Тихий крах науки в России

Статья представлена автором 23 августа 2015 г.

В своей предыдущей статье «Какая наука нам нужна» я рассмотрел вопрос о различиях науки фундаментальной и технической, и показал, что именно фундаментальная наука определяет перспективы любой страны в развитии новых технологий. Именно высокий потенциал Израильской фундаментальной науки (о чем говорит, в частности, число лауреатов Нобелевской премии из Израиля), обеспечивает развитие его модернизационной экономики (см. мою статью «Что день грядущий нам готовит… (опыт Израили и не только...)».

Аналогичное происходит и в США, ибо именно в Соединенных Штатах Америки, а не где-либо еще, готовится грандиозный технологический прорыв, который определит будущее человечества. Да, Америка за последние годы стремительно деиндустриализировалась, выводя основные производства за пределы собственной территории – по преимуществу в страны Юго-Восточной Азии и в Китай. Да, она влезла в грандиозные долги, чтобы сохранять на собственной территории социальную стабильность и кормить десятки миллионов граждан, оставшихся, по сути, без работы. Но в Америке за последнее двадцатилетие был собран такой инновационный «кулак» из примерно пяти миллионов интеллектуалов со всех стран мира, подобного которому, пожалуй, не найти во всей истории человечества. И результаты его работы уже сложились в единый «пазл», который задаст новые стандарты жизни для всей человеческой цивилизации и который принципиально невоспроизводим на предшествующей технологической базе.

Обсуждая процесс формирования в США нового технологического уклада, профессор Валерий Медведев, один из создателей советской школы программирования, работающий в настоящее время в США, считает, что, несмотря на существование вполне очевидного противоречия между двумя тезисами: о том, что новый технологический строй будет сформирован и начнёт распространяться с территории США, обеспечивая им на ближайшее будущее привычную роль глобального лидера, и о том, что развитие нового технологического строя приведет к постепенному отмиранию государств и наций – то должен заметить, что любой реальный процесс происходит в рамках столкновения двух противоположных тенденций, но колесо прогресса, в целом, катится вперёд, и, конечно, США, разбивая привычные границы национальных суверенитетов, готовят, в том числе, и свою гибель как суверенного государства. Этот процесс займет целую историческую эпоху, и если человечество сумело остановиться на грани термоядерной войны, грозившей не только миллиардами жертв, но и уничтожением нашей планеты как космического тела, оно найдёт оптимальный выход и из нынешней, весьма противоречивой, трагической, но вовсе не безнадёжной для всех нас ситуации.

И, как результаты технологических достижений США, я хотел бы привести следующие примеры. Так, в поисках компромисса между возможностями вертолетов и эффективностью самолетов с неподвижными крыльями инженеры уже достаточно давно выбрали решение в виде роторов с изменяемым углом наклона. Но специалисты НАСА еще в прошлом году предложили свое собственное решение вышеупомянутого компромисса – конструкцию летательного аппарата с поворотным крылом, который может взлетать и садиться подобно вертолету, и летать как обычный самолет. Опытный вариант такого летательного аппарата получил название Greased Lightning или GL-10, и недавно он совершил первый успешный испытательный полет, проведенный на полигоне близ Исследовательского центра НАСА Лэнгли, Вирджиния, во время которого он взлетел в вертикальном режиме и автоматически перешел в режим горизонтального полета. У опытного образца аппарата GL-10 установлено по четыре электрических двигателя с каждой стороны от фюзеляжа на основных крыльях и два двигателя на плоскостях хвостового оперения. Эти двигатели черпают энергию, которую им поставляет батарея литий-ионных аккумуляторов и два 8-сильных дизельных двигателя, вращающие роторы электрических генераторов. Аппарат GL-10 имеет размах крыльев 6,1 метр, чистый вес – 24,9 килограмма и взлетный вес – 28,1 килограмм. «Все двигатели, находящиеся с каждой из сторон крыла и двигатели хвостового оперения, объединены в раздельные группы, каждая из которых управляется независимо от других групп, – рассказывает Зак Джонс (ZackJohns), пилот аппарата GL-10. – Изменяя углы наклона и тягу, вырабатываемую каждой группой двигателей, мы добиваемся такой маневренности аппарата, которую неспособен продемонстрировать ни вертолет, ни самолет». Элементы конструкции аппарата GL-10 были изготовлены при помощи технологий быстрого производства и прототипирования. При этом, за все время была создана целая серия из 12 опытных образцов, которая началась с любительской конструкции из строительной пены и, по мере накопления опыта, превратилась в то, что мы видим на сегодняшний день. Согласно данным НАСА, аппаратGL-10 может беспрерывно летать в режиме горизонтального полета в течение 24 часов, издавая шум, не превышающий уровень шума от газонокосилки с бензиновым двигателем. Такая длительность непрерывного полета позволит при помощи таких беспилотников решать задачи, связанные с доставкой небольших экстренных грузов, обеспечением связи в удаленных районах или в районах бедствий, производить картографическую съемку и выполнять задачи по разведке и наблюдению. А более крупные варианты таких летательных аппаратов смогут поднимать в воздух от одного до четырех человек вместе с их грузом.

