, их дальнейшая добыча и использование может привести не только к энергетической, но и к экологической катастрофе. Традиционно используемые человечеством ресурсы — уголь, газ и нефть — закончатся уже спустя несколько десятилетий, и меры нужно принимать уже сейчас, в наше время. Конечно, можно надеяться, что мы вновь найдем какое-либо богатое месторождение, так же как было в первой половине прошлого века, однако ученые уверены, что таких крупных залежей уже нет. Но в любом случае даже открытие новых месторождений только отсрочит неизбежное, необходимо найти способы производства альтернативной энергии, и переходить на возобновляемые ресурсы, такие как ветер, солнце, геотермальная энергия, энергия водных потоков и другие, а наряду с этим нужно продолжать разработки энергосберегающих технологий.
Солнечные станции Люди издавна задумывались над тем, возможно ли использование энергии солнца на земле. Под солнечными лучами нагревали воду, сушили одежду и глиняную посуду перед ее отправкой в печь, однако эти способы нельзя назвать эффективными. Первые технические средства, преобразующие солнечную энергию, появились еще в 18 веке. Французский ученый Ж. Бюффон показал опыт, в котором ему удалось с помощью большого вогнутого зеркала в ясную погоду воспламенить сухое дерево с расстояния около 70 метров. Его соотечественник, известный ученый А. Лавуазье, применял линзы, чтобы концентрировать энергию солнца, а в Англии создали двояковыпуклое стекло, которое, фокусируя солнечные лучи, расплавляло чугун всего за несколько минут.
Естествоиспытатели проводили множество опытов, которые доказывали, что использование энергии солнца на земле возможно. Однако солнечная батарея, которая превращала бы солнечную энергию в механическую, появилась сравнительно недавно, в 1953 году. Ее создали ученые из Национального аэрокосмического агентства США. Уже в 1959 году солнечную батарею впервые применили для оснащения космического спутника. Возможно уже тогда, осознав, что в космосе такие батареи гораздо эффективнее, ученым пришла идея о создании космических солнечных станций, ведь за час солнце вырабатывать столько энергии, сколько все человечество не потребляет и за год, так почему же не использовать это? Какой будет солнечная энергетика будущего? С одной стороны кажется, что использование солнечной энергии идеальный вариант. Однако себестоимость огромной космической солнечной станции очень высока, да и к тому же она будет дорога в эксплуатации. Со временем, когда будут введены новые технологии по доставке грузов в космос, а также новые материалы, реализация подобного проекта станет возможной, но пока мы можем пользоваться только относительно небольшими батареями на поверхности планеты. Многие скажут, что это тоже неплохо. Да, возможно в условиях частного дома, но для энергообеспечения больших городов, соответственно, необходимо либо множество солнечных батарей, либо технология, которая сделает их эффективнее.
Экономическая сторона вопроса здесь тоже присутствует: любой бюджет сильно пострадает, если на него будет возложена задача перевести целый город (или всю страну) на солнечные батареи. Казалось бы, можно обязать жителей городов выплачивать некоторые суммы на переоснащение, но в таком случае недовольны будут они, ведь если бы люди готовы были бы пойти на такие траты, они уже давно сделали бы это сами: возможность купить солнечную батарею есть у каждого. Касательно солнечной энергии есть и еще один парадокс: затраты на производство. Перевод энергии солнца в электричество напрямую — не самая эффективная вещь. До сих пор еще не найдено способа лучше, чем использовать солнечные лучи для нагревания воды, которая, превращаясь в пар, в свою очередь вращает динамо-машину. В таком случае энергопотеря минимальна. Человечество хочет использовать "экологичные" солнечные панели и солнечные станции, чтобы сохранить ресурсы на земле, однако для подобного проекта потребуется огромное количество тех же ресурсов, и "неэкологичной" энергии. Например, во Франции недавно была построена солнечная электростанция, площадью около двух квадратных километров. Стоимость постройки составила около 110 миллионов евро, не считая затрат на эксплуатацию. При всем этом следует учитывать, что срок службы подобных механизмов составляет около 25 лет.
