Фото: пресс-служба ЛЭТИ
Фото: пресс-служба ИТМО
Смогут ли физики приблизить будущее, где мы будем управлять компьютером силой воли, летать на парящих автомобилях, использовать трехмерные видеозвонки, работать на квантовых компьютерах и эксплуатировать токамаки — источники чистой и дешевой энергии? Ответ: да!
Электронный мозг
Устройства, похожие на компьютеры, человечество пыталось создать много сотен лет назад. В начале XX века вблизи острова Антикитера водолазы подняли со дна моря механизм, состоящий из 30 бронзовых шестерен, помещенных в деревянный корпус. Это был Антикитерский механизм, собранный во II веке до нашей эры. С помощью этого механизма древние ученые предсказывали движения светил и делали астрологические прогнозы.
Словосочетание «искусственный интеллект» появилось в 1956 году. Сегодня всем понятно сокращение «ИИ», и искусственный интеллект помогает во многих сферах жизни: финансовой, промышленной, транспортной, образовательной, даже в сфере искусства.
ИИ работает в бинарной логике, и его развитие ограничено. Двоичная логика — универсальный инструмент размышления и вывода знаний. Строится она на двух утверждениях: истина — логическая единица; ложь — логический ноль. Такая система хорошо ложится на вычисления, но человеческий мозг намного сложнее. Поэтому ИИ плохо справляется с простейшими аспектами человеческого поведения вроде принятия решений в условиях неопределенности, неполноты знания, неточности измерений и так далее.
А сможет ли ИИ думать самостоятельно? Российские ученые из Южного федерального университета работают над проектом, результаты которого позволят развить новые материалы и конструкторские решения для воплощения «в железе» принципов действия систем ИИ, схожих с биологическими нейронными сетями.
Привлечь ведущих ученых
Уже более десяти лет в России идет масштабная Программа мегагрантов, реализуемая Минобрнауки в рамках нацпроекта «Наука и университеты». Совет по грантам отбирает наиболее актуальные и перспективные заявки на научные исследования по различным направлениям: от физики и астрономии до истории и археологии.
За время существования Программы мегагрантов создано 345 новых лабораторий, в 38 из них проходят исследования в области физики. Ученые этих лабораторий вплотную подобрались к пониманию свойств материалов для новой электроники, открыли новые свойства давно известных материалов, придумали, как выращивать уникальные кристаллы для лазерных систем и как повысить эффективность солнечных батарей, разрабатывают датчики для анализа качества воздуха, занимаются поиском темной материи и многим другим.
Программа мегагрантов — визитная карточка Российской Федерации в сфере международного научно-технического сотрудничества, средство интеграции России в мировую научную среду. Это важная часть национального проекта «Наука и университеты». Стартовала программа 9 апреля 2010 года, когда правительство приняло постановление №220 — «О мерах по привлечению ведущих ученых в российские образовательные организации высшего образования, научные учреждения и государственные научные центры…»
Научные лаборатории мирового уровня при помощи Программы мегагрантов создаются на базе вузов и научных организаций. Возглавляют их ученые из России, Индии, Турции, Китая и других стран, а также наши соотечественники, живущие за рубежом.
За годы действия программы опубликовано более 8,9 тыс. статей в ведущих российских и зарубежных научных журналах, зарегистрировано около 1,5 тыс. патентов на изобретения и научные открытия. Более 3,6 тыс. сотрудников созданных лабораторий прошли стажировки, повышение квалификации, обучение в ведущих вузах и научных организациях России и мира.
Результаты работ, профинансированных мегагрантами, стали основой более 120 монографий, создано новых или существенно модернизировано более 1,1 тыс. образовательных программ и курсов.
Существенно расширились связи российских вузов и научных организаций с передовыми научно-образовательными организациями из 40 стран мира.
Электронные устройства, повторяющие принципы работы мозга человека — нейроэлектроника — нужны для снижения издержек в решении задач ИИ. Кремниевому мозгу тесно в рамках двоичной логики, хотя даже со всеми аппаратными ограничениями уже сейчас удалось достигнуть потрясающих успехов. Как далеко шагнет развитие нейроморфных вычислений, если они будут выполняться на компонентах, в полной мере повторяющих основные свойства тех кирпичиков, из которых состоит человеческий мозг — нейронов?
