Как построить техносферу будущего
Вице-президент НИЦ «Курчатовский институт», член-корреспондент РАН Олег Нарайкин рассказал «Известиям» о глобальных проектах, о том, почему компьютер — это не искусственный мозг и как перейти к природоподобным технологиям.
— Олег Степанович, Курчатовский институт стоял у истоков советского атомного проекта, долгие годы он назывался Институтом атомной энергии, а сейчас это первый в стране Национальный исследовательский центр. Как менялся круг задач, направленность работ за 75 лет?
— Я бы сказал, что конкретные задачи, которые решались в Курчатовском институте с момента его создания, имели последствия гораздо более существенные, чем создание только атомного оружия — при всей его жизненной важности. Была достигнута военно-стратегическая моноцель — создано ядерное оружие. Но, когда речь идет о задаче такого масштаба, в ходе ее решения формируется принципиально новый технологический облик и, как следствие, новая геополитическая реальность.
— Часто в последнее время приходится слышать утверждение, что время крупных научных организаций прошло, а наука делается в лабораториях если не одиночками, то небольшими коллективами: мозги — и больше ничего не надо.
— Вся история науки и в частности Курчатовского института свидетельствует о прямо противоположном. Современная наука и, главное, технологии, которые она продуцирует, рождают не только новую отрасль или технологическое направление, а и принципиально новую промышленность. Это было и с атомным проектом, и с космическим — оба они цивилизационные по своему масштабу, выходящие за национальные рамки.
Подчеркну, что и по сей день атомная и космическая отрасли есть у считаного числа государств. Как раз потому, что только государства, которые обладают колоссальным научным и индустриальным потенциалом, в состоянии решить эти задачи и создать такую индустрию. Вся современная техносфера в основе своей имеет плоды атомного и космического проектов.
И еще одна важная особенность Курчатовского института в том, что любые, казалось бы, самые далекие от практики фундаментальные работы обычно вырастали в прикладные задачи. Еще даже не была испытана атомная бомба, а Курчатов и его коллеги уже выходили с планами, как создать в стране атомную энергетику.
— Какие проекты в мировом масштабе можно сравнить с атомным проектом?
— При всей колоссальной значимости таких проектов, как изучение дальнего космоса, геномные технологии и прочее, все они являются лишь компонентами проекта цивилизационного значения — перехода к природоподобной техносфере. Значимость проблемы ее создания еще не до конца осознана.
Сверхскоростные автомобили, самолеты, берущие на борт под тысячу человек, новые гаджеты, производства, требующие всё больше энергии. По данным ежегодного отчета международного энергетического агентства International Energy Agency, энергопотребление только мировой сетевой структуры — без промышленной электроники, технологий, только сетевое оборудование — приближается к трети мировой генерации!
Давайте задумаемся: есть ресурсы Земли в самом общем смысле, благодаря которым мы живем. И это не только нефть и газ, но и вода, воздух, пахотные земли. Если они исчерпаются, а именно в этом направлении мы движемся, ничего другого у нас нет. Мы хотим, чтобы весь мир стал развитым цифровым раем. Это означает, что генерацию энергии надо увеличить в 15–20 раз. Это просто невозможно физически!
— То есть либо наращивать генерацию, либо сокращать потребление?
— Да, первая мысль — наращивать генерацию. От момента только угольной энергетики извлечение энергии из 1 кг топлива увеличилось в 3 млн раз. Условно говоря, из 1 кг угля извлекали единицу, а из 1 кг обогащенного урана — в 3 млн раз больше. Казалось бы, о чем беспокоиться при таком росте эффективности генерации. А уж термоядерная энергетика обещает увеличение еще на два порядка. И при таком росте эффективности генерации мы тем не менее на пороге энергетического кризиса. Это сигнал, что у нас непорядок в сфере потребления энергии.
— То есть потребление растет сильно опережающими темпами?
