Previous: 1.2 Депозитарий статей-первоисточников (на английском языке)    UP: 1 Введение. Общие принципы построения каналов передачи данных и сетей     Next: 1.4 История становления ИТ

1.3 Проблемы в ИТ

Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ)
Yu. Semenov (ITEP-MIPT)

Многие из читателей слыхали о проблемах Гилберта, которые он сформулировал почти сто лет тому назад. Некоторые считались неразрешимыми. Одну из этих проблем (гипотезу Пуанкаре) решил замечательный российский математик Г.Я.Перельман. Именно этот факт подтолкнул меня к формулированию некоторых проблем ИТ. Выпускники университетов могут посмотреть эту статью и, возможно, выберут для себя направление будущей работы или даже предложат решение одной из названных ниже задач. Готов рассмотреть и добавить другие проблемы, если они окажутся интересными (обязательно с указанием автора). Возможно, целесообразно создать описание актуальных проблем и для других областей науки.

В любой отрасли человеческой деятельности всегда существуют проблемы, ИТ не исключение. Но здесь ситуация станет критической в 20-е годы 21-го века, когда будут исчерпаны традиционные ресурсы развития: повышение плотности активных элементов на чипе и пропускная способность каналов. Серьезную проблему представляют программные ошибки, криптография и сетевые угрозы. Все это создаст дополнительный стимул развития. Темпы развития многих технологий за последние два десятка лет драматически возросли, этому способствовал Интернет, который повысил скорость распространения научных и технологических знаний. Сегодня, если нужно нанести существенный урон государству, достаточно это государство изолировать от Интернет.

Небольшое резюме ИТ проблем представлено ниже (август 2014 г).

Плотность элементов на чипе процессора

В последние годы произошел потрясающий прогресс в информационных технологиях. За 20 лет быстродействие вычислительной техники увеличилось в 1000 раз, пропускная способность каналов возросла в 10 000 раз, уже более 30 лет действует закон Мура (удвоение плотности активных элементов на кристалле каждые полтора года).

Используемая технология на кремнии позволяет работать с разрешением ~15 нм (середина 2014 года). Но постоянная кристаллической решетки кремния ~0,54 нм.

Рис. 1. Экстраполяция закона Мура до 2021-го года

Предполагается, что действие закона Мура прекратится после 2020 года (см. рис. 1). Достаточно трудно представить себе активный элемент на кремнии размером менее 5 нм.

70% поверхности кристалла процессора сегодня занята проводниками, соединяющими активные элементы, что также препятствует росту плотности элементов на кристалле.

Повышение емкостей памяти вызывает миниатюризацию ячеек памяти, а уменьшение размера уменьшает заряд, там хранящийся, а это приводит к ухудшению отношения сигнал шум. Неслучайно первый квантовый компьютер работает при температуре 10мК⁰. Здесь полезно помнить, что уровень теплового шума пропорционален kTB, где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, а B - полоса сигнала на входе приемника (существуют и другие источники шума, но они обычно вносят меньший вклад). B характеризует верхнюю частотную границу спектра исследуемого сигнала. Если сигнал стационарный, можно принудительно понижать B, путем усреднения или фильтрации (быстродействие системы при этом понижается). Самый доступный метод уменьшения уровня шумов - снижение температуры T.

Где выход? Возможно это уход в 3D (многослойные кристаллические структуры, что уже используется в SSD).

Ограничение скорости передачи данных

Постоянная поляризации диэлектрика равна 10^-13 сек, а предельная скорость обмена сегодня составляет около 2×10¹² бит/c (2013 год). Здесь нужно учесть, что этот канал использовал несколько потоков данных через волокно. При окне прозрачности кремния ~150нм можно обеспечить до 100 потоков через оптоволокно. Ясно, что возможности прежнего темпа роста скорости передачи данных в ближайшие годы будут исчерпаны.

Около 10 лет назад, когда тактовая частота процессоров приблизилась к 3 ГГц, стало ясно, что дальнейший темп роста тактовой частоты более невозможен. В 2004 году разработчики, чтобы обеспечить рост производительности, перешли на многоядерную архитектуру. Но рост производительности в зависимости от числа процессоров имеет логарифмический характер.

Проблемы криптографии

До сих пор не доказаны теоремы криптографической прочности для всех используемых крипто-алгоритмов. Прогресс в области роста производительности вычислительной техники делает существующие алгоритмы менее эффективными (см. рис. 2).

Рис. 2. Деградация эффективности крипто-алгоритмов (см. Network Security, V2004, Issue 12, декабрь 2004, стр. 6-11)

Эта проблема становится критической в свете все более широкого использования криптографии во всех областях человеческой деятельности и грядущего появления квантовых компьютеров, которые сделают нынешние алгоритмы и крипто-ключи непригодными.

Проблемы сетевой безопасности

Все больше сторон человеческой жизни зависит от компьютеров и сетей. Программы становятся все более сложными и по этой причине более уязвимыми. Через сети управляются системы энерго- и водоснабжения, городской транспорт, финансовые учреждения и т.д. В 2012 году доходы киберпреступников превысили доходы от наркотрафика и этот криминальный бизнес стал привлекать большое число высококлассных программистов. По этой причине городское хозяйство может стать объектом атаки террористов, находящихся за пределами национальных границ.

