Мозг компьютера что это такое
Процессор – это электронный «мозг» компьютера, выполняющий программный код и руководящий работой всех устройств на компьютере. Процессор выполнен в виде одной монокристальной микросхемы – чипа, устанавливающийся на материнской плате. Сверху на нем пишется его марка, тактовая частота и изготовитель. Процессор за единицу времени выполняет огромное количество операций по обработке информации, поступающих в его память. Соответственно, чем выше скорость процессора, тем выше быстродействие всей системы.
Процессоры для персональных компьютеров подразделяются на несколько критериев:
Выбор процессора начинается с выбора производителя. Основными производителями процессоров считаются две компании: Intel и AMD. К выбору процессора надо подходить стратегически, т.к. процессоры и соответственно платформы взаимно не совместимы. То есть процессор одного семейства нельзя заменить процессором другого семейства одной и той же фирмы – придется менять всю платформу.
Архитектура процессора
Законы конкуренции привели к тому, что внимание разработчиков было направлено на поиск повышения производительности. Было найдено два новых направления:
расширение разрядности существующих 32-битных процессоров до 64 бит;интеграция в процессор двух и более ядер, которые занимаются непосредственно вычислениями.
Разрядность процессора – длина одновременно обрабатывающих данных (в битах).
Ядро процессора – совокупность арифметическо-логических устройств, блоков управления и кэш-памяти, выполненная в рамках единой микроархитектуры процессора.
Рабочая частота – частота переключения транзисторов в ядре процессора. Получается умножением тактовой частоты системной шины на коэффициент, заданный специальным блоком процессора.
Тактовая частота – опорная частота, генерируемая специальным устройством системной шины. Используется для синхронизации процессора и шины.
Современные процессоры имеют архитектуру «неймановского» типа:
арифметическо-логическое устройство;блок управления;блок памяти;устройство ввода-вывода.
Ядро процессора
Главным элементом процессора, выполняющим обработку данных является арифметическо-логическое устройство (АЛУ). Процессор имеет специальные ячейки памяти, которые называются регистры. В них хранятся и поступают данные с огромной скоростью. По мере обработки данные из регистра поступают и возвращаются.
Все современные микропроцессоры являются синхронными, то есть меняют состояние элементов в момент поступления тактовых импульсов. В каждом цикле есть сигнал, который переключает определенные триггеры. Например, в регистры данные загружаются лишь по фронту импульса, а считываются только по спаду. Именно поэтому АЛУ может в течение одного цикла и считать, и записать данные в регистр.
Блок управления, АЛУ и кэш-память образуют ядро процессора.
Системная шина
Как данные, так и команды для их обработки процессор получает из ячеек оперативной памяти по системной шине. В составе системной шины различают: шину данных, адресную шину, шину управления. По шине данных в регистры процессора копируются данные из ячеек памяти. По адресной шине процессор выбирает, начиная с какой именно ячейки он должен получить данные. По шине управления процессор получает из оперативной памяти команды для обработки данных.
Кэш-память
Внутри процессора все операции происходят в десятки раз быстрее, чем при обмене данными с оперативной памятью. Это означает, что чем реже процессор обращается к памяти за данными и командами, тем быстрее он способен работать. Чтобы сократить количество обращений, в процессор встраивают сравнительно небольшой блок сверхоперативной памяти, способной работать на частоте ядра. Этот блок памяти называют кэш-памятью.
При обращении к ячейкам оперативной памяти процессор получает не только те данные, которые требуются немедленно для загрузки в регистры, но и еще что-то «про запас». Этот запас записывается в кэш-память. Если запасенные данные потребуются в следующем цикле, процессор заберет их из кэш-памяти. Если же потребуются иные данные, процессор обратится к оперативной памяти, и содержимое кэша обновится. Как правило, современные процессоры имеют два блока внутренней кэш-памяти. Первый блок (кэш-память первого уровня, 11) обычно разделен на кэш данных и кэш инструкций. Второй блок (кэш-память второго уровня, 12) служит только для хранения данных. В некоторых моделях процессоров (например, Pentium 4 Extreme Edition) используется кэш-память третьего уровня.
