ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ОБУВЬ Реклама
Реклама
ЖУРНАЛ Здравствуйте, уважаемые друзья! Журнал «Современная электроника» 2022 год стал не лучшим для российской экономики и, в частности, Издаётся с 2004 года для её Hi-Tech-секторов: небывалые санкции, вызвавшие тотальный де- фицит всего и вся, логистические проблемы, отъезд высококвалифици- Главный редактор Ю. В. Широков рованных специалистов из страны – всё это, разумеется, не способство- Заместитель главного редактора А. В. Малыгин вало экономическому подъёму. Однако полный коллапс, являвшийся Редакционная коллегия А. Е. Балакирев, В. К. Жданкин, главной целью санкций, так и не наступил. Более того, многие наши С. А. Сорокин, Д. А. Кабачник, Р. Х. Хакимов собеседники-эксперты отмечают оживление на рынке. В чём же причи- Вёрстка А. М. Бабийчук на, как себя чувствуют отечественные производители в новых условиях, Обложка Д. В. Юсим и каковы перспективы преодоления трудностей? В прошедшем году ре- Распространение А. Б. Хамидова ([email protected]) дакция журнала поучаствовала во многих знаковых для отечественной Реклама И. Е. Савина ([email protected]) электроники событиях. Все они отмечены новыми роликами-интервью. Смотрите репортажи на нашем YouTube-канале, и вы узнаете секрет Учредитель и издатель ООО «СТА-ПРЕСС» «живучести» из первых рук! Генеральный директор К. В. Седов В этом выпуске «Современной электроники» 2023 года мы предлагаем Адрес учредителя и издателя: вам статью, рассказывающую о революционной концепции оптоэлек- 117279, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 108, тронных 3D-нейропроцессоров. Реализация нейропроцессора новой пом/ком/эт I/67/тех архитектуры сулит фантастический прорыв в области ИИ: автономные Почтовый адрес: 117437, г. Москва, роботы, интеллектуальная обработка огромных объёмов данных, экс- Профсоюзная ул., 108 пертная помощь в различных аспектах человеческой деятельности – всё Тел.: (495) 232-00-87 это станет возможным благодаря отечественным разработкам. [email protected] • www.soel.ru Заходите на наш сайт, подписывайтесь на YouTube-канал «Современной электроники», делитесь ссылками на понравившиеся ролики со своими Производственно-практический журнал друзьями и коллегами. Желаем всем вам в новом 2023 году счастья, бла- Выходит 9 раз в год. Тираж 10 000 экз. гополучия и мирного неба над головой! Цена свободная Всего вам доброго! Юрий Широков, главный редактор Журнал зарегистрирован в Федеральной службе по над- зору за соблюдением законодательства в сфере массовых 2 WWW.SOEL.RU коммуникаций и охране культурного наследия (свидетельство ПИ № ФС77-18792 от 28 октября 2004 г.) Отпечатано: ООО «МЕДИАКОЛОР». Адрес: Москва, Сигнальный проезд, 19, бизнес-центр Вэлдан. Тел./факс: (499) 903-69-52 Перепечатка материалов допускается только с письменного разрешения редакции. Ответственность за содержание рекламы несут рекламо- датели. Ответственность за содержание статей несут авторы. Материалы, переданные редакции, не рецензируются и не возвращаются. Мнение редакции не обязательно совпадает с мнением авторов. Все упомянутые в публикациях журнала наименования продукции и товарные знаки являются собственностью соответствующих владельцев. © СТА-ПРЕСС, 2022 ЧИТАЙТЕ ЖУРНАЛ в ЭЛЕКТРОННОЙ ВЕРСИИ на сайте soel.ru после простой регистрации и в ПЕЧАТНОЙ ВЕРСИИ по подписке СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОДЕРЖАНИЕ 1/2023 РЕКЛАМОДАТЕЛИ РЫНОК EA Elektro-Automatik· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·23 4 Новости российского рынка МОРИОН · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 ПЛАНАР · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 4 СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ СНЕЖЕТЬ· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 6 ТЕСТПРИБОР · · · · · · · · · · · · · · · · 4, 4-я стр. обл. 7 Борноволоков Эдуард Павлович. Инженер, редактор, Фаворит-ЭК · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 5 разработчик, популяризатор радиоэлектроники Андрей Кашкаров СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 10 Квантовая криптографическая катастрофа. Часть 1 Виктор Алексеев 16 Датчики-сканеры отпечатков пальцев в устройствах биоидентификации. Обзор и перспективы Андрей Ласорла Центр профессиональной обуви· · · ·6, 2-я стр. обл. 24 Безопасность ЕБС и её элементов. ЭКСПОТРОНИКА · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 1 Обзор рисков и перспективных направлений улучшения систем персональной аутентификации Антти Суомалайнен ЭРКОН· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·5, 21 30 Разработка 3D фотон-электронной матричной нейросетевой реконфигурируемой платформы для Читайте в «CTA» № 1/2023: высокопроизводительной обработки информации МЫ ПОЙДЕМ СВОИМ ПУТЁМ: Валерий Сведе-Швец Наш ответ CoDeSys НОВЫЙ ДРУГ ЛУЧШЕ СТАРЫХ ДВУХ: 44 Мировой инфляционный кризис оптоволокна Куда в АСУТП без Китая? ОБЛАКО В ШТАНАХ: Андрей Кашкаров ИИ в промышленной автоматизации ВИДОИЗМЕНЁННЫЙ УГЛЕРОД: ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ секрет долголетия карбоновых АКБ 46 Автоматизация светофора Сергей Шишкин 52 Применение дисплея DES E-ink в барометре-термометре-гигрометре с гистограммой изменения давления за неделю Алексей Кузьминов 58 Технология конвективной сушки пиломатериалов на основе метода корреляционного анализа Сергей Гаев, Александр Кузнецов, Мария Бахметьева Оформляйте подписку на журнал «СТА» ВОПРОСЫ ТЕОРИИ и читайте печатную версию или электронную версию на www.cta.ru 62 Испытания бесплатформенных инерциальных навигационных систем Матвей Ульянов СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 3
РЫНОК На правах рекламы Новости российского рынка ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ АО «ТЕСТПРИБОР» провёл полоса пропуска- магнитной обстановки и предоставляют испытания с наименьшим ния (RBW), после рекомендации по повышению помехоу- уровнем воздействия ЭМП этого испытания стойчивости. По результатам испытаний прошли успешно. выдаётся протокол, который является ос- АО «ТЕСТПРИБОР» проводит испытания нованием для получения сертификата со- на проверку стойкости изделия к воздей- Напоминаем, что в АО «ТЕСТПРИБОР» ответствия. ствию ЭМП для помехи с минимальным проводятся все виды испытаний для под- уровнем напряжённости поля 35 дБмкВ/м тверждения работоспособности изделий www.test-expert.ru (56,2 мкВ/м) в рабочем диапазоне частот при воздействии электромагнитных по- +7 (495) 657-87-37 от 156 МГц до 163 МГц. мех. Специалисты собственной аккреди- тованной лаборатории разрабатывают В результате испытаний инженеры стол- и согласовывают программы и методи- кнулись с проблемой: для искомого кон- ки испытаний, проводят анализ электро- троля настолько незначительного сигнала помехи ни один датчик поля не обладает необходимой чувствительностью. Решение было найдено в кратчайшие сроки. Специалисты АО «ТЕСТПРИБОР» ис- пользовали измерительные антенны для контроля уровня. Для этого потребовалось собрать из- мерительный стенд. Но при установке стандартных настроек помеховый сиг- нал всё равно не было видно за уров- нем шума. Была проведена калибровка, в процессе которой кратно изменилась ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ Портативные векторные Векторные анализаторы цепей серии S5065 и S5085, которые отличаются друг анализаторы цепей Компакт от друга диапазоном рабочих частот: серии Компакт и модули от 9 кГц до 4,5 ГГц, от 9 кГц до 6,5 ГГц и расширения частотного Портативные векторные анализаторы от 9 кГц до 8,5 ГГц соответственно. диапазона TFE1854 компании цепей серии Компакт предназначены для «ПЛАНАР» внесены измерений комплексных коэффициентов Модули расширения частотного диа- в Госреестр СИ РФ передачи и отражения (элементов матри- пазона TFE1854 цы рассеяния) многополюсников. Приказом Федерального агентства Модуль TFE1854 является сверхком- по техническому регулированию и ме- Конструктивно анализаторы цепей име- пактным устройством и предназначен трологии от 9 ноября 2022 г. № 2814 в ют широкий набор встроенных приборов для работы совместно с векторными ана- Госреестр средств измерений РФ зане- и опций, таких как генераторы испыта- лизаторами цепей серии Кобальт, обра- сены векторные анализаторы цепей се- тельного и гетеродинного сигналов, ат- зуя измерительную систему комплексных рии Компакт S5045, S5065, S5085 и мо- тенюатор регулировки выходной мощно- коэффициентов передачи и отражения в дули расширения частотного диапазо- сти, коммутатор (переключатель направ- расширенном диапазоне частот до 54 ГГц. на TFE1854. ления распространения испытательного сигнала), измерительные секции, много- https://www.planarchel.ru/ Срок действия Свидетельства об утверж- канальный приёмник, блок управления с [email protected] дении типа СИ определён до 09.11.2027. сигнальным процессором и блок питания. +7 (351) 729-97-77 Установленный межповерочный интер- вал – 1 год. К данному типу анализаторов цепей S50x5 относятся модификации S5045, Сертификат о внесении в Госреестр средств измерений подтверждает, что обо- рудование компании «ПЛАНАР» успешно прошло технические и метрологические испытания и допущено к применению на территории РФ для проведения ответ- ственных измерений. 4 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
РЫНОК На правах рекламы ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ Простые ГК355-П частоты за 10 лет, нестабильность частоты Основные области применения: ком- и управляемые напряжением от изменения напряжения питания и на- муникационное и медицинское оборудо- К356-УН кварцевые грузки), которая составляет менее ±50×10–6. вание, беспроводные сети, SONET-, SDH-, генераторы в SMD-корпусах Ethernet-оборудование, промышленные Основные параметры ГК355-П: контроллеры и т.д. АО «Морион», ведущее предприятие Рос- ● диапазон частоты: 1,4…400 МГц; сии и один из мировых лидеров в области ● общая нестабильность частоты: до ±20×10–6; Дополнительная информация об этих разработки и серийного производства пре- ● диапазон рабочей температуры: до –55… и других новых приборах доступна на цизионных пьезоэлектронных приборов сайте АО «Морион» или по телефону стабилизации и селекции частоты, запусти- +125°С; +7 (812) 775-95-65. ло новое для себя направление – серийный ● напряжение питания: 2,5, 3,3 и 5,0 В; выпуск простых и управляемых напряжени- ● выходной сигнал: КМОП, LVPECL, LVDS; www.morion.com.ru ем кварцевых генераторов ГК355-П и ГК356- ● размеры SMD-корпуса: 5×3,2×1,4 и 7×5×1,8 мм; УН в корпусах для поверхностного монтажа. ● высокая надёжность. Генераторы были освоены в производ- Основные параметры ГК356-УН: стве в связи с участившимися за послед- ● диапазон частоты: 8…74 МГц; ний год запросами на замену подобных ● общая нестабильность частоты: до импортных генераторов отечественны- ми. Особо необходимо отметить расши- ±20×10–6; ренный диапазон рабочей температуры ● пределы перестройки частоты: до –55…+125°С генератора ГК355-П, а так- же суммарную нестабильность частоты ±100×10–6; (точность настройки, температурная не- ● диапазон рабочей температуры: до –40…85°С; стабильность в интервале рабочей темпе- ● напряжение питания: 3,3 В; ратуры, долговременная нестабильность ● выходной сигнал: КМОП; ● размеры SMD-корпуса: 5×3,2×1,4 и 7×5×1,8 мм; ● низкий уровень фазовых шумов. Новинка! Мощные СВЧ- мощности при эксплуатации и регулировке ● габариты корпуса 70×26×230 мм; поглотители ПР1-24-500 мощной высокочастотной аппаратуры. ● масса, не более: 1,2 кг. и ПР1-25-500-3 мощностью 500 Вт с контактным Основные характеристики: www.erkon-nn.ru охлаждением ● входная мощность в непрерывном ре- +7(831)202-25-52 +7(831)465-64-31 АО «НПО «ЭРКОН» разработало новые жиме: 500 Вт; ● входная мощность в импульсном режи- мощные СВЧ-поглотители типа ПР1-24 и ат- ме: 5000 Вт; тенюаторы ПР1-25 мощностью 500 Вт с при- ● номинальное сопротивление (вход/вы- нудительным контактным охлаждением на ход): 50 Ом; ● рабочий диапазон частот: 0…5,0 ГГц; теплоотвод. Поглотители предназначены для ● КСВН, не более: 1,35; ● номинальное ослабление (для аттеню- использования в непрерывном и импульс- аторов): 3…40 дБ; ном режимах в цепях постоянного и перемен- ● тип соединителя: тип N, тип III; ного токов в качестве оконечных нагрузок и эквивалентов антенн, а также ослабления Компания «Фаворит-ЭК» мощности до 80 Вт в пиковом режиме. Опыт Возможен выпуск устройств и их ком- наращивает серийные применения показал также высокую меха- бинаций с заказными характеристиками поставки ферритовых ническую прочность продукции при термо- по согласованным ТУ в объёме минималь- циркуляторов и изоляторов циклировании под нагрузкой. ной партии. для приёмо-передающей аппаратуры СВЧ-диапазона Основные параметры предлагаемых www.favorit-ec.ru МЭМС-циркуляторов, изоляторов: [email protected] ООО «Фаворит-ЭК» предлагает бескорпус- ● диапазон рабочих частот: 6…40 ГГц; +7 (495) 627-76-24 ● размер на плате: от 4,5×5 мм до 8×10 мм при ные микрополосковые ферритовые цирку- высоте 2,7…3 мм; ляторы и изоляторы. Компоненты монтиру- ● коэффициент стоячей волны (VSWR): ются на основание токопроводящим клеем, 1,25…1,4; ● вносимые потери: 0,5…0,8 дБ; после чего производится разварка прово- ● величина развязки (ISO): 11…20 дБ; ● рабочий температурный диапазон: дников на контактные площадки. Примене- –55…+85°С; ние технологии МЭМС обеспечило малую ● средняя мощность с учётом скважно- массу, высокую согласованность и стабиль- сти: 2…50 Вт. ность характеристик в рабочем температур- ном диапазоне. Несмотря на компактные размеры, изделия способны коммутировать СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 5
РЫНОК На правах рекламы Швейцарское качество от Быстроразъёмное соединение – одно от транспорта и сельского хозяйства до российского производителя из самых удобных и эффективных приспо- пищевой промышленности, нефтепере- соблений, используемых при соединении работки и медицины. АО «Завод «Снежеть» – участник государ- технических креплений оборудования и ственной программы по импортозамеще- гидравлических, пневматических маги- К новым разработкам завода относятся нию. Предприятие выпускает электрические стралей. Его основным назначением явля- и соединители СНП356, СНП413, СНП416. соединители, которые включены в перечень ется оперативная сборка/разборка гидро- Полная информация о них представлена ЭКБ и используются в электронной и воен- линий, снятие и замена деталей гидрав- на сайте компании. ной промышленности, производит алмаз- лических узлов и систем без применения ный правящий инструмент, оказывает услу- специальных инструментов или устройств, Также АО «Завод «Снежеть» предлага- ги по разработке и изготовлению штампов без потери рабочей жидкости в системе. ет услуги по разработке и изготовлению и пресс-форм. специальной технологической оснастки Благодаря современным технологиям любого уровня сложности по чертежам В настоящее время активно идёт рас- разъёмы серии СЖ очень удобны, надёж- заказчика, ремонт и обслуживание тех- ширение линейки продукции, акцент де- ны, универсальны, а потому крайне вос- нологической оснастки, механическую лается на технологически сложных изде- требованы практически во всех отраслях: обработку деталей. Кроме этого, АО «За- лиях, которые претендуют на импортоне- вод «Снежеть» изготавливает детали ме- зависимость. тодом штамповки, точения, производит изделия из полимерных материалов ме- Одним из таких продуктов является ги- тодом литья под давлением и прямого дравлический соединитель – аналог швей- прессования. царской фирмы Stäubli, который с 2021 года выпускается серийно на АО «Завод www.sneget.ru «Снежеть». +7 (4832) 78-88-33 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Отечественная димость, необходимая для стекания заряда. антистатическая обувь Обувь ЦПО соответствует международному с ESD-подошвой классу защиты 2 (согласно МЭК 61340-4-3). ООО \"Центр Профессиональной Обуви\" Собственное производство полного цик- (бренд «ЦПО») предлагает обувь для ра- ла, расположенное во Владимирской обла- боты с чувствительным к электростатиче- сти позволяет гибко и своевременно учи- ским разрядам оборудованием. тывать особенности требований заказчи- ков. Продукция обладает заключениями Оригинальная конструкция антистати- Минпромторга РФ, всеми необходимыми ческой обуви ЦПО предусматривает ESD- сертификатами соответствия, подтверж- подошву с гарантированным удельным по- дёнными протоколами испытаний и со- верхностным электрическим сопротивлени- ответствует ГОСТ 12.4.124-83, ГОСТ Р ЕН ем (107 Ом), а также специальную вкладную ИСО 20345-2011. стельку с аналогичным сопротивлением. Верх обуви изготавливается из высокока- https://proshoes.ru чественной натуральной кожи. Таким обра- [email protected] зом обеспечивается нормированная прово- +7 (495) 380-11-05 НОВОСТИ МИРА «Ростех» начал массово трудника. Помимо этого, роутер поддер- серийно выпускаемый «Росэлектрони- производить роутеры, живает технологию PoE, что заметно рас- кой», поможет российскому бизнесу по- построенные на процессорах ширяет его возможности. низить зависимость от аналогичных за- серии «Байкал» рубежных решений и повысить защиту По словам представителя «Ростеха», собственных систем в плане информаци- Специалисты холдинга «Росэлектрони- Олега Евтушенко, новый роутер, теперь онной безопасности. ка», входящего в структуру «Ростеха», раз- работали и уже начали серийный