Цифровой журнал «Компьютерра» № 184

Покупка корабля, перестройка и переоснащение обошлись Шмидтам, предположительно, почти в сто миллионов, и когда в конце прошлого года Falkor наконец вышел в море, научное сообщество получило уникальную платформу для экспериментов. Фишка в том, что места на корабле научным коллективам из любых стран предоставляются бесплатно. Равно как и оборудование, и любые расходы, связанные с исследованиями (короче, всё, кроме собственно зарплаты), оплачиваются Океаническим институтом Шмидтов. Единственное условие: результаты проведённых на борту экспериментов в полном объёме должны быть обнародованы не позже чем через два месяца.

Не удивительно, что на одно место приходится почти двадцать заявок. Отбором кандидатов в очередную экспедицию (только за этот год их планируется четыре) занимается комиссия из авторитетных учёных, и среди экипажа отчалившего корабля оказываются и микробиологи, и астробиологи, и генные инженеры. А результаты исследований, помимо обычных научных журналов, пополняют в том числе Google Earth.

В 2013-м, ставшем первым полным рабочим годом, Falkor исследует десятикилометровый кратер, оставшийся на дне Мексиканского залива после падения гигантского астероида (предположительная причина массового вымирания 65 млн лет назад), долгосрочные последствия аварии на подводной скважине Deepwater Horizon, разломы океанического дна у Каймановых островов, зоны кислородного голодания у берегов Канады и биоту подводного вулкана Аксиал.

Все проекты так или иначе связаны со «здоровьем» мирового океана, влиянием на морскую жизнь человека, её эволюцией под действием изменяющихся естественных глобальных условий. Беспокойство известное: гадя в океан, мы подрываем низшие звенья пирамиды, от которой зависим и сами. Шмидты называют текущую ситуацию «одиннадцатым часом» (в том смысле, что до полночи осталось чуть), а ведь мы убиваем океан в том числе и потому, что не понимаем его.

Наше невежество в отношении подводного мира просто невероятно. Мы чуть ли не до сантиметров изучили поверхности Луны и Марса, но даже рельеф большей части морского дна Земли (почти три четверти площади планеты) известен нам только по данным с искусственных спутников, чуть ли не с километровым разрешением! А ведь жить нам, детям и внукам, не на Луне, не на Марсе. Так что выбора на самом деле нет: изучение океанов должно стать приоритетной задачей для науки.

Конечно, даже с миллиардами Шмидта надеяться на немедленные революционные открытия было бы наивно. Но владельцы «Фалькора» и не ставят перед собой такой задачи. У них более скромная и реалистичная цель — изменить тон беседы о здоровье океана в обществе. Показать проблемы лицом, откопать интересные загадки.

Космос, во многом благодаря МКС и NASA, уже стал публичным: обывателю сегодня достаточно буквально протянуть руку, чтобы оказаться на переднем крае космических исследований: вот вам прямая трансляция с МКС, а вот — реалтаймовые твиты с Марса. С океаном сложней: много ли вы знаете океанографических проектов, пригодных и интересных «человеку с улицы»? Falkor должен стать одним из таких окошек в подводный мир.

К оглавлению

Когнитивные технологии IBM: на пути к искусственному мозгу

Андрей Васильков

Опубликовано 08 августа 2013

Cтарший вице-президент и директор по исследованиям компании IBM доктор Джон Келли написал книгу «Умные машины», которая выйдет в свет ближайшей осенью. Она посвящёна созданию целой экосистемы когнитивных вычислений — технологий будущего, способных взаимодействовать с людьми более естественным образом. Речь идёт о разработке архитектуры и алгоритмов, имитирующих отдельные способности мозга по восприятию данных различного вида, принятию решений и самообучению по результатам анализа их эффективности.

