Лекция «Скорость технологического прогресса. Нанотехнологии и общество».
Сергей Калюжный, доктор химических наук, профессор, советник Председателя Правления по науке, главный ученый РОСНАНО.
Добрый вечер, уважаемые коллеги. В своем выступлении я остановлюсь очень кратко на хронологии технологического прогресса. Дальше поговорим об определяющей роли нанотехнологий в развитии электроники. Потом на примере беспилотных транспортных средств посмотрим, как интенсивное развитие наноэлектроники и информационных технологий изменит нашу жизнь в самое ближайшее время. Но, конечно, не обойдусь без влияния нанотехнологий на новые материалы и, если останется время, резюмирую свое выступление.
Итак, как было сказано во вступительном слове, технологический прогресс ускоряется, особенно в последнее время. И если посмотреть на историю, то первобытному человеку потребовалось 400 тысяч лет, чтобы совершить аграрную революцию, и всего лишь 12 тысяч лет, чтобы совершить промышленную революцию. При этом этот процесс шел не так гладко: было движение луддитов – людей, которые уничтожали машины, потому что они считали, что они забирают их рабочие места. В конце концов, первая промышленная революция завершилась изобретением лампочки, и мы вступили в прекрасную эру электрификации нашей жизни. В ХХ веке эти удивительные открытия следовали с калейдоскопической быстротой. Здесь и первый искусственный спутник Земли, и изобретение интернета, и расшифровка генома человека, и даже запустили межзвездный зонд, который в 2013 году вышел за пределы нашей солнечной системы. Полет занял 37 лет и указ о его запуске подписывал еще президент Картер: многие еще не родились в то время. И, наконец, в 2016 году произошло событие, о котором мало говорили. Но событие было связано со следующим. Когда в 1998 году компьютер Deep Blue обыграл Гарри Каспарова в шахматы, аналитики посмотрели косо и сказали: ну, конечно, шахматы – это такая игра, там пересчет вариантов, требуется быстрота и так далее, но есть такая многовекторная стратегическая игра Го, ну, какой сухой железный компьютер может сыграть мощнее человека? Но был создан такой компьютер AlphaGo: в него загрузили 4 тысячи партий. Компьютер был оборудован Deep Learning и нейросетями. Он переварил всю эту информацию и в 2016 году довольно легко обыграл великого китайского чемпиона в Го. Это был первый звоночек о наступлении той сингулярности, о которой так не любит говорить наш руководитель [руководитель ООО «УК «РОСНАНО» - прим.].
Но весь этот прогресс очень сильно корреспондирует с развитием мощности компьютеров. Эра компьютеров переживала разные времена, разные периоды. Я застал ламповый период. Когда я учился на химическом факультете МГУ, то одной из задач у нас было рассчитать определенную структуру на таком компьютере. Когда я впервые пришел к этому компьютеру, то это оказался целый камеральный корпус в три этажа - большая электронно-счетная машина, размеры этого компьютера меня поразили. Я сделал свою задачу, но про себя подумал о том, что, конечно, вещь полезная, но очень далека от нашей обыденной жизни. Однако ситуация кардинально изменилась, когда компания «Apple» произвела первый компактный массовый персональный компьютер. Дальше процесс компьютеризации нашей жизни пошел ускоренными темпами: мы дошли до суперкомпьютеров, и в 2015 году мощность компьютера по своим возможностям превышала возможности мозга мыши. Аналитики говорят, что, если пойдет так дальше, а я этому склонен верить, то в 2023 году компьютер превысит возможности мозга одного человека, и в 2045 году компьютер превысит возможности мозга всех 9 миллиардов людей, которые будут жить на нашей планете. Эта точка называется точкой сингулярности, и о Курцвейле вы уже слышали.
