Тайны лабораторий. Как российские ученые меняют мир

В эпоху глобальной конкуренции молодые российские исследователи уверенно прокладывают путь к научному и технологическому суверенитету страны. В отечественных лабораториях создаются разработки, призванные не только заменить импортные аналоги, но и превзойти достижения иностранных коллег. Корреспондент РИА Новости прикоснулся к процессу создания элементов для оптических вычислительных систем, конкурентоспособных российских микросхем и высокоэффективных транзисторов в НИУ МИЭТ.

Петр Лазаренко

Руководитель лаборатории "Материалы и устройства активной фотоники"

Иван Осадчий

Руководитель лаборатории "Энергоэффективные системы на кристалле"

Денис Вертянов

Руководитель лаборатории "Передовые технологии корпусирования и производства 3D микросистем"

Константин Царик

Руководитель лаборатории "Элементная база силовой электроники на основе нитрида галлия"

Приблизились к созданию оптических нейроморфных систем

Петр Лазаренко

Руководитель лаборатории "Материалы и устройства активной фотоники"

Молодежные лаборатории Национального исследовательского университета "МИЭТ", созданные в рамках проекта "Наука и университеты", предоставляют студентам возможность уже во время учебы начать работу над решением ключевых задач современной науки, в частности, фотоники.

С разработками из области фотоники (науки, которая изучает и применяет свойства света) человек сталкивается практически каждый день. Светодиоды в дисплеях и светофорах, лазеры в сканерах штрихкодов и сварочных аппаратах, оптоволоконные системы связи для высокоскоростного доступа в сеть — все это невозможно представить без фотоники.

В лаборатории "Материалы и устройства активной фотоники" молодые ученые под руководством более опытных коллег разрабатывают фазопеременные полупроводники для фотонных интегральных схем — ключевого элемента оптических нейроморфных вычислительных систем, работающих по принципу человеческого мозга.

"Фазопеременные полупроводники — это уникальный класс материалов, способных изменять свои оптические свойства под воздействием внешних факторов и сохранять эти изменения длительное время", — рассказал руководитель лаборатории Петр Лазаренко.

"Фазопеременные полупроводники — это уникальный класс материалов, способных изменять свои оптические свойства под воздействием внешних факторов и сохранять эти изменения длительное время", рассказал Петр Лазаренко.

Его команда улучшила свойства фазопеременных материалов с помощью введения в их структуру специальных примесей, что снизило энергозатраты на переключение между различными состояниями материала. На их основе совместно с НИТУ МИСИС были созданы элементы оптической многоуровневой памяти в интегральном исполнении.

По словам авторов, разработка может стать ключом к развитию нейроморфных вычислительных систем — искусственных аналогов человеческого мозга, которые имитируют работу нейронов и синапсов. Преимущество оптических систем заключается в возможности достигнуть высокую энергоэффективность и быстродействие: за счет перехода к оптическим способам передачи информации они способны потреблять в тысячи раз меньше энергии по сравнению с создаваемыми в настоящий момент электрическими системами.

Сотрудники молодежной лаборатории "Материалы и устройства активной фотоники"

Молодежная лаборатория Материалы и устройства активной фотоники

Сотрудники молодежной лаборатории "Материалы и устройства активной фотоники" совместно с коллегами из НПК "Технологический центр"

1 / 4

Сотрудники молодежной лаборатории "Материалы и устройства активной фотоники"

2 / 4

Молодежная лаборатория "Материалы и устройства активной фотоники"

3 / 4

Молодежная лаборатория "Материалы и устройства активной фотоники"

4 / 4

Сотрудники молодежной лаборатории "Материалы и устройства активной фотоники" совместно с коллегами из НПК "Технологический центр"

Фазопеременные материалы и другие наноструктуры создает команда из 32 специалистов. В ее состав входят как кандидаты наук, так и студенты, магистранты и аспиранты.

"Работа в лаборатории быстро увлекает и совсем не наскучивает. Иногда прямо детский восторг испытываешь, когда узнаешь о чем-то новом и пробуешь себя в этом. Особенно нравятся поездки, связанные с нашей работой: конференции и стажировки. На них ты всегда знакомишься с новыми людьми и их направлениями", — отметила магистрант НИУ МИЭТ Лейла Эль-Хадж.

Укрепили технологическую независимость страны

Иван Осадчий

Руководитель лаборатории "Энергоэффективные системы на кристалле"

На фоне санкций со стороны западных производителей, ученые и инженеры НИУ МИЭТ развивают конкурентоспособные российские микросхемы. Их выпускают на базе отечественных микроэлектронных фабрик с помощью технологического сервиса MPW, который создал вуз.

Система производства MPW (Multi-Project Wafer) предполагает размещение на одной пластине сразу нескольких проектов микросхем, разработанных разными командами. Благодаря этому существенно снижаются затраты на производство и становится доступнее выпуск малых серий микросхем для вузов и научных организаций.

"Сервис MPW позволяет разработчикам сначала выпустить несколько экземпляров интегральных схем по промышленным технологиям отечественных фабрик для апробации, а уже после запустить серийное производство. Такой подход способствует появлению новых микросхем и развитию отечественной электронной промышленности", — отметил руководитель лаборатории "Энергоэффективные системы на кристалле" Иван Осадчий.

"Сервис MPW позволяет разработчикам сначала выпустить несколько экземпляров интегральных схем по промышленным технологиям отечественных фабрик для апробации, а уже после запустить серийное производство. Такой подход способствует появлению новых микросхем и развитию отечественной электронной промышленности", — отметил Иван Осадчий.

С помощью технологического сервиса MPW лабораторией "Энергоэффективные системы на кристалле" были изготовлены, в частности, первые опытные образцы микроконтроллера с открытой архитектурой RISC-V — микросхемы для программного управления электронными устройствами. Сегодня на его базе уже можно создавать бытовую технику, системы автоматизации производства, автомобильную электронику и гаджеты для умного дома.

"Каждый проект содержит в себе множество этапов: от изучения области исследования и написания спецификации до проведения синтеза и получения метрик готового продукта. Взаимодействие с более опытными коллегами, преподавателями, позволяет быстрее и легче развиваться", — поделилась своим опытом работы в лаборатории магистрант НИУ МИЭТ Екатерина Протасова.

Микросхема для программного управления электронными устройствами

Процессор

1 / 2

Микросхема для программного управления электронными устройствами

2 / 2

Процессор

Регулярные обсуждения помогают углубить понимание сложных концепций и находить нестандартные решения, отметил сотрудник лаборатории, магистрант НИУ МИЭТ Владислав Кулешов. По его словам, это вдохновляет студентов на дальнейшие исследования в области разработки микропроцессорных систем и открывает новые горизонты для профессионального роста.

Разработали сверхкомпактные микросхемы

Денис Вертянов

Руководитель лаборатории "Передовые технологии корпусирования и производства 3D микросистем"

Над усовершенствованием отечественной микроэлектроники работают также специалисты лаборатории "Передовые технологии корпусирования и производства 3D микросистем".

По словам ученых, производительность электроники увеличивается за счет миниатюризации транзисторов. Чем больше их умещается на процессоре, тем больше вычислений он сможет произвести. Однако скоро миниатюризация упрется в физические ограничения: размер транзисторов приблизится к размерам атомов, из которых они строятся, и у инженеров не будет возможности создавать еще более миниатюрные компоненты.

В качестве альтернативы ученые предложили использовать возможности трехмерной интеграции, при которой различные компоненты электронных схем располагаются друг над другом.

"Мы говорим о новой эре миниатюризации электроники. Такой подход позволяет создавать микросборки с минимальными размерами и массой при сохранении высокой производительности", — подчеркнул руководитель лаборатории Денис Вертянов.

"Мы говорим о новой эре миниатюризации электроники. Такой подход позволяет создавать микросборки с минимальными размерами и массой при сохранении высокой производительности", — подчеркнул Денис Вертянов.

3D-микросистемы могут найти применение в различных областях. Например, в сфере потребительской электроники такая технология позволяет создавать более компактные и функциональные смартфоны, планшеты и носимые устройства вроде умных часов. В промышленной электронике системы найдут применение в производстве компактных контроллеров для различного оборудования, а в аэрокосмической отрасли — в создании миниатюрных и легких электронных модулей для космических аппаратов.

В работу лаборатории вовлекаются молодые исследователи: они выполняют индивидуальные проекты, которые могут стать основой для их диссертаций.

Прототип 3D-микросистемы

1 / 4

Прототип 3D-микросистемы

2 / 4

Прототип 3D-микросистемы

3 / 4

Прототип 3D-микросистемы

4 / 4

Прототип 3D-микросистемы

"У нас в лаборатории есть четверо более опытных сотрудников около 39 лет, а остальные коллеги — молодые специалисты в возрасте от 20 до 22 лет. В коллективе представлены специалисты различной квалификации: от студентов старших курсов до кандидатов наук. В лаборатории созданы все условия для проведения научных исследований, публикации статей и подготовки к защите научных степеней", — рассказал Вертянов.

Форсировали закат эпохи кремния

Константин Царик

Руководитель лаборатории "Элементная база силовой электроники на основе нитрида галлия"

Эпоха кремниевых чипов подходит к концу: в НИУ МИЭТ нашли замену устаревающему материалу. Ученые разрабатывают высокоэффективные транзисторы нового поколения на основе нитрида галлия — химического соединения галлия и азота. По сравнению с традиционными кремниевыми приборами, такие транзисторы могут выдерживать гораздо более высокие напряжения и температуры.

"Мы можем представить нашу работу как создание рецепта для производства мощных транзисторов, которые способны коммутировать напряжения свыше 1000 вольт при значительных токах. На этапе проектирования мы тщательно анализируем конструкцию устройства, чтобы исключить любые дефекты, которые могли бы снизить его характеристики", — сообщил руководитель лаборатории "Элементная база силовой электроники на основе нитрида галлия" Константин Царик.

"Мы можем представить нашу работу как создание рецепта для производства мощных транзисторов, которые способны коммутировать напряжения свыше 1000 вольт при значительных токах. На этапе проектирования мы тщательно анализируем конструкцию устройства, чтобы исключить любые дефекты, которые могли бы снизить его характеристики", — сообщил Константин Царик.

Поскольку структура создаваемых транзисторов позволяет им эффективно работать в условиях высоких частот, разработку можно использовать в технологиях 5G и 6G, где требуется высокая скорость передачи данных. В силовом исполнении такие транзисторы также могут применяться в бытовой (зарядные устройства, адаптеры) и промышленной (системы управления электродвигателями, накопители энергии) электронике.

"Мы активно вовлекаем в исследовательскую деятельность студентов старших курсов, возраст которых обычно составляет 20-21 год. Участие студентов осуществляется не в качестве стажировки, а в формате работы. Они получают практический опыт и делают первые шаги в научной деятельности еще во время обучения в университете", — рассказал Царик.

Транзисторы нового поколения на основе нитрида галлия

1 / 2

Транзисторы нового поколения на основе нитрида галлия

2 / 2

Транзисторы нового поколения на основе нитрида галлия

Согласно целям нацпроекта "Наука и университеты" Россия должна войти в первую пятерку стран, ведущих разработки в приоритетных областях. Цели проекта — достижение значимых результатов по приоритетам Стратегии научно-технологического развития России и повышение привлекательности отечественной науки и образования. В задачи нацпроекта входит обеспечение передовой инфраструктуры для научных исследований, включая обновление приборной базы ведущих организаций, а также создание уникальных научных установок класса "мегасайенс".