torstai 20. kesäkuuta 2019

5G ja laskennan lajit


To hell with more. I want better!
Ray Bradbury

5G- hypetys on ihmetyttänyt monia, ja niin itseänikin. Eihän se niin ihmeelliseltä tunnu. Kysymyksessähän on vain olemassa olevan teknologian jokseenkin loogisesti etenevä kehitys. Epäkypsälle teknologialle on ominaista, että sen suorituskyky kasvaa ennustettavasti ja jopa suoraviivaisesti. Tunnemmehan toki tietokoneiden suorituskyvyn kasvua kuvaavan Moore'n lain, ainakin nimeltä. Aivan vastaavasti tietoverkkojen suorituskyky kasvaa jatkuvasti, kun sitä mitataan tiedonsiirron tehokkuudella.

Tekniikkaa tuntevat aavistavat, mistä tuo suorituskyvyn kasvu nousee. Siirtymällä suuremmille taajuuksille radioteille voi mahduttaa aina vain enemmän informaation välityskapasiteettia. Karkeasti ottaen ilmiön takana on vuonna 1949 esitelty Shannonin teoreema, jota voidaan sanoa jopa luonnonlaiksi. Mutta ei mennä nyt sille osastolle. 

Tällä kapasiteetin kasvulla on varjopuolensa. Suurilla taajuuksilla lähetysten kantomatka lyhenee, tarvitaan tiheään sijoitettuja tukiasemia. Toisaalta radioaaltojen aiempaa suurempi vaimeneminen mahdollistaa taajuuksien tehokkaan uudelleenkäytön. Tämä kasvattaa osaltaan myös kapasiteettia. Mutta kannattaako tämä juttu todella? Tiheän tukiasemaverkon rakentaminen maksaa paljon. Onko meillä todella niin paljon siirrettävää dataa?

Katsotaanpa asiaa historiallisesta perspektiivistä. Kapasiteetin kasvu voi merkitä myös laadullista harppausta, mutta sitä on vaikeaa nähdä ennakolta. Kun tietokoneet keksittiin, niiden hyödyllisyyttä arvioitiin sen ajan laskemisen tarpeiden pohjalta. IBM-yhtiön toimitusjohtaja arveli, että maailmassa tarvitaan ehkä viisi tietokonetta. Vuoden 1954 Suomessa erittäin arvovaltaisista asiantuntijoista muodostettu valtion matematiikkakonekomitea antoi yhtä profeetallisen lausunnon. Suomessa ei ole niin paljoa laskettavaa, että tänne kannattaisi hankia tietokone - mutta koulutusta varten voitaisiin ehkä rakentaa yksi kone.

Samanainen pohdinta jatkui parin vuosikymmenen kuluttua, kun mikrotietokoneet tulivat markkinoille. Mitä niihin voisi tallentaa? Ehdotettiin kakkureseptejä. Mutta tarve oli aivan toisaalla. Tietokoneella alettiinkin käsitellä tekstiä, kuvia ja videoita. Pian tietokoneille oli jo paljon käyttöä. Ja kun tietokoneet ja tiedonsiirto kohtasivat, syntyi ensin internet ja sitten sosiaalinen media. Todellisuus ylitti moninkertaisesti futurologien spekulaatiot.

Silti 5G verkkojen ympärillä käytävä keskustelu tuntuu kiusalliselta. Taas kerran arvioimme uuden teknologian perspektiivejä nykyisen verkkojen käytön näkökulmasta. Tuoko uusi teknologia vain lisää kissavideoita ja tubettajia? Onko enää näköpiirissä laadullista harppausta?

Uskon, että sellainen harppaus tulee, mutta ehkäpä se tulee niin sanotusti puun takaa. Sieltähän se aina tulee. Joten nyt yritän kertoa, mitä sillä saralla on tulossa. Tällainen spekulointi on tietenkin uhkarohkeaa ja jopa turhaa, sillä "aika näyttää". Mutta tulevaisuuden pohdinta on niin kovin kiehtovaa. Se on myös ihmiskunnan kollektiivisen luovuuden toimintatapa ja voimanlähde. Nykyhetkeen sijoittuu se maailmaa eteenpäin vievä prosessi joka sovittaa yhteen menneisyydessä hankittua kokemusta ja tulevaisuuteen tähtäävää mielikuvittelua. 