выпуск Как сообщается, на сегодняшний защищённых роутеров, в аппаратной ос- день выпущено порядка 2000 единиц нове которых лежат отечественные про- роутеров, но до конца этого года за- цессоры модели «Байкал BE-T1000». При планировано отгрузить еще 3000 еди- этом программное обеспечение для них ниц, а также заметно расширить дан- полностью разработано в России. ную линейку сетевого оборудования более функциональными моделями. Устройства рассчитаны на малые ор- Кроме того, в ближайших планах произ- ганизации с количеством работников до водителя выпускать граничные марш- 50–60 человек, а модульная модель этих рутизаторы. устройств легко позволяет настроить каж- дый роутер под задачи определённого со- techcult.ru 6 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ Борноволоков Эдуард Павлович. Инженер, редактор, разработчик, популяризатор радиоэлектроники Андрей Кашкаров ([email protected]) измерительное оборудование, источники питания на разное напряжение с защи- О людях, творивших на пользу стране в «доинтернетную эпоху», не той и другое необходимое оборудова- просто хочется, но и важно вспоминать. Как правило, это скромные ние – всё отечественного производства. деятели, не рекламировавшие свои достижения намеренно, но Нашего наставника, выдающегося педа- результаты работы которых повлияли на последующие поколения. Один гога дополнительного образования, вели- из них скромно шёл своей дорогой, ни к кому не приставал, и к нему не чали Валерием Яковлевичем Шехнером. приставали журналисты с просьбами об интервью. Если бы вы спросили, А намёк истории в том, что подобного как его зовут, он ответил бы просто и скромно: «Эдуард Павлович рода тьюторское содействие, как институт Борноволоков». А я добавлю – без преувеличения выдающийся профориентации и наставничества, – популяризатор радиоэлектроники второй половины ХХ века. весьма действенный инструмент для Но сначала немного истории из 80-х. школьного и, может быть, даже дошколь- ного воспитания. В такой форме это хоро- История с намёком ственные комбинаты на базе ведущих объ- ший рабочий образовательный и воспи- единений электронной промышленности. тательный инструмент, об этом надо Немало людей, принёсших значитель- вспомнить. ную пользу своими действиями попу- МУПК как действенный ляризации радиодела, знакомы нашим педагогический инструмент Ребята собирались отличные, увле- читателям. Как правило, приобщение к профориентации чённые, я не помню из нашего коллек- увлечению, хобби начинается в юном тива никого «случайного», а ведь нас возрасте и нередко перерастает в профес- Строго говоря, МУПК были профори- было больше 50... Причём увлечение сию. Если сегодня опросить отечествен- ентационной кузницей кадров для радио- это быстро распространялось по шко- ных разработчиков радиоэлектронной электронной промышленности. База по ле, вне школы: приглашались друзья, аппаратуры на предмет, когда они нача- радиоэлементам была современная, на и дело распространялось с «космической» ли интересоваться радиоэлектроникой и то время очень достойная: с производ- скоростью. Среди нас было 5-6 девчонок, почему, можно услышать и такие ответы: ства. Это всё лежало в ящиках и стел- а в среднем около 10% радиолюбителей «с детства», «в радиокружке», «в школе», лажах, к ним был открытый доступ, на в возрасте 12–17 лет были девушками. «в МУПК (межшкольный учебно-произ- доверии. Понятно, что особо ценные Занятия в МУПК проводились 3-4 раза в водственный комбинат)» и т.д. Исследуя микросхемы и микропроцессоры, вроде неделю по рабочим дням, а точнее, вече- этот вопрос, выявил три возраста, в кото- КР580ИК80, ППЗУ, портов параллельно- рам, и мы с нетерпением и удовольстви- рых интерес к радиосхемам и любитель- го ввода-вывода КР580ИК55, микросхем ем «неслись» туда после школы. Одно из ской радиосвязи в эфире чаще всего воз- оперативной памяти, применявшихся в счастливых впечатлений детства и отро- никал у детей и подростков. первом доступном отечественном ком- чества связано именно с этим явлением, пьютере РК-86 (каждый из нас собрал с таким времяпрепровождением. Да что Первый интерес возникал в дошколь- по несколько версий такого для себя), тут говорить, если я и женился в первый ные, «средние» и «старшие» школьные К565РУ3 и микросхем с драгметаллами раз на знакомой из МУПК. годы, причём по трём направлениям. хранились отдельно и вне доступа. Но В первом варианте от родителей, соседей – это не портило впечатлений. Благодаря Затем из МУПК после окончания в кругу общения и на взрослом приме- использованию этой возможности, а так- школы подростки уходили во взрослую ре дети приобщались к радиоделу. Ибо же содействию руководителей кружков жизнь, и если кого-то терзают сомнения, новизна впечатлений, пример и повто- и наставников, проводивших обучение, кто составлял основной костяк специ- рение (закрепление) – главные педаго- от завода (наш был от ЛОЭП «Светлана») алистов инженерного статуса на про- гические принципы для воспитания и мы самостоятельно собрали не по одно- изводстве, работал наладчиком в отде- развития личности. Во втором варианте му экземпляру персонального компью- лах АСУ – это были именно те ребята: развитию интереса способствовало пред- тера «Синклер» и других. Как правило, не потерявшие интереса радиолюбите- метное изучение законов физики и основ формат занятий в оборудованном рабочи- ли. Понятно, что в Москве и Петербур- электротехники в средней школе. И бли- ми местами с 36-вольтовыми паяльника- ге, в городах-мегаполисах таких возмож- же к выпускным классам, в шестых-вось- ми, столами-партами, вытяжкой, доской ностей было больше, ибо больше было мых (по структуре бывшего десятилетнего и кафедрой классе был таким: в 16 часов фабрик, заводов, производств, а также основного школьного образования), когда 45-минутное занятие по теории, затем профильных кружков детского твор- знания физики укреплялись, а вне школы 2 часа практики. За отдельными (у нас чества в формате Дворцов пионеров. действовали для соответствующего возрас- таких насчитывалось шесть) рабочими В глубинке дети не были осчастливле- та с целью повышения уровня образования местами наставников были генераторы ны такими широкими возможностя- (дополнительного образования) и профори- (в том числе цифровые), осциллографы, ми и элементной базой. Однако увле- ентации межшкольные учебно-производ- чённые радиолюбители появлялись во СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 7
СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ Рис. 1. Борноволоков Эдуард Павлович. глубинки даже в 2007–2010 годах, правда, в состав редакции журнала «Радио». Более Фото 1974 г. в меньшем объёме, чем до начала 90-х. десяти лет Эдуард Павлович был редак- тором радиотехнического отдела, а затем Рис. 2. Обложка сборника «Лучшие Итак, ведущие издательства и про- на протяжении 20 лет возглавлял отдел конструкции 26-й выставки фильные журналы десятилетиями науки и радиотехники, являлся членом творчества радиолюбителей». (а журнал «Современная электроника» с редколлегии вплоть до 1985 года, когда Составитель: Эдуард Павлович 2004 года) удовлетворяли запросы увле- по состоянию здоровья ушёл на пенсию. Борноволоков чённых читателей в радиосхемах и опи- 30 лет на ответственном посту, на острие всех уголках нашей страны, буквально саниях новых полезных конструкций. Но качественного отбора, перепроверки, кон- как грибы после дождя. Этому способ- это не происходило просто так: статьи и сультаций и редактирования материалов, ствовало не только развитие электрон- схемы не прилетали в редакцию с Луны. по которым затем учились два поколения ной промышленности (темпы и каче- За всем этим стояли не менее увлечён- радиолюбителей. Это дорогого стоит, и ство – в сравнении суть субъективные ные профессионалы своего дела в составе память об этом человеке священна. 25 лет оценки), но и широкая популяризация редакционных коллегий и авторы-радио- назад, 2 января 1998 года на 69-м году жиз- творческого процесса, новинок и разра- любители со всей страны, использующие ни Э.П. Борноволоков скончался и был боток в области электроники, осущест- возможность поделиться своими разра- похоронен в Москве. вляемая ведущими издательствами, ботками со всем миром с трибуны, в том такими как «Радио и связь», «Знание», числе и посредством журналов. Согласно найденным в открытом «Радио», «Техника», «Наука и техни- доступе источникам с 1952 по 1989 год ка» и многими другими. Тогда их было Эдуард Павлович состоялись 32 выставки творчества ради- достаточно много, и тиражи сборников Борноволоков олюбителей-конструкторов. Они частич- и книг покрывали интерес и запросы от но описывались в специальных выпу- читателей. Для этой цели «не покладая Одним из таких профессиональных сках издательства «Москва», ДОСААФ рук» трудились и в такой памятной кон- авторов публикаций, ставшим затем СССР в серии «Лучшие конструкции торе, как «Посылторг» с форматом «кни- редактором в журнале «Радио», был выставок творчества радиолюбителей». га почтой». Это всё было актуально для Э. Борноволоков. Имя Эдуарда Павловича – радиоинженера, популяризатора радио- И ведь это были действительно луч- технических знаний – хорошо известно шие, тщательно отобранные конструк- радиолюбителям старшего поколения, ции. В некоторых сборниках вы найдёте особенно радиолюбителям-конструкторам статьи-описания конструкций Борново- (рис. 1). Его журнальные статьи, посвящён- локова, а в некоторых специальных выпу- ные достижениям отечественной радио- сках, к примеру, «Лучшие конструкции техники и радиотехническому творчеству, 26-й выставки творчества радиолюбите- книги и брошюры, выходившие в ряде лей. Сборник», и не только в этом – он сам издательств в сериях «Массовая радио- был ответственным составителем (рис. 2). библиотека», «В помощь радиолюбителю» и других, пользовались огромной и заслу- Или приглядимся к популярнейшей женной популярностью у радиолюбите- в своё время книге: Борноволоков Э.П., лей и специалистов отрасли. Кривопалов В.А. «Знай и умей. Военные радиоигры» [6]. В ней содержатся подроб- У Эдуарда Павловича интересная ные описания, чертежи и схемы самодель- судьба. Можно у него поучиться. Из ных конструкций различного автоматиче- современных отзывов, которые собрал ского оружия и приборов на электронной при подготовке статьи: «Ещё в советские базе, необходимых школьникам, участву- времена перепробовал кучу его публика- ющим во всесоюзной военной игре «Зар- ций (в особенности схемы электропита- ница», военизированных походах и играх ния), на сегодняшний день многое неак- в пионерском лагере. Книга рассчитана туально, но несколько потрепанную его на учащихся среднего и старшего возрас- книгу до сих пор храню и перелисты- та, немного знакомых с основами радио- ваю». Вот как описывает своё увлечение любительства. И важно – из аннотации – радиоделом Валерий Викторович Ярос- «устройств, подобных описанным в книге, лавский: «Cвой первый детекторный промышленность не изготовляет, их обяза- приемник собрал в 13 лет (1962 год) – тельно нужно сделать самим». Рисунки Г. да ещё и с самодельным детектором из Акулова и И. Гусевой, схемы и чертежи по серы и медной спиральки. Такое запо- эскизам авторов, выполненные А. Давыдо- минается на всю жизнь! А потом меня вым, также свидетельствуют о вкладе этих было не остановить...» коллег в общее дело популяризации ради- оэлектроники. «Электроника для фотолю- Эдуард Павлович Борноволоков бителей» 1963 года выпуска в соавторстве родился в 1930 году, окончил в 1951 году со Светлаковым Леонтием Ивановичем Московский электротехнический инсти- [2], «Малогабаритные радиоприёмники» тут связи, по распределению уехал рабо- 1967 года выпуска [3], «Радиолюбительские тать в г. Дудинку, где четыре года тру- схемы» в соавторстве с В.В. Фроловым дился в качестве инженера радиобюро киевского издательства 1985 года [5], Таймырской окружной конторы связи. путеводители по журналу «Радио» [4], А в 1955 году, вернувшись в Москву, вошёл 8 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ сборники «Массовая радиобиблиотека» и старые книги по радиоделу и не собира- Рис. 3. Обложка выпуска «В помощь многие другие издания, вышедшие из-под ются отказываться от своих коллекций. радиолюбителю» № 86 (1986) пера Борноволокова, весьма познавательны Это интересное явление – сохранение как методические обучающие пособия, соз- публикаций о радиосвязи и радиолюби- Рис. 4. Обложка. Борноволоков Э.П., данные на проверенных – что очень важно – тельских схемах – и в чём-то даже пио- Кривопалов В.А. «Знай и умей. Военные примерах, то есть являющиеся для потен- нерское за полуторавековую историю. радиоигры» циального читательского адреса апробиро- ванным руководством к действию. Таково, Не могу сказать ответственно, насколь- lib.ru/ARCHIVES/B/BORNOVOLOKOV_ к примеру, «В помощь радиолюбителю» ко книги, журналы и сборники с радио- Eduard_Pavlovich/_Bornovolokov_E.P..html. 1986 года № 86, где Борноволоков – ответ- схемами 1950…1970-х годов пользуются 2. Борноволоков Э.П., Светлаков Л.И. Электро- ственный составитель (рис. 3). спросом – скорее всего, тут специфический ника для фотолюбителя. М.: Знание, 1963. 62 с. читатель и круг интересов, – однако по 3. Борноволоков Э.П. Малогабаритные ради- Общий массовый тираж этих книг, известному правилу бизнеса «спрос рож- оприемники. М.: Знание, 1967 // Новое в статей и пособий составил несколь- дает предложение» приведу пример. Кни- жизни, науке, технике. Серия XIV «Ради- ко миллионов экземпляров (в то вре- га Э.П. Борноволокова «О военных играх» оэлектроника и связь». мя тиражи печатных изданий были 1963 года выпуска в печатном виде прода- 4. Борноволоков Э.П. Путеводитель по журна- большими). Сейчас эти книги стоят по ётся в Интернете по цене 1300–1500 рублей. лу «Радио» 1963–1972. М.: Редакция жур- 1500 рублей как букинистические изда- Её обложка представлена на рис. 4. нала «Радио», 1974. ния. Мои книги по электронной темати- 5. Борноволоков Э.П., Фролов В.В. Радиолюби- ке, число которых около сотни, не поль- В сопоставимой цене вы встретите тельские схемы. Киев: Техника, 1985. 264 с. зуются такой же популярностью и не книги и сборники, считающиеся тех- 6. Борноволоков Э.П., Кривопалов В.А. Знай и имеют подобных тиражей, что не меша- нической букинистической литерату- умей. Военные радиоигры. М.: Детская лите- ет мне объективно и с радостью писать рой, в том числе книги Борноволокова ратура, 1971. 124 с. // Серия «Библиотека пио- о нашем коллеге, являвшемся учителем и других почётных авторов, сборники нера “Знай и умей”». в профессии и для меня. Потому что для радиолюбителей и др. понимаю, как и те, кто принадлежит к авторско-редакторскому цеху, какой Термин «радио» впервые ввёл в обра- это труд разработать радиоэлектронную щение английский физик-химик Уильям конструкцию, описать её в разных про- Крукс в 1873 году примерно за 20 лет до явлениях и вариантах, предварительно практических опытов по беспроводной перепроверив работоспособность, что- телеграфной связи посредством электро- бы рекомендовать к повторению. магнитных волн и за 30 лет до появле- ния международных рекомендаций по Конструкции Эдуарда Борноволоко- использованию этого термина в данной ва до сих пор повторяют радиолюби- области науки и техники. В любезном тели, а его самого помнят. У него не нашем Отечестве свою историю радио было педагогического образования, ведёт от достижений беспроводной ради- однако по результатам работы умест- освязи и изобретений А.С. Попова. Толь- но назвать его учителем, педагогом и ко среди лицензированных радиолюби- наставником, хотя бы по той причи- телей, работающих в эфире, сотни тысяч не, что деятельность Борноволокова имён в России и миллионы – в мире. способствовала фактическому приоб- А тех, кто в разное время и с разной щению к профессии многих и многих активностью посвящал свой досуг люби- состоявшихся впоследствии специа- мому занятию: паял и повторял, усо- листов – разработчиков электроники, вершенствовал и разрабатывал новые действующих сегодня творцов в совре- конструкции из радиоэлементов – менных нам передовых технологиях. миллионы были и есть. Имена авторов- конструкторов-радиолюбителей, авторов Тенденции описаний, составителей сборников ста- радиолюбительской тей со схемами – Борноволокова, Кубар- букинистической кина, Фролова, Криволапова, Светлакова, литературы Бирюкова и многих других – мы забы- ваем, но вот сейчас хороший повод их Сказав об Эдуарде Борноволокове и вспомнить. Всё это очень разные люди: его вкладе в популяризацию электрони- из разных регионов, с профильным ки посредством печатных публикаций в образованием и с приобретённым опы- «доинтернетную эпоху», надо заметить, том, но всех их без исключения объеди- что сегодня, в 23-м году ХХI века многие няла любовь к профессии. А скольких старые книги (по правилам – от полуве- талантливых людей они воспитали и ковой давности) считаются букинисти- дали путевку в жизнь? И не сосчитаешь… ческими, и есть отдельная социальная группа, занимающаяся их собиранием, Литература сохранением, перепродажей. Букинисты существовали всегда. Сегодня среди них 1. Источники, где в электронном виде есть отдельные группы, которые имеют можно найти некоторые публикации Э.П. Борноволокова // URL: http://publ. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 9
