ПоделитьсяПочему в России существуют проблемы с малым бизнесом? Чем наш мозг отличается от компьютера, а живое от мертвого? Как библейские пророки предвидели будущее? Почему все революции такие разрушительные? Cовременные технологии позволяют ответить и на эти вопросы.
Крупнейший на Северо-Западе России суперкомпьютер установлен в Санкт-Петербургском политехническом университете и так и называется – «Политехнический». По вычислительной мощности он пятый в России, но благодаря своей гибридной архитектуре пока не имеет аналогов в стране и за рубежом. Отправляясь в Политех, корреспондент «Фонтанки» собирался расспросить об этой «супермашине». Но разговор с двумя докторами наук – директором Института компьютерных наук и технологий Владимиром Заборовским и профессором Высшей школы киберфизических систем и управления Владимиром Полянским – неожиданно коснулся и других тем.
ПоделитьсяПочему компьютер греется, а мозг – нет
- Что такое применительно к компьютеру приставка «супер»?
Владимир Забровский: – Физики шутят, что суперкомпьютер – это тот, который весит больше тонны или стоит больше миллиона долларов. На самом деле «супер» – понятие относительное и связано с особенностями организации процессов вычислений. Стандартная единица измерений таких процессов – флопс – количество операций с плавающей точкой в секунду. В 1940-х годах суперкомпьютером считался тот, который совершал тысячу операций. Сегодня самый обычный персональный компьютер, который продается в магазине, делает десять в 9-й степени, или миллиард, операций в секунду, а суперкомпьютер "Политехнический" – десять в 15-й степени, или миллион миллиардов. Еще в 1960-е годы был установлен теоретически возможный предел таких операций: десять в 51-й степени для компьютера весом 1 килограмм. Мы к нему еще даже близко не подошли. Нас разделяют примерно 35 десятичных порядков.
- Что мешает преодолеть эту дистанцию?
В.З.: – Ну, прежде всего то, что современные компьютеры сильно греются. Согласно законам термодинамики, обработка информации приводит к выделению тепла. В процессе необратимых вычислений часть информации в компьютере теряется и уходит в тепло. И чем быстрее это происходит, тем больше он греется. Но вот что интересно. Человеческий мозг с точки зрения термодинамики тоже можно рассматривать как своего рода «натуральный» компьютер, к которому вполне подходит приставка «супер». Согласно современным оценкам, он имеет производительность 10 пета флопс и затрачивает на это всего около 10 – 20 ватт. Для сравнения: у нашего суперкомпьютера 2 пета флопса, а затраты энергии – 1 мегаватт. Другими словами, в инженерно-техническом плане мозг человека в 5 раз производительнее нашего суперкомпьютера, но при этом затрачивает на свою работу почти в миллион раз меньше энергии.
Поделиться- Как это объясняет наука?
В.З.: – Одно из возможных объяснений: в отличие от компьютера, в мозгу человека обрабатываемая информация не теряется, а каким-то образом сохраняется. Но где? Возможно, в нейронах, отвечающих за подсознание, куда человеку «свободный доступ» закрыт. Хотя в каких-то исключительных случаях он открывается, что называется озарением или интуицией. А может быть и другое метафизическое объяснение: все вычисления нашего мозга происходят не здесь (Заборовский ткнул себе пальцем в лоб), а там (показал вверх), в виртуальном квантовом «облаке».
- В «облаке»? То есть можно провести аналогию с Интернетом?
В.З.: – Существует много гипотез и моделей. Согласно одной из них, видимый мир составляет всего около 4 процентов от общей массы Вселенной. Пока очевидно только одно: существуют так называемые суперпозиции квантовых состояний. Они могут включать также и состояния, находящиеся в других физических измерениях. С точки зрения компьютерных наук – эта напоминает модель виртуальных вычислительных процессов, одновременно существующих на одной вычислительной платформе. Кто знает, может быть, процессы, формирующие сознание человека, тоже находятся в некоем интеллектуальном облаке.
Главная проблема программирования
- В чем принципиальное отличие мозга от компьютера?
В.З.: – Мозг умеет много чего. Но главное, человек сам себе ставит задачу и формирует программу своих действий. А компьютер сам себя не программирует. Он исполняет программный код, последовательно выполняя операции, которые ему прописал программист. В этом плане за последние 50 лет компьютеры принципиально не изменились. Они состоят из двух частей: процессора (где что-то вычисляется ) и памяти (где хранится написанная программа и вычисленные данные). Повышая производительность процессоров, мы пока не научили компьютеры формулировать новые задачи и программировать себя на их решение.
