Илья Родионов, Квантум Парк: «Россия ценится тем, что стоимость разработки здесь, по сравнению с США, от ста до тысячи раз дешевле»

Илья Родионов: Да, я бы сказал, что мы сегодня открыли возможность для российских пользователей изготавливать фотонные интегральные схемы на пластинах на базе нитрида кремния. И это действительно первые запуски в России.

Илья Родионов: Фотоника — это вообще наука и технология о том, как управлять светом. Причем за последние пять-десять лет в мире люди перешли от управления в принципе светом до возможности управления даже отдельными фотонами. И делается это как раз на небольших чипах. Нам всем с вами известны технологии оптики: очки, микроскопы, различные устройства, которые используют преобразование света и управление им.Так вот, много лет назад, еще в 1987 году, в Bell Labs придумали, как сделать и миниатюризировать эти устройства, как на один небольшой чип размером с монету в один рубль разместить много оптических элементов и управлять светом непосредственно на этом чипе.Вот тогда это началось. В полупроводниковых технологиях вычисления и вообще обработку информации проводят методами управления электронами. Здесь же мы можем проводить операции обработки, передачи, сбора и аналитики информации с помощью света, с помощью отдельных частичек света фотонов.Поэтому и называется фотоника.

Илья Родионов: Причем я бы добавил, что это не только вычисления. Вычисления, новые биотехнологии, технологии обработки информации — 5G и 6G. И еще немаловажный момент: мы говорим о гибридных системах, когда фотонная интегральная схема или фотоника работает бок о бок с электроникой, потому что друг без друга они в полноценном смысле обработки информации, конечно, функционировать не могут.

Это действительно новая прорывная технология. За последние пять-десять лет в мире мы видим стремительное развитие технологий именно интегральной фотоники как в области автономного транспорта — это развитие лидарных систем, радарных систем, которые позволят нам управлять различными роботизированными системами, автономными роботами, — так и в области обработки информации — как классической обработки информации (я имею в виду классической фотонной, но она совсем не классическая, потому что такие вычислители только появляются), так и в области квантовых технологий, где фотонная платформа или фотонные эти чипы являются одной из передовых платформ для квантовой обработки информации.

Илья Родионов: Наверное, надо разделить на две пороговые составляющие. Интегральная фотоника и фотонные чипы — это давно реальность в технологиях передачи информации.

Илья Родионов: Да, оптоволокно, все, что мы с вами имеем для передачи информации с материка на материк или для быстрой передачи информации — это все технологии трансиверов…

Илья Родионов: Да. А сейчас уже появились первые образцы на рынке, которые позволяют обрабатывать информацию как с точки зрения вычислений, так и с точки зрения, например, технологии расшифровки ДНК, в которых также используются фотонные интегральные схемы. Одни из последних секвенаторов ДНК используют именно фотонные чипы для того, чтобы существенным образом расширить возможности геномных технологий, возможность расшифровки, например, ДНК человека за очень короткое время.Все это стало возможно благодаря новым фотонным технологиям.

Илья Родионов: Если мы с вами говорим про электронные чипы и процессоры классические, полупроводниковые, то основным элементом в них являются транзисторы, или устройства, которые позволяют либо останавливать ток, либо давать ему возможность проходить через это устройство. То есть нолик и единичка, к которым мы все привыкли.

Илья Родионов: Да. Действительно, приборы очень маленькие — это технологии 2 нанометра, 1,5 нанометра.Кстати, физические размеры этих устройств в технологии 2-нм все равно до сих пор остаются на уровне 15-20 нанометров. Это и есть ограничение технологии, которое некоторым образом замедляет темпы роста производительности и снижения энергопотребления в электронных микросхемах.

В фотонике и в фотонных чипах основными элементами для управления светом являются совсем принципиально физически другие элементы — устройства типа интерферометров Маха-Цендера. Это устройство, которое либо позволяет свету проходить через волновод на чипе, либо останавливает его. Тоже получается логический элемент — ноль или единичка. Либо свет есть, либо его нет. Но отличительная особенность в том, что свет перемещается по этому чипу со сверхвысокой скоростью. Поэтому скорость обработки в этих устройствах может быть на порядки выше частот обработки в электронных устройствах.И немаловажным является то, что энергопотребление на одну вычислительную операцию может быть также на порядки снижено. Мы практически не греем устройство.