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Квантовая криптографическая катастрофа. Часть 1 Виктор Алексеев ([email protected]) го ключа, получившее название «RSA», используется в большинстве продуктов В конце 2001 года в журнале «Nature» была опубликована статья на рынке информационной безопас- с описанием эксперимента, подтверждающего реальную возможность ности [2]. Этот протокол шифрования проведения факторизации больших чисел с помощью квантового был разработан фирмой RSA, являю- компьютера. Эта новость, воспринятая как предупреждение о том, щейся одной из ведущих в мире орга- что любые криптографические шифры могут быть легко взломаны низаций, специализирующихся на с помощью квантового компьютера, мгновенно облетела все криптографических системах [3]. научные и популярные издания мира. Во всех странах началась паника. Однако за 21 год, прошедший со времени этой публикации, Простейшая формула ассиметрично- квантовый релевантный компьютер (CRQC), способный взламывать го кода с открытым ключом чрезвычай- криптографические шифры, не был создан. Никто точно не может но проста: передающая и принимаю- предсказать, когда это может произойти. Несмотря на огромные щая стороны знают два сомножителя технические проблемы, постоянно возникающие перед разработчиками, большого числа. направление квантовых компьютеров интенсивно развивается. В статье описаны основные этапы развития CRQC и показана эволюция В упрощённом виде для того, что- самой схемотехнической идеи квантового релевантного компьютера. бы взломать код, нужно всего лишь На заре своего появления первоначальная схема CRQC предполагала на вход компьютера подать составное использование универсального цифрового квантового компьютера число N в двоичной записи, а на выхо- с вентильной обработкой типа IBM-Q. Спустя двадцать лет были де получить два простых числа p и q, разработаны новые технологии, позволяющие реализовать процессы такие, что N = pq. Нужно перебрать факторизации с помощью других устройств, таких как вариационный весь мыслимый диапазон значений квантовый вычислитель собственных значений, вариационный числа N и получить ключи к шифру. решатель с квантовым отжигом и решатель на базе квантового отжига Всё просто для небольших значений N. со встроенным умножителем факторинга. Если в будущем появятся гибридные облачные платформы, объединяющие мощные стандартные Однако современные длинные пары компьютеры и специализированные квантовые вычислители разного ключей содержат так называемые типа, то возникновение CRQC может наступить раньше, чем его «большие числа». К числу «больших ожидают. В качестве средства борьбы с CRQC сегодня интенсивно чисел», в частности, относятся RSA- разрабатываются системы «постквантовой криптографии». числа [4]. В предыдущих статьях, опубликованных в журнале (№ 7, 8, 9 за 2022 год), были описаны типы современных квантовых компьютеров, принципы Например, 2048-битная реализация их работы, а также приведено объяснение используемых терминов и протокола RSA соответствует ключу аббревиатур. длиной 617 десятичных цифр. Если пытаться искать простые сомножи- Угроза квантового ра, мгновенно облетела все научные и тели этого числа методом перебора, апокалипсиса популярные издания мира, вышедшие то даже при использовании самых под заголовками, похожими на «кван- современных компьютеров с бинар- В прошлом году мир отметил двад- товый компьютер – это страшнее атом- ной логикой на это потребуются сот- цатилетнюю годовщину начала кван- ной бомбы». ни тысяч лет (рис. 1). Наилучшие из товой войны с криптографическими известных классических детерминиро- системами. В конце декабря 2001 года Асимметричное шифрование под- ванных алгоритмов факторизации для в журнале «Nature» появилась ста- разумевает тот факт, что посторонним стандартных компьютеров с бинарной тья «Experimental realization of Shor’s лицам может быть известен алгоритм логикой не позволяют решать подоб- quantum factoring algorithm using шифрования, а также открытый ключ, ные задачи. nuclear magnetic resonance», посвящён- но неизвестен закрытый ключ, кото- ная экспериментальному подтверж- рый знает только получатель. Крип- В современной математике есть дению работоспособности алгоритма тографические системы с открытым разделы, которые относятся к клас- Шора для проведения факторизации ключом в настоящее время широко су сложных задач. Они не могут быть больших чисел с помощью квантово- применяются в различных сетевых решены с помощью современных стан- го компьютера [1]. протоколах, в частности, в протоколах дартных цифровых компьютеров с дво- TLS и его предшественнике SSL (лежа- ичной логикой за «разумное поли- Эта новость, воспринятая как преду- щих в основе HTTPS), а также SSH, PGP, номиальное время». К классу таких преждение о том, что асимметричные S/MIME и других. задач относится так называемая фак- криптографические системы с откры- торизация «больших чисел», кото- тым ключом могут быть легко взлома- На данный момент асимметрич- рая неразрывно связана с проблема- ны с помощью квантового компьюте- ное шифрование на основе открыто- ми криптографической безопасности. Достаточно подробно и квалифици- рованно эти вопросы рассмотрены в публикации [6]. Не сосредотачиваясь на математических деталях пробле- 10 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ мы, отметим только основные момен- В предыдущих статьях, опублико- Рис. 1. Для разложения числа 2048-RSA ты алгоритма Шора и важность его ванных в журнале СоЭл [11, 12, 13], на простые множители с помощью практической реализации с помощью было отмечено, что в конце 1990-х стандартного компьютера с бинарной квантовых компьютеров с вентиль- годов в научном мире стало приходить логикой потребуются сотни тысяч ным управлением. Составные числа, понимание принципиальной невоз- лет непрерывной работы [5] в принципе, можно разложить на про- можности создания универсального стые множители с помощью алгорит- квантового цифрового компьютера, лионов кубитов. Для сравнения сто- ма Шора и квантового компьютера, но способного взламывать любые шиф- ит напомнить, что самый мощный из не абсолютно точно, а лишь с некото- ры на базе существующих технологий. существующих на сегодняшний день рой вероятностью. Для этого необходим был бы кванто- квантовых процессоров – IBM Osprey – вый компьютер, содержащий десятки имеет всего лишь 433 работоспособ- С разложением чисел на простые тысяч кубитов. Основным непреодо- ных кубита [18]. множители, которое в математике лимым препятствием появления тако- называется факторизацией, всё дей- го устройства стали шумы и проблемы Экспериментальное ствительно просто для относительно декогерентности квантовых компьюте- подтверждение небольших значений N. Однако для ров с вентильной обработкой. возможности больших значений N факторизация использования даже и в настоящее время представ- В дальнейшем направление кванто- квантового компьютера ляет заметную проблему современной вых компьютеров стало развиваться по для факторизации математики [6]. трём основным сегментам [14, 15]: больших чисел ● совершенствование технологий уни- Для того чтобы привлечь к решению В опубликованной в 2001 году в проблемы максимальное число мате- версальных квантовых цифровых журнале «Nature» статье были при- матиков со всего мира, в 1991 году компьютеров с вентильной обработ- ведены результаты первого экспери- был объявлен конкурс «RSA Factoring кой (Universal Digital Quantum Gate мента по разложению на множите- Challenge», который официально Computer UDQGC); ли больших чисел, проведённого с закончился в 2007 году. В рамках это- ● разработка и производство адиаба- помощью одной из ранних моделей го конкурса были разложены на про- тических вычислителей с кванто- цифрового квантового компьютера стые множители числа вплоть до RSA- вым отжигом (Quantum Annealing типа UDQGC с вентильным управ- 768, длиной 768 бит. На разложение Processing Unit – QAPU); лением [1]. этого числа потребовалось почти два ● разработка криптографически ре- года (2007–2009) непрерывной работы левантного квантового компьютера В этой работе объединённая группа сотен мощных стандартных компьюте- (Cryptographically Relevant Quantum учёных из исследовательского центра ров с бинарной логикой [7, 8]. Computer – CRQC). IBM Almaden Research Center и универ- В эти годы по всему миру стали появ- ситета Stanford University эксперимен- В феврале 2020 был завершён рекорд- ляться проекты создания так назы- тально доказала возможность реализа- ный процесс факторизации числа ваемого «криптографически реле- ции квантового алгоритма факторинга «829-bit RSA». Эти вычисления были вантного квантового компьютера» Шора на простейшем примере разло- выполнены с помощью объединения (Cryptographically Relevant Quantum жения числа 15 на простые множители. огромных вычислительных мощно- Computer – CRQC), способного взла- стей цифровых компьютеров с двоич- мывать существующие шифры [14]. Напомним, что этот алгоритм демон- ной логикой на базе Intel Xeon Gold На волне паники возникло огром- стрирует теоретическую возможность 6130 при использовании алгоритма ное количество «экспертов» по кван- целочисленной факторизации боль- Number Field Sieve и программного товой физике, которые сходились на ших чисел с помощью квантовых обеспечения CADO-NFS с открытым том, что с помощью алгоритма Шора вычислений. исходным кодом. теоретический идеальный универ- сальный квантовый компьютер с вен- Алгоритм Шора представляет собой Общее время вычислений состави- тильной обработкой UQGC способен квантовый алгоритм, позволяющий ло примерно 2700 PCY. Термин «PCY – достаточно быстро взламывать боль- находить за полиномиальное время physical core-years» означает экви- шинство используемых тогда асим- с высокой вероятностью множите- валент времени, при котором ЦПУ с метричных криптографических схем. ли нечётного составного целого чис- одним ядром использовалось непре- Ключевое слово здесь было «идеаль- ла N = pq. рывно в течение года [9]. ный». Но, как оказалось, для дости- жения этого свойства «идеальности» В общем случае алгоритм Шора вклю- Поскольку современные цифро- конструкторам квантового компьюте- чает в себя четыре основных этапа: вые компьютеры с двоичной логикой ра нужно было преодолеть огромные ● выбор случайного остатка числа «a» не могут решить задачу для больших научные и технологические проблемы, чисел за «разумное, полиномиальное с которыми учёные раньше не сталки- по модулю N; время», то факторизация в настоящее вались [15…17]. Например, для того время затормозилась в ожидании появ- чтобы взломать 256-битный шифр за ления новых вычислительных техноло- один день, потребуется универсаль- гий, среди которых наиболее реальной ный квантовый компьютер совре- является идея использования кванто- менного технологического и научного вого компьютера с вентильным управ- уровня, но содержащий около 13 мил- лением и алгоритма Шора для ускоре- ния процесса факторизации больших чисел [10]. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 11
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ а) На рис. 2 квадратиками обозначе- ны вентили определённых операто- Обратное ров. Например, «H» – оператор Ада- мара, а «45» и «90» – это унитарные б) гейты вращения кубитов. В у Операция QFT (Quantum Fourier ре рсе Transform) позволяет разложить задан- м д ную матрицу в произведение более не нне простых унитарных матриц. Опера- н ие тор Адамара используется в качестве ое разделителя кубита на его возможные состояния. Решение задачи ищется в Рис. 2. Схема оригинального эксперимента по факторизации числа «пятнадцать» форме дискретного логарифма. Функ- с помощью квантового компьютера и алгоритма Шора [1] цию HD выполняют соответствующие вентили (Hadamard quantum gate – H). ● проверка наибольшего общего делителя квантового компьютера с вентильной Фактически оператор H разделяет с помощью выражения НОД(a,N) = 1; обработкой (UDQGC) при использова- кубит на равновероятные состояния. нии квантового преобразования Фурье Например, если кубит соответствовал ● определение порядка r остатка a по (Quantum Fourier Transform – QFT), дис- состоянию ноль, то H переведёт его в модулю N; кретного логарифма (Discrete logarithm – суперпозицию между нулём и едини- DL) и оператора Адамара (Hadamard цей. После окончания процесса в тот ● вычисление НОД(ar/2−1,N) в случае, operator – H) последовательно переби- момент, когда будет производиться если порядок r является чётным чис- рать возможные варианты искомых измерение кубита, он случайным обра- лом. сомножителей, следуя перечисленным зом может оказаться как в нуле, так и Следует иметь в виду, что минималь- выше шагам алгоритма Шора. в единице. ное значение r, при котором a в степени В квантовом алгоритме Шора Функционально квантовый процесс r тождественно равно единице (mod N), используется известная процедура вычислений состоит из четырёх после- называется порядком a по модулю N. квантовой оценки фазы (Quantum довательных этапов, включающих Именно в этом смысле в дальнейшем Phase Estimation – QPE), а также после- задание начального состояния терми- будет употребляться термин «порядок» дующее определение собственного ческого равновесия для семи кубитов, (order). Порядок r является периодом значения для некоторой унитарной дискретное логарифмирование, кван- функции f(x) = axmod N. матрицы U, соответствующего соб- товое преобразование Фурье, измере- ственному вектору |u⟩. Задача факто- ние конечных состояний. Наиболее трудным этапом в реализа- ризации при этом сводится к нахож- ции квантового алгоритма Шора явля- дению за полиномиальное время В соответствии с алгоритмом Шора, ется как раз определение порядка a по количества битов, целевого числа, в котором рассматриваются только чёт- модулю N. порядок которого определяется лога- ные порядки, инициализация начина- рифмом log2N. Решив задачу поиска лась со значения первого регистра, рав- В этом эксперименте использова- порядка целевого числа с помощью ного n = 2[log2N] (где n – количество лись спиновые кубиты на базе моле- QPE и выполнив несколько допол- кубитов, N – целевое число процес- кул C4F5Fe (perfluorobutadienyl iron) нительных шагов, можно уже дальше са факторизации). Во второй регистр с изотопом углерода C13. Лаборатор- разложить на множители целое чис- записывалось значение m = 2[log2N] ный образец квантового компьюте- ло N. В настоящее время неизвестен и т.д. На следующем этапе оператор ра с ядерным магнитным резонансом алгоритм, способный решить эту зада- Адамара применялся к первым «n» позволил реализовать простейший чу для «больших чисел» за полиноми- кубитам. Далее второй регистр умно- пример факторизации числа «пятнад- альное время с помощью стандартно- жался на функцию [f(x) = ax mod N], цать» (15 = 3 × 5) с помощью алгоритма го цифрового компьютера с бинарной где a < N не имеет общих множите- Шора. Следует подчеркнуть, что семь логикой SBLC (Standard Binary Logic лей с N. Затем выполнялось обратное кубитов не позволяли реализовать фак- Computer) [19]. квантовое преобразование Фурье (QFT) торизацию следующего числа без уве- на первом регистре. На последнем чет- личения количества кубитов, что в те В верхней части на рис. 2 схематиче- вёртом этапе проводилось измерение времена и при данной конструкции ски показаны основные этапы экспе- состояний первого регистра. квантового компьютера не представ- римента в соответствии с алгоритмом лялось возможным. Шора. В нижней части на рис. 2 при- Необходимо особо подчеркнуть, что ведена детальная квантовая схема экс- в использованной схеме перебора зна- Схема оригинального эксперимента перимента для числа N = 15 и количе- чений для реализации операции QFT по факторизации числа «пятнадцать» ства кубитов a = 7. необходимо такое количество вентилей с помощью квантового компьютера и H, которое будет кратно квадрату коли- алгоритма Шора показана на рис. 2. чества вычислительных кубитов (n2). При использовании стандартного ком- Идея эксперимента заключалась в пьютера с двоичной логикой для разло- том, чтобы с помощью универсального жения числа в ряд с помощью преобра- зования Фурье потребуется количество управляемых ячеек памяти, кратное 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 2n, что экспоненциально больше, чем a количество квантовых вентилей Ада- Дальнейшие мара (H), необходимых для операции итерации для… квантового преобразования Фурье QFT с помощью квантового UDQGC. Благо- б Вероятность даря тому, что кубиты имеют три воз- можных состояния и обладают свой- Повышение точности ством квантовой запутанности, а кроме того, изменения их квантовых состо- Рис. 3. Схема квантового алгоритма итеративного поиска порядка факторизации яний происходят практически мгно- числа двадцать один [21] венно и параллельно, использование квантового UDQGC позволяет мно- ности любых шифров. Практически в тров. Такой метод обеспечивает допол- гократно увеличить скорости вычис- первые годы после этой публикации нительный бит точности. ления в задачах, решаемых методом во всех развитых странах мира нача- перебора, по сравнению со стандарт- лось невиданное финансирование В этой работе итерационная вер- ными компьютерами с двоичной логи- научных проектов, связанных с кван- сия алгоритма нахождения порядка кой SDCBL. товыми компьютерами. Первые успе- вместо одновременного выполнения хи использования квантового ком- преобразования Фурье для всех куби- В то же время следует отметить хоро- пьютера для разложения чисел