Экспериментальный чип
Н.В. Кленов, И.И. Соловьев и С.В. Бакурский стали лауреатами премии Правительства Москвы молодым ученым за 2014 год за проект «Разработка энергоэффективной сверхпроводниковой и полупроводниковой элементной базы для систем детектирования сигнала, приема и обработки информации».
Кленов Николай Викторович является доцентом кафедры атомной физики и физики плазмы и микроэлектроники физического факультета МГУ, Соловьев Игорь Игоревич - старшим научным сотрудником НИИЯФ МГУ, Бакурский Сергей Викторович - аспирантом кафедры атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета МГУ.
Проект направлен на разработку технологий приема и обработки информации нового поколения на основе эффекта сверхпроводимости. Преимуществом разрабатываемых технологий является высокая энергоэффективность (и как следствие экономичность) и высокая скорость обработки данных. В настоящее время проект сфокусирован на создании элементной базы новых устройств – супер-ЭВМ и широкополосных цифровых приемных устройств для сотовой связи - и соответствующих ей принципов приема и передачи данных, и проведения вычислений.
Проект находится на этапе создания элементной базы новых устройств приема и обработки информации, оптимизации принципов их функционирования.
В перспективе полученные результаты будут положены в следующую основу:
1. Супер-ЭВМ с высоким быстродействием и уникально низким потреблением энергии на одну операцию;
2. Когнитивных радио-систем нового поколения, способных извлекать и анализировать информацию из окружающего «радио-пространства» и оптимальным образом подстраивать свои внутренние параметры, адаптируясь к изменениям этой «радио-среды»;
3. Квантовых компьютеров и защищенных от прослушивания на физическом уровне квантовых каналов связи.
Авторы проекта ведут на базе МГУ имени М.В. Ломоносова (в коллаборации с научными группами из института физики твердого тела РАН, Нижегородского государственного университета им. Р.Е. Алексеева, Казанского (приволжского) федерального университета) научно-исследовательские работы, направленные на реализацию заявленных амбициозных планов.
В ближайшем будущем планируется переход на стадию опытно-конструкторских работ по созданию прототипов сверхпроводниковых супер-ЭВМ, квантовых вычислителей и крипто-систем, когнитивных радиосистем, принципы функционирования которых описаны в полученных авторами патентах. Данная работа будет вестись как на базе университетов, так и с привлечением профильных организаций, таких как НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина, являющейся головной отраслевой организацией Департамента радиоэлектронной промышленности Минпромторга России по прикладным и ориентированным НИОКР по направлению «Наноэлектроника». По завершению данного этапа планируется проведение работ по привлечению инвестиций и созданию совместных предприятий для выпуска готовой продукции на базе технологических линеек предприятий отрасли.
К числу конечных потребителей результатов проекта в первую очередь можно отнести:
• Разработчиков супер-ЭВМ (с производительностью 100 петафлопс и выше);
• Организации, отвечающие за комплексный мониторинг использования радиочастотного спектра;
• Организации и компании, вовлеченные в работы по оптимизации существующих систем связи (включая участников ФЦП "Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012 - 2020 годы");
• Организации и компании, развивающие системы беспроводной связи новых поколений;
• Комплексы радиоэлектронной борьбы и радиолокационные комплексы, требующие быстрого цифрового разбиения разнородных сигналов по частотным каналам.
Разработанные технологии будут в первую очередь использованы в следующих областях:
1. Супер-ЭВМ. «В ближайшее десятилетие может быть сконструирован суперкомпьютер нового типа — сверхпроводниковый. Внешне он вряд ли будет отличаться от действующих сегодня моделей, однако при выросшей в тысячи раз производительности потребление энергии останется в разумных, по нынешним меркам, пределах, не увеличатся и размеры охлаждающей установки. Специалисты признают, что эффективность ЭВМ на существующих полупроводниковых технологиях достигла потолка из-за энергетических ограничений: чтобы запустить машину, превосходящую современные аналоги, потребуется подвести к ней гигаватты электрической мощности. Это сравнимо с показателями работы блока современной АЭС, а потому запредельно дорого. Выход один: в современной электронике необходимо найти новые подходы. Одна из перспективных альтернатив — использование сверхпроводниковых устройств. … новые ЭВМ будут решать те же особо сложные задачи, требующие обработки колоссального объема данных, что и ныне действующие суперкомпьютеры, но на более высоком уровне. Например, анализ изменений поведения атмосферы для составления долгосрочных прогнозов погоды или геномные исследования в биологии. В медицине — моделирование динамики распространения различных вирусов и их мутаций, произошедших на протяжении веков. Сверхпроводниковый компьютер обобщит информацию об эволюции тяжелых заболеваний, скажем, туберкулеза или рака, за все время, что медики с ними борются» ¬– цитата из журнала «Наука в России» (РАН), № 6, 2014, с. 42, из статьи посвященной работе настоящего проекта.