- Может быть, это и к лучшему?
В.З.: – Еще в XIX веке поэт Тютчев написал: «Мысль изреченная есть ложь». Это значит, что наши мысли, переведенные в слова, искажаются. Точно так же, когда вы пишете программу для компьютера, вы неизбежно искажаете смысл первоначальной идеи, которую хотите с его помощью воплотить в жизнь. Это фундаментальная проблема современных программных технологий, а все усилия, которые потом осуществляются по исправлению ошибок, внесенных при программировании, потенциально тщетны – точно реализовать в программном коде замысел человека не удается никогда.
Владимир Полянский: – Долгое время эта проблема решалась за счет переизбытка используемых ресурсов. Например, благодаря избыточному объему памяти и специальным алгоритмам кодирования информации можно исправить часть не очень сложных ошибок. Но такой подход требует усложнения системы охлаждения, потому что в противном случае процессоры просто расплавятся. Итог печальный. Вычислительный к.п.д. современных процессоров ниже, чем у паровоза, компьютеры – это, по сути, не вычислительные, а нагревательные устройства – высокотехнологичные полупроводниковые... печки.
В.З: - На единицу площади современные микропроцессоры выделяют энергии больше, чем ТВЕЛы (тепловыделяющие элементы. – Прим. В.Ч.) ядерных реакторов!
Человеческий интеллект всегда будет выше искусственного
- В чем вы видите развитие в этой области?
В.З.: – Мне кажется – в создании квантовых компьютеров, реализующих технологии обратимых вычислений, и в развитии систем искусственного интеллекта. У интеллекта, как функции мозга, есть две модальности – знать и понимать. Знать – это не что иное, как иметь большую базу данных. Создание таких баз не проблема, а процесс доступа к ним можно легко автоматизировать. Что позволяет получить так называемый слабый искусственный интеллект. Такие интеллектуальные системы могут «много знать», но ничего не понимать. Они – лишь инструмент, улучшающий возможности интеллекта человека. А что касается понимания, то сегодня никто не может сказать, как работает этот механизм.
Физическая реальность – явления и объекты, которые нас окружают, их можно измерить, – они обладают такими свойствами, как масса, энергия, протяженность... Мысли в мозгу человека, очевидно, тоже реальность, но не вполне физическая, скорее виртуальная. Технологий ее исследования пока нет. Но нас это не должно останавливать. Когда Ползунов придумал свой паровоз, термодинамику еще не создали. Но его это не остановило. Сегодня ситуация примерно такая же. Мы подходим к созданию искусственного интеллекта, не понимая до конца, как работает человеческий мозг и что конкретно делает в нем каждый из миллиардов нейронов (нервных клеток. – Прим. В.Ч.). Но, тем не менее, используя аналогии, люди создали новый класс вычислителей – искусственные нейронные сети. На них сейчас построены многие прототипы систем слабого искусственного интеллекта. В отличие от суперкомпьютера нейронные сети, как и люди, не очень быстро вычисляют, но зато хорошо сравнивают. Например, могут по данным 3D компьютерной томографии определить, есть ли на представленных фото раковые опухоли.
Человек программирует искусственные нейронные сети, обучая их на примерах. Если в компьютер можно просто загрузить программу, и он выполнит заданный алгоритм, то обучение искусственных нейронных сетей – процесс непростой и долгий. Как и обучение человека, которого надо 11 лет водить в школу, потом еще несколько лет давать профессиональные знания в университете, чтобы он стал хорошим инженером. Однако ускорить процесс обучения нейронных сетей позволяет суперкомпьютер. Благодаря ему «среднее образование» они получат за один вечер. Мы сегодня с помощью суперкомпьютера «Политехнический» обучаем нейронные сети управлять роботами, вести сейсморазведку полезных ископаемых, искать раковые опухоли по данным компьютерной томографии, сравнивать геномы и ставить точные диагнозы. Такой симбиоз суперкомпьютера и систем искусственного интеллекта приближает человечество к новому технологическому укладу, иногда его называют «экономикой знаний».
- Искусственный интеллект может когда-нибудь заменить человеческий?
В.З.: - Нет. И суперкомпьютер, и искусственный интеллект – это всего лишь инструменты изучения мира. Они – не замена нашего интеллекта, а средства повышения его остроты. Я абсолютно убежден, что человеческий интеллект из инфраструктуры нашей жизни не будет вытеснен никогда.
