Молодые ученые Москвы: суперкомпьютеры, сверхпроводники и новые сотовые станции

Игорь Соловьев. Фото: M24.ru/Александр Авилов

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ Игорь Соловьев – лауреат премии Правительства Москвы. Свою награду он получил совместно с Николаем Кленовым и Сергеем Бакурским в номинации "Информационно-коммуникационные технологии".

Корреспондент M24.ru поговорил с ученым и выяснил, для чего нужны сверхпроводники, какова их роль в суперкомпьютерах и каким образом с помощью новых технологий можно заменить телефонные станции.

– Расскажите, в чем суть вашего исследования? В каких направлениях вы работаете?

Суть нашей научной работы заключается в применении эффекта сверхпроводимости в электронных устройствах, в частности, в вычислительных машинах (например, суперкомпьютерах) и устройствах приема и обработки информации.

Не знаю, слышали вы или нет, есть такие устройства – СКВИДы, отличающиеся уникальной чувствительностью к магнитному полю. На их основе делают, например, томографы. На самом деле с их помощью можно делать и приемные устройства достаточно высокочастотного диапазона.

Если сделать такое устройство широкополосным, то появится возможность, например, улучшить характеристики базовых станций сотовой связи, увеличить зону покрытия одной соты и сделать их более "емкими" за счет динамического перераспределения загруженности частотного спектра, чтобы передавать большее количество контента.

Это может позволить перейти на новый стандарт связи, когда у нас по сотовому телефону будет передаваться одновременно больше разной информации (аудио, видео, что угодно). Кроме того, одной нашей станцией можно будет заменить множество дорогостоящего оборудования.

– Каким образом?

Сверхпроводниковая технология хороша тем, что ее базовые элементы очень высокочастотны. Допустим, если стандартная тактовая частота схем на основе полупроводниковых транзисторов составляет порядка 4 ГГц, то у сверхпроводниковых схем она может быть на порядок выше – около 40 ГГц, а это уже примерно в 10 раз больше, чем частота сотовой связи, что позволяет оцифровывать сигнал без предварительного понижения частоты.

Широкополосность приемной системы может позволить не разбивать сигнал на каналы. Проще говоря, некоторые этапы обработки сигнала и соответствующее оборудование для этих этапов удастся вообще выкинуть, так что получившееся технологическое решение будет дешевле и в конечном счете проще в обслуживании.

Фото: M24.ru/Александр Авилов

– Вы сказали, что кроме этого занимаетесь также суперкомпьютерами. Могли бы рассказать об этом исследовании?

Да, второе, чем мы занимаемся, – это элементная база для суперкомпьютеров. Здесь проблема в энергопотреблении. Как ни странно, оказалось, что в суперкомпьютерах она весьма значительна, хотя в обычных компьютерах мы этого не замечаем. Единственное, что для более мощного компьютера вентиляторов больше ставим.

Но в суперкомпьютерах это та реальность, которой они живут, – приходится процессоры охлаждать жидкостью. И так суммарно на вычисления тратится слишком много энергии.

Как сейчас повышается производительность суперкомпьютеров и вообще происходит прогресс в полупроводниковой технологии? Грубо говоря, размеры базового элемента – транзистора – все время масштабируются, делаются все меньше и меньше. То есть на кристалле мы помещаем больше транзисторов, а они нам параллельно все быстрее обрабатывают.

Но сейчас получается, что характерные размеры уже столь малы, что если мы и дальше будем их уменьшать, то это приведет к тому, что половина транзисторов будет неправильно работать. Мы и сейчас уже вынуждены какую-то часть транзисторов задействовать не на полезные вычисления, а на корректировку возникающих ошибок.

Кроме того, из-за высокой степени интеграции суммарно чип нагревается очень сильно. И его сложно охлаждать – сложно из глубины чипа выводить тепло. А если он перегреется, то его структура будет разрушаться.

Если для персональных компьютеров мы еще находим какой-то компромисс и прогресс как-то движется вперед, то для больших вычислительных машин работает эффект масштаба. Для примера: один из дата-центров Facebook, обрабатывающий информацию этой социальной сети, "поедает" от 80 до 120 мегаватт – это большие мощности, сравнимые со сталелитейным заводом.

А если мы захотим сделать следующее поколение таких вычислительных машин (на три порядка увеличить количество обрабатываемой информации за единицу времени), то нам будут нужны уже гигаватты, а это слишком много.

Фото: M24.ru/Александр Авилов

Поэтому люди задумались, нельзя ли здесь применить эффект сверхпроводимости, чтобы сделать все более энергоэффективным. И сейчас уже более-менее развита вся схемотехника, то есть имеется все то, что нужно для таких компьютеров.

Но слабое место здесь – это память. Обычная память сейчас реализована на магнитных элементах. Магнитные жесткие диски, стоящие в наших компьютерах, позволяют быстро загружать программы и обрабатывать данные. К сожалению, сверхпроводимость и магнетизм – это взаимоубивающие друг друга явления.

В последнее время как-то удалось их сочетать, сделать тонкие пленочки в многослойной структуре из ферромагнетика и сверхпроводника. Нам удалось научиться переключаться между различными устойчивыми состояниями в такой структуре, которые соответствуют определенной величине или направлению намагниченности.

Так мы получили возможность записывать в этих состояниях информацию и считывать ее в сверхпроводниковых цепях. То есть, по сути, удалось более-менее найти подход к тому, как сделать память для сверхпроводящих суперкомпьютеров.

– И как далеко продвинулись ваши исследования?

Сейчас уже есть экспериментальные образцы. Но для дальнейшего развития нам нужна установка, которая могла бы производить мелкую серию.

В Зеленограде в НИИ физических проблем имений Ф.В. Лукина для этого уже сделали "чистую комнату" достаточно большого размера – чуть ли не с футбольное поле – и потихоньку заставляют ее технологическим оборудованием, которое способно производить наши микросхемы.

В частности, там есть нанотехнологический комплекс, позволяющий изготавливать микросхемы без разрыва вакуума, – все слои, все, что нужно делается без прерывания технологического цикла, что хорошо, поскольку изготавливаемая структура по ходу никак не загрязняется и не окисляется.

Но, к сожалению, пока там нет хорошего литографа. Ведь для того чтобы сделать микросхему, нужно вырезать на чипе определенный рисунок. Туда хотят поставить 16-лучевой литограф. Он будет самый передовой, сделанный под заказ, в общем, большие надежды с ним связаны.

Фото: M24.ru/Александр Авилов

– Если все-таки сравнивать с другими существующими технологиями, насколько это, грубо говоря, круто?

Мне сложно сказать о конечном экономическом эффекте, поскольку пока коммерческой реализации продуктов такой технологии нет. Хотя я знаю применение в реальной жизни (опять же из близкой области сверхпроводниковой электроники) квантово защищенного канала – это такой канал связи, по которому передается информация в виде запутанных фотонов, который на физическом уровне невозможно подслушать.

Можно сказать, что это в прямом смысле слова инновационная технология. Технология нашего ближайшего будущего. Просто пока мы не готовы продавать такие технологические решения, поскольку в России у нас еще нет соответствующего оборудования.

– С зарубежными коллегами сотрудничаете?

Безусловно, часть этой работы была сделана в сотрудничестве с американской компанией. Сотрудничество это было неслучайным, поскольку туда уехала часть людей из нашей же лаборатории в 1990-е годы, поэтому все как-то естественно получилось.

У них за эти годы больше внимания уделялось этой тематике. Поэтому так исторически сложилось, что у них лучше развита технология изготовления микросхем со сверхпроводниками. У нас она тоже есть, но сами по себе элементы более кондовые. Впрочем, если вкладывать деньги, то и мы вполне сможем достичь необходимых параметров.

– Если говорить о деньгах, помогла ли как-то в этом плане премия?

Премия помогла нам решить свои частные проблемы. Благодаря ей мы почувствовали уверенность в том, что наша работа кому-то нужна. Но масштаб ее, конечно, не совсем такой, чтобы достичь чего-то в технологиях. Там все-таки другие стоимости и вложения.

В России традиционно производство электронного оборудования (может я ошибаюсь) не так сильно развито, как, допустим, в Японии или США. Опять же, как-то так исторически сложилось. В свое время японцы, кстати, очень большое внимание уделяли форсайтам, развивали технологии, которые будут доминировать в будущем.

Но раз нас отметили, значит эта тематика сейчас актуальна. И мне очень бы хотелось, чтобы это стратегически важное направление развития суперкомпьютеров было как-то осмыслено у нас в стране и поддерживалось.

Фото: M24.ru/Александр Авилов

– Как вам кажется, есть ли будущее у этого направления?

Ну, это же не от меня зависит. Вы знаете, я пытался делать различные проекты, и очень интересные темы и идеи у меня были, но на некоторые из них не удавалось найти финансирование. Заканчивалось все тем, что мы переставали ими заниматься, потому что надо было отчитываться за то, на что давали деньги.

Поэтому если на эту тематику никто не будет давать деньги, то она умрет – это я точно могу сказать. А пока она живет за счет научных грантов, то есть это все сейчас находится на уровне фундаментальных исследований. И вопрос уже, наверное, не ко мне: есть ли желание перевести эти фундаментальные исследования в практическое русло?

На мой взгляд, сейчас есть все необходимое для этого перехода. И это не только мое мнение, это мнение и наших зарубежных коллег. Вообще, долгое время направление сверхпроводниковой электроники было, можно так сказать, факультативным, поскольку все удачно реализовывалось на основе традиционной полупроводниковой технологии.

Вы, наверно, помните те времена, когда каждый новый компьютер работал все с более высокой тактовой частотой. Потом это прекратилось и началось распараллеливание вычислений. Скоро закончится и оно, потому что и оно имеет свой предел. И люди это очень хорошо понимают.

В Америке есть программа по созданию сверхпроводникового компьютера Государственного агентства по перспективным исследованиям DARPA (реализующего исследовательские программы в интересах разведывательного сообщества США), где выделяется финансирование именно на то, о чем я говорю, – перевод результатов фундаментальной науки в практическое русло. Если у нас будет поставлена такая задача, то для ее решения у нас уже все есть.

– Вы говорили о проблемах с финансированием науки. В связи с этим не хотелось бы уехать и работать за рубежом?

Нет, не хотелось. Вы знаете, это довольно принципиальная позиция. Наверное, я про себя могу сказать, что я из хорошей семьи, потому что у меня и дед, и отец работали на благо страны.

У нас в СССР хорошо развивалась космическая отрасль. Они как раз в ней и работали, достигли хороших результатов. И мне привили понимание, что если у нас не будет людей, которые будут делать что-то для страны, именно для ее защиты, то ситуация может очень легко поменяться.

Фото: M24.ru/Александр Авилов

Помню, в юности мне казались странными слова деда: "Американцы – наши конкуренты, не смотря ни на какие улыбки и рукопожатия". Когда у нас были Борис Николаевич, Владимир Владимирович первые годы, все казалось прекрасным – мы ездили в Америку, делали совместные проекты, и все было хорошо.

Сейчас все резко поменялось и никаких рукопожатий и улыбок. Теперь я понимаю правильность его слов. Это очень хорошо, дружба должна быть между народами. Но совершенно необходимо иметь и свой потенциал, чтобы было на что опереться. Пытаться предвидеть будущее и уже сейчас развивать инновационные технологии, которые завтра позволят крепко стоять на ногах и чувствовать себя уверенно в быстроменяющейся ситуации.

Тогда ты можешь дружить и улыбаться, а если этого нет – то ты всегда в зависимом положении. Мне кажется, что это зависит от каждого из нас. То есть каждый должен хорошо делать свою работу. И если отсюда все уедут в добровольную эмиграцию, оставляя трудности другим, то в конечном итоге мы просто потеряем страну и сами станем дурным примером для других народов.

Так что, наверное, я просто по воспитанию не ощущаю себя гражданином мира. У меня все-таки есть привязанность к родине. Хотя, мне очень интересно было, когда я ездил за границу в командировки, временно работал на стажировках.

Честно скажу, что от иностранных коллег я получил много положительного опыта, понял, как строится работа за рубежом, и мне кажется, это нужно и важно – можно даже на год-два уехать. Но, по-моему мнению, пользу человек должен приносить там, где его воспитали и, кстати, потратили деньги на его обучение, потому как обучение у нас бесплатное, в отличие от Америки.

– Вы сказали, что у вас ученая семья. Что все-таки больше повлияло на ваш выбор – тяготение к семейным традициями или именно собственное желание принести пользу?

Повлияло любопытство. Мне всегда было интересно, как устроен мир, была интересна физика. Родители тут проявили нужную гибкость и не направили меня учиться в технический вуз, хотя сами они получили технические специальности и работают в прикладной области.

Было у них понимание, что если человеку что-то интересно, то нужно просто помочь ему этим заниматься. Все-таки здорово идти на работу, зная, что тебе интересно то, чем ты занимаешься. Иначе довольно грустно, у тебя большая часть жизни проходит мимо.

И я им очень за это благодарен. Как ни странно, но еще в школе эффект сверхпроводимости мне казался очень красивым, и электроника мне всегда нравилась. Поэтому я не скажу, что меня как-то специально сориентировали. Скорее помогли развиться тому, что уже было заложено.