כיצד יפעלו מחשבי העתיד?

על מה עובדים עכשיו במעבדות המחקר המתקדמות בתעשיית ההייטק? כמה דברים ממש מדליקים, בלשון המעטה. לאחרונה בדקנו חמש מהמעבדות האהובות עלינו: Bell Labs, HP Labs, IBM Research, Microsoft Research והאבא של כולם - Palo Alto Research center ( ר"ת PARC), המתקן שהיה פעם של חברת Xerox. שם הומצאו האתרנט, הדפסת לייזר, ממשק המשתמש הגרפי ועוד הרבה דברים שהפכו להיות כבר מובנים מאליהם.

מרכזי המחקר החזקים הללו עברו הרבה שינויים בשנים האחרונות. PARC הוא עכשיו מרכז עצמאי לחלוטין, אבל הוא ממשיך לנסות לפרוץ את גבולות ההייטק. כאן אנחנו נציג פרויקט מוצלח במיוחד של כל מעבדה, ונחשוף חמישה רעיונות שממציאים מחדש את הכל, החל ממכשירי הצבעה ועד לבינה מלאכותית. יש כמה שעשויים להבשיל תוך מספר חודשים. לאחרים אולי ייקח שנים, אבל כולם יסקרנו אתכם.

קולנוע IMAX בבית

חשבתם שמסיבות LAN הן כיפיות? חכו למסיבות המקרנים. במעבדות HP, נלסון צ'אנג ונירנג'אן דמרה-ונקאטה בילו את השנים האחרונות בפיתוח טכנולוגיה שממציאה מחדש את הרעיון של מערכת הבידור הביתית. עם Pluribus, אפשר ליצור תמונה באיכות של Cineplex על ידי שימוש בחופן מקרנים פשוטים שעולים 1,000 דולר האחד, בפחות זמן ממה שלוקח להכין פופקורן.

בעבור 12,000 דולר בלבד, תוכלו לבנות אולם קולנוע ביתי שישתווה לאיכות התמונה שעולה 100,000 דולר באולמות הקולנוע. יתרה מכך: תוכלו לערוך מסיבת מקרנים. הזמינו שנים עשר חברים שיגיעו עם 12 מקרנים זולים, ופתאום תהיה לכם תמונה בגודל קיר שאף אחד מכם לא יכול להפיק בעצמו. התצוגה הענקית הזו טובה לא רק לסרטים. היא אפילו עשויה להיות טובה למשחקי תלת מימד.

צ'אנג ודמרה-ונקאטה מתארים את הפרויקט שלהם כ'מחשוב צבירי עם מקרנים'. "אנחנו יכולים לקחת כמה מקרנים פחות יקרים, וליצור מקרן על", אומר צ'אנג. "אנחנו מחשבים אוטומטית את ההפרשים בין המכשירים, ובונים תמונה יחידה ויציבה".

אין צורך לבלות שעות בהתאמת המיקום הפיזי של המקרנים. פשוט מניחים אותם, מחברים אותם לחשמל, ומכוונים אותם לכיוון הכללי שאליו רוצים שיפנו. המערכת עושה את השאר, בתוך דקות.

המערכת מורכבת ממחשב רגיל, מצלמה וקצת קוד גאוני בשפת C. בעקרון, המצלמה מצלמת את התמונות הרבות שמגיעות מהמקרנים, ומעבירה את התמונה הזו בחזרה לתוכנה. התוכנה אז מתאימה כל תמונה לאחרות כך שיהוו תמונה אחידה, על ידי שימוש באלגוריתמים של צ'אנג ו-ונקטה, שהם מודלים מתמטיים שמותחים את גבולות המחשוב המודרני. "אנשים לא חשבו שאפשר לעשות זאת", אומר דמרה-ונקטה.

מחשב גיימינג עם צמד מאיצים גרפיים יכול להשתלט על 12 מקרנים בתוך פחות מ-5 דקות, ולהפיק תמונת מסך רחב ביחס פריסה של 16:9, בגודל אלכסוני של 220 אינץ', באבחנה של 4,096 על 2,304. אבל המערכת יכולה גם לעבוד עם תמונות גדולות יותר. אם תוסיפו עוד מחשבים, תוכלו בתיאוריה להוסיף כמה מקרנים שתרצו.

כותרת: עכבר באוויר

קניתם עכבר אלחוטי חדש? כן, אתם לא קשורים למחשב כמו כלב לרצועה, אתם יכולים לפקד על המחשב מרחוק, אבל אתם עדיין צריכים משטח חלק. אתם עשויים לשבת בנוחות על הספה, או להיות מכורבלים במיטה, אבל לעולם לא תוכלו להתרחק ממשטח גלילה שולחני, או ממצע קשיח לכתיבה.

