Вперед — в аналоговое будущее

В Южном научном центре Российской академии наук (РАН) прошла конференция, посвященная научному приборостроению. Разговор с ее участником, доктором физико-математических наук Владимиром Мухортовым, оказался настолько интересным, что нельзя его было не предложить читателям «Живого Ростова».

Справка
Владимир Михайлович Мухортов — главный научный сотрудник ЮНЦ РАН, доктор физико-математических наук, профессор. В системе РАН работает с 1989 года в должности заведующего лабораторией сегнетоэлектрических гетероструктур Института общей физики, а с 2004 года — в той же должности в ЮНЦ РАН.

Цифра — это тупик?

Как считает Владимир Михайлович, существующий мир компьютеров в своем развитии достиг вершины. Дальше он развиваться не может. Это происходит потому, что он построен на принципе фон Неймана, согласно которому память разделена с процессором и используется два состояния — 0 и 1. Это и является камнем преткновения: чтобы обмениваться информацией между памятью и процессором, необходимы время и энергия. Нужно искать другие принципы.

Одним из вариантов является перепрограммируемое энергонезависимое запоминающее устройство с очень высокой плотностью, малым энергопотреблением, с многоуровневым изменяемым состоянием — то есть речь идет о переходе на нейроморфные вычисления по образцу человеческого мозга. Это звучит как научная фантастика, но именно это и составляет значительную часть исследования лаборатории Мухортова. Для такого запоминающего устройства нужны специфические материалы. Сегнетоэлектрики с толщиной пленки в единицы нанометров являются в данном случае самыми перспективными, но для этого необходимо управлять их свойствами, чтобы они удовлетворяли поставленной задаче.

— Мы должны работать в «аналоге», «цифра» — это тупик. Живая материя — аналоговая, она не работает в цифровом коде, поэтому мы предложили создать «железо», где память и процессор будут представлять собой единое целое, более того, они должны работать в многобитовом состоянии с перспективой перехода на аналоговые вычисления, — утверждает Владимир Мухортов.

Сегнетоэлектрики — это диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой меняется в зависимости от внешних воздействий.

Самые тонкие в мире

Для того чтобы заниматься такой задачей, нужно разработать технологию для изготовления объектов исследования, с помощью которой возможно создавать гетероструктуры с сегнетоэлектрическими пленками высокого структурного совершенства и толщиной от 4 до 200 нанометров.

— Мы привыкли, что для того, чтобы что-то произошло, должна быть причина. А природа устроена по-другому, она живет на основе законов самоорганизации и эволюции, — продолжает разговор профессор. — Обычно при разработке технологии сегнетоэлектрических пленок используется принцип атомарного роста тонких пленок в вакууме. По этому пути идет большинство исследовательских центров. Наш подход — создание систем с элементами эволюции, в которой вы создаете систему, а она сама производит нужный продукт высокого качества.

На исследования в этом направлении потрачено 30 лет. Работа завершилась созданием технологической установки «Плазма 50 СЭ». Опытную партию (15 штук) таких установок изготовили в научно-производственной фирме «Элитех» Воронежа. В нашей лаборатории из этой партии используются три. В результате мы можем делать лучшие в мире наноразмерные структуры. Наши пленки проходили испытания во многих лабораториях мира, например в Glenn Research Center NASA и других. Сотрудниками этих организаций дана высокая характеристика созданных нами гетероструктур, что вылилось в совместные научные публикации в престижных журналах.
Сегодня практически не существует ни одного университета в США, Канаде, Европе, Китае, Японии и т. д., где бы также не занимались этой проблемой.

— Сейчас что в мире главное? — спрашивает Владимир Михайлович и сам же отвечает, — это не установки, не измерительная аппаратура. Сейчас в мире главное — это сгенерировать идею. И тогда к вашим услугам все приборы мира. И мы этим пользуемся. Например, Гренобльский синхротрон (исследовательский ускорительный комплекс, источник синхротронного излучения четвертого поколения, расположенный в Гренобле, Франция. — Прим. ред.) работал на нас почти полгода бесплатно. А неделя использования только одного окна обходится его исследователям в 2 млн евро. Японцы тоже два года работали бесплатно на нашу идею. Если нам нужно что-то померить, а у нас нет прибора, мы ищем, у кого он в мире есть. Вот в Дрездене есть — отослали им образец, там провели измерения, по электронной почте прислали результаты.

Сколько ещё простоит мост?

Где могут пригодиться сегнетоэлектрические гетероструктуры? Владимир Мухортов приводит такой пример. Железнодорожный мост через Дон в Ростове-на-Дону, восстановленный после войны, известен всем. Но никто не знает, когда по нему может пройти последний состав, после чего мост рухнет. И таких мостов в России не менее 1500.

Можно по-разному подходить к контролю состояния конструкций моста. К примеру, поставить датчик. Один. И просто послушать, что мост «расскажет» о своем состоянии. Оказывается, наговорить он может многое. И если правильно расшифровать его язык, то можно сказать, когда он упадет.

— Мы сделали макет этой сложной металлической конструкции в лаборатории, — рассказывает ученый. — Научились понимать язык, на котором она нам рассказывала о процессах, проходящих в ней под действием механической нагрузки, вплоть до ее разрушения, расшифровали полученные данные, опубликовали результаты, но это оказалось никому не нужным… Жалко.

Владимир Михайлович приводит другой пример — из советского прошлого.
— Когда мы запатентовали свои датчики динамической деформации, по чувствительности на четыре порядка превосходящие полупроводниковые, меня вызвали в Госкомитет по науке и технике, — вспоминает он.

— Спросили, могу ли я поехать с ними в Новосибирск в НИИ авиации, они там нужны. Выписали командировку, приехал. Заводят меня в цех. Вот, говорят, «птичка». Мы должны ее скоро запустить. Нам нужно узнать, как она будет вся вести себя в полете и при посадке.
Это был «Буран».

— Вы можете сделать 1000 датчиков? — спросили у Владимира Мухортова.

— Конечно можем! — ответил он.

А один датчик весил 0,3 г и был толщиной 20 микрон. Питание ему не нужно, потому что он сам выдает напряжение. Сделали, отлетала «птичка», прилетела. Все нормально.

Илон Маск может отдохнуть

— Количество применений сегнетоэлектрических гетероструктур неизмеримо, — рассказывает ученый. — Например, они могут обеспечить радиовидение театра военных действий на большой площади и при этом решить проблемы радиосвязи, исключив возможность подслушивания. Для этого на основе сегнетоэлектрических гетероструктур можно сделать отражательную фазированную антенную решетку сверхвысокого разрешения, состоящую из 3000 элементов с потреблением на управление 22 Вт и работающую на частотах до 100 ГГц с общей массой 12 кг. Скорость управления острым радиолучом можно довести до 1 наносекунды. Для современных аналогов такие параметры недостижимы в принципе.

Такую антенну солдат может унести в рюкзаке. Располагая антенну на спутнике, можно обеспечить передачу больших информационных потоков и наблюдать весь театр боевых действий в реальном времени.

Илону Маску для этого пришлось запустить 3000 спутников. А здесь достаточно над территорией боевых действий «повесить» всего один спутник, и он будет полностью сканировать всю территорию. Полтора года назад я предложил этот вариант военным. Они до сих пор думают…