Россия и научно-технический прогресс.

[ArefievPV]

К предыдущему сообщению.

«Комплекс из двух установок»: учёный — о созданном в РФ оборудовании для выпуска применяемых в электронике наноструктур
https://russian.rt.com/science/article/1224975-uchyonye-v-rossii-sozdali-litograf-intervyu
Учёный рассказал RT о созданном в России оборудовании для выпуска наноструктур

Учёные из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого создали комплекс оборудования для выпуска наноструктур и микроструктур, которые применяются при изготовлении FED-дисплеев, солнечных элементов, электровакуумного оборудования, чувствительных элементов датчиков и т. д.

Об этом в интервью RT рассказал заведующий научно-исследовательской лабораторией «Технологии материалов и изделий электронной техники» научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» СПбПУ Артём Осипов. По словам учёного, такие области, как медицина, автомобилестроение и другие, нуждаются в поставках отечественной микроэлектроники. Разработка направлена на удовлетворение этого спроса.

— Ваша научная группа разработала комплекс оборудования, который будет изготавливать наноэлементы, необходимые для работы микроэлектроники. О чём именно идёт речь?

— Мы создали комплекс из двух установок: установку микро- и наносферной литографии методом Ленгмюра — Блоджетт и установку плазмохимического травления.

Суть микро- и наносферной литографии с помощью метода Ленгмюра — Блоджетт заключается, если говорить просто, в создании монослоя из латексных сфер на поверхности воды. Затем этот слой переносится на подложку, в нашем случае — кремниевую. Эту подложку с нанесённым на неё монослоем латексных сфер можно использовать как маскирующее покрытие при вытравливании на кремнии микро- и наноструктур. Такие структуры необходимы для работы различного микроэлектронного оборудования. К таким структурам, в частности, относятся наноиглы, наностолбики и монолитные кремниевые нанотрубки.

Плазмохимическое травление применяется при создании электроники, и с его помощью формируются необходимые микро- и наноструктуры. Плазмохимическое травление осуществляется в основном за счёт физико-химического взаимодействия между свободными атомами, ионами, радикалами и другими частицами, образующимися в плазме, и поверхностными атомами обрабатываемого материала.

Результаты нашей работы были представлены на форуме «Микроэлектроника-2023», а непосредственно само разработанное и созданное нами технологическое оборудование планируется представить на III конгрессе молодых учёных 28—30 ноября 2023 года. Отмечу, что разработку ведут сотрудники научно-исследовательской лаборатории «Технологии материалов и изделий электронной техники» в рамках реализации программы научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» СПбПУ.

В дальнейшем мы также планируем совершенствовать наше оборудование.

— Для чего будут использоваться полученные наноструктуры?

— Конечно, использование метода Ленгмюра — Блоджетт не позволяет формировать топологию изделий микроэлектронной компонентной базы и не является прямой альтернативой таким методам, как электронно-лучевая, проекционная и рентгеновская литография, однако для ряда перспективных приборных применений может занять свою нишу. Таким образом, сформированные нами микро- и наноструктуры являются основой для создания солнечных элементов (батарей, панелей, модулей и т. д.), автоэмиссионных катодов для электровакуумного оборудования или для изготовления field-emission display (FED; дисплейная технология, которая позволяет получать плоские экраны с большой диагональю. — RT).

— Какие основные трудности пришлось преодолеть вашей команде и какие технические проблемы решить, чтобы создать это оборудование?

— Конечно, было бы неплохо, чтобы в сутках было 25 часов. Все остальные проблемы решаются изучением различных источников, применением накопленного опыта и навыков, которые были приобретены ранее при выполнении смежных задач. В целом мы делали каждый узел установок пошагово и на каждом шаге тестировали разработанные и созданные узлы, после чего производили доработку. Повторяли вышеописанные действия до тех пор, пока не получили удовлетворяющий нас результат.

— Есть ли интерес со стороны бизнеса, есть ли в России компании, которые хотят начать выпуск такой продукции или нуждаются в подобном оборудовании?

— Интерес со стороны бизнеса есть, но для решения своих конкретных задач. Кому-то интересно создание массива наноигл для производства автоэмиссионных катодов, кому-то нужны отдельные узлы созданного комплекса в комплекте с уже разработанными конкретными технологиями.

— До последнего времени фактически монополистом в области производства литографов для выпуска современных процессоров была нидерландская компания ASML. Даже Китай пока только подошёл к выпуску собственного литографического оборудования. Почему на мировом рынке сложилась такая ситуация, притом что процессоры — стратегически важное оборудование? Неужели создать такое оборудование настолько сложно, что это смогли сделать только в Нидерландах, или дело в экономических факторах?

— Безусловно, подобное оборудование создать очень сложно, но это не означает, что в других странах в перспективе не будут разработаны аналоги. Хотя, как вы уже отметили, экономические факторы играют очень большую роль. Предприятия по выпуску электронной компонентной базы (ЭКБ), которые используют такие литографы, должны окупать свои затраты и получать прибыль. А если не будет спроса на отечественную ЭКБ, то нет и экономической целесообразности в налаживании выпуска такого оборудования.

Однако, когда речь идёт о технологическом суверенитете страны, рыночные механизмы не всегда должны играть основную роль. Развитие микроэлектронной области в будущем позволит развиваться и другим отраслям промышленности. В совокупности в масштабах страны это окупит все затраты на разработку и создание аналога установок литографии, которые производит компания ASML.

Также важно отметить, что в России много заводов, занимающихся мелкосерийным производством конкретных видов продукции на подложках диаметром 76—150 мм, для которых важна доступность оборудования, а не минимально возможные топологические размеры элементов и размер подложки. Эти параметры критически важны для отдельных видов техники — компьютеров, смартфонов и т. д., но ими сфера электронной продукции не ограничивается. Также есть микроэлектромеханические системы, без которых невозможно представить те же самые смартфоны, автомобили, самолёты или электровакуумные приборы, которые используются в медицине, радиолокационных системах и других областях. Это важный аспект, данные направления микроэлектронной продукции тоже нужно развивать.