на тов регистра управления использу- шее совпадение между измеренными и простые множители стали мощным ет измерение когерентности между смоделированными спектрами, кото- стимулом того, что в разных концах вычислительными базисными состо- рое продемонстрировало надёжность света как грибы после дождя начали яниями отдельных кубитов в регистре полученных результатов и перспек- появляться сотни новых лабораторий, управления. Измерение управляющего тивность работ в данной области. Под- которые с огромным энтузиазмом взя- кубита после каждого контролируемо- робно пример разложения числа 15 на лись за развитие квантовых вычисле- го унитарного числа даёт следующий простые множители с помощью совре- ний. Начался поиск путей создания старший бит на выходе, и результат менного компьютера IBM рассмотрен так называемого «криптографически передаётся на итерированное (квази- на сайте [20]. релевантного квантового компьютера» классическое) преобразование Фурье, (Cryptographically Relevant Quantum которое применяет либо тождествен- Сегодня пример разложения числа Computer – CRQC), способного взла- ную операцию I, либо соответствую- «15» на простые множители может мывать шифры с открытым кодом. щий фазовый вентиль R, предшеству- повторить любой желающий само- ющий Адамару H. В зависимости от стоятельно в онлайн-режиме с исполь- В дальнейшем концепция CRQC предыдущего результата вычислений, зованием симулятора современного развивалась по двум направлениям. переход к следующему этапу опреде- квантового компьютера IBM и усо- С одной стороны, разрабатывались лялся с учётом фазовой когерентно- вершенствованных алгоритмов обра- чисто технические вопросы кубитов сти следующего измерения. ботки [21]. Однако двадцать лет назад и квантовых компьютеров. С другой, результаты работы авторского кол- продолжались поиски новых кванто- При таком подходе управляющий лектива учёных и инженеров в соста- вых алгоритмов, необходимых для фак- регистр не может обслуживать более ве Ливена Вандерсипена (Lieven M.K. торизации больших чисел. одного кубита одновременно. Все уни- Vandersypen), Матиаса Штеффе- тарные операции, контролируемые на (Matthias Steffen), Грегори Брейта В 2012 году была предложена кон- i-м управляющим кубитом, выполня- (Gregory Breyta), Костантино С. Яннони цепция алгоритма факторизации цело- ются раньше, чем операции, которые (Costantino S. Yannoni), Марка Х. Шер- го числа 21, в которой вместо схемы обусловлены (i+1)-м управляющим вуда (Mark H. Sherwood) и Исаака Л. последовательного перебора исполь- кубитом. Таким образом, операции с Чуанга (Isaac L. Chuang) вызвали оше- зовалась итеративная схема [22]. i-м кубитом могут быть выполнены ломляющий эффект во всём мире. Этот до того, как будет инициализирован эксперимент, доказавший возмож- На рис. 3 приведена схема алгоритма (i+1)-й кубит. Поэтому один управля- ность практического использования итеративного поиска порядка фактори- ющий кубит может быть использован квантового компьютера для фактори- зации числа двадцать один. Квадрати- повторно. При этом состояние рабо- зации больших чисел с помощью ранее ками на рис. 3 обозначены соответству- чего регистра обновляется на каждом опубликованного теоретического про- ющие квантовые логические вентили новом этапе итераций. токола Шора, стал краеугольным кам- (H, R, U, I). нем данного направления. Кроме того, Как видно из рис. 3 (б), чем боль- в этой работе были сделаны выводы о В использованной итеративной вер- ше число итераций, тем выше точ- значении декогеренции кубитов как сии алгоритма поиска порядка чис- ность. Итерационный метод позволя- основного источника ошибок, ограни- ла (iterative version of the order finding ет в принципе значительно сократить чивающих вычислительные возмож- algorithm) регистр управления содер- количество рабочих кубитов за счёт ности квантового компьютера с вен- жит только один кубит. В процессе уменьшения количества управляю- тильным управлением. вычислений этот кубит повторно и щих кубитов. Однако по мере уменьше- многократно используется n раз. При ния количества управляющих кубитов Во многом шокирующий эффект ста- этом на каждой итерации реализуются или итераций n точность вычислений тьи был спровоцирован первыми ком- измерения и новые настройки параме- ментариями околонаучных таблоидов и слухами о грозящем крахе секрет- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 13
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ |0⟩p H H b0 стандартных цифровых компьютеров с двоичной логикой (SBLC) [25]. |0...0,1⟩q Ua4 |ψb₀⟩q Основным назначением VQE было |0⟩p H R(bo ) H b1 решение оптимизационных задач π методом вариационного поиска 2 основных состояний квантовой систе- мы. Особо следует подчеркнуть, что |ψb₀⟩q Ua2 |ψb₀b₁⟩q метод VQE был разработан для кван- товых логарифмов, предназначенных |ψb₀b₁⟩q H R (b1) R(b0 ) H для решения трудных задач типа NP, π π таких, например, как модель Изинга. 2 4 Наиболее подробно VQE-метод опи- сан в одной из последних публика- |ψb₀b₁⟩q Ua1 |ψb₀b₁b2⟩q ций 2022 года [26]. Рис. 4. Схема факторизации чисел 15, 17, 35 на квантовом процессоре ibmqx5 с Вариационные квантовые решатели использованием модифицированного алгоритма Шора [23] основных состояний (VQE) фактически представляют собой симбиоз классиче- снижается, и пики k в распределении Практически в этом эксперименте ского и квантового компьютеров. При вероятностей становятся размытыми, использовался гибридный алгоритм, этом роли между ними распределяют- как это показано на рис. 2 (б). Однако согласно которому вся схема разделе- ся следующим образом. Стандартный в случае, когда порядок равен степе- на на три составные части. Каждая схе- компьютер с бинарной логикой (SBLC) ни числа два и r = 2p, пики вероятно- ма содержит отдельный этап модуль- производит градиентный поиск в про- стей точно соответствуют логическим ной обработки и измерения состояния странстве всех возможных аргументов состояниям кубитов. регистров каждого периода. Объеди- функций, для которых нужно найти нение этих отдельных этапов реали- основные состояния или, говоря дру- Необходимо подчеркнуть, что в зовано с помощью классического алго- гими словами, минимальные значения этой работе была продемонстрирова- ритма. При этом сначала определяется гамильтониана. В свою очередь, кван- на только принципиальная возмож- квантовое состояние вычислительно- товый компьютер (UDGQC) определяет ность самого метода с использованием го регистра в конце предыдущей схе- мгновенные значения гамильтониана лабораторного макета кубитов. Факти- мы, которое затем передаётся в каче- системы и находит с некоторой веро- чески процесса факторинга как таково- стве входных данных на следующий ятностью его основное (наименьшее) го здесь не наблюдалось из-за неболь- контур. Такая гибридная схема снижа- значение. шого количества итераций. ет ресурсоёмкость алгоритма за счёт выполнения частей задачи оптими- Одним из основных моментов в Первоначальная идея CRQC заклю- зированными способами и фактори- теории VQE является хорошо извест- чалась в использовании алгоритма зации задачи в целом на основе алго- ный «вариационный метод», который факторизации именно на универ- ритма Шора. позволяет упростить сложную зада- сальном квантовом компьютере с вен- чу на начальном этапе её решения с тильной обработкой. В этом смысле Идея разбиения общей задачи факто- целью получения некоего начально- подобный эксперимент был проведён ризации на мелкие фрагменты с после- го оценочного результата. Вместо зада- только в 2019 году, когда стал досту- дующей обработкой каждого из них по чи с многочисленными неизвестными пен компилятор IBM лидера группы отдельности наиболее эффективным варьируемыми параметрами в качестве квантовых вентильных компьютеров способом была реализована с исполь- первого пробного варианта использу- типа UDQG. зованием метода «вариационного ют какую-нибудь упрощённую функ- квантового вычислителя собствен- цию с небольшим количеством пара- Для факторизации чисел 15, 21 и 35 ных значений» (Variational Quantum метров. При этом ожидаемое значение на квантовом процессоре IBM в этой Eigensolver – VQE). Этот квантовый гамильтониана, вычисленного в проб- работе были применены итеративная вычислитель мы рассмотрели в пре- ном состоянии, оценивается в рамках схема и метод объединения результа- дыдущем номере журнала [24]. VQE как целевая функция. Шаг за тов [23]. шагом, варьируя параметры, на каж- Вариационный квантовый вычис- дом из следующих этапов вычисле- В качестве аппаратной части был литель собственных значений (VQE) ний получают результат, максимально задействован квантовый процессор был разработан специально для полу- соответствующий искомой функции. «IBM ibmqx5» с шестнадцатью сверх- чения вероятностных оценок основных проводящими кубитами, распределён- состояний (eigensolvers) сложных кван- Как правило, опытному специали- ными на плоскости в виде двух сосед- товых систем с использованием вари- сту, знакомому с предметом, удаётся них массивов по восемь штук в каждом. ационного метода (variational) на базе найти такие простые подстановочные Схема факторизации чисел 15, 21, 35 на универсальных цифровых вентильных функции (ansatz), которые позволяют квантовом процессоре ibmqx5 с исполь- квантовых компьютеров (UDGQC) и успешно аппроксимировать мини- зованием модифицированного алго- мальное значение гамильтониана. ритма Шора показана на рис. 4. Таким образом, упрощённый про- цесс вычислений с помощью VQE мож- но представить как разделение ролей между стандартным и квантовым ком- 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ пьютерами. Стандартный классический 8. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/RSA- 33. URL: https://journals.jps.jp/doi/abs/10.7566/ компьютер с двоичной логикой (SCBL) определяет пробную функцию (ansatz) %D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B0 JPSJ.88.061012 и характеризующие её параметры. 9. 9URL: https://ec.europa.eu/eurostat/ramon/ 34. URL: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/ Затем этот классический компьютер связывается через соответствующий cybernews/abbreviations.htm 2106/2106.08681.pdf интерфейс с одним из универсальных цифровых квантовых компьютеров с 10. URL: http://mmrc.amss.cas.cn/tlb/201702/ 35. URL: https://www.nature.com/articles/ вентильным управлением (UDGQC), который вычисляет с определённой W020170224608150589788.pdf s41598-022-17867-9 долей вероятности мгновенные значе- ния гамильтониана в заданных про- 11. URL: https://catalog-n.com/sovremennaya- 36. URL: https://journals.aps.org/prb/abstract/ межуточных точках. Вычисленные значения возвращаются обратно на стан- ehlektronika-7-2022#sovremennaya- 10.1103/PhysRevB.80.052506 дартный компьютер SCBL в виде клас- сических битовых строк. Это взаимодей- ehlektronika-7-2022-26 37. URL: https://link.springer.com/chapter/ ствие может быть итеративным. В таком варианте стандартный компьютер SCBL 12. URL: https://catalog-n.com/sovremennaya- 10.1007/978-4-431-66879-4_283 периодически посылает сигналы связи и управления квантовому компьютеру, ehlektronika-8-2022#sovremennaya- 38. URL: https://www.nature.com/articles/ например, предлагая новые значения параметров для использования в пара- ehlektronika-8-2022-26 s41598-022-17867-9#Sec12 метризованной квантовой схеме. 13. URL: https://catalog-n.com/sovremennaya- 39. URL: https://www.technologyreview.com/ Пробная эвристическая функция «ansatz» (анзац), имеющая несколько ehlektronika-9-2022#sovremennaya- 2019/07/12/134211/explainer-what-is-post- параметров, позволяет варьировать её поведение в широком диапазоне. Зная, ehlektronika-9-2022-09 quantum-cryptography/ что, хотя бы примерно, хотелось бы получить на выходе, можно на осно- 14. URL: https://www.xsoccorp.com/post/ 40. URL: https://www.forbes.com/sites/ ве имеющегося опыта предположить, какого именно типа целевую функ- are-cryptographically-relevant-quantum- arthurherman/2021/12/09/booz-allen- цию следует искать. Чем точнее пер- вое предположение (ansatz), тем удач- computers-prepared-to-disrupt-classical- sounds-the-alarm-on-chinas-coming- нее будет окончательное решение. encryption quantum-harvest/?sh=25c373e653e5 Нужно напомнить, что современ- ные универсальные цифровые ком- 15. URL: https://www.washingtonpost.com/ 41. URL: https://www.xsoccorp.com/company пьютеры с вентильным управлени- ем представляют собой грандиозные world/national-security/nsa-seeks- 42. URL: https://techmonitor.ai/technology/ технические сооружения, оснащённые мощными криогенными установками to-build-quantum-computer- emerging-technology/post-quantum- и сложнейшей электроникой. Эти уни- кальные устройства стоимостью сотни that-could-crack-most-types-of- encryption-threat-already-here миллионов долларов могут позволить себе поддерживать и развивать лишь encryption/2014/01/02/8fff297e-7195-11e3- 43. URL: https://www.etsi.org/events/2117-2023- несколько индустриальных гигантов в мире, таких как IBM, Google, Microsoft’s 8def-a33011492df2_story.html 02-9th-etsi-iqc-quantum-safe-cryptography- Azure Quantum. 16. URL: https://www.express.co.uk/news/ workshop Продолжение статьи читайте в следующем номере журнала. science/841491/hacking-encryption- 44. URL: https://www.controlgap.com/blog/ Литература quantum-computer-physics quantum-cryptography-for-risk-managers 1. URL: https://www.nature.com/articles/ 17. URL: https://www.cyber.gov.au/acsc/view- 45. URL: https://csrc.nist.gov/CSRC/media/ 414883a all-content/publications/post-quantum- Projects/stateful-hash-based-signatures/ 2. URL: https://e-nigma.ru/stat/rsa/ cryptography documents/stateful-HBS-misuse-resistance- 3. URL: https://www.rsa.com/company/ 18. URL: https://newsroom.ibm.com/2022-11- public-comments-April2019.pdf 4. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/RSA- 09-IBM-Unveils-400-Qubit-Plus-Quantum- 46. URL: https://link.springer.com/chapt %D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B0 Processor-and-Next-Generation-IBM- er/10.1007/978-3-030-25510-7_12 5. 5URL: https://www.istockphoto.com/photos/ Quantum-System-Two 47. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/ dance-floor-texture 19. URL: https://homepages.cwi.nl/~rdewolf/ articles/PMC6281621/ 6. URL: https://www.researchgate.net/publication/ qcnotes.pdf 48. URL: https://dl.acm.org/doi/abs/10.1145/3402192 330369215_Factorising_large_numbers 20. URL: https://users.math-cs.spbu.ru/~okhotin/ 49. URL: https://openquantumsafe.org/about/ 7. URL: https://eprint.iacr.org/2010/006.pdf teaching/quantum_2020/migrin_ivanov_ 50. URL: https://arxiv.org/pdf/1903.02176.pdf quantum_2020_shor.pdf 51. URL: https://www.ibm.com/cloud/blog/ 21. URL: https://quantum-computing.ibm.com introducing-quantum-safe-crypto-tls-for-ibm- 22. URL: https://arxiv.org/pdf/1111.4147.pdf key-protect?mhsrc=ibmsearch_a&mhq=Qua 23. URL: https://arxiv.org/pdf/1903.00768.pdf ntum-Safe 24. URL: https://iopscience.iop.org/article/ 52. URL: https://www.ibm.com/products/z16 10.1088/1367-2630/18/2/023023 53. URL: https://cloud.google.com/blog/ 25. URL: https://www.nature.com/articles/ products/identity-security/how-google-is- ncomms5213 preparing-for-a-post-quantum-world 26. URL: https://www.sciencedirect.com/ 54. URL: https://www.nist.gov/news-events/ science/article/pii/S0370157322003118 news/2022/07/nist-announces-first-four- 27. URL: https://www.techspot.com/news/ quantum-resistant-cryptographic-algorithms 96603-ibm-announces-osprey-quantum- 55. URL: https://pq-crystals.org/kyber/ processor-433-qubits.html 56. URL: https://pq-crystals.org/dilithium/ 28. URL: https://www.nature.com/articles/ 57. URL: https://falcon-sign.info/ s41534-021-00478-z 58. URL: https://sphincs.org/ 29. URL: https://arxiv.org/abs/1411.4028v1 59. URL: https://cloud.google.com/blog/ 30. URL: https://static-content.springer.com/ products/identity-security/how-google-is- esm/art%3A10.1038%2Fs41534-021-00478-z/ preparing-for-a-post-quantum-world MediaObjects/41534_2021_478_MOESM1_ 60. URL: https://openquantumsafe.org/about/ ESM.pdf 61. URL: https://openquantumsafe.org/ 31. URL: https://arxiv.org/abs/1812.01041 applications/ 32. URL: https://www.dwavesys.com/solutions- 62. URL:https://hub.docker.com/r/openquantumsafe/ and-products/systems/ curl-dev СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 15