Несмотря на массу исследований в свете перспектив использования перовскита в области фотоэлектрического преобразования энергии, никому из ученых не пришло в голову провести измерения полупроводниковых и электронных свойств этого материала для других областей его применения, в частности, в электронике. Этот пробел удалось немного заполнить ученым из университета Вейк-Фореста (Wake Forest University) и из университета Юты (University of Utah). Эти ученые разработали конструкцию полевого транзистора (field-effect transistor, FET) из перовскита, который оказался вполне работоспособен даже при комнатной температуре. «Мы разработали структуру полевых транзисторов, в которых было реализовано электростатическое управление проводимостью канала. И, совместно со специалистами из университета Юты, мы изготовили опытные образцы таких транзисторов, получив возможность измерить их электрические и скоростные характеристики», – рассказывает Оана Джерческу (Oana Jurchescu), ученая-физик из университета Вейк-Фореста. Следует заметить, что из-за некоторых известных свойств перовскита многие ученые считали, что электростатическое управление проводимостью этого материала в принципе невозможна. А ученые из Юты полностью разрушили это заблуждение. Более того, они выяснили, что транзисторы из перовскита являются амбиполярными устройствами, ток в которых переносится сразу двумя видами носителей заряда – электронами и электронными дырками. Полученные исследователями экспериментальные результаты могут расширить перспективу использования перовскита на множество различных областей, связанных с электроникой и интегрированной оптоэлектроникой. «Все это демонстрирует, что помимо солнечных батарей, у гибридных перовскитов есть огромный потенциал для использования этого материала в оптоэлектронике, плазмонике и в других областях, где одновременно используется и свет и электрический ток», – рассказывает Зеев Вардены (Zeev Vardeny), профессор физики из университета Юты.