Под таким двойным экспоненциальным развитием компьютерной мощности была вполне понятная работа физиков. И в этой области даже есть специальный закон Мура. Мур – это технический директор компании «Intel» и изобретатель первого лампового транзистора. Первый постулат этого закона говорит о том, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года. Нужно сказать, что первый постулат соблюдается вплоть до последнего времени. В 2002 году эта область электроники преодолела важный рубеж, когда микроэлектроника стала наноэлектроникой. Пока что закон справедлив, но возможности кремниевой электроники, потенциал ее использования близок к исчерпанию.
Очень важное значение имеет то - об этом многие забывают - что у закона Мура есть и второй постулат, который говорит, что параллельно с удвоением количества транзисторов идет одновременное снижение удельной стоимости интегральных схем. Это иллюстрируется: на следующем графике видно, что второй постулат закона Мура четко соблюдался вплоть до топологического размера 28 нанометров, а дальше наступил предел. То есть ухищрения инженеров по увеличению производительности не приводили к снижению стоимости, и это тоже звонок, который говорит о том, что наступил конец закона Мура, и дальше человечество уперлось в некий физический предел кремниевой электроники.
Что предлагается взамен? Опять же, здесь очень большое значение имеют нанотехнологии, и есть много разных подходов, очень много науки делается в этом плане. Я выделю три перспективных направления, которые рано или поздно придут на замену кремниевой электроники. В первую очередь, это другие полупроводники вместо кремня: германий, А3Б5, новые пленочные материалы типа графена и оксидов металлов. Они позволяют существенно увеличить тактовую частоту процессора.
Второе направление уже не относится к электронике. Передача и хранение информации не связаны с электронами, а связаны со светом. Это направление фотоники, нанофотоники и, в конце концов, развиваются интегральные фотонные схемы, то есть совершенно другой принцип функционирования.
Третье направление – тоже другой принцип функционирования. Он связан с электронами, но не с их движением, а с их спином. Это направление называется спинтроника и обещает ускорение мощности компьютеров в 100 миллионов раз. Учитывая точку сингулярности, может быть, этого и не потребуется.
Но, в целом, нужно отметить, что все эти очень прогрессивные перспективные направления пока находятся на стадии НИОКР. Тут просили о прогнозах. В ближайшие десять лет какое-то из этих направлений выстрелит, и мы будем с вами присутствовать при смене парадигмы от кремниевой электроники к другой системе повышения производительности компьютера.
Приведу конкретный случай, как наноэлектроника и информационные технологии будут влиять на нашу жизнь. Мы присутствуем при очередном довольно интересном этапе, когда некие сказочные фантазии типа самоходной печи Емели, ковра-самолета начинают уже воплощаться в нашу реальность. По крайней мере, установленный факт, что все крупные автопроизводители разрабатывают довольно интенсивно свои беспилотные автомобили. К этому подключились информационные компании типа «Google» и «Apple». «Uber» уже тестирует беспилотные автомобили в трех штатах США. Там тесты проходят с переменным успехом, но, в основном, они связаны с тем, что беспилотник соблюдает общие правила, а у школьных автобусов свои правила. В Америке школьный автобус – это святая корова. Поэтому, если школьный автобус нарушает правила, то, конечно, виноват беспилотник. В общем, тесты идут, и я думаю, что рано или поздно беспилотник осознает опасность школьного автобуса и как себя вести. Последний факт: японский премьер-министр Синдзо Абэ анонсировал, что в Токио на летней олимпиаде в 2020 году будут уже использоваться автономные такси.
Что является основным драйвером развития беспилотных автомобилей? Главный драйвер – это спасение наших жизней. Та статистика, которую мы имеем: 15 смертей на 100 тысяч населения в год – не устраивает современное общество, потому что ценность жизни увеличивается. Но если посмотреть более внимательно на эту статистику, то 90% смертей происходит не из-за погодных условий или поломок автомобиля, а исключительно по вине водителей и 40% – пьянства. Таким образом, если смотреть на современную транспортную структуру, то самое слабое звено в ней водитель, то есть человек. Именно удаление этого слабого звена и является основным драйвером развития этого направления.
