Не многоточие, а точки прорыва
Технологический суверенитет экономики напрямую зависит, во-первых, от дерзновений отечественных учёных и, во-вторых, от оперативности внедрения их разработок.
Словосочетание «технологический суверенитет» появилось в лексиконе руководителей страны в 2022 году. Его главное содержание — ускоренное развитие различных отраслей экономики на базе отечественных высокотехнологичных разработок мирового уровня. Сегодня мы проходим этап, образно говоря, «эскизного проектирования» той большой технико-организационной системы, которая должна обеспечивать устойчивое функционирование технологически суверенной экономики.
Базовые целевые очертания этой системы описал Президент РФ Владимир Путин в послании Федеральному собранию 29 февраля 2024 г.: доля отечественных высокотехнологичных продуктов в экономике должна увеличиться за шесть лет в полтора раза, а доля импорта — снизиться до 17% ВВП. При этом перед рынком поставлены чёткие задачи:
- создавать глобально конкурентные продукты на основе уникальных отечественных разработок;
- формировать долгосрочный заказ на российскую технологическую продукцию минимум на 10 лет вперёд;
- наращивать объёмы частных инвестиций в высокотехнологичные разработки.
Александр Шойтов, заместитель министра цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ, рассказал в интервью BIS Journal (№1/2024), что для решения поставленных задач «нужна хорошая кооперация, в первую очередь науки с государством и бизнесом». Создание такой кооперации сегодня является приоритетной задачей Минцифры.
Общая ситуация выглядит достаточно благоприятно. Так, ко Дню российской науки (8 февраля) Институт статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ опубликовал исследование актуальных тенденций развития в России области исследований и разработок. Оно показало, что наша страна входит в число мировых лидеров по масштабам ресурсной обеспеченности и результативности деятельности данного сектора. В частности, страна занимает пятое место в мире по численности персонала, занятого исследованиями и разработками (в эквиваленте полной занятости), шестое место по численности ключевой категории научного персонала — исследователей и десятое место по объёму финансирования R&D. При этом достижения отечественных учёных воплощаются в виде готовых технических систем, работающих буквально на самом острие прогресса в области высоких технологий. Приведем некоторые примеры.
Нейросети как движущая сила
Сегодня весь мир проходит этап взрывообразного роста математических методов построения искусственных нейронных сетей (ИНС). Мир современных ИНС — это настоящий космос, в котором постоянно вспыхивают «сверхновые звёзды» новых математических алгоритмов, оперативно воплощаемых в тех или иных практических задачах.
Одна из них — импульсные нейронные сети, появившиеся как ответ на головокружительный рост сложности нейросетевых моделей на существующих аппаратных платформах. Рассказывает Михаил Киселёв, руководитель Лаборатории нейроморфных вычислений Чувашского госуниверситета имени И. Н. Ульянова: «Число синаптических связей в мозге человека составляет приблизительно 1014, а количество параметров в самых сложных современных нейросетевых моделях достигает 1012, так что обучение такой модели требует месяцев счёта на самых мощных современных суперкомпьютерах». Отдельный вопрос — энергетические затраты на такие вычисления: они становятся предельно критичными, если ставится вопрос «малой интеллектуализации», то есть создания миниатюрных автономных интеллектуальных устройств, например медицинских роботов или элементов интернета вещей.
Импульсные нейронные сети позиционируются как биологически правдоподобные: информация, которая передаётся от нейрона к нейрону ИНС, — это аналог нервного импульса или спайка, который в мозге человека передаётся от нейрона к нейрону через синаптическую связь (рис. 1).
Рисунок 1. «Биологически релевантная» модель спайка искусственной нейронной сети
А команда учёных из Нижегородского госуниверситета им. Лобачевского под руководством профессора Сусанны Гордлеевой пошла ещё дальше: предложила новую — нейрон-астроцитарную — сетевую модель, подходящую для эффективной реализации нейроморфного искусственного интеллекта в «железе».
Учёные взяли за основу модель спайковой нейронной сети и построили ИНС, которая воспроизводит передачу сигналов не только между нервными клетками, но и между нейронами и астроцитами — вспомогательными клетками мозга, которые, в частности, защищают нейроны от перевозбуждения, «очищают» передаваемые сигналы от лишних шумов, а также участвуют в регуляции нейронной динамики. Фактически речь идёт о том, что учёные сделали серьёзный шаг вперёд в понимании того, как в мозге человека кодируется информация, связанная с конкретными сенсорными стимулами.