— Потребление растет на порядки быстрее при всех впечатляющих показателях роста эффективности энергетики. Сравним с биосферой. Взрослый человек потребляет всего 140 Вт мощности. Человеческий мозг — 10–15 Вт при пиковой нагрузке 30 Вт. И при этом именно человеческий мозг создал всю нашу цивилизацию. Вот это энергоэффективность! Сравним с суперкомпьютером, который потребляет десятки мегаватт, большинство из которых просто перерабатывается в тепло. Дело в том, что мозг и компьютер работают на совершенно разных принципах. Расхожая мысль: компьютер — это искусственный мозг. Это лишь красивая фраза. Задачи, возможно, похожие, но решаются они совершенно по-разному.
Проблема первая. Во всех современных компьютерах память и процессинг, обработка разделены. Человечество справедливо гордится, что современные суперкомпьютеры имеют супербыстродействие. Но чем выше тактовая частота, тем чаще я в единицу времени обращаюсь к памяти. А каждое обращение — это затраты энергии.
Второе. Современный компьютер — это цифровое устройство. Он работает в бинарной логике «да/нет». Любой объект, чтобы с ним работал компьютер, должен быть дискретизирован. Если в реальности есть непрерывная кривая, компьютер ее не понимает. Нужно разбить ее на точки, тогда он с ней работает.
— Этим аналоговые вычисления отличаются от цифровых.
— Верно. А мозг — аналоговая машина. Когда я смотрю, мне не нужен миллион точек здесь, более того, они мне скорее помеха. Я вижу сразу образ.
Для компьютера чем больше точек, тем лучше, тем точнее вы приближаетесь к кривой, а каждая точка — это опять обращение.
— На этом пути вы видите сокращение энергозатрат?
— Это не просто сокращение. Локальные меры, которые человечество принимает, осознав ограниченность ресурсов, что-то дают, но этого недостаточно.
Природоподобные технологии подразумевают принципиально иной подход — это технологически воспроизведенные природные процессы и системы. Попробуем представить себе искусственный мозг не как метафору компьютера, а как вычислительную систему, которая работает полностью как мозг — на тех же принципах.
Что это дает? У нас есть природа, биосфера. Она не знает ресурсного голода — живет и существует миллиарды лет. В ней происходит обмен веществ — причем таким образом, что всё находится в замкнутом самовоспроизводящемся цикле. То есть это замкнутый, самосогласованный ресурсооборот.
— Никто не озабочен ростом энергопотребления.
— Озабочены, но пока на уровне локальных технологических решений.
Мы создали такую техносферу, которая нарушила природные процессы, пока локально. Но корень именно в этом: нет самовоспроизводства, которое есть в природе, нет замкнутого цикла. Поэтому природоподобие и природоподобные технологии — это на самом деле трансформация созданной человеком техносферы в такое состояние, когда она станет частью природы и все технологические процессы станут элементами самосогласованного ресурсооборота природы.
— Казалось бы, это очень далеко — Институт атомной энергии имени Курчатова и природоподобные технологии...
— В том и дело, что уже давно не только атомной энергии. Как я уже говорил, охват задач был изначально очень широк. Из атомной энергетики мы начали развивать управляемый термоядерный синтез, плазменные технологии. Мало кто знает, но в 1958 году в Курчатовском институте был создан радиобиологический отдел, из которого через десять лет вырос институт ГосНИИгенетика. Кстати, в прошлом году он вошел, можно сказать, вернулся в состав НИЦ «Курчатовский институт».
Именно междисциплинарность Курчатовского института, которая существовала изначально, привела нас к тому, что начал формироваться взгляд на систему природную и систему технологическую как на единое целое. Поначалу мы занялись нанотехнологиями. Постепенно пришли к тому, что нанотехнологии позволяют «руками» создать живые системы. Это уже нанобиотехнологии.
— Править живые молекулы?
— И править, и возможность создавать что-то такое, чего, может, в природе и нет. Постепенно, в соединении с представлениями, о которых мы сейчас говорили, естественным образом формировалась сама концепция природоподобия.