Ветер Энергия ветра — также использовалась людьми еще с древности, самым простым примером можно назвать хождение под парусом и ветряные мельницы. Ветряки используются и сейчас, особенно они эффективны в областях с постоянными ветрами, например на побережье. Ученые постоянно выдвигают идеи, как модернизировать уже имеющиеся приспособления для преобразования ветряной энергии, одна из них - ветряки в виде парящих турбин. За счет постоянного вращения они могли бы "висеть" в воздухе на расстоянии нескольких сотен метров от земли, где ветер сильный и постоянный. Это помогло бы в электрификации сельской местности, где невозможно использование стандартных ветряков. К тому же такие парящие турбины могли бы быть оснащены интернет-модулями, с помощью которых осуществлялось бы обеспечение людей доступом в мировую паутину.
Приливы и волны Бум на солнечную и ветряную энергетику постепенно проходит, и интерес исследователей привлекла другая природная энергия. Более перспективной считается использование приливов и отливов. Уже сейчас этим вопросом занимается около ста компаний по всему миру, существует и несколько проектов, доказавших эффективность данного способа добычи электричества. Преимущество перед солнечной энергетикой в том, что потери при переводе одной энергии в другую минимальны: приливная волна вращает огромную турбину, которая и вырабатывает электричество. Проект "Устрица" — это идея установить на дне океана шарнирный клапан, который будет подавать воду на берег, тем самым вращая простую гидроэлектрическую турбину. Всего одна такая установка могла бы обеспечить электричеством небольшой микрорайон. undefined Уже сейчас в Австралии успешно применяют приливные волны: в городе Перте установлены опреснители, работающие на этом типе энергии. Их работа позволяет обеспечить пресной водой около полумиллиона человек. Природная энергетика и промышленность также могут сочетаться в этой отрасли производства энергии. Использование энергии приливов и отливов несколько отличается от технологий, которые мы привыкли видеть в речных гидроэлектростанциях. Часто ГЭС наносят вред окружающей среде: затопляются прилегающие территории, разрушается экосистема, а вот станции, работающие на приливных волнах, в этом плане гораздо безопаснее.
Топливные ячейки водорода Пожалуй, у каждого владельца авто, глядящего на индикатор количества бензина, приближающийся к нулю, возникала мысль о том, как отлично было бы, если бы машина работала на воде. Но сейчас ее атомы попали в поле зрения ученых как настоящие объекты энергетики. Дело в том, что в частицах водорода — самого распространенного газа во вселенной — содержится громадное количество энергии. Более того, двигатель сжигает этот газ практически без побочных продуктов, то есть, мы получаем очень экологичное топливо. Водородом заправляют некоторые модули МКС и шатлы, но на Земле он существует в основном в виде соединений, таких как вода. В восьмидесятых годах в России были разработки самолетов, использующих в качестве топлива водород, эти технологии даже применяли на практике, и экспериментальные модели доказали свою эффективность. Когда водород отделяется, он перемещается в специальную топливную ячейку, после чего возможна генерация электричества напрямую. Это не энергетика будущего, это уже реальность. Подобные автомобили уже производятся и довольно большими партиями. Компания Honda, дабы подчеркнуть универсальность источника энергии и авто в целом, провела эксперимент в результате которого машина была подключена к электрической домашней сети, однако не для того, чтобы получить подзарядку. Автомобиль может обеспечивать энергией частный дом в течение нескольких дней, или проехать без дозаправки почти пятьсот километров. Единственный недостаток подобного источника энергии на данный момент — это относительно высокая стоимость таких экологичных машин, и, конечно, достаточно небольшое количество водородных заправок, однако во многих странах уже планируется их постройка. Например, в Германии уже стоит план об установке ста заправочных станций к 2017 году.
Тепло земли Превращение тепловой энергии в электричество — это и есть сущность геотермальной энергетики. В некоторых странах, где затруднено использование других отраслей, она используется довольно широко. Например, на Филлипинах 27 % всего электричества приходится именно на геотермальные станции, а в Исландии этот показатель составляет около 30 %. Сущность этого способа добычи энергии довольно проста, механизм схож с простой паровой машиной. До предполагаемого "озера" магмы необходимо пробурить скважину, через которую подается вода. При контакте с раскаленной магмой вода мгновенно превращается в пар. Он поднимается, где крутит механическую турбину, тем самым вырабатывая электричество. Будущее геотермальной энергетики состоит в том, чтобы найти большие "хранилища" магмы. Например, в вышеупомянутой Исландии это удалось: раскаленная магма за долю секунды превратила всю закачанную воду в пар температурой около 450 градусов по Цельсию, что является абсолютным рекордом. Подобный пар высокого давления способен повысить эффективность геотермальной станции в несколько раз, это может стать толчком к развитию геотермальной энергетики во всем мире, особенно в областях, насыщенных вулканами и термальными источниками.
