НАНОТЕХНОЛОГИИ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

НАНОТЕХНОЛОГИИ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Необходимым условием обеспечения конкурентоспособности производ-ственного сектора России на мировом рынке уже в настоящее время и, тем более в перспективе, является развитие и применение супервычислений, массовых информационных технологий и нанотехнологий.

Первоочередной задачей становится развитие отечественных технологий проектирования супер-ЭВМ на основе масштабируемой сети микропроцессоров, детального предсказательного моделирования и виртуального прототипирования в процессе создания перспективных изделий машиностроения, образцов новой техники, альтернативных и новых энергетических установок, а также технологий проектирования систем управления технологическими процессами на основе масштабируемых аппаратно-программных комплексов.

Создание таких технологий предполагает проведение широкомасштабных фундаментальных и прикладных исследований в различных областях знаний, в том числе в математике, микроэлектронике, информационных технологиях, вычислительных системах, информатике и телекоммуникациях.

В Институте системного анализа РАН разработана теория динамических информационно-преобразующих устройств минимальной сложности, надежно и эффективно решающих широкий спектр проблем наблюдения, фильтрации, стабилизации, идентификации и инвертирования. Устройства найдут широкое применение при решении практических задач промышленной автоматики, навигации и робототехники.

Разработана теория интеллектуальных систем управления, основанная на современных информационных технологиях и использующая правила и базы знаний. Интеллектуальные системы управления эффективно функционируют в условиях существенной нестационарности и при наличии неустранимой неопределенности. Особенность их построения состоит в том, что синтезируются не только и не столько сами законы управления, сколько множества таких законов управления и механизмы автоматического выбора из этих множеств надлежащего закона управления, возможно с последующей его оптимизацией.

Методами вычислительной математики исследован широкий класс нелинейных динамических систем, в которых возникают хаотические движения. Установлено, что во многих случаях реализуется универсальный сценарий Фейгенбаума–Шарковского–Магницкого возникновения хаоса через субгармо-нический и затем гомоклинический каскады бифуркаций устойчивых предельных циклов. Эта теория открывает перспективы объяснения многих сложных нелинейных явлений, в частности, турбулентности.

Существенно дополнена и доведена до логического совершенства теория конфликтных равновесий за счет введения специальным образом организованной иерархии равновесий. Теперь в каждой игре может быть найдено единственное устойчивое разумное равновесие.

Разработана теория и методы обработки нечетко заданной информации. Полученные результаты существенно обобщают классическую теорию Колмогорова–Шеннона и открывают возможность надежного оперирования информацией в условиях значительных помех и нерегулярных искажений.

В рамках направления информационные технологии развиваются технологии открытых систем как метатехнологии для создания информационных систем всех классов – от «систем на кристалле» до «GRID-систем»; разрабатываются новые технологии, архитектуры, методы и алгоритмы для систем обработки, передачи и хранения видео-, аудио- и иной мультимедийной информации; создаются технологии естественного симбиоза деятельности ученых и информационной среды; разрабатываются фундаментальные проблемы сверхскоростной передачи оптической информации и теоретических основ сверхвысокоскоростных широкополосных беспроводных сетей с элементами искусственного интеллекта и систем связи высокого уровня интеллектуальности; разрабатываются методы и алгоритмы определения и визуализации глобальных и локальных электрофизиологических характеристик сердца и мозга; проектируются вычислительные микросистемы на кристалле на основе сенсоров различной физической природы.

В Исследовательском центре мультипроцессорных систем Института программных систем РАН (г. Переславль-Залесский) создана так называемая Т-система с открытой архитектурой, которая не смогла обеспечить разработку высокопроизводительных параллельных программ, но оказалась удобной для реализации GRID-технологий и GRID-сервисов. Дальнейшее развитие Т-системы и областей ее использования тесно связано с проектами GRID, выполняемыми в РАН и в других организациях.

В области управления данными наблюдается значительный прогресс коммерческих систем управления базами данными (СУБД) за счет поддержки параллельных баз данных; встроенной поддержки хранилищ данных, OLAP и data mining; адаптивной оптимизации запросов; поддержки XML, неструктурированных и мультимедийных данных. В то же время этим системам свойственна чрезмерная сложность и тяжеловесность, переизбыток возможностей и трудность внедрения средств для поддержки новых приложений.

