Sciencemag.cz
Doporučujeme
IBM se na popud Thomase J. Wastona staršího věnovala základnímu výzkumu. Například v IBM Labs v Zürichu provádějí výzkum od polovodičů přes nanotechnologie až po kvantovou mechaniku a mají tam i kvantový počítač. Pro pár šťastlivců se konal den otevřených dveří, pojďme se tam podívat!
IBM Labs je více než deset (údaj z r. 2011 – Making the World Work Better) a leží v kalifornském Almadenu, izraelské Haifě, Tokiu, texaském Austinu, Pekingu, indickém Novém Dilí, Rio de Janeiru, australském Melbourne a ty hlavní pak ve státě New York v Youktown Heights při Columbia University, Hawthorne a Cambridge v Massachusetts. Ve Švýcarsku byly založeny roku 1956 blízko Curychu v Rueschlikonu nad Curyšským jezerem.
Různorodost IBM Research
IBM má pravděpodobně nejlepší laboratoře na světě. Věnují se výzkumu nejrůznějších problematik. Jsou mezi nimi věda o chování, chemie, výpočetní vědy, elektrické inženýrství, matematické vědy (IBM je firmou, která zaměstnává nejvíce matematiků na světě, zhruba 2 000). Pracovalo v nich šest laureátů Nobelovy ceny a pět jich ji dostalo – Leo Esaki, Alex Müller, Georg Bednorz, Heinrich Rohrer a Gerd Binning. IBM dnes zaměstnává 3 000 vědců, kteří dostali deset ocenění National Medal of Technology, pět National Medals of Science a jsou mezi nimi tři laureáti Kavli.
Už 23 let po sobě IBM získala největší počet patentů, za uplynulý rok 7 355 (Google – 2 835, Microsoft – 1 956, GE – 1 757, HP – 1 304, Amazon – 1 136, EMC – 668, Oracle – 614, Symantec – 432, Accenture – 115; zdroj: IFI Claims Patent Services). V IBM Labs vyvinuli pevný disk, čipové karty a karty s magnetickým proužkem, čárové kódy, spolupodíleli se na kosmických misích Apollo. Projekt Deep Thunder zkoumající, jak vylepšit krátkodobou předpověď počasí, je součástí iniciativy IBM Deep Computing, díky níž vytvořili šachový počítač Deep Blue, který porazil Garri Kasparova. Laserová metoda oční chirurgie LASIK je také z dílny IBM a Watson je softwarové „rodinné stříbro“ IBM pro kognitivní analýzy big data.
Co umožňuje mikroskop
Gerd Binnig dostal Nobelovu cenu v roce 1986 za vynález vzorkovacího tulelového mikroskopu (STM); o cenu se dělí s Ernstem Ruskou (1/2), který vynalezl elektronový mikroskop mikroskopie atomárních sil (AFM – Atomic Force Microscopy). Ten se dnes take používá například v IBM Labs v Zurichu.
Elektronický mikroskop AFM v IBM Labs v Curychu
Tunelová dioda po 50 letech
Leo Esaki (japonsy Esaki Reona, wikipedia) byl navržen na Nobelovu cenu v roce 1973 za vynález tzv. tunelové (Esakiho) diody. Esaki prováděl svůj výzkum tunelového jevu během zaměstnání v japonské firmě Tókjó Cúšin Kógjó kabušikigaiša (nyní známá jako Sony) okolo roku 1958. Poté pracoval v 60. letech v USA u firmy IBM, kde vytvořil významné práce v oblasti polovodičových supermřížek.
Esakiho (tunelová) dioda má typický N-průběh voltampérové charakteristiky se záporným diferenciálním odporem v oné šikmé čárce „N“ volampérové charakteristiky. Tunelový jev je kvantově mechanický jev související s relacemi neurčitosti, při kterém se v propustném směru uplatňují jen majoritní nositelé, kteří tunelují přes zakázaný pás rychlostí blízkou rychlosti světla ve vakuu, proto je tunelová dioda extrémně rychlým elektronickým prvkem použitelným do frekvencí v řádu několika desítek GHz. To umožňuje využívat tunelových diod v kosmickém výzkumu, oscilátorech, zesilovačích pro vysoké frekvence, čítačích atd. S rozvojem bipolárních a unipolárních tranzistorů se tunelové diody přestaly sériově vyrábět pro jejich značné nedostatky – potřeba zdroje napětí s velikostí několika desetin voltu a malým vnitřním odporem. Při jednom z pokusů o dopování křemíku vyvinuli „P“ dopování z diboranu jako plynného prekurzoru (samotným dopantem je tedy bór); doposud se používalo jen dopování typu „N“. Polovodičový přechod PN znamená diodu, tato vykazuje tunelový efekt. Slovák Tomáš Skeren, který tento výzkum provádí, se dnes snaží o dosažení vyššího rozpětí a větší strmosti „N“-charakteristiky této tunelové diody. Pravděpodobně jste prvními, kdo se o tom může vůbec dočíst, protože o P, resp. PN zařízeních podle Tomáše Skerena z IBM Research ještě nic nevyšlo.