Какими типичными цифрами характеризуется современная микроэлектроника? Какие задачи сейчас стоят перед ней? Владимир Мухортов, доктор физико-математических наук, профессор, заведующей лабораторией сегнетоэлектрических плёнок ЮНЦ РАН расскажет, какие существуют проблемы микроэлектроники, на чём необходимо делать акцент в её разработках, где искать вдохновение для инноваций, каким будет дальнейшее развитие микроэлектроники и куда оно может привести человечество.
Добавить комментарий Отменить ответ
Научно-просветительский проект НаукаPRO
А если Вы предпочитаете читать - иллюстрированными статьями можно насладиться на Яндекс.Дзен
просветительский проект
- Людмила к записи Теломерная теория старения
- Дмитрий к записи Зеркало культуры
- Анастасия к записи Приливные силы в Солнечной системе
Privacy Overview
Почти все компоненты современной электроники – транзисторы, светодиоды, фотодетекторы, полупроводниковые лазеры, солнечные батареи – построены на так называемых гетероструктурах. Что представляют собой эти структуры и чем обусловлена их важность для человечества? Почему они стали поводом для вручения Нобелевских премий в прошлом, как их дизайн выглядит сегодня и что с ними ждет электронику "завтра"?
С чего все начиналось: электроны и дырки
Всем известно, что современная электроника базируется на полупроводниках. Среди неспециалистов распространено мнение, что полупроводники проводят ток только в одну сторону. Это не совсем так: полупроводники или почти не пропускают его, или пропускают в любом направлении – все зависит от температуры, освещения, наличия примесей.
Совсем другое дело – полупроводниковые диоды. Эти устройства действительно работают как клапаны, позволяя току течь только в одном направлении. И достигается это за счет соединения различных материалов.
Именно контакт двух или более веществ разного состава лежит в основе любого электронного прибора. Если он возникает, скажем, между участками одного полупроводника с разным содержанием примесей – это так называемый "p-n переход".
Добавляя в чистый полупроводниковый кристалл примесь, можно увеличить его проводимость на несколько порядков. В зависимости от комбинации веществ, носителями тока в нем будут или отрицательно заряженные электроны (n-тип) или положительно заряженные дырки (p-тип). Примеси внедряют разными способами. Например, для создания биполярных кремниевых транзисторов, миллионы которых содержатся в микропроцессоре типичного компьютера или смартфона, обычно применяют ионную имплантацию – бомбардировку разогнанными ионами в вакууме.
Несмотря на несложную технологию создания, у p-n переходов есть свои недостатки, например, неустойчивость к высоким температурам. Даже в чистом полупроводнике при нагреве рождаются электроны и дырки: это значит, что однажды кристалл "забудет" о наличии в нем примесей, диод начнет пропускать ток в обе стороны, и прибор перестанет работать. А лазеры на p-n переходах – и вовсе работают только при температурах жидкого азота.
На пути к Нобелевской премии
Именно такое несовершенство p-n переходов и общая нужда в полупроводниковых лазерах, работающих при комнатной температуре, побудили ученых к созданию гетеропереходов и гетероструктур.
В гетеропереходе соединяются два кристаллических вещества, причем место контакта должно быть идеальным, без трещин и других дефектов, рассказал инженер Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике (ИНТЭЛ) Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" Юрий Сибирмовский. "Различие свойств на такой границе рождает множество полезных явлений. И, в отличие от p-n перехода, нагрев слабо влияет на свойства гетероструктур", — пояснил он.
Типичные полупроводники – кремний, германий, соединения АIIIBV (например, арсенид галлия GaAs или арсенид индия InAs, а также InP, GaN). Соединяя эти вещества и их тройные растворы, можно широко варьировать электронные и оптические свойства приборов.
Объединить различные полупроводники в одном приборе впервые предложил в 1947 году изобретатель транзистора Уильям Шокли. А настоящий прорыв в направлении гетеропереходов совершили – независимо друг от друга – советский ученый Жорес Алфёров и Герберт Крёмер в 1960-х годах, впоследствии разделив Нобелевскую премию по физике за 2000 год.
