1.8. Перспективные информационные технологии в предметной области

Экспоненциальное развитие компьютерной техники. Для показателя производительность цена вычислительных устройств, прослеженного начиная с 1900 года, характерно удвоение каждые 18-24 месяца. Впервые эту особенность развития вычислительных устройств в 1965 году описал соучредитель компании Intel Гордон Е. Мур. (см. Закон Мура). Рука об руку с процессом увеличения производительности по отношению к стоимости столь же стремительно развивается и процесс миниатюризации компьютеров. Первые электронно-вычислительные машины (например, такие, как созданный в 1946 году Эниак) были огромными устройствами, весящими многие тонны, занимавшими целые комнаты и требовавшими большого количества обслуживающего персонала для успешного функционирования. Они были настолько дороги, что их могли позволить себе только правительства и большие исследовательские организации, и представлялись настолько экзотическими, что казалось — небольшая горстка таких систем сможет удовлетворить любые будущие потребности. В контрасте с этим, современные компьютеры — гораздо более мощные и компактные и гораздо менее дорогие — стали воистину вездесущими.

В настоящее время можно сказать что производительность вычислительных систем удваивается каждые 18 месяцев; объём памяти увеличивается в 4 раза каждые 3 года.

Перспективная компьютерная техника. В настоящее время ведутся серьёзные работы по созданию оптических компьютеров, использующих вместо традиционного электричества световые сигналы. 

В основе оптических компьютеров лежит оптический процессор. Это устройство, в котором свет управляет светом. На данный момент используются оптические процессоры пятого поколения.

Основное применение оптических компьютеров — сравнение с неким образцом большого количества изображений.

Оптический компьютер «DOC-II», разработанный лабораторией «Bell» может при поиске слова проверять до 80 тыс. страниц текста в секунду (Bell Labs — бывшая американская корпорация, крупный исследовательский центр в области телекоммуникаций, электронных и компьютерных систем; основана в 1925 как исследовательский центр компании AT&T; наиболее известные разработки: в 1970-х Брайан Кёрниган, Деннис Риччи и Кен Томпсон разрабатывали первые версии операционной системы UNIX и язык Си; в 1980 разработан первый в мире 32-разрядный микропроцессор; в 1980-х Бьярн Страуструп разрабатывал язык C++;с конца 1980-х —начала 1990-х разрабатывается перспективная экспериментальная операционная система Plan 9; в настоящее время Bell Labs входит в Lucent Technologies).

Другое перспективное направление подразумевает использование достижений молекулярной биологии и исследований ДНК (молекулярная биология — наука, ставящая своей задачей познание природы явлений жизнедеятельности путём изучения биологических объектов и систем на уровне, приближающемся к молекулярному; основной задачей молекулярной биологии является определение роли биологически важных молекул в росте и развитии организмов, в хранении и передаче наследственной информации, в превращении энергии в живых клетках и других явлениях; начало молекулярной биологии было положено установление структуры молекулы ДНК в 1953 году, сделанным Уотсоном, Криком, Уилкинсоном и Франклин).

В настоящее время в Вайзмановском институте (Израиль) построили компьютер, в основе которого лежат молекулы ДНК. Он занимает так мало места, что разглядеть его можно только под микроскопом. Считается, что именно таким, биологическим компьютерам принадлежит будущее, потому что миниатюризация традиционных микропроцессоров уже почти достигла своего предела. Компьютеры на основе ДНК настолько малы, что управлять ими поодиночке невозможно. Зато, если запустить одновременно триллион таких компьютеров, то они смогут выполнять миллиард операций в секунду. 

Ввод, вывод и «программное обеспечение» нового компьютеры целиком состоят из молекул ДНК. В качестве «железа» используются энзимы, которые этими молекулами управляют. Вместе они могут выполнять простейшие операции — например, определять порядок нулей и единиц, закодированный во «входной» молекуле и заносить результат на «выходную». Всего компьютер может выполнять 765 подобных операций, потребляя при этом менее одной миллиардной ватта. Точность вычислений составляет более 99.8%.

В будущем  молекулярные нанокомпьютеры можно будет помещать внутрь человеческого организма, чтобы они отслеживали там патологические изменения, а также использовать для дальнейшего исследования возможностей ДНК.

И, наконец, один из самых новых подходов, способный привести к грандиозным изменениям в области вычислительной техники, основан на разработке квантовых компьютеров.

Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, существенно использующее при работе квантовомеханические эффекты, такие как квантовая суперпозиция и квантовый параллелизм. Предполагается, что это позволит преодолеть ограничения классических компьютеров.Упрощённая схема вычисления на квантовом компьютере выглядит так: берётся система кубитов, на которой записывается начальное состояние. Затем состояние системы или её подсистем изменяется посредством базовых квантовых операций. В конце измеряется значение, и это результат работы компьютера. Оказывается, что для построения любого вычисления достаточно двух базовых операций. Квантовая система даёт результат, только с некоторой вероятностью являющийся правильным. Но за счёт небольшого увеличения операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного результата к единице.

Перспективное программное обеспечение ИТ. Одна только часть его связана с разработкой объектно-ориентированных баз данных.

В объектно-ориентированных базах данных, в отличие от реляционных, хранятся не записи, а объекты. Объектно-ориентированный подход представляет более совершенные средства для отображения реального мира, чем реляционная модель за счет  естественного представление данных (в реляционной модели все отношения принадлежат одному уровню, именно это осложняет преобразование иерархических связей модели "сущность-связь" в реляционную модель; объектно-ориентированную  (ОО) модель можно рассматривать послойно, на разных уровнях абстракции). 

Появление объектно-ориентированных СУБД вызвано потребностями программистов на ОО-языках, которым были необходимы средства для хранения объектов, не помещавшихся в оперативной памяти компьютера. Также важна была задача сохранения состояния объектов между повторными запусками прикладной программы. Поэтому большинство ООСУБД представляют собой библиотеку, процедуры управления данными которой включаются в прикладную программу. Примеры реализации ООСУБД как выделенного сервера базы данных крайне редки. 

В качестве примера рассмотрим объектно-ориентированную СУБД ObjectStore, которая обеспечивает долговременное хранение в базе данных объектов, созданных программами на языках C++ и Java. Вся работа с объектами ведется обычными средствами включающего ОО-языка. При этом СУБД как бы расширяет виртуальную память операционной системы. Происходит это следующим образом. Когда прикладная программа обращается к объекту, то ищет его по адресу в оперативной памяти. Нужная страница оперативной памяти может быть вытеснена в виртуальную память (область хранения неиспользуемых страниц оперативной памяти на диске). Если объекта с таким адресом в виртуальной памяти не существует, то операционная система генерирует ошибку. СУБД эту ошибку перехватывает и извлекает объект из базы данных. 

Виртуальная реальность (в настоящее время находится на переднем плане таких технологий, как интерактивные компьютерные игры и моделирование на ЭВМ) – модельная трехмерная (3D) окружающая среда, создаваемая компьютерными средствами и реалистично реагирующая на взаимодействие с пользователями. Технической основой виртуальной реальности (ВР) служат технологии компьютерного моделирования и компьютерной имитации, которые в сочетании с ускоренной трехмерной визуализацией позволяют реалистично отображать на экране движение. В минимум аппаратных средств, требующихся для взаимодействия с ВР-моделью, входят монитор и указывающие устройства типа мыши или джойстика. В более изощренных системах применяются виртуальные шлемы с дисплеями (HMD), в частности шлемы со стереоскопическими очками, и устройства 3D-ввода, например, мышь с пространственно управляемым курсором или «цифровые перчатки», которые обеспечивают тактильную обратную связь с пользователем. 

Основная особенность ВР-модели – это создаваемая для пользователя иллюзия его присутствия в смоделированной компьютером среде, которое называют дистанционным присутствием. Ощущение дистанционного присутствия в меньшей степени зависит от того, насколько естественно выглядят изображения среды, чем от того, как реалистично воспроизводятся движения и насколько убедительно ВР-модель реагирует при взаимодействии с пользователем. В некоторых из ВР-моделей пользователи воспринимают изменяющуюся перспективу и видят объекты с разных точек наблюдения, как если бы они перемещались внутри модели. Если пользователь располагает более чувствительными (погруженными) устройствами ввода, например, такими, как цифровые перчатки и виртуальные шлемы, то модель обеспечивается достаточным количеством данных, чтобы надлежащим образом реагировать на такие действия пользователя, как поворот головы или даже движение глаз. 

Виртуальная реальность еще не вышла из младенческого возраста. Однако она сделала начальные шаги в таких технологиях, как имитаторы условий полета и пилотажные тренажеры (использовавшиеся для тренировок пилотов и космонавтов); определенные успехи были достигнуты и в имитационном моделировании боевых операций. Но для ВР существуют и другие, более широкие области применений. Так, виртуальную реальность можно использовать в играх, медицинских исследованиях и обучении медперсонала, а также в архитектуре. 

