Суперкомпьютерные технологии в приложениях

Владимир Заборовский об интерфейсах связи между компьютером и человеком, облачных вычислениях и развитии киберфизики 19 Май 2016, 11:51
В рамках совместного проекта ПостНауки и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого была опубликована лекция доктора технических наук Владимира Заборовского, посвященная роли компьютерных технологий в инженерной деятельности и проектировании новых систем.
На сегодняшний день, если мы анализируем возможности, которые открываются перед нами, с точки зрения новых технологий, мы должны принять к сведению несколько кардинально новых обстоятельств, которые определяют то, что называется технологическим ландшафтом нашей цивилизации. Примерно 20 лет назад появилось понятие «экономика, основанная на знаниях». Это метафора, которая воодушевила довольно многих, в том числе инженеров и ученых, сдвинуть свои исследования в сторону, где интеллектуальные технологии будут определять то, что будет в ближайшее время создаваться, те возможности, открывающиеся нам в ближайшей перспективе, и те возможности, которые нас ждут в ближайшие десятилетия или даже больший период времени.
Если говорить о тех возможностях, которые на сегодняшний день являются ключевыми для получения экономических преимуществ, завоевания того или иного положения в научных исследованиях, то все эти возможности так или иначе связаны с тем, что принято называть компьютерными науками. И когда такая метафора, как компьютерные науки, произносится, всегда надо понимать, что под этим подразумевается несколько достаточно тесно связанных, но все-таки разных групп вопросов. Наш Институт компьютерных наук и технологий реализует следующие три группы исследований: прежде всего, компьютерные науки как науки о создании новых компьютеров, затем компьютерные науки и технологии как науки о создании программного обеспечения, и третья область деятельности — это компьютерные науки как сфера применения компьютеров в различных областях знаний.
В конечном итоге получается совершенно новая картина, новый ландшафт технологической реальности, когда инженерные знания, фундаментальные науки и любая деятельность, связанная с общественной или художественной деятельностью, так или иначе используют компьютерные технологии в своих решениях и своих приложениях. И те решения, которые в перспективе будут достигнуты, безусловно, связаны с применением этих технологий.
Возникает вопрос: где же конкурентные преимущества и те возможности, которые мы можем реализовать? 
Прежде всего это связано с тем, что у нас, в Политехническом университете, создан суперкомпьютерный вычислительный центр, который объединяет в себе на одной технологической платформе все известные на сегодняшний день вычислительные структуры, позволяющие применять компьютерные средства моделирования, анализа и обработки больших данных из различных сфер человеческой деятельности, включая научные расчеты, которые, как принято говорить, находятся за гранью интуиции главного инженера. 
Это обработка больших данных, когда огромные объемы информации, получаемые из компьютерной сети, в реальном масштабе времени анализируются и применяются либо для информационной безопасности, либо для выхода в тот или иной специальный режим обработки информации или, соответственно, поиска данных, в том числе не только цифровых, но и графических, если это требует распознавания того или иного графического образа.
И те возможности, которые на сегодня перед нами открываются, носят характер наддисциплинарных исследований. То есть фактически любая сфера деятельности, связанная с наукой и технологией, в ближайшее время будет использовать возможности суперкомпьютерных систем, которые на сегодняшний день у нас объединены общими ресурсами и могут быть использованы как основной фундамент междисциплинарной кооперации. Какие возможности это перед нами открывает?
Если рассматривать компьютерные науки в изолированном виде, то есть в таком представлении, когда они непосредственно не связаны со сферами приложений, то это довольно скучная область, связанная с программированием или чистой математикой. Но когда эти технологии приходят в инженерную деятельность и проектирование новых систем базируется не только на том, о чем инженер догадывается в своем воображении, но он может вычислять решения и, соответственно, находить наилучшие с точки зрения тех или иных критериев, то все эти технологии невозможно реализовать без суперкомпьютерных решений.
Спроектирована виртуальная модель организма человека
Что такое «супер»? «Супер» означает, что это решения, которые мы находим за границами тех возможностей, предоставляемых нам персональными компьютерами. И именно эти возможности на сегодняшний день открывают те перспективы, которые как для технологий, так и для фундаментальных знаний в ближайшее время будут определяющими. Есть знаменитая книга одного из мировых авторитетов в области футурологии Рэя Курцвейла, который на сегодняшний день является техническим директором компании Google, и название этой книги переводится так: «Точка сингулярности близка».
«Точка сингулярности» — это точка, за которой все наши знания, которые накопило человечество на протяжении последних 3000 лет, могут девальвироваться. Почему? Потому что в этой точке — а она уже действительно близка — возможности человеческого интеллекта будут соединены с возможностями обработки информации с использованием суперкомпьютеров. 
