IT stojí za DNA, družicemi i jadernými zkouškami

Počítače jsou natolik významným pomocníkem v nejrůznějších vědních oborech, že je mnohem obtížnější najít o...


Počítače jsou natolik významným pomocníkem v nejrůznějších vědních oborech, že
je mnohem obtížnější najít oblast, která informační technologie k ničemu
nepotřebuje, než tu, která je bez nich nepředstavitelná. Od prvních sálových
elektronkových monster, která se podílela například na projektu Manhattan, sice
uplynulo jen něco málo přes půl století, přesto se však od té doby událo tolik,
že výčet, kde všude přispěly k pokroku naší civilizace, je téměř nekonečný. V
tomto Tématu týdne si na několika příkladech ukážeme, jak je dnešní věda s
výpočetní technikou úzce spjata a jak jsou projekty, které mění tvář světa, na
IT bezprostředně závislé.

Od sálového počítače k PC
Pokud jde o složité výpočty, stále ještě je k nim třeba mohutných sálových
počítačů osazených desítkami až tisíci paralelně pracujících procesorů.
Samozřejmě, že nezáleží jen na výpočetním výkonu stroje. Neméně důležitá je i
kapacita a dostupnost jeho paměti (jak operační desítky GB, tak diskové
jednotky až stovky TB) a rychlost propojení s okolním světem (jednotlivé
procesorové moduly jsou vzájemně propojeny rychlostí desítek až stovek Gb/s).
Z hlediska člověka uživatele není nezanedbatelná ani otázka rozhraní. I když
data jsou uložena jako hromada čísel a povely jsou zpravidla zadávány z
příkazové řádky, kvalitní grafický výstup je již samozřejmostí. Kromě
"trojrozměrného" modelu promítnutého na obrazovku nebo vytištěného na papír se
v poslední době začínají objevovat skutečné hmatatelné modely vyrobené některým
z dnes známých postupů počítačem řízeného sochařství.
Vedle specializovaných strojů Cray se vývojem superpočítačů zabývají např. i
firmy Fujitsu, Hitachi, IBM, Intel a SGI.
Pokud jde o vlastní zpracování, sdílení a šíření informací, hlavní roli dnes
samozřejmě hrají běžné osobní počítače připojené do Internetu.

Superpočítače louskají tajemství atomu
Podle seznamu TOP 500 za rok 1999 (http://www.top500.org) se 3 nejvýkonnější
známé superpočítače světa soustředí na modelování pokusných jaderných výbuchů.
I když USA stále ještě nepodepsaly smlouvu o zákazu jaderných zkoušek v reálu,
věnuje federální vláda nemalé prostředky na techniku, která bude schopna
realitu simulovat co nejvěrněji.
Tyto paralelně pracující stroje pocházejí od tří různých výrobců (Intel, IBM a
SGI) a jsou umístěny na třech různých místech (Albuquerque, Livermore a Los
Alamos), která jsou propojena rychlými linkami. Tři různé lokality samozřejmě
zvyšují bezpečnost, pokud spojení mezi nimi je také dostatečně zajištěné, což v
tomto případě bude nejspíš pravda. Spolupráce s různými výrobci zase chrání
před situací, kdy by některý z nich zanikl. Takto se může projekt bez větších
nebezpečí dále rozvíjet tak, jak je naplánováno.
Tyto superstroje jsou schopny provádět biliony operací za vteřinu. Ani to však
nestačí na věrný trojrozměrný model, který by dokázal popisovat chování všech
atomů v místě simulovaného výbuchu. Prozatím se používají na vývoj a konstrukci
jaderných zbraní, odhady jejich účinnosti, předpověď jejich bezpečnosti a
spolehlivosti a odhad jejich funkčnosti s postupem času. To poslední
pravděpodobně nepůjde urychlit ještě dlouho, takže počítačová simulace je v
tomto případě jedinou možností, jak stárnutí jaderných hlavic sledovat. Všichni
tři dodavatelé technologií se samozřejmě museli zavázat, že projekt budou
podporovat nejméně deset let, což postupně umožní vytvořit takovou
architekturu, která již bude schopna plně simulovat reálnou existenci jaderné
zbraně se vším všudy.
Fyzika
Fyzikální modely umožňují zjišťovat chování atomů a postupy při jejich
sestavování do molekul. Na základě takto získaných podkladů lze posléze
sestavovat vlastní molekuly a dále je seskupovat tak, aby co nejlépe plnily
člověkem zadaný úkol. I v této oblasti hraje významnou roli počítačová
simulace. Díky ní lze chování prvků otestovat bez nutnosti provádět časově a
finančně náročné pokusy.
Fyzika stále ještě plně nepochopila princip magnetismu. Proto nyní používá
superpočítače k modelování interakce mezi atomy a elektrony v magnetických
materiálech v různých situacích. Prozatím se s ohledem na velkou náročnost na
výpočty řešily jen stavy blízké absolutní nule, kdy jsou všechny vektory
elektromagnetického pole v hmotě v podstatě rovnoběžné.
Při vyšších teplotách, s jakými se setkáváme v každodenním životě, ovšem
podobná pravidelnost neplatí. Vektory míří nejrůznějšími směry, takže "síla"
magnetu klesá. Někdy dokonce natolik, že látka přestane být magnetická.