Илья Родионов: Практически без потерь. Нет того сопротивления, к которому мы привыкли в электронике. Или оно есть, но существенно меньше.

Илья Родионов: Как уже сказал ранее, конечно, не заменят — они встанут рядом и начнут помогать. Это все равно будут гибридные системы, совместная работа классических и фотонных сопроцессоров — или процессоров и сопроцессоров — в гибридной вычислительной системе. Например, общеизвестно, что задача перемножения матрицы на матрицу — основная часть алгоритмов обучения моделей — крайне сложна и времязатратна для классической архитектуры.А для фотонной архитектуры она является естественной и происходит крайне быстро.

И если мы можем поставить классический полупроводниковый вычислитель, а отдать все задачи перемножения матриц на фотонный вычислитель или фотонный сопроцессор, то он будет стоять рядом, так же, как графические ускорители или видеокарты, которые сейчас используются для параллельных вычислений, в режиме сопроцессора. Точно так же можно будет использовать, например, фотонные сопроцессоры для такой гибридной вычислительной модели. Это изменяет парадигму супервычислений или архитектуры центров обработки данных. Но это уже действительно близко, мы уже видим первые продукты на рынке. В нашей стране есть такие разработки и в ведущих странах мира.

Илья Родионов: Наша команда преимущественно сфокусирована на развитии именно технологий фотонных чипов, фотонных интегральных схем. Мы действительно занимаемся разработкой в том числе устройств на базе этих технологий. Но все-таки сегодня мы видим своей миссией обеспечить наши ведущие команды доступом к самым передовым технологиям фотонных чипов, которые существуют в мире.

Десять лет назад мы построили этот технологический центр, это действительно дорогая инициатива, в центр вложено уже несколько миллиардов рублей. И кластер, который мы сейчас построили благодаря правительству РФ и правительству Москвы, позволяет нам и позволит при его оснащении масштабировать эти технологии и сделать их абсолютно доступными как для исследований, так и для серийного изготовления фотонных чипов в интересах различных наших крупных заказчиков.

Что сегодня в мире? По ключевым параметрам основной элементной базы фотонных чипов мы сегодня можем конкурировать с самыми ведущими, даже не производственными, а исследовательскими фабами, которые есть в мире. А их можно пересчитать на пальцах одной руки.И мы входим сегодня в эту топовую команду. Но очень важно научиться эти технологии теперь переводить в приборы, в устройства, в те самые сопроцессоры, которые вы только что упомянули, для ЦОДов и компьютеров, для искусственного интеллекта, чтобы не упустить возможность двигаться таким же стремительным темпом, как сейчас это развивается в мире.

Мы обеспечили эту возможность. Бауманка весной объявила о том, что мы запускаем первый бесплатный пилотный запуск изготовления фотонных чипов на общих пластинах для заказчиков из России. Получили довольно большое количество заказов — больше 45 организаций обратились к нам. И этим летом, уже в конце июля, мы планируем передать первую партию всем нашим заказчикам. Это десятки различных типов устройств. И мы видим миссию в том, чтобы дать возможность ведущим командам развивать свои компетенции в этой стремительно развивающейся области.

Илья Родионов: Та модель пилотного запуска с разными проектами, расположенными на одной пластине, которую мы предлагаем, вообще в мире принята в электронике. Когда идет исследовательский процесс, вам нужно делать много разных попыток для того, чтобы оптимизировать ваше устройство, для того, чтобы добиться на нем хороших параметров, для того, чтобы потом перевести в серию тот образец, который будет работать лучше всех остальных…

Илья Родионов: Да. То есть это первая стадия прототипирования реальных макетов, в которых вы получаете готовые работающие устройства и которые вы дальше можете масштабировать. Почему разные? Потому что даже в тех заказах, которые мы сегодня получили от наших российских ведущих команд, мы видим разные направления исследований. Какие-то люди занимаются направлением вычислений, кто-то занимается автономным транспортом, кто-то занимается биотехнологиями, и мы на одной пластине изготавливаем все эти типы устройств и разным направлениям науки и разработок в нашей стране даем возможность фотонику внедрить в их областях.

Илья Родионов: Я практически уверен в том, что российские суперкомпьютеры и ведущие разработчики захотят иметь у себя в арсенале и фотонные ускорители тоже. Безусловно.