Но, к счастью, не всегда так бывает: под этим гуманистическим направлением имеется и четкая экономическая основа. Потому что более 50% затрат транспортной компании – это зарплата водителей. Кроме того, с помощью беспилотников существенно сократится время перевозки, потому что беспилотник может работать по системе 24/7: отдых ему не требуется. И он более экономно будет вести машину, и таким образом будет экономиться топливо. Есть масса экономических расчетов, что даст внедрение этого транспорта. Для США, например, если будет 90-процентное проникновение БТС, то экономический эффект в год будет примерно 0,5 триллиона долларов. Это чуть-чуть меньше, чем половина нашего российского внутреннего валового продукта.
Что в России делается в этом плане? В России весьма активен «КамАЗ», который и разрабатывает беспилотный грузовик: проходит испытания. Раньше у них были более агрессивные планы, что к серийному выпуску они перейдут где-то в 2021-22 году, но сейчас сдвинули на 2025 год. Основное применение – это работа в карьерах по вывозу руды, угля и так далее по знакомому маршруту. Что касается пассажирских перевозок, то есть такая компания «Волжанин», которая уже в Сколково в тестовом режиме запустила беспилотный автобус «Волга-БАС». И они анонсируют, что в 2018 году планируется выход на открытые городские маршруты одного из городов. Но я боюсь, что это слишком оптимистическое ожидание, потому что нормативная база у нас в стране для беспилотного транспорта пока что не готова.
Другое применение беспилотников – это дроны, изначально изобретенные чисто для военных целей, но потом нашедшие очень много применений, связанных с аэрофотосъемкой, топографией, мониторингом, доставкой товаров и людей. Даже в Архангельске была компания, которая развозила пиццу с помощью дронов, но потом ФСБ или кто-то там запретили, потому что нарушают какие-то правила безопасности, что не очень хорошо, потому что сдерживает технический прогресс в этом плане. Но что касается пассажирских перевозок, то весьма активны многие компании, в частности, китайская компания «EHang» очень интенсивно тестирует в настоящее время беспилотное пассажирское такси-дрон на одного человека. И обещают они, проверим, что в июле заработает в Дубае. Ну, посмотрим.
К чему ведет такое агрессивное развитие беспилотного транспорта с точки зрения общества? Первым делом, конечно, к безработице среди профессиональных водителей. В России, например, 7% занятого населения – это водители. Кроме водителей, пострадает вся инфраструктура, которая расположена вдоль трасс, потому что автопилоту не требуется ни закусочных, ни отелей. Изменится городская среда, потому что снизится количество автомобилей, парковки переедут. У нас будет меньше автомобилей, и не каждому потребуется автомобиль. Вообще автомобиль в собственности будет неким нонсенсом, и парковки переедут куда-нибудь за город. Так как количество автомобилей снизится, к сожалению, обанкротится большинство существующих ныне автопроизводителей. Более того, бизнес-модель, скорей всего, изменится. Вот у меня есть автомобиль: по подсчетам я его использую 1-2%. В остальное время он стоит на парковке. Мне на самом деле нужна услуга: мне нужно ехать из точки А в точку Б. Поэтому услуга вместо машины приведет к существенному изменению бизнес-философии и так далее. Наступит момент, который я образно называю невыносимой легкостью бытия, как по известному роману и фильму. Из-за того что высвободится ваша работа как водителя, у вас получится много свободного времени, улучшится качество жизни пожилых людей и людей с ограниченными возможностями. И это свободное время людей надо будет как-то занимать, поэтому занимать нужно только контентом. Поэтому прогнозируется ускоренный рост цифрового контента.