Божественный смысл научных открытий
- Вы говорите о фантастических возможностях мозга. Такое «суперустройство» могло появиться в результате эволюции человека?
В.З.: - Я думаю, на этот вопрос ответа не знает никто. До появления мозга как супероргана появились так называемые живые организмы. Загадка возникновения жизни не менее сложная, чем эволюция мыслительных органов у живых организмов.
ПоделитьсяВ.П.: - Есть фундаментальные вещи, которые мы не можем объяснить. У меня дочь – биофизик. И я все время задаю ей вопросы. Если живое, как считает наука, способно возникать из неживого, то почему это не происходит сегодня, перманентно? Ведь в истории Земли не было ничего такого, чего бы не происходило сейчас. Очень высокие температуры, большое количество органических веществ? Но это все есть в морских вулканах на дне. Согласно другой гипотезе, аминокислоты рождаются в молниях. Но каждую секунду на Земле случается 50 – 100 молний. А мы почему-то не наблюдаем воспроизводства жизни. За 400 лет упорных попыток ее так и не удалось воссоздать. Нет ни одного примера. Даже в самом элементарном виде первичных бактерий или вирусов. А вирус – это фактически всего лишь молекула ДНК, окруженная белковой оболочкой.
Другой пример. Мы вроде бы знаем все про основные элементарные частицы. Знаем, что нейтрон, вылетев из ядра, живет 10 минут и после этого распадается на протон и электрон. И все выделяющиеся при этом частицы и их энергии нам известны. Но многолетние попытки получить нейтрон обратным путем, столкнув протон и электрон, не увенчались успехом. Они либо разлетаются, либо дают атом водорода. Вся современная физика построена на представлениях о близко- и дальнодействующих силах. Первые работают внутри атомного ядра и способствуют слипанию частиц с зарядом одного знака. Вторые взаимодействуют на больших расстояниях по закону Кулона. То есть протон и электрон должны сами по себе слипаться в нейтрон под действием обеих этих сил. Но ничего подобного почему-то не происходит.
Или еще пример. Теория относительности утверждает, что скорость света в вакууме постоянна и не зависит от скорости движения инерциальных систем отсчета. Майкельсон и Морли во второй половине XIX века с помощью специального прибора – интерферометра – доказали это, а заодно и отсутствие загадочной невесомой и невидимой космической субстанции, именуемой эфиром. Они проводили опыты в воздухе, используя вращающуюся систему координат, связанную с поверхностью Земли. Однако сегодня этот базовый опыт теории относительности не вполне согласуется с фактом существования оптических гироскопов. Оказывается, скорость света в конденсированной среде зависит от системы координат. И она все-таки меняется, причем существенно, если система координат вращается. И это не мнение какого-то отдельного ученого, а реальная основа промышленных технологий. Прибор, называемый гироскопом, – катушка с оптоволокном – сейчас широко используется в различных навигационных системах.
Чем больше мы знаем, тем больше возникает вопросов. Ну а как объяснить другой поразительный факт – что открытия очень часто совершаются не одним ученым, а двумя-тремя – независимо друг от друга? Ньютон и Гук почти одновременно сформулировали одинаковые законы (Ньютон просто известнее, так как он оказался более расторопным, опубликовав результаты раньше, используя свое «служебное положение»). И таких примеров очень много, когда двое ученых, которые порой и не знали друг друга, жили в разных странах, в непохожих условиях, но вдруг одновременно изобретали одно и то же. Судя по всему, знания и понимание, как составные части окружающей человека реальности, имеют особые пути для своего распространения. Мысли и идеи могут образовываться у разных людей синхронно, и это не зависит от того, на каком расстоянии друг от друга они находятся. Это очень похоже на вычисления в некой виртуальной "облачной" среде. Простым обобщением накопленного научного опыта такое не объяснить.
