Прорыв

          Экспоненциальные технологии 21-го века

На наших глазах появились прекрасные устройства и технологии, упомянутые в приведенном выше стихотворном эпиграфе, которые так круто изменили наш привычный мир. А многие из нас ещё помнят жизнь до появления холодильников, ламповых радиоприёмников, магнитофонов, чёрно-белых телевизоров, видеомагнитофонов, ЭВМ. Уже не все помнят, что за этой аббревиатурой скрывались громадные электронно-вычислительные машины размером с большую комнату, вычислительные возможности которых были меньше, чем у современного скромного настольного компьютера. А у некоторых тогда же в доме не было даже водопровода, канализации и круглосуточного электричества. Как говорил Михаил Жванецкий, “…я ж так жил многие десятилетия! Вот только не знал, что это экстрим. В родном одесском доме… туалет во дворе, на три очка… зимой минус двадцать может быть запросто”.

А что бы Вы подумали, если бы лет 10 – 15 назад прочли, что некто предсказывает: к 2030 году безнадёжно устареют автомобили с двигателями внутреннего сгорания? Вдобавок к этому солнечная энергетика вытеснит получение электроэнергии из угля, нефти, а также за счёт энергии деления тяжёлых ядер, и даже сделает ненужным поиск технологии управляемых термоядерных процессов.

Такое предсказание сделал человек по имени Тони Себа (Tony Seba). Он является предпринимателем в сфере развития бизнеса и стратегического планирования, педагогом, мыслителем, автором нескольких книг: “Чистый прорыв“(Clean Disruption),“Солнечные триллионы” (Solar Trillions), “Победитель получает всё” (Winner Takes All). Он сотрудничает с такими крупными известными компаниями, как Microsoft, Visa, Netscape и Sun Microsystems.

Такого же мнения придерживается и группа крупных ученых, инженеров и технологов, которые объединились в 2009 году в прогностический Университет Сингулярности (Singularity University) под эгидой NASA и Google.

В этой научно-популярной статье мне хотелось бы не только привлечь внимание заинтересованного читателя к взглядам Тони Себа и его приверженцев на экспоненциальное развитие некоторых технологий и связанных с ними рынков в 21-м веке. Я стремился также собрать в ней последние публикации в смежных областях, не вошедшие в другие обзоры.

Современная цивилизация пережила несколько промышленно-технологических революций, каждый раз кардинально изменяющих наш уклад, быт, привычки. Но никогда раньше эти изменения не происходили так быстро и так всеобъемлюще, как в настоящее время. Это происходит потому, что страны и континенты благодаря Интернету и развитию транспорта стали намного ближе друг к другу, так что события, открытия, новости в одном конце нашего глобального мира быстро становятся известными и доступными людям почти в любом другом его уголке.

Стремительность этих изменений связана с экспоненциальным характером развития соответствующих отраслей и связанных с ними рынков, когда рост происходит не постепенно, а ускоряется с каждым шагом. Чтобы пояснить это, придётся сделать небольшую экскурсию в математику. Те, кто “силён в математике“, могут без ущерба для понимания дальнейшего пропустить несколько следующих параграфов, для удобства набранных более мелким шрифтом.

Что же такое экспоненциальное изменение какого-то параметра? Рассмотрим рис.1.

Рис.1. График  экспоненциальной функции y = exp(x).

Если здесь ‘x’ – это время, а ‘y’ отражает изменение какого-то параметра (например, скорости процесса, быстродействия, производительности и пр.), то, как видно из рисунка, для экспоненты характерно относительно медленное увеличение параметра на начальном участке и стремительный рост на последующих отрезках времени

К примеру, так происходил рост валового внутреннего продукта Соединённых Штатов с 1890 г. до начала 2000-х годов (см. рис. 2).

Рис.2. Реальный рост валового внутреннего продукта Соединённых Штатов по годам (жирная кривая) и соответствующая этим данным экспоненциальная кривая  (rusnauka.com)

Как видно из этого графика, экспоненциальная кривая хорошо описывает реальные данные.