Благодаря полиморфности детектируется только 24% всех вредоносных кодов, что облегчает APT-атаки. Беда в том, что последние годы разработкой вредоносных кодов занялись государственные структуры. Если бы все провайдеры могли договориться, с хакерами можно было бы покончить. Хакерство и SPAM существенно удорожают услуги Интернет.

Проблемы высокопроизводительных компьютеров

Моделирование – наряду с теорией и экспериментом стало один из основных источников научных знаний об окружающем мире. Чем сложнее моделируемый процесс, тем более мощный компьютер необходим.

Самый мощный компьютер в мире (2013-14гг) Tianhe-2 (КНР) – 54,9 петафлопс; энерго потребление 24 МВт.

Современный суперкомпьютер может содержать более 100000 узлов. При этом следует иметь в виду, что каждый из них имеет конечную надежность. В 2001 году время наработки на отказ супер-ЭВМ равнялось 5 часам, а в 2012 - 55 часов. Для 100000-узлового компьютера только 35% активности будет приходиться на продуктивную работу. Остальное время займет формирование точек восстановления (checkpoint) и другие вспомогательные операции.

Энергопотребление имеет несколько составляющих. Одна из основных - перезарядка паразитных емкостей в процессоре. Энергия сопряженная с перезарядкой паразитных емкостей определяется формулой E ~ N×U×C²/2. N - число разрядов процессора (N=64÷128); С - паразитная емкость; U - разница потенциалов между значениями логического нуля и единицы. Уменьшать С скоро станет невозможно (смотри выше заметки о перспективе закона Мура), сокращать U становится также трудно из-за проблем с отношением сигнал-шум. В процессоре существует еще много "паразитных" элементов, потребляющих энергию. Изменяя архитектуру и схемотехнику процессора можно понижать энергопотребление. Это на сегодня почти единственный ресурс повышения энергоэффективности процессора. Но и здесь близок теоретический предел. В результате потребляемая мощность суперкомпьютеров растет примерно пропорционально логарифму их вычислительных возможностей. Разумеется, сюда входят также издержки на охлаждение и кондиционирование, освещение.

Проблемы программных ошибок

Сегодня очень много людей умеют писать компьютерные программы, но никто не умеет избежать программных ошибок. Программы управляют воздушными лайнерами, энергетическими сетями, водоснабжением и системами реанимации, помогаю хирургам и ставят диагноз заболевания.

Ниже представлена таблица, где указаны объемы программных продуктов и средние значения чисел ошибок на 1000 строк кода. Нужно помнить, что помимо ОС существует огромное число программных приложений. Наша жизнь все в большей степени зависит от работы программ. На очереди появление носимых мониторов состояния здоровья и разработка лекарств, согласованных с генным набором конкретного человека, чтобы исключить аллергии. В таблице ниже представлены данные по числу ошибок в современных операционных системах.

Возможно, проблема может быть решена путем перехода от языков описания алгоритма к языкам описания проблемы, где выбор алгоритма возлагается на компьютер (минимизируется человеческий фактор - главный источник ошибок). Для этого компьютеру будут нужны некоторые черты искусственного интеллекта и должен быть создан банк всех известных алгоритмов. Это уменьшит на порядки число программных ошибок, также как сегодня мы не сталкиваемся с ошибками в программах вычисления значений стандартных функций (ошибки оттуда давно убраны). Точно также будут со временем убраны ошибки из текстов программ стандартных алгоритмов.

Эволюция беспроводных технологий

История беспроводных сетей насчитывает десятилетия. Но последние полтора десятка лет были особенно богаты событиями. Сначала появился стандарт WiFi (802.11ac; f=5ГГц; B=3,4 Гбит/c), затем - WiMax. Параллельно развивалась мобильная телефония (2G->3G->4G->5G). 5G соответствует ~10 Гбит/c. Здесь полезно напомнить, что полоса пропускания канала определяется формулой Δf = cΔλ/λ², из которой следует что, оптоволокна всегда будут обеспечивать на порядки большее быстродействие.

Рис. 3. Прогноз развития беспроводных технологий до 2015 года

Нерешенные проблемы

• Объективный критерий оценки количества информации (байты не годятся, так как нельзя сказать, что 1 Мбайт логических единиц содержит в 1000 раз больше информации, чем килобайт единиц. Энтропийный метод не пригоден для сколько-нибудь длинных сообщений из-за трудоемкости - экспоненциальная сложность).
• Критерий оценки качества информации (прагматика - ветвь семиотики, пока не может здесь предложить ничего).
• Распознавание атак нулевого дня (существует определенный прогресс, но пока у хакеров дела обстоят лучше). Универсальных алгоритмов распознавания атак нулевого дня не существует. Предпринимались попытки найти решение в рамках моделей иммунитета (сходных со схемами, реализуемыми в живой природе), но успеха пока не удалось достичь.