Как будут использоваться компьютеры в будущем

Обновлено: 01.07.2024

Как и автономные транспортные средства, дроны-доставщики, самообучающиеся роботы и наноразмерные датчики, квантовые вычисления – это технология, которая, похоже, принадлежит миру завтрашнего дня. Но на самом деле это уже сегодня.

А компании, которые хотят решить сложные задачи для себя, своих акционеров, клиентов и общества в целом, могут начать получать преимущества уже сегодня.

Когда будет написана история квантовых вычислений, она покажет, что это было время, когда провидцы отделяли себя от луддитов, лидеров от отстающих и первопроходцев от последователей.

Но это зависит от решительных действий. Прежде чем вы сможете изменить мир или даже только свою отрасль, вы должны сначала изменить свою организацию. Для этого требуется приверженность образованию и желание экспериментировать.

Образование: что такое квантовые вычисления?

Чтобы использовать квантовые вычисления, вы должны сначала понять, что это такое. Точнее, не его сложная физика — вы можете предоставить это ученым, которые создают и программируют квантовые компьютеры, — а скорее его основные принципы.

По своей сути квантовые вычисления — это вычисления, работающие в соответствии с законами квантовой механики — раздела физики, изучающего атомные и субатомные частицы. Проще говоря: квантовые компьютеры обрабатывают информацию так же, как Вселенная обрабатывает атомы и составляющие их протоны, нейтроны и электроны.

Это проявляется в трех конкретных принципах, которые составляют основу квантовой механики и, следовательно, квантовых вычислений:

· Суперпозиция. В квантовой механике существует увлекательное явление, называемое суперпозицией, при котором крошечные частицы могут фактически существовать в нескольких состояниях — и во многих местах — одновременно. В статье для журнала Cosmos автор Катал О'Коннелл сравнивает его с монетой, что является распространенной аналогией во всей отрасли. В то время как монета может быть только орлом или решкой, атом может быть и тем, и другим одновременно.

В вычислительной среде это выглядит как куча монет, выстроенных рядом друг с другом. Традиционный компьютер кодирует информацию в виде двоичных «битов», которые могут быть представлены как единицами, так и нулями. То, как расположены монеты — орел, решка, орел, решка против орла, орел, орел, решка (0101 против 0001) — сообщает компьютеру, какую операцию выполнять.

В квантовых вычислениях информация кодируется как «квантовые биты» или «кубиты». В отличие от обычного бита, кубит может быть занят как единицей, так и нулем одновременно. Как будто монеты стоят на боку, готовые упасть в любую сторону в любой момент. Эта универсальность означает, что вы можете достичь большего количества потенциальных результатов с меньшим количеством монет.

· Запутанность: Запутанность в квантовой механике описывает отношения между двумя частицами, которые могут быть неразрывно связаны друг с другом, несмотря на большие расстояния между ними. Это означает, что частица А может мгновенно столкнуться с частицей Б со всей вселенной. Альберт Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии». Это как если бы поворот дверной ручки в одном доме открыл дверь в другом доме.

Вернем предыдущую аналогию с монетами. Если у вас есть ряд монет, которые стоят и могут упасть на любую сторону в любой момент, как вы создаете предсказуемые результаты, чтобы гарантировать, что ваш компьютер выполняет нужную вам операцию? это выполнять вместо операции наобум? Частично ответ заключается в запутанности, которая позволяет создавать причинно-следственные связи между кубитами. Принцип запутанности означает, что то, как падает одна монета — орел или решка — дает информацию о том, как падает другая, связанная монета.

· Интерференция: В квантовой механике понятие интерференции довольно сложное. Однако в квантовых вычислениях предпосылка довольно проста. И снова представьте компьютерные операции в виде монет: если суперпозиция позволяет монете стоять на ребре, а запутанность позволяет одной монете влиять на то, как падает другая монета, то квантовым компьютерам нужны средства, с помощью которых первая монета опрокидывается в желаемом направлении. направление, заставляя последующие монеты падать, как домино. Обычно подбрасывание монеты происходит случайно; интерференция позволяет исключить случайность и склонить чашу весов в сторону орла или решки.

Если вы все еще в замешательстве, все, что вам действительно нужно знать, это следующее: традиционные вычисления происходят последовательно, так что A порождает B, порождает C и так далее. Благодаря вышеупомянутым принципам квантовой механики квантовые вычисления происходят синхронно, так что A, B и C могут выполняться одновременно.