Одним из первых на такие закономерности обратил внимание вскоре после изобретения интегральной схемы один из основателей компании Intel Гордон Мур (Gordon Moore), сформулировавший свои наблюдения в виде эмпирического закона Мура (Moore's law). Он заметил, что каждые 24 месяца удваивается количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы.

Рост числа транзисторов на кристалле микропроцессора показан на следующем графике, где точки соответствуют наблюдаемым данным для указанных на графике процессоров, а прямая проведена  по закону Мура.

Рис.3. Зависимость количества транзисторов в чипе по годам: вертикальная ось имеет логарифмическую шкалу, поэтому экспонента по закону Мура на графике выглядит как прямая линия (hsto.org)

В качестве примечания отметим: Мур в 2007 году признал, что экспоненциальный рост физических величин невозможен в течение длительного времени, а должен стремиться к некоему пределу. Так что такие процессы должны описываться S-образными кривыми, имеющими экспоненциальный характер до точки перегиба кривой, после чего наблюдается насыщение (в случае микропроцессоров оно происходит из-за атомарной природы транзисторов, ограничения возможности отвода выделяющейся теплоты и пр.).

Рис.4. S-образная кривая для инновационной деятельности (studme.org)

Тони Себа справедливо заметил, что прорывы в технологии и рынке случались и ранее, но именно в 21-м столетии сложились благоприятные условия для их проявления во многих отраслях. Он останавливает внимание на следующих из них: аккумуляторах, солнечных батареях, электромобилях, автопилотных  автомобилях. Но вначале он приводит пример транспортного прорыва в самом начале ХХ века, публикуя ставшие знаменитыми фотографии пятой авеню Нью-Йорка, сделанные в 1900 и в 1913 годах.

Рис.5. 5-я авеню Нью-Йорка (1900). Где же автомобиль? (static5.businessinsider.com)

Рис.6. 5-я авеню Нью-Йорка (1913). Где же конь? (mobilityhouse.com)

На первой из них в море конных экипажей с трудом можно разглядеть один автомобиль. Тогда число конных экипажей в городе вызывало опасение, что скоро улицы будут завалены навозом. Как видим, этого не случилось: менее чем через полтора десятка лет  на этой же авеню уже трудно отыскать один конный экипаж в плотном автомобильном потоке. Такой прорыв в городском и междугородном транспорте стал возможным благодаря внедрению Генри Фордом конвейера при массовом производстве автомобилей, что привело к экспоненциальному росту их числа и автомобильного рынка.

Рассмотрим два широко известных примера из недавнего прошлого. Буквально на наших глазах появление цифровых фотоаппаратов напрочь вытеснило использование и производство плёночных аналогов, так что фирма Кодак (Kodak), не уловившая этой тенденции, выпала с рынка. Она в 1998 году продавала 85% всей фотобумаги в мире и имела 170 тысяч сотрудников, но обанкротилась.

В 1980-х годах начала развиваться технология мобильной связи. Как всегда бывает вначале, было трудно уловить тенденции роста этого нового рынка. Известная фирма Маккензи и Кo (McKenzie & Co) по заказу компании AT&T изучала перспективы развития спроса на мобильные телефоны. Фирма проэкстраполировала рост выпуска продукции мобильной связи, ошибочно считая, что этот показатель будет увеличиваться линейно. Она пришла к выводу, что спрос будет менее 1 миллиона в ближайшие 15 лет. А он оказался в 120 раз выше этого прогноза, то есть произошёл именно экспоненциальный рост (на ранних стадиях экспоненциальной кривой она кажется медленно растущей прямой – см. рис. 1). В результате компания AT&T потеряла шанс попасть на многомиллиардный рынок мобильной связи.

Всё это свидетельствует о важности надёжного прогнозирования, особенно в условиях постиндустриальной экономики.

Аккумуляторы, накопители энергии

В современной бытовой технике (мобильники, ноутбуки, планшеты, фотоаппараты, видеокамеры) используют аккумуляторы, чаще всего литий-ионные, появившиеся в 1991 году (корпорация Sony). Они же применяются в качестве накопителей энергии в энергосистемах и в электромобилях. Увеличение спроса на них привёл к тому, что рост ёмкости и удешевление этих аккумуляторов происходит экспоненциально в среднем со скоростью 16% в год.