[ArefievPV]

Минобороны требует запрета ChatGPT: Это оружие, загоняющее россиян в когнитивную ловушку
https://www.cnews.ru/news/top/2023-12-25_minoborony_trebuet_zapreta
Минобороны выступило за запрет использования алгоритмов генеративного искусственного интеллекта (ChatGPT и пр.) в критически важных сферах. Ведомство предупреждают: такие алгоритмы не выдают объективного результата и могут быть использованы для сбора разведывательной информации и когнитивного воздействия на население.

Опасность алгоритмов искусственного интеллекта: они воспроизводят мнения своих создателей

Использование иностранных алгоритмов генеративного искусственного интеллекта (ГИИ) представляет угрозу для национальной безопасности России. Об этом заявил замдиректора департамента информационных систем Минобороны Николай Лишин на финале конкурса «Битва искусственных интеллектов», проведенного Главным радиочастотным центром (ГРЧЦ).

Речь идет о таких алгоритмах, как ChatGPT, Midjourney, Dall-e 2, StableDiffusion и др., которые способны генерировать контент различных форматов: аудио, видео, текст, изображения и т.д.

Лишин предупреждает, что указанные алгоритмы не воспроизводят объектных моделей знаний: они обладают «внутренним содержанием программистов», которые его создают. В результате «мировоззрение» указанных алгоритмов совпадает с мировоззрением жителей западных стран в возрасте от 25 до 35 лет, а их пользователи оказываются в «когнитивной ловушке».

Лишин сравнивает это с «эффектом Голливуда»: благодаря наилучшему техническому оснащению голливудские киностудии создали контент, который недостижим в других странах. В результате люди по всеми миру стали относится к западному миру, как к своему, и желают в нем жить. Это подтверждает и опрос молодых россиян, никогда не выезжавших из страны: большинство из них считают, что США по всем параметрам опережают весь остальной мир.

Представитель Минобороны приводит пример общения с ChatGPT на тему Крыма: алгоритм выдает ответ, что данный полуостров был «аннексирован» Россией, а прошедший в 2014 г. референдум на полуострове «вызывает вопросы». Лишин сравнивает это с данными Wikipedia, имеющими схожую подачу. Однако если Wikipedia публично доступна и специалисты могут разглядеть манипуляцию в подаче информацией, то процесс общения человека с алгоритмами ГИИ никому не виден.

Опасности генеративного искусственного интеллекта

В Минобороны видят сразу несколько опасностей, происходящих от алгоритмов ГИИ. Во-первых, это информационное воздействие на население: «подмена родителей и учителей» и воспитание целых поколений, лояльных к западным странам.

Во-вторых, расположенная в открытом доступе языковая модель, лежащая в основе ГИИ, может стать источником утечки части обучающих данных, в которых могут быть персональные данные и закрытые базы данных. Соответственно, иностранные разведки могут проводить атаки на ГИИ с целью извлечения данных, лежащих в основе обучающих выборов, для получения конфиденциальной информации о технологических возможностях.

В-третьих, генерация высококачественного поддельного аудио- и видеоконтента (DeepFake) резко повышает эффективность атаки злоумышленников методов «социальной инженерии», в том числе на критическую информационную инфраструктуру (КИИ) государства.

Наконец, злоумышленники могут использовать ГИИ для повышения возможности и эффективности кибератак: искусственный интеллект может обучаться обходить системы компьютерной защиты. Существующие алгоритмы уже могут обходить CAPTCHA.

Искусственный интеллект на службе стран НАТО

На Западе давно уже поняли важность использования искусственного интеллекта для целей обороны и информационных войн. В 2014 г. при НАТО был создан Центр передового опыта для ведения войны в информационном пространстве.

Автономно от него в Канаде функционирует специализированный инновационный центр для ведения когнитивной войны с помощью ГИИ. Чтобы не привлекать внимание, этот орган не входит в список центров НАТО. А в Пентагоне в структуре Главного управления по цифровым технологиям создана рабочая группа Lima для анализа ГИИ и его интеграции в деятельность вооруженных сил.

Что нужно делать в России

В Минобороны считают алгоритмы ГИИ технологиями двойного назначения и сравнивают их с ядерным оружием. Именно благодаря наличию ядерного оружия Россия сохраняет статус сверхдержавы, поэтому для России крайне важно разрабатывать собственные технологии.

По мнению Минобороны, в России необходимо исключить внедрение (использование) иностранных больших языковых моделей в «критических» системах (системы поддержки принятия решений, медицина, военное дело, объекты КИИ и др.).

В то же время в России необходимо разработать собственные (доверенные) системы с ГИИ для недопущения информационного воздействия на российское население, в том числе когнитивного характера. Также следует регулярно проводить хакатоны для тестирования систем с ГИИ на предмет уязвимостей, «галлюцинаций» и когнитивных искажений.

[ArefievPV]

В России запустят производство квантовых процессоров для суперкомпьютеров
https://www.cnews.ru/news/top/2024-03-18_v_rossii_zapustyat_proizvodstvo
МГТУ им. Н. Э. Баумана и ВНИИА им. Н. Л. Духова анонсировали открытие первого в России контрактного производства сверхпроводниковых квантовых процессоров на 100-мм пластинах. Ученые разработали собственную технологию для перехода от изготовления «отдельных кристаллов» к серии.

Производство квантовых процессоров

Московский государственный технический университет (МГТУ им. Н. Э. Баумана) вместе с индустриальным партнером, ВНИИА им. Н. Л. Духова, планирует запустить первое в России контрактное производство сверхпроводниковых квантовых процессоров для сверхмощных компьютеров. Об этом ТАСС сообщили в пресс-службе Минобрнауки России.

«МГТУ им. Н. Э. Баумана и ФГУП "ВНИИА им. Н. Л. Духова", занимающиеся разработкой технологий квантовых компьютеров с 2016 г., анонсировали открытие первого в России контрактного производства сверхпроводниковых квантовых процессоров на 100-мм пластинах, которое будет расположено в новом кампусе МГТУ им. Н. Э. Баумана», — сказали представители министерства.