Недавно представители компании IBM продемонстрировали то, что они называют первым монолитным кремниево-фотонным чипом, и это событие является большим шагом к созданию компьютерных чипов, на кристаллах которых интегрированы одновременно элементы оптических и электронных схем. Оптические коммуникационные каналы могут обеспечить большую полосу пропускания, нежели их электронные «собратья», работающие на медных электрических проводниках, проложенных по поверхности кристаллов чипов. Кроме этого, оптические каналы расходуют в два раза меньше энергии для передачи определенного количества информации, нежели электронные каналы, что имеет немаловажное значение с учетом роста инфраструктуры Интернета, требующего постоянного увеличения вычислительных мощностей его дата-центров. Следует отметить, что фотонно-электронный чип, созданный специалистами компании IBM, является своего рода компромиссом, в котором сделаны некоторые уступки реалиям современных технологий. Сам кристалл чипа может быть запакован в такой же корпус, как и обычные электронные чипы. Но в его составе отсутствуют одни из самых главных компонентов – источники света. Вместо этого свет от внешних лазеров подается через специальные «лазерные входные порты», но, как только свет попадает внутрь чипа, он может быть использован для передачи и обработки информации. Для ввода информации в чип имеется четыре входных порта, а результаты обработки выдаются наружу через четыре выходных порта, каждый из которых способен обеспечить скорость до 25 гигабит в секунду. А за счет использования технологии мультиплексирования по длине волны скорость каждого порта составляет 100 гигабит в секунду. Архитектура фотонного чипа является масштабируемой и, пока только в теории, можно будет создать чипы с восемью входными и выходными портами, способные «переварить» поток данных со скоростью до 800 гигабит в секунду. Но пока это все только в перспективе, на первом этапе компания IBM планирует использовать новые кремний-фотонные чипы в своих собственных информационных центрах и в составе высокопроизводительных вычислительных систем, где полоса пропускания коммуникационных каналов является главным узким местом. Представители компании сообщают, что их специалисты уже произвели успешные испытаний четырехпортовых кремний-фотонных чипов, организовав при их помощи сеть, способную передавать информацию со скоростью 100 гигабит в секунду на расстояние до 2 километров. И если специалистам компании удастся создать оптические приемники и передатчики, способные потянуть скорость в 800 гигабит в секунду, то им придется заняться разработкой и производством восьмипортовых кремний-фотонных чипов. Следующим шагом, который намерена сделать компания IBM, станет интеграция на кристалл чипа источников света – лазеров на основе полупроводниковых материалов III-V группы. Этот шаг будет достаточно долгим и тяжелым, но разработанные за это время технологии позволят включать в состав чипа не только лазеры, но и массу других оптических компонентов, включая волноводы, фотодиоды, оптические резонаторы, усилители и т.п., которые будут размещаться непосредственно рядом с обычными электронными компонентами. Еще одним внушительным достижением компании является то, что новый кремний-фотонный чип был изготовлен на совершенно стандартном оборудовании по 90-нм CMOS-технологии. Это позволит избежать больших капитальных вложений в производство новых чипов тогда, когда эта технология станет достаточно зрелой для массового применения.

Прогресс фундаментальной науки в Израиле обеспечивает колоссальный прорыв в нанотехнологиях.

ДНК-программируемые нанороботы уже через 5 лет смогут работать внутри живых клеток человека и осуществлять диагностику заболеваний и их лечение, и даже контролировать поведение человека. У учёных Университета Бар-Илан в Израиле хорошая база, теоретическая и техническая, для того, чтобы создавать нанороботов из нитей ДНК. В настоящее время их разработка проходит тесты на тараканах. В случае успеха она будет применена и к людям. Экспериментируя, учёные внедрили в тела тараканов несколько нанороботов. Внутри организма насекомых нанороботы работают как единый компьютер и оказывают влияние на некоторые функции организма тараканов при помощи молекул. Недавнее открытие способности нитей ДНК к программированию – настоящая сенсация в сфере технологий. На основе этих нитей можно создавать компьютерные цепи и решать задачи по математике. Израильские учёные первыми показали, что нити ДНК можно использовать в живом организме. Потенциал нанороботов из ДНК просто неисчерпаем. С их помощью можно найти и уничтожить раковые клетки, ликвидировать атаку токсичных молекул для защиты от отравления, доставлять в организм антидепрессанты в ответ на агрессию (этот метод может стать альтернативой ограничению свободы).

Специалисты из этого же университета Бар-Илан создали для простыней и халатов медиков специальное покрытие, способное убивать большую часть бактерий. Уникальное покрытие состоит из наночастиц, которые при соприкосновении с вредными микроорганизмами приводят к их гибели. Как это не странно, но изобретение данного покрытия произошло в рамках военных разработок. Ученые пытались создать для солдат носки, которые не издают неприятного запаха. По словам профессора Аарона Геданкена, такие носки пока создать не удалось, но во время исследований было сделано множество интересных открытий, которые нашли применение в других отраслях. Антибактериальное покрытие для больничных тканей может наноситься абсолютно на любую тканевую поверхность. На ощупь и по своему внешнему виду такие изделия абсолютно ничем не будут отличаться от обычных. Помимо этого, они абсолютно безвредны для человека. Во время многочисленных исследований ученые выяснили, что при соприкосновении бактерий с нанопокрытием выживает только 1 микроб из 100 000. Простыни и халаты с антибактериальным покрытием уже проходят испытания в клиниках Израиля, Великобритании, Италии, России, Бельгии, Германии и Испании. Ученые рассказали, что новая ткань сохранит свои антибактериальные свойства даже после 65 стирок в стиральной машине.

