Кузница научно-технологического суверенитета

О научном лидерстве и технологическом суверенитете России трудно было бы говорить без создания в стране новейшей исследовательской инфраструктуры мирового уровня. Крупнейший проект в этом направлении — Национальный центр физики и математики (НЦФМ), который строится по президентскому указу в Сарове. Почти 80 лет назад здесь начинался советский атомный проект, результаты которого во многом определили современный мировой уклад. Теперь же тут ведется работа, которая, как ожидается, откроет новую главу в истории: например, речь может идти о получении принципиально новых источников энергии. А попутно страна получит передовую научно-исследовательскую инфраструктуру и отлаженный механизм трансфера фундаментальных знаний в реальный сектор.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Пространство научного прорыва

НЦФМ, который заработал в 2021 году вблизи закрытого города Сарова (Нижегородская область), называют «научным городком XXI века». Он строится согласно поручению президента РФ от 2020 года, для того чтобы стать площадкой научного прорыва в фундаментальных исследованиях. Важная попутная задача — подготовка ученых высшей квалификации для укрепления кадрового потенциала самых наукоемких отраслей, например атомной индустрии.

«Создание такого центра — шаг очень своевременный»,— уверен председатель научно-технического совета НЦФМ академик Борис Шарков. По его словам, еще каких-то пять лет назад отечественный ядерный комплекс рисковал столкнуться с дефицитом высококлассных ученых уровня Андрея Сахарова, Якова Зельдовича, Юлия Харитона, Абрама Алиханова, Николая Боголюбова.

«Речь зашла о необходимости сохранения и развития научно-инженерного кадрового потенциала, о создании в Сарове, за пределами закрытой зоны, научного центра мирового класса. В результате “под знаменами” НЦФМ удалось собрать весь цвет отечественной математики и физической науки. Само по себе это уже важный стратегический результат»,— рассказывает Шарков.

В создании НЦФМ участвуют госкорпорация «Росатом», Российская академия наук, Минобрнауки России, МГУ им. М. В. Ломоносова, Российский федеральный ядерный центр — ВНИИЭФ, НИЦ «Курчатовский институт» и Объединенный институт ядерных исследований. Научная программа центра стартовала в 2022 году, ее совместно реализуют более 60 институтов РАН в сотрудничестве с ведущими российскими университетами и высокотехнологичными компаниями. В исследованиях задействована как собственная экспериментальная и расчетная база этих организаций, так и открытая часть оборудования РФЯЦ—ВНИИЭФ.

Вице-премьер Дмитрий Чернышенко как-то охарактеризовал НЦФМ как «DARPA наоборот». Смысл метафоры разъяснил генеральный директор «Росатома» Алексей Лихачев: «Управление перспективных исследовательских проектов Минобороны США тащит гражданские разработки в военную промышленность. Мы же должны лучшие достижения ядерного оружейного комплекса поставить на службу гражданским отраслям».

Важнейшая задача НЦФМ — полученные здесь фундаментальные научные результаты должны получить практическое применение. В результате трансфера в реальной сектор эти открытия и разработки обеспечат ускоренное развитие экономики, общества и страны.

Как определить, на каких направлениях сконцентрировать работу передового научного центра будущего? На этот вопрос российское научное сообщество отвечало вместе с представителями реального сектора — например, с «Росатомом».

«Из огромного многообразия тем, достойных внимания и поддержки, выбор в конечном итоге делался по двум ключевым критериям,— отмечает академик Шарков.— С одной стороны, речь должна была идти о том, в чем наши ученые действительно сильны и при наличии соответствующей инфраструктуры смогут сделать настоящий прорыв. С другой — достигнутые результаты должны ложиться в практическое русло, выливаться в получение конкретных технологий, которые критически важны для развития страны, в том числе экономического».

В результате научная программа НЦФМ получилась очень обширной. Сегодня исследования ведутся по 11 перспективным направлениям:

• ядерная и радиационная физика;
• физика частиц и космология;
• исследования в сильных и сверхсильных магнитных полях;
• физика высоких плотностей энергии;
• физика изотопов водорода;
• газодинамика и физика взрыва;
• экспериментальная лабораторная астрофизика и геофизика;
• искусственный интеллект и большие данные в технических, промышленных, природных и социальных системах;
• цифровое материаловедение;
• исследования архитектур суперкомпьютеров;
• математическое моделирование на суперЭВМ экса- и зеттафлопсной производительности.