_{Доктор Джон Келли (слева) и директор музея компьютерной истории Джон Холлар (справа) на выставке в Калифорнии, посвящённой суперкомпьютеру IBM Watson (фото: asmarterplanet.com).}

Джон Келли пишет, что современные люди сталкиваются с постоянным ростом объёмов информации. Если раньше казалось, что это благо, помогающее развитию общества, то сейчас стало вполне очевидно: чем больше данных, тем больше проблем. Мы попросту не успеваем вникнуть в интересующие нас вопросы как следует. Поэтому люди часто принимают необдуманные решения, ознакомившись только с одной точкой зрения. За недостатком времени анализ новых данных откладывается, а затем они вспоминаются уже как проверенная информация.

Директор может разгрузить себя, поручив большую часть обработки данных секретарю, ассистентам и даже целому штату аналитиков. Обычным людям всё сложнее противостоять давлению инфосреды. Когнитивные компьютерные технологии способны помочь в будущем как руководителям крупных компаний, так и обывателям. Умный поиск, семантический анализ, распознавание образов, прокладка маршрута с учётом пробок и оценка состояния водителя в фоне — это всё только начало.

Среди действующих когнитивных систем наиболее известен суперкомпьютер IBM Watson с программой искусственного интеллекта, созданной под руководством Дэвида Феруччи в рамках проекта DeepQA. Этот суперкомпьютер обыграл в 2011 году двух чемпионов в викторине Jeopardy. В ролике ниже приводятся пояснения о работе его алгоритма и необычной структуре использованной базы данных.

http://www.youtube.com/watch?v=DywO4zksfXw

Как и в случае с победившим Каспарова суперкомпьютером Deep Blue, для IBM это была лишь демонстрация возможностей. Реальная область практических применений будет совершенно иной.

Специалисты компании рассчитывают в ближайшие двадцать лет создать компактную или даже носимую систему, имитирующую работу миллиардов нейронов и триллионов синапсов. Применений для неё найдётся масса — как в гражданском, так и в военном секторе.

http://www.youtube.com/watch?v=AHcRRfpHPt4

Общественности говорят в основном о медицинских аспектах применения. К примеру, указывается, что с помощью такого электронного ассистента слабовидящие люди смогут не только лучше ориентироваться, но и жить более полноценной жизнью. У здорового человека мозг обрабатывает терабайты графических данных ежедневно, и заменить функции зрительной коры не сможет ни один носимый компьютер классической архитектуры.

Основная проблема целой отрасли в том, что архитектура компьютеров и базовые подходы к программированию сформировались в ту пору, когда на ЭВМ решали довольно узкий круг прикладных математических задач. Они были вычислительно сложными, а их постановкой занимался штат опытных программистов.

От современных компьютеров требуется гораздо больше. Всевозможные «умные устройства» должны большей частью самостоятельно получать и успевать обрабатывать массу разнородных данных. Результат требуется выдавать через дружественный интерфейс, чтобы помочь человеку в его повседневной жизни или просто развлечь его.

Для этого компьютерная техника должна постоянно развиваться в направлении «очеловечивания» и всё больше опираться на алгоритмы самообучения. Иными словами – как можно точнее копировать суть работы мозга, сохраняя запредельную скорость обработки числовых данных.

Компания IBM при поддержке Корнеллского университета и DARPA уже многие годы разрабатывает такой искусственный мозг. До сих пор в научном мире нет единого мнения о многих аспектах функционирования неокортекса. Поэтому задача не состоит в том, чтобы воссоздать на массиве транзисторов работу коры головного мозга в деталях. Скорее есть понятное желание сотворить на базе компьютерных технологий нечто работающее похожим образом. Требуется не более быстрый автомат, а гибкая вычислительная система, хотя бы частично проявляющая свойства мышления живых организмов.

http://www.youtube.com/watch?v=J69EJxUr8mw

Значимых успехов в этой области удалось достичь в прошлом году: тогда с помощью второго по мощности суперкомпьютера из списка Топ-500 сымитировали работу ста триллионов синапсов. Конечно, эмуляция происходила с большой долей условности, а скорость обработки сигналов была оценена в полторы тысячи раз ниже, чем у реальной группы нейронов. Более быстрая и точная имитация работы всего нескольких нейронов по-прежнему требует десятков тысяч процессорных ядер.

В IBM Research стараются научить компьютеры не просто считать быстрее, но и проявлять отдельные элементы мыслительного процесса. По мнению исследователей, компьютеры будущего не должны слепо следовать алгоритму, как это было до сих пор. Они станут учитывать множество второстепенных факторов, свой прошлый опыт и будут даже немного колебаться в принятии решений — совсем как человек.

Агентство перспективных оборонных научно-исследовательских разработок США щедро финансирует связанную с этой инициативой программу SyNAPSE (Системы нейроморфной адаптивной масштабируемой пластичной электроники). Её главная цель — обеспечить компьютеры теми способностями, которые у человека пока ещё развиты лучше.

http://www.youtube.com/watch?v=agYJSdMWXYQ

Особенно это касается восприятия, умения принимать решения в условиях жёсткого дефицита достоверных данных и придумывать нестандартные выходы из ситуаций, в которых не приходилось бывать прежде.

Интерес DARPA вполне понятен. Сегодня управляемые операторами БПЛА уже показали свою эффективность. Осталось убрать операторов и связанные с ними задержки в передаче управляющих команд, чтобы Пентагон получил более совершенные и самодостаточные образцы боевой авиации.

В IBM Research убеждены, что так называемые когнитивные вычислительные системы найдут самое широкое применение и вскоре полностью изменят наши представления о компьютерной технике, которая до сих пор базируется на архитектуре фон Неймана.

Впервые о проекте открыто заговорили в 2008 году. Через год коллектив IBM Research отчитался о завершении подготовительного этапа — так называемой «фазы 0», на которой был сформулирован план исследований и решены общие вопросы.

К 2011 году был завершён первый этап проекта, заключавшийся в разработке фундаментальной архитектуры вычислительных блоков, эмулирующих работу нейронов. Ключевым требованием была масштабируемость архитектуры, поскольку от отдельных групп нейронов по мере роста доступной вычислительной мощности требовалось переходить к имитации работы целых отделов коры головного мозга.

Сегодня коллектив IBM Research говорит о новых успехах. Команде удалось провести объёмное исследование под названием «крупномасштабное корковое моделирование». Оно было сфокусировано на таких особенностях работы мозга, как сверхнизкий уровень энергопотребления и высочайшая плотность хранения данных. По результатам длительного эксперимента был создан новый алгоритм, позволяющий моделировать работу мозга более точно и ценой меньших затрат.

На его основе под руководством ведущего специалиста Дхармендра Модха был разработан язык программирования, ориентированный на создание приложений для когнитивных вычислений. Дальнейший этап — создание полноценной среды разработчика, поддерживающей весь цикл программирования — от проектирования до отладки и развертывания нового поколения приложений, способных частично имитировать свойства мозга. В конце неделе IBM представит свои разработки на Международной совместной конференции по нейронным сетям в Далласе.

К оглавлению

Коммуникации низких энергий: для чего Apple купила Passif и будет ли в iWatch батарейка?

Евгений Золотов

Опубликовано 08 августа 2013

В первых числах августа по англоязычным новостным лентам промелькнуло известие о необычной сделке. За неназванную сумму была приобретена никому не известная Passif Semiconductor Corp. из Кремниевой долины. В самом характере покупки не было ничего, что привлекло бы внимание публики: несмотря на то что покупателем выступила компания Apple, уплаченная сумма, предположительно, не превышала сотни миллионов долларов (сущая мелочь по нынешним временам), да и ярких продуктов — вроде красивого мобильного приложения — у Passif нет, занимается она скучной для обывателя темой проектирования «полупроводников». Поэтому средства массовой информации сделку в общем не заметили.

И напрасно. Потому что, следуя в направлении, указанном Apple, мы окажемся в увлекательной области так называемых низкоэнергетических коммуникаций.

Эволюцию цифровых устройств можно измерять разными шкалами, и одна из них — это шкала энергозатрат при передаче данных. Древние модемы и сотовая связь оказываются среди самых расточительных подвидов: мощность сигнала тут измеряется единицами ватт. Популяризованный в конце 90-х IEEE 802.11, более известный как Wi-Fi, обеспечивает уже на порядок лучший «расход» (доли ватта). Непосредственно с ним граничит Bluetooth, пиковая мощность которого начинается с одной десятой ватта (для стандарта Class 1) и простирается вплоть до одной тысячной (для Class 3). Наконец, NFC обходится ещё меньшим. Проблема, однако, в том, что, несмотря на два десятилетия прогресса, коммуникации всё ещё остаются одной из самых энергозатратных функций для персональной электроники. И расслабиться, взять тайм-аут, не удастся: по мере того как вселенная бытовой электроники закручивается вокруг смартфонов и планшетов (см. вчерашнюю «Как смартфон с фотоаппаратом расправился»), нагрузка на коммуникационную часть растёт, в последние годы — лавинообразно.

Чем дальше, тем больше мы отходим от навязанной персональными компьютерами коммуникационной концепции «человек — человек». Мобильным устройствам вроде смартфонов всё чаще приходится не просто передавать речь или текстовые сообщения, а общаться с другими железками, причём зачастую весьма специфического свойства и функционала. В роли таких «неполноценных помощников» выступают, к примеру, гаджеты самоквантования (электронные браслеты, медальоны и прочее подобное, которые следят за физиологическими показателями человека и передают отправленные данные на смартфон), «умные часы», киберочки, электронные бирки (вроде показанной выше Tile).

А в ближайшем будущем ожидается настоящий взрыв их разнообразия за счёт появления бесчисленного множества локально-контекстных «маячков»: дешёвых, маломощных цифровых передатчиков, которые, будучи установлены в парках, магазинах, на автостоянках, да в любых общественных местах, помогут оказавшемуся поблизости человеку со смартфоном или самому смартфону сориентироваться (с точностью до сантиметров), получить какую-то ценную для данной точки информацию. Так, автомобиль, направляясь по сигналам таких маячков, сможет сам припарковаться, отдыхающие в парке узнают направление к аттракционам, посетитель музея будет сопровождаться автоматическим гидом, покупателю, покидающему магазин, вручат виртуальный купон и т. д. Важно, что связь во всех этих случаях должна вестись посредством чрезвычайно энергоэкономичного протокола, чтобы «маячки» могли работать месяцами без подзарядки, не выключаясь, а смартфон в столь интерактивном пространстве продержался хотя бы день.

Концепцию локально-контекстных устройств сейчас активно прорабатывает Apple (см. location beacons в iOS 7) и в меньшей степени Google (вспомните инициативу Android@Home), но, честно говоря, пионером тут была Nokia. Её стратеги ещё в середине «нулевых» предвидели время, когда мобильник будет нужен не столько для редкой связи человека с человеком, сколько для постоянных межмашинных коммуникаций. Вопрос энергозатрат в такой ситуации станет критически важным. Существующие популярные коммуникационные технологии ответа на него не дают: они либо слишком прожорливы, либо чересчур «близоруки». Пробел восполнила Bluetooth Low Energy, ставшая к настоящему моменту де-факто лидером низкоэнергетических коммуникаций.

Опершись на фундамент Bluetooth, Nokia в 2006 году выдала беспроводную технологию под кодовым именем Wibree. Позже она вошла в официальные спецификации Bluetooth и стала известна как Bluetooth LE или Bluetooth SMART. Несмотря на схожее имя и близкие технические характеристики (те же частоты, те же скорости, похожий метод передачи данных), Wibree предполагает серьёзные аппаратные и программные изменения, вследствие чего совместимость с более ранними версиями Bluetooth односторонняя (старые смартфоны не удастся научить работать с Bluetooth LE-устройством). Но оно того стоит: простое Bluetooth LE-устройство, запитанное одной батарейкой, теоретически может работать месяцами.