Ученые предложили конструкцию лазера с двойным гетеропереходом, где в тонком центральном слое "заперты" и электроны, излучающие свет, и сам лазерный луч до выхода из кристалла. Именно это решение позволило полупроводниковым лазерам непрерывно работать при комнатной температуре. Сейчас их используют повсеместно – например, в DVD-дисководах и проигрывателях.
В 1960-е годы экспериментальная реализация идеальных гетеропереходов казалась маловероятной. Однако Алфёров с коллегами все же смогли подобрать систему материалов GaAs/AlxGa1-xAs. Эта "гетеропара" стала основой не только лазеров, но и малошумящих транзисторов, которые встраивают в смартфоны для усиления сигнала.
Метод МЛЭ: между наукой и искусством
Ключом к получению идеальных гетеропереходов стало изобретение метода молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Рост структуры методом МЛЭ происходит за счет испарения сверхчистых исходных материалов из отдельных ячеек на нагретую монокристаллическую подложку в условиях почти космического вакуума.
Благодаря сверхвысокому вакууму и скорости роста около одного атомного слоя в секунду МЛЭ позволяет чрезвычайно точно контролировать химический состав и обеспечивать атомно гладкие границы между слоями гетероструктур. "Эпитаксия предоставляет колоссальную свободу в управлении составом слоев и комбинировании веществ. Здесь наука граничит с искусством, ведь из нескольких химических элементов можно сконструировать бесконечное множество самых разных гетероструктур", — утверждает Юрий Сибирмовский.
Сфера информационных технологий развивается в двух преимущественно независимых циклах: продуктовом и финансовом. В последнее время не утихают споры о том, на каком этапе финансового цикла мы находимся; очень много внимания уделяется финансовым рынкам, которые подчас ведут себя непредсказуемо и сильно колеблются. С другой стороны, продуктовым циклам достается относительно мало внимания, хотя именно они двигают информационные технологии вперед. Но, анализируя опыт прошлого, можно попытаться понять текущий продуктовый цикл и предугадать дальнейшее развитие технологий.
Развитие продуктовых циклов в сфере высоких технологий происходит за счет взаимодействия платформ и приложений: новые платформы позволяют создавать новые приложения, которые, в свою очередь, повышают ценность этих платформ, замыкая таким образом цепь положительной обратной связи.
Малые продуктовые циклы повторяются постоянно, но исторически сложилось так, что раз в 10–15 лет начинается очередной большой цикл – эпоха, полностью меняющая облик IT.
Финансовые и продуктовые циклы развиваются в основном независимо друг от друга
Когда-то возникновение компьютеров побудило предпринимателей создать первые текстовые редакторы, таблицы и много других приложений для ПК. С появлением интернета мир увидел поисковые механизмы, онлайн-коммерцию, электронную почту, социальные сети, бизнес-приложения модели SaaS и много других сервисов. Смартфоны дали толчок развитию мобильных социальных сетей и мессенджеров, а также появлению новых видов услуг вроде карпулинга. Мы живем в разгар мобильной эпохи, и, судя по всему, нас ожидает еще много любопытных инноваций.
Каждую эпоху можно условно разделить на 2 фазы: 1) фазу формирования – когда платформа впервые появляется на рынке, но является дорогостоящей, сырой и/или сложной в обращении; 2) активную фазу – когда новый продукт решает упомянутые недостатки платформы, тем самым начиная период ее стремительного развития.
Компьютер Apple II был выпущен в 1977 году, а Альтаир 8800 – в 1975 году, но активная фаза эпохи ПК началась с релиза IBM PC в 1981 году.
Продажи ПК в год (тыс.)
Фаза формирования интернета началась в 80-х и ранних 90-х годах, когда он, по сути, представлял собой инструмент обмена текстовыми данными, используемый учеными и правительством. Выход первого браузера, NCSA Mosaic, в 1993 году ознаменовал начало фазы интенсивного развития интернета, которая не закончилась и по сей день.
Количество пользователей интернета по всему миру
В 90-х годах уже существовали мобильные телефоны, а первые смартфоны появились на заре нулевых, но повсеместное производство смартфонов началось в 2007–2008 годах с выходом первого iPhone, а затем – с появлением платформы Android. С тех пор количество пользователей смартфонов взлетело до небес, и сейчас их число достигло уже порядка двух миллиардов. А к 2020 году смартфоны будут у 80 % населения планеты.