Илон Маск (Elon Mask) сумел снизить стоимость производства литий-ионных аккумуляторов в течение трех лет на 30-50%, просто исключив огромные транспортные расходы. Ранее литий добывали в Южной Америке и в Австралии, его глубокую очистку проводили в Китае, собирали аккумуляторы в Японии или Корее, а окончательную сборку энергопакетов, состоящих из тысяч аккумуляторов каждый, проводили в США. При этом в них встраивают контроллер заряда для защиты от превышения напряжения заряда и температуры, ограничивая глубину разряда и ток потребления. Фирма Илона Маска Тесла (Tesla) всю эту цепочку соединила в одном месте, в штате Невада.

Эта фирма строит там Гигафабрику (Gigafactory) с производством продукции ёмкостью 35 гигаватт-часов (35 GWh) и с перспективами расширения. Её энергопакеты можно использовать не только в электромобилях, но и в жилых и офисных помещениях и на предприятиях. Для этого служат аккумуляторные системы Tesla Energy в двух модификациях Powerwall  и Powerpack.

Powerwall (мощностью 7 - 10 кВт, с габаритами 0.18*0.86*1.3 м) идёт в комплекте с системой поддержки контроля обогрева дома. Подзарядка аккумулятора производится от любого источника электроэнергии. При этом её можно производить в ночные часы, когда стоимость энергии ниже, а использовать в более “дорогое” время пиковых нагрузок. Это позволяет сэкономить порядка 30 – 50 % стоимости электроэнергии. За первые две недели после анонса выпуска Powerwall фирма Маска получила предзаказов на сумму около 1 миллиарда долларов.

 Powerpack лучше всего использовать на предприятиях: пакеты мощностью в 100 кВт можно сгруппировать в системы от 500 кВт до 10 МВт. По мнению Маска, потребности США составляют 160 миллионов энергопакетов, а общемировой спрос – около 2 миллиардов.

В перспективе накопители энергии позволят исключить необходимость в пиковых газовых генераторах, которые включают только при росте пикового потребления. Такие  генераторы составляют в США около трети всех мощностей генерации, а используются всего 6% времени, что не рационально. В Техасе накопление энергии экономически оправдано при цене хранения 350 долларов за киловатт-час. А уже сейчас она ниже, так что планируют строительство системы стоимостью 5 миллиардов долларов.

К производству новых аккумуляторов и накопителей энергии присоединились и другие крупнейшие корпорации: LG Chem, BYD, Foxconn, Samsung SDI.

Солнечная энергетика

Это самый чистый вид энергии. Она подешевела с середины 1970-х годов в 200 раз. Эффективность солнечных батарей непрерывно растёт, каждые два года удваивается количество установленных батарей, так что налицо экспоненциальный рост. Ископаемые источники энергии (углеводородные, уголь) подорожали с 1970-х годов в 6-16 раз, а солнечная энергия по сравнению с углём и нефтью подешевела в тысячи раз.

В солнечной батарее объединены полупроводниковые устройства –  фотоэлементы, прямо преобразующие солнечную энергию в электрический ток. Их размеры варьируются от встраиваемых в калькуляторы до занимающих крыши зданий. КПД фотоэлементов непрерывно растёт (от 9 –24 % для кремниевых до 44,4 % на индиево-галлий-арсенидной основе).

Первые солнечные кремниевые батареи создали специалисты компании Bell Laboratories в 1954 году. А уже в 1958 году сначала в США, а через два месяца в СССР были запущены спутники с такими батареями. В 2017 году во Франции для обеспечения электроэнергией уличного освещения деревни Tourouvre-au-Perche была открыта дорога, оборудованная 2880 солнечными панелями с годовым производством энергии 280 мегаватт-час (стоимость строительства 5 миллионов евро).