2. Когнитивные радиосистемы, включая широкополосные приемные устройства для базовых станций сотовой связи. Разработанные технологии могут найти применение так же в приемных устройствах базовых станций сотовой связи. Прогресс в области современных информационно-телекоммуникационных систем, связывается с возможностью динамического управления спектром сигнала, открывающей перспективу качественно более эффективного использования частотных диапазонов, передачи и шифрования информации. Новая технология называется «Программно-определяемое радио» от англ. «Software Defined Radio». Для реализации этой технологии необходимы сверхширокополосные устройства приема и оцифровки информации. Создание таких устройств возможно на основе разработанных и запатентованных авторами базовых элементов сверхпроводниковых широкополосных активных электрически-малых антенн и описанной выше элементной базы вычислительных систем.
3. Квантовые вычисления. Одной из перспективных технологий для решения специального класса задач являются квантовые вычисления (примеры: 1) алгоритм Шора – разложение натурального числа на простые множители, основа процедуры подбора электронного ключа к закодированной информации; 2) моделирования эволюции квантовой системы – основа современных нанотехнологий). Технологии детектирования слабых сигналов, разрабатываемые авторами, могут использоваться в схемах квантового компьютера на базе твердотельных сверхпроводящих кубитов. Разработанные принципы реализации обратимых вычислений будут положены в основу отечественных сверхпроводниковых квантовых вычислительных систем. Созданная элементная база цифровой сверхпроводниковой электроники и технологии передачи информации будет использована в качестве интерфейса между квантовыми схемами и устройствами ввода/вывода информации.
4. Иные применения. Результаты проекта могут использоваться для создания устройств детектирования и обработки слабых магнитных сигналов, используемых в областях радиоастрономии, геофизики, медицины. В частности, СКВИД-системы с линейным откликом напряжения на приложенное сверхслабое магнитное поле могут быть использованы в разрабатываемых наносенсорных биомагнитных тест-системах для быстрого (в перспективе – всего несколько минут на точный анализ) детектирования заболеваний разной природы.
На текущий момент разработки авторов проекта уже использованы в запатентованных устройствах, как высоколинейные детекторы магнитного поля, высокочастотные элементы памяти, наноразмерные зонды на основе полевого транзистора:
1. Патент РФ: Сверхпроводящий широкополосный СВЧ усилитель / Корнев В.К., Соловьев И.И., Кленов Н.В. №2353051, 20.04.2009.
2. Патент США: High linearity superconducting radio frequency magnetic field detector / Kornev V.K., Soloviev I.I., Klenov N.V., Mukhanov O.A. #US008179133, 15.05.2012.
3. Заявка на патент РФ: Зонд на основе полевого транзистора с наноразмерным каналом / Соловьев И.И., Девятов И.А., Крупенин, В.А. Преснов Д.Е., Трифонов А.С., Амитонов С.В., Крутицкий П.А., Колыбасова В.В. № 2539677, 27.12.2012. Принято решение о выдаче патента.
4. Патент РФ: Высокочастотный сверхпроводящий элемент памяти / Куприянов М.Ю., Бакурский С.В., Кленов Н.В., Соловьев И.И., Гудков А.Л., Рязанов В.В. № 2013127417, публикация от 27.12.2014.
5. Патент РФ: СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного сквида с четырьмя джозефсоновскими контактами / Соловьев И.И., Корнев В.К., Кленов Н.В., Шарафиев А.В., Калабухов А.С., Чухаркин М.Л., Снигирев О.В. № 2013128638, публикация от 27.12.2014.
6. Заявка на патент РФ: Джозефсоновский 0-пи переключатель / Куприянов М.Ю., Бакурский С.В., Кленов Н.В., Соловьев И.И. № 2013144619, 04.10.2013.
Результаты работы авторов хорошо известны научной общественности и на их основе разрабатываются концепции новых устройств. Так, например, в 2012 г. одна из сессий ведущей международной конференции по прикладной сверхпроводимости, «Applied Superconductivity Conference 2012», Портланд, США, была названа по названию изобретения авторов «SQIFs, BiSQUIDs* and Arrays» («СКИФы, биСКВИДы и цепочки», сессии устных и стендовых докладов: 1EB, 2EPN). «BiSQUID» – «БиСКВИД» – базовый элемент широкополосного сверхпроводящего детектора. Изобретение принципа функционирования и название устройства принадлежит авторам, патенты.