В модели есть пирамидальные нейроны, воспринимающие сигналы, вставочные нейроны, которые распространяют сигналы по сети, и астроциты. При этом между искусственными нейронами передаются сигналы, подобные электрическим импульсам, а между астроцитами и нейронами — сигналы, моделирующие выделение определённых химических веществ клетками естественного головного мозга. Оказалось, что нейросеть с астроцитами обучалась на 20% лучше, чем спайковая сеть без астроцитов (рис. 2).
Рисунок 2. Схема работы нейрон-астроцитарной сетевой модели. Источник: статья С. Гордлеевой с соавторами, опубликованная в IEEE Transactionson Neural Networks and Learning Systems, декабрь, 2023 г.
Продвинутая математика нейронных сетей — это горячая точка мировой конкуренции в области искусственного интеллекта: там идёт битва за создание высокопроизводительных, энергоэффективных и недорогих нейроморфных процессоров, которые найдут применение во множестве компьютерных систем, реализующих алгоритмы ИНС. Аналитики IDC выделяют три группы такого «железа»: до 40 трлн (40*1012) операций в секунду, от 40 до 60 и свыше 60 трлн. По их оценкам, в настоящее время американские процессорные лидеры — Qualcomm, AMD, Intel —серийно выпускают процессоры первого поколения, а на второй уровень планируют перейти в нынешнем году.
При этом в конце прошлого года китайские учёные из университета Цинхуа представили полностью аналоговый фотоэлектронный чип ACCEL, который в лабораторных условиях показал производительность 4,6 PFLOPS (4,6*1015 операций с плавающей точкой). Этот чип использует управление световыми волнами посредством дифракции для кодирования и обработки информации, а вычисления производятся аналоговым способом при помощи интерференционных паттернов, создаваемых светом, поясняет Сергей Сурабекянц в своей статье на ресурсе 3dnews.ru. Эксперты отмечают, что этот процессор, который продемонстрировал хорошие результаты в задачах машинного зрения, в 3000 раз быстрее нынешнего лидера рынка — видеокарты Nvidia A 100 и, а по энергоэффективности превосходит современный графический процессор в 4 млн (!) раз. Причём произвели его на китайской микроэлектронной фабрике SMIC по технологическим нормам 180 нм. Иными словами, это совсем недорогой в производстве микроэлектронный блок (рис. 3).
Рисунок 3. Архитектура чипа ACCEL. Источник: Tsinghua University, 3dnews.ru
Свои разработки в области нейроморфных чипов ведёт также «Лаборатория Касперского». Сотрудники рассказывают, что такой чип, состоящий из 8 тыс. нейронов, потребляет 4 мВт электроэнергии, и он может работать в составе автономного робота или БПЛА, используя стандартную батарейку. А при совместном использовании этого нейроморфного процессора с нейроморфной камерой сможет вести обработку весьма динамичных картинок со скоростью 1250 кадров в секунду. По образному выражению сотрудников компании, можно будет посчитать песчинки, которые падают в песочных часах, или капли падающего дождя на стекле.
Ещё одно «горячее» направление нейросетевых технологий — решение проблем с безопасностью данных, используемых в ИНС-моделях. Так, в МФТИ идут разработки в области так называемого федеративного обучения (federated learning). Речь идёт о том, что обучающая выборка распределённо хранится на локальных устройствах пользователей (телефонах, планшетах, персональных компьютерах), рассказывает Александр Безносиков, заведующий лабораторией фундаментальных исследований «МФТИ-Яндекс», а модель обновляется на сервере путём агрегации обученных моделей с различных устройств. Поскольку данный подход нацелен в первую очередь на оптимизацию внутренних коммуникаций данных, которые осуществляются в ходе параллельных и распределённых вычислений в рамках реальных задач машинного обучения, он базируется на глубоко проработанных методах математической оптимизации.
Сотрудники лаборатории нейроморфной фотоники МГУ под руководством профессора Андрея Федянина ведут разработки в области нейроморфных систем, которые обладают кратковременной и долговременной памятью, что имеет значение для решения когнитивных задач. Они разработали оптоэлектронные структуры, которые реализуют идею спайков и нейронов человеческого мозга. В частности, искусственный синапс создаётся на основе нанокристаллической плёнки оксида цинка.
А не замахнуться ли нам… на классический ПК?
Многочисленные опыты с созданием аппаратных блоков традиционных ПК на новых физических принципах или с применением новых принципов организации вычислений активно идут по всему миру. Большие ожидания от реализации в «железе» нейросетевых подходов привели к появлению нового класса устройств — так называемых мемристоров (memory + resistor). В отличие от классического пассивного компонента электрической цепи, они обладают некоторой памятью: он способен изменять уровень сопротивления при прохождении через него электрического заряда разной мощности. Так, при использовании низкого напряжения с него можно считать информацию, а с помощью более высокого напряжения — записать. Причём циклы смены состояния мемристора происходят на порядки быстрее, чем у популярной сегодня флеш-памяти.