В мире SQL-ориентированных СУБД также развиваются системы, созданные на основе подхода «открытых исходных текстов» (open source). Тенденцией последних лет является постепенное обретение зрелости этими системами, их все более широкое использование, а также активное участие в их развитии и совершенствовании российских разработчиков. Проблемами свободно доступных SQL-ориентированных СУБД являются отсутствие новых идей и подходов, недостаточная надежность, производительность и масштабируемость.

В последние годы наблюдается повышение интереса к области объектно-ориентированных (ОО) СУБД. В 2008 г. после долгого перерыва была проведена конференция, посвященная проблемам ОО СУБД. Под эгидой ODBMS.ORG начата работа по созданию нового стандарта объектно-ориентированной модели данных. Возможно, эта активность приведет к новому витку популярности ОО СУБД.

Следует заметить, что не для всех приложений SQL-ориентированные СУБД обеспечивают требуемое соотношение цена/производительность. Одной из тенденций текущего времени является разработка специализированных систем управления данными, позволяющими эффективно поддерживать приложения соответствующей предметной области. В этой области исследования и разработки осуществляются совместно коллективами из ОМН РАН и ОНИТ РАН.

Мощная исследовательская группа в области управления данными базируется в Институте системного программирования РАН. Последние 10 лет группа специализируется в направлении управления XML-данными. Группой успешно разработаны и доведены до работоспособного состояния система интеграции разнородных источников данных на основе XML и система управления XML-данными Sedna. В последние годы группа выполняет исследования и разработки, ориентированные на анализ текстов в Web.

Коллектив, специализирующийся на использовании методов и подходов Semantic Web для разработки современных Web-ориентированных информационных систем, действует в Вычислительном центре им. А.А. Дородницына РАН. В Институте проблем информатики РАН в течение многих лет работает коллектив, специализирующийся на методах и средствах обеспечения семантической интероперабельности информационных ресурсов.

В России все более проявляется тенденция к разработке специализированных средств управления данными. Во-первых, у нас существует достаточно много сфер, которые еще полностью (частично) не автоматизированы. При выборе средств управления данными для разработки информационных систем в этих сферах следует полагаться на специализированные системы, применение которых может заметно удешевить и ускорить разработку приложений. Во-вторых, новые специализированные средства управления данными можно разработать и довести до работоспособного состояния гораздо быстрее, чем внедрить требуемые новые возможности в универсальные СУБД. Российские специалисты в области управления базами данных могут оказаться в состоянии создавать такие системы, которые будут успешно использоваться в России и конкурировать на мировом рынке.

В области лазерных технологий важнейшим фактором, определяющим качество современных вычислительных средств, является скорость передачи данных в пределах ЭВМ на уровне плата-плата или чип-чип. Наиболее перспективным вариантом увеличения такой скорости является использование быстродействующих оптических систем, обеспечивающих скорости передачи до 10 Гбит/с и выше. Полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором (ЛВР) представляют собой идеальный излучатель для оптических систем параллельной передачи информации в пределах ЭВМ. В рамках широкого международного сотрудничества Институтом физики полупроводников Сибирского отделения РАН разработаны и изготовлены ЛВР, обеспечивающие скорости передачи данных порядка 20 Гбит/с. Использование лазеров данного типа в матричном исполнении открывает перспективы создания оптических информационных систем с быстродействием на уровне 1 Тбит/с.

Как показали работы Института проблем лазерных и информационных технологий и других организаций РАН проявляется тенденция широкого применения лазерной техники в медицинской практике для диагностики и лечения заболеваний за счет разработки многофункциональных лазерных технологий и новых методов лечения различного рода патологий в офтальмологии, кардиоваскулярной хирургии, урологии и онкологии; создания фемтосекундных лазерных комплексов и новых лазерных методов лечения заболеваний с целью прецизионного хирургического вмешательства в офтальмологии; разработки мощных твердотельных фемтосекундных лазерных систем петаваттного уровня для практической реализации принципов лечения онкологических заболеваний методами протонной терапии – локального воздействия на опухоли моноэнергетическими пучками протонов с энергией в сотни МэВ; развития в сосудистой хирургии и нейрохирургии лазерных методов с целью создания
новых методов в ангиопластике (в том числе, сосудистых байпасов), совершенствования техники проникновения к сосудам и техники обработки различных элементов тканей сосудов; разработки технологий на основе твердотельных лазеров видимого и ближнего ИК диапазона с широким диапазоном длительности импульса и высокой мощности для эндоскопической и лапароскопической хирургии; развития технологий лазерной генерации наноструктур на биосовместимых материалах с целью достижения существенного прогресса в медицине, в частности, в протезировании; разработки лазерных технологий создания квантовых точек и металлических наночастиц для ранней диагностики инфекционных заболеваний и их лечения путем направленной доставки лекарственных средств в организм; проектирования полупроводниковых лазеров среднего ИК диапазона и технологий на их основе для оптической диагностики заболеваний различного рода; развития лазерных методов лечения и диагностики в лечебно-диагностических комплексах удаленного доступа – телемедицине.

Необходимо отметить, что российский рынок медицинских услуг, за редким исключением, пока финансово не готов к восприятию высоких технологий. Тем не менее, в России существуют технологии и экспериментальные модели приборов мирового уровня, и даже превосходящие его. В качестве примера можно привести следующие: офтальмологический комплекс «МИКРОСКАН», обеспечивающий коррекцию дальнозоркости, близорукости и всех видов астигматизма; сверх-высоковакуумный низкотемпературный сканирующий зондовый туннельный микроскоп «GPI Cryo», работающий при гелиевых температурах и высоком

Российские ученые имеют результаты мирового уровня в области нанотехнологий, в первую очередь связанные с исследованием и получением полупроводниковых наногетероструктур, а также использованием их для создания современных информационных систем. Быстродействующие электронные и оптоэлектронные приборы на основе полупроводниковых наногетероструктур составляют основу элементной базы современной стационарной и мобильной телекоммуникационной аппаратуры, волоконно-оптических линий связи, твердотельных источников света, систем радиолокации, спутниковой навигации, систем экологического мониторинга и контроля безопасности движения на транспорте, существующих и перспективных радиоэлектронных систем вооружения, в медицине и квантовой криптографии.

В рамках развития элементной базы СВЧ-наноэлектроники первостепенное значение приобрела разработка оптимизированных для конкретных применений полупроводниковых наноструктур и создание сверхбыстродействующих транзисторов на их основе. Значительные результаты достигнуты в Санкт-Петербургском физико-технологическом научно-образовательном центре РАН, где впервые в РФ реализована полупромышленная технология создания наногетероструктур соединений А3В5 методом молекулярно-лучевой эпитаксии, в ИСВЧПЭ РАН, где получены гетероструктурные транзисторы с рекордными характеристиками, и в Институте физики полупроводников СО РАН в направлении создания напряженных гетероструктур Si/Ge для массового производства сверхбыстродействующих интегральных схем. В РАН продол-жаются также работы по созданию приборов и интегральных схем на базе резонансно-туннельных гетероструктур.

Проводятся работы по разработке технологий создания наногетероструктур для нанофотоники и оптоэлектроники. В частности, для создания светоизлучающих приборов и фотоприемников используется широкий спектр гетероструктур с пониженной размерностью. Значительные успехи достигнуты в создании лазеров на квантовых точках, обладающих предельно низкими значениями порогового тока. Выходная мощность таких лазеров непрерывно увеличивается и приближается к значениям, ранее характерным только для лазеров на квантовых ямах. Важные и интересные результаты получены в развитии эпитаксиальной технологии выращивания нитевидных нанокристаллов (нановискеров), которые могут служить, например, однофотонными источниками излучения. Использование современных методов инженерии зонной структуры позволяет создавать источники и фотоприемники во всем диапазоне видимого света. В 2008 г. достигнуты существенные успехи в направлении повышения эффективности и снижения стоимости источников белого света на основе светодиодов.

Исследование и разработка новых типов наноматериалов, включая материалы для биомедицинских применений, позволяют уже сегодня создавать широкий спектр новых наноструктурированных материалов, аналоги которых в природе отсутствуют. Это материалы, обеспечивающие совместимость органических и неорганических элементов, обеспечивающие адресную доставку лекарств в живом организме и визуализацию процессов и отдельных фрагментов живых организмов. Значительное продвижение было достигнуто в получении и исследовании приборов на основе нового двумерного материала графена.