Суббота, 24 февраля, 2024

«Кембрийский взрыв» – будущее компьютеров

В археологии и биологии есть понятие «кембрийский взрыв» – это момент во времени, когда на планете появились тысячи видов существ. Их появление было таким внезапным, что этот момент назвали взрывом. Электроника, похоже, повторяет сценарий био жизни и в последующие десятилетия можно ждать компьютерного кембрийского взрыва. Вот еще несколько прогнозов о том, как будет развиваться вычислительная техника.

Последние полвека вычислительная техника развивалась по довольно простому сценарию и использованию нескольких архитектур, таких как ARM и x86. Однако сейчас уже очевидно: отрасль в технологическом тупике. Дальнейшее наращивание ядер и мегагерцев уже не приносит значительного ускорения, а стоит все дороже.

Конец закона Мура быстро приведет к появлению гораздо более удивительного оборудования. Десятилетия впереди будут кембрийским взрывом удивительного оборудования.

Существующие архитектуры, такие как x86, ARM или RISC-V станут историей. Основная концепция вычислительной техники как машины, выполняющей поток инструкций, перемешивая данные туда-сюда между процессором и памятью, со временем изменится в пользу более экзотических моделей.

Устаревший код все еще можно будет запускать из-за эмуляции. Поддержка родного аппаратного обеспечения остановится. Современное оборудование уже тратит >99,9% своей сложности и энергии на модные функции, как непорядочное исполнение, согласованность кэша и т.д.

Процессоры общего назначения станут на несколько порядков быстрее даже после окончания закона Мура, но благодаря компромиссу между производительностью и поддержкой прошлых технологий.Аппаратное обеспечение станет меньше соответствовать человеческим моделям, а больше физике. Компьютеры состоят из настоящих атомов, используют реальную энергию, производят реальное тепло, занимают реальное пространство и нуждаются в реальном времени, чтобы разослать биты в разные места этого пространства.

Это вещи, которые нельзя отвлечь без серьезных затрат вычислительной мощности. А без закона Мура наращивание такой мощности становится невозможным.

Значительная часть обязательного переосмысления дизайна аппаратного обеспечения и совместимости, сосредоточенной на эмуляции позволит исправить старые ошибки в проектировании. Например, современные ОС сегодня содержат лишь миллионы строк кода из-за произвольных аппаратных решений 90-х годов.

Кремниевые компиляторы станут привычным явлением. В ответ на инновационные фабрики расширят услуги обмена пластинами. Вскоре можно будет разработать собственный процессор или ASIC, загрузить файлы на сайт TSMC, заплатить 500 долларов и получить партию из 10 чипов к вашей двери через несколько месяцев.

Разработка аппаратного обеспечения станет почти таким же обычным явлением, как и инженерия программного обеспечения. В краткосрочной перспективе неизбежные фреймворки дизайна чипов создадут огромные проблемы безопасности, запеченные в неизменном кремнии.

Инженеры-программисты не готовы к разработке аппаратного обеспечения. Низкие затраты и низкие объемы совместного прототипирования пластины смягчат проблемы, но в конце концов мощный инструментарий формальных методов, который десятилетиями уже использовался аппаратными инженерами, будет вынужден перейти в руки гораздо более широкой аудитории.

Компьютерная индустрия справится со своим иррациональным страхом перед Тюрингом. Неразрешимые проблемы не являются невычислимыми (это отдельный класс вычисляемости), а скорее вычислительным эквивалентом иррациональных чисел; невозможно точно вычислить, но достаточно легко примерно. Золотой возраст анализа кода и формальных методов наступит, когда этот неуместный страх исчезнет.

По мере того, как аппаратное обеспечение становится физически ограниченным, оно одновременно будет становиться более странным. Одной из первых форм, которая уже начинает появляться в некоторых нишевых парадигмах высокопроизводительных вычислений, есть мозаичная архитектура: большое количество маленьких простых ядер в регулярной сетке.Вычисления на плиточных архитектурах имеют много общего с программированием распределенных систем, хотя с большей предсказуемостью и в гораздо меньшем масштабе. По причинам, связанным с физикой, вычисление данных является дешевым, а перемещение данных относительно дорогим.

Операционная система начнет напоминать сервер, занимающий определенное количество ядер на чипе, системные вызовы заменяются простым протоколом на основе пакетов, а не полагаются на переключение контекста. Ядра, предназначенные для конкретных программ или служб, сведут к минимуму необходимость перемещения больших объемов данных, эффективно сохраняя кэши специального назначения.