Разработки теории и аппаратных средств виртуальной реальности продолжаются. Перспективным является применение виртуальной реальности в WWW. С этой целью уже сегодня исследуются вопросы разработки инструментальных средств трехмерной графики, предназначенных для расширения возможностей Web-браузеров (программ, используемых для просмотра WWW-документов). 

Наиболее перспективным языком моделирования виртуальной реальности является язык VRML. Он основан на существующей технологии описания трехмерных сцен с визуализацией многоугольных объектов, освещения и материалов. В числе первых применений VRML-узлов на WWW оказались сюрреалистические ландшафты и «дискуссионные миры», где пользователи взаимодействовали с посетителями. 

Технологии сенсорных сетей. Беспроводные сенсорные сети — это своеобразный шаг на пути перехода в следующую эру — когда компьютеры будут непосредственно соединены с физическим миром и смогут угадывать желания пользователей, а также принимать за них решения. 

Уже недалек тот день, когда сотни миллиардов полупроводниковых сенсоров будут интегрироваться во все что только возможно, начиная от брелока на ключе и заканчивая детской коляской или даже бутылочкой. И все они будут в состоянии не только выступать в роли интеллектуальных датчиков, но и выполнять первичную обработку информации, а также взаимодействовать друг с другом, образуя единую беспроводную сенсорную сеть. При этом такие датчики практически не будут потреблять электроэнергию, так как встроенных миниатюрных аккумуляторов будет хватать на несколько лет, то есть на весь срок работы сенсоров. Это будет концептуально новый тип компьютерной системы, функционирующей с помощью беспроводной сенсорной сети. Такую сеть принято называть Ad-hoc Wireless Sensor Networks. Термин Ad-hoc позаимствован из современных беспроводных сетей, действующих, например, в стандарте IEEE 802.11b. 

Такие беспроводные сети имеют два режима взаимодействия: режим Infrastructure и Ad-hoc.

 В режиме Infrastructure узлы сети взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через точку доступа (Access Point), которая выполняет в беспроводной сети роль своеобразного концентратора (аналогично тому, как это происходит в традиционных кабельных сетях).

 В режиме Ad-hoc, который также называется Peer-to-Peer («точка-точка»), станции непосредственно взаимодействуют друг с другом. Соответственно и в беспроводных сенсорных сетях режим Ad-hoc означает, что все сенсоры напрямую взаимодействуют друг с другом, создавая своеобразную сотовую сеть.

Что сулят нам такие сенсорные сети в будущем? Представьте себе детские кроватки, слушающие дыхание младенцев; браслеты, следящие за состоянием пациентов в клинике; детекторы дыма, которые могут не только в случае необходимости вызвать пожарных, но и заранее проинформируют их об очаге возгорания и степени сложности пожара. Электронные устройства смогут распознавать друг друга, источники питания будут напоминать о том, что им необходимо «подкрепиться». 

Представьте сотни тысяч сенсорных датчиков, объединенных в общую сеть в лесу. В таком лесу просто невозможно будет заблудиться, поскольку передвижение человека будет фиксироваться и анализироваться датчиками. Другой пример — датчики в поле, настроенные на контроль за состоянием почвы и в зависимости от меняющихся условий регулирующие полив и количество вносимых удобрений.

Не менее полезными будут сенсорные сети на дорогах. Общаясь друг с другом, они смогут регулировать поток машин. Это же мечта любого водителя — дороги без пробок! Такие сети смогут справляться с этой задачей значительно эффективнее, чем автоинспекторы, и, что самое невероятное, не будут брать взяток! Проблема контроля правонарушения на дорогах решится при этом сама собой. 

Использование сенсорных сетей для управления электроснабжением позволит достичь невероятной экономии электроэнергии. Представьте себе такую управляющую сеть у вас в квартире. Отслеживая ваше местонахождение, датчики смогут повсюду выключать за вами свет и включать его по мере необходимости. Ну а если использовать такие сети для контроля освещения улиц и дорог, то проблема нехватки электричества исчезнет сама собой

Основные критерии сенсорной сети будущего: это должна быть беспроводная сеть, состоящая из тысяч сенсоров (узлов сети) с любой зоной покрытия и выполняющая любые возложенные на нее задачи; сенсоры должны самоорганизовываться в беспроводную сеть, способную передавать произвольную информацию между двумя любыми сенсорами сети, причем с требуемой скоростью передачи (полосой пропускания); сенсоры должны потреблять ничтожно малое количество энергии, чтобы работать на протяжении нескольких лет без замены батареек; сенсоры должны очень быстро реагировать; сенсоры должны быть незаметными и высоконадежными в эксплуатации; сенсоры должны иметь низкую стоимость.