Počítačový model musí mít na zřeteli nejen chování toho kterého atomu v
závislosti na změnách teploty, ale i vliv každého atomu na své sousedy. To je
natolik složitá úloha, že i ty nejvýkonnější stroje prozatím zvládají pouze
zjednodušené modely. I ty však pomáhají mnohé pochopit. Jakmile to výkonnost
počítačů dovolí, vše bude již vlastně připraveno na komplexní simulaci
skutečnosti.
Počítače jsou také využívány k simulaci rozložení hmoty ve vesmíru, ke kterému
došlo po velkém třesku. Berou na zřetel poměry známé z našeho vesmíru a na
základě složitých vztahů mezi jednotlivými prvky sestavují mapy virtuálních
světů. Nyní je tedy možno simulovat vznik vesmíru na základě různých vstupních
podmínek. I když rozlišení takto vytvářených map umělých vesmírů je ještě dosti
malé, vědci z Institutu Maxe Plancka očekávají, že s rostoucím výkonem
procesorů a se zvyšující se kapacitou paměti bude brzy možné modelovat mapy
mnohem podrobnější. Možná, že se jednou dočkáme i takových map, které budou
rozlišovat jednotlivé sluneční soustavy.
To, že měl Albert Einstein pravdu i v případě teorie gravitačních vln (ve
smyslu toku gravitačních částic, hypotetických gravitonů), se podle všeho
potvrdilo začátkem 90. let při přesném měření dvou vzájemně obíhajících
neutronových hvězd. Protože fyzika je známa tím, že si musí všechny teorie
ověřit v praxi, aby je plně přijala za své, nyní již jen zbývá nějakou tu vlnu
zachytit. Podmínkou k zaznamenání gravitační vlny procházející kolem nás je ale
určení jejího tvaru. Podařilo se to při počítačové simulaci dvou vzájemně se
obíhajících černých děr. Jejich rotace by měla vyvolávat gravitační vlny, které
se potom šíří vesmírem.
Nyní tedy již vědci vědí, co asi tak mají hledat, a nezbývá než vše připravit a
čekat, až k nám nějaká zaznamenatelná gravitační vlna dorazí. Protože je k tomu
třeba nejméně dvou dostatečně vzdálených míst, pátrání bylo zahájeno v rámci
projektu LIGO letos v květnu na MIT (Massachusetts Institute of Technology) a
CIT (California Institute of Technology) v USA.
Astronomie
Když se měla s Jupiterem srazit kometa Shoemaker-Levi, bylo to poprvé, kdy lidé
srážku tak velkého tělesa s některou z planet Sluneční soustavy předpověděli.
Ještě než k oné památné události došlo, řada týmů začala prověřovat teorie a
sestavovat modely, jak asi ona srážka skončí. Porovnání modelové situace se
skutečností je totiž pro tyto modely nejlepším kalibračním nástrojem.
Nejlépe se trefil Mac Low z Chicagské univerzity, který předpověděl mnohem
mělčí kráter a mnohem větší výbuch než většina ostatních. Vsadil totiž na
matematickou teorii "modelu lívance", podle které se těleso při průniku
atmosférou zploští natolik, že se výrazně zpomalí. Skutečně k tomu došlo a my
jsme mohli sledovat opravdu gigantickou explozi, která určitě poznamenala i
takového obra, jakým Jupiter je. Lowův model, který tak úspěšně předpověděl
následky srážky komety s Jupiterem, může být využit samozřejmě i pro výpočty
srážek velkých těles se Zemí nebo jinými planetami. I když se v dohledné době
srážka naší planety s velkým tělesem nečeká, máme k dispozici nástroj, kterým
lze odhadnout případné důsledky takové katastrofy.
Přestože prozatím není zcela jasné, proč řada pulzarů "bliká" tak rychle, nic
nebrání tomu, aby byly nalézány stále další a další. Dochází k tomu ve
spolupráci obřího rádiového teleskopu v Arecibu (průměr antény 300 m) s
počítačem Cray. Zatímco teleskop zachytává a zaznamenává všechny rádiové
signály přicházející z určitého místa ve vesmíru, počítač musí tyto signály
prozkoumat a objevit v nich pravidelně se opakující pulzy. A musí být opravdu
pečlivý, protože ty nejrychlejší pulzary, o kterých prozatím víme, kmitají
frekvencí 1,5 milisekundy. Jejich hledání přitom není jen zábavou. Tyto
vesmírné majáky pomáhají poodhalovat stále další a další roušky, do kterých je
dosud nám známý vesmír zahalen.
Velmi silné sluneční bouře ovlivňují elektromagnetické vlny na naší planetě, a
tím i všechny radiokomunikační prostředky. Mohou také poškodit elektrická
vedení, a tím připravit lidi o přísun energie. Pod jejich vlivem jsou dokonce z
oběžných drah sráženy drobnější družice, které tak předčasně zanikají v
atmosféře. Aby bylo možno včas se na takové bouře připravit, vznikl projekt
zaměřený na jejich včasné předpovědi. Pokud se příslušní lidé dozví o blížící
se sluneční bouři včas, mohou zabránit zbytečným výpadkům a škodám. Počítačový
model vychází z dosavadní sluneční aktivity a na základě aktuálních údajů
odhaduje, jakým směrem se bude naše hvězda projevovat v nejbližší době. I když
složité rovnice a objemné databáze dávají zabrat i těm nejvýkonnějším
superpočítačům, s rostoucím výkonem těchto strojů lze všechny odhady postupně
zjemňovat. Současně bude možno prodlužovat dobu předpovědí, i když v tomto
ohledu bude postup pravděpodobně pomalejší. Alespoň pokud vezmeme v potaz
současnou situaci s předpověďmi počasí na Zemi.