Компьютерная память, как правило, будет больше использовать арены памяти и подобные методы. Это не только обеспечит преимущества производительности при освобождении памяти, но также позволит легче анализировать код и лучше контролировать локальность данных (что станет одним из важнейших факторов производительности).

В сочетании с растущей актуальностью физической локализации данных концепция «распределения кучи» — смешивание почти всех данных в программе в большой однородной области — уступит место парадигме, где память делится на многие выделенные области с определенным пространственным планированием.

Информатика как математическая отрасль станет менее интровертной и станет смешиваться с другими отраслями математики на гораздо более глубоком уровне. Она станет больше напоминать традиционные математические области, такие как геометрия и статистическая физика.Будет разработан Розеттский камень (камень, позволивший перевести тексты на нескольких древних языках) между вычислительной техникой и многими, казалось бы, несвязанными отраслями математики и физики, создавая бесчисленное количество революционных идей.

Значительная часть этих идей предстанет от попыток реверсивного проектирования глубокого обучения и мозга. Разработанные инструменты начнут влиять на инструменты, предназначенные для более традиционной разработки программного обеспечения. Наши существующие парадигмы программирования и языковые конструкции вряд ли переживут этот переход, а вычисления будут для нас почти неузнаваемы сегодня.

Это отлично сочетается с аппаратным обеспечением с физическими ограничениями. Существует тесная связь между хранением данных, задержкой связи/пропускной способностью и основной геометрией. Эти отношения со временем будут становиться все более актуальными.

Усилия обратного проектирования в машинном обучении и нейронауке принесут значительные плоды. В скором времени последуют попытки обратного проектирования в других частях биологии.

Подобно тому, как физика непосредственно вдохновила огромную часть мощнейшей современной математики, совершенно новые парадигмы вычислений возникнут в результате изучения вычислительных систем у живых существ.

«Сингулярность» не удастся материализовать. Огромная сила человеческой изобретательности окажется не просто результатом больших мозгов, а скорее продуктом человеческого языка, позволяющим нам стоять на плечах гигантов, которые сами стоят на плечах других. Воздействие энтропии реального мира станет более релевантным узким местом на пути прогресса.

Искусственный интеллект на уровне человека материализуется благодаря теоретическим исследованиям нейронаук. Машины создадут многие едва заметные отклонения от человеческого поведения. Они, хоть и будут действительно умными, будут иметь серьезный социальный дефицит и абсолютно неспособны функционировать в обществе. Пройдет много десятилетий, прежде чем тонкости человеческого поведения будут ясны достаточно хорошо, чтобы воспроизвести в машине функциональное человеческое существо.

Нейронные имплантаты, такие как Neuralink и Synchron, станут доступны и будут иметь некоторые интересные возможности, и будут особенно полезны для того, чтобы помочь инвалидам восстановить функции.

В краткосрочной перспективе мультисенсорные вычисления и сенсорная замена/усиление станут гораздо более эффективным способом получения преимуществ. Инструменты сенсорной аугментации и замещения получат дальнейшее развитие и могут стать более популярной альтернативой для людей с ограниченными возможностями для восстановления функциональности, чем инвазивные имплантаты.

Будут разработаны разные формы инструментов нетекстового программирования. Программирование на основе звука будет доступно для незрячих программистов, а также для тех, кто, возможно, захочет просто кодировать с помощью разговора с компьютером во время прогулки.Тактильная обратная связь станет более распространенной и усовершенствованной в устройствах, подобно HD Rumble в Nintendo Switch.

Нынешняя волна VR в целом окажется ошибочной. Настоящее преимущество виртуальной реальности будет в значительном увеличении пропускной способности данных, которые можно получить из мозга, а также в увеличении сенсорного диапазона взаимодействия человека с компьютером. Этот урок, вероятно, придется усвоить трудным путем, вероятно, обанкротив определенную технологическую компанию с триллионами долларов, которая сейчас делает ставку на виртуальную реальность.

Дополненная реальность окажется гораздо полезнее виртуальной реальности. Мы развили мозг, чтобы лучше ориентироваться в окружающем мире, а не убежать в мир фантазий.

Любая страна, которая увидит любое широкомасштабное внедрение технологий в стиле метамира, столкнется как с антиутопией, так и с быстрым экономическим крахом. Симуляторы работы в виртуальной реальности не ставят еду на стол и не запускают фабрики, чтобы производить микросхемы, без которых такая технология была бы невозможна.

Кроме того, дополненная реальность дополнит много очень сложных и технических работ и в конечном итоге окажется очень экономически ценной.