Компания SolarCity разработала специальное покрытие для домов со встроенными солнечными батареями (может быть, нечто наподобие солнечной черепицы). Илон Маск объявил о покупке этой компании за 2,6 млрд. долларов, чтобы приступить к выпуску принципиально нового продукта – “солнечной крыши” вместо установки солнечных батарей поверх неё. При этом цена солнечной крыши будет ниже стоимости обычной крыши из черепицы.

В Соединённых Штатах появились компании, которые согласно так называемой модели Нулевых Вложений (Zero Investment) бесплатно устанавливают панели поверх или вместо крыши дома, обслуживают их и владеют ими. Владелец же дома лишь оплачивает потребляемое электричество. Это выгодно и владельцу дома, и компании.

Когда дописывались эти строки, пришло сообщение из австралийского университета Ньюкасла (University of Newcastle) о том, что группа исследователей во главе с Полом Дастуром (Paul Dastoor) создала новые солнечные панели. Они предназначены для размещения на крышах и в 30 раз дешевле, чем их аналоги – панели Тесла. Панели Дастура представляют собой прозрачные легкие, гибкие и дешёвые пластиковые пленки с солнечными модулями. Последние напечатаны электронными чернилами методом обычной печати. Активный слой на пленке в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Затем модули покрывают дополнительным слоем защитного пластика. Эти панели также пригодны для повторной переработки.

Дойче Банк (‎Deutsche Bank) полагает, что к концу 2018 года цены электроэнергии солнечной энергетики и традиционных электростанций уравняются для 80% мирового рынка. А затем солнечная энергетика будет удешевляться со скоростью 41% в год, то есть экспоненциально. Так что к 2030 году она сможет удовлетворить все мировые потребности в электроэнергии.

Дешёвое электричество, в свою очередь, обеспечит изобилие доступной питьевой воды, исключив современные страхи возникновения войн за источники пресной воды.

Электромобили

Потребность в электромобилях диктуется техническим прогрессом. Эффективность двигателя внутреннего сгорания составляет около 20%, так как 80% энергии теряется на обогрев двигателя и окружающей среды. Эффективность электромоторов же достигает 95%. При этом стоимость 1 километра пробега электромобиля на порядок ниже, чем автомобиля с двигателем внутреннего сгорания.

Электрический мотор в таком  электромобиле намного меньших размеров по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и состоит только из ротора и статора, контактирующих лишь в подшипниках. Электромотор, используя прямой привод, исключает необходимость в трансмиссии. Благодаря этому динамические характеристики электромобиля, например, Telsa Model S сравнимы с таковыми для гораздо более дорогих автомобилей (Mercedes S класса или BMW 7-й серии). После краш-тестов Тесла Model S по безопасности оценён высшим рейтингом в 5 звезд и признан самым безопасным автомобилем 2013 года.

Следует учесть, что в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания имеется порядка 2 тысяч движущихся изнашивающихся частей; а, например, в электромобиле Тесла Model S их только 18. Это гарантирует резкое падение расходов на обслуживание электромобиля.

Компания Tesla пошла на беспрецедентный шаг раскрытия своих патентов на технологии электромобилей с разрешением на их свободное использование.

Прогнозируют, что уже к 2020 году электромобили станут дешевле аналогичных автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, на порядок экономичнее по топливу и в десять раз – в обслуживании. Очень вероятно, что к 2025 году электромобили вытеснят автомобили с двигателями внутреннего сгорания, по крайней мере, в развитых странах. Последние прекратят выпуск автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, а также грузовиков, автобусов и даже тракторов. Правительство Германии уже решило запретить продажу дизельных и бензиновых автомобилей с 2030 года. Нидерланды и Норвегия рассматривают похожие законодательные инициативы с запретом продаж новых автомобилей с двигателем внутреннего сгорания с 2025 года.

Интенсивно ведут исследования в области ускоренной зарядки  электромобилей, чтобы она проходила не дольше, чем заправка обычного автомобиля. Также некоторые компании, например, французская фирма Рено (Renault), изучают возможности беспроводной зарядки электромобилей на ходу с использованием вмонтированного в дорожное полотно оборудования. Система для беспроводной зарядки, разработанная американской компанией Qualcomm, способна передавать электромобилю до 20 киловатт энергии. Испытательный полигон в рамках европейского проекта FABRIC построили неподалеку от Парижа.

