Эльдар Габитов: “В XXI веке фотоника сыграет ту же роль, что паровая машина в XIX или электроника в XX веке”

Осенью прошлого года на заседании руководителей и представителей министерств науки, технологий и инноваций стран-участниц БРИКС одним из перспективных направлений в научных разработках была названа фотоника. 30-31 мая 2016 года состоится первая, организованная Сколтехом, конференция стран-участниц БРИКС, посвящённая этому направлению научных исследований. О том, почему назрела необходимость в проведении этого форума и какое влияние он окажет на развитие науки и технологий, мы попросили рассказать Ильдара Габитова, директора Центра фотоники и квантовых материалов Сколтеха.

gabitovИ. Габитов: На сегодняшний день развитие электроники, существенным образом изменившей технологию прошлого века, вступает в новую фазу. В ряде приложений ее возможности приближаются к физическому пределу, что требует поиска новых технологических решений.

В прошлом развитие электроники происходило в несколько этапов: сначала были поняты базовые принципы, созданы основные компоненты устройств электроники, такие как конденсаторы индуктивности, сопротивления, радиолампы, и т.д. Позже появились полупроводниковые диоды, и транзисторы, применявшиеся в электронных схемах различного назначения, начиная от связи и заканчивая управлением. Характерной особенностью этого этапа является “дискретный” характер устройств электроники. Затем, во второй половине ХХ века, появились устройства высокой степени интеграции – микросхемы, а потом и процессоры содержащие громадное количество элементарных компонент. В результате произошёл переход количества в качество, наиболее яркой и понятной иллюстрацией которого, может служить современный смартфон. Лет 15-20 назад нельзя было представить не только возможности этого устройства, но и в какой-то мере вообразить появление потребности в его существовании. Невозможно было помыслить, что в короткий срок   у человечества появятся технологические возможности для промышленного производства столь мощной и компактной электроники используемой не только в специальных приложениях, но и в быту. К примеру, вспоминая телевизионные сериалы Star Track отметим, что диалоги с компьютером для подключения к информационным базам данных были так же фантастично нереальны, как и мгновенные перемещения в пространстве. Сегодня подключение к информационным сетям, доступное в прошлом только воображаемым героям фантастики, является повседневной реальностью для любого со смартфоном   в руке. Возможности современной электроники в значительной степени обусловлены прорывными достижениями в области технологии устройств высокой степени интеграции.

Однако высокая степень интеграции явилась в свою очередь источником ограничений дальнейшего развития устройств электроники. Миниатюризация и высокая плотность компонент процессоров привели к возникновению множества проблем. Во-первых, каждый элемент электронного устройства выделяет тепло. Тепловыделение отдельного транзистора незначительно, однако вследствие высокой плотности транзисторов суммарное тепловыделение становится существенным, что приводит к перегреву процессора из-за отсутствия материалов, способных эффективно отводить тепло. Вторая проблема связана с малыми размерами элементов процессора. Хорошо известно, что по законам физики, с малых объектов очень хорошо «стекает» заряд. Неконтролируемая утечка заряда в свою очередь приводит к увеличению вероятности возникновения ошибки при работе устройства. Кроме того, при большой плотности элементов, включая электрические соединения, возрастают паразитные ёмкости, индуктивности и сопротивления. Результатом является увеличение характерного времени переходных процессов, что препятствует повышению тактовой частоты. В течение последние нескольких   лет тактовая частота практически не растёт, дальнейший прогресс осуществляется в результате совершенствования архитектуры процессоров. И наконец, число электронов, принимающих участие в элементарном логическом акте, приблизилось к единице, что является естественным ограничением процесса дальнейшей миниатюризации.

Совокупность перечисленных проблем формирует серьёзные ограничения в развитии различных приложений электроники. Растущие требования, предъявляемые к информационным системам, вызвали к жизни идею использовать в качестве носителей информации не электроны, а фотоны. Аналогичная ситуация имеет место во многих других приложениях, что привело к возникновению фотоники – области науки и техники, где на смену электронам пришли фотоны.