Квантовые вычисления окажутся полезными в определенных сферах, но, вероятно, не сломают никакой реальной криптографической системы. Просто очень трудно минимизировать шум и ошибки в квантовых системах, как из-за декогерентности, так и из-за аналоговой природы квантовых систем.

Вместо этого квантовые вычисления будут наиболее полезны как инструмент для моделирования других квантовых систем. Это революционизирует материаловедение.Будут обнаружены удивительные квантовые свойства, которые впоследствии попадут в компьютерные устройства. На рынок появятся экзотические квантовые детекторы всех видов.

Методы фотолитографии, лежащие в основе современного производства микросхем, начнут использоваться во многих других технологиях. Микрофлюидика, MEMS и т.д., а также, вероятно, многие другие менее очевидные вещи. К примеру, электроды, которые использует Neuralink, уже разрабатываются с использованием этих методов.

В какой-то момент будут открыты некоторые твердотельные квантовые явления, которые создадут убедительные альтернативы транзисторам. Они не заменят транзисторы, а скорее приведут к микросхемам, сочетающим транзисторы с другими устройствами, чтобы выполнять сложные логические функции более эффективно.

Логика CMOS, которая в течение десятилетий являлась стандартной техникой для цифровой логики, уже использует комбинацию нескольких различных типов транзисторов, поскольку это дает огромные преимущества в энергоэффективности, даже если это примерно удваивает сложность схем. Расширение инструментария за пределы только двух типов транзисторов еще больше усложнит дизайн микросхемы, но со временем может оказаться за счет средств, которые стоит заплатить.

Квантовые вычисления повлияют на классические вычисления. Хотя квантовые алгоритмы могут быть трудно смоделированы на классических компьютерах, их все же можно смоделировать. Некоторые окажутся достаточно полезными, чтобы либо стать общими инструментами сами по себе, либо вдохновить новые подходы к старым проблемам.

Классические вычисления столкнутся с законом квадратного куба; площадь поверхности масштабируется быстрее объема. Количество ядер (и, следовательно, вычислительная мощность) изменяется в зависимости от объема, тогда как пропускная способность памяти и ввод/вывод изменяются в зависимости от площади поверхности.

Обычные программисты будут вынуждены фактически изучить, как работают кэш-памяти процессора и подобные системы (хотя встроенные системы памяти будущего будут сильно отличаться от тех, что будут на современных чипах). Одним из важнейших факторов производительности и эффективности кода будет точное геометрическое расположение данных в памяти. Данные занимают реальное пространство, и чем дальше даны, тем больше времени и энергии нужно для доступа к ним.

Пока сложно сказать, будет ли решена проблема P против NP в ближайшее время. Но действительно странные свойства NP-полных проблем чрезвычайно глубоко связаны почти со всеми проблемами, известными современной математике, и очень плохо изучены.

Дальнейшие исследования этого предмета ускорятся в течение следующих десятилетий из-за их удивительной полезности и широкой применимости, а также из-за того, что аппаратное обеспечение будущего идеально подходит для экспоненциальной сложности таких алгоритмов.Из-за того, что вычислительное нахождение химического равновесия является как минимум NP-полным, кажется вероятно, что более глубокое понимание решателей SAT также революционизирует наше понимание биологии и вычислений, происходящих внутри клеток. Это вероятно обнаружит, что многие из удивительных мощных вычислительных методов, которые мы сейчас не можем объяснить в решениях SAT, являются хлебом и маслом биологических систем.

Подход «черного ящика» к машинному обучению закончится. Глубокая лень современного машинного обучения, создающая огромные модели искусственного интеллекта с минимальными усилиями для их обратного проектирования, будет рассматриваться как ошибка.

Супероптимизация станет доминирующей формой оптимизации кода. Инструменты разработки программного обеспечения, основанные на синтезе кода, станут обычным явлением. Может стать привычным, когда код включает в себя блок точных констант, созданных инструментом.

Машинная учеба позволит легко подработать все некриптографические данные. Лучшие инструменты программного обеспечения и более глубокое понимание P v NP ускорят это до степени, которую мы сейчас не можем представить. Прошли времена «фото или этого не было».

Единственной реальной защитой от мощных и опасных технологий машинного обучения будет криптография, которая, к счастью, также станет значительно мощнее.

По материалам: bzogrammer

Євген
Євген
Евгений пишет для TechToday с 2012 года. По образованию инженер,. Увлекается реставрацией старых автомобилей.

Vodafone

Залишайтеся з нами

10,052Фанитак
1,445Послідовникислідувати
105Абонентипідписуватися