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Датчики-сканеры отпечатков пальцев в устройствах биоидентификации. Обзор и перспективы Андрей Ласорла Сканирование отпечатков – отдель- ный тип биометрии, характеризую- В современном «турбулентно меняющемся» мире системы щийся тем, что данные конкретного аутентификации и безопасности сталкиваются с новыми вызовами. пользователя считываются сканером, Повсеместно растут требования по совершенствованию устройств папиллярный индивидуальный рису- идентификации личности. В связи с этим биометрические технологии нок с помощью электронного обору- стремительно развиваются. Среди них особое место занимают дования преобразуется в электри- устройства сканирования и преобразования в цифровой вид отпечатков ческий ток, с помощью встроенного пальцев (далее – сканеры). АЦП «картинка» уже в цифровом виде поступает на сервер (совмещённый За 20 лет от оптической FTIR и информации, через персонализацию или удалённый), где анализируется – ёмкостной, и позже технологии пользователя, контроля перемещения сопоставляется с цифровым видом FingerChip (тепловые датчики), эво- лиц, к примеру, пограничный и тамо- «картинки»-эталона (сравниваются люция сканеров достигла апогея в женный контроль, и во многих других два отпечатка пальца), имеющейся наши дни, когда сканеры вмонтиро- случаях. Комплексная аутентификация в базе данных. При совпадении дан- ваны в СКУД и электронные замки с помощью биометрического сканиро- ных ординара и считанного отпечатка разного назначения, а сканирование вания и «ручного» введения PIN много вырабатывается команда на разреше- может осуществляться бесконтакт- лет применяется в банковской сфере, ние доступа конкретной персоналии. ным, в том числе ультразвуковым на удалённых терминалах-банкома- И (или) в зависимости от задач – дан- методом. На бытовом уровне с помо- тах, везде, где ошибки аутентификации ные о персоналии с добавлением в щью программно-реализованных ска- слишком дорого обходятся, а потому реальном времени момента и места неров идентифицируют доступ к функ- должны быть минимизированы. сканирования фиксируются и далее ционалу компьютеров и смартфонов, хранятся в памяти удалённого сервера. КПК (функционал – контроль доступа, Ошибки идентификации условно По определению дактилоскопическо- защита персональных данных и моде- можно разделить на две категории. го принципа идентификации ошибки ли электронного бизнеса), к электрон- Первая из них – FAR (False Access Rate) – сравнения двух последовательностей ному оборудованию бытового назна- когда человека нет в базе, но элек- цифровых кодов минимальны. Так чения с программируемым доступом тронная система-анализатор опреде- работает система электронного скани- и индивидуальными настройками – ляет и относит отсканированный код рования и сравнения отпечатков, важ- телевизоры, банкоматы и POS (в том к человеку, присутствующему в базе. ным элементом которой является тер- числе для замены PIN), доступ в дома, И вторая – FRR (False Reject Rate) – минал-считыватель непосредственно с помещения, автомобили и др. ошибки другого рода, когда в электрон- датчиком. Для стабильности и надёж- ном виде данные человека имеются в ности всей системы к датчику предъ- Биометрия отпечатков пальцев базе, но он не определён по техниче- являются определённые требования. эффективна ввиду её уникальности и ским причинам, в частности, из-за неу- Для контактных датчиков устойчи- постоянства образцов. Есть небольшой довлетворительного качества (загряз- вость к «истиранию» определяет дол- (до 3%) процент пользователей, кото- нения) оборудования. Отказы системы говременность эксплуатации: совре- рые не могут воспользоваться биоме- доступа и идентификации зависят от менные датчики имеют ресурс более трической аутентификацией и быть некачественной работы сканера. При 1 000 000 сканирований. Это обеспе- идентифицированы по дактилоскопи- этом задачи идентификации и задачи чивается нанесением специального ческому принципу оттого, что у них не верификации, стоящие перед систе- защитного слоя на рабочую поверх- читается отпечаток пальца. Для этих мой, – разные. По-разному устанав- ность датчика. Принцип работы ска- случаев, а также в сочетании со ска- ливаются пороги чувствительности нера отпечатков представлен на рис. 1. нированием отпечатков, предусмо- оборудования, по-разному организо- трена комплексная аутентификация вана оптимизация и поиск ключевых Для иллюстрации к популярным с помощью видеоконтроля, распоз- точек при биометрическом сканирова- портативным считывателям на рис. 2 навания лица, сетчатки глаз, рисунка нии. Отсюда очевидно, что комплекс- представлен внешний вид сканера вен ладони, голосовых и других спек- ная аутентификация решает эти зада- отпечатков пальцев по технологии тро-анализаторов. Аутентификация чи лучше, поэтому она и используется FingerChip Digital Persona. Датчик активно используется не только в быту в ответственных случаях, а не только выглядит как чип-на-плате (COB) с (частных), коммерческих (СКУД и элек- биометрическая. И, в частности, не 20-pin разъёмом. тронные замки), но и государственных только сканирование по дактилоско- структурах – для контроля доступа к пическому принципу. Технические характеристики рассма- триваемого датчика AT77C101B Atmel 16 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 1. Общий принцип работы сканера отпечатков Рис. 2. Сканер отпечатков по технологии FingerChip Таблица 1. Технические характеристики датчиков отпечатков пальцев ATMEL и FUJITSU Тип Разрешение Кол-во Размер области Рабочая Напряжение Потребляемая Размер корпуса, пикселей считывания, мм Т, °С питания, В мощность/ток мм AT77C101B 500 dpi 280×8 14×0,4 0…+70 20 мВт при U = 3,3 В, COB6, COB с 3–5,5 раб. частоте 1 МГц и разъёмом, CDIP-20 15×15 0…+60 Т = 25°С 26,6×9 (COB) 12,8×15 –20…+85 3,3–5 MBF110 500 dpi 300×300 12,8×0,2 0…+60 3,3–5 170 мВт LQFP-80, MBF200 500 dpi 256×300 12,8×0,2 –20…+85 2,8–5 при 40 МГц VSPA-80 MBF300 500 dpi 256×32 2,7–3,6 24×24 MBF310 500 dpi 218×8 20 мА LQFP-80 20 мА 24×24×1,4 12 мА FBGA-54, FLGA-54 14×4,3×1,2 FBGA-42 16,1×6,5×1,2 представлены на сайте производите- Рис. 3. Внешний вид датчика Рис. 4. Распиновка разъёма для ля, а также в табл. 1. Дополнительные AT77C101B-CB02V (Atmel) датчика AT77C101B-CB02V (Atmel) особенности датчика: чувствительный слой поверх КМОП-матрицы 0,8 мкм, Считыватели по технологии массив изображений 8×280 = 2240 пик- FingerChip надёжно защищены от селей, защита от электростатического электростатических разрядов с напря- разряда > 15 кВ. жением до 16 кВ. На плате датчика AT77C101B-CB02V реализован встро- Среди подключаемых с помощью енный тактовый генератор с функци- кабеля компактных и портативных ей сброса, предусмотрен экономичный считывателей (они похожи по форм- «спящий» режим, когда температур- фактору и функционалу, отлича- ная стабилизация отключается, а выхо- ясь только моделями и качеством ды управляющих сигналов (выход- датчика, следовательно, и разреше- ные линии) переведены в состояние нием сканируемого изображения), высокого импеданса. В спящем режи- модель, приведённая на рис. 1, явля- ме ток потребления ограничивается ется востребованной для разработчи- лишь током утечки. При сканирова- ков РЭА и часто применяется в совре- менных системах контроля. На рис. 3 представлен внешний вид датчика AT77C101B. В табл. 1 представлены некоторые технические характеристики датчиков отпечатков пальцев ATMEL и FUJITSU. На рис. 4 представлена распиновка разъёма для датчика AT77C101B-CB02V (Atmel). СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 17
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 5. Внешний вид биометрического модуля AT77SM0101BCB02VKE Atmel нии, когда разница температур меж- регистрацию формирования в цифро- вой вид и регистрацию отпечатка со ду пальцем и датчиком становится следующими характеристиками. ● Подключение: через USB-порт 2.0, незначительной (менее одного граду- 3.0 (Full Speed) са), включается температурная стаби- ● Разрешение: 700 dpi (average x,y over Рис. 6. Внешний вид водонепроницаемого дверного лизация. Интеграция температурно- the field) замка LPSECURITY с сенсор- ● Условия сканирования: 8-bit grayscale сканером AT77SM0101BCB02VKE го метода получения изображения, ● Размер окна сканирования: 14,6 мм Микроэлектромеханический покадрового восстановления изобра- (nom. width at center), 18,1 мм (nom. и трёхмерный метод length) жения, интеграция схем считыва- ● Уверенная работа в диапазоне тем- Микроэлектромеханический метод ператур: 0…+40°C (MEMS) по состоянию в промежуточ- ния и преобразования изображения На основе сенсор-сканера ной стадии между научно-исследова- AT77SM0101BCB02VKE реализован тельскими разработками и внедре- на одной КМОП-подложке снижает водонепроницаемый дверной замок, нием. Для определения выступов и в 23-м году ХХI века устройство рас- впадин отпечатка пальца разработа- стоимость устройства, энергопотре- пространено в быту и на производ- на матрица микромеханических дат- стве. Иллюстрация замка LPSECURITY чиков, идёт работа над повышением бление и увеличивает скорость фор- представлена на рис. 6. стабильности считывания. Сканиро- Устройство управляет ЭМ-замком вать подушечки пальцев в трёх изме- мирования данных и их передачи на с помощью одного слаботочного рениях можно с помощью ультразвука. ЭМ-реле (NO, NC, Common) и обеспе- На рис. 7 представлена схема, иллю- сервер. Ещё лучшие характеристики чивает контроль доступа по отпечаткам стрирующая такое сканирование. пальцев со следующими особенностя- имеет биометрический сенсор-сканер ми. Металлический водонепрони- Принцип работы датчика срод- цаемый корпус соответствует клас- ни функционалу медицинских УЗИ- AT77SM0101BCB02VKE (рис. 5), постро- су защиты IP66 и поддерживает до систем. Трёхмерный отпечаток пальца 100 отпечатков и 3000 карт (125 кГц содержит информацию о микровпа- енный на базе 32-разрядного микро- EM-card) на расстоянии считывания динах и выступах, а также о неглубо- 2 см. Имеет режим защёлки, чтобы ком подкожном слое. Сия технология контроллера Atmel AT91RM9200. держать дверь или ворота открытыми, признана более надёжной в сравне- трёхцветный светодиодный индикатор нии с другими сканерами отпечатков – Биометрический модуль состояния и следующие технические с двухмерным сканированием. Прак- характеристики. тический пример: после купания в бас- AT77SM0101BCB02VKE также осно- ● Рабочее напряжение DC: 9…18 В сейне, а иногда при длительном нахож- ● Ток ожидания/действия: ≤ 25 / ≤ 100 мА дении руки в любой водной среде ван на датчике отпечатков пальцев ● Регулируемое время выхода реле: встроенный двухмерный сканер iPhone 0…99 с (по умолчанию 5 с) 5s не распознаёт отпечатки — кожа на FingerChip от Atmel, который подклю- ● Блокировка выходной нагрузки: пальцах сморщивается. Трёхмерному макс. ток 2 А датчику такое изменение папиллярно- чается к плате на основе микропроцес- ● Рабочая температура: –25…60°С го рисунка не помеха. ● Рабочая влажность: 20…98% RH сора AT91RM9200 на базе ARM9. ● Размеры: 115×40×30 мм Датчик c рабочим напряжением все- го 1,8 В (что позволяет использовать С модулем биометрии в качестве источника питания даже ионистор) основан на технологии мас- AT77SM0101BCB02VKE сочетает- ся базовая плата с блоком питания и разъёмами (Ethernet, USB, RS-232, внешней Flash-памяти CompactFlash, SmartMedia, NAND Flash, смарт-карты ISO7816), коммутационный кабель, ПО для Windows и SDK для Linux. Под- ключение к материнской плате осу- ществляется через два стандартных разъёма, расположенных по бокам платы модуля. Модуль загружен опе- рационной системой Linux, драйве- ром Atmel для датчика FingerChip и, по умолчанию, ПО аутентификации (биометрической библиотекой) для извлечения характеристик отпечат- ков пальцев и сравнения с зарегистри- рованными шаблонами (bio-engine). AT77SM0101BCB02VKE обеспечивает 18 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Воздушная прослойка Мокрый палец Односпектральная технология Рис. 7. Схема сканирования Многоспектральная ультразвуковым методом технология Рис. 8. Отличие одно- и многоспектральной технологии сканирования Рис. 10. Внешний вид сканера R502 Рис. 9. Иллюстрация ёмкостного Сканеры фирм Lumidigm (США) шая площадь сканирования, эконо- принципа считывания отпечатков модельного ряда М301 (М30х) и NEC мичный биометрический датчик, пальцев (Япония) доказали устойчивость к двухцветный кольцевой индикатор со муляжам. Такие устройства имеют светодиодным управлением. Типовой сивов пьезоэлектрических микро-уль- два сканера. Первый работает с мно- ряд модулей-считывателей R502 состо- тразвуковых преобразователей PMUT госпектральным излучением, прони- ит из моделей R502A, R502F, R502AB, (piezoelectric-micromachined ultrasonic кающим под кожу. Второй встроенный R502S, R503. Модель с индексом «F» transducers). По сути, это интеграци- сканер использует не только изобра- создана для коммутации с интер- онная микро-электромеханическая жение отпечатка, но и рисунок вен. фейсом RS-232, остальные – URAT система (МЭМС) с микроэлектрон- Если даже моделировать муляж на (USB). Вес модулей от 5 до 30 г, рабо- ными и микромеханическими эле- узор отпечатка, к примеру, на поли- чая поверхность сканирования 15 мм, ментами. Датчик-сканер состоит из мерных плёнках и материалах, из у всех «выходная» картинка имеет раз- двух полупроводниковых пластин – которых изготавливают «бюджетные» решение 508 DPI. Ёмкостный принцип МЭМС, обеспечивающий функционал оттиски – дубликаты печатей, то узор считывания отпечатков представлен излучения/отражения ультразвуковых вен не заменить. на рис. 9, на рис. 10 представлен внеш- волн и контура обработки сигнала. Так, ний вид сканера R502. передатчик отправляет ультразвуко- Оптический многоспектральный вые импульсы, приёмник улавливает сенсор отпечатков пальца значитель- На рис. 11 представлен вид готово- отражённый от рельефа отпечатка уль- но эффективнее одно- и двухспектраль- го устройства датчика R502 с исполни- тразвук (рис. 7). Трёхмерное изображе- ного. Это наглядно проиллюстрирова- тельным узлом, управляющим элек- ние – более надёжный метод аутенти- но на рис. 8. тромагнитным замком в триггерном фикации, чем обработка двухмерных режиме. изображений. Перспектива примене- Современное оборудование. ния сканера огромна и почти универ- Отличительные признаки Основные функции ёмкостного сальна. модуля отпечатков модели R311 отли- Как компактное устройство, заслу- чаются высокоскоростным алгоритмом живает внимания круглый ёмкост- идентификации отпечатков и функци- ный модуль отпечатков пальцев R502. ей самостоятельного обучения. Внеш- Сканер отличает относительно боль- ний вид модуля представлен на рис. 12. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 19
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 11. Вид готового устройства датчика Рис. 12. Внешний вид считывателя R311 R502 с исполнительным узлом, управляющим электромагнитным замком в триггерном режиме выход, подключение кнопки выхода и датчика положения двери. Питание 12 В, 0,4 А. Размеры 185×62×41 мм. Рабочий температурный режим: –10…+50°С, класс защиты IP65. Интерфейсы свя- зи USB и UART. Присутствует возмож- ность установки BaudRate / идентифи- катор устройства / пароль устройства. Операционная система: Windows 98, Me, NT4.0, 2000, XP, WIN 7 или Android. Рис. 13. Схематичный вид платы датчика R311 с распиновкой Технические характеристики коммутационного разъёма модуля R303/R303S Ниже приведены технические харак- ● Скорость передачи данных (UART): Датчик с бесплатным SDK для теристики рассматриваемого модуля. (9600 × N) бит/с, где N = 1 ~ 12 (по Android Arduino и дополнительной ● Интерфейс связи: (2.0, 3.0), UART умолчанию N = 6, т.е. 57600 бит/с). функцией контактного касания паль- На рис. 13 представлен схематичный цев. Метод соответствия, параметры (RS-232 TTL) FRR и FAR аналогичны датчику R311. ● Функция считывания/записи отпе- вид платы датчика R311 с распиновкой ● Питание: DC 4,2…6,0 В коммутационного разъёма. Сопоста- ● Интерфейс UART (TTL логический чатков пальцев вимыми характеристиками облада- ● Настройка уровня безопасности ют датчик R303/R303S и биометриче- уровень) / USB 2,0 ● Возможность установки BaudRate / иден- ский считыватель отпечатков Smartec ● Рабочий/максимальный ток потре- ST-FR031EM. тификатор устройства / пароль устройства бления: 40/55 мА ● Операционная система: Windows 98, Биометрический считыватель ● Зондирующий массив: 208×288 пик- Smartec ST-FR031EM Me, NT4.0, 2000, XP, WIN 7, Android селей ● Разрешение: 508 DPI Биометрический считыватель со ● Разрешение: 508 точек/дюйм ● Питание: DC 4,2…6 В встроенным контроллером, высоко- ● Среднее время поиска: < 0,2 c (1:1000) ● Ёмкость эталонов отпечатков: 1000 скоростным алгоритмом идентифи- ● Скорость передачи данных: (9600 × N) ● Зондирующий массив: 256×360 пик- кации отпечатков пальцев, настрой- кой уровня безопасности и функцией bps N = 1 ~ 12 (по умолчанию N = 6) селей самостоятельного обучения. ● Размер файла персонажа: 256 байт ● Размер модуля: 33,4×20,4×1,0 мм ● Регистрация в хранилище изображе- ● Эффективная область сканирования: Работает считыватель под управле- нием ПО Timex. Разрешение скане- ний (быстродействие): < 0,1 с 12,8×18,0 мм ра составляет 500 DPI. Память рассчи- ● Размер шаблона: 512 байт ● Кабельный соединитель: MX 1,25 мм тана на 3000 шаблонов и 10 000 карт, ● Ёмкость для хранения: 1000 эталонов 30 000 событий. Интерфейсы сканера ● Уровень безопасности: 5 (самый вы- 6 Pin представлены следующими портами: ● Скорость сканирования: < 0,2 с RS-485, USB и Ethernet. Присутствуют сокий) ● Скорость проверки: < 0,3 с Виганд вход/выход, встроенный считы- ● FAR: < 0,0001% ● Рабочая температура: –20…+50°C ватель EM, релейный выход, тревожный ● FRR: < 1% ● Рабочая влажность: 10…85% ● Рабочая температура: –20…+45°С ● Антистатическая защита: до 15 кВ ● RH: 10…85% ● Интенсивность абразивного сопро- ● Размер окна: 11×15 мм ● Размер датчика: 33,4×20,4 мм тивления: 1 000 000 раз Некоторые недостатки и пути для инженерных решений «Минусом» рассматриваемой иден- тификации является зависимость каче- 20 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ства распознавания отпечатка от состо- пределов совершенству, и именно трёх- изображения в диапазоне 500–5000 DPI. яния поверхности пальца и внешних мерный метод (в комплексе с другими, В правоохранительных органах оциф- условий (температура, влажность, к примеру, с биоакустической подпи- рованы отпечатки пальцев огромного пыль), нежелание сканировать отпе- сью) признан наиболее перспективным числа граждан страны, что может быть чатки, а также особенности людей (око- для дальнейших разработок. полезно при идентификации в разных ло 3% от всех) с врождёнными плохо обстоятельствах. С правовой точки зре- выделяющимися или повреждённы- Условный недостаток биометрии ния иногда это спорно, кроме случаев, ми отпечатками пальцев. Кроме того, по отпечаткам в том, что намеренно прямо предусмотренных законодатель- в состоянии волнения, нездоровья, или случайно скомпрометированный ством, причём большинство мировых если человека принуждают сканиро- палец человека не заменишь, в отли- держав поддерживают сей принцип в вать отпечаток для получения доступа, чие от пин-кода и пароля. Пароль национальных концепциях безопасно- то неровное прикосновение пальцем к можно сменить, PIN-код, цифровую сти и охраны правопорядка, к примеру, считывателю, нарушение папиллярно- подпись можно отозвать, но палец с дактилоскопирование лиц, совершив- го рисунка, в том числе после воздей- индивидуальным капиллярным рисун- ших преступления или общественно- ствия водной или химической среды, ком отозвать не получится. опасные деяния. Основание: выписка или обильное потоотделение увеличи- из ст. 11 ФЗ-152: «Обработка биометри- вают ошибки FRR, не позволяя коррек- Правовое поле и особенности ческих персональных данных может тно считать изображение отпечатка. применения биоидентификации осуществляться только с письменного отпечатков согласия субъекта ПД, в случае, если Вот и примеры. В любой из известных данные используются для установле- и действующих биометрических техноло- Контроль ситуаций посредством уста- ния личности субъекта». Это и «плюс», гий считывания отпечатков есть «мину- новленных почти повсеместно видео- и «минус». За небольшим правовым сы». Так, согласно отзывам, техническим камер соответствует концепции наци- исключением принцип дактилоскопи- характеристикам Lumidigm и статистике ональной безопасности, дополнен рования должен быть добровольным. FAR и FRR (False Accept Rate, False Reject базами отпечатков пальцев. Их скани- Есть отдельные НПА (нормативно-пра- Rate), устройство неоднократно «требу- рование основано на оптическом счи- вовые акты), регламентирующие огра- ет» повторить сканирование пальца. Это тывании папиллярного рисунка кожи ничения сбора и хранения биометриче- неудобно: уходит время для авторизации, подушечки пальца с условно большим ских данных, а правовое регулирование а также допускается около 0,05% ложно- качеством и преобразовании «рисунка» в России организовано так, что пользо- позитивных срабатываний. Однако нет в цифровой код. В современных ска- нерах разного назначения разрешение СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 21
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ватель добровольно даёт согласие на равномерности освещения по поверх- стёртый папиллярный рисунок – всё то, сканирование. К сожалению, есть слу- ности цилиндрического углубления. о чём мы говорили выше. чаи, когда добровольность условна, Но есть от этого и другой эффект – сни- к примеру, банк или учреждение при жение зависимости качества изобра- Опытные образцы уже работа- оказании госуслуг навязывает потреби- жения отпечатка от состояния кожи ют. Однако технические сложности телю дактилоскопирование в электрон- (сухая, влажная). Благодаря «обвола- сопряжены с тем, что требуется боль- ном виде. Это некорректно, но реше- кивающей» подсветке в устройствах с шее количество датчиков для устрой- ние при получении услуг остаётся за соответствующим функционалом мож- ства, соответствующее ПО и место для их получателем. но получать дополнительный эффект, внедрения такого устройства на при- как-то: измерение пульса и темпера- мере банковского терминала (увели- Перспективы развития туры. В следующей статье (продол- чение функционала не всегда, но и совершенствования жение) мы исследуем возможности часто ведет к увеличению размеров электронных сканеров и рисковые эффекты при попытках устройства). «обмануть систему» – несанкциони- Распознавание по отпечатку осно- рованного доступа под видом муляжа Вместо заключения вано на быстром и качественном в виде плёнки, наложенной на палец сканировании пальца, при котором (с копированным папиллярным рисун- И напоследок немного юмора. Вду- электронная система анализирует ком) вместо оригинального пальца. майтесь, как скоро приобретут попу- расположение характеристических Иначе, гипотетически, можно отру- лярность такие фразы, высказывания точек. Происходит сравнение моде- бить палец у человека, чтобы иденти- или сообщения сервисных систем: лей – эталона с новым отпечатком. фицироваться в системах безопасно- ● введите CVV-код с обратной сторо- Причём верификация для «пальце- сти вместо него. вой» биометрии тем лучше, чем боль- ны вашего пальца; ше отпечатков удастся проанализи- Предваряя продолжение этой рабо- ● получите обратно 1% от сделанных ровать cистеме. Так, сканирование ты, скажу, что при качественной под- отпечатков двух пальцев – одного за светке в модуле сканирования защи- покупок по вашему пальцу; другим или одновременно – значи- та от муляжей реализуется уверенно. ● приложите палец с функцией про- тельно уменьшает риск ошибок ска- Повышение качества съёма «картин- нирования. С другой стороны, важ- ки» – разрешение сформированного ездного на метро; ным моментом процедуры является изображения в цифровом виде так- ● 10% годовых под остаток на пальце; скорость электронной аутентифика- же увеличивает надёжность оборудо- ● палец Electron/Gold/Platinum; ции, ибо никому не понравится терять вания. Здесь важно понимать нюан- ● льготный период до 35 дней по ва- время на то, чтобы неоднократно – сы, что на коже пожилых людей и по запросу «нераспознавшей» систе- малышей условно большее количе- шему пальцу закончился. мы – делать новые попытки дактило- ство складок, чем у подростка и чело- И, разумеется, могут быть и другие скопической биоидентификации, где века среднего возраста. Это достига- версии, и другие мнения. бы она ни проходила – на терминале ется повышением качества оптики, банкомата или в пункте контроля при а не только электронного сегмента в Литература пересечении государственной грани- считывателе. Сканирование папил- цы. На мой взгляд, обоснованный мно- лярного рисунка с развёрткой в 120° 1. Common Biometric Exchange File Format гочисленными тестами, в среднем 5% и в ИК-свете ещё более повышает (CBEFF), USA National Institute of Standards попыток идентификации через скани- надёжность оборудования и служит and Technology (NIST). URL: http://www. рование пальцев выдают отказы обо- для исключения в рабочей зоне ска- nist.gov. рудования (у одного человека может нера «ненужной» информации в виде не один палец плохо распознаваться). загрязнений на поверхности датчика 2. Bishop P. Atmel FingerChip Technology for А для людей с нарушенными капил- и (или) пальца. Biometric Security. URL: www.atmel.com. лярными линиями («стёртыми») циф- ра будет ещё выше. Для повышения уровня защиты систе- 3. Maltoni D., Maio D., Jain A.K., Prabhakar S. мы биометрической идентификации на Handbook of Fingerprint Recognition. Разнообразие биометрических счи- основе считанных «картинок» отпечат- Springer, New York, 2003. тывателей отпечатков пальцев обу- ков применяют комплексные методы. словлено разными моделями чув- Даже при сканировании двух пальцев 4. Суомалайнен А. Биоидентификация. ствительных сенсоров (сканеров), (не одного) произведение вероятностей URL: https://dmkpress.com/files/PDF/978- использующихся в «электронной ошибок сократится в миллион раз. Счи- 5-97060-762-6.pdf . дактилоскопии». Среди современных тывание отпечатка и комбинации паль- популярных решений бесконтактные цев с введением PIN. В среднесрочной 5. Биометрическая аутентификация: исто- считыватели, не требующие контак- перспективе разработчики работают над ки, хаки и будущее. Блог компании ASUS. та-прикосновения, и считыватели 10 тем, чтобы размещать на сканируемой URL: https://habr.com/ru/company/asus/ пальцев одновременно. панели сразу несколько пальцев или blog/408407/ . даже всю руку. С учётом того, что есть В сканерах используют два типа под- незначительное количество шестипа- 6. Задорожный B. Идентификация по отпе- светок. Одна традиционная – снизу лых людей, людей-инвалидов без каких- чаткам пальцев // PC Magazine/Russian через призму, и вторая – через палец то пальцев, пальцы могут быть заклеены Edition. 2004. № 1. С. 22. сбоку и сверху. Это повышает надёж- лейкопластырем, повреждены и иметь ность сканирования путём улучшения 7. Инструкции и datashit по моделям R502, R311 и др. URL: https://www.dropbox.com/ sh/pznvlzx8qx5nfr3/AABpzhSyjqH0qWNYg MvxqAA9a?dl=0. 8. Клонирование отпечатка пальца: миф или реальность? URL: https://10guards. com/ru/articles/fingerprint-cloning-is-it- real/. 9. Суомалайнен А. Биометрическая защита: обзор технологии. М.: ДМК Пресс, 2019. 104 с.: ил. 22 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НОВОСТИ МИРА Япония и Нидерланды надавить на несговорчивых союзников Tokyo Electron Ltd и нидерландской ASML. согласились США. В ноябре это же агентство сообщи- Пекин со своей стороны в понедельник присоединиться к санкциям ло, что Нидерланды не пожелали покор- против китайской но выполнять требование США ограни- подал иск к США во Всемирную торговую полупроводниковой чить поставки полупроводниковых тех- организацию. Китай считает, что амери- индустрии – СМИ нологий КНР. канские санкции угрожают стабильности мировых цепочек поставок. А оправдание Нидерланды и Япония «в принципе» со- В случае поддержки санкций США Япо- рестрикций Вашингтона заботой о наци- гласились присоединиться к США в уже- нией и Нидерландами тройственный ональной безопасности США представля- сточении контроля за экспортом оборудо- альянс обеспечит почти тотальную бло- ется сомнительным. вания для производства передовых чипов кировку возможностей Китая закупать обо- в Китай, утверждает агентство Bloomberg рудование для выпуска новейших микро- Напомним, в июне сообщалось о ре- со ссылкой на свои источники. схем, подчёркивает Bloomberg. В настоя- кордном росте китайской индустрии по- щий момент в КНР запрещены поставки лупроводников: тогда 19 из 20 самых Ожидается, что эти две страны присое- продукции американских Applied Materials быстрорастущих компаний отрасли в динятся по крайней мере к некоторым из Inc., Lam Research Corp. и KLA Corp. Ва- мире имели китайские корни, в 2021 ограничений, которые ввели США в отно- шингтон добивается того же от японской таковых было восемь. Эти компании шении полупроводниковой промышлен- занимаются поставками ПО, процессо- ности КНР в октябре. Цель рестрикций – ров и необходимого для производства лишить КНР доступа к важнейшим тех- чипов оборудования. Последнее важ- нологиям, необходимым для создания но в контексте нынешнего сообщения суперкомпьютеров или гиперзвукового Bloomberg. оружия, а также производства передо- вых чипов внутри Китая. По неофициальным сведениям, которы- ми D-Russia.ru располагает со слов пред- Объявить о присоединении к санкциям ставителя отечественной IT-отрасли, у ки- Нидерланды и Япония должны «в ближай- тайских компаний уже есть собственные шие недели». Не исключено, что публика- технологии производства высокопроизво- ция Bloomberg со столь нечёткими вре- дительных микросхем. менными рамками может быть попыткой industry-hunter.com СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 23
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Безопасность ЕБС и её элементов. Обзор рисков и перспективных направлений улучшения систем персональной аутентификации Антти Суомалайнен ки-сканеры считывают папиллярный рисунок кожи пальца по проводимости Во второй части статьи приведён краткий обзор других существующих его линий. Основными ограничения- на сегодняшний день основных типов квантовых компьютеров: ми для ёмкостных датчиков являются ● квантовые адиабатические вычислители (Adiabatic Quantum разрешение и проводимость. Эффек- тивность оптического метода зависит Processing Unit); от качества «оптики», стекла рабочей ● вычислители с квантовым отжигом (Quantum Annealing Processing Unit – поверхности сканера и непосредствен- но датчика. «Картинка» захватывается QAPU); матрицей элементов с зарядовой свя- ● вариационные квантовые вычислители (Variational Quantum зью CCD и элементов CMOS, затем пре- образуется в изображение в оттенках Eigensolvers); серого (до 16). ● вычислители собственных значений с квантовым отжигом (Quantum Все типы сканеров мы рассмотрели Annealer Eigensolver – QAE). в статье «Датчики-сканеры отпечатков пальцев в устройствах биоидентифи- Традиционные методы аутентифика- стов, несанкционированными мето- кации. Обзор и перспективы» в № 9, ции для компьютеров и сетей – паро- дами копирования достигают 80% 2022 «Современная электроника», но ли, коды, карты доступа, которые мож- успеха при использовании поддель- добавлю ещё один условный «минус» но передать другому лицу, – устарели ных отпечатков из историй, когда био- оптического метода сканирования. как небезопасные и неэффективные метрические датчики были обмануты Незаметный отпечаток пальца остаёт- для персональной идентификации. На хотя бы однократно. И это, разумеется, ся на рабочей поверхности сканера – этом фоне биометрическая аутентифи- существенные риски для ЕБС и совре- на стекле и может быть использован кация кажется идеальным решением менного электронного оборудования, повторно. Другая сложность в том, что- проблемы. Существует несколько видов задействованного в устройствах безо- бы отличить настоящий палец от каче- биометрической аутентификации, пасности. Одна из проблем для клони- ственной реплики. Об этом мы подроб- в том числе сканирование сетчатки рования отпечатка – это формы. Форма но поговорим далее. глаза, распознавание лица и аутенти- должна иметь в точности те же разме- фикация по отпечатку пальца – самый ры, что и эталон (оригинал отпечат- Ультразвуковые датчики для скане- распространённый вид. Отпечатки ка); при отклонении в размере даже 0,1 ров излучают импульс УЗЧ, эхо кото- пальцев человека уникальны, и приня- мм форма непригодна для использова- рого считывается приёмным узлом то считать, что по ним можно иденти- ния. Но, в принципе, изготовить репли- и далее поступает на сервер. Ёмкост- фицировать человека. Однако всё, что ку отпечатка вполне посильно даже в ный метод с применением активных касается однофакторной аутентифика- бытовых условиях. Похожим методом и пассивных датчиков-сканеров, хоть ции, в наше турбулентное время под- много лет изготавливают реплики печа- и считается самым популярным, так- лежит квалифицированному анализу и тей. На рис. 1 представлена иллюстра- же сравнительно легко обмануть ими- обоснованной критике, как не обеспе- ция папиллярных линий на пальце. тированным отпечатком или скрытым чивающее полной надёжности. После- отпечатком на поверхности скане- довательно рассмотрим эти риски. Риски аутентификации по ра. Нажимной метод характеризуется отпечатку пальца сравнительно низкой чувствительно- Так, с помощью технологии трёхмер- стью, неспособностью отличить настоя- ной печати – по заранее полученному Дермальные гребни отпечатков щий палец от имитации, подверженно- слепку – можно создавать копию отпе- пальцев имеют ширину примерно стью повреждениям из-за чрезмерных чатка пальца. По мнению специали- 500 микрон и глубину 20–50 микрон. прилагаемых усилий и практически не Гряды и впадины папиллярного рисун- используется в современных ЕБС, свя- Рис. 1. Иллюстрация папиллярных ка имеют разные эхосигналы, поэто- занных с аутентификацией человека. линий на пальце му сканер преобразует «рисунок» паль- Тем не менее есть направление дея- ца в псевдоизображение в цифровом тельности, которое сегодня активно виде. Сегодня в устройствах биоиден- разрабатывается, – биоакустическая тификации по отпечаткам использу- аутентификация, связанная с прикос- ют три основных типа датчиков: опти- новением пальца к рабочей поверхно- ческие, ёмкостные и ультразвуковые. сти сканера и последующим анализом Все они имеют преимущества и недо- вибраций. Тут понятия «нажимной» статки, однако с точки зрения безо- и «вибрационный» некоторым обра- пасности доступа и аутентификации между ними нет явного преимуще- ства. Так, активные ёмкостные датчи- 24 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ зом коррелируют. Подробно об этом в вается апробированный метод изго- Рис. 2. Сканер PUPPY SONY, заключительной части статьи. товления формы из желатина и др. адаптированный к ПК ингредиентов, но есть и другие вари- Итак, один из основных рисков анты – пластилин, смесь силикона и факторы. Не только рисунок вен, но обмана сканеров отпечатков систем тканевого клея, глина для скульптур- и хиромантические линии как при- безопасности в ЕБС – изготовление ных работ и др. «Скульптурная» глина знак индивидуальности (линия жиз- и применение клонированного (под- имеет твёрдость при комнатной темпе- ни и др.) являются идентификацион- дельного) отпечатка, получить кото- ратуре, но становится мягкой и даже ным признаком. По ним легче всего рый можно разными способами. Зло- жидкой, если температура достаточно предварительно идентифицировать умышленник получает отпечаток