Илья Родионов: Ну конечно. Мы же с вами знаем, что и Nvidia не сразу пришла к своей серии. Она тоже выпускала различные типы устройств, производительность их росла. И потом они пришли к некой модели. Но и сейчас продолжают развитие. И в последних специализированных процессорах Nvidia для искусственного интеллекта мы уже можем увидеть и фотонные межсоединения между этими процессорами.

Илья Родионов: Вы знаете, в своих самых передовых разработках — конечно, уже использует.

Илья Родионов: Я думаю, что пока в экспериментах, но очень скоро это станет доступно рынку. И Nvidia сегодня активно участвует во всех фотонных начинаниях — практически во всех фотонных стартапах и практически во всех квантовых вычислительных проектах. Мы просто видим это по изменению рыночных продуктов Nvidia, которая включила в свои программные комплексы и в аппаратные решения возможность работы с квантовыми процессорами.

Илья Родионов: Да, безусловно.

Илья Родионов: Память — это одна из проблем. Над этим сегодня работает весь мир, все пытаются создать такие типы устройств памяти. Но не только эта проблема ограничивает. Все-таки классические фотонные вычислители — мы называем их классическими, потому что в нашей деятельности есть еще и квантовые…

Илья Родионов: Да. Все-таки они покрывают определенный тип алгоритмов и определенный тип задач. Вот такой универсальный процессор, который сегодня доступен человечеству на электронной, полупроводниковой платформе, — пока ни одна другая платформа заменить его не может. Поэтому, когда мы хотим построить полноценный разветвленный алгоритм — будь то обучение нейросети или выполнение любого сложного алгоритма, — мы весь алгоритм ведем на полупроводниковой базе, а вот ответвления наиболее сложных задач, наиболее сложных для полупроводниковой и фон-неймановской архитектуры, отдаем на другие типы сопроцессоров. И, как мне видится и как мы обсуждаем в сообществе, впереди — гибридная парадигма, когда гибридные устройства обработки информации включают в себя центральные процессоры на электронной компонентной базе — классические полупроводниковые, — и большое количество различных типов сопроцессоров, в том числе фотонных, которые решают узкоспециализированные задачи, но со сверхвысокой производительностью — на порядки более высокой, чем электронные. И вот такая комбинация может в потенциале дать колоссальный рост производительности. Это революция.

Илья Родионов: Вы знаете, крупные бигтехи нашей страны сегодня активно работают над этим направлением, насколько мне известно. Первые решения уже были представлены и на ПМЭФ, и активным образом сейчас развивается и позиционируется направление интегральной фотоники. Я думаю, что здесь очень большая составляющая — в том, чтобы мы как можно больше критических технологий осваивали и имели на территории своей страны.

Я имею в виду полный цикл производства — от материалов и оборудования до законченных устройств. Потому что когда вам доступен какой-то критический блок, а остальные заинтересованы в этих критических блоках, необходимо делиться своими разработками. Поэтому мне представляется правильным развивать эти технологии, но развивать их от материалов до готового продукта — то есть делать полностью свои российские продукты там, где это возможно в нишевом формате.

Илья Родионов: Мы начали последовательное развитие больше десяти лет назад и с новым ректором активно продолжаем линию, которую выстроили для себя стратегически на 20-30 лет вперед. Сначала нужно освоить определенный блок базовых технологий, потом довести его до мирового уровня — формируется команда, инфраструктура, технологии. Вот эти три составляющие необходимы для того, чтобы начинать разговор о чем-то. Следующая, четвертая составляющая, — это образование и перевод этих технологий из отдельных лабораторий в широкую аудиторию. Это то, что мы сегодня делаем в нашем университете, в Бауманке. Эти технологии мы сначала даем ведущим командам. Последние, наверное, пять лет мы активно внедряем это в образовательные программы — как в нашем университете, так и в других. То есть это переходит из категории непонятных слов, как мы с вами тут говорили…

Илья Родионов: Когда это начиналось 10-15 лет назад, об этом могли поговорить между собой пять человек. Сегодня — уже несколько сотен. А завтра, имея такие ресурсы, крайне важным становится масштабирование. Вот крайне важным для нас сейчас этапом является оснащение Квантум Парка, потому что сегодня все заказы, которые у нас есть, фактически забронированы нашими ключевыми якорными партнерами. И все остальные потенциальные заказчики не имеют к ним доступа. Мы построили серьезнейшую инфраструктуру — надо сказать, что Квантум Парк сегодня по инфраструктуре соперничает с двумя-тремя, может быть, пятью лидирующими центрами в мире. Такой инфраструктуры, которую нам удалось спроектировать и построить, практически нигде нет. Сейчас важным этапом является ее оснащение. После оснащения эти технологии будут доступны широкому кругу пользователей России. Как только они становятся доступны широкому кругу — возникает масса идей.