Počítačově jsou zpracovávána i data z Hubblova orbitálního dalekohledu, jehož
hlavním úkolem je co nejpřesnější určení Hubblovy konstanty. Tým z Pasadeny je
jedním z těch, které již 8 let sledují rozpínání vesmíru, z jehož rychlosti lze
odvodit velikost této konstanty. Ta byla pasadenským týmem vypočtena na 70
km/s/Mpc (tedy galaxie vzdálená od nás 1 megaparsek se od nás vzdaluje
rychlostí 70 km/s). To by znamenalo, že vesmír je starý zhruba 12 až 13,5
miliardy let a že se s ohledem na množství hmoty v něm nikdy nepřestane
rozpínat. Odhad stáří našeho vesmíru se tak výrazně zpřesnil, protože dosud se
tento údaj pohyboval v rozmezí 10 až 20 miliard let. To bylo navíc v rozporu s
odhadovaným stářím nejstarších hvězd, které by byly v některých případech
paradoxně starší než vesmír, jehož součástí jsou.
Meteorologie
Počasí je věc velmi nejistá, přesto se však meteorologům čím dál lépe daří
předvídat jeho další vývoj. A mohou za to opět výkonné počítače. Výzkum v této
oblasti se v současnosti zaměřuje zejména na číselné modelování atmosférických
procesů, zpracování meteorologických dat a dlouhodobé monitorování vybraných
meteorologických a chemických parametrů. Kromě "obyčejných" předpovědí existují
i různě specializované. V USA již mají i modely na přesné předpovědi vzniku
tornád a velkých bouří, ale i na výskyt srážek. Pokud jde o větrné smršti a
velké bouře, ty jsou předpovídány poměrně přesně, s deštěm je to ale podstatně
složitější, a tedy i méně přesné.
Protože počasí ovlivňuje mnoho veličin, není v lidských silách zpracovat
všechna nasbíraná data a vyvodit z nich nějaké smysluplné závěry. I v tomto
případě přichází na řadu speciální programy na výkonných počítačích, které se
trpělivě prokoušou celou horou informací a vyberou z ní to, co je nějakým
způsobem významné, prostě to, co se odchyluje od obvyklých hodnot. Dokáží také
vytvořit přehledy dlouhodobého vývoje vybraných veličin, což se hodí v případě
obecnějšího náhledu na klimatické podmínky na Zemi. Současně vyrobí i kupy
obrázků, které vše podávají co nejrychleji pochopitelnou formou. Odborníkům tak
stačí probírat se "jen" těmito výsledky a činit kvalifikované závěry.
Matematické modely počasí vycházejí z nashromážděných dat a z možných směrů
dalšího vývoje podobně jako v šachu. V případě určitého rozestavení významných
figur existuje v podstatě omezený počet řešení. I když zúčastněných faktorů je
v případě klimatu mnohem více než v královské hře, superpočítače vybavené
patřičným programem zvládnou přece jen více než Deep Blue. Jedná se o jakési
expertní systémy, které z výchozí situace rozvinou nejpravděpodobnější směr
jejího dalšího vývoje. Jak můžeme sledovat i u nás, kombinační schopnosti
meteorologických šachistů prozatím stačí jen na krátkodobé předpovědi,
odhadnout situaci za týden či déle je ale stále ještě nad jejich síly.
Dlouhodobé sledování opět představuje značné množství dat, která je třeba
patřičně zahustit a převést do grafické podoby tak, aby bylo možno vysledovat
dlouhodobější trendy a pokusit se na ně nějak zareagovat. Podobně lze také
modelovat budoucí vývoj klimatu například s ohledem na množství škodlivin
vypouštěných do ovzduší nebo na aktivitu slunce a proměny jeho teploty.
Významné jsou i předpovědi zaměřené na konkrétní oblast. V každé oblasti lze
totiž vysledovat určité pravidelnosti opakující se v průběhu let za určitých
podmínek znovu a znovu. Díky tomu mohou být předpovědi počasí nad omezeným
územím mnohem přesnější i v delších obdobích. Hodí se to nejen zahrádkářům, ale
hlavně v blízkosti letišť nebo vesmírných odpalovacích ramp, kde na počasí
velmi záleží. Takto podrobné předpovědi jsou však příliš náročné na schopnosti
současných superstrojů, takže se provádějí opravdu jen tam, kde je to nejvíce
potřeba.
V letech 1988-89, kdy se nám o superpočítačích mohlo jen zdát, v Los Angeles
modelovali, jaký dopad bude mít nahrazení aut na benzin auty na metanol. Z
výpočtů modelujících vývoj smogu v daném údolí a trvajících stovky hodin
strojového času vyplynulo, že se výrazně sníží emise karcinogenního
formaldehydu a ozonu, který je zase významným činitelem při vzniku smogu.