Ve vedlejší laboratoři zase umějí vsunout dopant přímo do určeného místa v atomu. Bez AFM mikroskopu by to nešlo.
Slovák Tomáš Skeren, IBM Research, který zkoumá P-dopování křemíku bórem. Vyšla z toho tunelová dioda.
Měření teploty na molekulární úrovni
Polovodiče při svém provozu hřejí. Co když jich je na čipu několik milionů? V IBM Labs si řekli, že by bylo dobré změřit třeba teplotu jednoho tranzistoru a zkoumají, jak měřit povrchovou teplotu na molekulární úrovni. Kontaktním způsobem to nejde, čidlo by teplotu povrchu měřeného předmětu příliš ovlivnilo. K přenosu tepla proto využívají tekutinu. Ta se nesmí odpařovat a musí být dostatečně hustá. Destilka se nehodí, takže používají silikonový olej.
Nanotechnologie a testy na těhotenství i malárii
Elektronový mikroskop umožnil i výzkum v oblasti nanotechnologií. Orientační těhotenské testy s barevně reagujícím papírkem nebo obdobné testy na malárii využívají jednorázové přípravky, které se po použití vyhazují. V jedné z IBM Labs vyvinuli „krabičky“ s opakovatelným využitím s nanotrubicemi. Jejich rozměry a topologie mohou být nakonfigurovány pro jeden, ale i více druhů testů, při nichž se měří doba průběhu tekutiny a kam až se svojí viskozitou dostane. Zde se vyhazuje se pouze malý obdélníček s nanotrubicemi, malá elektronika velikosti běžného donglu flash-paměti zůstává k opakovanému využití. Ohledně nanotechnologií toho zkoumají v IBM Labs samozřejmě mnohem více.
Kvantový počítač jako ležácký sud
V Curychu mají také dvouqubitový kvantový počítač (což byla pro člověka z IT ta největší pecka). Ten větší, pětiqubitový, je v jiné laboratoři ve Spojených státech.
Kvantový „čip“ (od IBM) je vyroben z niobu, ten na fotografii obsahuje pět qubitů. Niobový čip se skládá ze dvou komůrek – mikrovlnného oscilátoru a rezonátoru. Vnějším mikrovlnným oscilátorem se částice ve vnitřním oscilátoru rozkmitá, což je předání (načtení) informace. Pak kmitá v rezonátoru, kde částice zůstává v daném (stabilním) stavu po dobu zhruba 100 mikrosekund, po kterou lze její stav odečítat a lze změřit její fázový posun.
Na rozdíl od sekvenčního zpracování dat se zde sledují se tzv. superpozice částic – poloha, spin apod. Nesleduje se, zda je částice ve stavu 0 nebo 1, ale zda je více částic ve stejném nebo rozdílném stavu. Podle vědců z IBM Labs není problém vyrobit „čip“ s více qubity, ale uřídit je, protože pro řízení každého qubitu je zapotřebí (zatím) příliš velkého zařízení. Na fotografii je to ta velká kraksna vpravo vedle „ležáckého sudu“ – kryogenního tanku, kde se při výpočtech udržuje teplota blízká absolutní nule, aby teplota neovlivňovala částici.
Dvouqubitový kvantový počítač. Tento ležácký tank neslouží ke zrání piva, je to kryogenní prostor kde se udržuje teplota blízká absolutní nule. Kraksna vpravo od něj je rack nabouchaný zařízením k řízení dvou qubitů.
Kvantové počítače tedy nepracují sekvenčně jako dnešní vonneumannovské, ale paralelně. Například při prohledávání databází je pro nalezení hledané položky u sekvenčního počítače zpravidla zapotřebí nadpolovičního počtu pokusů, zatímco u kvantového počítače jde o odmocninu z celkového počtu. Čím vyšší je počet položek ke zpracování, tím je využití kvantových počítačů výhodnější. Kromě prohledávání databází se kvantové počítače budou hodit pro výpočty v chemii, pro optimalizaci, měření, vědu o materiálech, strojové učení a – kryptografii. Sen o prolomení libovolné šifry se blíží.
„Kvantové“ výpočty se dají simulovat i na dnešních počítačích. Do určitého počtu qubitů, nějakých pěti, to jde docela dobře, při deseti už se docela zapotí, a simulaci 64 qubitů nezvládnou. Tedy, procesory by to sice zvládly, ale není kam uložit data. I v oblasti kvantových počítačů se očekává něco jako „Moorův zákon“ týkající se klasických procesorů, takže 100 až 150qubitových kvantových počítačů bychom se měli dočkat do nějakých 20 až 40 let.
