О фантомной вычислительной машине академика Сергеева и главного конструктора Степаненко

Шелдон Купер: Итак, если фотон направлен через плоскость с двумя щелями в ней и каждая из них под наблюдением, то фотон никогда не пройдет через обе щели, а если не под наблюдением, то пройдет.

Леонард Хофстадтер: Согласен. А в чем прикол?

Шелдон Купер: Да ни в чем. Это просто хорошая идея для лого на футболке.

Телесериал «Теория Большого взрыва».

Бывший главный ученый России, экс-президент Российской академии наук, академик Александр Сергеев предложил одним могучим рывком опередить в области суперкомпьютерных вычислений весь мир, который до сих пор не может додуматься до простейшего устройства, запатентованного никому не известным российским гением еще четверть века тому назад.

«Сейчас мы сформулировали предложение о том, чтобы создать суперпроизводительный фотонный вычислитель и применить его для развития искусственного интеллекта с совершенно другими возможностями в плане объемов обработки информации, получения сильного ИИ», – с таким заявлением недавно выступил экс-глава Российской академии наук, со скандалом оставивший этот пост в сентябре прошлого года и сосланный в Саров руководить синекурой под названием Национальный центр физики и математики. Видимо, размышления о том, чем бы занять вверенное ему учреждение, и навели бывшего главного ученого страны на идею фотонного «думателя».

«Когда мы говорим об архитектуре суперкомпьютеров, то понимаем, что строить ее надо таким образом, чтобы различные вычислительные элементы работали максимально быстро для решения тех задач, для которых они предназначены. И такое ускорение может быть связано с использованием оптических вычислительных компонент. Фотоны будут частицами, которые и несут, и обрабатывают информацию. Здесь видится грандиозное будущее, потому что в ряде операций фотоны, будучи более легкими и быстрыми частицами по сравнению с электронами, определенные процедуры могут производить в огромное количество раз быстрее», – считает академик Сергеев (на фото выше), подчеркивая, что на данный момент фотонные компьютеры – гипотетическая технология, однако ученые НЦФМ рассчитывают достичь прогресса в этой области.

В основе этого замысла – патент РФ 2639698 на изобретение фотонной вычислительной машины (ФВМ), зарегистрированный в 2017 году. Изобретатель – Сергей Степаненко (на фото ниже), доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник и начальник отдела Института теоретической и математической физики РФЯЦ-ВНИИЭФ (российский ядерный центр в Сарове, главная кузница нашего ядерного щита), заслуженный машиностроитель Российской Федерации, лауреат Государственной премии РФ.

Пресс-служба ядерного центра сообщает, что Сергей Степаненко – главный конструктор созданных в РФЯЦ-ВНИИЭФ первых отечественных мультипроцессорных систем, которые имели рекордные значения производительности в стране и не уступали лучшим зарубежным аналогам. Их применение позволило решать задачи, ранее недоступные для математических расчетов. Последние годы ученый посвящает разработке структуры и принципов реализации фотонной вычислительной машины.

При этом сам Сергей Степаненко в своем проекте опирается на другое изобретение (патент РФ 2075106), зарегистрированное в далеком уже 1997 году неким Антоном Олеговичем Полуэктовым. Идентифицировать последнего по каким-то заметным следам в интернете не удалось, возможно – это старший научный сотрудник новосибирского Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН.

Этот неизвестный миру гений изобрел пассивный оптический логический элемент. Нобелевский лауреат академик Жорес Иванович Алферов сказал, что есть лишь три великих открытия в области физики, которые изменили ход мировой истории во второй половине ХХ века: открытие деления ядер урана, создание лазера и изобретение полупроводникового транзистора. Изобретение Антона Полуэктова стало четвертым в этом ряду.

Как известно, прохождение сигнала, то есть электрического тока, через полупроводниковый транзистор регулируется много более слабым управляющим током, который открывает или закрывает транзистор. Таким образом можно получать на выходе 0 или 1. Приблизительно по тому же принципу работает и оптический элемент Полуэктова.

Есть два световода (4 и 5 на схеме выше), в которые подается лазерное излучение от одного источника (1). Благодаря этому лучи на выходе из световодов (13, 14) получаются когерентными и образуют интерференционную картину на рабочей поверхности элемента (9). Если на этой поверхности в точке интерференционного минимума разместить выходной световод (8), то сигнал в нем будет формироваться следующим образом: если излучение идет только из одного световода, то никакой интерференции нет и, соответственно, на выходе мы получаем такой же по величине сигнал, что и на входе, то есть 1. Если же излучение идет по двум световодам, то в точке минимума мы получаем затемнение, то есть выходной сигнал равен 0. Таким образом, один луч как бы «запирает» другой. Мы получаем оптический логический элемент, который будет открыт или закрыт для прохождения сигнала в зависимости от того один или два луча мы имеем на входе.

В ФВМ Степаненко, впрочем, эта идея реализована весьма замысловатым образом. Его процессорный элемент (на схеме выше) представляет собой волновод, в котором взаимодействуют два встречных когерентных излучения, образуя стоячую волну с интерференционными максимумами (пучностями) и минимумами (узлами). На поверхности волновода наносятся так называемые щели, то есть дефекты в отражающей поверхности, которые располагаются либо в пучностях, либо в узлах стоячей волны. Излучение проникает через щели в ответвительные волноводы и взаимодействует в объединительном ответвительном волноводе по принципу оптического элемента Полуэктова, давая 0 или 1. Размещая щели и соединяя ответвительные волноводы в определенном порядке, получаем процессорные элементы, выполняющие разные типы логических операций: «И», «исключающее ИЛИ» и «НЕ». Все это объединяется в некую многопроцессорную систему. Подключая, в соответствии с программой, те или иные процессорные элементы, производятся вычисления.

При рассмотрении этой схемы сразу же возникают определенные сомнения. Как известно, современная кремниевая электроника оперирует с размерами транзисторов в считанные нанометры. В 2022 году Intel заявил о намерении перейти на технологический процесс 1 нм. А длина световой волны измеряется величиной в сотни нанометров. Какая уж тут микрооптотроника.

Но по расчетам Степаненко получается, что, несмотря на просто-таки гигантские размеры оптических логических элементов, их быстродействие настолько больше, чем у электронных, что даже небольшое их количество может производить в единицу времени на многие порядки большее количество операций.

Автор идеи приводит расчет для ФВМ, использующей излучение с длиной волны 1,55 мкм, то есть целых 1550 нм. Полная длина волновода процессорного элемента со всеми его щелями при этом составляет 75 мкм, то есть 75 000 нм! Автор утверждает, что для размещения всего лишь 8 фотонных процессорных элементов понадобится примерно пол-литровый объем, который можно охлаждать воздушным способом. Напомним, что в изготовленном по технологии 22 нм процессоре Intel Core i5 с размером кристалла 130 мм² содержится 960 млн транзисторов.

Однако оптический «транзистор» может быть, условно говоря, в 75 000 раз больше полупроводникового, но при этом считать с тактовой частотой настолько большей, что один заменит несколько миллионом своих электронных конкурентов. Можно даже прикинуть, сколько именно.

При длине волновода L = 75 мкм один такт ФВМ будет занимать τ = L/υ = 375⋅10⁻¹⁵ c, где υ = 2 ⋅10⁸ м/с (скорость света в волноводе). То есть тактовая частота составит 2,7⋅10¹⁸ Гц. Напомним, что у Intel Core i5 тактовая частота составляет 3,8⋅10⁶ Гц. Поучается, что оптический процессорный элемент считает приблизительно на 12 порядков, то есть в триллион раз быстрее электронного. То есть 8 оптических процессоров в пол-литровой банке заменят приблизительно 8 000 Intel Core i5.

Разумеется, это крайне упрощенный расчет. Что касается Степаненко, то он демонстрирует эффективность своей будущей ФВМ несколько иным образом. Он подсчитал, что при использовании излучения с длиной волны 1,55 мкм пиковая арифметическая производительность фотонного компьютера составит 0,7⋅10¹⁷ операций умножения в секунду при энергопотреблении 100 Вт, что примерно в 10⁵ раз больше производительности электронных аналогов при тех же энергозатратах. А при уменьшении длины волны это превосходство будет расти в квадрате. Как утверждает автор изобретения, при использовании излучения с предельно малой длиной волны теоретически можно получить производительность 10²⁸ оп/с, то есть в 10¹¹ больше, чем у электроники при тех же энергозатратах.

Желающие проверить эти расчеты, могут ознакомиться с ними в этом докладе или в этой статье Степаненко.

В своем докладе Степаненко утверждает, что уже опробовал макет интерференционного логического элемента, работающего на СВЧ-излучении, и уже проводит эксперименты с оптикой, а для создания полноценной ФВМ ему требуется приблизительно 400 человеко-лет. То есть 100 человек справятся с этой задачей за 4 года, 400 – за год, а если привлечь 146 000 специалистов, то фотонный суперкомпьютер, видимо, можно создать за один день. Степаненко, правда, подчеркивает, что проблема в том, где взять этих специалистов. Но тут, видимо, ему поможет академик Сергеев, который волею судеб оказался в самом что ни на есть центре физики и математики.

В общем, перспективы у проекта блестящие. Правда, немного странно, что никто на всем белом свете, кроме академика Сергеева и главного конструктора Степаненко, до сих пор не обратил внимания на гениальный патент, который лежит в совершенно открытом доступе с 1997 года.

Холдинг НИКС – это сеть из более чем 100 магазинов цифровой техники по всей России; это инжиниринговый центр по проектированию высокотехнологичных производств «Проектмашприбор», на 75% принадлежащий компании НИКС и на 25% – Госкорпорации «Ростех»; это нанотехнологическая лаборатория, в стенах которой разработаны и изготовлены сканирующие туннельные микроскопы, исследуется квантовый электронный транспорт в металлических наноструктурах, ведутся работы по квантовым вычислениям;