И тогда интерфейсы связи между компьютером и человеком будут созданы не только путем тач-панелей или клавиатуры, но мысли человека, преобразованные в определенные интерфейсные системы, смогут позволить ему таким образом мыслить, обрабатывать данные и иметь доступ к такому объему информации, что его потенциальные возможности как в творческом, так и в инженерном плане будут практически безграничны. И конечно, эта перспектива воодушевляет многих наших ученых и инженеров. Думаю, что в ближайшее время именно направление такого интегрального использования компьютерных технологий станет определяющим для нашей системы образования.
Ближайшая перспектива создания таких интерфейсов — это, конечно, не просто переход к суперкомпьютерным технологиям, а создание квантовых компьютеров, которые позволят принципиально по-другому представить весь процесс обработки информации. Мы впервые, после того как осознаем, как эти технологии применять, скорее всего, приблизимся к тем возможностям, которые на сегодняшний день представляются абсолютно фантастическими, но именно эти возможности будут определять ландшафт технологий и науки уже в ближайшие 10–20 лет.
Если говорить о технологических подробностях использования суперкомпьютеров, надо выделить три группы вопросов. Прежде всего, это так называемые облачные вычисления, когда вычислительная структура, которая используется для решения той или иной задачи, не локализована в одном месте, где мы ее ассоциируем с каким-нибудь огромным вычислительным комплексом, а представляет собой распределенную систему. Средства облачных вычислений — это то, что на сегодняшний день доступно на любительском уровне при использовании сети интернет и поиске информации с использованием, например, системы «Яндекс».
Но это только верхняя часть айсберга. На самом деле обработка информации в среде виртуальных машин (не машин в виде конструкций из железа и какого-нибудь металла, а именно с точки зрения решения логических задач, то есть распределенных в облачной среде) открывает огромные возможности. Прежде всего это связано с тем, что в среде облачных вычислений можем функционировать не только мы как субъекты, требующие новую информацию, но и роботы, которые через сеть облачных вычислений взаимодействуют друг с другом, также могут взаимодействовать различные сенсорные сети, то есть создавать ту систему, которую принято называть «интернет вещей». 
То есть когда к сети, к этой новой инфраструктуре информационного обмена будут подключены не только сложные интеллектуальные системы типа роботов, но и все технические системы, так или иначе порождающие и обрабатывающие информацию. С помощью этой новой технологии, средств облачных вычислений и интернета вещей, я думаю, серьезным образом преобразуется весь ландшафт технологической реальности, которая нас окружает.
Еще одна очень важная задача — это, конечно, задача так называемого искусственного интеллекта. В ближайшее время вряд ли нам удастся понять, как реально организовано наше мышление. Но если мы говорим о том, что физическая реальность — это то, что можно измерить, то все-таки к физической реальности относится и наша интеллектуальная деятельность. Мы находимся в физическом мире, мы действуем как физические объекты, но наше поведение кардинальным образом отличается от того, как по законам Ньютона двигаются, например, планеты. 
У нас есть те возможности, которых нет у неживых объектов. Но у нас нет части ресурсов, которые неживые объекты могут использовать для себя, поэтому одно из самых перспективных направлений развития компьютерных наук, которые интегрируют знания как в области фундаментальных исследований, так и в инженерной деятельности, — это наука, которую сейчас принято называть либо «цифровая физика», либо «киберфизика», то есть когда наряду с исследованием законов природы, связанных с поведением неживых материальных объектов, в эту систему знаний включаются особенности, вытекающие из возможностей именно живых организмов.
«Есть надежда на то, что в достаточно близком будущем человеческий мозг и компьютерные машины будут тесно сотрудничать, в результате чего новый симбиоз будет думать не так, как какой-либо мозг до этого, и работать с информацией на таком уровне, к которому существующие сегодня машины не могут даже приблизиться.» – Дж. К. Р. Ликлайдер, «Симбиоз человека и компьютера», 1960
Например, по законам Ньютона движение тел осуществляется только при воздействии силы. А мы прекрасно знаем, что мы можем изменить свою траекторию движения по звонку телефона. Никаких сил к нам не прикладывается, но сообщение, которое пришло к нам, меняет направление нашего движения. Понятно, что это простейший пример, но в общем случае киберфизические системы позволяют нам создать модели таких сложных организованных структур, которые на сегодняшний день с точки зрения физики понять невозможно.
Ключевым элементом развития киберфизики, конечно, являются исследования в области создания искусственного интеллекта и той точки сингулярности, о которой упоминал, что наступит именно тогда, когда наряду со средствами вычислений, традиционно используемых в компьютерных технологиях, нам станут доступны возможности, открывающиеся при использовании технологий и искусственного интеллекта. Вот тогда, действительно, киборги займут все пространство, а мы, одни из этих киборгов, сможем использовать те ресурсы, которые нам достались от природы в наследство.