Израильское подразделение компании Autodesk Inc. в сотрудничестве с израильским стартапом Massivit напечатали на 3D-принтере детали первого в мире 3D-автомобиля Strati, созданного и разработанного компанией Local Motors. Плоды сотрудничества представили на конференции для инноваторов в области автомобилестроения Eco Motion в Центре мира имени Шимона Переса в Тель-Авиве. Autodeskразработала полноценную, открытую и бесплатную платформу для 3D-печати Spark, которая передает цифровую информацию на 3D-принтеры. Компания предоставила Massivit программное обеспечение для распечатки 3D-модели Strati. Руководство Autodesk считает, что революция в 3D-печати преобразит отрасль автомобилестроения, резко уменьшив объем отходов и стоимость сборки. Руководитель подразделения 3D-печати в Autodesk Эйтан Царфати заявил в интервью телеканалу «Израиль 10», что платформа Spark предоставит «строительные блоки» для инноваций, которые могут быть использованы дизайнерами, производителями и разработчиками программного обеспечения, чтобы раздвинуть границы технологии 3D-печати.

И, как всегда, Израиль предлагает много инновационных решений в области военной техники, становясь основным партнером таких стран, как Индия.

Бригадный генерал Мишель Бен Барух, директор SIBAT, структуры, занимающейся маркетингом и реализацией всего спектра военной техники Израиля, сказал: «Израиль укрепляет свои связи и технологическое сотрудничество с Индией. В военной области Израиль и Индия подвергаются схожим угрозам. Техническое сотрудничество Израиль-Индия дает нашим странам существенный выигрыш, позволяет лучше противостоять современным военным вызовам. И Израиль готов поделиться с Индией своим опытом и проверенными в бою передовыми технологиями».

Особый интерес представляет разработка концерна RAFAEL – C-Dome. Это оригинальная реинкарнация «Железного купола», но предназначенная для установки даже на небольших военных кораблях типа корветов, и, что особенно важно, на морских нефтегазовых платформах. В C-Dome применена та же ракета «Тамир», что и в «Железном куполе», но C-Dome использует собственные радиолокационные комплексы и вычислительные системы корабля. Задача C-Dome – обеспечивать защиту от различных угроз, в том числе и от таких, как российские противокорабельные ракеты «Яхонт». «Яхонт» – сверхзвуковая ракета. Она летит к цели на высоте около 10 м над уровнем моря, то есть ниже уровня радиолокационной видимости, а уже непосредственно в районе атаки вновь набирает высоту, чтобы найти заданную цель. Вот тогда ракету возможно обнаружить и уничтожить, но времени для этого отпущено крайне мало – «Яхонт» летит со скоростью 2,5 Маха, примерно 2700 км/ч. Но почти мгновенная реакция на цель – это отличительная особенность «Железного купола», так что использование наработок «Железного купола» для решения такой проблемы напрашивается само собой. C-Dome контролирует пространство вокруг объекта по всей окружности – 360 градусов, и может сопровождать и уничтожать несколько одновременно атакующих ракет, выпущенных с воздуха, моря или суши. Интервал между пусками противоракет у C-Dome очень мал, противоракеты можно выпускать с секундным интервалом. Установка имеет небольшие габариты, вместе с 10 противоракетами вертикального взлета вполне комфортно помещается под палубой корвета или морской платформы.