Soap הולך צעד אחד יותר רחוק - אל האוויר. עם מכשיר ההצבעה הזה מהדור החדש, שנמצא עכשיו בפיתוח ב-Microsoft Research, תוכלו לנווט ברחבי המחשב בעזרת ידכם בלבד. לא צריך יותר את השולחן או כל משטח גלילה אחר. לא צריך אפילו את הספה או המיטה, ואפשר להניע את המכשיר בזמן תנועה בחדר. המכשיר דומה במקצת לשלט ה-Wii (הקונסולה החדשה מבית נינטנדו), אבל הוא יותר מדוייק והרבה יותר קל לשימוש.

פטריק בודיש, מקבוצת המחקר בנושא מערכות מסתגלות ומשתלבות, ופרופסור עמית למדעי המחשב באוניברסיטת וושינגטון, היה הראשון שחלם על הרעיון של עכבר אלחוטי אופטי שמוקף במעטפת עשויה מבד. חשבו על זה כעל פוף קטן עם חומרה בתוכו. כשמסובבים את המעטה החיצוני לכיוון הרצוי - לאורך ולרוחב פני העכבר - הסמן נע על צג המחשב בהתאמה.

העכבר נקרא Soap בגלל שהוא נע בידכם כמו סבון רטוב במקלחת. "בעיקרון מדובר על עכבר ומשטח לעכבר במכשיר אחד, אומר בודיש. "אבל במקום להזיז את העכבר על המשטח, אתם מניעים את המשטח על גבי העכבר".

בודיש בנה את האב טיפוס הראשון מעכבר אופטי שהוא מצא במעבדה, ומכמה חפצים "שניתן למצוא בכל בית" אותם הוא ליקט בחנות מקומית. הוא פשוט פתח את מתקן ההצבעה שלו, הוציא את החלקים הפנימיים והכניס אותם לתוך בקבוק ריק של סבון ידיים. כן, בקבוק ריק של סבון ידיים, משהו שקוף שיסתובב בקלות בתוך מעטפת הבד. ברגע שהוא עטף את הבקבוק בבד, והכניס מעט חומר סיכה בין שניהם, היה לו עכבר שעבד באוויר.

מכיוון שהבקבוק עובד בנפרד מהמעטפת, העכבר יכול לחוש תנועה יחסית, כמו כאשר שהוא נגרר על פני השולחן. "החיישן האופטי מסתכל קדימה, כך שהוא יכול לראות את הבד נע. "ממשיך בודיש, "וזה כל הקלט שצריך". זה כזה רעיון פשוט, אבל התוצאות מדהימות.

Soap הוא כה מדויק עד שאפשר להשתמש בו כדי לשחק משחק יריות במהירות גבוהה. בועידת CHI (ר"ת Computer/Human Interaction) האחרונה שנערכה בסן חוזה שבקליפורניה, בודיש שיחק את המשחק האהוב עליו בזמן עמידה בחלל פתוח, ללא שולחן באופק. המגבלה היחידה הייתה חוסר היכולת להסתובב כלפי מעלה (כלומר, הוא לא הצליח לגרום לדמות התלת מימדית שלו לבצע גלגול אחורה).

בודיש מתכנן להוסיף את המידה הנוספת הזו של חופש הפעולה, והוא מקווה להיפטר מנוזל הסיכה שבתוך המעטפת, מאפיין שלעת עתה מקשה על ייצור מסחרי. אבל אב הטיפוס של ה-Soap עובד היום, וקיים פוטנציאל לתת למשתמשי המחשב רמה חדשה לחלוטין של חופש פיזי.

"אתם מקבלים את אותן אפשרויות פעולה של העכבר", אומר בודיש, "והוא עובד עם כל מחשב או תצוגה, בין אם מדובר בגודל המתאים לכיס או בגודל של קיר. ההבדל הוא שאפשר להשתמש בו גם בחדר המגורים, בכיתה או אפילו ברכבת".

המכונה המושלמת

אנחנו עדיין מחכים למחשב הקוואנטי המושלם, מחשב שישתמש בעקרונות המבלבלים של תורת הקוואנטים על מנת להגיע למהירויות עיבוד, עליהן מחשבי העל של היום יכולים רק לחלום. ב-Bell Labs מתנהל בימים אלה פרויקט מחשוב קוואנטי, שעשוי לקרב אלינו סוף סוף את החלום הזה. "יש לנו עוד 10 עד 20 שנה על מנת ממש להגיע למחשב הקוואנטי", אומר סטיבן סימון מ-Bells Labs, "אבל אנחנו מתקרבים בלי הפסקה".