ПоделитьсяС другой стороны, изучая тексты старинных книг, например Библии, мы должны о многом задуматься. Если не вдаваться в какие-то сюжетные линии, а сосредоточиться, например, на советах, как человеку себя вести, то оказывается, что это очень правильные, научно обоснованные, с точки зрения современной теории управления, рекомендации. Прежде всего рекомендации по построению глобальных общественных систем. Есть в Новом Завете и то, что непосредственно относится к сфере компьютерных наук: в «Откровении Иоанна Богослова» сказано, что как только всех людей пересчитают – присвоят человеку некий цифровой код, то наступит апокалипсис – конец света. С точки зрения современной теории управления это можно объяснить. Раз людей пересчитали, значит, ими можно «программно» управлять, но любая программная, другими словами – замкнутая, система не способна к саморазвитию и накоплению знаний. Все живое на земле в принципе до конца программно неуправляемо. Если в живом нет элемента неустойчивости, то есть инструмента развития, значит, оно либо умирает, либо уже мертво.
Как только общество приобретает полную «программную» управляемость, оно начинает деградировать, приближаясь к точке сингулярности или смерти. Возьмем малый бизнес – это неустойчивая неуправляемая развивающаяся система. Как только вы попытаетесь сделать его полностью управляемым, он начинает «ползти на кладбище». Так происходит во всех странах. И, видимо, не случайно в Европе малый бизнес – это не сфера жесткого регулирования и сбора налогов, а в первую очередь сфера трудоустройства людей.
А в Китае долгое время «открытый» банкинг (это когда какой-то гражданин выдает кредиты наличными, а ты потом ему приносишь проценты) обеспечивал 40 процентов всех кредитов на внутреннем рынке. Это был саморегулируемый, но программно не контролируемый бизнес-процесс, который сопровождался бурным ростом экономики страны.
ПоделитьсяВ.П.: – Любое развитие – неустойчивый процесс. Как только его начинают программно регулировать, он становится устойчивым, и развитие прекращается.
Я люблю задавать студентам вопрос: какая наука самая точная? Как ни смешно это звучит – бухгалтерия. Потому что все процессы в ней могут быть рассчитаны совершенно точно. У физиков два плюс два может быть и пять, и шесть, иногда даже десять. А бухгалтер сосчитает миллионы рублей с точностью до копейки. Хотя из практики известно, что чем точнее мы считаем, тем хуже работает предприятие как инновационная или развивающаяся система. Поэтому лучший способ остановить развитие компании – это отдать ее в управление бухгалтеру. Об этом написано в книгах знаменитого и очень успешного менеджера Ли Якокки.
- Значит, для того, чтобы двигаться вперед, нужны неустойчивость и хаотичность ?
В.З.: – До известной степени. Одно из фундаментальных открытий такой классической науки, как механика, заключается в том, что практически все наблюдаемые нами процессы порождаются неустойчивыми хаотическими системами. Даже наше сердце не работает, как часы. Как только у вас возникает регулярный сердечный цикл – значит, вы умерли. Мы все время реагируем на внешние факторы, подстраивая работу организма под изменяющиеся условия. И такую реакцию на внешнее воздействие можно назвать адаптацией, или приспособляемостью, индивидуума к постоянно неопределенным внешним условиям. Любая физически устойчивая система стремится к состоянию равновесия, для живых организмов такое состояние называется смертью. Только неустойчивые хаотические системы способны к развитию – они живут, потому что стремятся к усложнению.
Живое и мертвое
Поделиться- Давайте еще раз уточним, что такое жизнь и смерть с точки зрения физики?
В.П.: – Жизнь – это противодействие равновесному состоянию, которому соответствует минимум энергии. Все неживое стремится к этому минимуму, а Вселенная – к тепловой смерти. А все живое пытается от этого минимума отдалиться. Жизнь строит структуры, позволяющие с помощью управляемых потоков энергии преобразовывать мир. Можно сказать, в библейских терминах, что для этого Бог жизнь и создал. Знания дают нам возможность изготовить батарейку, которая увеличивает наши силы, теоретически – на сколь угодно большую величину. Это позволяет нам стать созидателями. То есть, согласно Библии, знания приближают нас к Богу. И этим может быть объяснена легенда об изгнании Адама и Евы из рая. Почему Бог это сделал? Да потому что, вкусив плод с древа познания, они стали не нужны в раю, так как получили возможность самостоятельно преобразовывать мир. Кстати, такой взгляд в корне противоречит концепции экс-министра образования Фурсенко, который провозгласил целью своего министерства воспитание грамотного потребителя. В реальности ты либо получаешь знания – и тогда ты грамотный созидатель, либо не получаешь знаний, и тогда автоматически ты безграмотный потребитель.
Современный этап развития человечества характеризуется еще и тем, что люди стали получать довольно большую энергию при взаимодействии не только с природой, но и с себе подобными. Почему, например, революции имеют волнообразный характер? Потому что в старом обществе были структуры, на построение которых была затрачена большая обшественная энергия. Как только структура начинает ломаться, эта энергия освобождается и сносит все – прежде всего тех, кто революцию начинал или провоцировал.
- Получается, нестабильность – это хорошо, а Конфуций был неправ, сказав: «Не дай вам Бог жить в эпоху перемен»?
В.З.: - Может быть, это правило справедливо для каких-то отдельных людей. Но для всего общества в целом перемены – это развитие, а развитие – общественное благо.
В.П: – Конфуцианство – не религиозная мораль, и оно не годится для построения развивающихся сложных систем. Это и личный опыт самого Конфуция доказал. Он был очень популярен, но не прижился ни у одного из многочисленных китайских правителей, которые начинали действовать по его указаниям.
Суперкомпьютер требует суперзадач
- Раз уж заговорили о Китае... Почему у них много суперкомпьютеров, а у нас мало?
В.З.: – У нас их достаточно для решения того количества суперзадач, которые мы себе как нация поставили. Для спокойной жизни суперкомпьютеры не нужны, достаточно гаджетов.
Хотя, когда у СССР была суперзадача сделать атомную бомбу, ее успешно решили, используя такие параллельно работающие «суперкомпьютеры», как мозг наших выдающих физиков. А какие технические сверхзадачи у нас сегодня сформулированы на уровне государства? Хотя, на мой взгляд, их может быть предостаточно: например, сделать турбореактивный двигатель, который будет иметь тягу 50 тонн и весить всего 3 тонны, создать интеллектуальные системы национального масштаба для точной медицинской диагностики населения, обеспечить полную кибербезопасность отечественной производственной и транспортной инфраструктуры или построить с помощью группировок роботов лунную базу. Считаю, правительство должно формулировать приоритетные задачи развития, а научное и инженерное сообщество предлагать пути их решения.
- Насколько велика доля импортных составных частей в современной российской вычислительной технике?
В.З.: – Доля доминирующая. Угроза серьезная. Все станки с программным управлением, купленные в последние годы за границей нашими заводами, могут быть остановлены удаленным кликом «мышки». Недавно было сообщение по импортным 3D-принтерам, которые работают, используя порошковые металлы. Оказывается, эти устройства так запрограммированы, что не разрешают повышать температуру порошка выше 600 градусов – отключаются. Это сделано для того, чтобы на них нельзя было изготавливать изделия из более прочных материалов. Проблема кибербезопасности – обратная сторона развития компьютерных технологий. Тот, кто владеет информацией, – владеет миром. Тот, кто знает, что вы делаете, может вами управлять. И это еще один аргумент в пользу создания отечественных суперкомпьютерных систем кибербезопасности, наделенных средствами искусственного интеллекта. Проблеме «цифрового суверенитета» надо уделять гораздо больше усилий. И компонентная база, и программное обеспечение создаваемых суперкомпьютеров точно должны быть российскими.
Беседовал Владлен Чертинов, специально для «Фонтанки.ру»
Справка:
Суперкомпьютерный центр «Политехнический» введен в эксплуатацию в 2016 году и обошелся в 1,5 миллиарда рублей. Потребляет столько же электроэнергии, сколько 200-квартирный жилой дом. Свыше 10 процентов этой энергии уходит на систему охлаждения, которая позволяет за час превратить в лед 200 кубометров воды. Охлаждение жидкостное, что для суперкомпьютеров редкость. Оно позволяет серьезно экономить на электроэнергии по сравнению с воздушным. В первом контуре – дистиллированная вода, во втором – гликоль (внутри контура его циркулирует 15 тонн). Причем разработка системы охлаждения российская.
Суперкомпьютер занимает два этажа, а его 20-тонный охлаждающий блок установлен на крыше здания. «Политехнический» обслуживают 20 человек.
Количество суперкомпьютеров в мировом рейтинге ТОП-500
(на июнь 2018 года):
КНР – 206
США – 124
Япония – 36
Англия – 22
Германия – 21
Франция – 18
Голландия – 9
Южная Корея – 7
Ирландия -7
Канада – 6
Австралия – 5
Индия – 5
Италия – 5
Польша – 4
Россия – 4
Саудовская Аравия – 4
Швейцария – 3
Швеция – 3
Сингапур – 2
Испания – 2
ЮАР – 1
Тайвань – 1
Норвегия – 1
Бразилия – 1
Новая Зеландия – 1