Такие крупные автогиганты, как GM и Ford вкладывают в электромобили миллиарды долларов. В эту гонку уже вступили не только автопроизводители, но и компании компьютерной и прочих отраслей (Apple, Google, Foxconn и другие), в том числе европейские. Они имеют в виду создание на базе электромобилей беспилотных автомобилей, являющихся по существу компьютерами на колёсах.

Беспилотные автомобили

Личные автомобили простаивают 96% времени в гаражах и на стоянках, требующих немалых затрат владельцев автомобилей. Отсюда возникло стремление увеличить эффективность использования личных автомобилей выше смехотворных 4%.

С одной стороны, интересный подход предложил сервис Убер (Uber), являющийся примером новых бизнес-моделей. У него –  новый принцип эксплуатации личных машин “Автомобиль как сервис”. Учитывая достижения мобильной связи и спутниковой навигации (позволившие любому водителю успешно конкурировать с таксистом в поиске нужного пункта назначения) и не владея собственным таксопарком, Убер привлёк к обслуживанию населения транспортными услугами сеть личных автовладельцев. Клиент по телефону заказывает автомобиль, Убер выступает в роли диспетчера и направляет по указанному клиентом адресу водителя из списка желающих выполнять работу шофёра. Экономится время ожидания прибытия такси и снижается стоимость услуги, так что возникает серьёзная конкуренция традиционным такси.

Ещё более повышается эффективность использования автомобилей с переходом на беспилотники, которые будут проводить в движении не 4%, а 80% своего времени. Число машин на улицах городов при этом должно резко уменьшиться, вместе с чем исчезнут пробки и переполненные уличные парковки.

Беспилотный автомобиль обеспечивает безопасность движения за счёт обзора окружающей среды с помощью лидара, делающего миллионы замеров в секунду на 360 градусов вокруг. Анализирует эти данные компьютер на борту автомобиля. Лидар – это аббревиатура названия “Light Identification Detection and Ranging” (световое обнаружение и определение дальности). Стоимость лидара снизилась в 70 раз за три года (2012 – 2014), достигнув 1 тысячи долларов, а его размеры и цена уменьшаются с каждым годом. Прогнозируют стоимость твердотельного лидара порядка 100 долларов при размере с почтовую марку в ближайшие годы.

Полагают, что уже около 2020 года владение личным автомобилем будет не нужно: проще и дешевле будет вызвать машину по телефону. Она самостоятельно приедет и отвезет клиента по назначению. Такая поездка станет гораздо безопаснее, исчезнет надобность в парковках, пустующих значительную часть времени. Во время поездки можно будет работать с документами и компьютером.

Это изменит и вид городов, так как парк машин уменьшится на 90-95%, атмосфера станет чище и здоровее. Резко снизится аварийность на дорогах: с одной аварии каждые 100 тысяч километров сейчас до одной аварии на 10 миллионов километров, то есть в 100 раз. Так что автостраховка подешевеет в 100 раз. Скорее всего, автомобильное страхование практически исчезнет.

Четвёртая промышленная революция

Мы живём в эпоху постиндустриальной экономики, где грядущие перемены часто называют Четвёртой промышленной революцией. Она связана с массовым внедрением кибернетических систем в производство и обслуживание человеческих потребностей, включая труд, быт и досуг.

По мнению сотрудников McKinsey Global Institute может быть автоматизирована работа, на которую расходуется около 49% времени. Это приведёт к росту производительность труда на 0,8–1,4% в год. Исследование, проведенное Cornerstone Capital Group, показало, что в течение следующих 10 лет та или иная форма автоматизации может привести к потере миллионов существующих рабочих мест.