— Есть примеры каких-то результатов на этом пути?
— Чтобы что-то создать, сначала надо детально разобраться в системах и процессах живой природы на всех уровнях структурной организации — начиная от белковых молекул и комплексов и заканчивая мозгом и организмом человека в целом. Именно исследования этих живых систем требуют больших установок, класса мегасайенс. Это очень интересная закономерность.
Сегодня наш исследовательский и уже одновременно технологический инструментарий, например курчатовский синхротрон, дает пространственное разрешение, которое позволяет изучать вещество на уровне атомов и молекул. Но его временнóго разрешения недостаточно для того, чтобы видеть процессы, протекающие в этом веществе. То есть мы видим первый кадр фильма и последний — знаем структуру исходных веществ и рассматриваем конечную структуру. Но, как природа провела эти процессы, мы не видим. Для этого нужно другое временнóе разрешение, которое дают лазеры на свободных электронах, мощные установки со сверхкороткими импульсами.
— И тогда мы сможем подсмотреть, что происходит в природе?
— Да! И если мы научились видеть, какие реакции происходят в природе, например для получения белка, мы их так и воспроизведем. И не нужны будут грандиозные электрогенераторы, источники энергии. Мы сделаем этот белок так же экономно, как это сделала природа.
— Можно возразить, что именно физики для своих исследований строят самые грандиозные мегаустановки: Большой адронный коллайдер, ИТЭР, тот же лазер на свободных электронах, о которых вы говорили.
— Это сильное возражение, потому что действительно нужны немалые ресурсы. Но эти установки позволяют нам и «подсмотреть», как идут природные процессы, и из чисто исследовательских они превращаются в промышленные. Прежде всего становятся метрологическим инструментом. Ведь не бывает индустрии, промышленности без метрологии. Как проект воплотился в «железе», можно проверить только с помощью этих установок, не говоря уже о том, что собственно технологические процессы в будущем также будут во многом базироваться на таких установках. Россия сегодня одна из пяти-шести стран мира, которые разрабатывают, создают и эксплуатируют такие установки.
— А что нового происходит в области исследований мозга?
— На определенном уровне разобравшись с принципами и физикой работы мозга, мы сейчас создаем искусственные нейронные сети на базе мемристоров. В них соединяются обработка и хранение информации. Принципиально важно, что это одна из первых аппаратных реализаций, а не программных решений.
— Вы имеете в виду квантовый компьютер?
— Нет. Мы в области именно природоподобного потребления сделали две, я бы сказал, прорывные вещи: искусственная нейронная сеть, нейроморфная система. Это объединение реализовано не программно, а в «железе». Также есть уже результаты и экспериментальный образец — мы активно занимаемся устройствами генерации энергии за счет естественных обменных процессов в человеческом организме. Это энергетическая ячейка, процессы в которой подобны энергетическим процессам в живой клетке. Ячейка находится в крови, за счет процессов окисления глюкозы, которые идут естественным образом, она вырабатывает энергию.
— Пока это чисто научные исследования?
— Мы уже понимаем приложение этого, у нас уже сделан экспериментальный образец. Есть устройство, которое испытано в живом организме — на лягушке. Оно устойчиво давало напряжение в течение нескольких суток.
— Для кардиостимулятора?
— Первоначально да — кардиостимулятор, водитель ритма. А в перспективе — например, робот. Пока он питается от розетки. И если у робототехнической системы не будет бортового биоподобного энергопитания, все разговоры о массовой роботизации таковыми и останутся. Возьмем самого на сегодняшний день совершенного, якобы антропоморфного робота, в котором, кроме внешности, ничего антропоморфного нет. Просто цифры — для 3 тыс. таких роботов нужна годовая выработка электроэнергии Ленинградской АЭС.
Вот и опять замкнулся цикл — от атомной энергии к природоподобным технологиям.