Если говорить очень коротко о материалах, то основной тезис, что практически все новые материалы будут наноматериалами, потому что потенциал существующих материалов уже близок к исчерпанию. Главенствующую роль будут играть нанокомпозиты, но я остановлюсь на коротких примерах – буквально на двух типах совершенно необычных материалов. Это метаматериалы, а также всякие изделия из нанотрубок. Метаматериалы – это такие материалы, которые обладают микроструктурой, которая позволяет менять коэффициент преломления среды. Вообще в природе есть только положительный коэффициент преломления среды. Если вы смотрите на рыбу, плавающую в пруду, левый график, то рыба кажется вам несколько ближе, чем она плавает на самом деле. Но рыба плавает в воде. Если бы мы в этом месте поместили метаматериальную жидкость (она еще пока что не изобретена, но двигается в этом направлении), то человек наблюдал бы совершенно удивительное явление, когда рыба плавает в пруду, а человеку кажется, что она парит в воздухе. Понятно применение таких материалов. Это различная маскировка, начиная от военной техники до людей, объектов и так далее. На этой фотографии такой плащ-невидимка уже изготовлен. Видно, что сквозь человека виден постер, который находится за его спиной.
А это любимый материал Александра Глебовича Невзорова и называется он вантаблэк. Этот материал чернее черного, русское название, и его отличительной характеристикой является то, что он поглощает практически сто процентов падающего на него ультрафиолета видимого либо инфракрасного света. Понятно тоже применение такого материала. На самом деле он представляет из себя лес специально выращенных углеродных нанотрубок. Чтобы понять, насколько этот материал, скажем так, чернее черного, нужно представить себе, что мы находимся в ясный солнечный день в лесу, только высота деревьев 2-3 километра. Если бы мы могли находиться в такой среде, то мы бы поняли, что такое космическая бездна. Именно понимание этой космической бездны и привлекает многих людей искусства, в том числе и Невзорова, который просил у меня этот материал, для того чтобы проводить какие-то психоделические эксперименты.
Резюмируем то, что я сказал в этом коротком выступлении. Мы присутствуем при таком периоде, когда кремниевая электроника исчерпывает свой потенциал, а общество и развитие цивилизации требуют дальнейшего увеличения производительности компьютеров. Поэтому здесь не обойтись без революционного развития нанотехнологий. Но экспоненциальный рост мощности компьютера, ускоренное развитие искусственного интеллекта будет сопровождаться массовой безработицей, об этом нужно думать, существенными общественными изменениями и приведет, вероятно, к сингулярности. Будем ли мы слугами роботов, неизвестно, но, в общем, такая опасность есть. Готовы ли мы к этому? Мне кажется, что не очень, особенно в нашей стране. Не исключено появление новых луддитов, других деструктивных общественных движений.
Чтобы не заканчивать свое выступление на минорной ноте, я хочу сказать, что предположения людей из прошлого о будущем почти никогда не оправдывались. В 1910 году французская академия сделала специальное исследование и выпустила кучу открыток о том, какой будет жизнь в 2000 году. В то время люди смогли предусмотреть, что будет изобретено что-то вроде видеофона, видеоконференцсвязи, но люди в те времена совершенно не могли подумать, что изменится одежда, стиль жизни людей. Как правило, всегда наши предположения отстают от того, как развивается сама жизнь.
Второй пример из нашего советского прошлого. Я когда учился в первом классе, мне родители подарили фильмоскоп, и я на нем смотрел диафильмы. Один из диафильмов был изготовлен в 1960 году и назывался «В 2017 году». Дата не случайная – это столетие Великой Октябрьской революции. Там есть много предположений о том, каким будет будущее. Я вам приведу только один кадр. Например, о том, что будет построена плотина через Берингов пролив, по плотине будут двигаться атомные поезда. И из-за того что будет плотина, холодные воды Ледовитого океана не будут попадать на Дальний Восток и климат существенно улучшится. Так вот ничего из этого, как мы понимаем, не свершилось. Более того, отношения между нашей страной и США находятся примерно на том же уровне, что было в 1960 году. Спасибо за внимание.
Фото: Depositphotos.com