Проект планируется завершить в 2025 году. Его конечной целью станет создание технологии изготовления масштабируемых нейроэлектронных компонентов для искусственного интеллекта.
«Наши разработки найдут применение в первую очередь в робототехнических системах, поскольку это позволит им не просто собирать, но и на лету анализировать поступающую информацию и автономно принимать решения. Везде, где появилась возможность внедрения систем искусственного интеллекта, есть место и для нейроморфной электроники как элементной базы для работы этих систем»,— уверен руководитель лаборатории «Нейроэлектроника и мемристивные наноматериалы» Владимир Смирнов.
В вузе уверены, что реализация проекта позволит внедрить новый опыт и передовые научные результаты в образовательный процесс и готовить кадры для микроэлектронной промышленности.
Часть научного коллектива лаборатории «Нейроэлектроника и мемристивные наноматериалы» ЮФУ на форуме BF-NAICS
Фото: пресс-служба ЮФУ
Часть научного коллектива лаборатории «Нейроэлектроника и мемристивные наноматериалы» ЮФУ на форуме BF-NAICS
Фото: пресс-служба ЮФУ
«Безэлектронные» устройства
Электронные приборы работают на полупроводниковых, чаще всего кремниевых, материалах. Для передачи, обработки и хранения информации они используют электроны (электрический ток). Однако из-за применения электричества в вычислительных устройствах, например, компьютерах, элементах памяти, процессорах и т. д., выделяется тепло. Оно перегревает кремниевые элементы, которые при очень высоких температурах теряют свои полупроводниковые свойства: выходят из строя.
Одна из задач современной электроники — создать новые физические принципы, технологии и класс материалов и устройств, которые были бы более производительными, энергоэффективными и компактными, чем кремниевые.
Здесь ученым приходит на помощь магноника — наука, изучающая свойства спиновых волн и магнонов. Магнитные материалы — железо, кобальт, никель, некоторые сплавы и соединения марганца, хрома и т. д.— выступают средой для возникновения спиновых волн (по аналогии с электромагнитными волнами), а частицами этих волн являются магноны.
Двумерное будущее
Лаборатория «Низкоразмерные квантовые материалы» была открыта в Университете ИТМО в рамках Программы мегагрантов в 2017 году. Среди направлений работы ученых — создание двумерных материалов — дихалькогенидов переходных металлов. Устройства на их основе найдут применение в гибкой электронике и оптоэлектронике, а также оптических элементах. Сейчас в лаборатории работают 30 сотрудников, активно ведется сотрудничество с ведущими исследователями в области квантовых материалов со всего мира, в том числе Китая и Южной Кореи. Опубликовано более 70 научных статей в ведущих научных журналах.
Спиновыми волнами (как и электромагнитными) можно управлять. Они возникают в магнитных материалах при относительно невысоких температурах, не вызывая перегревания. Значит, с помощью магнонов можно вести обработку информации с высокой скоростью и низкими энергопотерями. Переход на новые материалы позволит отказаться от систем охлаждения, и устройства, например, телефоны, станут более компактными.
Однако для создания магнонных компьютеров — вычислительных устройств, в основе работы которых лежат принципы искусственного интеллекта — требуется разработка эффективной методологии проектирования, компонентной базы, математических моделей и программного обеспечения. Исследования в этой сфере ведут ученые кафедры физической электроники и технологии (ФЭТ) Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». Сейчас в лаборатории проводят эксперименты по разработке искусственной нейросети, построенной на принципах магноники. Она сможет быстрее обрабатывать всевозможные сигналы и выдавать рекомендации и решения.
В сотрудничестве с корейскими учеными
Южный федеральный университет стал победителем девятого конкурса Министерства науки и высшего образования РФ на получение мегагрантов с проектом «Гибридная нейроэлектроника робототехнических комплексов и систем искусственного интеллекта на основе биосовместимых мемристивных наноматериалов». Лаборатория состоит из 28 человек, включая трех докторов наук и 13 кандидатов наук. В составе исследовательской группы ученые из зарубежных стран, в том числе профессор Университета Конкук Пак Бэ Хо и профессор Чон Гол Юна из Сувонского университета.