Другой новинкой концерна RAFAEL является высокоточная бомба «Spice-250». Важной особенностью «Spice» является возможность его предполетной подготовки на 100 различных целей с окончательным выбором объекта атаки уже в полете. Кроме того, пилот на дисплее в кабине истребителя может видеть изображение с системы обнаружения бомбы. Истребитель сбрасывает «Spice» на расстоянии до 100 км от объекта атаки, не входя в зону действия ПВО противника. Эта дистанция позволяет пилоту поражать цели с большого расстояния, как правило, без существенного риска в зоне действия вражеской ПВО. Бомба может наводиться на цель тремя способами: по заранее загруженным изображениям по принципу «fire and forget – выстрелил и забыл», по координатам цели с помощью GPS или под управлением человека-оператора. В каждую бомбу, в память ее системы управления, может быть загружено до 100 различных целей в комплекте с их изображением, как правило, полученным с помощью визуальной разведки, а так же географические координаты целей для наведения по GPS. Хотя бомба «Spice 250» может быть выпущена со стандартного пилона, Рафаэль создал счетверенный пилон Smart-Quad-Rack, который позволяет на F-15 установить 28 таких бомб, и 16 на истребителе F-16. Система позволяет произвести несколько запусков против нескольких целей. Это резко увеличивает боевые возможности самолёта. Звено из четырех истребителей F-15 может иметь более 100 боеприпасов на боевом вылете. Такое решение, фактически – революция в этой области. В момент запуска на бомбу подаются точные позиционные данные от навигационной системы самолета, а затем использует GPS или другая система наведения, с помощью которой бомба летит к району цели. В районе атаки бомба начинает поиск своей цели, сравнивая видимое изображение с данными, заложенными в память компьютера оружия.

Система «Music» концерна «Elbit Systems» никакого отношения к музыке не имеет. Это фирменное название систем противодействия инфракрасным головкам самонаведения – Multi Spectral InfraredCountermeasure (MUSIC®). Система «Music» предназначена в первую очередь для исключения угрозы от применения ПЗРК. За последние несколько лет эта опасность от носимых наплечных ракет значительно выросла. Только в Ливии бесследно исчезло более сотни ПЗРК. Где они выстрелят – никому не известно. Система «Music» обнаруживает работу головки самонаведения ПЗРК и с помощью лазерного луча ликвидирует опасность. Система предназначена не только для защиты военных самолетов и вертолетов, а так же для защиты пассажирских самолетов, самолетов представительского класса, и т.д. «Music» работает автоматически без участия экипажа. Разработка Elbit Systems может быть легко интегрирована с любым типом самолета, устанавливается на воздушное судно без ухудшения летно-технических характеристик.

Как отмечает военный эксперт Владимир Янкелевич, система киберзащиты Израиля считается одной из лучших в мире. Недавнее сравнительное международное исследование по 23 развитым странам оценило Израиль, наряду со Швецией и Финляндией, как страну с наивысшим уровнем киберзащиты. Это, безусловно, результат, как высокого уровня развития человеческого капитала, так и технологического уровня страны. Но в Израиле есть одно важнейшее отличие. Только у Израиля киберпреступность – воровство или промышленный шпионаж – не главное. И только Израиль должен действовать в киберпространстве в интересах национальной безопасности. Израильские специалисты противостоят виртуальным атакам 24 часа семь дней в неделю, только электрическая компания Израиль отражает 20000 атак ежедневно.

Для руководства разработками в вопросах кибербезопасности, координации сотрудничества между различными органами, работающими в этой области, для обеспечения защиты национальной инфраструктуры Постановлением Правительства № 3611 от 07.08.2011 в Израиле создано Национальное кибербюро. Атаки на израильские системы достаточно успешно блокируются. Во время операции «Нерушимая скала» иранские хакеры предприняли беспрецедентные усилия для атаки на израильские военные и гражданские сайты и даже смогли взломать Twitter пресс-секретаря ЦАХАЛа, где разместили фиктивное сообщение, что ракеты ХАМАСа попали в ядерный центр в Димоне, а потом заменили это сообщение лозунгом «Да здравствует Палестина». Через несколько минут это проникновение было устранено. Все «беспрецедентные усилия» пропали даром.

Как действуют израильские кибервоенные – достоверно неизвестно, но было бы наивно предполагать, что их функция только пассивная оборона. Такая оборона – всегда проигрышная позиция, она не соответствует традициям ЦАХАЛа. Операция «Фруктовый сад» по уничтожению ядерного объекта в Сирии достаточно известна. А уже в 2010 году The New York Times опубликовала информацию, что израильское киберподразделение смогло блокировать сирийские ПВО с помощью военной компьютерной программы. По утверждению американцев, без этого уклонение от сирийских радаров было бы проблематичным.

В том же 2010 году был обнаружен компьютерный вирус – червь «win32/Stuxnet». Этот вирус нарушал работу в промышленных системах, управляющих автоматизированными производственными процессами, а главное, вирус вывел из строя центрифуги на иранских обогатительных заводах. Уникальность программы заключалась в том, что впервые в истории кибератак вирус физически разрушал инфраструктуру. TheNew York Times снова выступила с утверждением, что вирус Stuxnet является совместной разработкой разведывательных служб США и Израиля, а израильтяне уже, якобы, протестировали вирус в своём центре в Димоне.

Сегодня Кибербюро разрабатывает систему с рабочим названием «Кибернетический Железный купол» (Digital Iron Dome). Эту работу возглавляют два генерала-профессора – Данни Голд и Исаак Бен-Исраель. Эта система сможет отразить атаки на компоненты израильского киберпространства и обеспечит защитой все уровни среды, от компьютера простого израильтянина до банка или государственной инфраструктуры. Система будет выявлять потенциальные угрозы на серверах и за границей, а затем предотвращать их доступ в коммуникационную сеть Израиля. Проект пока находится в разработке, как говорится, на чертежной доске. Он разрабатывается в кооперации крупных компаний с небольшими израильскими стартапами, специализирующимися на решениях в области кибербезопасности. «Цель создаваемой системы, – пояснил Данни Голд, – найти угрозу заранее и предотвратить ее действия, а так же иметь возможность атаковать самих хакеров. Система обороны будет функционировать на четырех основных уровнях – выявление угроз, защиты от них, борьбы с угрозами в сети, и, наконец, контрудар против хакеров. Каждый уровень будет включать в себя сочетание усилий гражданских и охранных компаний». Данни Голд отметил, что в Израиле в области кибербезопасности работают около 200 стартап компаний. Их работу нужно координировать, объединить в одну систему. Этот подход напоминает начало разработки ПРО «Железный купол», когда крупные компании, такие, как «Рафаэль» и «Elta», привлекали небольшие старт апы для развития большого проекта.

Далее Владимир Янкелевич приводит интересный пример заботы государства Израиль по подготовке специалистов в области кибербезопасности – создание программы Magshimim. В рамках этой программы, которой придан статус национальной – она работает по всему Израилю – для детей на протяжении обучения в средней школе с 9 по 12 класс в послеобеденное время будут проводиться специальные занятия в виде еженедельных сессий (один или два раза в неделю). В программу отбираются дети, проявившие интерес и способности к компьютерным знаниям и решению интеллектуальных задач. Они, под руководством преподавателей программы Magshimim, будут проводить достаточно сложные профессиональные исследования. Это откроет детям дальнейшую дорогу для продвинутых исследований высокого уровня и работы в промышленности и хай-теке. У ЦАХАЛа в этой программе особый интерес, таким образом, будут отбираться перспективные кадры для работы в области кибербезопасности в армии.

Развивают как фундаментальные, так и прикладные исследования такие страны, как Китай, Япония, Южная Корея, Тайвань и Индия. Эти страны множат свои усилия как в сотрудничестве с Израилем, так и в наращивании своих оригинальных разработок.

Существует множество способов создания голографических изображений, и каждому из этих методов присущи свои собственные преимущества и недостатки. В одних методах, способных создавать высококачественные изображения, используются дорогостоящие материалы и специализированные устройства, а более дешевые способы позволяют получить изображения весьма посредственного качества. Пытаясь совместить невозможное, исследователи из Национального университета Тайваня (National Taiwan University), Тайбэй, разработали еще одну технологию создания голографических изображений. Основой этой технологии является сложный материал – метаматериал на базе алюминиевых наностолбиков определенной высоты, который позволяет получить красочные изображения, в которых могут присутствовать все цвета из видимого спектра света.