Для запуска контрактного производства будет дооснащен уже спроектированным оборудованием исследовательский кластер нового Бауманского кампуса. Кластер запущен в 2024 г., площадь чистых комнат — более 2,5 тыс. кв. м.

Технология сверхпроводниковых квантовых схем

В НОЦ ФМН (совместный научный центр МГТУ и ВНИИА) перешли от изготовления «отдельных кристаллов» к серии благодаря собственной технологии сверхпроводниковых джозефсоновских схем. На одной пластине умещаются сотни чипов различных квантовых устройств, объединенных одним технологическим маршрутом изготовления.

Ученые и инженеры научились изготовлять джозефсоновские переходы с линейными размерами в десятки нанометров с суб-нанометровой точностью. По словам авторов технологии, если представить, что чип квантового процессора 4х10 мм вырастет до размеров территории России, то джозефсоновский переход на нем — это Москва-река.

Увеличение мощности российских суперкомпьютеров

В своем обращении к Федеральному собранию в феврале 2024 г. Президент России Владимир Путин сказал о необходимости нарастить к 2030 г. совокупную мощность отечественных суперкомпьютеров минимум в 10 раз.

«Поставленная цель увеличения мощности российских суперкомпьютеров в десятки раз к 2030 г. может быть достигнута в том числе благодаря разработанным на базе МГТУ им. Н. Э. Баумана серийным технологиям квантовых сопроцессоров. При этом эффективность экзафлопсных машин на базе квантовых технологий может быть заметно выше традиционных подходов — и это при гораздо более низкой стоимости», — считает научный руководитель ВНИИА им. Н. Л. Духова Александр Андрияш.

Как пояснили агентству ученые, одним из главных факторов развития суперкомпьютеров является ускорение вычислений на основе искусственного интеллекта с решением задач, связанных с ИT-системами и основанных на использовании ИИ-сервисов. Этому способствуют новые типы вычислителей, основанные на принципах квантовой механики. Ежегодный рост потребности в сверхпроводниковых интегральных схемах должен составить более 35%.

На квантовые технологии во всем мире возлагаются большие надежды, как писал CNews в июле 2023 г. Компьютеры, решающие задачи в сотни тысяч раз быстрее мощнейших современных машин будут востребованы во всех областях деятельности, среди наиболее нуждающихся в них — фармацевтика, химическая промышленность, связь.

Пока использование квантовых вычислений — прерогатива больших, технологически продвинутых компаний и организаций. Однако искусственный интеллект прошел от математических моделей до программ в смартфонах за довольно короткий срок и, вполне возможно, квантовые устройства повторят их путь уже в обозримое время.

[ArefievPV]

СОЗДАНО ПЕРВОЕ СКОРОСТНОЕ КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КВАНТОВОГО ПРОЦЕССОРА
https://наука.рф/news/sozdano-pervoe-skorostnoe-kompaktnoe-ustroystvo-dlya-kvantovogo-protsessora/

Переключатель между пространственными каналами на чипе квантового процессора разработала команда молодых исследователей МФТИ с японскими коллегами.

Уникальность устройства определяют перестройка в широкой полосе частот — 4.8-7.3 ГГц, компактность — по занимаемой площади на чипе это 1-2 кубита (80 мкм на 420 мкм), а также максимальная рабочая мощность — -80 дБм. Об этом сообщила пресс-служба вуза.

Процессоры и вся другая цифровая логика основаны на транзисторах. Транзистор — это переключатель с электрическим управлением, который включается с помощью электрического сигнала, подаваемого на затвор. Базовая структура классического процессора — это кремниевые транзисторы. В квантовом процессоре работает другая физика, и используется совершенно другой вид переключателей.

Основное назначение квантового переключателя — управляемая маршрутизация фотонных сигналов на чипе. Это означает, что с помощью внешнего параметра можно выбирать, в какой канал из нескольких отправить конкретный сигнал. То есть переключатель — это аналог стрелки на железнодорожных путях. У самого поезда нет руля, как и у летящих фотонов, и управлять их движением можно переключением «стрелки».

Подобное устройство — квантовый переключатель — разработали физики лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ совместно с учеными из Японии. С помощью созданного узла можно значительно увеличить «транспортные» возможности схемы процессора. Переключатель позволяет сократить его размеры и необходимое число линий для конкретного эксперимента — ведь больше не нужно дублировать большие пути на чипе с небольшими отличиями. Такой способ упрощения в первую очередь необходим при разработке сложных многокубитных квантовых процессоров, ведь волноводов в таких схемах больше, чем самих кубитов. С их ростом топология схемы становится все сложней и сложней.

Основное достижение коллектива — реализация волновода с замедленной скоростью распространения сигнала.

«По сравнению с традиционно используемыми копланарными волноводами скорость распространения сигнала в нашей системе почти на два порядка ниже. Это позволило перейти в модель сосредоточенных элементов, в которой характерный размер одной ячейки много меньше длины волны. Основное препятствие для создания таких волноводов — необходимость большой электрической ёмкости, которая должна занимать пространство на чипе. Это удалось реализовать с помощью специально разработанной технологии изготовления диэлектриков с большим коэффициентом диэлектрической проницаемости. В процессе изготовления в диэлектрике создаются вкрапления металла, которые увеличивают диэлектрическую проницаемость, и, как следствие, электрическую ёмкость при той же площади конденсатора», — рассказала Юлия Зотова, соавтор исследования, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.

Ученые индуктивно связали два волновода с замедленной скоростью распространения с помощью цепочки СКВИДов. (SQUID, superconducting quantum interference device — «сверхпроводящий квантовый интерферометр», сверхчувствительный магнитомер для измерения сверхслабых магнитных полей).

«Индуктивность такой цепочки может быть перестроена с помощью внешнего магнитного поля, которое можно реализовать внешней катушкой или индуктором на чипе и поданным на них током. Меняя внешнее магнитное поле, мы меняем индуктивность цепочки СКВИДов и эффективную силу связи между волноводами. Когда связь становится достаточно сильной, сигнал проникает из одного канала в другой на определенной частоте. Таким образом, мы можем реализовывать любое соотношение сигналов на выходе для любой частоты из рабочего диапазона 4.8-7.3 ГГц», — добавил Александр Семенов, соавтор исследования, старший научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.