Počítačové modely odhalily, že ušlechtilejší paliva se rozpadají na jemnější
odpad a navíc produkují i méně ozonu. Na základě těchto údajů vstoupil v
platnost zákon na ochranu životního prostředí, který postupně zpřísňuje
podmínky pro provoz spalovacích motorů tak, aby nakonec všechny musely nahradit
benzin jiným méně škodlivým palivem. Nevím, zda to bude metanol, protože se
rýsují ještě mnohem méně škodlivé alternativy. Každopádně smog z velkých
amerických měst postupně mizí. Nyní spolupracují američtí vědci na modelech
vývoje smogu v dalších městech mimo území USA.
Medicína
Různé poruchy jako epilepsie, Alzheimerova choroba nebo schizofrenie jsou
ukryty v lidském mozku. Sledování živých funkčních mozků zdravých i nemocných
lidí a hledání odchylek může pomoci nalézt příčinu nejen těchto nemocí. Zatím
se to sice v případě tří výše zmiňovaných nemocí ani díky počítačové simulaci
nepovedlo, určité stopy již ale existují. Sledují se elektromagnetické signály
a důsledky biochemických procesů, které ovlivňují některou ze sledovatelných
veličin (teplota, obsah cukru, obsah kyslíku, oběh krve).
Světlo světa spatřily už i přístroje na čtení myšlenek. Zatím se jedná o
omezené telepaty, kteří dokážou vnímat jen silné pocity nebo reakce na určitý
podnět. Má to ovšem tu výhodu, že nejsou závislí na konkrétním jazyku, takže je
mohou ovládat nejen němí, ale i cizinci. Pocit vzteku, strachu nebo radosti se
totiž projevuje bez ohledu na to, v jakém jazyku sledovaný subjekt uvažuje. I
když člověka určitě napadne spousta příležitostí, kdy by se podobný telepatický
sluha mohl hodit, nelze zapomínat na lidi, kteří ani jinak než myšlenkami se
světem komunikovat nesvedou. Například ochrnutí budou moci ovládat nejen
osvětlení, topení, rádio nebo televizi, ale i řídit invalidní vozík. Problémem
prozatím zůstávají elektrody, které musí být přiloženy k vyholené kůži na
hlavě. Pracuje se ovšem na snímacích čapkách, které už podobné zásahy do
vlasového porostu potřebovat nebudou.
Část lidí po infarktu trpí náhlými zástavami srdce, které jsou způsobeny
poruchami v srdečním rytmu. Klasické elektrokardiografy tyto poruchy většinou
odhalit nedokážou. Nová metoda vyvinutá původně pro zkoumání mikroskopických
trhlin v součástkách letadel, která samozřejmě k analýze získaných údajů
využívá počítače, může také měřit magnetická pole srdce. Ta jsou v případě
hrozící zástavy narušena, takže je možno tento problém včas předpovědět a
připravit se na něj.
Díky superpočítači se také podařilo upravit proces kultivace důležité složky
krve hemoglobinu. Při "výrobě" se vychází z běžného, který je klonován ve
velkém množství za pomoci laboratorních bakterií. Takto vzniklý hemoglobin se
ovšem odmítal zbavovat nákladu kyslíku, takže neplnil svou funkci. Vědci proto
změnili aminokyselinu ovládající příslušné funkce, výsledný mutant však byl
ještě horší. Proto výzkumný tým využil služeb superpočítače, s jehož pomocí
zkoušel aminokyseliny dále upravovat. Z modelů vyplynulo, že je třeba buňky
geneticky upravit nedaleko místa první mutace. Další práce v laboratoři
ukazují, že by tudy mohla vést schůdná cesta. Hemoglobin by tedy mohl být
poměrně brzy produkován laboratorně, což v podstatě zcela odstraní riziko
přenosu viru HIV a jiných nakažlivých nemocí během transfúzí.
Miniaturizace již zašla tak daleko, že lidstvo brzy zbaví nepříjemnosti
zavádění endoskopu. V Británii probíhají zkoušky kamery v tabletě, kterou
prostě stačí spolknout a nechat ji vyjít z těla přirozenou cestou. Kamera je
kromě napájení doplněna i o vysílač, který předává snímaný obraz počítači
připnutém například k opasku vyšetřovaného. Potom stačí jen poslat záznam
ošetřujícímu lékaři, který zjistí, jak na tom vaše vnitřnosti jsou. Vše probíhá
bezbolestně a navíc ani není třeba přerušovat kvůli tomuto vyšetření práci.
Kamera je navíc považována za přístroj na jedno použití, takže po vás nikdo
nebude chtít, abyste po ní pátrali v záchodové míse. Jediným problémem zůstává
omezená životnost napájení, protože kamera zatím nevydrží vysílat po celou
cestu. Prozatím stihne jen horní část zažívacího ústrojí až na konec tlustého
střeva.
Genetika
Kromě rozkladu nukleových kyselin na jednotlivé sekvence genů je zcela jistě
důležité i shromažďování nasbíraných údajů tak, aby další a další výzkumníci
nemuseli stále dokola zjišťovat již zjištěné. I když v současnosti se vedou
spory o to, zda je možno rozkódované řetězce DNA patentově chránit, prozatím se
má za to, že všechny takto získané informace by měly být dostupné všem zájemcům
(neříká se ale, zda zdarma, nebo za úplatu). Pokud tedy budou tato data
přístupná, bude nutno uspořádat je do databází tak, aby bylo možno rychle
vyhledávat shodné vzorce a modelovat důsledky genetických manipulací.