Bioniikka on tiede, joka pyrkii ennakoimaan ja kehittämään teknologiaa luonnosta löytyvien mallien avulla. On tunnettua, että teknologia jäljittelee varasin usein luontoa. Joskus se tekee sitä tietoisesti, mutta on ehkä vielä tavallisempaa, että huomaamme tämän vasta jälkikäteen. Bioniikka ei kuitenkaan ollut tietokoneiden kehitystä vauhdittamassa. Niiden ideana oli aritmetiikan mekanisointi. Biologisten hermostojen tietojenkäsittely tunnettiin vain hyvin ylimalkaisesti. Parhaassa tapauksessa tietokoneiden ja elävien olentojen välillä nähtiin niiden tarkoituksen yleisluontoinen samankaltaisuus.

Kävi jopa päinvastoin. Tietokoneiden toimintaperiaatteesta tehtiin päätelmiä ihmisen ajattelun luonteesta, ja se meni oikeastaan täysin väärin. Hermostojen tutkimus ja tietokoneiden kehitys etenivät rinnakkain, kumpikin omilla raiteillaan. On ehkä väärin sanoa, etteivät ne vaikuttaneet toisiinsa. Mutta kun itse seurasin tätä kehitystä vuosikymmenien ajan hyvin läheltä, voisin sanoa, että tietokonetekniikan biologiasta saamia ideoita (massiivinen rinnakkaislaskenta ja assosiatiiviset muistit) ei missään vaiheessa otettu laajaan käyttöön. Siitä huolimatta, että ne sinänsä olivat kiehtovia. Hermostojen ja aivojen tutkimus puolestaan hyötyi vielä vähemmän teknisten laskentarakenteiden kehityksestä (tosin ietokoneista tuli merkittäviä tutkimuslaitteita aivojen kuvantamisen kehittyessä).

Unohdetaan nyt teknisen toiminnan yksityiskohdat ja palataan aivan juurille. Onko eliöiden hermostolla ja tietokoneilla jotain yhteistä? Vastaus on tunnettu ja myönteinen. Molemmat ovat informaatiota käsitteleviä laitteita. Voisimme hetkeksi unohtaa tietokoneet ja keksittyä eliöihin. Jo varsin yksinkertaisten eliöiden hermostot ovat hyvin suorituskykyisiä. Vaikka niiden perusosat eli hermosolut toimivat hyvin hitaasti ja tiedon siirtonopeus on vatimaton, hermostojen suoritukset ovat hämmästyttäviä. Bioniikan pohjalta voisi nyt kysyä: miten ne sen tekevät?

Ymmärtääksemme asian meidän on pohdittava laskentaparadigmojen eroa. Ihmisen rakentama tietokone ja biologinen hermosto perustuvat nimittäin täysin erilaisiin laskennan periaatteisiin. Niitä ei voi verrata toisiinsa laskentatehtävien suoritusaikoja vertaamalla - koska ne eivät suorita vertailukelpoisia tehtäviä. Laskentaparadigmat ovat vertailtavissa vain hyvin yleisellä tasolla: informaation käsittelynä. Olen kirjoittanut yleistajuisen johdannon aiheesta Tieteessä tapahtuu-lehteen.

Koetan nyt luonnehtia näitä laskentaparadigmoja laadullisella ja yleistajuisella tasolla. Aloitetaan meille tutummasta elektronisesta tietokoneesta. Tietokoneet kehitettiin alun perin aritmeettisia laskelmia varten, mekaanisten laskukoneiden sähköisiksi vastineiksi. Laskutoimitukset voidaan jakaa peräkkäisiin vaiheisiin ja niiden suoritusta voidaan ohjata muodollisen logiikan avulla. Syntyi ohjelmoinnin käsite ja välineet. Se on tietokoneen olemuksen syvinä ydintä.

Tietokoneen silmiinpistävin piirre on sen universaalisuus. Sillä voidaan suorittaa vaativaa aritmetiikkaa, mutta se pystyy myös vertaamaan ja käsittelemään symboleja. Koneella ei siten ole oikeastaan mitään erityisalaa. Yleiskäyttöisten ohjelmointikielten ja tietokoneen suorittamien tehtävien välillä ei ole mitään ilmeistä kytkentää. Tuo kytkentä syntyy ohjelmoijan luovan panoksen kautta. Tietokone on ihmisen luovan ajattelun jatke. Se on suuri etu, mutta samalla sen suorituskyvyn ja luotettavuuden vakava rajoitus.

