Аркадий Шипулин: Необходима системная работа по формулировке критериев распределения государственной поддержки

1. Что вы ждете от круглого стола «Проблемы координации при создании дорожной карты развития фотоники», где вы будете модератором?

К настоящему времени в Российской Федерации было предпринято несколько попыток формирования дорожной карты (ДК) по фотонике. Все они по тем или иным причинам не были доведены до стадии, которая устроила бы всех участников рынка. Среди этих причин: отсутствие конкретного заказа от руководящих органов и финансирования на этапе подготовки ДК (формирование ДК «на общественных началах»); отсутствие системного подхода; недостаточная репрезентативность авторов ДК; отсутствие актуальной базы данных как по участникам, так и по целевым изделиям как основам ДК; отсутствие координации и избыточная конкурентность при выработке стратегических основ ДК.

В настоящее время предпринимаются очередные попытки создания ДК. В рамках круглого стола предлагается выработать основные принципы при создании ДК в Российской Федерации. В основу подхода предлагается положить те же принципы, которые в полной мере доказали свою состоятельность при формировании подобных ДК в развитых странах. Предлагается перейти от режима авральной подготовки документов в обстановке закрытости к системной и открытой работе, в которую будут вовлечены как основные государственные центры компетенции, так и, при необходимости, коммерческие структуры. Отдельно предполагается обсудить вопрос международной кооперации, прежде всего в рамках дружественных стран (БРИКС, ОДКБ, ЕВРАЗЭС).

Приглашаем всех на наш круглый стол 27 сентября в зал 2 в 15:00.

2. Какие приборы и устройства преобразования оптических сигналов в электрические способствовали значительному росту разработок фотонных интегральных схем?

Оптоэлектронные преобразователи (то есть приборы, преобразующие оптический сигнал в электрический и наоборот — электрический в оптический) чаще всего используются в системах оптических коммуникаций. Это обусловлено тем, что без оптики в современных линиях связи (особенно магистральных) попросту не обойтись. Для передачи любого высокочастотно модулированного сигнала (в аналоговом или цифровом формате) необходимо, чтобы несущая частота опорного сигнала была существенно выше частоты информационной модуляции. Несущая частота света приблизительно 10¹⁵ Гц, тогда как частоты информационной модуляции (без учёта мультиплексирования) не превышают 10¹¹ Гц, что на четыре порядка ниже световой частоты. Поэтому свет является идеальной несущей с точки зрения повышения ёмкости информационного потока.

До настоящего времени части оптических систем, отвечающие за преобразование из оптики в электрический сигнал (детекторы или приёмники) и из электричества в оптику (лазеры и модуляторы), поставлялись отдельно и монтировались на платы в соответствии с дизайном, разработанным для конкретной системы.

Рассмотрим, например, трансмиттер (передатчик), преобразующий электрический сигнал в оптический. Как мы знаем, большинство современных систем использует цифровой формат модуляции, то есть «нули» и «единицы» формируются в электрической области и далее переносятся в оптику. В каждом конкретном временном слоте формируется оптический сигнал, в котором упакованы «нули» и «единицы», переносящие информацию. В современных системах связи используются сложные форматы модуляции, в которых информация кодируется как в амплитуде, так и в фазе оптического сигнала. Таким образом, в одном временном слоте может быть упаковано не просто один «ноль» или одна «единица», а много «нулей» и «единиц» одновременно. До появления ФИС все эти компоненты поставлялись и монтировались раздельно. В случае ФИС все эти компоненты изготавливаются сразу в рамках сложного многоступенчатого технологического процесса.

Идеологией любой интегральной схемы (электрической или фотонной) является уменьшение размеров устройства при сохранении функциональности всех составных частей. При этом, как правило, повышается стабильность функционирования такого устройства, а также уменьшается цена при условии массового производства как интегральных схем, так и устройств на их основе.

