Дорога в будущее
Шрифт:
Было бы удобно преобразовать всю информацию в цифровую форму, но возникает проблема обработки ее больших объемов. Слишком большое число бит может переполнить память компьютера или потребовать много времени на передачу между компьютерами. Вот почему так важна (и становится все важнее) способность компьютера сжимать цифровые данные и хранить или передавать их в таком виде, а затем вновь разворачивать сжатые данные в исходную форму.
Рассмотрим вкратце, как компьютер справляется с этим. Для этого надо вернуться к Клоду Шеннону, математику, который в тридцатых годах осознал, как выражать информацию в двоичной форме. Во время второй мировой войны он начал разрабатывать математическое описание информации и основал новую область науки, впоследствии названную теорией информации. Шеннон трактовал информацию как уменьшение неопределенности. Например,
Теория информации Шеннона привела в конечном счете к значительным прорывам в познании. Один из них – эффективное сжатие данных, принципиально важное как в вычислительной технике, так и в области связи. Сказанное Шенноном, на первый взгляд, кажется очевидным: элементы данных, не передающие уникальную информацию, избыточны и могут быть отброшены. Так поступают репортеры, исключая несущественные слова, или те, кто платит за каждое слово, отправляя телеграмму или давая рекламу. Шеннон привел пример: в английском языке буква U лишняя в тех местах, где она стоит после буквы Q. Поэтому, зная, что U следует за каждой Q, в сообщении ее можно опустить.
Принципы Шеннона применяли к сжатию и звуков, и фильмов. В тридцати кадрах, из которых состоит секунда видеозаписи, избыточной информации чрезвычайно много. Эту информацию при передаче можно сжать примерно с 27 миллионов бит до 1 миллиона, и она не потеряет ни смысла, ни красок.
Однако сжатие не безгранично, а объемы передаваемой информации все возрастают и возрастают. В скором будущем биты будут передаваться и по медным проводам, и в эфире, и по информационной магистрали, в основу которой лягут волоконно-оптические кабели. Волоконно-оптический кабель представляет собой пучок стеклянных или пластмассовых проводов настолько однородных и прозрачных, что на другом конце стокилометрового кабеля Вы сможете разглядеть горящую свечу. Двоичные сигналы в виде модулированных световых волн смогут без затухания распространяться по этим кабелям на очень длинные расстояния. Естественно, по волоконно-оптическим кабелям сигналы идут не быстрее, чем по медным проводам: скорость движения не может превысить скорость света. Колоссальное преимущество волоконно-оптического кабеля над медным проводом – в полосе пропускания. Полоса пропускания – это количество бит, передаваемых по одной линии в секунду. Такой кабель подобен широкой автомагистрали. Восьмирядная магистраль, проложенная между штатами, пропускает больше автомобилей, чем узкая грунтовая дорога. Чем шире полоса пропускания кабеля (чем больше рядов у дороги), тем больше бит (машин) могут пройти по нему в секунду. Кабели с ограниченной полосой пропускания, используемые для передачи текста или речи, называются узкополосными; с более широкими возможностями, несущие изображения и фрагменты с ограниченной анимацией, – среднеполосными. А кабели с высокой пропускной способностью, позволяющие передавать множество видео– и аудиосигналов, принято называть широкополосными.
Информационная магистраль, немыслимая без сжатия данных, потребует применения кабелей с очень высокой пропускной способностью. Тут-то и кроется одна из главных причин, почему информационная магистраль до сих пор не построена: современные коммуникационные сети не могут обеспечить нужной полосы пропускания. И не обеспечат, пока их не заменят волоконно-оптические линии. Волоконная оптика – пример технологии, выходящей далеко за рамки того, что могли предвидеть Беббидж или даже Эккерт и Моучли. То же относится и к темпам, с которыми улучшается быстродействие и емкость микросхем.
В 1965 году Гордон Мур (Gordon Moore), впоследствии вместе с Бобом Нойсом основавший фирму Intel, предсказал, что число транзисторов в компьютерных чипах ежегодно будет удваиваться. Его предсказание базировалось на соотношении «цена/качество» компьютерных чипов за предыдущие 3 года и предположении, что в ближайшее время эта тенденция сохранится. Правда, Мур не очень-то верил, что такая скорость эволюции чипов продлится долго. Но прошло 10 лет, предсказание сбылось, и тогда он заявил, что теперь емкость будет удваиваться каждые 2 года. Его слова оправдываются и по сей день: число транзисторов в микропроцессорах удваивается в среднем каждые 18 месяцев. Среди инженеров эту зависимость принято называть законом
Опыт повседневной жизни бессилен перед скрытым смыслом периодически удваивающихся чисел – экспоненциальной прогрессией. Мы попытаемся вникнуть в этот смысл, вспомнив древнюю легенду.
Правитель Индии Ширхам (Shirham) так обрадовался, когда один из его министров изобрел шахматы, что разрешил ему выбрать любую награду.
«Владыка, – сказал министр, – дай мне столько зерен пшеницы, сколько уместится на шахматной доске: одно зернышко – на первую клетку, на вторую клетку – 2 зернышка, на третью – 4 и пусть так удваивают число зернышек на каждой клетке вплоть до шестьдесят четвертой». Правитель немало удивился такой скромности, но велел принести мешок пшеницы.
И вот зернышки стали отсчитывать на шахматной доске. На первую клетку в первом ряду положили одно маленькое зернышко. На вторую – 2 зернышка, на третью – 4 и далее: 8, 16, 32, 64, 128. Когда первый ряд был заполнен, кладовщик насчитал в нем всего 255 зернышек.
Правитель, наверное, еще ничего не подозревал. Разве что зернышек на первом ряду оказалось многовато, но волноваться вроде бы не о чем. Допустим, на одно зернышко уходила одна секунда, значит, подсчет пока занял не более четырех минут. А если на один ряд потребовалось четыре минуты, попробуйте догадаться, сколько времени нужно на подсчет зернышек пшеницы на всех клетках. Четыре часа? Четыре дня? Четыре года?
К тому времени, когда покончили со вторым рядом, кладовщик трудился уже 18 часов, отсчитав 65535 зернышек. На третий из восьми рядов, чтобы отсчитать 16,8 миллионов зернышек (24 клетки), понадобилось 194 дня. А ведь оставалось еще 40 пустых клеток.
Думаю, Вы понимаете: правитель отказался от своего обещания! На последней клетке должна была вырасти гора из 18446744073709551615 зернышек пшеницы, и на их отсчитывание ушло бы 584 миллиарда лет. Сравните: возраст Земли оценивают где-то в 4,5 миллиарда лет. Согласно большинству версий этой легенды, правитель Ширхам в конце концов понял, как ловко его провели, и велел казнить этого министра-умника. Так что экспоненциальная прогрессия, даже когда ее поймешь, кажется чистым фокусом.
Число транзисторов в микропроцессорах Intel удваивалось примерно каждые 18 месяцев – в соответствии с законом Мура.
Закон Мура, по всей видимости, будет действовать еще лет двадцать. И тогда вычисления, занимающие сегодня сутки, будут проводиться в 10000 раз быстрее, т.е. не потребуют более десяти секунд.
Лаборатории уже работают с так называемыми «баллистическими» транзисторами, время переключения которых порядка фемтосекунды. Это 1/1000000000000000 секунды, т.е. такие транзисторы в 10 миллионов раз быстрее современных. Однако необходимо так уменьшить размер чипа и протекающий в нем ток, чтобы движущиеся электроны ни с чем не сталкивались – и друг с другом тоже. В этом вся сложность. Следующий этап – создание «одноэлектронного транзистора», в котором единственный бит информации представлен одиночным электроном. Это абсолютный предел для низкоэнергетической вычислительной техники, по крайней мере, в соответствии с нашим нынешним пониманием физических законов. Чтобы воспользоваться преимуществами невероятного быстродействия на молекулярном уровне, компьютеры должны стать очень маленькими, даже микроскопическими. Наука уже объяснила, как строить супербыстрые компьютеры. Пока недостает одного – технологического рывка, но за этим, как показывает история, дело не станет.
Когда мы перейдем на такие скорости работы, хранение всех этих бит информации уже не будет проблемой. Весной 1983 года корпорация IBM выпустила PC/XT, первый персональный компьютер с внутренним жестким диском. Этот диск (встроенный накопитель) вмещал 10 мегабайт (Мб) информации, что составляет около 10 миллионов символов, или 80 миллионов бит. Клиентам, которые хотели дополнить свои «персоналки» 10-мегабайтовым диском, это обходилось весьма недешево. IBM предлагала комплект из жесткого диска с отдельным источником питания за 3000 долларов, т.е. один мегабайт стоил 300 долларов. Сегодня, благодаря «экспоненциальному» прогрессу, показанному законом Мура, персональные компьютеры оснащаются жесткими дисками емкостью 1,2 гигабайт (1,2 миллиарда символов) всего за 250 долларов – по 21 центу за мегабайт! А впереди нас ждет такая экзотика, как голографическая память, которая позволит хранить терабайты символов на кубический дюйм (порядка 16 кубических сантиметров). При такой емкости голографическая память объемом с кулак вместит все содержимое Библиотеки Конгресса.