Biologisten hermostojen toiminnan luonne on täysin toisenlainen. Hermoston laskentakyky aiheutuu hermosolujoukoista, jossa solujen väliset kytkennät määrittelevät solujoukkojen tiedonkäsittelytehtävät. Hermostossa sijaitsee suuri määrä rinnakkain toimivia tietoa käsitteleviä solujoukkoja. Kullakin joukolla on omat tehtävänsä, mutta samalla ne kommunikoivat keskenään ja vaikuttava toisiinsa. Nuo laskentaa suorittavat osat kehkeytyvät hermostoon geneettisen määräytyneinä, mutta niiden syntyyn ja kehitykseen vaikuttaa myös yksilökehityksen vaiheet ja toimintaympäristö. Tutkijat puhuvat neuroplastisuudesta eli hermoston taipumuksesta mukautua ja muuttua jonkinlaisena kiinnostavana ominaisuutena. Tosiasiassa se on paljon enemmän. Neuroplastisuus on mekanismi, joka ohjelmoi hermostot ja aivot hieman samaan tapaan kuin ohjelmoija ohjelmoi tietokoneen. Vain paljon paremmin.

Vielä eräs kiinnostava näkökulma. Mitä nuo hermoston lukuisat rinnakkain toimivat neuronikoneet tekevät? Ne ovat simulaattoreita. Ne jäljittelevät eliön itsensä toimintaa, ja samalla ne jäljittelevät ympäristöä ja sen kohteita. Jäljittelyn tarkoitus on ohjata neuronikoneiden isäntänä toimivan eliön toimintaa. Eliön hermosto ylläpitää eliön toimintaa kuvaavaa aktiivista ja ajantasaista mallia, ja samalla se ylläpitää myös toimivaa mallia eliön ympärillä olevista asioista.

Mitä tällä asialla on tekemistä 5G- verkkojen kanssa? Tämä on kirjoitukseni spekulatiivisin osa. Näen, että 5G ympäristö voisi toimia laskenta-alustana, joka olisi analoginen elollisen luonnon hermoverkkojen kanssa. Se voisi sisältää laskentakykyä ja samalla siinä olisi mukana paljon ympäristöä kuvaavaa tietoa. Näin teknologinen laskenta-alusta saattaisi saada samoja piirteitä, joita on biologisissa hermostoissa.

Tämä on tietenkin vain hämärä oivallus, ja kehitys voi luonnollisesti kulkea aivan muita polkuja. Voisiko se merkitä niin sanottua singulariteettia. Entä mitä merkitsee ylipäätään esittämäni laadullinen kuva biologisesta tiedonkäsittelystä. Onko neuroplastisuus vain tekninen ominaisuus, vai sisältyykö siihen tavoitteellisuuden ja vapaan tahdon nimellä kulkevia asioita, joita ei haluta selittää teknisesti vaan jotenkin muuten. Filosofit pohtikoon näitä asioita, se on heidän tehtävänsä. Filosofit ovat yleensä väärässä, mutta he osaavat esittää hyviä kysymyksiä.

Itselläni on pahaenteinen aavistus. Niin sanotut suuret filosofiset kysymykset yleensä katoavat, kun niitä riittävästi valaistaan tiedon valolla.

tiistai 18. kesäkuuta 2019

Röntgenkuvia avaruudesta

1990-luvun alussa olin mukana Spectrum-Röntgen-Gamma (SRG) -hankkeessa, jonka tarkoitus oli rakentaa avaruuteen laukaistava röntgenteleskooppi. Mukana oli Neuvostoliiton avaruustutkimuslaitos IKI, saksalaisia tutkijoita, ja suomesta VTT ja Outokumpu. Suomalaisten mielenkiinto johtui siitä, että Outokumpu kehitti yhdessä VTT:n kanssa röntgensäteilyn ilmaisimia. Outokummun kiinnostus puolestaan liittyi malminetsinnän ja jalostuksen tarpeisiin: röntgensäteilyn avulla voi tehdä tarkkoja mittauksia näytteiden mineraalipitoisuudesta.  

Se oli perestroikan aikaa, suuren innostuksen ja luovuuden aikaa, ainakin avaruuspuolella (ks. kirjoitus Kosmisen instituutinvieraana). Neuvostoliiton laajasta tiedemaailmasta putkahteli läntiseen julkisuuteen tutkijoita ja akateemikkoja, jotka tuntuivat pystyvän vaikka mihin. Puuhamiehenä oli Rashid Sunjajev, tataaritaustainen astrofyysikko, joka myöhemmin siirtyi Max Planck- instituuttiin Saksaan. Muistan hänet hyvin, isokokoinen mies. Sitten Neuvostoliiton hajottua projekti kuoli, sille ei enää ollut rahoitusta. SRG ei koskaan lähtenyt lentoon.  

Paitsi ehkä se lähtee kuitenkin. Yllättäen oli Nature- lehdessä artikkeli juuri samasta venäläis-saksalaisesta Spectrum-RG- avaruusteleskoopista. Hanke on näköjään noussut kuolleista. Se tulee tuottamaan keski- ja suurienergisen röntgensäteilyn (0,2 - 30 keV) kartan meitä ympäröivästä avaruudesta. Ja hankkeen vetäjänä on edelleen Rashid Sunjajev, nyt Max Planck- instituutin astrofysiikan osaston johtaja. Tai taitaa olla jo virastaan eläkkeellä, mutta hankkeestaan hän on jaksanut pitää kiinni. SRG:n laukaisu tapahtuu Baikonurista 20. kesäkuuta 2019 Proton-M raketilla.  

Tieteelliset instrumentit ovat tavattoman kiehtovia, sillä niissä ilmenee ihmisen luovuus ja kekseliäisyys äärimmäisessä muodossa. Avaruuden röntgensäteily oli pitkään tuntematonta, sillä se ei pääse maan pinnalle ilmakehän läpi. Vasta ilmapallokokeilla ja 1950- luvun satelliiteilla havaittiin, että avaruudessa säteilee. Oma aurinkommekin tuottaa röntgensäteitä, ja erityisen runsaasti niitä tulee galaksien ytimistä ja mustista aukoista. Mutta voisiko olla mahdollista rakentaa röntgenteleskooppi, joka kuvaisi noita avaruuden kohteita? Se ehkä näkisi asioita, joista muuten ei saataisi mitään tietoa. 

Tässä on fysikaalisia ongelma. Röntgensäteily on läpitunkevaa. Se ei piittaa linsseistä, ja peilitkin se läpäisee. Mutta aikanaan havaittiin, että jos röntgensäde osuu sileään metallipintaan hyvin loivassa alle kahden asteen kulmassa, se heijastuu siitä tutun heijastuslain mukaisesti. Vuonna 1952 saksalainen fyysikko Hans Wolter esitti tämän periaatteen mukaisesti jopa kolme erilaista peilikonstruktiota. Niissä röntgensäde heijastuu kaksi kertaa loivasta metallipinnasta ja fokusoituu polttopisteeseen. Wolter-peili on eräänlainen ohuista samakeskisistä metallikuorista koottu linssi. Kuin suuresta sipulista leikattu paksu viipale. Sellaisen valmistaminen riittävällä tarkkuudella on äärimmäisen vaikeaa - mutta mahdollista. Linssin polttopisteeseen tulee kuvaa muodostava anturi, digikameroistakin tuttu CCD-kenno, joka jäähdytetään kylmäksi kohinan vaimentamiseksi. 

SRG- lyhenteen G-kirjain tulee gammasäteistä. Ne ovat erittäin kovia röntgensäteitä, joita niiden läpitunkevuuden takia ei voi kuvata Wolter-peilillä. Alun perin teleskoopissa piti olla myös gammakameroita, mutta ne on jätetty pois nyt laukaistavasta satelliitista. Kovilla gammasäteillä kuvaaminen onnistuu kuitenkin, ja se on täysin erilaista tekniikkaa. 

Gammakameran idea perustuu tuttuun neulanreikäkameraan. Kuvakennon eteen asetetaan säteilyn pidättävä levy, johon tehdään pieni reikä. Tällainen kamera muodostaa gammasädekuvan, aivan samaan tapaan kuin optinen neulanreikäkamera. Ongelmana on sen pieni herkkyys: pienestä reiästä tulee vain hyvin vähän säteilyä. Voidaan tietysti tehdä useita reikiä, mutta silloin niiden muodostavat kuvat sekoittuvat, ja oikean kuvan muodostaminen on vaikeaa.  

Ratkaisuna on käyttää peittävän levyn asemasta niin sanottua koodattua maskia. Siinä on vuorotellen aukkoja ja säteilyä pidättäviä alueita. Maskin aukkojen jakautumisella on tietynlainen matemaattinen rakenne, eli maskilla on jyrkkä autokorrelaatio. Eri suunnista tulevat säteet kumoavat toisiaan, ja vain suoraan edestä tulevat säteet tulevat esiin. Ihme kyllä, tällainen kamera muodostaakin oikean gammasädekuvan, jonka erottelukyky on samaa luokkaa kuin maskin "rakeisuus". Tällaista laitetta sanotaan koodatun maskin kameraksi, "coded aperture mask camera". Erilaisia maskeja käytetään, niillä on erilaisia ominaisuuksia. 

SRG ei ole ensimmäinen röntgenteleskooppi, niitä on laukaistu avaruuteen jo puolenkymmentä. Uusimpana tulokkaana laitteella on joitain ainutlaatuisia ominaisuuksia. Se tuottaa uutta tietoa fysiikan eri alueista, kuten mustista aukoista, galaksien ytimistä, universumin suuren mittakaavan ominaisuuksista ja ehkä myös pimeästä aineesta.  

Tiede ei edisty ainoastaan ajattelemalla paremmin ja kehittämällä uusia matemaattisia malleja. Se edistyy myös rakentamalla yhä parempia tutkimuslaitteita, Tämä on pitkä perinne, joka alkoi jo 1600-luvulla.

ESA:n Integral- gammasatelliitin koodimaski

maanantai 10. kesäkuuta 2019

Kaipuu jonnekin

Katoin juuri ruokapöytää, ja minulla oli ilo laittaa esille Arabian siniseen sarjaan kuuluvia astioita. Muistan ne elävästi jo varhaisesta lapsuudesta 1950- luvulta. Ja mieleeni palautui heti, kuinka jo silloin rakastin Arabian astioiden ihmeellisiä maisemia. Kuinka voimakkaasti kaipasin tuota eksoottisia maailmaa, joissa oli tuulimyllyjä, vesimyllyjä, linnoja, vehreitä puita, kalastajia ongella, purjeveneitä. Kaihosin noita kummallisia ja epätodellisia maisemia, joiden esikuvia ei varmaankaan missään edes ole. Niiden kaukaiset mallit saattavat olla Keski-Euroopasta, mutta niissä on outo vierauden tunne, joten ne saattaisivat olla myös vaikkapa jostain Aasiasta. Joka tapauksessa ne esittävät lauhkean ja kostean ilmaston paikkoja. Niiden kuvioiden syvän sininen väri valkoisella pohjalla on perinteinen tietynlaisen lasitetun posliinin, fajanssin tyyli, ja se viittaa vahvasti vaikkapa Hollantiin - mutta maisemat eivät ole sikäläisiä. 

Mistä tuo astioiden kuvitus mahtaa olla peräisin? Suomessa niitä ei missään tapauksessa ole taiteiltu. Koska tietynlaisissa lautaisissa ja kupeissa oli aina sama kuvio, ne perustuvat painettuihin siirtokuviin, jotka on asetettu paikoilleen ennen lasitusta. Teollista piensarjatyötä, mikä ei lankaan vähennä niiden arvoa silmissäni. Ja tiedän, että monet muutkin suomalaiset rakastavat väkevästi tätä astiastoa. Vaikka se ei olekaan ns. "suomalaista disainia" isolla D- kirjaimella. Designmuseon tietokannasta sain ongittua, että taiteilijan nimi on Reinhard Richter, ja mallit on tehty 1930- luvulla. Tämä rakastettu astiasto on siis eurooppalaista teollista käyttötavaraperinnettä, ja sitä on ilmeisesti valmistettu vuosikymmeniä, aina 1960- luvulle asti. 

Mutta mikä on tämä kummallinen nostalgian laji, joka saa lapsen kaipaamaan paikkoihin, joista hänellä ei ole mitään tietoa? Se ei siis olekaan vanhan ihmisen nostalgiaa menetetyn lapsuuden paikkoihin, eikä myöskään suomalaisille tuttua Karjala-nostalgiaa kerran olleeseen, vaikka luultavasti muistoissa muuntuneeseen maailmaan. Sillä mikään muisto ei saa lasta kaipaamaan paikkoja ja maisemia, joita hän ei ole ikinä nähnyt ja joita ei edes ole. 

Jotta asia olisi mutkikkaampi, muistan toisenkin lapsuuden kaukokaipuun kohteen: minussa herättää nostalgisia tunteita Carl Barksin piirtämän Ankkalinnan maisemat. Mutta ei Don Rosan, niitä maisemia kohtaan olen kylmä. Syyn voin ehkä arvata. En kaipaa Don Rosan maailmaan, koska en pidä siitä muutenkaan.

Omaa luokkaansa ovat suomalaiset maisemamaalaukset 1800- luvun alkupuolelta. Nuo maisemat ovat outoja, ne eivät missään tapauksessa ole todellisia. Ja kuitenkin monet maalausten kohteet on nimetty jopa paikkakunnan tarkkuudella. Taiteilijat olivat saaneet eurooppalaisen koulutuksen, ja maalasivat niiden ihanteiden mukaan. Varmaan he sisimmässään tiesivät, että suomalainen maisema ei näytä sellaiselta. Mutta tiedostamattaan he toivoivat, että masemat olisivat samanlaisia kuin Etelä-Euroopassa, tai että niistä ajan myötä voisi tulla sellaisia.

Ehkä pitääkin määritellä sanaa "nostalgia" uudelleen. Kyseessä saattaakin olla kaipuu paikkaan, jota ei ole olemassa, mutta jonka toivoisi olevan. Kaipuu kohti utopiaa. Tarkkaan ottaen meillä on siis kahdenlaista nostalgiaa: kadonneen maailman ikävöinti ja toiveiden maailman ikävöinti. Nämä asiat tuntuvat samalta. Ne nostavat esiin samanlaisen tunnetilan, mutta tuon tunteen lähde on erilainen. On todella jännittävää, että lapsi, jolla ei ole takanaan pitkää koettua historiaa pystyy kuitenkin kokemaan vahvoja nostalgisia tunteita. 

Asia voidaan nähdä myös kirjallisessa perspektiivissä. Historiasta kertovat kirjat ovat erittäin suosittuja. Ehkä ihmisiä todella kiinnostaa menneiden aikojen ihmiset ja tapahtumat. Mutta suosion takana saattaa olla myös tällaisen kirjallisuuden herättämät nostalgiset tunteet. Vastaavasti kirjallisuudessa on myös tulevaisuutta luotaavia utooppisia elementtejä. Erityisen vahvoja ne ovat tieteiskirjallisuudessa, millä on omat vahvat kannattajakuntansa. 

Asia on merkittävämpi kuin saattaisi ajatella. Ihmisen henkisen toiminnan voi jaotella menneisyyden tutkimiseen ja tulevaisuuden kuvitteluun. Ja välissä on nykyisyys, missä nämä kuvitelmat vedetään yhteen ja missä tapahtuvat kaikki tärkeät ratkaisut. Eihän tässä tieteenkään mitään uutta ole sinänsä. Mutta minusta tässä on jännittävä näkökulma kulttuurin ja vaikkapa kirjallisuuden jäsentelyyn. 

Oma oivallukseni on seuraava. On olemassa kadonneeseen kohdistuvaa nostalgiaa ja tulevaan suuntautuvaa nostalgiaa. Ne tuntuvat aika lailla samalta, mutta ne ovat aivan eri asioita. Luonto vain on säästäväinen ja käyttää samaa tunnemekanismia. Voisimme antaa tunteelle oman nimensä. Jotain, joka on samalla kertaa kiehtovaa, kaihoisaa ja houkuttelevaa.



Maailma, jota ei ole. Reinhard Richterin maisema Arabian lautasessa.