Mälardalens högskola
Vetenskapsmetodik CDT212
Framtidens datorer
Rickard Hedman - [email protected]
1
Mälardalens högskola
Vetenskapsmetodik CDT212
Stefan Persson [email protected]
Datorer fram tills nu har mest varit styrda till att göra saker en människa programmerar den
att göra. Vad kommer att hända i framtiden? Troligtvis kommer vi att få se mer självgående
datorer med en hög form av autonomi och AI (Artificiell Intelligens).
I och med detta kommer vi också att se datorer bli mer och mer integrerade i vardagen, på
jobbet och även i medicinska sammanhang. Kanske kommer vi i framtiden att gå runt med
små nanorobotar i våra kroppar som läker oss, stärker oss och medicinerar oss inifrån.
Moores lag har varit något vi länge gått efter i fråga om hur vi ser på kraften i framtidens
datorer. Vad den säger är i enkelhet att vi var 18:e månad kommer se en fördubbling av antal
transistorer i en krets. Vad som dock kommer att hända är att när vi kommer ner på atomnivå i
storleken på transistorerna så kommer vi inte att kunna förminska dem mer. Då måste vi se till
andra alternativ, exempelvis; kvantdatorer och DNA-datorer.
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Framtidens datorer ...................................................................................................................... 1
SAMMANFATTNING .............................................................................................................. 2
INNEHÅLLSFÖRTECKNING .................................................................................................. 3
INLEDNING ............................................................................................................................. 4
AI ................................................................................................................................................ 5
Förbättra oss själva med hjälp av teknologi ............................................................................... 5
Datorers utveckling .................................................................................................................... 5
Paradigmer.............................................................................................................................. 6
Nya Tekniker .......................................................................................................................... 7
Nanotuber ........................................................................................................................... 7
Tredimensionella chip ........................................................................................................ 7
Optikteknik ......................................................................................................................... 7
Kvantdatorer ....................................................................................................................... 7
DNA-datorn ............................................................................................................................ 8
Allmänt om DNA ............................................................................................................... 8
DNA-datorns bakgrund ...................................................................................................... 8
Ett steg på vägen................................................................................................................. 8
Fördelar med DNA-datorer ................................................................................................ 9
Vad vi kan förvänta oss .......................................................................................................... 9
SLUTSATSER ......................................................................................................................... 10
REFERENSER ......................................................................................................................... 11
INLEDNING
Landvinningarna som gjorts inom datorteknik de senaste årtiondena är otroliga. Från att
vara stora och klumpiga och bara till för de rika, till att vara var mans ägodel. Blickar man
framåt verkar möjligheterna vara oändliga. Men är det verkligen så? Finns det en tid då
datorerna inte kommer att bli bättre, och vilka svårigheter står vi inför?
Vi har i denna rapporten sett på vilka alternativ vi, efter att våra
kiselbaserade kretsar inte fungerar att använda längre, kommer att
använda och hur datorerna kommer att utvecklas i allmänhet.AI
Vissa vetenskapsmän tror att när vår teknologi uppnår en tillräckligt hög nivå av
komplexitet och beräkningskapacitet kan den komma att bli medveten.
2
Mälardalens högskola
Vetenskapsmetodik CDT212
Ray Kurzweil skriver i ”Are we spiritual machines” att vid 2019 kommer en 1000-dollars
dator att motsvara beräkningskapaciteten för en mänsklig hjärna. Vilket är ungefär 20
miljoner miljarder beräkningar per sekund. Han fortsätter med att denna grad av
processkapacitet är nödvändig men inte nödvändigtvis tillräcklig för att uppnå mänsklig nivå
inom datorintelligens. Kurzweil tror att mjukvaran som krävs för att uppnå intelligens inom
datorer, s.k. AI (Artificiell Intelligens), kommer att dröja tills 2029 vid vilken tid en
genomsnittlig dators beräkningskapacitet kommer ha vuxit till att motsvara tusen mänskliga
hjärnor.
Kurzweil tar upp att när väl en dator uppnår mänsklig nivå av intelligens kommer den
ovillkorligen även sväva förbi denna nivå.
En viktig egenskap med icke-biologisk intelligens är att maskiner lätt kan dela med sig av
sin kunskap. Om en människa lär sig ett språk eller allt om andra världskriget kan inte den
personen lätt dela med sig av sin kunskap till andra människor. Var och en måste själv lära sig
kunskapen medan en dator som lär sig något lätt kan dela med sig av sin kunskap till biljoner
andra maskiner. Ett exempel på detta är hur man lade ner fler år på att lära en dator
röstigenkänning. Nu om någon vill kan man enkelt ladda hem detta röstigenkänningsprogram
till sig egen dator.