Раскрыть тайны нуклонной материи, вскипятить вакуум и обойти закон Мура

Флагманами НЦФМ станут три научно-исследовательские установки класса «мегасайенс». Этим термином в нацпроекте «Наука» обозначаются проекты, которые позволят выйти за рамки существующих фундаментальных знаний и откроют новые возможности в развитии технологий — словом, превзойдут что-либо уже созданное. Запустить мегапроекты планируют после 2030 года, сейчас для них готовится база: собираются отдельные узлы и компоненты, прорабатываются программы экспериментов.

Одна из таких установок — многофункциональный ускорительный комплекс с источником комптоновского излучения. Его задача — революционизировать представления о нуклонной и кварковой материи.

«С помощью нового ускорителя, аналогов которому нет ни у кого в мире, мы сможем в том числе осуществлять с ранее недостижимой точностью сканирование энергетического и даже пространственного распределения нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре. Очень важно, что разрабатываемая установка позволит нам работать с самыми различными ядрами в очень широком диапазоне»,— рассказал «Ъ-Науке» научный руководитель НЦФМ академик Александр Сергеев.

Второй мегапроект — Центр исследования экстремальных световых полей с лазером эксаваттной (10¹⁸ Вт) мощности. Это на три порядка мощнее уровня, который реализован на практике сегодня: мощнейшие в мире лазеры — петаваттные (10¹⁵ Вт). Небывалая мощность понадобилась российским ученым в том числе, чтобы «вскипятить» вакуум.

«Как известно из фундаментальной физики, на самом деле вакуум вовсе не пуст, а образован беспрерывно рождающимися и мгновенно аннигилирующими виртуальными парами “частица—античастица”. Ожидается, что эксаваттного излучения будет достаточно, чтобы разорвать взаимодействие в этих парах и добиться рождения из них реальных частиц — электронов и позитронов. Это и будет так называемое вскипание вакуума»,— поясняет заместитель научного руководителя и главный ученый секретарь НЦФМ академик Дмитрий Бисикало.

Какую практическую пользу сулят исследования нуклонной материи и «кипячение» вакуума? И то и другое станет следующим шагом в истории атомной науки после искусственного расщепления ядра. Оно, как известно, впервые было осуществлено в 1938-м, а уже в ближайшие два десятилетия человечество получило ядерное оружие (спустя семь лет, в 1945-м) и атомную энергетику (через 16 лет, в 1954-м) — две технологии, которые, без всякого преувеличения, во многом определяют облик современности.

Третьей установкой «мегасайенс» станет фотонная вычислительная машина — принципиально новый класс компьютеров с производительностью до 10²² операций в секунду. Для сравнения, мощнейший действующий суперкомпьютер — экзафлопсный El Capitan от Ливерморской национальной лаборатории (штат Калифорния, США) — может выполнять лишь 1,7*10¹⁸ операций в секунду (то есть на четыре порядка медленнее).

«Сегодня мы почти достигли технологического предела производительности традиционных микрочипов: знаменитый закон Мура про регулярное удвоение производительности ЭВМ за счет “утоньшения” аппаратной базы больше не работает. Главное преимущество фотонной вычислительной машины в том, что она основана на принципиально ином подходе: в ней используются не электроны, как в классических компьютерах, а фотоны. Это избавляет от целого ряда недостатков электронных машин. Кроме привязанности к полупроводниковой архитектуре чипов это, например, огромное энергопотребление»,— рассказывает академик Бисикало.

Впрочем, световой вычислитель станет не заменой, а дополнением классических ЭВМ: он эффективен лишь для определенного типа задач. Правда, задачи эти сегодня — одни из самых востребованных.

«Фотонный процессор ни в коем случае не универсален. Однако используя его в качестве сопроцессора с обычным суперкомпьютером, мы получаем огромное преимущество в производительности при решении некоторых классов задач. Пример — перемножение матриц, то есть операция, которая сегодня широко используется при обучении нейронных сетей»,— поясняет академик Сергеев.

В числе первых задач, которые исследователи возложат на фотонный компьютер, будет моделирование экспериментов для двух других мегаустановок НЦФМ. Каждый пуск передового ускорителя частиц или сверхмощного лазера — это сложная и недешевая операция (считаные секунды работы такой аппаратуры обходятся в миллионы рублей), поэтому ученым критически важно прогнозировать ход событий и результат.

Прототип компактного аналогового фотонного вычислительного устройства уже создан. Это стало одним из первых результатов научной программы НЦФМ. «Полученное устройство обрабатывает потоковую видеоинформацию в реальном времени с рекордной производительностью до 10¹⁶ операций в секунду, что соответствует лучшим мировым образцам суперЭВМ»,— подчеркивает академик Бисикало.

Семь лабораторий технологического лидерства

Одними только мегапроектами научно-исследовательская инфраструктура НЦФМ не ограничивается. К 2027 году здесь заработают семь лабораторий класса «мидисайенс», которые послужат для решения конкретных задач передовых направлений фундаментальной и прикладной науки. В частности, в эти лаборатории «переедет» разработка установок «мегасайенс» и подготовка их экспериментов, которые сейчас ведутся в институтах РАН и ядерных научных центрах.

Так, над фотонным компьютером будут трудиться в лаборатории фотонных вычислительных устройств. При этом важно развитие не только вычислительных мощностей, но и технологий моделирования, для которого эти мощности нужны. И над такими технологиями будут работать в лаборатории суперкомпьютерных двойников индустриальных объектов.

Смежной работой займется лаборатория нейроморфного искусственного интеллекта. Здесь будут создавать вычислительные системы для решения задач технического зрения, управления робототехническими системами, обработки сигналов в составе инвазивных и неинвазивных нейроинтерфейсов.

Работа лаборатории сверхсильных оптических полей будет посвящена созданию эксаваттного лазера, отработке его составных частей и постановке критических экспериментов по экзаваттной физике. Лаборатория ядерной фотоники будет участвовать в создании универсального ускорителя — здесь разработают уникальный источник гамма-излучения с энергией квантов 5–50 МэВ. Собственно, ядерная фотоника — это новая область физики, поэтому проводимые здесь эксперименты позволят изучить свойства ядерной материи и строение вещества на новом уровне.

Лаборатория сильных магнитных полей послужит созданию уникальной исследовательской базы для развития отечественной микро- и наноэлектроники, сверхпроводниковой техники. Наконец, в лаборатории моделирования астрофизических и геофизических явлений займутся исследованиями по программам полетов на Луну и Марс.

Инкубатор научной элиты

Образовательным ядром НЦФМ служит филиал МГУ им. М. В. Ломоносова в Сарове (МГУ Саров). Он создан вблизи закрытого города согласно правительственному постановлению от 2021 года, его задача — эффективное воспроизводство научных и научно-педагогических кадров высшей квалификации.

«МГУ Саров — это в первую очередь кузница кадров для НЦФМ и высокотехнологичных предприятий “Росатома”. Однако в целом задача, конечно же, шире: мы готовим элиту, лидеров научно-технологического прогресса страны»,— говорит директор МГУ Саров, член-корреспондент РАН Владимир Воеводин.

Филиал реализует пять магистерских учебных программ по двум направлениям: «Прикладная математика и информатика» и «Физика». Учеба в магистратуре длится два года, затем можно продолжить обучение в аспирантуре — еще три или четыре года в зависимости от специальности.

Магистерский выпуск 2025-го стал уже третьим по счету, а первый набор состоялся в 2021-м. Тогда учиться в Саров отправились 50 выпускников передовых вузов со всей страны. Сегодня набор увеличился до 80 человек — по 40 на математику и физику. Учиться в аспирантуре остается около половины выпускников магистратуры (сегодня в МГУ Саров учится 43 аспиранта).

Все места в филиале бюджетные, при этом учащимся выплачиваются достойные ежемесячные стипендии: магистрантам — по 55 тыс. руб., аспирантам — по 75 тыс. руб. Еще один бонус — исключительно комфортные условия для жизни, учебы и работы, которые созданы на территории МГУ Саров и НЦФМ. Несмотря на удаленность от мегаполисов, близость к закрытой территории, сложность вступительных испытаний и учебной программы, недостатка желающих поступить не наблюдается.

«Ни в одном учебном заведении России нет такого профессорско-преподавательского состава, как у нас: академики, членкоры, доктора наук. Под каждую дисциплину подбираем без преувеличения лучших специалистов в этих областях. И они с большой охотой едут к нам преподавать. Во-первых, каждый чувствует высочайшую важность этой миссии — сохранить и развить наши передовые научные школы. Во-вторых, преподавать у нас — одно удовольствие, ведь мало где еще можно встретить столько заинтересованных, мотивированных ребят»,— отмечает членкор Воеводин.

Поступившие в МГУ Саров получают возможность не только учиться у самых именитых преподавателей страны и практиковаться под их руководством в передовом научном центре, но и сразу после выпуска устроиться на работу мечты: проблем с трудоустройством у выпускников нет от слова «совсем». При этом их судьбу никто не предопределяет: они вольны выбирать себе работодателя по вкусу.

«Половина ребят остается работать в предприятиях, реализующих проект НЦФМ, а остальные идут как в различные организации "Росатома", так и в другие области, причем самые разные, вплоть до банковской сферы. Мы считаем, что это нормально: наш выпуск должен двигать вперед страну в целом, и мы довольны своей широкой востребованностью»,— отмечает академик Сергеев.

Илья Арзуманов