«У каждой технологии своя роль»

Фотоника — одна из самых обсуждаемых тем в мире высоких технологий. Фотонные интегральные схемы называют основой для систем высокоскоростной связи, оптических вычислений, квантовой криптографии и новых сенсорных систем. Но что это за технология на самом деле? Придет ли она на смену классической микроэлектронике? И почему путь от лабораторного прототипа до промышленного образца остается таким долгим?

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

«Ъ-Наука» поговорил с Алексеем Денисовым, вице-президентом по исследовательской инфраструктуре Сколтеха (группа ВЭБ.РФ), чтобы узнать, где и как уже сегодня применяются фотонные технологии, что мешает их развитию в нашей стране и какую роль в этом играет исследовательская инфраструктура — от лабораторий и центров коллективного пользования до инженерных кадров и проектов по контрактному производству чипов.

— Алексей, сегодня фотоника стала одной из ключевых технологических тем: ей посвящают конференции, форумы, комплексные аналитические программы. Расскажите, что это за технология. Считается ли она альтернативой микроэлектронике?

— Интегральная фотоника — это технология, которая использует свет вместо электричества для передачи и обработки информации. У этого есть очевидные плюсы: высокие скорости, низкое энергопотребление, а также высокая пропускная способность за счет использования нескольких длин волн (каналов).

Важно сразу отметить: интегральная фотоника никогда не заменит микроэлектронику. У каждой технологии своя роль. Микроэлектроника останется основой для создания логики и подсистем хранения информации, в то время как интегральная фотоника идеально подходит для передачи и обработки информации. Безусловно, есть масса проектов, в том числе в Сколтехе, направленных на создание полностью оптических систем, например, оптического транзистора, но большинство вышеупомянутых направлений все же предполагают создание комбинированных, оптоэлектронных систем.

— Можете привести конкретные примеры, где фотоника находит свое применение уже сейчас? И какие фотонные технологии мы сможем увидеть в будущем?

— Наиболее востребованная область применения фотонных интегральных схем на сегодня — телекоммуникации. Операторы связи, центры обработки данных, облачные вычисления, оптические магистральные линии повсеместно требуют приемопередающие устройства, так называемые трансиверы. При этом сложность таких приборов растет с увеличением требуемых скорости и дальности передачи данных. Если относительно простые системы для, например, домашнего интернета не содержат в себе сложных фотонных интегральных схем, то дальнемагистральные когерентные трансиверы уже без них обойтись не могут.

Второе направление — сенсорика, то есть создание различных датчиков физических величин: вибраций, механических напряжений, температуры, давления, химического состава и многих других. Принцип работы заключается во взаимодействии света с внешней средой в специальной чувствительной зоне. Регистрируя изменения характеристик излучения, которое происходит при его прохождении сквозь такую зону, можно судить о том или ином физическом состоянии системы. Например, такие датчики могут устанавливаться на авиационные конструкции, мостовые пролеты или железнодорожное полотно, обеспечивая контроль их целостности путем непрерывного измерения механических деформаций и сигнализируя об опасных отклонениях.

Третье направление — квантовая криптография для создания квантовых сетей связи нового поколения. Задачи генерации и детектирования одиночных фотонов в таких системах успешно решаются компактными фотонными интегральными схемами. Это позволяет заменить громоздкие оптические столы, обеспечивая снижение габаритов и стоимости конечных изделий, повышение их скорости работы, увеличение надежности и другие преимущества.

Существуют и более специализированные применения: измерение гравитационного потенциала Земли для создания помехозащищенных систем навигации или геологоразведки, оптические вычисления для задач искусственного интеллекта и многие другие. В настоящий момент рынок таких систем находится в стадии формирования, однако его потенциал весьма значительный.

— Что сдерживает развитие рынка фотонных технологий в России?

