Эра сверхбыстрых вычислений: в ИТМО появился Институт фотоники

— Почему фотонные технологии сегодня привлекают столько внимания со стороны науки и индустрии? С какой глобальной проблемой мы столкнулись?

— В последние годы растут объемы данных и потребность в вычислениях, повышаются требования к скорости передачи информации. Один из ключевых вызовов сегодня — развитие искусственного интеллекта, что в свою очередь требует обработки все больших объемов информации и быстрого обмена ею. Одновременно повышаются требования к энергоэффективности: важно, сколько ресурсов необходимо для выполнения вычисления или передачи данных.

В результате увеличивается нагрузка на инфраструктуру, которая обеспечивает работу этих сервисов: сети связи, центры обработки данных, вычислительные системы, энергоснабжение и охлаждение. Ее необходимо развивать, причем рост мощности и пропускной способности должен сопровождаться повышением эффективности. 

Но здесь возникают две проблемы. Во-первых, в производстве ряда ключевых компонентов инфраструктуры, включая высокопроизводительные чипы, доминируют зарубежные компании, а доступ к их продукции ограничен. Во-вторых, несмотря на скорость обработки информации, эти системы потребляют колоссальное количество энергии. Количество ЦОДов растет лавинообразно, каждому из них требуются мегаватты мощности. Даже в России — энергетической сверхдержаве — инфраструктура сетей уже на пределе: в этом году остановлена почти треть проектов по строительству ЦОД. Из 128 проектов заморожено 38. А в начале года в Москве рассматривали возможность введения запрета на подключение новых дата-центров. 

Строить электростанции бесконечно невозможно. Значит, нужно искать иной путь решения проблемы — сделать вычисления принципиально более энергоэффективными за счет фотонных технологий. 

Эти задачи можно решать разными способами: совершенствовать электронику, архитектуру систем, алгоритмы и программное обеспечение, внедрять новые технологии передачи и обработки сигналов. Одним из перспективных подходов, реализуемых в ИТМО, является фотоника.

Фотоника позволяет передавать, преобразовывать и обрабатывать информацию с помощью света. Хорошо знакомый пример — волоконно-оптическая связь. Но возможности фотоники охватывают и компоненты сетевого оборудования, и соединения внутри вычислительных систем, и устройства, способные выполнять отдельные вычислительные операции. Благодаря внедрению фотонных технологий предположительно можно будет как снизить энергопотребление на несколько порядков, так и повысить скорость обработки и передачи информации.

— Какой вклад Институт фотоники внесет в создание продуктов на основе наукоемких технологий? 

— В университете развивается фокусировка «Интегральная и вычислительная фотоника», ориентированная на задачи рынков телекома и датакома. Телеком связан с телекоммуникационными сетями и услугами связи, датаком — с обменом данными в ЦОД и вычислительных системах. Потребности этих рынков определяют задачи развития инфраструктуры передачи и обработки данных: увеличить пропускную способность, повысить энергоэффективность, обеспечить надежность и снизить стоимость эксплуатации.

В рамках фокусировки университет объединяет проекты вокруг этих рыночных задач, делая ставку на рынки телекома и датакома. Решить их можно с помощью сочетания разных технологий, инженерных компетенций и фундаментальных знаний: в волоконной и интегральной оптике, оптоэлектронике на основе новых материалов, радиофизике и алгоритмах вычислений. 

Роль Института в этой работе — экспертиза и проектная кооперация в области фотоники. Он помогает оценивать технологические возможности, научно-техническую обоснованность проектов и их результаты, находить необходимые компетенции и формировать совместные разработки. Институт участвует в тех частях проектов, где нужны фотонные технологии и их сочетание со смежными решениями. Его вклад зависит от конкретной задачи: от экспертной оценки отдельного компонента до помощи в организации междисциплинарной разработки.

— В ИТМО уже существует структура, которая занимается оптическими технологиями: научно-образовательный центр фотоники и оптоинформатики. Какие принципиально новые задачи решает Институт фотоники? Чем он отличается от других факультетов университета?

Институт фотоники — это в первую очередь матричная проектная межфакультетская площадка. Помимо упомянутого Центра в университете есть также и другие высококвалифицированные коллективы из Высшей Инженерно-технической Школы, Нового Физтеха, и Мегафакультета Компьютерных технологий и Управления, которые проводят передовые исследования, актуальные для задач теледатакома.

На данный момент нет единой архитектурной парадигмы по созданию фотонных чипов и вычислителей. Необходимы совместные усилия специалистов из разных областей — физиков, инженеров, математиков. Поэтому Институт объединяет шесть взаимосвязанных направлений: интегральную фотонику, вычислительную фотонику, оптические системы связи, нанофотонику, материалы для фотоники и оптоэлектронику.

Это условный тулбокс — блоки одной технологической цепочки, из которых состоит финальный результат.

Матричная модель означает, что команды продолжают работать в своих подразделениях и объединяются вокруг конкретных проектов, согласуя вклад и задачи участников. Для них Институт — возможность оперативно найти партнеров и недостающую экспертизу, а для внешних компаний — возможность быстрого поиска партнеров в университете по вопросам фотоники.

— Как Институт фотоники изменит образовательный процесс в Университете ИТМО?

Для развития новой отрасли, связанной с фотоникой, необходимы специалисты, которые способны обеспечить весь цикл создания новых технологий — от идеи до внедрения. Одни исследуют материалы и физические эффекты, другие проектируют компоненты и системы, разрабатывают технологию изготовления, проводят испытания или отвечают за интеграцию устройства. Каждый должен понимать свой результат и его связь с работой остальных участников.