Фотоника является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей. По разным оценкам, сегодня до 30-40% выпускаемой в мире продукции создаётся с использованием фотоники. Оптоволоконная коммуникация является наиболее ярким примером развития фотонных технологий, преобразившей нашу жизнь. Существует замечательное высказывание, принадлежащее M. Weiser (“The Computer for the 21st Century,” Scientific American, 2659(3) pp. 66-75, 1991): “Наиболее значимыми технологиями являются те, что исчезают. Они вплетаются в ткань повседневной жизни, становясь неотличимой от нее”. Фотоника это тот самый случай технологий, органично вплетённой и “растворившейся” в нашей жизни. Она нашла своё место   во всех сферах человеческой деятельности – от информационных технологий до сельского хозяйства.

Однако на пути развития фотоники стоит множество серьёзных проблем. Электроны имеют заряд, поэтому могут управляться электрическим или магнитным полями. Фотоны нейтральны и сейчас перед наукой стоит проблема эффективного управления фотонами. Отсутствие эффективных механизмов управления потоками фотонов является одной из причин отсутствия быстродействующих оптических компьютеров, а также систем обработки информации, основанные исключительно на устройствах фотоники.

Создание устройств фотоники высокой интеграции является одним из важнейших направлений исследований. Отсутствие материалов, пригодных для создания таких устройств, ограничения по локализации фотонов размерами длины волны, оптические ключи и многое другое представляют серьёзные препятствия на пути решения данной проблемы.   Сегодня над решением проблемы создания устройств фотоники высокой степени интеграции ведется интенсивная работа, включая исследования   в рамах национальных программ принятых в США, Европе, и Китае.   Предсказать в полной мере, к каким технологическим сдвигам может привести решение этой задачи, практически невозможно. Об их масштабах можно лишь догадываться, проводя аналогию с тем, как за последние 15-20 лет изменилась жизнь человечества после прорывных достижений в электронике.

Фотоника определена правительством России как критическая технология для нашей страны. Аналогичное решение принято   странами – БРИКС. Наряду с Индией наша страна выступает ответственной за развитие программы фотоники в рамках БРИКС. Развитие фотонных технологий требуют привлечения значительных финансовых и интеллектуальных ресурсов. Для стран БРИКС имеет смысл объединить интеллектуальные и финансовые возможности, опыт и компетенции, накопленные в этой области.

P4-DrachevСреди других докладов  на конференции будет представлен анонсирующий обзор “Биомедицинские применения фотоники” Дмитрия Горина и Владимира Драчева. По словам самого Владимира Драчева, ранее работавшего в Институте физики полупроводников РАН и Университете Сев. Техаса, а ныне отвечающего в Сколтехе за исследования в этой области, – “Фотоника не только играет все более и более важную роль в информационных технологиях — свет является источником энергии для всего живого и играет все более важную роль в решении различных химических, биологических и медицинских прикладных задач. Миниатюрные интегрированные носители оптоэлектронных датчиков, соединенные с информационными сетями, способны совершить переворот в биологии и здравоохранении. Развитие персонализированной медицины несомненно приведет не только к существенному повышению качества диагностики и лечения, но сделает возможной реализацию концепции превентивной медицины. Это требует разработки и создания новых комплексных систем включающих быструю и точную диагностику, практически непрерывного мониторинга состояния организма на трех уровнях – клеточном, тканевом, системном, доставки биологически активных веществ и их дистанционное высвобождение в зависимости от данных мониторинга. Следуя указанной тенденции, данный обзор отражает современное состояние биомедицинских применений фотоники и состоит из двух частей: биомедицинские сенсоры и системы визуализации высокого разрешения, и системы адресной доставки лекарств, фото-терапии и хирургии”.

Предстоящая конференция по фотонике на базе Сколтеха станет первой за историю программы. Её целью является выявление приоритетных направлений и задач в области фотоники, представляющих взаимный интерес для стран-участниц БРИКС. На данном этапе необходимо познакомиться с потенциальными партнерами, получить представления о том, на каких рубежах находятся исследования   в странах БРИКС, в каких направлениях нужно развивать взаимодействие и в каких программах и проектах консолидировать ресурсы.

Другой важной задачей конференции станет установление партнёрских связей между университетами, институтами, компаниями реального сектора экономики и другими структурами стран-участниц БРИКС, заинтересованными в реализации совместных индустриально ориентированных проектов. На этой встрече мы должны начать со сложения «простых дробей» то есть с процедуры   «приведения разрозненных интересов к общему знаменателю». Мы должны понять, кто где находится, что нужно друг другу, где мы можем объединить наши усилия.

Tweet about this on Twitter0Share on Facebook0Pin on Pinterest0Share on Tumblr0Share on VK