— Для демонстрации прототипов перспективных изделий необходимо создавать и развивать центры быстрого прототипирования, которых в настоящий момент в России исключительно мало. Как результат, сейчас между заказчиками из реального сектора экономики и отечественными производственными площадками-исполнителями наметился определенный разрыв: производители пока не владеют необходимым набором технологий для проектирования на их основе требуемых изделий, а заказчики, в свою очередь, не готовы инвестировать существенные средства в разработку базовых технологий, поскольку заинтересованы в конечных изделиях.

— Какие есть пути преодоления этого разрыва, на ваш взгляд?

— Один из эффективных инструментов — это контрактное производство (интерпретация устоявшегося термина MPW — Multi-Project Wafer), когда в рамках единого цикла на одной пластине одновременно изготавливаются схемы, разработанные разными заказчиками. Затраты на дорогостоящее производство распределяются между всеми участниками, и для каждого заказчика стоимость чипа становится приемлемой. Такой подход давно работает в мире.

— А как это выглядит на практике, можете привести конкретный пример?

— Да, и это хорошая иллюстрация того, как исследовательская инфраструктура решает сложившуюся системную проблему, то есть позволяет сократить разрыв между заказчиком и исполнителем. В Сколтехе, например, мы работали над решением этой проблемы последние несколько лет и в рамках конференции «Микроэлектронные системы 2026», которая пройдет у нас в кампусе, объявим о старте приема заявок на первый в России контрактный запуск изготовления фотонных интегральных схем на платформе «кремний-на-изоляторе». Запуск пройдет как раз в контрактном формате (MPW).

Благодаря новому сервису российские и зарубежные заказчики получат прототипы и малые партии своих кремниевых фотонных чипов, изготовленные по промышленной КМОП-совместимой технологии (комплементарная структура «металл—оксид—полупроводник» — это базовая технология, на которой строят почти все современные микросхемы: процессоры, контроллеры, память, логические элементы). Благодаря таким преимуществам платформы «кремний-на-изоляторе», как миниатюрность и возможность создания функциональных элементов, включая модуляторы оптического излучения, данные чипы в перспективе найдут свое применение во всех областях, которые я обозначил выше.

Кроме того, сам процесс изготовления позволяет создавать высокоскоростные модуляторы с рабочими полосами от 20–30 ГГц и выше, что критично для трансиверов 400G/800G и последующих поколений. А такие устройства нужны и дата-центрам, и магистральной связи, и системам искусственного интеллекта, и многим другим областям.

— Давайте подробнее остановимся на исследовательской инфраструктуре как таковой. Расскажите, пожалуйста, что она включает в себя?

— Формально исследовательская инфраструктура — это набор высокотехнологичного оборудования в лабораториях. Но я смотрю шире: исследовательская инфраструктура — это комплекс зданий и помещений, где стоит оборудование и, самое главное, где работают уникальные специалисты. Современная исследовательская лаборатория — это динамично развивающаяся система, решающая различные задачи: от проведения фундаментальных исследований до создания опытной партии изделий в интересах реального сектора экономики.

— Как обычно создаются исследовательские лаборатории?

— Расскажу на примере Сколтеха. В отличие от классических университетов, строящихся вокруг факультетов и кафедр, модель Сколтеха предполагает создание и постоянное обновление пятилетних программ по трем ключевым задачам — науке, образованию и инновациям. Вокруг этих задач сформированы центры науки, инноваций и образования, а также проектные центры, сфокусированные на прикладных исследованиях в интересах компаний реального сектора экономики. Ключевой ценностью Сколтеха и его центров является профессорско-преподавательский и инженерно-исследовательский коллективы. Именно они формируют повестку и тематики проводимых исследований, а также определяют перечень и состав оборудования в своих лабораториях. Это логично: никто, кроме ученых, не знает лучше, как и на каком именно приборе делать науку мирового уровня, потому как именно на таких приборах они ранее вели свои исследования, формируя научный задел, коллектив и т. п.

— Получается, что ученые формируют парк оборудования. А кто им управляет и — самое главное — как обеспечить его работоспособность?

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Практически в любой лаборатории в штате есть инженерно-технический персонал, который следит за оборудованием. Наличие таких сотрудников определяется сложностью оборудования. Простые настольные приборы, например весы или магнитные мешалки, не требуют серьезного обслуживания, и роль сервисных инженеров выполняют сами научные сотрудники. А вот для сложного и дорогостоящего оборудования, например труб горения или электронных микроскопов, требуются отдельные компетенции и отдельные инженеры.

Не стоит также забывать, что многие поставщики оборудования предлагают гарантийное и послегарантийное обслуживание, поэтому задача персонала лабораторий ограничивается не столько ремонтом самого оборудования, сколько корректной и своевременной диагностикой. Это не всегда работает, особенно в текущих геополитических условиях, поэтому у нас в Сколтехе, например, создана своя служба ремонта научно-исследовательского оборудования.

Второй аспект — административно-технический. Ученые не могут и не должны тратить время на решение рутинных вопросов, связанных с формированием и последующим управлением лабораториями и оборудованием. С этой целью создаются различные сквозные механизмы. К ним относятся, например, проектирование, строительство и эксплуатация лабораторных пространств, технико-экономическая экспертиза закупаемого оборудования, единые и понятные закупочные процедуры, единые механизмы аудита лабораторных журналов, служба ремонта и обслуживания научного оборудования, сертификация по стандартам ИСО, учет драгоценных металлов, разработка и внедрение единой системы управления лабораторной информацией, централизованного склада и многие другие.

— А как быть с приборами, которые нужны сотрудникам не одной лаборатории, а, допустим, нескольким или даже всему институту? Есть ли для этого какие-то специальные центры?

— Да, для этого создаются центры коллективного пользования (ЦКП). В классическом понимании ЦКП — это лаборатория, предоставляющая доступ к своему оборудованию разным группам внутри и вне организации, чтобы не дублировать однотипные приборы. Но в современном мире этого недостаточно. Лучшие ЦКП — это не просто лаборатории, предоставляющие доступ к своему оборудованию, это полноценные инженерно-исследовательские центры компетенций.

Опять же расскажу на примере Сколтеха. Наши ЦКП сфокусированы не на предоставлении доступа к оборудованию, а на услугах на его основе. Благодаря этому ЦКП решают существенно более широкий спектр задач: от полноценного участия в научно-исследовательских проектах как наших ученых, так и академических и индустриальных партнеров до обеспечения образовательного процесса Сколтеха, трансфера технологий в формате «от идеи до прототипа» и создания собственных линий разработки.

Один из наших ЦКП — «Чистые помещения для микро- и нанообработки» — создан при поддержке правительства Москвы. Это уникальный в России центр для прототипирования устройств на базе фотонных интегральных схем и смежных технологий, который обеспечивает замкнутый цикл создания оптоэлектронных устройств: от кристального производства чипов до сборки и тестирования прототипов конечных изделий. Именно на базе данного ЦКП мы сейчас запускаем сервис контрактного производства фотонных интегральных схем на платформе «кремний-на-изоляторе».

— То есть инфраструктура вроде бы есть: лаборатории, центры коллективного пользования, инженеры. Но, судя по всему, даже при всем этом путь от научной идеи до реального промышленного образца остается сложным. В чем здесь главная трудность?

— На мой взгляд, нельзя фокусироваться исключительно на работе «от задачи» или «от продукта», не вникая в суть базовых технологий. Иначе работа превращается в крупноузловую сборку. Для обеспечения технологической независимости и тем более превосходства в новых областях крайне важна работа «снизу вверх», то есть от технологии. Надо понимать, из чего состоят перспективные решения, и развивать эти технологии у себя. Это сложно, долго и дорого, но без этого любые инновации будут держаться на импортном фундаменте. Поэтому в развитых научно-технологических центрах одновременно идет и проектная работа под задачу, и развитие базовых технологических платформ — как упомянутая выше платформа кремниевой фотоники. Вместе они и создают ту самую инфраструктуру, которая превращает идеи в реальные продукты.

Олег Щербаков, Сколтех