Роботизация и автоматизация проще всего осуществляется в видах деятельности, легко поддающихся алгоритмизации. Роботы будут выполнять большую часть монотонных операций в сфере промышленного производства, вытеснив около 64% всех занятых. Роботизация, скорее всего, затронет такие сферы деятельности, как грузоперевозка и складское хранение, розничная торговля. Это коснётся также офисных работников, персонала на кухнях. В промышленном производстве не останется места для технического персонала среднего и низшего звена. Автоматизация кардинально изменит сельское хозяйство, что позволит заменить в нём около половины рабочих мест.

Использование  “интеллекта” компьютера, программ-ботов может вытеснить таких профессионалов, как банковские работники, юристы, правоведы. К примеру, алгоритмы автоматического трейдинга уже позволили инвестиционному банку Goldman Sachs резко сократить штат трейдеров по ценным бумагам. А юридическую консультацию во многих областях гораздо быстрее получить, пользуясь программами IBM Watson (с 90%-ной точностью по сравнению с 70%, сделанную юристом).

Ещё один пример. Joshua Browder (Джошуа Браудер), студент Стэнфорда, создал робота-юриста и основал сайт DoNotPay. Тот помогает своим пользователям-водителям решать различные юридические проблемы (споры по штрафам за парковку, компенсация за отмену рейсов и пр.). После ответов на ряд вопросов, клиент выясняет, есть ли у него основания для апелляции. В случае положительного ответа он получает готовый документ для подачи иска. Сайт привлек 175 тысяч пользователей, которые выиграли иски на 5 миллионов долларов. В январе 2017 года этот ресурс запустился в США (Сан-Франциско).

Широкое использование таких достижений приведёт к исчезновению многих профессий уже в ближайшие годы. Это вызовет вымывание среднего класса и увеличение разрыва между сверхбогатыми владельцами роботизированных производств и миллионами людей, чей труд обесценится, так что останется фактически два класса общества. Произойдёт постепенное сокращение рабочей недели до 30 часов, потом до 20, чтобы дать части людей время переучиться. Но рабочих мест на всех всё же не хватит.

Комитет по юридическим вопросам Европарламента рассматривает законопроект создания компаниями реестра своих роботов,  декларирования сэкономленных за счет их работы средств и обложения их владельцев социальным налогом за эксплуатацию “электронного человека”. Часть этих средств и должна пойти на компенсацию для тех, кто потерял из-за этого работу.

Поэтому всё чаще раздаются предложения о введении так называемого гарантированного безусловного (или базового) дохода, который выплачивают всем членам сообщества независимо от уровня дохода и без необходимости выполнения работы. Введение базового дохода призвано обеспечить людям достойную жизнь, освободить время для творчества и образования и заменить забюрократизированную систему государственного социального обеспечения.

Такой эксперимент уже проводят в Финляндии, планируют провести в Канаде и некоторых других странах. Население Швейцарии на референдуме (2016) отказалось от планов введения безусловного базового дохода во многом из-за опасения массового притока мигрантов.

Так как свободными останутся только творческие должности, требующие принятия нестандартных решений, то часть людей заполнит своё время участием в социальных сетях, кто-то с увлечением займётся компьютерными играми и прочими подобными видами деятельности. Но вряд ли это способно решить все проблемы. Многие люди без работы могут потерять самоуважение и смысл жизни, так как не все способны выполнять творческую работу.

Известны также примеры длительного существования больших сообществ, члены которых не работают, живут, правда, бедно, но не ощущают себя несчастными, будучи всецело погружёнными в религиозную жизнь (например, ортодоксальные общины Израиля).

Широкое использование автоматизации и роботов, несмотря на привлекательность улучшения качества жизни, несёт в себе риски повышения нестабильности мировой системы вплоть до возможного коллапса. Так что здесь ещё много работы для психологов, социологов, общественных и политических деятелей.

А у всех нас появился повод, а может быть, и цель жизни дождаться 2025 - 2030-го года, чтобы убедиться в правильности приведенных выше прогнозов. Или же иметь законное право отметить, что вновь эти провидцы сели в лужу. А мы так … (надеялись или боялись – вставить вместо точек нужное слово).  

-----------------------------