Kvantové počítače nevyrábí jen IBM, například i firma D-Wave, avšak odborná veřejnost jejich „kvantovou“ podstatu zpochybňuje, protože tvrdí, že sice mají některé kvantové vlastnosti, avšak že k práci počítačů od D-Wave stačí klasické vysvětlení a že nepotřebuje kvantové modely.
Snad zase jednou přijde nový Steve Jobs, který nápad kvantového počítače zase ukradne jako kdysi grafické uživatelské rozhraní s myší Xeroxu a dá jej lidstvu jako další Macintosh. Samozřejmě v pěkném designu (a pak v kapesních hodinkách, samozřejmě!). Vždycky to tak bylo. Všichni tvrdí, že něco nejde, pak přijde nějaký blbec a udělá to. Nebo jako to kdysi zahrál Garry Mulligan na bas-barytonový saxofon.
Kognitivní Watson
Tabulační systémy na principu děrovacího stroje a děrných štítků od statistika a vynálezce Hermana Holleritha vládly výpočetnímu prostředí zhruba mezi lety 1900–1940. Herman Hollerith uchvátil Thomase J. Watsona, zakladatele společnosti IBM vyrábějící kancelářské stroje natolik, že jej i s jeho děrnými štítky koupil, a navíc jej celá záležitost inspirovala k další podpoře výzkumu a vývoje. Programátorské systémy fungují od roku 1950 dosud, první počítače se programovaly propojováním kabelů do zdířek mezi jednotlivými obvody jako na staré telefonní ústředně, poté ve strojovém jazyku v hexadecimálním zápisu. Za první programovací jazyk Fortran (FORmula TRANslating System) „mohla“ Grace Murray Hopperová a John Backus, oba z IBM. Pak přišel i Cobol (Common Object Language), který byl vzat za standard zase pro státní správu snad na celém světě. (A Česká správa sociálního zabezpečení z toho má dnes těžkou hlavu, protože programátoři v Cobolu začínají vymírat a mladým se do toho nechce.) Někdy v roce 2011 přišly na svět kognitivní systémy, které jsou schopny porozumět, uvažovat a učit se. IBM vyvinula kognitivní systém Watson.
„Dr. House“ – případová studie na Watson na Rhön – Klinikum AG
Na německé Rhön – Klinikum AG přepracovali s pomocí kognitivního systému Watson zdravotnictví. Watson tam zrychluje proces určení nemoci. Rozhodování potřebuje znalostní bázi. Není to jednoduché, protože jen v roce 2015 byly publikován zdravotní dokument každé dvě minuty (Watsona je zapotřebí nejprve „nakrmit“ daty.) Na této klinice zkoumají a léčí i tzv. vzácné (neobvyklé) nemoci, jeden takový případ je na 2 000 lidí a počet vzácných nemocí je nějakých 7 000. Počet takto nemocných je jen v Německu 4,3 milionu, většina pacientů je s více než roční historií, která obnáší přes 5 kg papírových dokumentů a dalších nestrukturovaných dat. Watson jim pomáhá na základě propojení symptomů vedoucích k popsaným nemocem určit, o kterou nemoc jde. Dr. Müller k tomu sdělil: „Není to lehké, jeden symptom může vést na více nemocí.“ Prof. Dr. Bernd Griewing, Chief Medical Officer poznamenal: „Nic nepřijde samo od sebe, ani propojení medicíny s IT. Medicínskou strategií kampusu na je propojení s digitalizací, která je klíčovou. Jde o ‚síťovou‘ medicínu.“ Jens-Peter Neumann, CFO Rhön – Klinikum AG, vysvětlil pohnutky pro nasazení kognitivního systému Watson: Zaměření na lékařskou inovaci a poskytování nejlepší péče; dále vystavění infrastruktury pro poskytování zdravotních služeb venkovu. Obojí vyžaduje specifické investice do IT a v medicíně.
Systém Watson testovali Rhön – Klinikum AG na 500 už popsaných klinických případech a dal jim velmi dobré výsledky. Dr. Schäfer z Rhön – Klinikum AG se k celé záležitosti vyjádřil: „Nepotřebuji více lékařů, ale větší výpočetní sílu!“ Bohužel na dotaz, zda si tohoto pokroku všimly německé zdravotní pojišťovny a zvýšily této klinice nebo jejím pacientům rating (tj. snížily poplatky), všichni přítomní z Rhön – Klinikum AG smutně sklonili hlavu, včetně jejich přítomného CFO Jense-Petera Neumanna jen poznamenali cosi o německé byrokracii. V každém případě ale jde o pokrok, zejména v rychlosti diagnostiky díky zapojení kognitivního systému. Spuštění naostro předpokládají na přelomu roku.