Продажи смартфонов по всему миру (млн.)
Если длительность каждого цикла действительно составляет 10–15 лет, всего через несколько лет начнется активная фаза новой компьютерной эпохи. Выходит, новая технология уже находится в фазе формирования. На сегодняшний день можно выделить несколько главных трендов в сферах аппаратного и программного обеспечения, позволяющих нам частично пролить свет на следующую эпоху. В данной статье я хочу обсудить эти тренды и выдвинуть несколько предположений о том, как может выглядеть наше будущее.
Аппаратное обеспечение: компактное, дешевое и универсальное
В мейнфрейм-эпоху только крупные организации могли позволить себе компьютер. Мини-компьютеры были доступны для организаций поменьше, а компьютеры – для домов и офисов.
Размер компьютеров уменьшается с постоянной скоростью
Сейчас мы на пороге новой эпохи, в которой процессоры и сенсоры становятся настолько дешевыми и компактными, что компьютеров скоро будет больше, чем людей.
Но в современную эпоху полупроводников всё внимание перешло от отдельных процессоров к целым узлам специальных микросхем, известным как однокристальные системы.
Цены на компьютеры стабильно снижаются
Обыкновенная однокристальная система сочетает в себе энергоэффективный ARM-процессор и специальный графический процессор, а также устройства обмена информацией, управления питанием, обработки видеосигнала и так далее.
Raspberry Pi Zero: 5-долларовый Компьютер на Linux с процессором 1 GHz
Эта инновационная архитектура позволила сбросить минимальную стоимость базовых вычислительных систем со 100 до 10 долларов за единицу. Отличным примером послужит Raspberry Pi Zero – первый 5-долларовый компьютер на Linux с частотой 1 GHz. За те же деньги можно приобрести микроконтроллер Wi-Fi, поддерживающий одну из версий Python. Совсем скоро эти микропроцессоры будут стоить меньше доллара, и мы без труда сможем встраивать их практически всюду.
Но более серьезные достижения происходят сегодня в мире высококачественных микропроцессоров. Отдельного внимания заслуживают графические процессоры, лучшие из которых производит компания NVIDIA. Графические процессоры полезны не только для обработки графики, но и при работе с алгоритмами машинного обучения, а также с устройствами виртуальной и дополненной реальности. Однако представители компании NVIDIA обещают более существенные улучшения производительности графических процессоров в ближайшем будущем.
Козырем всей сферы информационных технологий по-прежнему остаются квантовые компьютеры, которые пока существуют преимущественно в лабораториях. Но стоит сделать их коммерчески привлекательными, и это приведет к грандиозному росту производительности, прежде всего, в сфере биологии и искусственного интеллекта.
Программное обеспечение: золотой век искусственного интеллекта
Сегодня в мире программного обеспечения происходит много любопытных вещей. Хороший пример – распределенные системы. Их появление обусловлено многократным увеличением количества устройств за последние годы, что вызвало необходимость распараллеливать задания на нескольких машинах, налаживать обмен данными между устройствами и координировать их работу. Отдельного внимания заслуживают такие технологии распределенных систем, как Hadoop или Spark, предназначенные для работы с большими массивами данных. Стоит также упомянуть технологию блокчейн, обеспечивающую безопасность данных и ресурсов и впервые реализованную в криптовалюте Bitcoin.
Но, пожалуй, самые захватывающие открытия совершаются сегодня в области искусственного интеллекта (ИИ), имеющего длинную историю взлетов и падений. Еще сам Алан Тьюринг предсказывал, что к 2000 году машины будут способны имитировать людей. И хотя это предсказание пока не осуществилось, есть веские причины полагать, что ИИ наконец вступает в золотой век своего развития.
Наибольший ажиотаж в области ИИ сосредоточен вокруг так называемого глубинного обучения – метода, который был широко освещен в рамках одного известного проекта компании Google, запущенного в 2012 году. В этом проекте была задействована высокопроизводительная сеть компьютеров, целью которой было научиться распознавать котиков на видеороликах с YouTube. Метод глубинного обучения основывается на искусственных нейронных сетях – технологии, зародившейся еще в 40-х годах прошлого века. Недавно эта технология снова стала актуальной из-за многих факторов: появления новых алгоритмов, снижения стоимости параллельных вычислений и широкого распространения больших наборов данных.