Что касается аналогов устройства — нужно учесть, что они ограничены теми условиями, в которые помещены сверхпроводниковые квантовые процессоры: работа при низких температурах на чипе небольшого размера (не более 2 см на 2 см) в микроволновых диапазонах частот — 1-10 ГГц. Это означает, что устройство не должно выделять тепло, его должно быть возможно изготовить на чипе, причем технологиями, совместимыми при изготовлении чипов со сверхпроводниковыми схемами. В то же время, оно должно быть компактным, быстро переключаться, а также работать в широкой полосе частот.

Известные аналоги, как правило, имеют хотя бы один из перечисленных далее недостатков: устройство либо медленное, либо усложняет процесс изготовления схемы; работает в узкой и не перестраиваемой полосе частот; имеет прекрасные характеристики, однако размер на чипе колоссален для масштабов сверхпроводниковых квантовых систем. Созданный переключатель является первым в мире устройством, лишенным всех перечисленных недостатков.

По словам разработчиков, переключатели будут востребованы не только в кубитной тематике, но и в линейных схемах экспериментов по квантовой оптике, где требуется большое число волноводов и делителей пучка. Следует отметить, что новый переключатель может работать также в режиме делителя в произвольном соотношении.

На этом этапе группа продемонстрировала работу одного устройства. В планах ученых — исследование синхронной работы нескольких таких устройств на чипах сверхпроводниковых квантовых процессоров с целью упрощения сложных схем.

Разработка представлена в международном научном журнале Physical Review Applied.

[ArefievPV]

БАУМАНСКИЕ ФОТОННЫЕ ЧИПЫ ПРЕВЗОШЛИ ПО СВОИМ СВОЙСТВАМ МИРОВЫЕ РАЗРАБОТКИ
https://scientificrussia.ru/articles/baumanskie-fotonnye-cipy-prevzosli-po-svoim-svojstvam-mirovye-razrabotki#
Командой научно-образовательного центра Функциональные Микро/Наносистемы (НОЦ ФМН) – совместного кластера МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» – разработана уникальная технология изготовления фотонных интегральных схем (ФИС). Минимальные размеры фотонных структур составляют 50-нм, а потери оптического сигнала (ключевая характеристика качества) в бауманских ФИС не превышают 5 дБ/м в телекоммуникационном диапазоне длин волн. Эти показатели опережают результаты таких лидеров мировой индустрии, как AIM Photonics, IMEC, CEA-Leti (IEEE November 2023). Фотонные интегральные схемы – наряду с источниками и детекторами одиночных фотонов – являются одним из ключевых элементов триады для создания оптических квантовых и нейроморфных процессоров, заточенных на ускорение систем искусственного интеллекта и вычислительной экосистемы устройств Индустрии 4.0.

Фотонная платформа сегодня выступает одной из ведущих в области разработки гибридных вычислительных систем на базе суперкомпьютеров с квантовыми и нейроморфными ядрами. В перспективы фотоники верят как глобальные инвесторы (только один американский стартап PsiQuantum в прошлом году привлек более $450 миллионов долларов инвестиций), так и ведущие научные группы США, Китая и Европы. В частности, с целью разработки фотонных квантовых вычислителей создан Европейский консорциум фотонной промышленности (European Photonic Industry Consortium), в который сегодня входит более 800 ведущих университетов и компаний, включая европейского лидера – компанию QuiX.

В число достижений фотонной платформы входит демонстрация квантового превосходства (Quantum Supremacy) канадским стартапом Xanadu на базе 216-кубитного процессора Borealis, облачный доступ на базе фотонных процессоров французского стартапа Quandela, прогресс в экспериментах с fusion-гейтами (логические операции со связанными кубитами) от PsiQuantum (США). Нейроморфные фотонные процессоры от американского стартапа Lightmatter, разрабатывающего оптические ускорители для ИИ, по своей мощности в экспериментах уже превосходят самые быстрые графические процессоры NVIDIA A100 более чем в 10 раз.

Первые в России – первые на мировом уровне: многослойная кремниевая технология

До настоящего времени одним из препятствий на пути создания высокоэффективных фотонных процессоров являлись высокие потери сигнала в волноводах – оптических каналах, по которым распространяются фотоны, реализуя вычислительный алгоритм. Типичный фотонный процессор состоит из разветвлённой оптической сети каналов (более 100), и даже незначительные потери излучения в каждом из них приводят к существенным ошибкам в выполнении алгоритма.  

В НОЦ ФМН разработана технология ФИС на основе волноводов из нитрида кремния, в которой применяются технологии, аналогичные производству чипов самых современных процессоров. Ее особенностью является использование в процессе сверхчистых материалов с заданной стехиометрией и оптическими свойствами (для роста высококачественного оксида кремния, например, пары воды синтезируют при сверхвысокой температуре из особо чистых водорода и кислорода), а также прецизионные процессы электронно-лучевой литографии и плазмохимического травления (Optics Express, Q1). Разработанные командой МГТУ и ВНИИА техпроцессы позволяют серийно изготавливать чипы ФИС с субмикронными волноводами, шероховатость поверхности и краев которых не превышает 1 нм, а интегральные потери в лучших структурах 1 дБ/м опережают показатели ведущих мировых фабов.

«Разработки нитрид кремниевой платформы для задач интегральной фотоники в нашем центре стартовали в 2018 году. Выбор в пользу именно этого материала неслучаен: он обеспечивает малые потери и работу в широком диапазоне длин волн, что делает его чуть ли не единственным претендентом для создания фотонных и нейроморфных сопроцессоров следующего поколения, – отметил Александр Бабурин, руководитель направления интегральной фотоники НОЦ ФМН. – Для достижения лучших на сегодня параметров ФИС за шесть лет мы разработали проприетарный технологический процесс, включающий более сотни отдельных сложнейших операций».