Za posledních několik let lidé vytvořili tolik dat, jako za celé předchozí období a podle Dr. Eleni Pratsini z IBM Research je například 88 % dat generovaných IoT (Internet of Things) pro počítače neviditelných. Kognitivní IoT se stává monumentálním úkolem, jak zpracovat data z IoT a kognitivní systémy nejsou programovány, učí se z každé nastalé situace. IoT nám umožní učit se a vnést inteligenci do fyzického světa, transformovat byznys a obohatit lidské poznatky.
IoT například bude stát za transformací transportního byznysu. Firma Whirlpool už dnes propojuje svoje zařízení se službami Watson, aby optimalizovala produkty a vytvořila nové prvky ušité na míru každému uživateli.
Asaf Adi z IBM Research zase demonstroval přínos IoT a kognitivního systému Watson na „person-centric IoT“. V EU přijde ročně o život při práci 3 500 lidí a více než 2,5 milionu jich utrpí zranění, která mají za následek minimálně čtyři dny pracovní neschopnosti, což znamená ztráty 1% až 4% na HDP. IoT může pomoci i zde. Například kamerové systémy mohou rozpoznat, že dělník nemá helmu, ochranné rukavice, nebo předepsané boty s kovovou vložkou v podrážce. Nebo mohou pomoci při určení kritických cest v logistice ve skladech zboží a přesměrovat cesty dopravních vozíků a lidí tak, aby se nepotkávali. Lidé jsou dnes zvyklí nosit „chytré“ hodinky nebo nějaký jiný náramek, takže v průmyslu může podobné zařízení sloužit jako senzor, zda pracovník nebyl vystaven například příliš dlouho příliš vysoké teplotě.
IoT v irském Tescu a Pekingu jako příklad
„Kognitivní – chytré“ budovy jsou schopny snadné integrace s IoT. Mohou autonomně integrovat IoT přístroje a naučit se chování systémů a uživatelů pro optimalizace celkové funkce. Například Tesco Ireland velmi investovalo do sledování svých obchodních domů, aby je učinilo efektivnějšími. Nashromáždili ale tolik dat, že nevěděli co s nimi. IBM Research pomohl při jejich analýze a celkové úspory činí 20 milionů eur. Spotřeba energie vzrostla o 20 % a nevěděli proč. Dali čidla všude, nasadili Watsona a strojové učení, a to jim pomohlo včas opravit vadné ventilátory ve vzduchotechnice, nebo lépe regulovat rozestavět mrazáky a řídit jejich provoz se zmrzlinou v letním období.
Obdobně na základě IoT, Watsona a jeho analýzy strukturovaných a nestrukturovaných dat umožnili snížit emise v Pekingu ještě před konáním olympijských her.
Blockchain
Blockchain je technologie, která umí zajistit transparentnost mezi všemi hráči. Jde o technologii, která zaznamenává všechny transakce. Gartner: „Záznamy transakcí mezi několika stranami vedené pomocí blockchainu jsou v podstatě nezměnitelné. Všechny zapojené strany tak mohou na základě záznamu provedeného s využitím blockchain okamžitě konat, protože si mohou být jisty, že jej nelze zpochybnit. Veškeré směny a transakce tak mohou probíhat v řádu minut a nikoliv dnů. Nasazení blockchain tak může uvolnit vázanou hotovost, snížit transakční náklady a zrychlit obchodní procesy. Přestože se zatím nejedná o vyspělou technologii, přitahuje obrovský zájem uživatelů i investorů.“ Díky uchovávání transakcí umožňuje blockchain vytvořit bezpečný systém distribuovaných hlavních účetních knih. I této technologii se IBM věnuje.
IBM Labs – The Matrix!
Na fyzickou prohlídku laboratoří mezi přednáškami však bylo vždy jen pár minut, takže prostoru příliš mnoho nebylo, stihnout se toho dalo jen málo. Avšak to, co vidět bylo, je dostatečně šokující, tak trochu The Matrix.
Když vezmete do ruky mobilní telefon s miliony tranzistorů a ťuknete na nějakou tu ikonku, třeba navigaci GPS do Mapy.cz, nadiktujete cílové místo a on vám dá trasu, nebo nadiktujete SMS, což jsou aplikace zadarmo, jen byste mohli kroutit hlavou. (Zrovna centrum IBM pro výzkum rozpoznání hlasu je v Praze.) Nejsou to samozřejmé věci a ve spoustě z nich má IBM svoje prsty. Když jsou vám následně poodhaleny možnosti komerčně dostupných aplikací, například co všechno se může naučit kognitivní Watson, trochu by vás asi mělo vyvést z míry pomyšlení, co všechno může umět něco, co není ke koupení ani za peníze. A když pak nahlédnete do laboratoří základního výzkumu a uvědomíte si, co všechno může v technologiích přijít za pár let… Prostě The Matrix!
autor: Richard Jan Voigts