Процент ошибок в конкурсе ImageNet (красная линия соответствует показателям человека)
Остается надеяться, что глубинное обучение не станет просто очередным модным термином Силиконовой долины. Впрочем, интерес к этому методу обучения подкрепляется впечатляющими теоретическими и практическими результатами. К примеру, до введения глубинного обучения допустимый процент ошибок победителей ImageNet, известного конкурса по машинному видению, составлял 20–30 %. Но после его применения правильность алгоритмов неуклонно росла, и уже в 2015 году показатели машин превзошли показатели человека.
Многие документы, пакеты данных и инструменты программного обеспечения, связанные с глубинным обучением, находятся в открытом доступе, что позволило отдельным лицам и небольшим организациям создавать собственные высокоэффективные приложения. Компании WhatsApp Inc. потребовалось всего 50 разработчиков, чтобы создать популярный мессенджер для 900 миллионов пользователей. Для сравнения, создание мессенджеров предыдущих поколений требовало привлечения свыше тысячи (а иногда и нескольких тысяч) разработчиков. Нечто подобное теперь происходит и в области ИИ: программные средства вроде Theano и TensorFlow в сочетании с облачными дата-центрами для обучения и недорогими видеокартами для вычислений позволяют небольшим командам разработчиков создавать новаторские системы ИИ.
К примеру, ниже представлен небольшой проект одного программиста с использованием TensorFlow для преобразования черно-белых фото в цветные:
Слева направо: черно-белое фото, преобразованное фото, цветной оригинал фото. (Источник)
А вот небольшое стартап-приложение для классификации предметов в реальном времени:
Приложение Teradeep идентифицирует предметы в реальном времени
Хм, а ведь где-то я уже это видел:
Фрагмент из фильма Терминатор 2: Судный день (1991 г.)
Одним из первых приложений с методом глубинного обучения, выпущенных крупной компанией, было удивительно умное приложение для поиска изображений Google Photos:
В скором времени нас ожидает значительное повышение производительности ИИ во всех сферах программного и аппаратного обеспечения: голосовые помощники, поисковые механизмы, чат-боты, 3D сканеры, языковые переводчики, автомобили, дроны, системы диагностической визуализации и многое-многое другое.
Стартапы, создающие продукцию с упором на ИИ, должны оставаться предельно сфокусированными на определенных приложениях, чтобы поддерживать конкуренцию с крупными компаниями, для которых ИИ является высшим приоритетом. Системы ИИ становятся эффективнее по мере того, как увеличивается объем собранных для них данных. Получается нечто вроде маховика, постоянно вращающегося за счет так называемого эффекта сети данных (больше пользователей → больше данных → лучше продукция → больше пользователей). К примеру, команда картографического сервиса Wase использовала эффект сети данных, чтобы сделать качество предоставляемых карт лучше, чем у их более маститых конкурентов. Всем, кто намерен использовать ИИ для своего стартапа, стоит придерживаться аналогичной стратегии.
Программное + аппаратное обеспечение: новые компьютеры
Сейчас на стадии формирования находится целый ряд перспективных платформ, которые скоро вполне могут перейти на стадию развития, так как они сочетают в себе самые последние разработки из сфер программного и аппаратного обеспечения. И хотя эти платформы могут выглядеть по-разному либо иметь разную комплектацию, у них есть одна общая черта: использование последних расширенных возможностей умной виртуализации. Рассмотрим некоторые из этих платформ:
Автомобили. Крупные информационно-технологические компании вроде Google, Apple, Uber и Tesla немало инвестируют в разработку автономных или беспилотных автомобилей. На рынке уже представлены полуавтономные автомобили Tesla Model S и вскоре ожидается выход обновленных и более совершенных моделей. Создание полностью автономного автомобиля потребует некоторого времени, однако есть основания полагать, что ждать осталось не более пяти лет. На самом деле, уже существуют разработки полностью автономных автомобилей, которые ездят не хуже, чем под управлением человека. Тем не менее, в силу многих аспектов культурного и регулятивного характера такие автомобили должны ездить намного лучше, чем управляемые человеком, чтобы быть допущенными к широкой эксплуатации.
