30.01.2015

Научные сотрудники МГУ разработали сверхпроводниковую и полупроводниковую базу для приема и обработки информации

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 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:

• Супер-ЭВМ с высоким быстродействием и уникально низким потреблением энергии на одну операцию;
• 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";
• 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".

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.

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.

Источники:

1. i-mash.ru