Ett sätt som Kurzweil tror att vi kan kunna designa intelligenta maskiner på är att kopiera den
mänskliga hjärnan. Dessa maskiner kommer då att få ett mycket pålitligare minne och har
potential att vara miljoner gånger snabbare än våra neurala kretsar. [Kurzweil02]
Förbättra oss själva med hjälp av teknologi
Kanske blir det till slut ingen skillnad mellan vanliga människor som är ”uppgraderade”
med hjälp av nanoteknologi genom att placera in neurala implantat direkt i våra hjärnor –
vilket redan finns för att bota Parkinsons sjukdom. Det finns döva människor som har
möjlighet att höra och det är under utveckling för att få blinda människor att se. Kurzweil tror
att vi till 2020 kommer börja använda implantat i våra hjärnor inte bara på personer som har
någon skada utan även på fullt friska människor. Till 2030 kanske innebörden i att surfa på
nätet kan betyda att man går in i en virtuell miljö via vår implanterade chip i hjärnan. Denna
virtuella miljö kommer då inte längre vara den grova fortfarande overkliga som vi vet om
idag. Med hjälp av chip i våra hjärnor kanske vi inte kommer att kunna se skillnad på virtuell
verklighet och vanlig verklighet. [Kurzweil02]
Datorers utveckling
För att kunna skåda i framtiden måste vi först kolla tillbaks på historien. Enligt Kurzweil
finns det tre stora vanliga fel som personer som försöker förutse framtida utveckling gör. Den
första är att personer ofta bara tar i åtanke en eller två iterationer av utveckling i en teknologi,
som om utvecklingen tog slut efter dessa en eller två. En annan sak är att man bara fokuserar
på en aspekt av teknologin utan att ha i åtanke de interaktioner som finns mellan olika
tekniker och utvecklingar från olika fält (t.ex. AI, datorkommunikation, nanoteknologi,
hjärnskanning, osv.). Det tredje och största misstaget är att inte ha accelerationen i åtanke för
utveckling av teknologi. Många prognoser/förutsägelser tar inte med denna faktor. Om man
tänker sig tio tusen år sedan så var det väldigt lite som hände på över tusen år. För tusen år
sedan gick utvecklingen mycket snabbare och ett paradigmskifte tog bara ett eller två
århundraden. På 1800-talet såg vi mer utveckling än de nio århundradena. Senare på de 20
första åren av 1900-talet såg vi mer utveckling än under hela 1800-talet. Nu för tiden kommer
nya paradigmskiften och nya affärsmodeller under bara några få år. För bara ett årtionde sedan
var Internet i ett tidigt stadium och World Wide Web väntade fortfarande på att få sitt
genombrott.
3
Mälardalens högskola
Vetenskapsmetodik CDT212
Att vissa innovationer som t.ex. lasern tog flera årtionden på sig att utvecklas under den
senare delen av förra århundradet betyder inte att vi kommer att ta lika lång tid på oss att
utveckla liknande förändringar och innovationer i framtiden. Saker som behövde 30 år på sig
under den senare delen av förra århundradet kommer enbart att ta 5 till 7 år framåt i tiden och
tempot kommer att fortsätta stiga.
Slutsatsen man kan dra av informationen ovan är att utveckling inte är linjär utan
exponentiell. Kurzweil kallar detta ”Law of accelerating returns” och menar att det stämmer
för alla evolutionära processer. Om man ser på den biologiska evolutionen tog det miljarder år
för de första stegen (primitiva celler), efter det accelererade utvecklingen. Under den
artexplosion som tog plats på Jorden i ett visst skede skedde stora paradigmskiften med så
korta mellanrum som 10 miljoner år. Lite senare utvecklades humanoider över en period på
bara några miljoner år och homo sapiens över en period på bara hundra tusentals år. I och med
den teknologiskapande arten blev den exponentiella farten för snabb för evolution genom
DNA-baserad evolution. Och nu är det människoskapad teknologi som leder vidare den
exponentiella utvecklingen. Den första teknologiska stegen med vassa stenar, elden och hjulet
tog tio tusentals år men har accelererat sedan dess. En viktig sak att tänka på med teknologin
utveckling är att vi använder redan skapade verktyg för att skapa nya verktyg. Den nya stegen
i teknologin bygger vidare från den förra. [Kurzweil02]
Paradigmer
En intressant paradigm att kolla på är ”Moores lag” som Gordon Moore, en av uppfinnarna
av integrerade kretsar och ordförande för Intel, skapade. Den säger att antalet transistorer vi
kan få plats med på en integrerad krets fördubblas var 24:e månad. Detta för med sig att
datorerna vi bygger baserade på dessa kretsar fördubblas i kraft vartannat år. På senare tid har
denna utveckling även gått snabbare än förutspått med hjälp av nya tekniker att bygga kretsar
och processorer på.