Počítače usnadňují rozbor dat získaných při sledování molekul RNA, který
umožňuje odhalit mechanismy převodu genetických informací v bílkoviny. Rozbory
konkrétních projevů DNA v syntetizovaných bílkovinách zase pomáhají odhalovat
odchylky od normálu, díky čemuž lze například vyléčit vrozené vady genetickou
terapií.
Zjednodušené modely populací umožňují simulovat genetický vývoj v závislosti na
konkrétních vstupních faktorech a okolním prostředí, což pomáhá například při
šlechtění nových druhů rostlin nebo při zkoumání dědičnosti. Díky tomu lze
předcházet dědičným vadám a "vylepšovat" populaci zvoleným směrem. Tato metoda
je samozřejmě mnohem rychlejší, než klasický postup, který závisí na rychlosti
reprodukce zkoumaného druhu. Na druhou stranu, modely jsou ale zjednodušené,
takže nedokážou postihnout nejjemnější maličkosti. Tak jako tak však mohou
pomoci zcela se vyvarovat slepých uliček, které by jinak byly prozkoumávány.
Počítačové technologie pomáhají vědě i nepřímo. Křemíkové čipy se nemusejí
hodit jen jako základ procesorů. Byla totiž vyvinuta "laboratoř na čipu", která
dokáže oddělit DNA za 15 až 30 minut. To je oproti dosavadním postupům
podstatné zrychlení, protože metoda využívající biologicky aktivního gelu
zabere 12 až 24 hodin. Fragmenty DNA jsou zpravidla oddělovány podle délky, aby
bylo možno vyčíst genetický kód vzorku.
Dosavadní postup spočívá v umístění vzorku na jeden konec sloupce organického
gelu, do něhož je poté přiveden proud, který řetězce protahuje tímto gelem.
Křemíková destička je oproti tomu vybavena soustavou kanálků s proměnlivou
hloubkou. Útržky DNA ve vodě jimi opět poháněny elektrickým polem proplouvají,
v hlubších místech tvoří kulové útvary, které zase na mělčinách musí rozplétat.
Tím se fragmenty různých délek pohybují různou rychlostí, takže nakonec opět
utvoří podobnou strukturu jako v předchozím případě, kterou je možno
zaznamenat. Tímto způsobem se nejen urychlí celý proces, současně lze i snadno
získávat jednotlivé fragmenty.
Biologie
Výpočetní kapacita a speciální algoritmy mohou sloužit také k modelování
biologických procesů nebo jejich napodobenin. Využívají se například při vývoji
umělé inteligence a neurálních sítí nebo při simulaci nervových synapsí živého
organismu. Matematické modely mohou pomáhat pochopit funkci jednotlivých svalů
nebo modelovat vývoj populace určitého živočišného druhu. Rozbor a generování
obrazu pomáhá odhalovat strukturu molekul a odhalovat mechanismy skryté za
jejich fyziologickými funkcemi. Takto získané výsledky mohou posloužit ke
konstrukci nových bílkovin a nukleových kyselin, vhodných k využití jak v
medicíně, tak v průmyslu. Farmaceutické firmy díky tomu mohou vyvíjet léky,
které lze přesněji dávkovat a dopravit přímo na potřebné místo v lidském těle.
Rozbory elektrických signálů v závislosti na pohybu a poloze subjektu pomáhají
zkoumat například mechanismy přenosu zdánlivě chaotických signálů od oka do
mozku. Díky tomu jsou již testovány "umělé oči" nebo jejich části, které mohou
dát zrak nevidomým. Snímače jsou přitom umisťovány na nejrůznější místa od
sítnice až po příslušná centra v mozku. Počítač zde slouží ke stimulaci
zvoleného místa tak, jak by to dělal funkční oční nerv předávající obraz z
funkčního oka. Sledování a analýza signálů směřujících od centra nervové
soustavy ke končetinám zase může pomáhat při ovládání pohybu protéz. Počítač v
umělé končetině dokáže "porozumět" pokynům z mozku nebo z míchy a patřičně na
ně zareagovat tak, jak by to udělala i živá a zdravá končetina.
Kryptografie
Zatímco k šifrování čehokoli nepotřebujete nijak zvlášť výkonný přístroj,
rozlomení šifry, jejíž klíč neznáte, již vyžaduje mnohem mocnější kapacitu. Tu
mohou poskytnout jak nejvýkonnější počítače světa, tak zástupy pilných
mravenečků propojených do sítě a přispívajících svými nepatrnými troškami ke
společnému cíli. Každý algoritmus je v podstatě odhalitelný hrubou silou, jde
jen o to, kolik je na to třeba času. U většiny kryptovacích systémů je znám
postup, jak šifrování probíhá, stačí tedy jen postupně zadávat všechny možné
kombinace klíče tak dlouho, dokud se netrefíte do toho správného. To však může
u dostatečně dlouhých klíčů trvat i nejvýkonnějším počítačům současnosti
relativně dlouho na to, aby mělo smysl rozkódovávat úplně vše. Časové rozpětí
je opravdu velké od několika dní až po několik stovek let, podle délky klíče a
počtu následných šifrování.
Ostatně, z nedávné minulosti jsou známy případy, kdy se podařilo rozlomit
obecně uznávanou a používanou šifru v průběhu několika dní až měsíců. V těchto
případech většinou ani nebyly nasazeny superpočítače, místo toho byly využívány
stovky osobních počítačů připojených k Internetu (40bitový klíč na 120
počítačích za 8 dní; 512bitový klíč na 300 počítačích za 7 měsíců, superpočítač
by to zvládl zhruba za týden). Existují také specializované dešifrovací
počítače, které jsou optimalizovány na prolamování kryptovacích kódů. Podobný
přístroj dokázal dešifrovat text chráněný 64bitovým klíčem za pouhých 56 hodin.
I když se zdá, že v dohledné době nebudeme mít pocit jistoty ani při použití
toho nejlepšího šifrovacího algoritmu z nejlepších, běžná skutečnost zase tak
černá není. Málokoho například zajímá obsah zašifrovaného elektronického dopisu
natolik, že stráví spoustu času jeho rozlousknutím. Když na celou záležitost
pohlédneme z hlediska lidské psychologie, člověk již své stoprocentní soukromí
tak jako tak ztratil. Šifrování je určitě vhodné používat, ovšem s vědomím, že
se může najít někdo, kdo dokáže vaše tajné údaje dříve nebo později získat.
Můžeme za to děkovat počítačům, které se samozřejmě nemusí jen využívat, ale
dají se i zneužít.
Modelování a spol.
Jack z Pensylvánie je stavěn do těch nejnemožnějších a nejnepříjemnějších pozic
a přesto si vůbec nestěžuje. Ani nemůže, protože se jedná o počítačový model
člověka, který je využíván k ověřování počítačových modelů prostředí, ve
kterých by se měl pohybovat člověk, nebo nástrojů, které by měl používat. Může
nabývat různých tvarů, například ramenatého mládence nebo těhotné ženy. Dokáže
chodit, vyhýbat se překážkám, natahovat ruce a zvedat předměty. Pokud však
zadaný úkol nemůže splnit (například když je předmět příliš těžký nebo když
leží mimo dosah), dá to okamžitě najevo, například změnou barvy té části těla,
která klade největší odpor. Pokud si člověk nasadí virtuální přilbu nebo
sleduje obrazovku monitoru, může se na virtuální svět dívat Jackovýma očima. To
pomůže odhalit chyby v konstrukci, na které by se přišlo až příliš pozdě. Může
být třeba ještě před započetím výroby posunuta klika dveří u auta nebo zvětšena
toaleta v raketoplánu.
Zatímco Jack se chová čistě mechanicky podle stupňů volnosti toho kterého
kloubu a pružnosti těla, existují také modely vybavené lidskými reakcemi a
zjednodušenými vzorci chování. Takovéto modely mohou být využívány například
při výzkumech reakcí lidí v kritických situacích, jako je požár, demonstrace
nebo pouliční nepokoje. Do virtuálního prostoru přitom může být zasazeno více
virtuálních bytostí s různými vlastnostmi, takže lze sledovat jak jednání
jednotlivce, tak celého davu. V poslední době se tyto bytosti používají
například při výcviku policistů bojujících proti terorismu. Zkoušený se
pohybuje ve virtuální realitě, v níž různí virtuální a přitom samostatní
jedinci vykazují známky zranění nebo otravy a agent musí umět rychle zhodnotit
situaci a náležitě na ni zareagovat. Tento postup umožňuje lepší výcvik lidí,
který může v kritických situacích přispět k záchraně ohrožených životů.
V různých fantastických příbězích se vyskytuje přístroj, který dokáže ze
základních stavebních prvků dostupných kdekoli na Zemi sestavit libovolnou věc,
která může být nejrozličnějšího stupně složitosti. Existuje hned několik
systémů, které něco z toho dokážou. Sice ještě ne zcela funkční přístroje, ale
jejich různě funkční makety ano. Materiál si také neberou přímo ze svého okolí.
Prozatím potřebují speciální hmoty, ze kterých vyrobí to, co si zamanete a co
si vymodelujete v některém ze systémů CAD. Rychlost výroby je sice v porovnání
s klasickými postupy vyšší (v průměru 12 hodin), oproti replikátorům ze sci-fi
ale mají stále co dohánět. Tomuto postupu se říká rychlá výroba prototypů
(rapid prototyping) a jedná se vlastně buď o trojrozměrný plotter nebo o
trojrozměrnou tiskárnu. V současnosti jsou rozšířeny čtyři různé principy.
Stereolitografie používá laser, který ostřeluje hromádku epoxidu tak dlouho,
dokud z ní nevytvoří požadovaný tvar průhledné jantarové barvy. Výroba
laminovaných předmětů pro změnu vykrajuje výsledný tvar z hmoty sestávající z
vrstev epoxidu a laminovaného papíru. Výsledný předmět vypadá jakoby byl
vyroben ze dřeva. Selektivní spékání laserem pro změnu ostřeluje proudem
soustředěného světla hromádku polykarbonátového prášku, dokud nevznikne kýžený
předmět bílé barvy. Podle mě nejzajímavější je poslední postup, který využívá
principu inkoustové tiskárny. Místo barev však pracuje s roztaveným práškem a
navíc se "tisková" hlava pohybuje ve třech osách. Tento postup umožňuje
vytvářet nejen pestrobarevné modely, ale získávat i jedinečné slitiny, které se
ani jinak vyrobit nedají. Prostým smísením kapiček kovu a keramiky tak může
vzniknout předmět s jedinečnými fyzikálními či mechanickými vlastnostmi. Tudy
zřejmě vede cesta k plnohodnotným replikátorům se vším všudy. Prozatím ale
platí, že pokud některým z těchto postupů vyrobíte rohlík, nebude pro většinu z
nás jedlý.