הרעיון למחשב הקוואנטי נולד לראשונה בתחילת שנות ה-80' על ידי הפיזיקאי זוכה פרס הנובל ריצ'רד פיינמן. הרעיון לא עולה בקנה אחד עם ההגיון הבריא: בעוד שהמחשבים של היום מצייתים לחוקי הפיזיקה הקלאסית ששולטים בחיינו, מחשב קוואנטי מסתמך על הפיזיקה הקסומה של תורת הקוואנטים (גגלו מושג זה לשם הרחבות אין קץ).

במחשב רגיל, טרנזיסטורים מאחסנים מידע בסיביות, ולכל סיבית יש ערך של 1 או 0. למשל הדלקת טרנזיסטור מיוצגת על ידי הספרה 1. כבו אותו, והספרה תהיה 0. עם מחשב קוואנטי, הסיבית הקלאסית מפנה את מקומה למשהו הנקרא סיבית קוואנטית, או qubit. ה-qubit מאוחסנת לא בטרנזיסטור או בכל מערכת קלאסית אחרת, אלא במערכת קוואנטית, כמו למשל בספין של גרעין האטום. סיבוב "up" עשוי להציג את הערך 1, וסיבוב "down" יציג את הערך 0.

הטריק הוא שתודות לעיקרון הסופרפוזיציה של מכניקת הקוואנטים, מערכת קוואנטית יכולה להתקיים במצבים מרובים באותו זמן. בכל רגע נתון, סיבוב הגרעין יכול להיות גם למעלה וגם למטה, ויכול להיות לו ערך של 1 וגם של 0 באותו הזמן. אם תחברו שני qubits ביחד, עשויים להיות להן ארבעה ערכים שונים באותו הזמן (00, 01, 10, 11). זה מה שגורם למחשב קוואנטי להיות מהיר יותר בצורה מעריכית מאשר הדגם הקלאסי. לדוגמה, הוא יהיה מהיר מספיק על מנת לפצח את אלגוריתמי ההצפנה המאובטחים ביותר שקיימים כיום.

אבל קיימת בעיה. כאשר מערכת קוואנטית מנסה להשתלב בעולם הקלאסי, היא נעשית פחות עקבית. היא מאבדת את יכולתה להתקיים בו זמנית בכמה מצבים, ומתמוטטת למצב אחד קבוע. זה אומר שכשאתם קוראים שורה של qubits הן נהפכות לסיביות רגילות, שיכולות להכיל רק ערך אחד.

במהלך העשור האחרון, חוקרים הציעו מספר דרכים לעקוף את הבעיה הזו, וחלק מהם אפילו בנו מחשבים קוואנטיים, אבל בקנה מידה קטן מאוד. עוד לא ראינו מחשב קוואנטי שהתקדם מעבר לחישובים בסיסיים. חברת Bell Labs מובילה כבר זמן רב את המחקר בתחום מחשוב קוואנטי, והיום, יחד עם Microsoft Research ועוד כמה מעבדות מרחבי ארה"ב, היא עובדת על שיטה חדשה לחלוטין שעשויה סוף סוף להוביל לפריצת הדרך. בחברת Bell קוראים לה "מחשוב קוואנטי טופולוגי" (topological quantum computing).

במושגים הפשוטים ביותר, החוקרים ב-Bell מנסים "לקשור" את המערכות הקוואנטיות. "בתנאים אקזוטיים מאוד, כמו טמפרטורות נמוכות במיוחד ושדה מגנטי חזק במיוחד, אנחנו ממש תופסים את החלקיקים ומניעים אותם זה סביב זה, ויוצרים קשרים במה שאנחנו מכנים שביל הזמן-חלל" אומר סיימון. "אם מצליחים ליצור את הקשר הנכון, אפשר לערוך את החישוב הקוואנטי הנכון".

בקיצור, הקשרים האלו הם דרך נהדרת לפתור את בעיית היעדר העקביות. עם מחשב קוואנטי טופולוגי המידע מגיב לטופולוגיה של הקשרים שיצרתם, והטופולוגיות האלו לא מתפרקות בקלות כמו מערכות קוואנטיות רגילות. האם השיטה הזו תעבוד? את זאת עדיין צריך לראות. אבל בטוח שיש פה פוטנציאל. "למרות שהגישה הזו משתרכת הרבה אחרי האחרות, אף אחד עוד לא בנה אפילו סיבית קוונטית אחת. רבים מאמינים שגישה זו לבסוף תפרוץ קדימה, שכן בשונה מהגישות האחרות, היא אינה לוקה בחוסר עקביות".