Вспомните, как электронные интегральные схемы (ЭИС) качественно изменили наш мир. ЭИС позволяют с чудовищными скоростями принимать, обрабатывать и отправлять информационные электрические сигналы. ФИС также представляют собой, как и в случае электронных интегральных схем, попытку перенести на одну платформу набор элементов для создания того же функционала, что и в случае систем, собранных из дискретных компонентов. Основным драйвером интереса к ФИС также является применение последних в оптических информационных системах. Помимо этого, ФИС находят своё применение в области оптической сенсорики (включая лидары), оптических вычислений, применения квантовых технологий, радиофотоники и некоторых других.

Приведёт ли массовое использование ФИС к такому же качественному скачку, какое вызвало в прошлом веке внедрение ЭИС? Думаю, да, и это будет связано уже не с системами коммуникации «человек-человек», а всё больше с коммуникациями с системами Искусственного Интеллекта (ИИ) типа «человек-гаджет» и «гаджет-гаджет», в частности с применением ФИС для систем искусственного интеллекта и связанных с ним упомянутых новых типов информационных потоков.

Интересным применением ФИС могло бы стать реализация на их основе нейронных сетей. В настоящее время в мире существует несколько стартапов, реализующих продукт нейросетей на основе ФИС.
Суммируя вышесказанное, можно сказать, что основным драйвером интереса к ФИС в настоящее время являются оптические системы связи в разных вариантах и системы сенсорики. Системы оптической обработки информации (будь то оптические компьютеры или оптические нейросети) пока что не вышли из стадии лабораторных исследований.

3. В чем заключаются преимущества ФИС по сравнению с ранее используемыми элементами для модуляции, усиления, обработки и фильтрации оптических сигналов?

Основным преимуществом ФИС по сравнению с набором дискретных элементов является компактность. Следствием компактности является большая стабильность таких систем, что чрезвычайно важно, к примеру, для устройств, использующих фазу оптического сигнала. Компактность позволяет надеяться на использование фотонных технологий в различных гаджетах, что, собственно, является решающим для рыночных драйверов всей этой истории. Необходимо понимать, что лишь рынок решает, будет та или иная технология развиваться или нет; при этом здесь имеется в виду не только коммерческий рынок, но и рынок государственных заказов. При наличии спроса технология будет развиваться и стараться удовлетворять его независимо от уровня этой технологии в данный момент. И наоборот, даже при условии полной готовности технологии, при отсутствии рыночного спроса она не будет передана в индустрию и не станет востребованной.

Необходимо также понимать, что для рынка не имеет значения понятие «инновации», то есть степень новизны самого решения. Имеет значение лишь достижимость необходимых технических параметров при минимальной себестоимости. Если этого сочетания проще достичь при существующем наборе технологий (например, использовать дискретные компоненты вместо ФИС), то новые технологии (в данном случае ФИС) рынком подхвачены не будут. Цена же может быть ниже только при условии массового производства, то есть большой ёмкости соответствующей рыночной ниши, которая в настоящий момент лишь формируется. Поэтому массовое производство ФИС в настоящее время не окупится, что и подтверждает анализ западного рынка: пока что производство ФИС и устройств на их основе экономически невыгодно.

Здесь стоит вспомнить историю развития технологии и рынка ЭИС (электронных интегральных схем). Совершенствование технологии шло по пути уменьшения технологических норм, что было необходимо для повышения быстродействия и размещения большего количества электронных устройств в одном гаджете. При этом возникала ситуация, когда закупленные технологии и технологическое оборудование довольно быстро устаревали — достаточно вспомнить, как быстро был пройден путь от первых мобильных телефонов до современных смартфонов. Фирмы, выпускающие электронные чипы, вынуждены были периодически менять это оборудование. В то же время старое оборудование оказывалось никому не нужным и в лучшем случае перепродавалось другим участникам рынка или просто складировалось/выбрасывалось. Известны случаи, когда оборудование успевало устареть за время поставки и даже не распаковывалось.