Представьте себе сложную задачу с миллионами, миллиардами, триллионами, квадриллионами или даже квинтиллионами точек данных. Последовательная обработка всех этих данных может занять у традиционного компьютера годы, десятилетия или даже столетия. С другой стороны, синхронная обработка данных может занять у квантового компьютера всего несколько часов.Благодаря современной науке о данных вы, вероятно, уже понимаете как проблемы, так и возможности, связанные с большими данными. Благодаря квантовым вычислениям ваша организация может использовать гораздо большие объемы данных при значительно меньших ресурсах.

Квантовые компьютеры настолько сложны и находятся в таком зачаточном состоянии, что в настоящее время на Земле есть лишь несколько сотен высококвалифицированных технологов, обладающих знаниями и опытом для их программирования. Поэтому, чтобы получить квантовое преимущество, первопроходцы должны знать, где их найти и как с ними сотрудничать таким образом, чтобы способствовать обучению и росту.

Эксперимент: какие проблемы могут решить квантовые вычисления?

Что подводит нас к вашему следующему заданию, если вы решите его принять: экспериментировать.

Чтобы квантовые компьютеры полностью реализовали свой потенциал, нужны не только умные ученые, способные их программировать, но и стратегические бизнес-лидеры, способные представить блестящие варианты использования, в которых они могут принести пользу.

По мере своего развития квантовые компьютеры, использующие сложные алгоритмы машинного обучения, смогут справляться с гигантскими задачами. Через десять лет они, вероятно, будут достаточно мощными, чтобы помочь нам открыть новые лекарства для борьбы с пандемиями, такими как COVID-19, найти новые решения глобальных проблем, таких как изменение климата, и новые модели, с помощью которых можно точно предсказать все, от финансового риска до погода.

Однако прежде чем мы сможем бежать, мы должны проползти. К тому времени, когда квантовые компьютеры станут достаточно совершенными, чтобы создавать новые методы лечения, их операции будут настолько сложными, что, вероятно, не будет другого механизма, кроме квантового компьютера, для подтверждения ответа. Эти квантовые компьютеры будут генерировать ответы на вопросы и решения проблем, которые классические компьютеры не смогут проверить. Вместо этого мы должны быть в состоянии доверять результату. Наша задача сейчас — завоевать это доверие.

Для этого организациям необходимо разработать доказательства концепции, достаточно эффективные, чтобы проиллюстрировать потенциал квантовых вычислений, но достаточно небольшие, чтобы их выводы можно было проверить с помощью традиционных вычислений.

Таким образом, когда вычисления выходят за рамки наших самых сложных, высокопроизводительных классических суперкомпьютеров, мы, тем не менее, можем быть уверены, что эти вычисления верны.

В таких разных отраслях, как аэрокосмическая промышленность, здравоохранение и логистика, существует множество потенциальных вариантов использования. Секрет успеха — масштаб. Хотя квантовый компьютер завтрашнего дня сможет построить эквивалент огромного небоскреба, используя экскаваторы, краны и множество других тяжелых машин, квантовый компьютер сегодня может построить только эквивалент складского помещения, используя только молоток и отвертку. Организации, которые в конечном итоге выиграют от квантовых вычислений, будут теми, у кого есть идеи и изобретательность для экспоненциального строительства от сарая до небоскреба.

Работа должна начаться сегодня; если вам нужно подождать и посмотреть, вы уже опоздали.

Аналогичным образом биологические вычисления касаются того, как само тело может вычислять, как мы можем думать о генетическом материале как о вычислениях. Вы можете думать о биологических вычислениях как о способе вычисления РНК или ДНК, а о понимании биотехнологии как о разновидности компьютера. Один из моих коллег в Карнеги-Меллон, Адам Файнберг, занимается 3D-печатью сердечной ткани. Он проектировал части тела на компьютере, используя очень мелкие модели, основанные на человеческом теле, а затем использовал инженерные методы для создания живых организмов. Это очень радикальное различие в том, что мы считаем цифровой инфраструктурой, и этот сдвиг поддерживает радикальные изменения в том, как мы работаем и живем, и в том, кем мы являемся как люди.

Квантовые вычисления позволяют нам представить себе будущее, в котором компьютеры, которые больше не будут привязаны к простым двоичным нулям и единицам, будут совершать великие прорывы в науке.

Как меняются компьютеры? Какие силы движут этими изменениями?

Некоторые из способов, с помощью которых компьютеры сейчас меняются, заключаются в том, что они проникают в ткани нашей одежды и в наши тела. Сейчас мы находимся в процессе совершенствования протезов, которые не только помогают людям до чего-то дотянуться, но при достижении эти протезы посылают сообщение обратно в мозг. Первые протезы чудесным образом смогли получить сообщение от мозга и использовать его для управления миром. Но представьте, как это поразительно, если этот протез также сообщает мозгу, что он что-то схватил. Это действительно меняет наше представление о том, что значит быть человеком, если на наш мозг влияет движение куска металла на краю наших рук.

Как развитие вычислительной техники может повлиять на отрасль, правительства и общество?

Во-первых, действительно происходит сбой во всех отраслях промышленности. Все, от сектора информации и развлечений, которые могут представить рекламу, которая понимает ваши эмоции, когда вы смотрите на них, с помощью машинного обучения; на производство, где роботы на производственной линии могут обучаться в режиме реального времени в зависимости от того, что они воспринимают. Вы можете представить робота-манипулятора на фабрике, который автоматически восстанавливает себя, когда объект, который он кладет в коробки, меняет форму. Каждый сектор меняется, и даже границы между отраслями промышленности стираются, например, 3D-печать и машинное обучение объединяются; как производство и информация; или производство и тело объединяются.

Что нужно сделать, чтобы максимизировать их преимущества и держать под контролем связанные с ними риски?

Если вы думаете о будущем вычислений как о конвергенции биологического, физического и цифрового (и постцифрового квантового), используя в качестве примеров 3D-печать, биотехнологии, робототехнику для протезирования, интернет вещей, автономные транспортные средства, другие виды искусственного интеллекта, вы можете увидеть, насколько изменится жизнь. Мы должны сделать так, чтобы эти разработки приносили пользу всему обществу, а не только самым состоятельным членам общества, которые могут хотеть эти протезы, но каждому человеку, который в них нуждается.

Одним из наших первых вопросов в Совете будет вопрос о том, как наладить справедливое управление инновациями? Как мы способствуем справедливому использованию этих технологий для каждой нации и каждого человека в каждой стране? И является ли управление «сверху вниз» правильной моделью для контроля за использованием этих технологий, или же этическое обучение снизу вверх для тех, кто участвует в разработке технологий и их распространении, является лучшим способом подумать о том, как обеспечить справедливое использование? ?

Я считаю, что все технологи должны иметь в виду многоуровневую модель технологии, состоящую из нескольких частей, которая учитывает технологические, а также социальные, культурные, правовые аспекты развития. Все технологи должны быть обучены как человеческому, так и технологическому, чтобы они понимали, для чего может быть использована их технология, и размышляли о том, для чего они хотят ее использовать.

Как будут выглядеть компьютеры в 2030 году?

Мы пока не знаем, потому что изменения происходят очень быстро. Мы знаем, что квантовые вычисления — введение физики в область информатики — будут чрезвычайно важны; что компьютеры станут очень, очень маленькими, размером с атом.Это будет иметь огромное значение; нанокомпьютеры, очень маленькие компьютеры, которые вы можете проглотить внутри таблетки, которые затем узнают о вашей болезни и примутся за ее лечение; это также объединяет биологические вычисления, где мы можем печатать части тела. Поэтому я думаю, что мы увидим растущее проникновение вычислений во все аспекты нашей жизни. Если наш Совет добьется своего, мы увидим растущее чувство ответственности со стороны технологов за обеспечение того, чтобы эти разработки были во благо.

Какую технологию или гаджет вы больше всего хотели бы увидеть к 2030 году?

В своей работе я стремлюсь к тому, чтобы технологии объединяли людей, а не разделяли их. Был некоторый страх, что то, что все пялятся в свои мобильные телефоны весь день, отделяет нас друг от друга; что мы больше не строим связи с другими людьми. Моя собственная работа направлена на то, чтобы социальные связи и отношения между людьми и даже отношения между нами и нашими технологиями поддерживали социальную инфраструктуру, чтобы мы никогда не забывали те ценности, которые делают нас людьми.

На мой взгляд, я хочу видеть не какой-то конкретный гаджет, а гаджеты, которые гарантируют, что связь между людьми не только продолжается, но и укрепляется, что взаимопонимание между народами и людьми улучшается благодаря технологиям, с которыми мы сталкиваемся. .

Исследователи выходят на новые рубежи вычислительной техники, используя углерод, нити ДНК и другие средства, чтобы преодолеть ограничения кремния.

Поскольку транзисторы на основе кремния становятся настолько крошечными, что противоречат законам физики, технологии производства уже не могут за ними угнаться. Это сигнализирует о верхних пределах закона Мура, который утверждает, что количество транзисторов в микропроцессоре (и, следовательно, его вычислительная мощность) может удваиваться каждые два года. Но означает ли это, что эпоха экспоненциальных технологических изменений вот-вот закончится?

Хотите краткий обзор?

Прочитайте статью «Будущее вычислительной техники: пост-кремниевые вычисления».

Закон Мура никогда не был неизменной истиной, как гравитация или закон сохранения энергии. Это было скорее самоисполняющееся пророчество: производители чипов возлагали на них надежды, и они оправдались. Это помогло разжечь ненасытную жажду мира к все большей и большей вычислительной мощности — и этот спрос не исчезнет только потому, что мы продвинули кремниевые микропроцессоры так далеко, как они могут. Итак, теперь нам нужно изучить новые способы размещения большей мощности в еще более тесных пространствах.

Будущее вычислительной техники определяется транзисторами, изготовленными не из кремния, а из других материалов. Его усиливают подходы, которые не имеют ничего общего со скоростью транзисторов, такие как программное обеспечение для глубокого обучения и возможность краудсорсинга избыточной вычислительной мощности для создания распределенных суперкомпьютеров. Это может даже дать новое определение вычислениям.

Вот некоторые вехи на новых рубежах вычислительной техники:

Транзисторы на основе графена. Графен — толщиной в один атом углерода и обладает большей проводимостью, чем любой другой известный материал (см. Революция суперматериалов). Его можно свернуть в крошечные трубочки и объединить с другими двухмерными материалы для перемещения электронов быстрее, в меньшем пространстве и с меньшим потреблением энергии, чем даже самый маленький кремниевый транзистор. Однако до недавнего времени производство нанотрубок было слишком грязным и подверженным ошибкам, чтобы быть коммерчески осуществимым. Однако в 2019 году группа исследователей Массачусетского технологического института разработала процесс создания 16-битного микропроцессора из углеродных нанотрубок, который успешно выполнял набор инструкций для печати сообщения, начинающегося со слов «Hello, World!». Этот процесс устранил достаточно дефектов в нанотрубках, чтобы их можно было перенести из лаборатории на завод менее чем за пять лет.
Квантовые вычисления: даже самый мощный обычный компьютер может присвоить каждому биту только единицу или ноль. Квантовые вычисления, напротив, используют квантовые биты или кубиты, которые могут быть нулем, единицей, и тем, и другим одновременно, или какой-то промежуточной точкой одновременно. (Конечно, мозговая нагрузка, но см. удивительно понятное объяснение WIRED.) Современные квантовые компьютеры громкие и ненадежные, но в ближайшие 10 или 20 лет они смогут помочь нам в разработке новых материалов. и химические соединения, а также создать невзламываемые каналы связи, чтобы защитить все, от финансовых транзакций до передвижения войск.
Хранение данных ДНК. Преобразуйте данные в основание 4, и вы сможете закодировать их в синтетической ДНК. Почему мы хотим это сделать? Просто: мы уже знаем, как секвенировать (читать), синтезировать (записывать) и копировать ДНК. Небольшая его часть хранит много информации; некоторые исследователи считают, что мы могли бы удовлетворить все потребности мира в хранении данных в течение года с кубическим метром порошкообразного e. ДНК коли. И он удивительно стабилен, как доказали ученые, которые успешно использовали фрагмент кости для реконструкции генома пещерного медведя, умершего 300 000 лет назад. Хранение данных на основе ДНК как услуга (поскольку вы, вероятно, не собираетесь вкладывать средства в собственные инструменты редактирования генов) может появиться всего через несколько лет.
Нейроморфная технология. Целью этой технологии является создание компьютера, который имитирует архитектуру человеческого мозга, чтобы достичь человеческого уровня решения проблем и, возможно, даже познания в какой-то момент, при этом требуя в сотни тысяч раз меньше энергии, чем у традиционного транзистора. Мы еще не достигли этого, но в начале 2020 года Intel выпустила новый сервер на основе нейроморфных чипов, который, как утверждается, обладает примерно такими же нейронными возможностями, как мозг маленького млекопитающего. И в разработке, которая когда-то была бы научной фантастикой, международная группа исследователей связала искусственные и биологические нейроны, чтобы общаться как биологическая нервная система, но та, которая использует интернет-протоколы.
Оптические вычисления. Возможность вычислений с использованием фотонов, то есть сопоставления данных с уровнями интенсивности света и последующего изменения интенсивности света для выполнения вычислений, все еще находится на ранних стадиях, но может обеспечить высокую эффективность и малое энергопотребление. обработка и передача данных. Оптические вычисления в наномасштабе будут возможны буквально со скоростью света.
Распределенные вычисления. У каждого компьютера, который простаивает в спящем режиме или не работает на полную мощность, есть вычислительные циклы, которые можно использовать для других целей. Клиент, работающий в фоновом режиме, позволяет этому компьютеру загружать рабочие нагрузки с удаленного сервера, выполнять вычисления локально и загружать результаты обратно на сервер. Текущая вершина этой распределенной модели — Folding@home, которая моделирует белковые молекулы для поиска лекарств от таких болезней, как болезнь Альцгеймера, рак и, совсем недавно, COVID-19. Сейчас у проекта почти 750 000 участников и совокупная мощность в 1,5 экзафлопса — то есть возможность выполнять квинтиллион вычислений в секунду. Это 75 % от предполагаемой скорости суперкомпьютера El Capitan, который, как ожидается, станет самым быстрым в мире к моменту выхода в 2023 году.