Задачи обеспечения технологической безопасности РФ, отраженные в Стратегии развития электронной промышленности РФ, требуют реализации новых загоризонтных технологических подходов к проектированию электронной компонентной базы. Разработка новых нейроподобных архитектур электронных компонентов в сочетании с исследованиями в области биосовместимых материалов для ЭКБ открывает принципиально новые возможности в проектировании электроники будущего.
В основе резервуарного компьютера лежит концепция использования магнитных материалов, в которых существуют спиновые волны и магноны. «Резервуаром» выступает пластина магнитного материала. Используя магноны для обработки информации в резервуарном компьютере, возможно проводить обучение искусственного интеллекта. Например, можно обучить устройство различать образы (кошка или собака).
«Резервуарный компьютер — это один из вариантов вычислительных устройств, которые обладают искусственным интеллектом. Он сравнительно прост в изготовлении, так как состоит из одного физического резервуара. Для сравнения, техническая реализация искусственной нейросети требует большого числа искусственных нейронов. В настоящее время проводятся исследования по изучению ввода, вывода и обработки данных, а также по эффективности решения задач оптимизации и распознавания образов. Такую систему возможно обучать по аналогии с классическими системами искусственного интеллекта»,— рассказывает профессор кафедры физической электроники и технологии СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Алексей Устинов, который возглавляет лабораторию магноники и радиофотоники.
Прототип резервуарного компьютера уже создан при участии ученых СПбГЭТУ «ЛЭТИ». В настоящее время проводятся исследования по изучению ввода, вывода и обработки данных, а также по эффективности решения задач оптимизации и распознавания образов.
Квантовое будущее
Развитие квантовой механики началось в XX веке и подарило человечеству лазеры, ускорители частиц, МРТ, компьютеры, мобильную связь, интернет. По мнению ученых, именно квантовая теория наиболее полно описывает явления окружающего мира, а значит, все материалы и их взаимодействия имеют квантовую природу.
В мире широко обсуждается создание квантовых компьютеров, которые можно использовать для сверхбыстрых расчетов — за несколько секунд они смогут провести вычисления, на которые сегодня тратятся годы. Но чтобы получить такой компьютер, ученым нужно разработать подходящие квантовые материалы.
Резервуарные вычисления
Лаборатория магноники и радиофотоники имени Б. А. Калиникоса открыта в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» в 2021 году под мегагрант правительства. Задача ученых — обнаружить и исследовать физические эффекты, которые затем можно положить в основу работы резервуарного вычислителя. Резервуарные вычисления — направление в области искусственного интеллекта. Оно основано на наблюдении, что не все слои нейронов в искусственной (компьютерной) нейросети обязательно изменять при обучении.
Как объясняет ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО Василий Кравцов, это класс материалов, в которых квантовая природа вещества приводит к особенным уникальным свойствам, недостижимым в традиционных материалах. Например, при наложении двух листов графена — углеродных материалов толщиной в один атом — друг на друга под определенным малым углом образуется новый материал, обладающий свойствами сверхпроводимости. Похожим образом создание других квантовых материалов приводит к новым интересным и технологически важным свойствам — магнитным, электрическим или оптическим. Разработка новых квантовых материалов важна для создания следующих поколений ячеек энергонезависимой памяти, устройств квантовых вычислений и систем квантовой криптографии.
Сегодня в Университете ИТМО работают над проектами, связанными с двумерными материалами. Один из таких проектов сфокусирован на создании эффективных генераторов одиночных фотонов. Одиночные фотоны перспективны как кандидаты для использования в качестве кубитов — квантовых битов — в системах квантовых вычислений и квантовой коммуникации. В исследованиях ученых такие генераторы создаются путем деформирования двумерного полупроводника в области размером около 100 нанометров.
В другом исследовани новые материалы создаются путем наслоения двумерных полупроводников — листов толщиной в три атома — друг на друга в определенной геометрии. Таким образом, ученые конструируют новый материал с заранее заданными оптическими и электронными свойствами, которых невозможно достичь в существующих материалах.
«В конечном итоге цель наших исследований — это разработка новых технологий и материалов для создания устройств обработки и передачи как классической, так и квантовой информации, с повышенным быстродействием и улучшенной энергоэффективностью,— рассказывает Василий Кравцов.— Сейчас наша работа находится скорее в стадии фундаментальных исследований, однако полученные результаты и созданные прототипы структур и материалов уже позволяют нам переходить к стадии первых прикладных разработок».