Точка роста кремниевой фотоники в России

Уникальные бауманские технологии станут фундаментом для реализации программы развития интегральной фотоники в России – стратегической задачи, в решение которой вовлечены ведущие технологические и научные команды страны, во главе с Минпромторгом, Фондом перспективных исследований, РНФ, Московским кластером фотоники и др.

«Наша исследовательская команда уже более 10 лет решает сложнейшие научные и технологические задачи в области интегральной фотоники и квантовой плазмоники – на мировом уровне, а в ряде случаев и лучше ведущих фотонных фабов», – говорит Михаил Гордин, ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана. – При этом главной целью мы ставим реализацию уникальных технологий в серии и их внедрение в реальном секторе экономики нашей страны – будь то картриджи для новейших секвенаторов ДНК, нейроморфные чипы для ИИ, оптические квантовые процессоры или лидары следующего поколения для беспилотников. Эти deep-технологии определят будущее, именно поэтому совместно с Московским кластером фотоники мы формируем программу развития и трансфера наших фотонных технологий на рынок».  

«Московский кластер фотоники объединяет 58 организаций из разных регионов страны. Целью организации является описание стратегического видения развития интегральной фотоники в продуктовой логике. Одна из ключевых задач – формирование квалифицированного заказа на продукты, востребованные рынком. Базовой организацией кластера является Московский центр фотоники как опытно-производственный комплекс претворения идей в жизнь», – подчеркнула Анастасия Ольхова, советник Генерального директора АО «ОЭЗ “Технополис Москва”», куратор Московского кластера фотоники.

Бауманский университет и ФГУП ВНИИА планируют расширение комплекса исследований и разработок в области интегральной фотоники в стенах нового кластера Квантум Парк, спроектированного совместно с ведущими компаниями мира и построенного в новом Бауманском кампусе. Реализация нанотехнологического комплекса уже стартовала, ближайшая стратегическая задача – оснащение центра передовым оборудованием.

[ArefievPV]

«Ростех» создал передовой тепловизор для управления техникой при нулевой видимости
https://www.cnews.ru/news/top/2024-05-06_rosteh_sozdal_peredovuyu
Госкорпорация «Ростех» создала передовую тепловизионную систему для управления техникой в условиях нулевой видимости. Тепловизионная система обеспечивает технике незаметность, позволяя управлять транспортным средством в ночное время суток и вести наблюдение за местностью с выключенными фарами.

Создана тепловизионная система

Холдинг «Швабе» российской государственной корпорации «Ростех» создал новейший образец тепловизионной системы для транспорта «Взгляд». Она позволяет управлять транспортом, вести наблюдение за объектами или поиск источников тепла, в условиях нулевой видимости.

Разработанный специалистами «Швабе» на 2024 г. тепловизионный комплекс будет интересен как силовым ведомствам, так и охранным структурам. Дальность действия прибора достигает 500 м. В отличие от других подобных устройств российский «Взгляд» гарантирует высокое качество изображения, что существенно ускоряет принятие решений в экстренных ситуациях. В дальнейшем планируется запустить тепловизионную систему в массовое производство с объемом до 100 тыс. изделий в год.

«Взгляд» позволяет управлять автомобилем и наблюдать за местностью в ночное время при выключенных фарах. Установленная на крыше автомобиля, она подключается к монитору, расположенному перед водителем. Инфракрасное изображение визуализируется при помощи тепловизора с разрешением матрицы 640 на 512 пикселей. Данные отображаются в режиме реального времени благодаря высокому оптическому разрешению, что обеспечивает четкое изображение в движении. Четкость картинки при движении на май 2024 г. обеспечивает высокоразрешающая оптическая система термостабилизированного объектива с микроболометром.

Установленное на крышу авто тепловизионная система «Взгляд» обеспечивает обнаружение и распознавание людей и техники на значительных расстояниях. Данный функционал делает «Взгляд» полезным для разведывательных структур, охраны объектов, патрулирования территорий и проведения спасательных операций, благодаря высокой эффективности в условиях слабой видимости.

Тепловое изображение или термограмма

Технологии теплового изображения представляют визуальный результат, полученный в результате процессов тепловидения. Тепловые изображения получаются с помощью специального устройства, часто называемого тепловизионной камерой или инфракрасной камерой. Тепловое изображение существенно отличается от традиционной фотографии. В то время как обычная фотография фиксирует видимый свет, отраженный от объектов, тепловое изображение представляет собой различные уровни инфракрасного излучения, излучаемого объектами.

Интерпретацию теплового изображения облегчает цветовая палитра, где каждый цвет представляет определенный диапазон температур. Например, оттенки синего часто указывают на более низкую температуру, а оттенки красного — на более жаркие области. Таким образом, тепловое изображение на 2024 г. дает подробную температурную карту исследуемой территории, выделяя горячие точки и потенциальные аномалии, которые могут потребовать дальнейшего изучения. Тепловизионные устройства, как и «Взгляд», обнаруживает инфракрасное излучение или тепло, излучаемое объектами. На основе этих обнаружений система создает «тепловой профиль» или тепловую карту области в фокусе.

Системы могут обнаруживать: проблемы перегрева и перегрузки цепей в электрических и механических системах; обнаружение и идентификация нарушителей на лини боевого соприкосновения, так и на пунктах пропуска через государственную границу; присутствие людей или животных в поисково-спасательных операциях и обнаружение горячих точек при тушении лесных пожаров.

Холдинг «Швабе»

«Швабе» объединяет несколько десятков индустриальных объектов и научных центров в 10 городах России – на 6 мая 2024 г. это ядро оптической промышленности страны. В контуре холдинга реализуется полный цикл создания – от разработки до производства – оптико-электронной аппаратуры для гражданской отрасли, а также для обеспечения государственной и общественной безопасности.

Холдинг занимается созданием крупногабаритной оптикой для космических исследований, медицинских приборов, светотехники, объективов, тепловизоров, микроскопов и других продуктов, которые можно встретить в каждом российском регионе. Оптические стекло, линзы, дифракционные решетки, лазеры и иные изделия «Швабе» установлены в различных технологических и исследовательских оптико-электронных приборах и системах. Номенклатура выпускаемой продукции – свыше шести тысяч наименований.

В «Швабе» активно занимаются развитием научно-технического потенциала, выполняя большой спектр научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. На начало мая 2024 г. на производственных площадках холдинга трудятся более 19 тыс. сотрудников. Развитию кадрового потенциала способствует система целевого обучения. Она реализуется на базе более 30 вузов и средних специальных учебных заведений в России.

Как работает тепловидение?

Тепловидение работает по простому, но эффективному принципу: все объекты излучают инфракрасную энергию в зависимости от их температуры. Эту форму энергии, невидимую для человеческого глаза, можно обнаружить и преобразовать в визуальное изображение с помощью тепловизионной системы.

Тепловизионная камера, оснащенная инфракрасным детектором, улавливает инфракрасное излучение, испускаемое всеми объектами в поле ее зрения. Полученные данные о радиации затем обрабатываются встроенным программным обеспечением (ПО) камеры. Оптическая система фокусировала инфракрасную энергию на матрице датчиков или детекторном чипе с тысячами пикселей в сетке. Софт преобразует данные в изображение, известное как тепловое изображение, отражающее изменения температуры на месте происшествия. На дисплей камеры в виде изображения отправляется матрица цветов, соответствующих температурам.

Инфракрасные камеры

Все объекты излучают инфракрасную энергию, известную как тепловая сигнатура. Инфракрасная камера обнаруживает и измеряет инфракрасную энергию объектов. Камера преобразует эти инфракрасные данные в электронное изображение, которое показывает видимую температуру поверхности измеряемого объекта.

Инфракрасные камеры на 2024 г. содержат оптическую систему, которая фокусирует инфракрасную энергию на специальном чипе детектора. Чип содержит тысячи пикселей детектора, расположенных в виде сетки. Каждый пиксель сенсорной матрицы реагирует на сфокусированную на нем инфракрасную энергию и выдает электронный сигнал. Процессор камеры принимает сигнал от каждого пикселя и применяет к нему математические вычисления для создания цветовой карты видимой температуры объекта. Каждому значению температуры присвоен свой цвет. Полученная матрица цветов отправляется в память и на дисплей камеры в виде температурного изображения этого объекта.

Многие инфракрасные камеры также оснащены камерой видимого света, которая автоматически захватывает стандартное цифровое изображение при каждом нажатии на спусковой крючок. Смешивая эти изображения, легче сопоставить проблемные области на инфракрасном изображении с реальным оборудованием или зоной, которую пользователь проверяет.

Тепловизоры делятся на две основные категории: охлаждаемые и неохлаждаемые. Охлаждаемые тепловизоры - это высокопроизводительные устройства, работающие в вакуумном корпусе и охлаждаемые криогенным способом. Такое охлаждение повышает их чувствительность, позволяя им обнаруживать разницу температур всего в 0,02°C. Хотя эти тепловизоры обеспечивают превосходную производительность, они дороги и обычно предназначены для специализированных приложений, таких как научные исследования и военные операции. С другой стороны, неохлаждаемые тепловизоры работают при температуре окружающей среды и значительно более доступны по стоимости, чем их охлаждаемые аналоги. Они разработаны для обнаружения разницы температур всего в 0,2°C и достаточно прочны для повседневного использования.

[ArefievPV]

В нейронную сеть удалось встроить функцию торможения
https://neuronovosti.ru/v-nejronnuyu-set-udalos-vstroit-funktsiyu-tormozheniya/
Ученые встроили в биофизическую модель нейронной сети мемристор — устройство, которое имитирует синапс, то есть контакт между нервными клетками головного мозга. Мемристор позволяет воспроизвести изменения в работе синапса, которые происходят в естественных условиях при обучении и запоминании информации. Благодаря этому устройство поможет приблизить механизмы работы искусственного интеллекта к тому, как работает наш мозг, и позволит в будущем быстрее проводить сложные вычисления, в том числе при реализации подобных моделей в нейроморфных чипах. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Chaos, Solitons & Fractals.

В современной науке существует фундаментальный вопрос: как работает мозг и можно ли искусственно воспроизвести происходящие в нем информационные процессы? Чтобы ответить на него, ученые используют математическое моделирование. В частности, эффекты кратковременной памяти удалось воспроизвести в биофизической модели — модели реальной структуры мозга, — а также в сверточной нейронной сети. Чтобы использовать возможности таких систем для компьютерных вычислений, нужно, чтобы электронные компоненты могли имитировать работу разных клеток мозга.

К текущему моменту развитие материаловедения и микроэлектроники привело к созданию устройства под названием мемристор, способного изменять свое сопротивление в зависимости от протекающего через него электрического тока. Такой эффект схож с синаптической пластичностью — изменением способности синапса, то есть контакта между нервными клетками, передавать возбуждение от одного нейрона к другому. Синаптическая пластичность отвечает за способность человека учиться и отчасти обеспечивает формирование кратковременной памяти. Поэтому интеграция мемристивных устройств в биофизические модели позволит сделать их работу наиболее похожей на функционирование головного мозга.

Ученые из Московского физико-технического института (Москва), Университета Лобачевского (Нижний Новгород) и Южного федерального университета (Таганрог) встроили математическую модель мемристора в ранее разработанную биофизическую модель нейросети, моделирующей передачу тормозных сигналов между нервными клетками. Такие сигналы необходимы для поддержания баланса процессов возбуждения и торможения в мозге.

Исследователи заменили тормозную синаптическую пластичность в биофизической модели нейросети на мемристивную пластичность. Модель тормозной синаптической пластичности, хотя и имитирует биологический процесс, не может быть физически воплощена в виде устройства. Поэтому авторы на примере математических моделей проверили, можно ли внедрить в нейросеть мемристор и тем самым воспроизвести экспериментально наблюдаемый эффект регуляции процессов возбуждения и торможения живых нейронов. Оказалось, что замещение тормозной синаптической пластичности мемристором не сказывается на динамике модели и позволяет также воспроизводить эффекты, наблюдаемые в экспериментах на мозге, когда проверяется память или отклик нейронов.

Таким образом, на примере созданной модели исследователям удалось показать, что внедрить мемристор в сложные нейронные сети, имитирующие системы человеческого мозга, действительно возможно. Это важно в первую очередь для того, чтобы повысить эффективность нейроморфных вычислительных систем, то есть систем, действующих по аналогии с человеческим мозгом. В дальнейшем эти результаты можно будет использовать при разработке архитектуры реальной нейронной сети, воспроизводящей биологические функции, например, обладающей памятью.

«Мы получили фундаментальный результат, позволяющий оценить функциональную значимость мемристоров для имитации информационных процессов мозга. Наша дальнейшая работа в данном направлении будет связана с интеграцией полученных результатов в архитектуры нейронных сетей и оценкой их эффективности на сложных нейроморфных задачах, например, математических вычислениях и имитации двигательной активности нейроморфного робота. Предполагается, что за счет более точной имитации информационных процессов в мозге расширятся как функциональные характеристики нейронной сети, так и ее энергоэффективность при реализации в нейроморфных чипах», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Стасенко, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Исследовательского центра в сфере искусственного интеллекта Университета Лобачевского.

[ArefievPV]

Российские ученые разработали один из самых энергоэффективных элементов компьютерной памяти на базе сверхпроводников
https://msu.ru/press/smiaboutmsu/rossiyskie-uchenye-razrabotali-odin-iz-samykh-energoeffektivnykh-elementov-kompyuternoy-pamyati-na-b.html

Ученые МФТИ, МГУ, МИСИС и ВНИИА имени Духова совместно с коллегами из Франции реализовали новый вид ячейки памяти. Проведенные эксперименты и теоретическая модель подтвердили, что джозефсоновский вихрь в переходе «сверхпроводник — нормальный металл — сверхпроводник» можно использовать как носитель информации. Принцип работы, заложенный в устройстве, позволит превзойти имеющиеся разработки по скорости и энергоэффективности. Результаты опубликованы в журнале Communications Physics. Стремление к скорости и энергоэффективности в области вычислений — это вечный марафон, где каждый финиш открывает новые горизонты. И вот, на этом пути сделан очередной прорыв: ученые представили новую криогенную память, основанную на вихрях Джозефсона.

Для реализации ячейки памяти российские ученые с коллегами из Франции создали структуру, состоящую из двух сверхпроводящих электродов, разделенных слоем нормального металла. При приложении магнитного поля в этой структуре возникают вихри Джозефсона. Идея использования вихрей в качестве носителей информации зародилась из желания создать ячейку памяти, совместимую с новейшими разработками в этой сфере. На данный момент существует целое семейство сверхпроводящих микроволновых устройств, призванное решить проблему с шумами, возникающими при передаче информации квантовому ядру. Классическая система управления кубитами требует нахождения в холодильнике рядом с квантовым процессором.

Экспериментальная реализация криогенной памяти, основанной на вихрях Джозефсона, потребовала создания сверхпроводящей структуры, состоящей из двух сверхпроводящих электродов, разделенных слоем нормального металла. При приложении магнитного поля в этой структуре возникают крошечные вихри электрического тока. Важно отметить, что эти вихри обладают гистерезисом, то есть сохраняют свое состояние после снятия магнитного поля. Это свойство стало ключевым моментом в реализации ячейки памяти.

В такой системе информация кодируется присутствием или отсутствием вихрей Джозефсона. «Сердцем» служит сверхпроводящий переход, соединенный с микроволновым резонатором. Считывание информации происходит путем измерения реакции резонатора на микроволновый сигнал. Этот метод не только не влияет на деликатное состояние вихрей Джозефсона, но и обеспечивает рекордную энергоэффективность.

«Представьте себе коробку со спичками, — говорит Дмитрий Калашников, аспирант кафедры фундаментальной и прикладной физики микро- и наноструктур МФТИ. — Если ее потрясти, вы можете услышать стук спичек, не открывая коробки. Процесс считывания информации из нашей памяти работает по схожему принципу: мы используем микроволновый сигнал малой амплитуды, чтобы “услышать” вихри Джозефсона, не влияя на их состояние».

Чтение информации из криогенной памяти практически не потребляет энергии. Но преимущества не ограничиваются этим: память на вихрях Джозефсона совместима с существующими сверхпроводящими микроволновыми устройствами, что открывает путь к созданию более сложных и производительных систем.

«Эта технология может стать ключом к созданию нового поколения высокопроизводительных компьютеров, — добавляет Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ. — Она обладает потенциалом для значительного повышения скорости и энергоэффективности вычислений».

Потенциал развития этой технологии огромен. Ученые уже работают над увеличением скорости записи, миниатюризацией резонаторов, улучшением считывания информации и созданием памяти, не нуждающейся в постоянном магнитном поле.

[ArefievPV]

ПРОТОТИП ГИБРИДНОГО ФОТОННО-ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЧИПА СОЗДАЛИ УЧЕНЫЕ ИТМО
https://scientificrussia.ru/articles/prototip-gibridnogo-fotonno-elektriceskogo-cipa-sozdali-ucenye-itmo
Ученые ИТМО создали устройство, которым возможно управлять и с помощью света и с помощью электричества: фактически гибридный чип, который в будущем может стать частью вычислительных устройств с увеличенной энергоэффективностью и большей вычислительной мощностью. Исследование проводилось в рамках программы «Приоритет 2030».

Устройство ― это многослойная тонкая пластина: подложка из оксида кремния, фотонный кристалл (решетка из оксида тантала) и лист диселенида молибдена толщиной в три атома. Оно активируется лазерным лучом и работает с помощью сцепленных частиц света и экситонов (экситоны ― связанные состояния электронов и образовавшихся на месте возбужденных электронов пустот ― дырок). Сцепленные частицы света и экситоны называются экситон-поляритонами. Одновременно в устройстве есть входные и выходные электрические контакты. Управлять состояниями экситон-поляритонов можно и с помощью света, и регулируя напряжения в пластинке.