Efter 60 år av trogen tjänst kommer Moores lag att dö ut, ca 2019. Då kommer transistorer
inte att vara större än ett par atomer i bredd och det kommer vara slutet på Moores lag. Frågan
är om utvecklingen för datorer kommer ta slut i och med detta? Kurzweil tror inte det och om
man tittar tillbaks på tidigare utvecklingsparadigmer för datorer kan man se att Moores lag
inte var den första utan den femte paradigmen i ledet för hur många beräkningar per sekund
man får ut per 1000 dollar. Den första paradigmen uppkom redan i samband med de
mekaniska beräkningsapparater i 1890-talets USA, den andra då man jobbade med
Turingbaserade maskiner (med vars hjälp man knäckte den kända Enigmakoden). I och med
vakuumtubsbaserade datorer började den tredje paradigmen. Då man kom till gräsen för hur
små man kunde göra vakuumtuber, började man använda sig av transistorer istället, vilket
ledde vidare till den fjärde paradigmen. Moores lag tog sedan över som den femte paradigmen
då man började använda sig av integrerade kretsar.
Något väldigt intressant som man ser när man plottar 49 kända maskiner på en logaritmisk
skala (på vilken en rak linje betyder exponentiell utveckling) får man inte en rak linje ut en till
exponentiell kurva vilket betyder att det är exponentiell utveckling även i accelerationen för
exponentiell utveckling. Datorkraft per enhetskostnad dubblerades var tredje år mellan 1910
till 1950, mellan 1950 och 1966 dubblerades det vartannat år och vi ser nu en dubblering varje
år. [Kurzweil02]
Nya Tekniker
Redan nu ser vi nya teknologier på frammarsch. Vi beskriver några av dessa nedan och en
av dem går in på mer ingående.
4
Mälardalens högskola
Vetenskapsmetodik CDT212
Nanotuber
Denna teknik kan komma att ersätta materialet i datorer från dagens kiselbaserade datorer
med dessa nanotuber p.g.a. deras ringa storlek och väldigt goda elektriska egenskaper.
[Bullis06]
Tredimensionella chip
Som man hör på namnet innebär denna nya teknik att vi använder oss av de tre rumsliga
dimensioner vi faktiskt har att tillgå i verkligheten istället för de två dimensioner vi utnyttjar i
dagens datorer. [DeSeve05]
Optikteknik
En väldigt intressant teknik som vi skulle kunna börja använda oss av är optik i datorer.
Dagens elektriska komponenter rör sig i jämförelse med optiska signaler (vilka i teorin endast
begränsas av ljusets hastighet) i snigelfart.
Det forskades kring datorer med optiska komponenter redan på 1980-talet, men dåtidens
material var en stor begränsning och de verkade inte kunna gå använda utanför
forskarlaboratorierna.
Nu har forskningen med optik satt igång igen och man har lyckats göra transistorliknande
komponenter som är 1000 gånger snabbare än dagens kiselbaserade transistorer. Denna teknik
håller bl.a. NASA på att forska kring i dagsläget. [TechOpt] [Nasa00]
Kvantdatorer
Kvantdatorer är än så länge endast en hypotetisk dator som baserar sig på kvantmekanik för
att utföra beräkningar som är många tiopotenser snabbare än dagens datorer. Detta gäller dock
endast för beräkningar som är möjliga att dela upp i små problem och lösa parallellt.
Den grundläggande enheten i kvantdatorer är kvantbiten eller ”qubit”. Dessa dataenheter
kan anta värdena noll (0), ett (1) eller superponering (a·|0>+b·|1>, av är både noll och ett på
samma gång).
Chalmers Universitet forskar om kvantdatorer redan idag och är på god väg att utveckla en
fungerande kvantdator. [WikiKvant06] [Wallerius05]
DNA-datorn
Allmänt om DNA
Ett av alternativen till dagens kiselbaserade datorer har man hittat i levande organismer.