Существующие сегодня экспериментальные сенсорные сети лишь отчасти удовлетворяют вышеизложенным требованиям. Так, на сегодняшний день сети состоят только из сотен сенсоров с ограниченной зоной покрытия и выполняют лишь четко определенные задачи. Они способны передавать лишь определенный тип информации от одного датчика к другому и только в заданной полосе пропускания. Потребление энергии также нельзя назвать ничтожно малым — заряда батареи хватает всего на несколько дней. Существующие сенсорные датчики пока еще достаточно инертны, а о высокой надежности и незаметности в эксплуатации (хотя бы из-за размеров) и речи не идет. Ну и, конечно же, такие сенсоры стоят достаточно дорого, так что сеть, состоящая из сотни сенсоров, обходится недешево.

Перспективные Интернет-технологии. Интернет находится лишь на начальной стадии своего развития. Самыми перспективными технологиями являются беспроводные технологии для «дальнейшей экспансии интернета». Ключевыми технологиями здесь станут Wi-Fi и WiMAX. 

Повсеместное распространение в будущем получат широкополосные каналы связи. 

Прогнозируется в будущем появление персонального информационного и развлекательного Web-сайта, сегменты которого будут изолированы от основной сети и самодостаточны.

Предвидится появление мобильных устройств, с помощью которых интернет «будет соединять людей такими способами, которые даже невозможно себе представить». Это будет некое персональное устройство, напоминающие iPod, и предоставляющее доступ ко всей мировой информации. Устройство может появиться на рынке в ближайшие 5–10 лет. БВ настоящее время пользователи перегружены информацией и нуждаются в технологиях, которые будут «не только индексировать, но еще и систематизировать Web-услуги для пользователей в реальном режиме времени». 

Дальнейшее совершенствование общедоступной сети Интернет многие связывают с внедрением концепции семантической паутины, что позволило бы людям и компьютерам более эффективно взаимодействовать в процессе создания, классификации и обработки информации.

Семантическая паутина (англ. Semantic web) — новая концепция развития Всемирной паутины и сети Интернет, принятая и продвигаемая Консорциумом Всемирной паутины. Иногда также упоминается как семантическая сеть, семантический веб.

Семантическая паутина — это надстройка над существующей Всемирной паутиной, которая призвана сделать размещённую в сети информацию более понятной для компьютеров. Известно, что почти вся информация в Интернете находится в текстовой форме. Не секрет также, что прогресс в области обработки человеческой речи (англ. Natural Language Processing, NLP) идёт очень медленно. Компьютеры не могут воспринять и осмыслить словесную информацию, размещённую в Интернете, и в ближайшее время, видимо, не смогут. Тогда встаёт вопрос — как же заставить компьютеры понимать смысл размещённой в сети информации и научить компьютеры пользоваться ею? На этот вопрос и призвана ответить концепция семантической паутины. Слово «семантическая» в данном случае означает «осмысленная», «понятная».

В настоящее время компьютеры принимают довольно ограниченное участие в формировании и обработке информации в сети Интернет. Трудно вообразить, но это так. Функции компьютеров в основном сводятся к хранению, отображению и поиску информации. В то же время создание информации, её оценка, классификация и актуализация — всё это по-прежнему выполняет человек. Как включить компьютер в эти процессы? Если компьютер пока нельзя научить понимать человеческий язык, то нужно использовать язык, который был бы понятен компьютеру. То есть, в идеальном варианте, вся информация в Интернете должна размещаться на двух языках: на человеческом языке для человека и на компьютерном языке для понимания компьютера. Семантическая паутина — это концепция сети, в которой каждый ресурс на человеческом языке был бы снабжён описанием, понятным компьютеру.

Хотя многие ещё ставят под сомнение успех проекта семантической паутины, но скептиков становится все меньше и меньше. Началось внедрение этой концепции многими крупными компаниями и корпорациями, что однозначно говорит об успехе. Кроме того, семантическая паутина активно пропагандируется и внедряется многими проектами с открытым исходным кодом.