Достигается это не столько снижением мощности сигнала (которая в целом осталась той же — тысячные или сотые доли ватта), сколько хитрой оптимизацией коммуникационного протокола. Его, во-первых, упростили, а во-вторых, реализовали намного более быстрый диалог (то, что называют duty cycle: запрос — передача ответного пакета — конец связи). Когда цикл «запрос — ответ» отнимает в десятки раз меньше времени, то и энергопотребление снижается соответственно (в идеале — стократно!). Bluetooth LE уже поддерживается топовыми смартфонами и планшетами (iPhone 4S и 5, Galaxy S III и IV, Lumia, Nexus 7; правда, андроидовские и Windows-устройства требуют обновления операционных систем до последних версий), множеством недокомпьютерных устройств (они иллюстрируют колонку).

Таким образом, с Bluetooth LE Apple знакома не понаслышке. Так для чего ей понадобилась Passif? Дело, вероятно, в том, что Passif — смелый экспериментатор. Основанная парой молодых дипломированных электротехников в 2006 году, компания собрала полтора миллиона венчурных инвестиций и занялась проектированием суперэкономичных коммуникационных чипов «с нуля». Её фишка — оригинальные патентованные полупроводниковые решения, которые позволяют радикально снизить энергопотребление. Помимо прочего, в её портфеле обнаружен патент на коммуникационное устройство, способное поддерживать связь вовсе без батареек, за счёт наведённых в антенне токов — подобно RFID-чипам, но, вероятно, на большие расстояния и со скоростями, пригодными для более сложных задач, нежели простая защита от воров или выдача нескольких килобайт информации.

Apple же по-прежнему позиционирует себя в качестве первопроходца — а значит, вопрос энергоэкономичности для неё стоит острее других: резервы аккумуляторных технологий давно выбраны, прорывов в микропроцессорной технике не предвидится, остаётся только экономить. Одним из вероятных применений наработок Passif аналитикам видятся «умные часы», над которыми в Apple якобы трудится большой коллектив и выпуск которых (опять же якобы) уже откладывался по причине невозможности совместить энергозапросы устройства с ресурсом батарейки.

Как знать, может быть, теперь в мифических iWatch батарейки не будет вовсе? ;-)

К оглавлению

Лаборатория на чипе: мгновенный анализ крови и разделение клеток

Андрей Васильков

Опубликовано 07 августа 2013

В Массачусетском технологическом институте создали усовершенствованную версию чипа для сортировки форменных элементов крови. Новая модель не просто лучше отделяет лейкоциты и точнее подсчитывает их число, но и сохраняет белые кровяные клетки неповреждёнными. Это открывает широкие перспективы как для клинических экспресс-анализов, так и для медицинских исследований с чистыми клеточными фракциями.

С общего анализа крови начинается практически любая диагностика. По его результатам можно сузить число предполагаемых заболеваний со сходной симптоматикой и распознать многие патологические состояния. В современных медицинских лабораториях крупных городов подсчёт числа форменных элементов крови и определение её показателей максимально автоматизированы.

Однако такое диагностическое оборудование довольно дорого, и его не в силах приобрести клиники развивающихся стран, где распространённость и длительность течения заболеваний выше. Это приводит к несвоевременному оказанию медицинской помощи, увеличению числа хронически больных и способствует формированию стойких эпидемических очагов.

Частично решить проблему может исследовательская программа «лаборатория на чипе», о которой «Компьютерра» уже писала ранее. Одной из задач данной инициативы является разработка надёжных и доступных методов автоматизированной экспресс-диагностики.

Специалисты MIT долгое время работали над чипом, который смог бы не только сортировать и подсчитывать форменные элементы крови без громоздкого и дорогостоящего оборудования, но и выделять из образца клетки одного вида.

_{Чип для сортировки форменных элементов крови (изображение: MIT / Suman Bose and Rohit Karnik).}

Созданный чип выполняет всю работу буквально в один проход, довольствуясь микроскопическими количествами крови. Секрет его эффективности разработчики объясняют тем, что им удалось использовать технологии биомимикрии — подражания процессам в живых системах.

В норме определённое число лейкоцитов постоянно присутствует в крови человека. При возникновении воспаления они проникают в поражённую ткань, покидая кровеносное русло через поры сосудов. Направление перемещения задаётся присутствием сигнальных молекул — аттрактантов.