В случае ФИС технологии также развиваются, но, в отличие от ситуации с электронными чипами, нет необходимости в улучшении технологических норм, а во-вторых, в настоящее время отсутствует насущная потребность рынка. Тем не менее, в этих условиях закупаемые технологии и оборудование также могут просто устареть за время формирования производственной цепочки. В настоящее время более оправданно было бы сосредоточиться на разработке технологий, а не на массовом производстве, чтобы не отстать от текущих тенденций развития ФИС.

Для того чтобы построить опытное производство с нуля, в настоящее время необходимо (а) оборудование с технологическими нормами не хуже 90 нм, (б) опытные инженеры, часть из которых (хотя бы один) уже однажды прошёл подобный путь создания такого производства. Тогда время от начала создания фабрики будет не менее 5 лет до выпуска опытных образцов, при этом размер инвестиций измеряется в сумме порядка миллиарда долларов.

4. Какие задачи стоят перед инженерами в текущий период развития технологий производства ФИС?

В производстве ФИС задействованы несколько этапов, каждый из которых достаточно специфичен. В первую очередь необходимо сделать дизайн ФИС, для чего нужны специализированные САПР и инженеры, умеющие работать с этим САПРом. Соответственно, необходимо как обучать инженеров для работы на таком специализированном САПРе, так и создавать свой отечественный САПР (в настоящее время отечественный программный продукт такого рода отсутствует).

Далее, для производства ФИС необходима фабрика или опытное производство. Вопросы постановки такого производства я описал выше, здесь лишь хочу ещё раз подчеркнуть, что в настоящее время в России, с моей точки зрения, оправданными являются инвестиции в опытное производство в тесной кооперации с университетами, а не создание коммерчески оправданного массового производства. В любом случае необходимо решать задачи, связанные именно с технологией создания ФИС.

Следующим этапом является стыковка и корпусировка готовых ФИС. Стыковка позволяет объединять несколько чипов в один, например, чип с лазером с чипом с модуляторами и/или спектрометрами и т.д. Также необходимо иметь в портфеле технологию стыковки с оптическими волокнами и электрическими контактами. Далее, для тестирования или создания конечного устройства необходимо разрабатывать и изготавливать платы, на которые будет устанавливаться ФИС.

Наконец, сконструированные, изготовленные и закорпусированные ФИС необходимо протестировать. Тесты готовых ФИС проводятся на низких частотах (потери, спектральные характеристики, пропускание модуляторов в зависимости от подаваемого сигнала и т.д.), а также на высоких частотах по специальным протоколам и методикам, принятым либо в телекоме, либо в радиофотонике. В настоящее время такого рода лаборатория мне, по крайней мере, неизвестна. Таким образом, необходимо оснащение лабораторий, работающих с ФИС, достаточно специфическим оборудованием.

5. Какие существуют ограничения на создание и использование технологий ФИС?

В первую очередь это ограничения технологического плана – то есть доступность технологического оборудования, начиная с компьютеров и САПР, затем производство и, наконец, тестирование и упаковка.

В настоящее время изготовление активных высокочастотных ФИС возможно на китайских фабриках, обладающих библиотеками, совместимыми с нашими основными программами. Производство пассивных ФИС на платформе нитрида кремния отработано в Российской Федерации, например, в ЗНТЦ (Зеленоградский Нанотехнологический Центр), Сколтехе и Бауманке. Тестирование и стыковка/упаковка для основных типов изделий также доступны в Российской Федерации (ЗНТЦ, МИФИ, Сколтех).