Поэтому Институт будет участвовать в развитии компетентностно-ролевой модели в домене «Фотоника». Вместе с индустриальными партнерами и образовательными командами мы определяем, какие роли востребованы в цепочке создания решений, какие задачи выполняет специалист, какую самостоятельность он должен иметь и за какой результат отвечать. В то же время интеграция передовых научных исследований в образовательные программы дает все основания полагать, что наши выпускники будут востребованы не только сейчас: в будущем они смогут стать основателями абсолютно новой индустрии. 

— Какую роль бизнес будет играть в развитии Института? 

— Бизнес формирует запрос на технологии, на основе которого в Институте запускаются проекты и формируются компетенции, актуальные для нынешнего рынка. Мы вовлекаем индустриальных партнеров как в совместную работу над образовательной деятельностью и образом выпускников, так и в проектирование целей и задач развития Института, в том числе через участие в его наблюдательном совете. С одной стороны, в него входят члены академического сообщества — профессора ведущих университетов и члены РАН. С другой — индустриальные партнеры.

— Какие конкретные решения уже разрабатываются в университете?

— Мы работаем одновременно с несколькими уровнями готовности и горизонтами применения. В одних проектах уже есть опыт изготовления конкретных инженерных изделий. В других — мы разрабатываем новые компоненты и устройства и выстраиваем путь их вывода на рынок. Есть и глубокие технологические разработки — deep tech, — где продуктовый замысел определен, но еще требуется экспериментально проверить новый принцип его работы.

Например, коллектив Андрея Куликова в Высшей инженерно-технической школе ИТМО производит для подводных линий связи волоконно-оптические усилители, которые компенсируют ослабление оптического сигнала при передаче по волокну. Другие проекты коллектива связаны с созданием оборудования для изготовления волоконно-оптических компонентов, устройств коррекции сигнала, компонентов когерентных оптических рефлектометров для мониторинга линий связи и оптоэлектронных приемопередатчиков. Все эти решения важны для телекома: они помогают повышать качество и надежность передачи данных на больших расстояниях.

Второй пример — новые интегральные устройства для рынка датакома. Мы разрабатываем оптические интерконнекты для ЦОД: устройства для высокоскоростного обмена данными между компонентами вычислительной инфраструктуры. Эти решения должны повысить пропускную способность и снизить энергозатраты на передачу данных. Для их дальнейшей реализации и вывода на рынок мы развиваем кооперацию с крупными заказчиками в формате совместного предприятия — дизайн-центра по интегральной фотонике. Этот формат должен связать университетские исследования и проектирование с инженерной доводкой, изготовлением, испытаниями и коммерческим развитием продуктов.

Еще один важный проект в рамках быстрых технологических инициатив реализует команда Алексея Кохановского. Его команда разрабатывает фотонный вычислитель на жидкокристаллических модуляторах. Это вычислительный продукт на стадии создания экспериментального прототипа. Он рассчитан на матричные операции, используемые в нейросетях, и задачи комбинаторной оптимизации; его практические характеристики еще предстоит проверить на задачах индустриальных партнеров. Стенд уже собран, и поступают внешние запросы на разработку новых рабочих прототипов под различные типы задач.

— Как фундаментальные исследования связаны с созданием этих продуктов и технологическим лидерством?

— Для решения задач телекома и датакома мы делаем ставку в том числе на новые сегменты рынка фотонных решений. В области интегральных устройств для обмена данными и фотонных вычислителей еще формируются архитектуры, технологические подходы и продуктовые предложения. Мы видим здесь возможность для российских команд создавать собственные решения и занимать ведущие позиции в отдельных направлениях.

Поэтому передовые фундаментальные исследования — необходимая часть нашей стратегии. Они дают новые свойства материалов и принципы работы устройств, на основе которых можно создавать оригинальные технологии с конкурентоспособными характеристиками. Возможность предлагать такие технологии напрямую зависит от уровня научной экспертизы.

Среди результатов этого года — работа команды Дмитрия Жирихина в области топологической фотоники. Эта работа открывает путь к принципиально новым дизайнам фотонных чипов и способам управления распространением света в них во всех направлениях. Результаты опубликованы в престижном журнале Nature Materials.

Также выделяется амбициозный проект команды Василия Кравцова. Они развивают технологии, связанные с применением двумерных материалов для фотонных интегральных схем. Для нас здесь важна перспектива создания сверхкомпактных и высокоскоростных оптических модуляторов — элементов, которые управляют оптическим сигналом и позволяют кодировать в нем информацию. Результаты работы также опубликованы в Nature Materials.

— Какое будущее Института вы видите через 5-10-15 лет? 

— Мы видим Институт как платформу для внутренней эффективной кооперации между различными подразделениями, работающими в области передовой фотоники. Институт помогает формировать единую научную повестку, синхронизировать прикладные проекты и развивать актуальные образовательные программы под запрос индустрии.

Для нас важно, чтобы путь от идеи до проверяемого решения становился понятнее. Чтобы команда могла найти необходимую экспертизу, оборудование и индустриального партнера, а тот, в свою очередь, — сформулировать задачу и организовать работу с университетом. Чтобы научные результаты находили продолжение в новых устройствах, а опыт разработки возвращался в исследования и образование.