Процессорный разъем
Для подключения кэш-памяти, блоков ввода-вывода, тактовых сигналов, питания процессору требуются сотни линий. Поэтому ядро и другие блоки процессора размещают в герметичном корпусе, оснащенном множеством контактных ножек или площадок. Корпус вставляют в процессорный разъем (Зоскет.) на системной плате, а уже от разъема шины идут к другим устройствам компьютера.
Процессорные разъемы принято маркировать по числу контактов, например Socked 775 или Socked 939. Процессоры одного семейства и одной архитектуры могут иметь разные корпуса и разные процессорные разъемы, несовместимые друг с другом. А вот обратная картина (один разъем для процессоров разной архитектуры) встречается очень редко.
Зачем процессорному разъему сотни контактов? В основном — для электропитания. Шина данных в процессоре Pentium 4 насчитывает 64-разряда и требует наличия 64 линий. Шина адреса занимает 36 линий. 124 линии отведено для служебных нужд, а 28 выводов зарезервировано. Все оставшиеся контакты используются для подачи питания. Так, в разъеме Socked 775 линий питания — 523.
Такое количество линий питания объясняется особенностями архитектуры процессоров. Современный процессор насчитывает свыше 150 миллионов транзисторов. Их надо обеспечить током: небольшим, в доли микроампера, но каждый из полутора сотен миллионов транзисторов. В итоге получается, что суммарный ток потребления процессора составляет десятки ампер. Например, максимальный потребляемый ток для процессора Pentium 4 с ядром Prescott равен 119 А. Для сравнения — максимально допустимый ток в бытовой электросети обычно не превышает 16 А.
Н — нейроинтерфейс: как управлять гаджетами силой мысли
Что такое нейроинтерфейсы и какими они бывают
Нейроинтерфейс или интерфейс «мозг-компьютер» — это название технологии и устройства, которое позволяет передавать информацию из мозга прямо на внешнее устройство. В качестве таких устройств могут выступать смартфон, компьютер, умный дом, протезы и любые другие электронные устройства.
Управление чем-либо силой мысли не подразумевает никакой мистики: нейроинтерфейс просто регистрирует электрическую активность мозга и преображает ее в команды для внешних устройств. Эта технология использовалась еще в прошлом веке — медицинский прибор для электроэнцефалограммы (ЭЭГ) работает именно так.
Существующие нейроинтерфейсы бывают трех видов: неинвазивные, малоинвазивные и инвазивные. Первый тип устройств располагают на поверхности головы — как, например, в VR-играх. Малоинвазивные нейроинтерфейсы находятся на поверхности мозга, а инвазивные вживляют внутрь мозга. Их часто используют в медицине — например, чтобы вернуть подвижность парализованным людям или даже улучшить память.
Будущее интерфейса «мозг-компьютер»
Сейчас самый известный проект среди инвазивных нейроинтерфейсов — Neuralink Илона Маска. Это чип размером меньше монеты, который должен вживляться в мозг и улучшать его работоспособность. Он также сможет передавать музыку и даже позволит носителям общаться телепатически. Пока этот чип тестировался только на животных, в том числе свиньях, — и те перенесли имплантацию успешно.
Стартап Synchron, конкуренты Маска, получил разрешение на тестирование своего мозгового чипа Strentode на людях раньше, чем Neuralink. Их устройство помогает парализованным людям силой мысли управлять компьютером. Если испытания пройдут успешно, продукт может появиться на рынке уже через 3–5 лет. Скорее всего, уже в скором будущем нейроинтерфейсы смогут значительно облегчить жизнь парализованным людям, помочь в борьбе с деменцией и болезнью Альцгеймера.
Нейроинтерфейсы — наше будущие
В наше время очень немногие людей знают о такой технологии как Нейрокомпьютерные интерфейсы, несмотря на её огромный потенциал. В основном это связанно с недостаточным её развитием, функционалом и высокой стоимостью самих устройств. Тем не менее, Крупные технические компании уже давно занимаются в решение этих проблем, а научные институты модернизируют эту технологию. Уровень современных технологий позволяет, надеется что уже в недалёком будущем нейроинтерфесты станут такими какими их изображают в фантастических произведениях, и будут также популярнее как смартфоны сейчас. Поэтому предлагаю ознакомиться с тем, что в скором будущем станет частью нашей повседневной жизни.