Поэтому отработка цепочки «дизайн – изготовление – тестирование – стыковка/упаковка» даже при современных не самых благоприятных условиях тем не менее возможна в полном объёме, что и было продемонстрировано коллективом Лаборатории Интегральной Фотоники Сколтеха и фирмой ФИСТЕХ (спинофф Сколтеха). В настоящее время все звенья этой цепочки созданы и оттестированы. После окончания тестирования ФИС (оценочное время до конца 2024 года) созданная экосистема будет готова к приёму заказов на ФИС любых типов. В настоящее время это единственный коллектив, предлагающий полный цикл ФИС для конечных изделий любых типов. Переговоры с несколькими производителями таких конечных устройств (трансиверы, интеррогаторы, чиплеты, нейросети для ИИ) находятся в стадии согласования ТЗ. Мы надеемся, что до конца 2024 года запустим несколько проектов по созданию конечных устройств на ФИС, а опытные образцы этих устройств будут созданы и протестированы до конца 2025 года.

Создание таких замкнутых цепочек, как мне кажется, необходимо стимулировать и поддерживать. Для этого требуется более системный подход к финансированию работ. В настоящее время политика финансирования разработок в Российской Федерации не отличается особой системностью, что зачастую приводит к финансированию проектов без привязки к общей картине развития того или иного направления. Поэтому критерием положительного решения о финансировании проекта становится не создание конечного продукта, а субъективное мнение экспертной группы, члены которой зачастую не вовлечены непосредственно в цикл создания такого продукта. Результатом таких проектов в лучшем случае становятся новые научные результаты, которые не всегда способствуют созданию конечного продукта.

Необходимо чётко разделять фундаментальные и прикладные исследования. В последнем случае единственным критерием должно являться наличие цепочки до создания конечного продукта с обязательным выводом результатов на рынок. Роль государства в этом случае сводится к формулировке приоритетов направлений развития технологий и списка целевых изделий в рамках каждого приоритетного направления. Например, государство определило одним из своих приоритетов развитие систем коммуникаций. В рамках этого направления формулируется список целевых изделий, в который входит, например, трансивер. Данное целевое изделие декомпозируется на ряд электронных и оптических компонентов, создание каждого из которых поддерживается отдельным проектом с соответствующим финансированием.

В качестве вывода: необходима системная работа по формулировке критериев распределения государственной поддержки, которые бы исключали подмену понятий «фундаментальные» и «прикладные» исследования.

6. Как вы считаете, будет ли расширение перспективных рынков применения ФИС влиять на основные решения по конструкции оборудования, и насколько важно внедрение каталогов номенклатуры ФИС?

Начну со второго: внедрение каталогов важно в той же степени, что и каталоги для электронных компонентов. ФИС сама по себе является компонентом для устройств более высокого уровня. Так же, как и в случае электроники, работает принцип Лего — из номенклатуры готовых компонентов собирается конечное устройство. Готовые компоненты должны быть доступнее и дешевле уникальных ФИС для тех или иных устройств, которые производятся в ограниченных масштабах.

Что касается конструкции оборудования — как я уже говорил, это зависит от востребованности компактных решений. Если возникнет рыночная ниша, в которой будет необходимость в компактном продукте на основе ФИС, то конструкция соответствующего оборудования будет разрабатываться «под ФИС». Если же такого запроса не возникнет, то конструктивные решения, скорее всего, будут основаны на дискретных компонентах.

Например, дроны, которые при необходимости должны общаться с наземной точкой или с другим дроном в пределах видимости. Для такого общения лазерная связь в свободном пространстве является идеальным решением. Или, например, необходимо передать большое количество информации в процессе движения — здесь также идеальным решением будет лазерная связь в пределах видимости.

Кроме того, возникает необходимость «видеть» объект, с которым общаешься — то есть необходимость в оптических лидарах и желательно в оптических способах распознавания, таких как оптические нейросети. Здесь проявляется тенденция к минимизации перехода из оптической области в электрическую — и в этом случае ФИС также является идеальной платформой.

Несомненно, в ближайшем будущем будут востребованы решения на основе ФИС в области оптических коммуникаций, сенсорики, лидаров, оптических вычислителей и оптических нейросетей. И конструкция соответствующего оборудования будет разрабатываться «под ФИС».