Со 2 по 6 октября в парк-отеле «Ершово» под Звенигородом состоялась 15 Международная конференция «Микро- и наноэлектроника – 2023» (ICMNE-2023). Об обсуждавшихся на ней научных проблемах рассказал сопредседатель конференции, директор Физико-технологического института им. К.А. Валиева РАН член-корреспондент РАН Владимир Лукичев.

– Владимир Федорович, тематика конференции впечатляет. Кажется, здесь все – от сверхпроводимости до квантовых вычислений. Не слишком ли широкий диапазон для одной конференции? Что все это объединяет?

Объединяют все это технологии микроэлектроники. Даже квантовые технологии все равно базируются на них. Отсюда и широкий интерес к нашей конференции со стороны специалистов, которые занимаются, казалось бы, самыми разными направлениями. У участников есть отличная возможность познакомиться с работами коллег в смежных областях и обсудить с ними лично общую проблематику, а она во многом как раз и определяется использованием в исследованиях и разработках технологий микроэлектроники. Ведь они совершенствуются уже 60 лет и достигли высочайшего уровня. Не удивительно, что мы стараемся все подвести под эту технологию. Специалисты, которые у нас выступают, все это прекрасно понимают и все основные доклады у нас так или иначе посвящены кремнию. 

Разумеется, обсуждаются и другие, подчас экзотические материалы. Например, тот же графен, о котором так много говорят в последние годы. Это очень перспективный 2D-материал для самых разных приложений, его успешно растят в том числе и на кремнии, потому что сейчас кремний – это самый доступный и дешевый материал для подложек, а это то, на чем можно делать любые устройства.

– Можно сказать, что эта, основанная на универсальности кремния, широта тематики является изюминкой конференции?

В общем, да. Не забывайте, что это уже 15-я конференция и у нее сложились прочные традиции. А поскольку она проводится раз в два года, то получается, что мы уже 30 лет собираем специалистов. Есть ветераны конференции, которые участвуют в ней на протяжении 30 лет, но каждый раз появляется все новая молодежь. Ее привлекает возможность познакомиться в том числе и с самыми актуальными и, можно сказать, модными направлениями исследований, которые вписываются в нашу тематику благодаря ее традиционной широте.

К примеру, в этом году наша конференция включает расширенную сессию «Квантовая информатика». Она идет несколько обособленно, потому что это в большей степени не технологии, а квантовая механика, теоретическая физика и математика. У нас, к примеру, выступил с докладом академик Александр Семенович Холево, а он практически чистый математик. Тем не менее, он тоже принял участие в конференции.

– На чем все-таки делается больший акцент на конференции: на прикладных технологиях или фундаментальных темах?

Если мы возьмем основные источники финансирования научных исследований в стране, включая, например, РНФ, то они и раньше тяготели к поддержке прикладной тематики, а сейчас, в связи с международной обстановкой, от нас и вовсе требуют, чтобы мы в основном занимались прикладными разработками. Но на нашей конференции традиционно уделяется внимание и фундаментальным исследованиям. Мы никогда не отвергали чисто теоретические работы. Ведь если не заниматься фундаментальной наукой, то через 20 лет нам вообще нечего будет прикладывать.

– Организовать конференцию в сегодняшних условиях оказалось сложнее? Как сказалась международная обстановка на составе участников?

Разумеется, не обошлось без сложностей. Многие традиционные участники конференции из стран Запада воздержались от участия в ней в этом году. Зато появились представители Китая и Южной Кореи. Что касается конференции в целом, то у нее традиционно очень сильный организационный комитет. Достаточно сказать, что сопредседателями конференции стали президент Российской академии наук академик Геннадий Яковлевич Красников и вице-президент РАН академик Владислав Яковлевич Панченко. Конечно, при организации столь крупного форума в новых условиях пришлось столкнуться с определенными трудностями, но, с другой стороны, это позволило в полной мере проявить себя нашим традиционным спонсорам – компаниям ТехноИнфо, НИКС и НТМ-ДТ, взявшим на себя большую часть расходов.

– Расскажите, какие научные проблемы обсуждались на конференции?