0 1724 / pahn

Aeronautika a astronautika
Stádo výkonných superpočítačů je ustájeno v Amesově výzkumném středisku NASA v
Kalifornii. Jedná se o různě silné stroje specializované povětšinou na
paralelní zpracování a na výpočty v pohyblivé čárce, které řeší složité
aerodynamické rovnice, a tím umožňují testovat konstrukci nových vzdušných i
vesmírných plavidel, která existují jen jako počítačové modely. Podle zadaného
úkolu nabízejí několik řešení jednoho konkrétního problému. Mohou navíc na
základě těchto několika variant pokračovat ve vývoji všemi možnými směry, čímž
ještě více usnadní rozhodování při výběru toho kterého prvku. I když strojový
čas superpočítače není zrovna nejlevnější, je tento postup většinou méně
nákladný než tradiční zkoušky se zmenšenými hmotnými modely v aerodynamických
tunelech.
Počítače všech druhů jsou využívány při výzkumu vesmíru za pomoci automatických
plavidel. S ohledem na potřebu spolehlivosti, omezené zdroje energie a
nepříznivé podmínky mimo ochrannou atmosféru Země se však většinou jedná o méně
výkonné přístroje, zhusta úzce specializované, které k plnění zadaného úkolu
plně postačují. Postupně se zatím u menších projektů, které mají omezené
finanční prostředky začínají využívat principy neurálních sítí, které se
dokážou lépe přizpůsobovat měnícím se podmínkám a které si umí poradit i s
poruchou některé části počítačové inteligence. Protože informační technologie
se na Zemi vyvíjejí opravdu překotně, není zřejmě daleko doba, kdy bude možno
sestavit mozek družice jen ze součástek koupených v počítačovém obchodě.
Internet již dospěl i mimo naši planetu. Prozatím ještě zůstává na oběžné
dráze, brzy se ale asi dočkáme i propojení s dalšími planetami Sluneční
soustavy nebo dokonce se sondami směřujícími za její hranice. První umělou
oběžnicí s vlastní internetovou adresou (kterou konkrétně, to bohužel neznám, a
i kdybych ji znal, předpokládám, že přístup k ní bude omezen jen na vybrané
jedince, aby nebyl sputnik zahlcován tisíci přístupů nadšenců z celého světa)
je UoSAT-12, vybavená 4 vstupními krátkovlnnými kanály o kapacitě po 9 600 Kb/s
a jedním výstupním kanálem pro posílaní dat o kapacitě 1 Mb/s.
Protože se UoSAT-12 pohybuje na nízké oběžné dráze, může dokonce k určování
polohy využívat GPS, což ještě více snižuje náklady na její vybavení. Další
úsporu představuje možnost synchronizace času po Internetu, takže odpadá
nutnost velmi přesných palubních hodin. Stačí v podstatě běžné počítačové
hodiny, které si v pravidelných intervalech srovnávají krok s pozemskou
stanicí. Jak je vidět, lze na oběžnou dráhu vyslat v podstatě běžný internetový
server s webovou kamerou doplněný o několik vědeckých přístrojů.

Chemické simulace
Ze školy si možná pamatujete na hodiny chemie, kdy jste se probírali molekulami
složenými z různobarevných kuliček a pospojovaných tyčkami, které umožňovaly
jen kombinace prvků, jaké příroda povoluje. Tento přístup je natolik
životaschopný, že je používán k sestavování molekul i v moderní době
superpočítačů. Možnost trojrozměrného počítačového modelování nových chemických
sloučenin přišla vhod nejen farmaceutickému průmyslu. Matematické modely
různých látek umožňují umělou cestou vznikat novým sloučeninám, které se v
přírodě vyskytují buď v omezeném množství, nebo jejichž získávání z přirozených
zdrojů je příliš nákladné nebo zcela nemožné. Počítačový model nové sloučeniny
může být podrobován různým interakcím s jinými existujícími látkami, což může
odhalit nepříznivé vedlejší účinky. Vývoj za pomoci počítačů pomáhá také
modelovat různé dopady na léčeného, stejně jako možnosti likvidace nevyužitých
léků a jejich případný vliv na okolí.
Různě pokročilé modely molekul se využívají i při vývoji nových hmot. Takto se
třeba zkoumají vlastnosti polymerů v závislosti na jejich délce a struktuře.
Počítačová simulace namáhá model určitým způsobem a zjišťuje, jak se které
vlákno chová v jaké situaci. To umožňuje sestavovat polymery přímo na míru
kýženého poslání.
Koroze je proces, se kterým se lidstvo potýká už od doby železné. V
Pensylvánské univerzitě vyvinuli program, který dokáže simulovat stále ještě ne
zcela prozkoumaný přenos elektronů mezi atomy. Tento přenos sice již byl
teoreticky popsán, nikdo jej však zatím nedokázal ani pozorovat při pokusech,
ani simulovat v počítači. Nyní se ovšem začalo blýskat na lepší časy. Nový
model zatím dokáže počítat a vykreslovat po krocích interakci dvou iontů v
stabilním prostředí, je to ovšem první významný krok k pochopení problému. V
dalších krocích budou postupně přidávány další ionty, až bude model nakonec
věrným odrazem reality. Na to si ovšem budeme muset ještě chvíli počkat,
protože ani nejvýkonnější počítače zatím nezvládají řešit tolik rovnic
současně. Pokud ovšem vědci díky časovým snímkům chování iontů vyměňujících si
elektrony odhalí princip tohoto přenosu, bude možno nejen účinně chránit železo
před korozí, ale jistě se najde i spousta dalších zajímavých uplatnění tohoto
modelu.


Zdroje informací na Internetu
http://www.psc.edu/science/projects.html,
http://www.rzg.mpg.de/rzg/t3e_projects.html,
http://www.fz-juelich.de/forschung/forschung-e.html přehled projektů
využívajících superpočítače
http://www.rccp.tsukuba.ac.jp/research/ výzkumné projekty na Cukubské univerzitě
http://www.basic.nwu.edu/primers/igp97.html přehled internetových zdrojů o
výzkumu
http://www.met-office.gov.uk/sec5/, http://www.dwd.de/research/e_research.html
meteorologický výzkum
http://www.sandia.gov/ASCI přehled projektu ASCI
http://gsoft.smu.edu/GSoft.html zjednodušené počítačové modely populační
genetiky pro PC
http://www.bioc.rice.edu/ Keckovo středisko pro biologické výpočty
http://ic-www.arc.nasa.gov/ Amesovo výzkumné středisko NASA
http://hubble.nasa.gov/ Hubblův vesmírný dalekohled
http://www.pparc.ac.uk/ Strategická vědecká investiční agentura
http://www.givenimaging.com/ domovské stránky "endoskop v pilulce"
http://www.rochester.edu/research/biomedical.html biomedicínský výzkum na
univerzitě v Rochesteru
http://www.sciencenews.org/, http://www.sciencedaily.com/ zpravodajství o
novinkách ve vědě
http://www.ee.surrey.ac.uk/EE/CSER/UOSAT/missions/uo12/ UoSAT-12
http://www.cis.upenn.edu/~hms/jack.html Jack lidský modelový a simulační systém
http://www.top500.org/ přehled nejvýkonnějších počítačů světa

Cesta do nitra Země
To, že má Země železné (nebo přesněji z těžkých kovů složené) jádro, si možná
pamatujete ze školy. To, že je všechno železo v jádru tekuté, možná nebude tak
zcela pravda. Nedokážeme se o tom sice přesvědčit na vlastní oči, ale podle
rozboru seizmických vln to spíše vypadá, že v nitru naší rodné planety je kus
železa v tuhém stavu. Má průměr zhruba 2 400 km a podle všeho jde o jediný
krystal. To vše lze zjistit rozborem chvění Země. Ovšem jen za pomoci výkonného
superpočítače, který je schopen poradit si s velkým objemem dat pocházejících z
nejrůznějších zdrojů a týkajících se rozličných jevů.
Existují i počítačové modely zemské kůry a jejích zlomů a předělů, které
dokážou předpovídat zemětřesení. Jejich schopnosti jsou však do značné míry
omezeny nedostatkem dat. Proto se vědci pro začátek rozhodli pro poměrně
jednoduchou a dobře prozkoumanou oblast v údolí San Fernando v Kalifornii.
Počítačový program si kvádr o rozměrech 54 x 33 x 15 km rozdělil na 13,4
milionu dílků s různými mechanickými vlastnostmi. Tyto porce jsou různě velké v
závislosti na materiálu, ze kterého jsou složeny. Poté již jen stačí do toho
modelu pustit vlny otřesů a sledovat, co se bude dít. Protože model obsahuje
zhruba 40 milionů rovnic, i na superpočítači s 256 procesory zabere vytvoření
simulace 40 vteřin otřesů 7 hodin strojového času. Jakmile bude vyhodnocena
míra podobnosti modelu s realitou, začne se s mapováním celé oblasti Los
Angeles, která je k otřesům velmi náchylná. Simulace v takovém měřítku si
vyžádá větší nároky na strojový čas, pomůže ale jistě postavit všechny budovy
tak, aby je další otřesy nevyvedly z rovnováhy. A po LA přijdou na řadu další
místa s velkým rizikem zemětřesení.

Databáze tváří
Počítače už zašly tak daleko, že dokonce začínají dohánět lidi ve schopnosti
rozeznávat vzory ve velkých uskupeních obrazů, slov nebo čísel. Jeden z
takových programů funguje na principu abstrakce vyhledává prvky, které se
opakují u každého objektu daného druhu. Člověk například rozeznává kočku nebo
psa v podstatě za jakékoli viditelnosti prostě podle obrysu a několika
základních prvků. Počítač dokáže nejen to. Například po prozkoumání několika
stovek fotografií lidských tváří dovedl nalézt určité charakteristické prvky
obličeje. Objevil 49 jedinečných prvků, ze kterých dokázal sestavit všechny
tváře a vytvořil si databázi tváří a jejich stavebních kamenů. To se hodí jak
při sestavování podobenek hledaných osob podle popisu svědků, tak pro kompresi
statických i pohyblivých snímků lidských tváří. Toho lze využít při ukládání do
databází a při přenosech po málo kvalitních linkách. Principu zjednodušování a
hledání společných prvků lze použít i jinde než jen u podobenek. Pokud se
například využije k indexování naučných slovníků nebo obsahu Internetu, dokáže
nejen rychle najít ta klíčová slova, která hledáte, ale i jejich synonyma a
výrazy s nimi úzce související.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.