DNA-molekylen, som vår kropps gener byggs upp av är i princip små superdatorer ur vilka
man nu vill försöka dra beräkningskraften ur. Potentialen är stor, i enbart en droppe vatten
skulle det få plats tusen miljarder exemplar av datorn som i princip skulle kunna utföra en
miljard beräkningar i sekunden. En DNA-dator skulle också kunna spara miljarder gånger mer
data än dagens vanliga datorer som står i var mans hem.
DNA-datorns bakgrund
DNA-datorns historia började år 1994 då Leonard Adleman, en datorforskare vid
Universitetet i södra Kalifornien, introducerade idén att använda DNA för att lösa avancerade
matematiska problem. Idén hade han fått då han läst boken ”Molecular Biology of the Gene”,
skriven av James Watson. Han insåg då att DNA fungerar snarlikt en hårddisk som permanent
sparar information om människans gener.
I artikeln Adleman publicerade år 1994 i tidskriften Science tog han upp hur man skulle
kunde använda DNA-datorn för att lösa ett känt matematiskt problem kallat ”Den
5
Mälardalens högskola
Vetenskapsmetodik CDT212
handelsresandes problem”, som helt enkelt går ut på att hitta kortast möjliga resväg mellan ett
antal olika städer. Problemet här är att antalet vägar att gå ökar markant för varje ökning av
städer (om problemet innehåller 60 städer finns det ungefär 10^80 lösningar), och i och med
detta så tar dagens datorer mycket lång tid på sig för att lösa uppgiften. Här passar DNAdatorn in perfekt, och detta såg Adleman som gjorde sitt experiment med att söka kortast
möjliga väg genom sju städer. Så här utförde han det:
1. Strängar av DNA fick representera de sju olika städerna. Genetisk kodning är
representerad av bokstäverna A, T, C och G, och därför fick städerna och de olika
rutterna representeras av olika kombinationer av dessa bokstäver.
2. Molekylerna blandades sedan i ett teströr där några DNA-strängar fastnade i
varandra. Var och en av strängkedjor visade var sin möjlig lösning. Inom sekunder
var alla möjliga kombinationer av DNA-strängar skapade i röret.
3. Adleman eliminerade sedan de felaktiga molekylerna genom kemiska reaktioner,
vilket sedan lämnade kvar rutterna som gick mellan de olika städerna.
Nu visade ju inte Adlemans experiment något annat än att DNA-datorer kan användas för
matematiska experiment. Det enda den gjorde var att visa alla möjliga svar väldigt snabbt, den
valde aldrig ut den optimala rutten. Det tog många dagar för Adleman att ens få ner antalet
möjliga lösningar. Det var dock inte Adlemans mening att få en fullt fungerande DNA-dator
redan från början, han ville med sitt experiment visa att potentialen finns där att hämta om
man kommer på en smart lösning att dra kraften ur DNA.
Ett steg på vägen
Tre år efter Adlemans experiment lyckades forskare vid ”Rochesters Universitet” utveckla
logiska grindar av DNA. Logiska grindar är en vital del av hur en dator skickar ut funktioner
som du beordrar den att göra. Vad logiska grindar gör är att de konverterar binär kod till
signaler som datorn använder sig av för att utföra valda operationer.
Forskarnas DNA-grindar var det första steget mot att få en dator som fungerar snarlikt en
vanliga PC. Men istället för att använda sig av elektriska signaler för att utföra logiska
operationer, använder sig DNA-grindarna av DNA-kod. De känner av bitar av genetiskt
material som ingångsdata, sedan sätter de ihop bitarna för att skapa en enskild utdata. Dessa
logiska grindar tillsammans med DNA-microchip, tror forskarna kommer att till slut skapa ett
stort genombrott inom DNA-datorer.
Fördelar med DNA-datorer
Fördelarna med en fullt fungerande DNA-dator är många. Några av dem är:
Så länge det finns cellorganismer finns det DNA
Då det finns så mycket DNA blir kostnaderna obefintliga
Skapandet av DNA-datorer skulle vara totalt miljövänliga
DNA-datorer skulle vara många gånger mindre än dagens datorer
Den viktigaste fördelen är dock kapacitet i förhållande till storlek. Ett halvt kilo DNA har
kapaciteten att hålla mer information än vad alla hittills byggda datorer tillsammans klarar,
och beräkningskapaciteten hos en vattendroppsstor DNA-dator skulle vara större än världens
starkaste superdator.
