Повестка отечественной электроники. Тезисы с крупнейшего отраслевого форума «Микроэлектроника 2023»

С 9 по 14 октября в Сочи проходит форум «Микроэлектроника 2023» ― основная отраслевая площадка для общения ученых, бизнеса и представителей власти. Форум проводится с 2015 г. В этом году на мероприятии собрались больше 2 тыс. человек, чтобы обсудить вопросы научного развития микроэлектроники, межотраслевого взаимодействия, привлечения новых проектов и кадров.

Существующая популярность нейросетей ― еще не прорыв. Скачок их развития и внедрения наступит в течение десятилетия вместе с увеличением производительности в десятки тысяч раз.

За последние 30 лет производительность процессоров выросла в миллиард раз. Задачу, которую компьютеры раньше решали 10 лет, современная машина решит за 0,3 секунды. Это привело к внедрению искусственных нейронных сетей в жизнь людей, но, несмотря на их заметное распространение, мы остаемся на пороге взрывного роста их развития. Новая не-фон-Неймановская архитектура, создание нейросетей на спайковой модели нейрона, исследования и внедрение разработок в области мемристорной  памяти, минимизация топологических размеров электроники приведет к увеличению производительности нейросетей в десятки тысяч раз.

О состоянии современной микроэлектроники и ее перспективах  , рассказал председатель программного комитета форума, президент Российской академии наук Г.Я. Красников в докладе, открывающем форум.

Развитие микроэлектроники описывается в том числе правилом Мура, согласно которому за определенный период времени (изначально была установлена планка в два года, но позже трансформировалась) число транзисторов на единицу площади увеличивается вдвое. Критики говорят, что в современных условиях это правило не работает или вот-вот перестанет работать. Это связано с тем, что с каждым уменьшением топологического размера возрастает и число проблем, которые в какой-то момент станет невозможно решить. Например, увеличение плотности на единицу площади приводит к нагреву, снижающему производительность. Возникающие проблемы пока получается решать, и по оценкам специалистов, правило Мура, работающее полвека, останется в силе еще около 20 лет.

Ожидается, что к 2028 г. будет создана однонанометровая технология. Это позволит разместить на микросхеме стандартных размеров до триллиона транзисторов, а к 2035 г. одна микросхема будет содержать до 3 трлн транзисторов ― это технологии 0,5 нанометров.

Люди-переводчики станут не нужны. К середине столетия все автомобили будут беспилотными. Грузовики  ― раньше.  

С развитием микроэлектроники топологические размеры будут уменьшаться, а нейросети ― совершенствоваться. Для оценки размеров Г.Я. Красников привел сравнение новейшей трехнанометровой технологии с одномиллиметровой. При топологическом размере в 1 мм современная микросхема имела бы размер 6 на 4 км с высотой 300 м.

Подобный прогресс заметно отразится на гражданской инфраструктуре. По прогнозам, к  2026 г. компьютер сможет переводить тексты лучше любого переводчика-человека. К 2030 г. произойдет массовое внедрение беспилотных грузовиков, а к 2035 г. начнется производство персональных роботов. Ближе к середине века, в 2040 г., останутся только беспилотные автомобили, а в 2060 г. исчезнут рабочие и многие инженерные специальности.

«Существует достаточно много специализированных инструментов. Я бы сказал, что общество еще не совсем созрело для того, чтобы использовать каждый из них по назначению. Одно из направлений круглого стола на форума “Микроэлектроника 2023” ― это вовлечение научного сообщества в использование таких программ. Конечно, возникают различные вопросы по этике и безопасности их использования. Мы как ученые пытаемся понять, как работает живой организм, и перенести эти модели на программное и аппаратное обеспечение», ― рассказал начальник лаборатории исследования нейроморфных систем АО «НИИМЭ», кандидат технических наук О.А. Тельминов.

Ученый добавил, что прогнозируемые достижения в области автоматизации и беспилотников  возможно обеспечить существующими технологиями. Это результат развития вычислительных мощностей, которые еще 10 лет назад были недоступны.

Будущее ― за объединением электроники и принципов работы мозга живых организмов. Нейроморфные системы и человекоподобные технологии сегодня создаются в пилотных образцах.

Энергопотребление вычислительных устройств, построенных на отдельных принципах функционирования живого мозга, снижается на два-три порядка. А если дополнительно использовать в них мемристоные компоненты, выступающие энергонезависимой памятью, то эффективность увеличивается еще больше. Существующие чипы на мемристорах показывают энергоэффективность до 10 тераопераций на ватт и выше. Вопросы искусственного и гибридного интеллекта, электронно-компонентной базы, построенной на новых принципах и технологиях, также обсуждали на форуме.

«В работе прошлого года показано, что подобные мемристорные системы даже при ускорении формальных нейросетевых алгоритмов могут достигать характеристики в 240 тераопераций на ватт. Это потрясающая энергоэффективность, которая не достигнута сегодня ни в одном процессоре мира. Конечно, мы связываем будущее в том числе с вычислительными нейроморфными устройствами, которые позволят перенести часть вычислений с серверов на конечное устройство: на мобильные телефоны, беспилотные автомобили, роботехнику и т.д.», ― рассказал заместитель руководителя по научной работе Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий Курчатовского института В.А. Демин.  

Новые решения в области нейроморфных архитектур ― это общемировой тренд, который стал возможен после того, как ученые хоть и не до конца, но поняли принципы работы мозга живого существа. Сегодня эти идеи воплощаются в прототипах нейроморфных вычислительных устройств. Больше фундаментальных знаний о том, как обрабатывается информация в живом мозге, может дать разрабатываемая технология «мозг-на-чипе». В будущем ее можно будет использовать для создания высокопроизводительных вычислительных нейроморфных динамических систем. Также в перспективе разработка поможет изучить взаимоотношения электроники и биосистем, исследовать механизмы нейродегенеративных заболеваний и в дальнейшем применять такие чипы для персонализированной медицины. Об этих исследованиях рассказала ведущий научный сотрудник Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, доктор биологических наук Ирина Мухина.

«Одно из моих направлений ― изучение возможности взаимодействия между микроэлектроникой и живой системой. Цели моего интереса связаны с желанием улучшить память, заменить функции, утраченные в процессе травм или заболеваний, на систему, которая их бы легко восполнила. Интерес нейробиолога так или иначе приводит к тому, что нам нужна некоторая микроэлектроника и достаточно быстрые способы вычисления, которые находятся не где-то на сервере, а непосредственно на чипе или том устройстве, которое заменит утраченные функции», ― сказала И.В. Мухина.

Специалистов в области микроэлектроники не хватает. Надо повышать число выпускников, приходящих на работу в сферу микроэлектроники и развивать лабораторную базу в вузах.

В сфере отечественной микроэлектроники сегодня работают 300 тыс. специалистов, из которых 60 тыс. ― это люди с высшим образованием. Ежегодно из вузов выпускается порядка 20 тыс. студентов разного уровня подготовки: бакалавриат, магистратура и специалитет, но только одна тысяча из выпуска приходит работать в область микроэлектроники. Конверсия специалистов высшей категории в этой отрасли ― 5%. О такой ситуации рассказал заместитель министра науки и высшего образования Д.С. Секиринский.

«Наша основная задача сегодня ― повысить эту конверсию, довести ее хотя бы до 30%. Мы с коллегами из Минпромторга считали, что порядка 6500–7000 человек нужно в отрасли ежегодно. Соответственно все мероприятия в рамках этого федерального проекта максимально практикоориентированы», ―сказал Д.С. Секиринский. В разговоре с журналистами он отметил, что в подготовке специалистов для микроэлектроники важно сохранить фундаментальность образования в высшей школе. В качестве примера он привел ситуацию, сложившуюся в Японии: 90% от общего количества специалистов оказались неспособны перестроиться на решение задач, связанных с развитием искусственного интеллекта. Сложности с переподготовкой замминистра связывает со слабой фундаментальной подготовкой.

Доктор технических наук, профессор НЯУ МИФИ отметил другую кадровую проблему: нужны молодые специалисты с новыми областями знаний. Например, для критичной информационной инфраструктуры нужен сплав специалистов в областях электроники, IT и безопасности одновременно. Но таких специалистов пока готовят по отдельности, требуются новые учебные планы. Кроме того, для эффективной подготовки специалистов  необходимо развитие лабораторной базы вузов.

Фото: Александр Бурмистров / «Научная Россия»