שיתוף קבצים על סטרואידים

בשנת 1543 שינה ניקולס קופרניקוס לעד את הדרך בה אנחנו רואים את היקום. הוא הציב את השמש במרכז במקום את כדור הארץ. היום, במרכז המחקר המפורסם בפאלו אלטו, ואן ג'ייקובסון מקווה להוביל מהפיכה דומה, אחת שתשנה לעד את הצורה בה אנחנו רואים רשתות מחשבים. הוא שואף לשים במרכז את המידע, ולא את השרת.

ג'ייקובסון אוהב לספר סיפור על סרטון וידאו, שחברת NBC העלתה לרשת בזמן אולימפיאדת החורף בשנת 2006. בוידאו ראו את הגולש האולימפי האמריקאי בוד מילר נפסל רשמית מהשתתפות באירוע האלפיני. בתוך שניות מהפרסום, היה עומס נוראי על הנתב שמחבר בין שרתי NBC לבין הרשת. באותו רגע הנתב נדרש להעביר 6,000 עותקים של אותו סרט וידאו. ששת אלפים אנשים יצרו 6,000 חיבורי TCP/IP כדי להוריד את הסרטון, ולרשת לא היתה דרך לדעת שרוב החיבורים האלו היו מיותרים. היא לא יכלה להבין ש-6,000 קטעי הוידאו היו זהים. היא לא יכלה לעשות דבר על מנת להקל על העומס.

דגם הרשת הקלאסי - "מנקודה לנקודה" פגום מיסודו. היום, אם אתם רוצים לשאוב מידע מהרשת, כמעט תמיד יש צורך בחיבור ישיר למקור המידע - השרת. זה נכון גם אם המידע כבר ירד למקום אחר, קרוב יותר. אז לעיתים קרובות, התחברות לשרת המרוחק סתם מבזבזת זמן. אם השרת לא נגיש, אתם תיאלצו לוותר על רגע השיא האולימפי.

במסגרת פרויקט רישות ממורכז תוכן (Content-Centric Networking), או CCN בקיצור, ג'ייקובסון וגורואי רשתות ב-PARC משנים את הדגם הזה לחלוטין.

הם בונים מערכת רישות המבוססת על התוכן עצמו, מערכת בה נתב יכול ממש לזהות את הוידאו של בוד מילר, ולפעול בהתאם. במודל CCN, לא אומרים לרשת שמעונינים להתחבר לשרת. אומרים לה שמעונינים בפיסת מידע מסוימת. משדרים בקשה לכל המחשבים המחוברים לרשת, ואם לאחד מהם יש את פיסת המידע שאתם מבקשים, הוא מגיב. "אפשר לוודא ולהעריך את המידע על ידי שימוש במידע עצמו, בלי קשר למקום ממנו השגת אותו". אומר ג'ייקובסון. "אז אם אתם רוצים לקרוא את העיתון של היום, אתם יכולים לקחת אותו מכל מחשב שיש עליו עותק".

זה די דומה ל-BitTorrent, אבל בקנה מידה גדול יותר. CCN יכול לשפר כל דבר החל מהאינטרנט הציבורי וכלה ברשת הביתית. הוא יכול להשיג לכם את הוידאו הזה של בוד מילר, אפילו אם השרתים של NBC כבויים.

למעשה, זו גם דרך יעילה לוודא שהיומן הפרטי נשאר מעודכן. אין צורך ליצור שלושה חיבורים שונים בין המחשב השולחני, המחשב הנייד ומחשב כף היד. כל מכשיר פשוט משדר בקשה לעדכון היומן לכל האחרים, נאמר - באופן אלחוטי. ג'ייקובסון בהתחלה מתכנן ליישם את מודל CCN על גבי תשתית הרשתות הקיימת כיום, בדומה לדרך בה BitTorrent מאפשר להפיץ תוכן ברשת הקיימת. אבל בסופו של דבר הוא רוצה לדחוף את הרעיונות החדשים האלו לשורשי הרשת, ולשנות בדרך מהותית ובסיסית את הדרך בה מכונות מדברות ביניהן ברמת חפיסת המידע. כן, הוא עומד בפני משימה ענקית, אבל גם לקופרניקוס היה אתגר לא פשוט.

מאת ג'ימי בזלס וקייד מטץ. תרגום: יעל ברק. הכתבה פורסמה במקור ב-PC Magazine. לרכישת מנוי במחיר הכרות . לאתר הבית של PC Magazine .