Eftersom man i en DNA-dator skulle kunna få plats med ett ofantligt stort antal DNAmolekyler, betyder det att en DNA-dator skulle kunna göra ett ofantligt stort antal beräkningar
6
Mälardalens högskola
Vetenskapsmetodik CDT212
samtidigt. Detta betyder att man med en DNA-dator skulle kunna lösa extremt komplexa
matematiska problem på bara några timmar, medan man med dagens datorer skulle få vänta
flera hundra år för att få den korrekta lösningen.
Av de fördelarna som givits kan man också snabbt dra slutsatsen att de första DNAdatorerna som skapas inte kommer att användas till exempelvis ordbehandling, utan snarare
användas av olika myndigheter för att knäcka hemliga koder eller av flygbolag för att beräkna
kortast möjliga flygrutter. [Bonsor]
Vad vi kan förvänta oss
Kurzweil tror att allt detta tillslut kommer leda till att vi runt 2019 kommer ha en 1000dollars dator med samma beräkningskapacitet som en mänsklig hjärna – 20 miljoner miljarder
beräkningar per sekund. Tills 2029 tror han att det kommer gå 1000 mänskliga hjärnor på en
1000-dollars dator. Och runt 2050 kommer en 1000-dollars dator att motsvara
beräkningskapacitet från samtliga mänskliga hjärnor på jorden.
Om man tänker sig hur mycket utveckling man kommer få fram under detta århundrade är det
inte 100 års utveckling utan 20 000 år utveckling om vi ser på ett linjärt tidsperspektiv. Vilket
är det normala sättet människor ser på framtiden. När människor tänker sig framtidens
utveckling förutsätter man att utvecklingen går på samma sätt den gjort sedan tidigare. Men
ser man på utvecklingens takt ser man att den inte är konstant utan går snabbare och snabbare.
Det ligger dock i människans natur att anpassa sig till den förändrande takten, så för oss
kommer det se ut som att utvecklingen rullar på precis som vanligt. En till förklaring till
varför människor har svårt att se den exponentiella utvecklingen är att en exponentiell kurva
om man ser på den under korta tidsperioder ser ut som en rak linje. Det är först när man
plottar ut framstegen på en graf som man ser att förändringen har skett i en exponentiell takt.
[Kurzweil02]
SLUTSATSER
Vi kan förvänta oss stora framsteg i framtiden både vad det gäller hårdvara som mjukvara
inom datorer. Kanske kommer vi snart till och med att börja uppgradera oss själva med hjälp
av informationsteknologi och då gå steget längre i vår utveckling än vi kommit eller någonsin
kommer att komma med hjälp av den biologiska evolutionen.
Snart kanske vi kommer få svårt att skilja på vad som är mänskligt liv och vad som är
artificiellt skapat. Vi tror att det är svårt att föreställa oss de framsteg man i framtiden kommer
att uppnå. Lika svårt som folk för 100 år sedan hade att föreställa sig dagens verklighet med
den teknologi, datorer, Internet och allt vad den innebär. Nya teknologier ligger redan för
dörren och vi kan inte se ett slut på denna snabba utveckling som går snabbare för varje år
som går.
REFERENSER
[Bonsor] Kevin Bonsor, “How DNA-computors will work”.
< http://electronics.howstuffworks.com/dna-computer1.htm >
[Bullis06] Kevin Bullis, “Nanotube computing breakthrough”, 2006-10-30
< http://www.technologyreview.com/Nanotech/17672/page1/ >
[DeSeve05] Karen DeSeve, “Designing for New Dimensions”, 2005-07-18
7
Mälardalens högskola
Vetenskapsmetodik CDT212
< http://www.physorg.com/news5256.html >
[Kurzweil02] Ray Kurzweil, Geoge Gilder, John Searle, William Dembski, Micheal Denton,
Thomas Ray, “Are we spritual machines – Ray Kurzweil vs. The Critics of Strong A.I.”,
2002-10-30
[Nasa00] “Now, Just a Blinkin’ Picosecond!”, 2000-04-28
< http://science.nasa.gov/headlines/y2000/ast28apr_1m.htm >
[TechOpt] “Optical Computing”
< http://www.businessweek.com/bw50/2001/tech_optical.htm >
[Wallerius05] Anders Wallerius, ”Chalmers utvecklar Europas kvantdator”, 2005-11.30
< http://www.nyteknik.se/art/43525 >
[WikiKvant06] ”Kvantdator”, 2006-11-03
< http://sv.wikipedia.org/wiki/Kvantdator >
8