Диапазон очень широк, и всего не охватишь в коротком интервью. Я расскажу о том, что ближе мне. Сейчас одна из важнейших проблем в микроэлектронике – создание памяти, похожей на человеческую, построенную на нейронах и синапсах. Ее ячейки будут одновременно и запоминающим элементом для хранения информации и логическим элементом для операций над ней.

Узким местом классической архитектуры фон Неймана является необходимость постоянного обращения процессора к памяти, в которой хранятся данные. Процессор должен считать информацию, произвести над ней операции и затем снова записать ее в память. На это уходит много времени и энергии, что сильно ограничивает быстродействие вычислительных устройств. А когда у вас и вычисление, и хранение его результатов будет происходить в одном и том же элементе, потерь времени на передачу данных не будет. Процессор работает с тем, что уже в нем записано. 

Появился даже специальный термин: in-memory computation – вычисления в памяти. Это очень перспективная технология, новая архитектура, способная повысить производительность компьютеров на порядки. И сейчас во всем мире, и у нас в стране в том числе, исследователи работают над созданием таких элементов. Их называют мемристорами.

Для практического применения необходимо добиться, чтобы они отвечали набору определенных критериев по быстродействию, количеству переключений, которых требуется где-то порядка 10¹², и ряду других параметров. Но есть проблема: кто-то добился на каком-то материале большого количества переключений, на другом материале получили нужное быстродействие, но решения, которое обеспечило бы достижения всех требований, пока не найдено. Эта проблематика также обсуждалась на конференции, как и множество других не менее важных тем.

– Наверняка одна из них – квантовые компьютеры. Скажите честно, насколько эта проблематика является конъюнктурой, и насколько это действительно важное направление?

Во-первых, это действительно важное направление, исследования в котором сами по себе приносят очень интересные результаты. Другое дело, что сейчас никто еще не может сказать, в какие сроки будет достигнута главная цель, к которой мы стремимся, – создание универсального квантового компьютера. В этом году исполняется 35 лет Физико-технологическому институту имени академика К.А. Валиева РАН, который я возглавляю. К этому юбилею мы подготовили сборник «Труды ФТИАН». К его заглавной статье я придумал эпиграф: «Технологически создать можно все, что не противоречит законам Природы». Создание работоспособного квантового компьютера – чрезвычайно сложная задача, и на этом пути стоит множество преград, некоторые из которых пока выглядят почти непреодолимыми. Но эта цель достижима.

– Есть несколько направлений физической реализации квантового компьютера на разных платформах. Какое направление вы считаете наиболее перспективным?

Пока об этом сложно говорить. Есть платформы, скажем, сверхпроводниковые, которые исторически более продвинуты. Это связано с тем, что для обеспечения стабильности квантовых состояний кубитов необходимы температуры, близкие к абсолютному нулю, а кремний не работает при температуре, скажем, 10 милликельвинов, в то время как сверхпроводники – работают. Поэтому первые ощутимые успехи были достигнуты на сверхпроводниковых платформах.

Но уже понятно, что многого с их помощью не добьешься. Сейчас созданы сверхпроводниковые системы со 100 кубитами. А нужно 100 тысяч. И на сверхпроводниках этого не сделаешь. Это не масштабируемые технологии в нужных объемах. Сверхпроводниковые кубиты работают на эффекте Джозефсона, а это СВЧ-излучение, из-за которого одни кубиты влияют на другие и абсолютно изолировать их, развязать этот миллион каналов, не получится. К тому же, грубо говоря, сколько ни охлаждай банку, в которой все эти жгуты помещаются, излучение дает тепло, которого будет все больше при увеличении числа кубитов. Аналогичные проблемы есть у всех других платформ — ионных, фотонных и так далее.

Возможно, их со временем удастся преодолеть. Но в целом наиболее продвинутыми в микроэлектронике остаются кремниевые технологии. Intel уже заявил, что к 2030 году сделает систему со 100 тысячами кубитов. Но не на сверхпроводниках, а на обычной кремниевой технологии. Как – это уже другой вопрос, но мы тоже придерживаемся той точки зрения, что единственная возможность масштабировать систему до нужного размера – это, конечно, технологии микроэлектроники. Надо просто придумать, как это сделать.

Фото: live.sk.ru.