Интерфейс мозг-компьютер или нейроинтерфейс — это комплекс средств, предназначенный для обмена информацией между мозгом и внешним устройством. То есть в идеале нейроинтерфейсы позволят управлять техникой одной силой мысли или передавать напрямую в мозг звуки, изображения, и даже знания, но на практике данная технология ещё не настолько развита и не может раскрыть все свои, предполагаемые определением возможности. Например, Нейроинтерфейсы разделяют на однонаправленные и двунаправленные, первые или принимают сигналы от мозга, или посылают их ему, вторые могут посылать и принимать сигналы одновременно. Но на данный момент можно используются только однонаправленные.
Чтобы понять, как работает нейроинтерфейс нужно знать, что мозг отвечает за множество вещей. Он обрабатывает входящие сенсорные стимулы, например — звук, запах, вкус, управляет жизнедеятельностью и движениями тела. Он так же отвечает за мышление, память, эмоции и тому подобное. Примечательно, что эти мощные, но изысканно тонкие способности возникают в результате электрических и химических взаимодействий между примерно 100 миллиардов клеток, из которых состоит наш мозг. Каждое такое взаимодействие отражаются в регистрируемой активности мозга, а нейроинтерфейс регистрируют эту активность в различных областях головного мозга и переводят её в команды управления внешним устройством или наоборот переводят внешние команды в электрическую активность головного мозга.
Переводчиком и одновременной анализатором информации в нейроинтерфейсе всегда выступает компьютер со специализированной программой. Все мозги каждого человека имеют общие анатомические схемы и синоптические взаимодействия, но точный образец связей и взаимодействий сильно различается от человека к человек, поэтому программа должна уметь подстраиваться под особенности мозга каждого пользователя
Нейроинтерфейсы различаются по типу:
· Инвазивные. Датчики помещаются непосредственно в кору головного мозга.
· Полуинвазивные. Датчики помещаются на открытую поверхность мозга.
· Неинвазивные. Датчики помещаются на голову.
Неинвазивные интерфейсы удобны для рядового пользователя и не требуют хирургического вмешательства для использования, в то время как инвазивные и полуинвазивные имеют большую точность улавливания активности мозга. Более точные характеристики в основном зависят от используемой технологии регистрирования и стимуляции мозговой активности.
В современных интерфейсах активность головного мозга регистрируют с помощью электроэнцефалограмм(ЭЭГ), магнитоэнцефалограмм(МЭГ), ближней инфракрасной спектроскопии(NIRS). Чаще всего используют именно Электроэнцефалографию(ЭЭГ), которая обычно используется в больницах для обследования работы мозга пациента. Её суть в том чтобы с помощью электродов(электрических проводников) регистрировать электрическую активность нервных клеток, а инвазивные и полуинвазивные могут быть способные как регистрировать, так и стимулировать электрическую активность мозга.
Несмотря на ограниченность технологии, В последние несколько десятилетий подобные системы нашли как клиническое, так и исследовательское применение. В медицине его используют, для изучения работы мозга, реабилитации инвалидов с различными моторными нарушениями и создании протезов которые смогут использовать даже полностью парализованные люди.
История интерфейсов насчитывает более ста лет. В 1875 году Ричард Кэтон обнаружил электрические сигналы на поверхности мозга животного, а в 1929 году Ханс Бергер опубликовал результаты опытов с ЭЭГ и установил способность мозга для электрической сигнализации.
Первым нейроинтерфейсом можно считать Stimoceiver — электродное устройство, которое может управляться по беспроводной сети с помощью FM-радио. В 1950-е годы Хосе Дельгадо, нейрохирург в Йельском университете, испытал его в мозге быка, и впервые изменил направление движения животного с помощью нейрокомпьютерного интерфейса.
В 1960-е годы нейрофизиолог Грей Уолтер, используя электроды на коже головы человека, зарегистрировал возбуждения от движения большого пальца человека.
Первые интерфейсы, упоминаемые в научной литературе, были разработаны в 1972–1977 годах научной группой Калифорнийского университета. В экспериментах участвовали добровольцы, на головах которых в затылочной и теменной области размещали пять электродов, а затем обрабатывали получаемые сигналы. В тех работах авторы анализировали особенности структуры сигналов ЭЭГ, возникающие во время предъявления человеку разных изображений, так называемые зрительные вызванные потенциалы. Но это были самые первые попытки.
В 1972 году был создан кохлеарный имплант — первый нейропротез позволяющий глухим людям слышать. В 1998 году Филип Кеннеди внедрил первый нейроинтерфейс в обследуемого человека. Им был художник и музыкант Джонни Рей. Думая или представляя движения рук, Рей управлял курсором на экране компьютера. В 1999 году группа Яна Дэна из Университета Калифорнии расшифровала сигналы зрительной системы кошки и воспроизвела изображения, воспринимаемые её мозгом. К 2000 году группа Николелиса создала НКИ, воспроизводящий движения обезьяны во время манипуляций джойстиком. В июне 2004 года первый «человек-киборг» Мэтью Нэйгл получил полнофункциональный нейроимплант с нейроинтерфейсом от Cyberkinetics Inc. В России с 2009 года в рамках проекта NeuroG разрабатываются алгоритмы распознавания зрительных образов человеком. В 2011 году в Политехническом музее Москвы проектом NeuroG была проведена демонстрация распознавания воображаемых образов.
В 2012 году участница эксперимента, организованного проектом BrainGate, смогла мысленно управлять искусственной рукой, взять ею предмет, поднести к себе и поставить обратно. В 2017 году ученые BrainGate разработали нейроинтерфейс, способный легко адаптироваться к быстрому и точному управлению протезом.
В 2019 владелец компании Neuralink, занимающейся разработкой нейроинтерфейсов, Илон Маск показал прототип нейроинтерфейса, в котором вместо традиционного квадратного чипа, электроды разделены на 96 гибких нитей, суммарно несущих 3072 отдельных канала, способных как регистрировать, так и стимулировать электрическую активность мозга. В этом устройстве также была решена проблема отмирания нервных клеток в месте контакта с электродами.
В 2020 году инженеры Санкт-Петербургского политехнического университета разработали первую в России платформу для создания нейротренажеров и нейроинтерфейсов, которая включает в себя гарнитуру, которая замеряет, сигналы активности головного мозга и позволит пользователям обучаться разработке систем управления роботами с помощью сигналов мозга.
Как видно на сегодняшний день, нейроинтерфейсы находятся на старте своих возможностей.
На пути к созданию «идеального» нейроинтерфейса, который сможет с высокой точностью передавать и переводить информацию между мозгом и компьютером, а также будет имеет множество сфер использования и огромное распространение среди населения, стоит несколько препятствий. В основном эти препятствия представляют собой ряд современных технических, этических и юридических ограничений.
Если ещё с десяток лет назад интерфейса мозг-компьютер было множество технических недочётов вроде: отмирания нервных клеток в месте контакта с электродами или проблема энергообеспечения, то сейчас осталось 2 основные проблемы: неточность измерения и сложности перевода.
В неинвазивных нейроинтерфейсах — череп, кожа и остальные слои, отделяющие нервные клетки от электродов искажают информацию о сигнале. Инвазивные и полуинвазивные гораздо точнее, и точность в них в основном зависит в основном от конструкции, материалов, правильности установки, но даже они не дают 100% точности.
Для того чтобы перевести электрическую активность в понятные команды программа должна уметь: отделить нужные ей сигналы и очистить их от фоновых шумов, подстраиваться под особенности мозга человека и с высокой точностью переводить любую информацию. Схема работы мозга слишком сложна для наших аналитических и вычислительных возможностей, поэтому на данный момент реализовать такое слишком сложно.
Препятствиями для распространения станут также предвзятость людей из-за опасностей использования нейроинтерфейсов или просто из-за их непривычности. Как минимум первое время мало кто захочет вживлять себе в голову инвазивный НКИ, несмотря на его явное превосходство над неинвозивными.
Уже сейчас крупные корпорации владеют нашей личной информацией, а с распространением нейроинтерфейс смогут буквально читать наши мысли, это мало кому понравится, но это не самое страшное. Страшно то, что с помощью поздних версий интерфейса мозг-компьютер при необходимости можно будет менять личность человека или полностью перехватить контроль над его телом. Какой бы высокой не была защита от взлома и защита Конфиденциальных данных, любую защиту можно взломать. Не все смогут смериться даже с простой возможностью такого исхода. Тем не менее это прогресс, а его не остановить.
Мы уже выяснили, на что Интерфейс мозг-компьютер способен сейчас, но главная важность технологии заключается в том, что он сможет в будущем, где будет использоваться и когда уже настанет это «будущие».
Самое простое, что сможет сделать нейроинтерфейс это стать универсальным устройством управления техникой и ввода информации. Зачем нужны какие-то сложные устройства управления, когда ты одинаково легко можешь включить чайник или управлять строительным краном одной лишь силой мысли? Или зачем печатать текст на клавиатуре или рисовать картину рукой, если их можно просто представить, и они появиться на экране?
Технология также сильно упростит диагностику, лечение и реабилитацию болезней связанных с мозгом, а совсем тяжёлых случаях, даже перезаписывать личность человека на другой носитель. Будет ли это тот же человек или всего лишь его копия это вопрос уже философии.
Так же произойдёт скачок в образовании. Нейроинтерфейс сможет передавать информацию непосредственно в нейроны, отвечающие за память, тем самым сокращая процесс обучения в сотни раз.
Так же большое развитие получит индустрия развлечений, которая растет уже давно и не собирается останавливаться. Можно будет переживать те же эмоции что и герои фильмов, а то и весь спектр ощущений или даже самому управлять героем в играх. Причём ощущения, передаваемые нейроинтерфейсом, смогут выходить за рамки привычных, людям ощущений. Как на одном из своих интервью заявил глава компания-разработчик компьютерных игр Valve, Гейб Ньюэл :
«Мы привыкли смотреть на мир при помощи глаз, но природа создала их далеко не самым совершенным образом, не заботясь о надёжности и ремонтопригодности. Поэтому если что-то сломается, качественно починить их уже не получится. С эволюционной точки зрения это оправданно, но совсем не соответствует запросам потребителя. Качество визуальной составляющей, которую мы сможем создать, выйдет за пределы норм реального мира, и «как в жизни» перестанет быть мерилом качества графики. Реальный мир покажется плоским, блёклым и размытым в сравнении с тем, что можно создавать в человеческом мозге».
Нейроинтерфейс сможет не давать улучшенные ощущения, а в принципе улучшать работу мозга и дополнять его, выводя человека на новый уровень развития. На презентации нейроинтерфейса от Neuralink в 2019, Илон Маск заявил: «Мы сможем превзойти мощности человеческого мозга уже к 2030 году»
И это лишь несколько примеров использования нейроинтерфейса, на самом деле сфер применения нейроинтерфейсов больше чем мы можем себе представить.
Надеждам на то, что технология достигнет таких высот, способствует то, что появляется все больше проектов, разработок, научных исследований в этой сфере, исследовательских групп и коммерческих компаний, в том числе крупных, которые занимаются разработкой и развитием нейроинтерфейсов.
Одних только исследовательских групп больше сотни.
Самые крупные компании в этой области Neuralink, Mind Technologies, Covidien, Compumedics, Natus Medical, Nihon Kohden, Integra Life Sciences, CAS Medical Systems и Advanced Brain Monitoring. Даже такие крупные фирмы как Nissan и Facebook уже давно заявили о своих намерениях создания нейроинтерфейсов.
По оценкам на 2017 год, расходы коммерческих предприятий на нейротехнологии уже составляли 100 миллионов долларов США в год и продолжали быстро расти.
Согласно анализу Grand View Research, объем глобального рынка компьютерных интерфейсов к 2027 году достигнет 3,7 млрд. долларов США
Привлечение таких ресурсов сильно способствует развитию технологии, и лишний раз убеждает, что нейроинтерфейсы приближаются с невероятной скоростью и люди должны быть готовы их встречать.
Хотя сейчас нельзя точно предсказать, когда именно нейроинтерфейсы получать широкое распространение и уж тем более, когда смогут раскрыть весь свой потенциал. Тем не менее, можно точно сказать, что чем больше людей заинтересуются этой технологией, тем короче будет этот срок.
В результате всей полученной информации можно сделать простой вывод – нейроинтерфейс это удивительная технология, о которой люди мечтали со времён появления первого компьютера, но подобрались к её реализации мы только сейчас и она уже показывает фантастические результаты. Если позволить нейроинтерфейсу раскрыть все свои возможности, то ими будут пользоваться если не все, то большинство, при этом изменениям подвергнутся все сферы жизни общества. Вплоть до того что человек сможет ступить на следующую степень эволюции, слив своё сознание с компьютером. Хотя точно никому неизвестно произойдёт это через 5 лет или через 50 лет, к такого рода изменениям стоит морально подготовится и знать хотя бы примерный принцип работы, чтобы, когда придёт время не остаться позади всех.
Справедливости ради, всё же стоит сказать, что даже несмотря на все благоприятные условия развития нейроинтерфейсов вероятность того что они достигнут таких высот довольно высока, но не равна 100%. Всегда есть шанс на непредвиденные обстоятельства. Например, исследователи и инженеры не смогут преодолеть существующие сложности в реализации, из-за чего технология перестанет развиваться или если устройство будет слишком дороги для широкого использования. И всё же учитывая все факторы вероятность такого исхода очень маловероятна, максимум разработка затянется на пару десятков лет. Так что нам только и остаётся, что ждать или самим сделать свой вклад в разработку и распространение этого технологического чуда.
Не голова, а компьютер
Что такое нейроинтерфейсы и что ждет их в будущем
Нейроинтерфейсы — технологии, позволяющие связать мозг и компьютер, — постепенно становятся рутиной: мы уже видели, как с помощью мысленных приказов человек может управлять протезом или набирать текст на компьютере. Означает ли это, что уже скоро станут реальностью обещания фантастов, писавших о полноценном чтении мыслей с помощью компьютера или даже о переносе человеческого сознания в вычислительную машину? Этой же теме — «Дополненная личность» — в 2019 году посвящен конкурс научно-фантастических рассказов «Будущее время», организованный благотворительным фондом «Система». Вместе с организаторами конкурса редакция N + 1 разбиралась, на что способны современные нейроинтерфейсы и сможем ли мы действительно создать полноценную связь мозг-компьютер. А помогал нам в этом Александр Каплан, основатель первой в России лаборатории интерфейсов в МГУ имени Ломоносова.
«Взломать» тело
У Нила Харбиссона врожденная ахроматопсия, лишившая его цветного зрения. Британец, решив обмануть природу, вживил себе специальную камеру, преобразующую цвет в звуковую информацию и отправляющую ее во внутреннее ухо. Нил считает себя первым официально признанным государством киборгом.
В 2012 году в США Эндрю Шварц из Питсбургского университета продемонстрировал парализованную 53-летнюю пациентку, которая при помощи имплантированных в мозг электродов посылала сигналы роботу. Она научилась управлять роботом настолько, что смогла сама подать себе плитку шоколада.
В 2016 году в той же лаборатории 28-летний пациент с тяжелой травмой позвоночника протянул управляемую от мозга искусственную руку навестившему его Бараку Обаме. Сенсоры на кисти позволили пациенту почувствовать рукопожатие 44-го президента США.
Современные биотехнологии дают возможность людям «взломать» ограничения своего тела, создавая симбиоз между человеческим мозгом и компьютером. Похоже, все идет к тому, что биоинженерия скоро станет частью повседневной жизни.
Что будет дальше? Философ и футурист Макс Мор, последователь идеи трансгуманизма, с конца прошлого столетия развивал идею перехода человека на новую ступень эволюции при помощи, помимо прочего, компьютерных технологий. В литературе и кинематографе последних двух столетий проскальзывает похожая игра футуристического воображения.
В мире научно-фантастического романа Уильяма Гиббсона «Нейромант», опубликованного в 1984 году, разработаны имплантаты, позволяющие их носителю подключаться к интернету, расширять интеллектуальные возможности и заново переживать воспоминания. Масамуне Сиро, автор экранизированной недавно в США культовой японской сай-фай манги «Призрак в доспехах», описывает будущее, в котором любой орган можно заменить на бионику, вплоть до полного переноса сознания в тело робота.
Как далеко смогут зайти нейроинтерфейсы в мире, где, с одной стороны, незнание множит фантазии, а с другой, фантазии зачастую оказываются провидением?