Чип использует схожий механизм фильтрации, имитируя в пористом материале микроканала эндотелиальные щели и маркерные вещества, активирующие хемотаксис. В частности, применяется белок P-селектин (CD62P), участвующий в слабой адгезии нейтрофильных лейкоцитов.

У прежней модели, созданной в 2012 году, P-селектин размещался на вытравленных в канале гребнях. Лейкоциты обратимо связывались с ними и увлекались в отдельные ответвления. Несмотря на высокую пропускную способность чипа, в нём происходили нежелательные эффекты перемешивания, что делало его непригодным для аналитической работы.

Спустя год два исследователя предложили новый дизайн чипа. Вместо травления микрогребней они взяли тончайшие золотые полоски. Их расположили по диагонали к потоку образца крови, разместив вдоль всей поверхности P-селектин.

На видео ниже показано, как за счёт слабой адгезии нейтрофильные лейкоциты двигаются вдоль золотых полосок, в то время как остальные форменные элементы крови перемещаются хаотично в общем потоке.

http://www.youtube.com/watch?v=TkeUK-K2HYs

Проанализировав результаты серии экспериментов, авторы исследования разработали математическую модель для расчёта оптимального расположения адгезивных полос. Последняя версия чипа позволяет захватить из образца крови более 99 процентов лейкоцитов. Это отличный результат, особенно если учесть, что встречаются они в тысячу раз реже, чем эритроциты.

После прохождения через канал чипа все лейкоциты плавно перетекают через искусственные поры строго определённого размера, оставаясь целыми и функциональными.

Дальнейшая работа ведётся в направлении интеграции созданных микрочипов в портативные диагностические приборы. С их помощью в регионах развивающихся стран планируется регулярно выполнять экспресс-анализы крови. На первом этапе будут определяться простейшие признаки воспалительных заболеваний, такие как повышение числа лейкоцитов и нарушение их связывания с P-селектином.

Последняя ситуация характерна для сепсиса, при котором, помимо инфекционного агента, в кровь попадает большое количество интерлейкинов и медиаторов воспаления. Данные изменения состава крови были сымитированы в лабораторных условиях. Во всех изменённых образцах наблюдалось резкое снижение процента захваченных чипом лейкоцитов. Таким образом, число оставшихся после прохождения чипа свободных лейкоцитов служит надёжным диагностическим признаком и позволяет оценить степень тяжести заболевания.

Для лабораторной диагностики с использованием созданного чипа достаточно в несколько раз меньшего количества крови пациента, чем требуется сегодня в любом другом методе. Речь идёт буквально о сотых долях миллилитра. Поэтому одним из плюсов «лаборатории-на-чипе» исследователи называют возможность её внедрения в педиатрическую практику, где требуются более высокая частота контроля и максимально атравматичные процедуры.

К оглавлению

Как смартфон с фотоаппаратом расправился, или Почему нездоровится Canon и Nikon

Евгений Золотов

Опубликовано 07 августа 2013

Если вас попросят перечислить устройства, павшие жертвами смартфона, сможете ли вы без запинки назвать их все? Аудио- и портативные видеоплееры, переносные игровые приставки и наладонные компьютеры, диктофоны, навигаторы… Кажется, всё? Ах да, и фотоаппараты, конечно: всё чаще вместо «мыльниц» в руках прохожих светится всё тот же смартфон. Но вот ведь незадача: смартфоны покушаются и на сегмент профессиональных и полупрофессиональных камер. Парадокс: ещё десять лет назад никто не сомневался, что будущее принадлежит цифровой фотографии — но когда оно наступило, выяснилось, что фотоаппаратам пора на покой!

Этот печальный вывод следует из массы разрозненных фактов, внезапно, в течение лета, собравшихся в цельную картинку. И прежде всего из неважного состояния компаний Canon и Nikon, номеров первого и второго в мировой фотографической табели о рангах. На днях обе урезали прогнозы по выручке и продажам. Урезали незначительно, недостаточно для паники, однако здесь важна причина, побудившая их на это пойти: более быстрое, чем ожидалось, усыхание фотографического рынка, причём по направлению как зеркальных камер со сменной оптикой, так и дешёвых фотоаппаратов.