Поскольку мемристор способен не только хранить информацию, но и выступать в качестве логического элемента, меняющего своё состояние в ходе вычислений, появилась новая парадигма вычислительных систем — вычисления в памяти. Ещё одно интересное свойство мемристора заключается в том, что в отличие от классических бинарных транзисторов, у которых есть два состояния: «0» или «1», он может находиться в большем количестве состояний. Это свойство, называемое пластичностью, позволяет мемристору запоминать большее количество информации. Например, мемристоры, созданные в Курчатовском институте, запоминают не менее 16 различных значений, что соответствует 4 битам информации, в то время как ячейки классической компьютерной памяти могут хранить только 1 бит данных.
Для создания этих мемристоров слой термопласта поли-п-ксилилена толщиной 100 нм размещается между двумя проводящими электродами: инертным и активным, сделанным из металла — меди или серебра. Резистивное переключение осуществляется за счёт создания «проводящего моста» между двумя электродами. По мнению учёных, такие конструкции хорошо подходят для создания, например, энергонезависимой компьютерной памяти или встраиваемых микрочипов, которые можно будет даже имплантировать в тело человека.
Международный российско-итальянский научный коллектив (НИЦ «Курчатовский институт», Пармский университет и др.) создал образец органического запоминающего энергонезависимого мемристора с возможностью самообучения на основе токопроводящего полимера полианилина. Учёные говорят, что это первый опыт реализации многоуровневых нейронных сетей с высокой плотностью записи на основе многослойных технологий. Предполагается выпускать соответствующие изделия микроэлектроники в рамках техпроцесса 10 нм.
Ещё один вариант многослойного мемристора создали российские учёные из Нижегородского госуниверситета имени Н. И. Лобачевского (ННГУ). Они применили многослойную структуру «металл — оксид — металл», которая включает слои тантала, оксида тантала TaOx, оксида циркония, допированного иттрием ZrO2(Y), оксида тантала (V) Ta2O5, диоксида титана TiO2 и нитрида титана TiN.
Специалисты рассказывают, что сегодня наиболее популярный способ получения эффекта резистивного переключения — туннельная структура «металл — изолятор — металл». Учитывая нанометровые размеры слоёв, наиболее подходящими технологиями производства таких структур является атомно-слоевое осаждение (АСО) и магнетронное формирование гетероструктур в едином вакуумном цикле. Эти технологии дополняют процесс создания высокоэффективных СБИС и позволяют на конечной стадии изготовления кристалла добавить в него мемристорную память.
Совместные исследования учёных Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН), ОИЯИ и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ НЭТИ) идут в направлении создания энергонезависимой памяти для гибкой электроники. Специально для этих целей разработан новый композитный материал из наночастиц оксида ванадия, покрытых фторированным графеном. Такие мемристоры обеспечивают пути протекания электрического тока по графеновым квантовым точкам. Причём время переключения элемента, то есть время, требуемое для перезаписи информации, составляет 30–40 нс, что приблизительно в 1000 раз быстрее, чем у современной флеш-памяти. При этом они демонстрируют рекордные характеристики перезаписи — выдерживают миллионы циклов подачи тока. Изготавливаться они будут методом печати на 2D-принтере (рис. 4).
Рисунок 4. Гибкие мемристорные структуры, напечатанные на полимерном материале. Источник: Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН
Опыты с новыми физическими средами ведут учёные Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ. Они разработали модель химической реакции, с помощью которой можно будет создать первый резервуарный компьютер, работающий на реагентах: серная кислота, малоновая кислота, вода и ферроин. Идея нового подхода базируется на постулатах известной реакции Белоусова — Жаботинского: после смешивания реагентов в течение определённого времени ряд параметров раствора меняется колебательно, причём частота колебаний зависит от концентрации химических реагентов. Таким образом, гипотетически появляется возможность с помощью управления подобной реакцией реализовать новый тип компьютерных вычислений.
Таким образом, архитектуре фон Неймана объявлена война. Точнее, она сама уже сдаёт позиции под натиском требований к производительности и энергоэффективности со стороны высоконагруженных задач обработки цифры. «Узким горлышком» этой архитектуры стал обмен данными между процессором и оперативной памятью. «Архитектура фон Неймана крайне не оптимальна для современных задач обработки больших данных, — отмечает Геннадий Красников, президент РАН, научный руководитель АО «НИИМЭ». — Сегодня для реализации памяти на 1 бит информации приходится шесть (!) комплементарных транзисторов». По его оценкам, во всём мире есть не менее десятка компьютерных архитектур, которые планируют прийти на смену устаревшему «фон Нейману».
Слухи о квантовом превосходстве оказались несколько преувеличенными
В последние годы ожидания компьютерной индустрии в части резкого роста производительности связывались с появлением серийно производимых квантовых компьютеров.
В поисках наилучшего решения учёные разных стран создают квантовые компьютеры на основе различных физических принципов: фотонные, ионные, системы на нейтральных атомах, СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерферометр), полупроводники. В числе наиболее значительных исследовательских проектов следует упомянуть создание твердотельных кубитов (кремний) и реализации так называемого конденсата Бозе — Эйнштейна. Его учёные образно называют пятым состоянием вещества.
По сути, это агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю. В таких условиях большое количество атомов оказывается в минимально возможных квантовых состояниях и ведёт себя как одна частица, то есть квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.
Это экзотическое квантовое явление впервые наблюдалось в 1995 году в разреженных атомных газах, а сегодня стало предметом активных исследований. Например, различные организации (Сколтех, СПбГУ, ФТИ имени Иоффе) экспериментируют с поляритонным лазером — прибором, внутри которого находится Бозе-конденсат светожидкости (экситонных поляритонов), а наружу выходит когерентный свет определённой длины волны, то есть лазерный свет, рассказывает Алексей Кавокин, руководитель научной группы «Квантовая поляритоника» Российского квантового центра, на научном интернет-ресурсе «N+1». Он говорит, что на основе таких лазерных структур планируется создать полупроводниковую платформу для квантовых вычислений.
Второе большое направление исследований — магноны, то есть электронные спиновые волны, которые могут управляться магнитным полем. Магнитное упорядочение можно рассматривать как аналог сверхтекучести: конденсат выглядит как излучение монохроматических микроволн, которые настраиваются с помощью приложенного магнитного поля.
Дальше всех по пути превращения квантового компьютера в рабочий инструмент ИТ-специалистов продвинулась корпорация IBM. В середине января она представила модульную квантовую систему IBM Quantum System Two, которая включает квантовые процессоры Quantum Heron (каждый состоит из 133 кубитов с фиксированной частотой) и программные средства коррекции ошибок. Учёные Российского квантового центра создали 20-кубитный квантовый компьютер на ионной платформе, 25-кубитный компьютер — на атомной платформе. В нынешнем году запланировано получение компьютера на 50 кубитов, а следом — 100 кубитов, рассказывает Руслан Юнусов, советник генерального директора госкорпорации «Росатом».
В связи с высокими ожиданиями общества от грядущих квантовых компьютеров важно мнение Геннадия Красникова: «Специалисты понимают, что в ближайшее десятилетие квантового превосходства не будет».
Это мнение специалиста подтверждают данные, приведённые в статье «Отделяем шумиху от практичности: о реалистичном достижении квантового преимущества» («Disentangling Hypefrom Practicality: On Realistically Achieving Quantum Advantage»), которая была опубликована в мае 2023 г. в авторитетном научном журнале Communications of the ACM. «Из-за ограничений пропускной способности входа и выхода квантовые компьютеры будут практичны для задач "больших вычислений" на небольших данных, а не на больших данных», — говорится в статье.
Авторы сравнили производительность классического чипа типа популярного графического процессора NVIDIA A100 с гипотетическим квантовым компьютером самого оптимистичного уровня, который может быть достигнут в ближайшее десятилетие: 10 тыс. логических кубитов с исправлением ошибок, временем работы логических операций 10 мкс, способностью одновременно выполнять операции со всеми кубитами и подключением «все ко всем» для реализации отказоустойчивости двухкубитных вентилей (рис. 5).
Рисунок 5. Сравнительный анализ характеристик пиковой производительности популярного чипа GPU, микросхемы ASIC и квантового компьютера. Источник: Disentangling Hypefrom Practicality: On Realistically Achieving Quantum Advantage, By Torsten Hoefler, Thomas Häner, Matthias Troyer, Communications of the ACM, May 2023, Vol. 66 No. 5, Pages 82-87.
Получилось, что результирующая производительность квантового компьютера оптимистичного будущего в 10 тыс. раз меньше, чем у сегодняшнего классического чипа. «Очевидно, что любая задача уровня поиска в базах данных будет быстрее решена классическими компьютерами», — делают вывод исследователи. По их оценкам, получить практическую ценность от применения перспективных квантовых компьютеров удастся только для некоторых классов расчётных задач, например, теоретической физики или материаловедения.
«Квантовый компьютер в лучшем случае будет не альтернативой, а дополнением существующих классических универсальных компьютеров», — говорит Геннадий Красников.
Так что корпорация IBM логично включила в состав программной платформы для работы с квантовыми компьютерами Qiskit новый модуль: Qiskit Patterns даёт возможность трансформировать задачи в классической постановке в квантовые схемы и выполнять их на квантовом компьютере или в режиме имитации обрабатывать результаты.
Тем временем в НИЦ супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров в Таганроге в рамках научной программы НЦФМ российские учёные создают терагерцевый фотонный суперкомпьютер, работающий на частоте 1 трлн Гц. Потенциально скорость его работы будет в 300 раз выше, чем у самых быстрых нынешних процессоров, сообщил ТАСС проф. Илья Левин, директор НИЦ супер-ЭВМ и нейрокомпьютеров: «Мы занимаемся синтезом архитектуры суперкомпьютеров, разрабатываем облик цифровой фотонной машины и вычислительные элементы: арифметико-логические устройства, системы синхронизации и коммуникации». Правда, фотонный компьютер не способен иметь собственной фотонной памяти, поэтому необходимо сопрягать медленную память обычного электронного компьютера с фотонными высокоскоростными средствами обработки информации.
Какая именно из многочисленных научных идей «выстрелит» на практике, зависит от целого комплекса окружающих задач. С одной стороны, важны параметры соответствующих производственных процессов и возможность организовывать их на различных площадках для запуска массового производства. С другой стороны, столь же важны характеристики новых видов компьютерной техники с точки зрения их встраивания в существующую ИТ-инфраструктуру предприятий и особенно в части поддержки уже работающего прикладного программного обеспечения.
Вызовы космического уровня
«Слепое копирование зарубежных достижений должно быть полностью исключено при реализации масштабных проектов в отечественной космической отрасли», — заявил глава госкорпорации «Роскосмос» Юрий Борисов на общем собрании Российской академии наук в декабре 2023 г. и подчеркнул: «Крайне важно при принятии решений о реализации масштабных проектов фокусироваться на будущем». Для решения таких задач задуман госпроект, детализация которого должна быть подготовлена к 1 июля 2024 года. Президент России Владимир Путин характеризует задачу его создания как формирование мощной и суверенной отечественной индустрии космических сервисов, технологий и продуктов, в которой реализовано эффективное частно-государственное партнёрство. Оно подразумевает, в частности, доступ частного бизнеса к государственной инфраструктуре и испытательным полигонам, а также формирование долгосрочного государственного заказа на космические услуги, в котором могут принимать участие частные компании.
В русле этой идеи в начале января 2024 г. Новосибирский госуниверситет анонсировал создание в рамках проекта Передовой инженерной школы фабрики, выпускающей малые космические аппараты. Компания «Бюро 1440», которая входит в «Икс холдинг», сообщила о планах запуска в 2027 г. коммерческого сервиса спутникового интернета на базе 250 спутников. А к 2030 г. размер спутниковой группировки превысит 700 аппаратов. Силами государства выполняется масштабный проект создания глобальной сети спутников коммуникации и мониторинга «Сфера». Проект охватит пять спутниковых группировок связи («Ямал», «Экспресс-РВ», «Экспресс», «Скиф», «Марафон») и пять спутниковых группировок дистанционного зондирования Земли («Беркут-Х», «Беркут-О», «Беркут-ВД», «Беркут-С», «Смотр»). Предполагается, что наблюдение в различных диапазонах длин волн поможет решать разнообразные задачи для различных отраслей экономики России (рис. 6).
Рисунок 6. Проект «Сфера». Источник: НИИМА «Прогресс»
Масштаб задуманного космического «строительства» ставит перед российскими учёными и конструкторами немало вызовов. Один из самых очевидных — низкий уровень защищённости современных навигационных технологий. К ним можно применить подавление навигационного сигнала либо его подмену (так называемый спуффинг), рассказывают в НИИМА «Прогресс». Компания видит свою задачу в том, чтобы дать рынку такую технологию, которая обеспечит на объектах критической инфраструктуры надёжный устойчивый навигационный сигнал, неподвластный подделке или зашумлению. Соответствующий продукт — локальная система навигации «КОНСУЛ». У неё, по оценке специалистов НИИМА «Прогресс», есть только одна конкурирующая система на мировом уровне, которая уступает отечественной разработке по степени помехозащищённости.
В решениях компании также используются передовые методы повышения точности навигации с использованием дифференциальных поправок. В результате достигается высокоточная навигация, которая используется, например, в точном земледелии, речной навигации на сложных фарватерах и т. д.
Большой потенциал просматривается у беспроводной квантовой связи, в частности, защищённой космической связи на базе технологии с квантовым распределением ключей. Первые эксперименты такого рода российская компания QRate начала проводить ещё в 2017 г., тогда был создан атмосферный оптический канал связи. А в начале января стало известно об успешном совместном эксперименте по передаче сообщений, защищённых с помощью квантовой криптографии, между Россией и Китаем, в котором принимала участие команда учёных из МИСИС, Российского квантового центра и компании «КуСпэйс Технологии». Для передачи ключа шифрования на расстояние более 3,5 тыс. км использовался китайский спутник квантовой связи «Мо-цзы». Он используется в Китае как доверенный узел, обеспечивающий распределение ключей на расстояние 7800 км. В ходе эксперимента исследовался обмен закодированными изображениями размером 256×64 пикселей (рис. 7).
Рисунок 7. Источник: Презентация «Квантовое распределение ключей через атмосферные каналы связи», Сергей Кулик, Центр квантовых технологий МГУ имени М. В. Ломоносова, Конференция «РусКрипто», 25 марта 2021 г.
Защищённые системы связи такого рода жизненно необходимы, в частности, для активно развивающейся сферы беспилотного транспорта разного вида. Компания QRate начала три года назад исследовать возможности интеграции системы квантового распределения ключей с управлением беспилотным транспортомв Иннополисе.
Без пилота, но на «цифре»
Нацпроект по беспилотникам должен быть запущен в текущем году. Очевидно, что управление развитием сегмента «беспилотии», как его окрестил Василий Шпак, заместитель министра промышленности и торговли, — сложнейшая задача, которая включает ряд больших направлений: от формирования единой технологической политики до управления финансово-экономическими процессами внедрения беспилотников в практическую жизнь отраслей и конкретных предприятий, например, в виде лизинговых схем.
Значительная роль на старте мегапроекта принадлежит технологической части: предстоит утвердить нормативные требования к беспилотникам в части ключевых технологий. В их числе — технологии точной автономной посадки, динамической маршрутизации, обнаружения и дистанционной идентификации беспилотного воздушного судна, автоматического предотвращения столкновений беспилотных и пилотируемых воздушных судов. А специалисты АО «ГЛОНАСС» выполняют уникальный в мировом масштабе проект — создают «Цифровое небо». По сути, в интересах безопасного применения гражданских авиабеспилотников идёт создание цифрового двойника небесного пространства. По аналогии с цифровыми двойниками интеллектуальных автотрасс, по которым должны перемещаться беспилотные автомобили, цифровой двойник неба России будет агрегировать всю информацию: от метеоданных до специфических прикладных применений. Алексей Райкевич, генеральный директор АО «ГЛОНАСС», называет эту комплексную разработку уникальным эталонным проектом опережающего развития, который обеспечит глобальное лидерство и технологический суверенитет России. Важная составная часть проекта — надёжная связь всех элементов «небесных трасс», создаваемая целиком на отечественных технологиях и спутниковом оборудовании.
Промышленность — на острие технологического суверенитета и цифровой трансформации
В сентябре 2023 г. Правительство РФ утвердило обновлённую сводную стратегию развития обрабатывающей промышленности России до 2030 г. и 2035 г., в которой сделан акцент на достижение технологического суверенитета. Денис Мантуров, министр промышленности и торговли России, пояснил, что под этим понимается последовательное обеспечение технологической независимости в сфере цифрового проектирования, испытаний, самого производства и управления жизненным циклом, а также послепродажного обслуживания промышленной продукции.
Летом прошлого года Минпромторг провёл оценку уровня цифровой зрелости предприятий промышленности, который составил 45%. Правда, эта цифра — некая «средняя температура по больнице», ведь уровень цифровой зрелости промышленных компаний существенно различается в зависимости от отрасли и размера бизнеса.
Так, на предприятиях «Северстали» работают нетривиальные интеллектуальные цифровые решения, позволяющие добиться ускорения непрерывного производства. Например, программные решения, написанные специалистами компании, управляют напрямую прокатным станом 5000, который производит листовой прокат для изготовления труб большого диаметра, и непрерывно-травильный агрегат НТА-3, который выполняет травление свариваемых встык полос и лент из рулонов стали. На базе имеющихся цифровых моделей ИТ-специалисты «Северстали» создают цифровых двойников технологических агрегатов. «В результате можно улучшить производственное планирование — задавать последовательность рулонов на входе таким образом, чтобы прокатывать ещё больше стали», — рассказывает Борис Воскресенский, директор по развитию цифровых технологий компании «Северсталь».
Группа НЛМК перешла на современную информационную систему управления производственными процессами (MES-систему) в сталеплавильном производстве. Она помогает тысяче с лишним сотрудников управлять обработкой более 85 плавок на 30 агрегатах в сутки: отслеживается и оптимизируетсясвыше100 технологических параметров, например температура и химический состав металла, время обработки, дозировка материалов и т. д., а также более 50 показателей эффективности работы. Так, математическая модель прогнозирует химический состав поступающего из доменных цехов чугуна, а затем рассчитывает номенклатуру и оптимальное количество лома, который нужно добавить в плавку для получения стали нужных параметров.
Но это штучные примеры активности действующих отраслевых лидеров мирового уровня. Текущий уровень цифровизации менее крупных предприятий чаще всего ограничивается базовой автоматизацией уровня АСУ ТП, возможно, произведённой достаточно давно и на базе устаревших технологий. По оценкам Минпромторга, по состоянию на август 2023 г. производством промышленных роботов занималось семь отечественных компаний, которые за 2022 год отгрузили заказчикам 120 единиц продукции...
Масштаб предстоящей технологической трансформации российской промышленности поражает воображение. Минпромторг со своей стороны поддерживает 96 комплексных проектов по созданию отечественного промышленного ПО. А в части программно-аппаратных решений технологические заделы цифровой модернизации формируются в специализированных индустриальных центрах компетенций (ИЦК). Всего по линии Минпромторга одобрено 53 проекта таких центров.
Со своей стороны российские промышленники из нескольких ИЦК объединились для создания открытой архитектуры АСУ ТП, способной составить достойную конкуренцию мировым лидерам: Siemens и General Electric. Работы предстоит много:
- создать открытый стандарт промышленной автоматизации, охватывающий все отрасли промышленности и различные виды производств (непрерывные, дискретные и гибридные);
- создать единую информационную модель АСУТП (уровни 0, 1, 2, 3);
- сформулировать требования и получить аппаратные разработки в части микропроцессоров (MIPS, RISC-V, ARM), устройств для протоколов автоматизации (EtherCAT, ProfiBUS, ProfiNET), модулей рефлективной памяти (Reflective Memory), модулей сбора и анализа данных процесса и т. д.;
- сформулировать требования и разработать ПО в части IoТ-платформы для управления объектами промышленной автоматизации, распределённой системы управления, интегрированной среды разработки, «открытого программного ПЛК» (программируемого логического контроллера, Open Soft PLC), а также требования к ОС реального времени для работы в АСУ ТП и открытые протоколы внутренней и внешней шины ПЛКи т. д.;
Особые группы требований относятся к ПО диагностики и предиктивной аналитики работы оборудования и процессов, а также задачам информационной безопасности в Open АСУ ТП, включая создание открытой АСУТП на объектах КИИ (рис. 8).
Рисунок 8. Возможный вариант трансформации АСУ ТП на базе открытых стандартов. Источник: «Северсталь», апрель 2023 г.
Защищённая реализация технологического и цифрового прорыва
Информационная безопасность — сквозная технология, которая пронизывает все технологические и цифровые продукты, внедряемые на предприятиях и в организациях. Степень агрессивности внешней среды продолжает нарастать. Например, количество кибератак на ИТ-инфраструктуру РЖД выросло в 2023 году на 36% по сравнению с предыдущим годом (рис. 9).
Рисунок 9. Структура атак на внешний периметр инфраструктуры ОАО «РЖД». Источник: АО «РЖД», «Инфофорум-2024», февраль 2023 г.
Как рассказал на конференции «Инфофорум-2024» Юрий Ногинов, начальник департамента управления информационной безопасностью АО «РЖД», инфраструктура компании ранее была заявлена в качестве приоритетной цели для атак террористической кибергруппировкой «IT Армия Украины», которая представляет собой распределённую структуру, включающую добровольцев-«хактивистов». А в массированной DDoS-атаке на одну швейцарскую компанию, о которой стало известно в начале февраля, приняли участие три миллиона умных зубных щёток. Как рассказывают специалисты, для их заражения использовалась уязвимость в языке Java, популярном в сегменте устройств интернета вещей (IoT). После этого гаджеты с изменённой прошивкой создали мощный поток обращений на сайт жертвы, что вызвало масштабный сбой в работе корпоративного ресурса на несколько часов.
Российские заказчики активно вкладывают средства в развитие корпоративной информационной безопасности. Однако объём угроз растёт не менее энергично. Согласно данным аналитического отчёта Центра информационной безопасности компании «Инфосистемы Джет» за 2023 г., у 72% компаний были найдены критические уязвимости на периметре, что может послужить точкой входа злоумышленника в инфраструктуру компании. «В 2023 году индустрия кибербезопасности столкнулась с необходимостью пересмотра своих стратегий и приоритетов, — говорит Андрей Янкин, директор центра информационной безопасности компании «Инфосистемы Джет». — Компании вынуждены активно анализировать и контролировать информацию за пределами своих внутренних сетей, чтобы обеспечить системный контроль защищённости постоянно модернизируемой ИТ-инфраструктуры» (рис. 10).
Рисунок 10. Динамика роста российского рынка ПО для информационной безопасности, 2020–2026, млрд руб. Источник: Обзор российского рынка инфраструктурного ПО и перспектив его развития, Strategy Partners, сентябрь 2023 г.
В связи с появлением огромного количества новых угроз, говорят специалисты, применение стандартных средств защиты (межсетевые экраны, виртуальные частные сети, средства защиты от НСД) является необходимым, но недостаточным условием для построения надёжной комплексной системы защиты информации. Индустрия информационной безопасности активно экспериментирует с различными нетривиальными подходами к борьбе со вторжениями. Например, компания UserGate реализовала в своём устройстве класса NGFW решение для защиты масштабных и географически распределённых сетей с поддержкой концепции Zero Trust Network Access.
Специалисты кафедры «Информационная безопасность компьютерных систем» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого называют в качестве главной сегодняшней проблемы отсутствие согласованности и разобщённость существующих средств защиты, функционирующих на различных уровнях, — это и позволяет вредоносному ПО активизировать компоненты разных уровней и манипулировать данными для обхода механизмов анализа и контроля безопасности.
Перспективный способ выхода из сложившейся ситуации, по мнению ряда исследователей, заключается в использовании адаптивного управления безопасностью. Например, в петербургском Политехе его предлагается реализовывать на основе модели гомеостаза. Гомеостаз при этом понимается как свойство безопасности — способность информационной системы обеспечивать необходимое значение объема функциональных возможностей путём внесения архитектурных изменений в ответ на деструктивное воздействие (динамическая защита).
По мнению Евгения Павленко, доцента Института кибербезопасности и защиты информации, именно такой подход способен учесть специфические проблемы безопасности, свойственные киберфизическим системам (КФС): «Прямой перенос понятий информационной безопасности в виде конфиденциальности, доступности и целостности в КФС невозможен в силу того, что, в отличие от информационных процессов, физические процессы являются необратимыми, и для них невозможно реализовать такой же уровень контроля и управления. Для них на первый план выходит соблюдение корректного протекания технологических процессов». В этих условиях для обеспечения информационной безопасности КФС предлагается методология динамического переконфигурирования параметров и структуры системы с использованием принципа гомеостаза.
Оргвыводы
Очевидно, что в контексте общей картины мировой технологической эволюции каждая компания, работающая в высокотехнологичной сфере, должна совершить свой рывок на уровень глобальной конкурентоспособности. Причём их действия должны быть согласованы и объединены общей целью — включить в общий план прорыва и все предприятия различной отраслевой принадлежности. Им также предстоит свой рывок на уровень мировой конкурентоспособности за счёт технологической модернизации и цифровой трансформации.
Такую масштабную амбициозную задачу можно решить исключительно с опорой на принципы государственного планирования. Только так можно гармонизировать «внутривидовую» конкуренцию, стимулирующую рыночное развитие, с необходимостью коллективных усилий. Этот подход и реализуется сегодня на практическом уровне: разрабатываемая концепция цифрового «Госплана 2.0»охватывает все отрасли экономики России.
«Государство правильно реагирует на появившиеся вызовы, — говорил Геннадий Красников в интервью журналу «Стимул» в ноябре 2023. — Во-первых, оно придерживается комплексного подхода, когда запускает базовые отрасли. И во-вторых, фактически каждое министерство, каждая большая корпорация стали заново рассматривать возможности академических институтов, возможности фундаментальных исследований для получения востребованных промышленностью научных результатов».
Таким образом, «земная твердь» технологического суверенитета держится на трёх «китах». Первый —финансовая поддержка государства (она охватывает широкий спектр вариантов). Второй — поступательное развитие фундаментальной и прикладной российской науки. Третий «кит» — организационные меры, превращающие красивую идею в исправно работающий механизм с отличными показателями КПД. В их числе — создание промышленных кластеров, которые должны повысить спрос реального сектора экономики на инновационные научные решения, а также поддержка малых технологических компаний — перспективных «единорогов».
При этом ключевым элементом задуманной мегатрансформации является организация массового перехода предприятий российской промышленности и других отраслей экономики на суверенные отечественные технологии и цифровые решения. Фактически речь идёт о «приземлении» на поле деятельности всевозможных российских компаний и предприятий из реального сектора экономики продвинутых технологий, решений и услуг, которые создаются в кабинетах научных сотрудников, а затем обретают «плоть и кровь» на рабочих местах инженеров-конструкторов радиоэлектронной аппаратуры и разработчиков ПО.
От редакции. Об особенностях этого «приземления» BIS Journal попросил рассказать российских экспертов, имеющих опыт создания и внедрения технических решений мирового уровня.
.jpg)