Наша школа оптики и физики известнейшая в России: МГУ, Новосибирск, Томск, Пермь, Санкт-Петербург — мощнейшие кластеры, которые сегодня уже знают, как это применять. Возникают новые идеи. А дальше — мы всегда в России были ценны тем, что стоимость разработки здесь, по сравнению с США, по нашей оценке, от ста до тысячи раз дешевле. Почему? Потому что не всегда большое финансирование определяет эффективность. Таких фабрик или исследовательских кластеров, как у нас, много быть не может — это очень серьезные ресурсные вложения.

А после того как технология поставлена и фабрика построена, вам еще нужно пять-десять лет, чтобы научиться что-то на ней делать. Сегодня десятки команд имеют возможность за очень небольшие деньги разрабатывать и получать для себя передовые фотонные чипы. После того как появится готовое приложение, вы можете размещать производство где угодно: хотите — на наших серийных заводах, хотите — на китайских, может быть, и на других, которые сегодня доступны.

Но важный момент: если мы делаем это внутри страны — а сегодня мы получаем массу заказов от коммерческих структур, бигтехов, вузов, ведущих научных институтов и со всеми подписываем соглашение о неразглашении, защищая наших заказчиков, — вся эта интеллектуальная собственность остается в России. Если же вы передаете передовое устройство на изготовление в любую другую страну, оно легко может стать доступным ведущим компаниям. Здесь же вы можете все сохранить внутри и потом масштабировать. Знаете, по программе электронного машиностроения идет довольно существенная работа по разработке собственного технологического оборудования.

Илья Родионов: Не только литографа. И когда я слышу про литограф, меня это немного расстраивает, потому что многие запомнили это слово и везде говорят: «Вот нам не хватает литографа». Но в цикле задействовано уже почти сто различных единиц оборудования. Сто единиц, которые все должны работать как единое целое, чтобы выдавать чипы по разным технологическим направлениям. Поэтому в нашей программе электронного машиностроения в России развиваются сразу целые блоки технологического оборудования. Это одно из направлений. Работаем и над материалами для микроэлектронной промышленности — а значит, и для фотоники, и для квантовых технологий. Поэтому нельзя, когда вы спросили, что нужно сделать, чтобы потом не проиграть в массовом производстве, — нельзя, на мой взгляд, смотреть планами на два-три года вперед.

В этих областях нужно выстраивать стратегические программы развития. В среднем это цикл 10-20 лет. И на таком горизонте можно реализовать те амбициозные задачи, о которых мы с вами сегодня говорим. Но без первого шага, без исследовательской работы, без понимания — зачем и куда это нужно, без обучения большого количества людей, которые хорошо понимают друг друга, среди которых появляются лидеры, а потом без серийного производства — ничего не выйдет. Сначала у нас появилась исследовательская лаборатория. Мы построили Квантум Парк, переводим сейчас все это в серийное производство, делаем доступным уже тысячам людей. Следующий цикл — это фабричное производство. Это тоже уже обсуждается на государственном уровне. Но туда тоже нужны люди, нужны профессионалы. Я могу с гордостью сказать, что большое количество ведущих специалистов в лабораториях, которые сегодня есть в России — в полупроводниковых центрах, нанотехнологических центрах, — получили образование и работали в нашем центре, а потом перешли туда и стали там ведущими специалистами. В том же «Сколтехе» половина людей в наноцентре — это те, кто сначала работали у нас. И это очень большая гордость и радость для нас — что мы сегодня таких классных специалистов еще и готовим, помогаем другим коллегам. Должно быть несколько точек роста. Не все дадут результаты, но их должно быть несколько.

Илья Родионов: Да, это последовательные циклы роста различных материалов, формирования в них нано- и микроструктур, потом заращивание снова, снова формирование. Вот такое циклическое, многослойное. Да, можно сказать, что его долго выращивают, в течение полутора месяцев.