Возможно, мы приближаемся к пределу возможностей кремниевых чипов, но сами технологии продолжают развиваться. Вряд ли она перестанет быть движущей силой современной жизни. Его влияние будет только возрастать по мере того, как новые вычислительные технологии выдвигают робототехнику, искусственный интеллект, интерфейсы человек-машина, нанотехнологии и другие потрясающие мир достижения за сегодняшние общепринятые пределы.

Короче говоря, экспоненциальный рост вычислительной техники не может продолжаться вечно, но его конец все же намного дальше, чем мы думаем.

Как будут выглядеть компьютеры через 30 лет?

На картинке выше показана передняя панель моего самого первого компьютера Data General Nova 1200 1982 года выпуска. Это была кошачья пижама, потому что она позволяла мне вводить два символа (16 бит) за раз вместо восьми бит ( байт). Мне было приятно, как перфокартам, ввести свое десятибуквенное имя менее чем за минуту в двоичном коде. Сегодня я разговариваю со своим смартфоном, и он отвечает так же быстро, как и мои дети.

Моя точка зрения (пока не забыл) заключается в том, что я перешел от тумблеров к распознаванию голоса всего за 30 лет. Из ДОСа в Виндовс. От первого Mac до новейшего iPhone. От Pong до Angry Birds. Какие достижения я (да, я имею в виду себя) увижу в ближайшие 30 лет? Какие изменения в компьютерах вы увидите в своей жизни? Это действительно ошеломляет.

Закон Мура

Прежде чем публиковать статью о будущем компьютеров, любой блоггер, достойный внимания, изучит закон Мура, названный в честь соучредителя Intel Гордона Э. Мура.

Закон Мура (скорее наблюдение, ставшее предсказанием, которое более или менее подтвердилось) – это наблюдение о том, что количество транзисторов в плотной интегральной схеме (ИС) удваивается примерно каждые два года – Википедия.

Компьютеры завтрашнего дня

Современные компьютеры работают на полупроводниках, металлах и электричестве. Будущие компьютеры могут использовать атомы, ДНК или свет.Закон Мура предсказывает удвоение, но когда компьютеры перейдут от кварцевых к квантовым, коэффициент будет зашкаливать.

На что был бы похож мир, если бы компьютеры размером с молекулу стали реальностью? Это типы компьютеров, которые могут быть повсюду, но никогда не встречались. Наноразмерные биокомпьютеры, которые могут нацеливаться на определенные области внутри вашего тела. Гигантские сети компьютеров в вашей одежде, вашем доме, вашей машине. Укоренились почти во всех аспектах нашей жизни, но вы, возможно, никогда не задумываетесь о них.

Как будут выглядеть компьютеры через 30 лет? Хитрый вопрос. Вы их вообще не увидите.

Знакомство с технологиями

Понимание теорий, лежащих в основе этих будущих компьютерных технологий, не для смиренных. Мое исследование квантовых компьютеров стало еще более трудным после того, как я узнал, что в свете ее постоянного вмешательства теоретически возможно, что моя свекровь может находиться в двух местах одновременно.

Если у вас хватит духу, взгляните на самые многообещающие новые компьютерные технологии. Если нет, то осмелитесь представить, как миллиарды крошечных мощных компьютеров изменят наше общество.

Статьи о компьютерах будущего и веб-сайты

Я ежедневно ищу в Интернете новые статьи со всего мира, которые интересуют меня или, я думаю, заинтересуют вас. Я надеюсь, что это сэкономит вам время или поможет студентам с их заданиями. В списке самые последние, начиная с 2005 года.

Читайте также: