Neobični kompjuteri

Svi znamo da kompjuter radi uz pomoć elektronskih signala, koji mogu da budu u stanju 0 i 1. Tu su i neke logičke kapije čiji izlazi zavise od tih stanja… Da li biste se kladili u to?

Kada je reč o kompjuteru, mi obično mislimo da postoje samo elektronski kompjuteri, preciznije rečeno digitalni elektronski personalni kompjuteri. Ako bismo samo malo provirili van okvira koji nam nameće takva definicija, videli bismo da je priča o računskim mašinama mnogo šira i zanimljivija.

Ma koliko neobično izgledali neki principi koji će ovde biti opisani, nikada ne možemo da budemo sigurni da upravo to neće biti centralna tehnologija budućih superkompjutera. Ni Tales iz Mileta, kada je pre 2600 godina ispitivao elektricitet, nije slutio da će taj „magnetizam“ – kako ga je on pogrešno protumačio – biti osnova za mašine kojima ćemo vršiti najsloženije proračune i simulirati realnost ili čak i proces mišljenja.

Svaka pojava u prirodi menja niz fizičkih stanja u svojoj okolini, pa tako sve što smo u stanju da zamislimo može da posluži kao princip na kome radi kompjuter. Pitanje je samo koliko će ta zamisao biti praktično upotrebljiva ili komercijalna, što je manje‑više isto. Ako govorimo o digitalnom kompjuteru, glavno pitanje je koliko je praktično izvodljivo pravljenje logičkih kapija (ILI, I i NE) koje ulazne i izlazne podatke predstavljaju promenama tih fizičkih stanja. Da li samo fizičkih? U prvom primeru ćemo videti da to mogu da budu i hemijska stanja.

Hemijski kompjuter

Princip rada hemijskog kompjutera se zasniva na takozvanoj Belousov‑Zhabotinsky (skraćeno BZ) reakciji. To je reakcija između dve hemikalije čiji ishod nije, kao što bi se očekivalo, stabilno stanje, nego ciklično ponavljanje različitih stanja. Tako se dobija hemijski „oscilator“, koji stalno (ili barem dovoljno dugo) menja karakteristike mešavine.

Pedesetih godina prošlog veka Boris Belousov je primetio da određeni sastav tečnih hemikalija ciklično menja izgled između žute boje i providne tečnosti, bez dovođenja energije ili materije spolja. Naučni časopisi su tada odbili da objave njegov nalaz, jer on nije umeo da objasni kako se događa nešto za šta se mislilo da narušava drugi zakon termodinamike, koji kaže da ukupna entropija termički zatvorenog sistema koji nije u termodinamičkoj ravnoteži uvek raste. Kasnije je ova pojava objašnjena i razvijena je posebna vrsta termodinamike koja izučava sisteme koji nisu u ravnotežnom stanju. Složen princip rada hemijskog oscilatora, koji sadrži 18 različitih faza, najzad je detaljno objašnjen. Neke od ovih faza bile su tema poznatih disertacija na polju hemije. Endrju Adamatski (Andrew Adamatsky) je napravio hemijske logičke kapije koje koriste ovu pojavu i demonstrirao ih u robotici.

Osnovni nedostatak hemijskog kompjutera je njegova mala brzina, jer se „talasi“ kojima se odvija ciklična hemijska reakcija kreću svega nekoliko centimetara u minutu. Ovaj nedostatak bi mogao da se ublaži ako bi se dimenzije „procesora“ smanjile na molekularni nivo. Za utehu, postoji i jedna prednost ovakvog kompjutera, a to je da je lako postići visoki paralelizam obrade.

Vodeni kompjuter

Nije lako zamisliti kompjuter kao posudu u kojoj se talasa voda, ali upravo tako izgleda prototip u kome su ostvarene neke logičke funkcije. Autori ove zamisli su Chrisantha Fernando i Sampsa Sojakka sa univerziteta u Saseksu. Početni rezultati su vrlo skromni, jer je za sada pronađen samo patern talasa kojima se postiže logička operacija XOR (eXclusive‑OR, isključivo ili), ali se pokazalo da je upravo to ono što je trebalo klasifikacionom algoritmu za treniranje neuronskih mreža nazvanom Perceptron kako bi savladao jedan od svojih nedostataka.

Po ovom algoritmu je naziv dobila čitava grupa veštačkih neuronskih mreža, a nedostatak te grupe bio je što može da „nauči“ sve logičke funkcije, osim funkcije XOR. Tek je dekodovanjem paterna talasa kojima se u posudi s vodom dobija funkcija XOR, Perceptron bio u stanju da nauči kako ta funkcija radi.

Magnetski (NMR) kompjuter

Kada već govorimo o „vodenim“ kompjuterima, svakako treba pomenuti i rad naučnika na Univerzitetu York u Engleskoj. Grupa koju predvosi Susan Stepney koristi jaka magnetna polja, kao u uređajima koji rade na principu nuklearne magnetne rezonance, kako bi pratili dinamiku molekula tečnosti.

Teorijski model ovakvog vodenog kompjutera je napravljen i on već radi kao simulacija na klasičnom kompjuteru, ali je dug put do praktičnih rezultata. Ako bi se napravio dovoljno dobar interfejs između kompjutera i molekula tečnosti, ovakav kompjuter bi mogao da posluži za modelovanje i praćenje ponašanja atmosfere u čaši vode.

Veštačke neuronske mreže

O ovome smo pisali u PC#175 (mart 2011), a sada ćemo ponoviti da neuronske mreže za sada na klasičnom digitalnom kompjuteru samo simuliraju neurone ljudskog mozga. Procesori koji rade kao generičke (mada elektronske) neuronske mreže su u fazi razvoja.

Ono što neuronske mreže čini zanimljivim jeste to što one ne rade algoritamski, kao nama poznati digitalni računari, nego empirijski. Oni u početku ništa ne znaju ali su u stanju da uče tako da, uz dobrog i strpljivog učitelja, sve manje i manje greše, pa postaju dosta dobre u donošenju odluka. Posledica ovakvog načina njihovog treniranja je da na kraju niko od nas ne zna kako one zapravo rade, a to je, priznaćete, dovoljno da ih uvrstimo u ovaj spisak kompjuterskih „frikova“.

Neuronski kompjuter

Za razliku od veštačkih neuronskih mreža, neuronski kompjuter koristi živo tkivo, bolje reći nervno tkivo bića koje je nekada bilo živo. Ni ova oblast nije dovoljno razvijena da bi pružila praktične rezultate, ali eksperimenti pokazuju da je moguće ostvariti ograničenu komunikaciju između elektronskih uređaja i živog tkiva.

Ferdinando Mussa‑Ivaldi, profesor psihologije, i fizičke medicine na Univerzitetu u Čikagu, napravio je interfejs pomoću koga je deo centralnog nervnog sistema zmijuljice (primitivnog kičmenjaka koji liči na jegulju) upravljao robotom. Izlaz iz svetlosnog senzora robota je doveden u nervne ćelije zmijuljice, a izlaz iz nervnih ćelija je pojačan i posle obrade doveden na upravljački mehanizam robota. Ovako konfigurisan robot je pratio svetlost na isti način na koji bi i zmijuljica to uradila.

Ovo nije jedini primer korišćenja mozga živih stvorenja na taj način. Naučnici američke istraživačke agencije DARPA su provodnicima spojili nervni sistem moljca s kompjuterom, pa ga dovođenjem signala različitih učestanosti navodili na to da pokreće krila na različite načine.

DNK kompjuter

DNK molekuli već milijardama godina rade isto što danas rade kompjuteri: izvršavaju programe upisane u grupe genoma, čime održavaju svoje ćelije‑domaćine, pa i naša tela u životu. Još 1994. godine je grupa koju predvodi Leonard Aldeman sa Univerziteta u Južnoj Kaliforniji uspešno upotrebila DNK u praktičnom rešavanju složenih matematičkih problema.

Već je utvrđeno kako DNK može da prepoznaje ulazne impulse i da izvodi logičke opercije, a jedan od načina na koji se rešava izlazni interfejs je pobuda fluorescentnih proteina koji bi „palili“ molekulske lampice u DNK lancu. Sadašnja istraživanja su usmerena na problem ugradnje DNK kompjutera u ljudsko telo – nema sumnje da je DNK kompjuteru tu mesto pre nego klasičnom kompjuteru.

Reverzibilni kompjuter

U vremenu povećane potrebe za zaštitom okoline i uštedom energije, pojavila se ideja kako bismo mogli da recikliramo bitove u logičkim kapijama elektronskih digitalnih kompjutera. Tako postoji zamisao da se te kapije načine dvosmernim, kako bi se izlazna informacila još jednom upotrebila. Na taj način bismo dobili ekonomičnija integrisana logička kola, koja bi trošila manje energije i manje se grejala.

Ovo zapravo i nije nova ideja. Pre oko pola veka kada su, posle radiodifuznih prijemnika sa elektronskim cevima, na tržište počeli da se probijaju i prvi germanijumski tranzistori, proizvođači su došli na ideju kako da skupe tranzistore istovremeno upotrebe za dve funkcije. Posle visokofrekventnog pojačivača i demodulacije, signal je ponovo doveden na ulaz istog pojačivača, koji je ovoga puta pojačavao signal niske frekvencije. Tako je ostvarena ušteda na skupim komponentama, elektronsko kolo tranzistorskog prijemnika je bilo jednostavno, a potrošnja baterije smanjena. Zamisao je da se nešto slično učini i sa logičkim kapijama procesora, čime bi se umaljila potrošnja energije ili povećala procesorska snaga čipa.

Optički kompjuter

Fotoni se već uveliko koriste u optičkim komunikacijama, gde su pokazali niz prednosti u odnosu na prenos informacija električnim signalima. Sada se ulaže puno napora da se svetlost iskoristi i za obradu informacija, jer bismo time dobili značajno brže kompjutere.

Do skora je glavnu prepreku činilo to što nije bio rešen problem „hvatanja“ svetlosnog zraka, kao ni način na koji bi bilo moguće napraviti aktivnu komponentu, neku vrstu „svetlosnog tranzistora“. Danas su oba ova problema rešena. Na Univerzitetu Harvard je razvijena optička verzija tranzistora koja omogućava da samo jedan foton „uključi“ ili „isključi“ neki drugi svetlosni tok. Istovremeno je grupa istraživača sa Univerziteta u Ilinoisu razvila način da se svetlosni zrak „zarobi“, uspori i savije oko oštrih uglova, bez opasnosti da se izgubi.

Kvantni kompjuter

O kvantnim kompjuterima smo pisali u PC#197 i PC#198 (mart i april 2013). Kvantni svet ni po čemu nije sličan našem, makro svetu, pa tako u tom subatomskom prostoru važe pravila koja su nama, blago rečeno, nepojmljiva. Tamo vreme može da teče unazad, jedna čestica se nalazi na više (pa i bezbroj) mesta istovremeno, informacije se razmenjuju brže od svetlosti, a događaji nemaju svoj ishod dok neko ili nešto ne „zaviri“ da vidi šta se dogodilo. Ništa nije izvesno, postoji samo verovatnoća da ćemo neku česticu pronaći tamo gde je očekujemo, a ako doznamo jednu (bilo koju) informaciju o njoj, ona će vešto sakriti sve druge.

Ovo je svakako „najšašaviji“ od svih ovde opisanih principa, ali ništa od toga nije plod nečije fantazije, nego naučne činjenice zasnovane na proverljivim eksperimentima. I više od toga – postoje konkretni rezultati koji podržavaju sva nabrojana pravila kvantnog sveta. Kvantni procesori ne operišu s bitovima koji zauzimaju jedno od dva stanja (0 ili 1) nego sa kjubitovima (q‑bitovima), kod kojih postoje tri stanja: 0, 1 i „istovremeno 0 i 1“.

Posebno je zanimljiva osobina nelokalnosti čestica u kvantnom svetu. Pošto čestice mogu da se nađu na svakom mestu istovremeno, one mogu da zauzmu i svako moguće stanje u isto vreme, pa tako mogu da obrađuju veći broj podataka u samo jednom (uslovno rečeno) procesorskom taktu.

To bi se moglo pojednostavljeno objasniti na sledeći način. Kod klasičnih kompjutera se, povećanjem broja bitova jedne binarne reči, eksponencijalno povećava kapacitet te reči. Tako 8‑bitna reč može da prikaže 256 stanja, 9‑bitna 512, 10‑bitna 1024 i tako dalje. Kod kvantnih procesora, povećanjem broja kjubitova se eksponencijalno povećava broj istovremene obrade različitih podataka. Ako procesor služi za razbijanje koda šifre, sa 8‑kjubitnim procesorom možemo da obradimo 256 različitih kodova istovremeno, sa 9‑kjubitnim 512 kodova, i tako dalje. To bi predstavljalo veliko ubrzanje obrade podataka.

Šta će se od svih nabrojanih principa pokazati kao ćorsokak, a šta kao zlatan rudnik? To je teško reći – sve zvuči kao fantazija i neosnovano maštanje, ali pomislite samo na to da bi pre manje od jednog veka istu takvu kritiku dobio i neko kome su se „ukazali“ današnji kompjuteri. Zato možda ne treba prognozirati ništa, nego sačekati da vidimo čime ća nas nauka u bliskoj budućnosti iznenaditi. To je ne samo najmudrije, nego, na neki način, i najlepše.

Voja Antonić

(Objavljeno u časopisu PC#205)