Беспилотный автомобиль составляет схему своего окружения
Несомненно, объем инвестиций в беспилотные автомобили будет только расти. В дополнение к информационно-технологическим компаниям, крупные производители автомобилей тоже начали задумываться над автономностью. Нас ждет еще много интересных стартап-продуктов. Программные средства глубинного обучения стали настолько эффективными, что сегодня одному-единственному разработчику под силу сделать полуавтономный автомобиль.
Самодельный беспилотный автомобиль
Дроны. Современные дроны укомплектованы по последнему слову техники (в основном компонентами смартфонов и механическими деталями), но имеют относительно простое ПО. В скором времени появятся усовершенствованные модели, оснащенные компьютерным зрением и другими видами ИИ, что сделает их более безопасными, удобными в управлении и полезными. Фото- и видеосъемка с дронов будет популярной не только среди аматоров, но, что важнее, найдет и коммерческое применение. К тому же, существует немало опасных видов работ, в том числе высотных, для выполнения которых было бы гораздо безопаснее использовать дроны.
Полностью автономный полет дрона
Интернет вещей. Самые основные преимущества устройств интернета вещей – это их энергоэффективность, безопасность и удобство. Хорошими примерами первых двух характеристик могут послужить продукты Nest и Dropcam. Что касается удобства, стоит обратить внимание на устройство Echo от Amazon.
Большинство людей полагают, что Echo – это очередная маркетинговая уловка, но, воспользовавшись хотя бы раз, они удивляются, насколько удобным оказывается это устройство. Оно блестяще демонстрирует эффективность голосового управления как основы пользовательского интерфейса. Конечно, мы еще не скоро увидим роботов с универсальным интеллектом, способных поддерживать полноценный разговор. Но, как показывает Echo, компьютеры уже способны справляться с более-менее сложными голосовыми командами. По мере того как метод глубинного обучения будет совершенствоваться, компьютеры научатся лучше понимать язык.
3 основных преимущества: энергоэффективность, безопасность, удобство
Устройства интернета вещей также найдут применение в бизнес-сегменте. К примеру, устройства с сенсорами и возможностью сетевого подключения широко используются для оперативного контроля промышленного оборудования.
Носимая техника. Сегодня функциональность носимых компьютеров варьируется в зависимости от ряда факторов: емкости батареи, средств коммуникации и обработки данных. Наиболее успешные устройства обычно имеют весьма узкую сферу применения: к примеру, фитнес-трекинг. По мере улучшения компонентов аппаратного обеспечения носимые устройства будут, как и смартфоны, расширять свою функциональность, открывая тем самым возможности для новых приложений. Как и в случае с интернетом вещей, предполагается, что голос станет основным пользовательским интерфейсом управления носимыми устройствами.
Демонстрация Oculus Rift Toybox
Несомненно, очки VR продолжат развиваться и со временем будут становиться всё доступнее. Разработчикам еще предстоит немало поработать над такими аспектами, как новые инструменты представления генерируемого и/или отснятого контента VR, усовершенствование машинного зрения для отслеживания положения пользователя и получения данных о нем прямо с телефона или очков виртуальной реальности, а также распределенные серверные системы для размещения масштабных виртуальных окружений.
Создание виртуального мира в 3D формате с помощью очков VR
Дополненная реальность. Скорее всего, AR получит развитие только после VR, потому что для полноценного использования дополненной реальности потребуются все возможности виртуальной вместе с дополнительными новыми технологиями. К примеру, для полноценного объединения в одной интерактивной сцене реальных и виртуальных объектов средствам AR потребуются продвинутые технологии машинного зрения с малой задержкой.
Но, скорее всего, эпоха дополненной реальности наступит быстрее, чем вам кажется. Этот деморолик был отснят непосредственно через устройство AR Magic Leap:
Демонстрация Magic Leap: виртуальный персонаж в реальной среде
Этот деморолик был снят непосредственно через устройство Magic Leap 14 октября 2015 года. При его создании не применялись ни спецэффекты, ни композитинг.
Что дальше?
Возможно, циклы в 10–15 лет больше не повторятся, и мобильная эпоха будет последним из них. А может быть, следующая эпоха будет короче, или лишь какой-то один подвид из рассмотренных выше технологий станет впоследствии действительно важным.
Читайте также: