IT stojí za DNA, družicemi i jadernými zkouškami

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 × 33 × 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.