Ссылка на рисунок: https://pubs.acs.org/cms/10.1021/acs.nanolett.4c01475/asset/images/medium/nl4c01475_0005.gif

«Мы рассматриваем устройство как оптическое, которое возможно подстраивать с помощью электричества. Можно считать это элементом фотонного компьютера, который управляется не только при взаимодействии со светом, но и при подаче на него определенного напряжения. Основная задача устройства ― быть элементом для модуляции света, и в дальнейшем оно может быть использовано для выполнения вычислений. То есть, при попадании света устройство переходит в различные состояния, что можно сопоставить с выполнением логических операций», ― рассказал ведущий научный сотрудник физического факультета, сотрудник лаборатории «Низкоразмерные квантовые материалы» ИТМО Василий Кравцов.

Фотонные вычислительные устройства, которые рассматривают как возможную альтернативу электронных, способны значительно снизить энергопотребление и увеличить быстродействие. Но аппараты, использующие свет,  значительно больше классических. Кроме того, принципы и технологии производства электронных устройств хорошо известны и налажены, в то время как для фотоники нужны новые методы. Такие гибридные устройства, как созданный в ИТМО прототип, могут стать промежуточным переходом от электричества к свету.

«В электронных устройствах есть различные потери, например, тепловые. Предполагается, что их можно значительно снизить, если использовать фотонные компоненты. Но на нынешнем этапе рассматривается не замена классических электронных компьютеров, а разработка неких оптических сопроцессоров, которые будут быстрее и энергоэффективнее решать определенные специализированные задачи, например, перемножения матриц ― это необходимо для развития нейросетей и машинного обучения», ― сказал Василий Кравцов.

Сейчас создатели устройства занимаются разработкой квантовых симуляторов ― устройств, решающих сложные для классических способов задачи с помощью квантового алгоритма. «Мы  пытаемся разработать квантовый симулятор на основе двумерных полупроводников. Для его создания нужно использовать не только однослойный проводник, как в последней работе, но и  двуслойные проводники, где два слоя повернуты под определенным углом», сказал Василий Кравцов.

P.S. Ссылка в дополнение:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c01475

[ArefievPV]

«Умный» кристалл сделает вычислительные алгоритмы быстрее и эффективнее
https://neuronovosti.ru/umnyj-kristall-sdelaet-vychislitelnye-algoritmy-bystree-i-effektivnee/
Ученые создали на основе металлоорганического кристалла нейроморфный элемент — устройство, запоминающее и обрабатывающее информацию по принципам, схожим с работой головного мозга. Кристалл на основе цепочек полимера и кластеров меди оказался способен примерно в тысячу раз дольше хранить информацию, чем большинство других новых «запоминающих» материалов. Разработка может использоваться для реализации сложных вычислительных алгоритмов, более производительных и быстрых, чем современные вычислительные архитектуры. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Communications Materials.

Материалы, используемые для создания устройств обработки информации и хранения данных, за последнее десятилетие сильно усовершенствовались. Так, например, использование двумерных (толщиной в один или несколько атомов) соединений вместо трехмерных позволило уменьшить размер и энергопотребление запоминающих элементов (чипов). Однако большинство материалов до сих пор не могут обеспечить эффективную работу сложных нейроморфных систем — алгоритмов, по принципу работы напоминающих функционирование головного мозга. Они интересны потому, что позволяют за минимальное время и с относительно небольшим энергопотреблением одновременно выполнять сложные вычисления, хранить и обрабатывать огромные объемы информации. Поэтому ученые ищут и совершенствуют материалы, которые обеспечат работу таких систем.

Исследователи из Университета ИТМО (Санкт-Петербург), Санкт-Петербургского государственного университетаи Университета Тунцзи (Китай) создали нейроморфный вычислительный элемент на основе кристалла металлоорганического соединения, чувствительного к лазерному излучению. Выбранный авторами материал представляет собой пористую матрицу из полимера и кластеров меди, в порах которой находятся связанные с полимером молекулы воды. Когда на вещество действуют лазерным излучением, молекулы воды временно отщепляются от внутренней поверхности пор, в результате чего нелинейно изменяются электронные свойства кристалла. Такая реакция напоминает ответ нервной клетки на поступающий извне химический стимул, то есть материал демонстрирует нейроморфное — подобное нервной ткани — поведение. Изменение электронных свойств кристалла можно использовать для хранения информации — если ее в зашифрованном виде (в виде электрических импульсов двух типов — аналогичных «0» и «1») пропустить через кристалл, она на определенное время изменит электронное состояние, то есть «запишется».

Так, авторы протестировали запоминающий элемент, с помощью электрических импульсов передав на него закодированную в двоичном формате («0» и «1») информацию. Оказалось, что длительность хранения данных может достигать 200 дней, что примерно в тысячу раз больше, чем у большинства современных материалов для нейроморфных элементов. При этом необходимая для работы кристалла напряженность электрического поля была в 10 раз меньше той, что требуется для других запоминающих элементов.

Затем исследователи создали нейроморфный вычислительный элемент на основе такого кристалла, к которому были подведены два золотых контакта. Одновременная подача электрических и световых импульсов через эти контакты перевела кристалл в сложное электронное состояние, параметры которого управлялись светом и позволили наблюдать эффекты «запоминания» и «забывания» информации. С использованием такого нейроморфного поведения исследователи создали компьютерную модель нейронной сети и на примере 60 000 изображений обучили ее распознавать рукописный текст. Последующее тестирование алгоритма на дополнительных 10 000 изображений показало, что точность распознавания текста составляет 100%, а само распознавание может быть выполнено многократно (более 50 раз).

«Пока это была только симуляция на основе экспериментальных данных о поведении исследуемого материала, а не прямой эксперимент с физическим устройством, обрабатывающим изображения. Симуляция позволила нам оценить потенциал металлоорганического соединения для задач машинного обучения. В дальнейшем нам предстоит создать реальную нейроморфную сеть на базе таких кристаллов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Валентин Миличко, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета Университета ИТМО.