высока. Это условие выполняют, нагре- и отобрать несколько человек. Так- пальца жертвы, затем готовит под- вая материал электрическим феном. же, несколько худшим из-за возраст- дельный отпечаток-реплику. Причём Чем выше точность УФ-принтера, тем ных изменений, идентификационным реплику отпечатка можно создать из качественнее реплика отпечатка. Уже признаком является форма и размер нескольких частей (сканированных при точности (разрешении) в 25 мк, что ладони. Тем не менее комплексное ска- изображений) одного и того же пальца. даёт даже современное бытовое обо- нирование в ЕБС отпечатка каждого Как известно, сбор отпечатков проис- рудование, сия небезупречная задача из 5 пальцев со всеми 14 фалангами ходит на таможне, на границе и в дру- решается просто. с отпечатком ладони уместно исполь- гих случаях. В несанкционированном зовать для окончательного подтверж- сценарии сбор биоматериала может Отвердение копии в УФ-камере в дения личности. Это всё уже исполь- осуществляться через фотографиро- течение нескольких минут обязатель- зовалось в дактилоскопии – именно в вание отпечатка на стакане, бутылке, но, чтобы устранить токсичность смо- таком полном варианте отсканирован- даже дверной ручке – если отпечаток лы и закрепить форму. Прямое воздей- ных идентификаторов; сегодня речь о качественный. Перед фотографирова- ствие ультрафиолета изменяет размер том, чтобы ввести эту систему в элек- нием отпечаток можно дополнительно объекта из-за сжатия смолы. Поэ- тронный вид и практику, как дополни- «подсветить», обработав кисточкой с тому пресс-форма из смол – не луч- тельный элемент надёжности в ЕБС. графитовым или алюминиевым соста- ший выбор, и для её создания лучше вом (порошком). Несанкционирован- использовать альтернативный матери- Риски и перспективы ным способом снять отпечаток мож- ал без ограничения втягивания. для ЕБС с методом но во многих случаях: человек спит, распознавания лиц в больнице, без сознания, нетрезв, Аутентификация по отпечатку паль- иным образом не контролирует свои ца широко используется на многих В коммерческих (негосударствен- действия. Существует и несколько аль- типах устройств. Однако надёжность ных) условиях применения задачи тернативных фотографированию спо- не на всех устройствах одинакова. аутентификации специфичны. «Know собов, в частности, слепок с помощью Трудности проиндексировать большую your customer?» – такой вопрос волну- липкой ленты и др. базу данных до сих пор считаются акту- ет руководителей и менеджеров тор- альными и требуют ускорения процес- говых сетей – для последующего мар- Далее рассмотрим популярный са анализа отпечатков. Также заинте- кетинга и аналитической работы на метод репликации отпечатка при ресованные лица должны знать, что развитие: нужно знать образ и запро- несанкционированном клонировании. безопасность аутентификации по отпе- сы «своего» покупателя из сопоставле- чатку пальца несовершенна, несмотря ния хэш-кода лица и покупок. Отсюда, Методы репликации при на распространённые мифы. В зависи- из этого опыта, можно понять пер- несанкционированном мости от конкретного профиля угроз спективный принцип идентифика- клонировании использование аутентификации по ции покупателя в магазине. Это кро- отпечатку без комплекса других меро- ме актуальных вопросов безопасности Как происходит несанкционирован- приятий и методов может быть неце- и не теряющей актуальности борьбы с ное клонирование отпечатков? Аналог лесообразным. кражами в торговых залах. Реализует- отпечатка пальца создают с оригина- ся «коммерчески-торговый» вариант с ла. Растровое изображение получают Особенности распознавания со сканера отпечатков пальцев, причём по рисунку вен рук подходит даже «бюджетный» вариант считывателя, к примеру, PUPPY SONY, Распознавание аутентификацион- приобретённый через почтовый сервис ных признаков по рисунку вен руки – китайского оператора. Или иной ска- условно новая технология, пока не нер с подключением UART либо совме- получившая бытового распростране- щённый с преобразователем CP2102 ния, но применяется в ЕБС как ком- USB в TTL, адаптированный с ПК или плексный элемент системы безопасно- Arduino UNO. Пример сканера пред- сти, повышающий её надёжность. На ставлен на рис. 2. примере изученного биометрическо- го считывателя вен ладони PalmVein Трёхмерный макет создают с помо- метод не требует условно дорогосто- щью ПО для трёхмерной цифровой ящего оборудования в сравнении с структуры. Затем с помощью ультра- устройствами распознавания по гео- звукового 3D-принтера изготавливают метрии лица или радужной оболоч- форму из мягкого материала, которая ке. Однако в перспективных разработ- затем затвердевает. В некоторых источ- ках необходимо учитывать следующие никах (список в заключении) описы- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 25
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 3. Иллюстрация лиц и типичных «точек» для идентификации вожными» сигналами, вызванными несовершенством алгоритма, борют- помощью пополняемой базы покупате- торов: качества камер и качества ПО, ся статистическим методом. Если в лей и их фотоизображений. Пока база ибо именно на сервере (ПК) анали- поле зрения массива видеокамер есть данных несколько тысяч человек, всё зируется и сравнивается полученное разыскиваемое лицо, оно будет «опоз- это работает. Но в крупных торговых с видеокамер изображение. Прину- нано» по картинкам с нескольких, а не сетях этого уже недостаточно. Интерес- дительное нанесение на лицо новых с одной камеры. И чем большее коли- ный опыт дают «бескассовые магази- «элементов» изменяет координаты чество камер даст картинки, проанали- ны», где огромное число камер (рас- оригинального признака на несколь- зированные сервером как «изображе- пространены в США, Германии и в др. ко миллиметров, и этого достаточно ние поиска» из соответствующей базы, странах). Отслеживают покупателей для того, чтобы точность распознава- тем меньше вероятность ошибок ЕБС и в торговом зале – от выбора покупки ния значительно снизилась, для сбоя системы поиска. Есть уже реализован- до её оплаты на терминале. Для этого работы ЕБС с устаревшим ПО и выдачи ные пути решения на примере систе- системе требуются не только «картин- ошибок. Такая ЕБС распознает и услов- мы видеоконтроля в метро. Перед стан- ка» и лица, но и аутентификация по ного злоумышленника, и одновремен- циями, в вестибюлях, на эскалаторах, другим признакам, что и делается у но ещё сотни человек. Надо также на платформах и даже на турникетах терминала оплаты. Это биоидентифи- принять во внимание, что в будущем, установлены камеры видеонаблюде- кация по отпечаткам пальцев и (или) в связи с развитием высоких техно- ния. Корректность работы ЕБС в дан- фронтально установленная видеокаме- логий и психологически обоснован- ном случае прямо зависит от качества ра с ИК-подсветкой. По этим призна- ного вектора социопатии в обществе, камер (оптики камер и электронного кам покупатель распознаётся в базе. такие риски, связанные с попытками АЦП системы) и их количества. Важ- Однофакторный метод аутентифика- «уйти от камер» даже законопослуш- ный элемент работы реальных систем ции через дисконтную или банковскую ных граждан, будут нарастать. Отсю- аутентификации: возможность массо- карту, которую можно передать друго- да на сегодняшний день понятно, что вого сравнения многих изображений му лицу, не даёт удовлетворительных для корректного анализа идентифи- одного лица. Отслеживание движения результатов, если предполагать, что кационных данных человека на сер- дополняет распознавание лиц. Человек задача коммерческой сети всё-таки в вере нужно идти путём наращивания заходит в вестибюль метро (2-3 картин- том, чтобы проводить персонализи- числа признаков. По условной анало- ки, к примеру), потом спускается по рованный и общий маркетинг поку- гии с базой отпечатков пальцев, куда эскалатору (еще 3-4 картинки) и про- пок, интересов и запросов, а не только рекомендую включать, кроме папил- ходит к платформе (2-3 картинки). решать вопросы безопасности и рабо- лярного рисунка пальцев, и ладони, и С помощью реализованных в поиско- тать против краж. фаланги пальцев, в части сканирова- вой системе алгоритмов она «ловит» ния геометрии лица необходимо в ори- человека с помощью полученных изо- Рисковые варианты корректного счи- гинальном признаке делать несколь- бражений – на совпадение, к приме- тывания по геометрии лица сводятся ко «эталонов» лица – вблизи, вдали, ру, с паспортной фотографией разы- к изменению геометрии лица – фор- анфас, профиль, в фокусе каждый кон- скиваемого – статистическим методом. мы и типичных точек расположения кретный признак (нос, рот) и его эле- В этом смысле интересны перспективы основных идентификационных при- менты. Речь идёт о разделении призна- аутентификации в движении. знаков (нос, глаза, рот), а также рас- ков и «картинок» по ним. Пока же (на стояний между ними. На рис. 3 пред- сей день) абсолютная точность распоз- Аутентификация ставлен вид с лицами и типичными навания ЕБС человека по геометрии в движении точками для идентификации. лица недостижима. Скорость потока пешеходов или пас- Так, нанесение маркером стрелок, Так, близнецы вызовут ложно-поло- сажиров в переходе отслеживают по фигур, дополнительных «зрачков» жительные сигналы, но тут проблема характерным лицам, что удобно делать и «глаз» не исключает корректного не в несовершенстве алгоритма рас- на полупустой улице. Последователь- считывания признаков, но затрудня- познавания, а в реальной похожести. ность появления одного лица в масси- ет эту функцию. В этой связи надёж- А с ложно-положительными «тре- ве видеокамер легко предсказывается, ная работа ЕБС зависит от двух фак- а отслеживать можно по комбинации цветов одежды. При больших скопле- ниях людей, в частности, на вокзалах, в транспорте, в метро алгоритмы поис- ковой системы несовершенны. Для поиска человека по картинке с видеока- мер открываются две задачи: «tracking» и «reindentification». Но это уже част- ные случаи. Именно поэтому количе- ство видеокамер (практически везде) систематически наращивают, а не сни- жают (cм. источники к публикации). Нередко в транспортной инфраструк- туре большое количество видеокамер, сконцентрированных на одной площад- 26 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ке потолка, «смотрят» в залы. Эти зада- и после него. После вестибюля перед кации, поэтому и специальные меры к чи решаются по-разному, 100% достиже- потенциальным разыскиваемым ещё принуждению его для сдачи оригина- ния эффекта нет, и есть как технические десятки камер. Допустим, «лицо» опоз- лов отпечатков не требуются. Есть ком- проблемы, так и несовершенства, свя- нано как разыскиваемое на эскалато- мерческие системы с базой данных в занные с человеческим фактором. Если ре – по камерам № 10 и № 16, а видео 10 млн эталонных отпечатков. Понят- не лениться и исследовать запросы и с камер № 6–9, № 11–15 (часть из них но, что государственные серверы име- ожидания крупных транспортных кор- «смотрит» не фронтально) не распоз- ли сию возможность и ранее – в России пораций, к примеру «Мосгортранс», нано. Тогда оператор занимается этим в электронном виде базы оцифрованы окажется, что и они в поиске более «лицом» плотно, но не ищет его в тол- (не на перфокартах, а адаптированы совершенного решения относительно пе, а ждёт отклик системы – сколько для ПК) примерно в 2012 году. Если того, как считать пассажиров – по голо- ещё видеокамер «распознают» лицо, использовалась 10-пальцевая регистра- вам вручную или с помощью автомати- и где они расположены. ция, дающая 100% результат аутенти- зированной системы. Проблемное поле: фикации, электронная система реша- во-первых, такие системы дороги – Специалисты осведомлены, что ет две задачи: определит, входит ли это понятно; во-вторых, они не дают камеры сами по себе не распознают. отпечаток в список из 3-5 настроенных, гарантии, но всё же способствуют учё- Распознаёт алгоритм, который рабо- и корректно определит владельца отпе- ту с некоторой долей погрешности. тает на серверах по изображениям с чатка в базе из 10 миллионов. камер. Ошибка не будет зависеть от А как работает поисковая програм- камеры, а только от ракурса и усло- Биометрия, особенно комплексная ма, спонсированная государством? вий съёмки. В движении ракурс и усло- и (или) реализованная с применени- Ведь только в Петербурге и Ленин- вия будут каждый раз разными. Но воз- ем качественного оборудования на при- градской области примерно 30 000 можно уменьшить количество ошибок мере трёхфакторной и спектральной человек в базе розыска. Моделируем теперь даже с условно старым обору- идентификации отпечатка, – надёжнее ситуацию с поиском «лица» в много- дованием. В условно больших помеще- PIN. Теоретически пластик можно заме- тысячном потоке пассажиров метро. ниях устанавливают шлюзы на манер нить цифровым идентификатором – В среднем человек проводит на стан- концентрации людского потока типа даже номером телефона. А отпеча- ции, скажем, 5 минут. При заходе на «воронка». В «шлюзах» обеспечивают ток пальца при этом будет выполнять станцию, и даже перед ней «картинка» хорошее освещение – одно из условия функции ПИН-кода. Ещё вариант пер- уже считывается камерами видеона- качественной картинки с видеокаме- спективной аутентификации: отпеча- блюдения. Если есть «срабатывание» ры. Оборудование (видеокамеры) уста- ток пальца и тепловая «картина» крове- по изображению с камер на «лицо», навливают с хорошим разрешением и носных сосудов, а также динамические прошедшее в вестибюле, то дальней- с настраиваемым функционалом, в том биометрические признаки, к примеру, ший поиск осуществляется не только числе функцией zoom. Этот комплекс рукописный пароль. в сравнении с паспортной фотографи- мер повышает качество видеокартин- ей, имеющейся в базе поиска, но и с ки, а совершенствование ПО – качество Биометрические алгоритмы строятся изображением, полученным в разных анализа и аутентификации; таков путь на обучаемых нейронных сетях, актуа- ракурсах с других камер этой же стан- совершенствования системы безопас- лен вопрос о взаимодействии разных ции. Причём система уже давно рабо- ности на основе ЕБС. сетей, ПО и др. Алгоритмы с динами- тает автоматически, правда, это не ческими биометрическими признака- говорит о том, что нет операторов, кон- Перспективные методы ми пока тоже не достигли совершен- тролирующих видео в реальном режи- и решения ства. Статистические методы лучше ме. Но оператор не может и не будет работают на этапе создания ординар- фактически делать «траки» в массиве Модель программного описания ного признака, к примеру, отпечатка. из нескольких тысяч изображений. Эта отпечатка основана на описании топо- Вот почему качество оригинала остаёт- кропотливая работа возможна только логии, поэтому появляется независи- ся важным для всей ЕБС. Действитель- в весьма неординарных случаях. Итак, мость от деформаций отпечатков и от но, лучше на этапе создания эталона на условной станции 50 камер. Поток масштаба. В некоторых базах, содержа- потерять время, чтобы впоследствии пассажиров в среднем 60 000 в день. щих больше 2 тысяч отпечатков, могут обеспечить автоматическую и быструю Камеры установлены в разных местах фиксироваться ложные срабатывания. верификацию. и под разным углом. В результате и к Их вероятность примерно 1 ошибка на примеру, если на 10 из 50 камер опоз- 1000 случаев. При использовании двух Предполагается, что зависимость от нался разыскиваемый, идёт команда отпечатков – одна ошибка на 1 000 000 растительности на лице, причёски не на полицейский пульт. Если обнару- случаев. По статистике ошибок 1% FRR является критичной для распознава- жен на одной-двух камерах – это допу- до 0,01% FAR (при приемлемых FRR) ния лиц в современных ЕБС. Системы стимый вариант «ошибки». считают хорошим показателем. видеоконтроля-нахождения не анали- зируют причёски и растительность на Не надо искать (по дисплеям от видео- При серьёзных повреждениях папил- лице. Даже овал лица некоторые алго- камер) человека в толпе. Достаточ- лярного рисунка нужно использовать ритмы не учитывают, ибо под разны- но знать, что с момента обнаружения и другие пальцы руки, и альтернатив- ми ракурсами одно и то же лицо имеет подозреваемого в вестибюле и его вхо- ные методы, к примеру, сканирование разные (отличные) профили. Но это не да до условной потери человека систе- ладони. Поэтому в современных базах всегда так. На рис. 4 представлен вид мой наблюдения есть запас времени данных регистрируют несколько паль- автора в маске, исключающей аутенти- в 10 минут: 4-5 минут – спуск по эска- цев. В СКУД и в платёжной (банков- фикацию по геометрии лица. латору, остальное время прохода до ской) системе человек заинтересован сам в быстрой и корректной идентифи- Метод многократно апробирован авторским опытом в 2020–2022 гг. Тут СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 27
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 4. Автор иллюстрирует метод, анализируется биодинамическая реак- биометрических данных или несанкци- исключающий аутентификацию по ция пальца в акустическом спектре. онированным сбором такой информа- геометрии лица Метод биоакустической аутентифика- ции, а также наличием оборудования ции имеет особенности как в принципе для изготовления реплики-слепка- надо для справедливости заметить, что работы, так и в сканирующем оборудо- клона. Даже современные электрон- обнаружение такого «лица» в пери- вании. При касании рабочей поверх- ные микроскопы позволяют измерять од «масочного режима», связываемо- ности сканера микровибрации пальца микронные различия в отпечатках, го с коронавирусом, не приводило в считываются датчиком. Причём инди- а инструменты высокоточной лазер- Санкт-Петербурге к вопросам, уточне- видуальная форма сигнала сохраняется ной гравировки помогают этому. При ниям или задержаниям. И вызывало при разной силе нажатия пальца. Из-за наличии высокотехнологичного обо- лишь восторженные взгляды. Однако индивидуальных анатомических осо- рудования возможности несанкцио- в настоящей ситуации, когда «масоч- бенностей сканированный сигнал обла- нированного копирования отпечатков ный режим» отменен, такое «лицо» дает неповторимостью. Содержит ана- возрастают, соответственно, угрозы без- само по себе, пожалуй, может вызвать томическую информацию о структуре опасности пользователям биометриче- вопросы у представителей правопоряд- тела, о костной, хрящевой, сухожиль- ского оборудования увеличиваются. Чем ка. Впрочем, ношение масок не запре- ной и мышечной ткани, полагается больше ресурсы у такой небезупречной щено, а как определяется маска – до на их геометрию, а также на биомеха- группы сотрудников, тем больший мас- сих пор вопрос полемичный. Поэтому нические свойства. Преобразованные штаб угроз и рисков можно ожидать. попытки простыми методами аутенти- датчиком в цифровой вид, данные слу- Для рядового гражданина и пользова- фицировать (контролировать) людей жат для последующего компьютерного теля биометрическая аутентификация алгоритмами, сопоставляя лица с анализа и имеют то же значение био- по отпечатку пальца является действен- «исключающими шаблонами», при- информации, что и отпечаток пальца, ной защитой в быту. Однако для защиты ведут к увеличению количества оши- образец голоса, рисунок сетчатки гла- значительных материальных и инфор- бок. К примеру, в известной програм- за, геометрии лица и др. То есть служит мационных ресурсов преимущества ме «заменитель лиц» FaceSwap сделана идентификационной характеристикой биометрии по отпечаткам неочевид- попытка с алгоритмом GAN128 отде- человека и может использоваться для ны из-за рисков качественной имита- лить лицо от посторонних предме- его аутентификации. ции отпечатка и обмана сканера, поэ- тов, перекрывающих лицо (причёска, тому метод используют в комплексе с пирсинг, руки и т.д.). В этом случае Передача характеристик вибраци- другими защитными мероприятиями, вариант – делать многократное сопо- онных сигналов через кости и ткани в том числе биометрическими, а также ставление шаблонов, то есть совер- пальца осуществляется так: синусои- систематически совершенствуют обору- шенствовать ПО. Кстати, современ- дальный (аналоговый) сигнал посту- дование сканеров и ПО. ные сканеры отпечатков не то что пает на вход преобразователя и пере- стекло – мёртвый палец отличают от даётся ЗЧ через палец, воспринимается Литература живого. Однако НТ-прогресс идёт впе- микрофоном, демодулируется с помо- ред, в соответствии с сентенцией «на щью опорного сигнала, фильтруется 1. Руководство по проектированию биоме- каждое действие возможно противо- фильтром НЧ и оцифровывается АЦП трических устройств // URL: https://learn. действие» созданных систем безопас- микроконтроллера. Для биоакустиче- microsoft.com/ru-ru/windows-hardware/ ной аутентификации уже недостаточ- ской аутентификации пользователь drivers/biometric/. но; они должны совершенствоваться помещает палец на сканер со встроен- постоянно. Как вариант, уместно рас- ным трансдуцером – передатчиком ЗЧ и 2. Клонирование отпечатка пальца: миф или сматривать – в числе прочих – биоаку- акустическим сенсором. Акустический реальность? // URL: https://10guards.com/ стическую аутентификацию как допол- сенсор расположен на 3 мм выше перед- ru/articles/fingerprint-cloning-is-it-real/. нительный способ идентификации. ней дистальной межфаланговой склад- ки, которая является нижним концом 3. Программное обеспечение. Стандартизиро- Биоакустическая дистальной фаланги. Место для прикос- ванные биометрические данные INCITS // аутентификация новения (воздействия) пальцем имеет URL: https://www.nist.gov/itl/iad/image-group/ значение. Благодаря форме площадки resources/incits-standardized-biometric-data. Известны акустические методы рас- для сканирования место возбуждения познавания голоса с помощью спек- и зондирования выбрано так, что сиг- 4. Суомалайнен Антти. Биометрическая тральных фильтров, аналитика сигна- нал ЗЧ проходит через проксимальную защита: обзор технологии. М.: ДМК Пресс, тур дыхания, а в формате биоакустики и среднюю фаланги пальца. Передатчик 2019. 104 с.: ил. расположен на расстоянии 50 мм от аку- стического сенсора, полностью покры- 5. Tsunomu Matsumoto. Искусственный вая длину средних фаланг пальца. палец из желатина // URL: http://web. mit.edu/6.857/OldStuff/Fall03/ref/gummy- Выводы slides.pdf. Перспективы развития и совершен- 6. Описание биоакустической подписи в ствования электронных сканеров отпе- IEEE Transactions on Cybernetics (doi: чатков пальцев мы рассмотрели в статье 10.1109/TCYB.2019.2941281) // URL: https:// СЭ № 9, 2022. Практическая эффектив- habr.com/ru/company/vdsina/blog/518294/. ность от клонирования отпечатков опре- деляется наличием или доступом к базе 7. Видеоизображение // URL: matthewearl. github.io/assets/switching-eds/landmarks.jpg. 8. Андрей Кашкаров. Контрольное видео- обозрение россиян // URL: https://xxxx. press/blog/kontrolnoe_video_obozrenie_ rossijan/2020-12-28-1075. 28 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НОВОСТИ МИРА Если все ноутбуки станут ственного типа будет работать ряд пред- Российский ответ такими, то сервисные центры приятий, в том числе по производству на платформу Arduino – по их ремонту закроются. электронных компонентов – полупрово- проект «Vostok» заморожен Dell представила концепт дников нового поколения, способных в модульного ноутбука Luna ряде случаев заменить кремниевую элек- Весной этого года в ряде СМИ появи- тронную компонентную базу, говорится в лась достаточно любопытная информа- Компания Dell представила Concept сообщении правительства. ция о том, что в России идёт разработка отечественной платформы, аналогичной Luna – прототип перспективного модуль- весьма популярной Arduino – работы по ней ведутся в центре «Восток», располо- ного ноутбука. Тут нет гибкого экрана или женном во Владивостоке. большого сенсорного дисплея вместо кла- виатуры – наоборот, устройство имеет со- вершенно стандартный внешний вид. Все самое интересное – внутри. Concept Luna – это практически как кон- На сегодняшний день о своём намере- Как сообщалось, на данной платформе структор Lego. Устройство состоит из мо- нии работать в ОЭЗ заявили 13 предпри- должны были обучаться порядка 10 мил- дулей, которые соединяются друг с дру- ятий. лионов российских школьников – столь- гом без винтов – всё исключительно на ко учеников планировалось охватить за защёлках. Соответственно, для разборки Размещение в ОЭЗ даёт бизнесу ряд пре- счёт специальных кружков соответствую- Concept Luna не нужны ни отвёртки, ни имуществ. Так, резиденты могут пользо- щей направленности, а также при участии какие-то дополнительные инструменты. ваться налоговыми льготами и таможен- в Национальной техолимпиаде. Разобрать устройство на элементы мож- ными преференциями, а также рассчиты- но за 30 секунд! Причём это касается и си- вать на снижение арендных платежей. Кроме того, новинку должны были ис- стемы охлаждения, и даже матрицы экра- пользовать и в немного других направ- на. То есть, например, если разобьётся ди- industry-hunter.com лениях – инженерных и робототехниче- сплей, то пользователь сможет заменить ских состязаниях, профильных группах, его (при наличии новой матрицы) самосто- Путин потребовал запустить различных программах образователь- ятельно и очень быстро. То же самое каса- новые программы ной направленности, многочисленных ется и апгрейда: достаточно снять модуль робототехники и курсах программирования, а также ра- системной платы и установить на его ме- авиационных беспилотников диоэлектроники. Причем проект офи- сто новый. Внешне Concept Luna напоми- циально анонсировали еще летом теку- нает обычный 14-дюймовый ноутбук ли- Президент России Владимир Путин при- щего года с уточнением, что в этом году, нейки Latitude. Компания отмечает, что это звал запустить новые программы робото- 1 сентября, стартует интеграция его в ряд всего лишь концепт, и никакого серийно- техники и авиационных беспилотников. учебных организаций. К сожалению, ни в го воплощения его в ближайшем будущем давно прошедшего 1 сентября, ни даже не планируется. Тем не менее, какие-то на- Об этом в четверг, 15 декабря, сообща- позднее, данный проект не запустили и работки Concept Luna вполне могут быть ет ТАСС. даже появились данные, что его заморо- реализованы в будущих товарных устрой- зили на неуточнённый срок, ссылаясь на ствах Dell. «Уже просил в наступающем году подго- какие-то сложности с менеджментом. Хо- товить и запустить новые программы в об- тя в конце прошлого месяца даже предла- ixbt.com ласти робототехники и авиационных бес- галось оформить предварительный заказ пилотников. Конечно, обрести технологи- на первые экземпляры платы пилотной Правительство решило ческий суверенитет нельзя, что называется, партии со сроками поставки в ближай- открыть во Владимирской в один момент, но нужно продолжать си- шем декабре. области новую ОЭЗ стемную работу на перспективу», – сказал для производителей он на заседании Совета по стратегическо- Для справки, платформа с названием полупроводников му развитию и национальным проектам. Vostok и модельным номером UNO-VN035 по факту совместима с известным во всем Председатель правительства Михаил В ноябре глава государства заявил, что в мире Arduino и может применять такие же Мишустин подписал постановление о соз- России нужно наращивать усилия по раз- платы расширения, как в Arduino Uno. В ос- дании особой экономической зоны (ОЭЗ) витию искусственного интеллекта. По сло- нове российского решения лежит отече- «Владимир» на территории Киржачского вам Путина, в сфере искусственного интел- ственный микроконтроллер производства и Александровского муниципальных рай- лекта идёт жёсткое соперничество меж- «НИИЭТ» с маркировкой 1921ВК035, по- онов Владимирской области. ду странами. Вместе с тем РФ обходит их строенный на 32-битной RISC-архитектуре. по некоторым направлениям, указал он. В составе ОЭЗ промышленно-производ- techcult.ru Ранее сообщалось, что в России откро- ют полигон для беспилотных авиационных систем (БАС), где разработчики смогут про- водить лётные испытания дронов. Полигон БАС включает в себя цифровую платфор- му и собственно лётный полигон, распо- ложенный в районе аэродрома Орловка. russianelectronics.ru СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 29
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Разработка 3D фотон-электронной матричной нейросетевой реконфигурируемой платформы для высокопроизводительной обработки информации Валерий Сведе-Швец ([email protected]) ях между традиционным процессором и мозгом живых существ. Механизмы В статье рассматривается проект по созданию нейросетевого передачи информации в мозгу до сих инструмента для высокопроизводительной обработки информации пор не до конца изучены, и нет гото- общегосударственного применения на основе фотонной технологии. вого решения по созданию идеальной искусственной нейронной сети. Задачи проекта: ● изготовление 3D фотон-электронной матричной нейроморфной/нейросе- Оценка биологической ● изготовление по кремниевой фотон- тевой платформы – 3D ФЭ МНП – и активности человеческого ной технологии ООО «ОЭС» трёх- её модификаций для высокопроиз- мозга мерной фотон-электронной матрицы водительной обработки информации СБИС с нейроморфной/нейросе- общегосударственного применения. У человека порядка 100 миллиар- тевой архитектурой – 3D ФЭ МНП В октябре 2019 года президентом РФ дов клеток мозга. Число связей ней- СБИС с многоканальными аналого- рона с соседними оценивается в 1000, во-цифровыми фотонными и элек- была принята Национальная страте- и при каждой активизации нейрона трическими коммутационными свя- гия развития искусственного интел- его импульс достигает тысячи других зями; лекта на период до 2030 года. Борьба нейронов и далее по цепочке (рис. 1). за лидерство в развитии искусствен- По примерным оценкам нейрон связы- ● изготовление по кремниевой фотон- ного интеллекта предполагает рассмо- вается со своим соседом каждые 5 мил- ной технологии ООО «ОЭС» трёх- трение методов и средств машинного лисекунд, что приблизительно равно мерной фотон-электронной матрицы обучения и связанных с ними техно- 200 раз в секунду. СБИС лазеров вертикального излу- логий для всестороннего и успешно- чения – 3D ФЭ МЛВ СБИС; го развития задач национальной без- Оценим активность человеческого опасности. мозга: 100 миллиардов (количество ● изготовление по кремниевой фотонной нейронов) умножаем на 200 (секунд- технологии ООО «ОЭС» трёхмерной Несмотря на совершенствование ная работоспособность), умножаем на фотон-электронной матрицы СБИС интегральных технологий, традици- 1000 (количество соединений), полу- стандарта SW – 3D ФЭ МSW СБИС; онные процессоры по-прежнему не чаем скорость работы мозга, равную способны эффективно решать нели- 20 квадриллионам операций в секунду. ● изготовление 3D фотон-электронных нейные и неформализованные задачи. матричных процессорных модулей – В то же время мозг животных и чело- Мозг вырабатывает энергию, равную 3D ФЭ МПМ; века с такими задачами справляется лампочке 10 Ватт. отлично. Объяснение здесь кроется в ● изготовление механических разъ- качественных архитектурных различи- Предположительная ёмкость мозга в ёмных корпусов с матричными оп- электронных терминах составляет око- тическими линзовыми растрами, ло 1000 терабайт. многоканальных волоконных и призменных мультиплексных эле- ментов; ● адаптация программного обеспече- ния с открытым кодом; Рис. 1. Модель биологического нейрона Рис. 2. Искусственный нейрон СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 30 WWW.SOEL.RU
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Структура искусственного x1 1 W (1) 1 W (2) W (3) 1 y1 нейрона 1 Искусственный нейрон является x2 2 2 2 2 y2 упрощённой моделью естественного нейрона. xn k(1) k(2) k(3) k(4) yp Входной Промежуточные Выходной Математически искусственный слой слои нейрон обычно представляют как слой некоторую нелинейную функцию от единственного аргумента: линей- Рис. 3. Искусственная нейронная сеть ной комбинации всех входных сиг- налов. ных элементов, имеющих значитель- систолических чипов для формирова- ный разброс параметров. ния и управления нейронной сетью, Данную функцию называют функци- требуется внешняя память и управля- ей активации. Полученный результат Сегодня нет готовых решений по соз- ющий процессор. посылается на единственный выход. данию идеальной искусственной ней- Такие искусственные нейроны объеди- ронной сети. Существует огромное количество няют в сети: соединяют выходы одних способов соединения нейронов, расту- нейронов со входами других (рис. 2). Системный анализ щее с увеличением числа нейронов в архитектуры сети. Наиболее употребительной явля- Поступившие на входы искусствен- нейропроцессора и ется слоистая архитектура, в которой ного нейрона сигналы умножаются на классификация нейрочипов нейроны располагаются «слоями». свои веса (веса изображены кружками). В наиболее общем случае аксоны каж- Сигнал первого входа x1 умножается Элементной базой нейровычислите- дого нейрона одного слоя направлены на соответствующий этому входу вес лей служат нейрочипы. Большинство к нейронам следующего слоя. Таким w1. В итоге получаем x1w1. И так до из них ориентировано на конкретные образом, нейроны первого слоя явля- n-го входа. В итоге на последнем входе специализированные управляющие ются входными (принимающими получаем xnwn. Теперь все произведе- системы. информацию из внешнего мира), ней- ния передаются в сумматор, а он про- роны последнего слоя – выходными сто суммирует все входные сигналы, Нейрочипы делятся: (выдающими информацию во внеш- умноженные на соответствующие веса: ● по типу логики – на цифровые, ана- ний мир). Другой вид архитектуры – полносвязная, когда каждый нейрон x1w1+x2w2+…+xnwn=∑i=1nxiwi. логовые и гибридные; соединён с каждым, в том числе сам Искусственные нейроны объеди- ● по типу реализации нейроалгорит- с собой. няются между собой определённым образом, образуя искусственную ней- мов – с полностью аппаратной и с Процессор NeuroMatrixR ронную сеть (ИНС) с различным уров- программно-аппаратной реализаци- NM6404 нем слоёв (рис. 3). ей (когда нейроалгоритмы хранят- Многослойная ИНС позволяет ся в ПЗУ); NeuroMatrixR NM6404 (рис. 4) пред- решать задачи любой формы и сложно- ● по характеру реализации нелиней- ставляет собой высокопроизводитель- сти. При этом преимущество нейрон- ных преобразований – на нейрочипы ный DSP-ориентированный RISC- ных сетей – универсальность: они пре- с жёсткой структурой нейронов (ап- микропроцессор. В его состав входят вращают разные задачи в однотипные. паратно-реализованные) и нейрочи- два основных блока: 32-разрядное пы с настраиваемой структурой ней- RISC-ядро и 64-разрядное VECTOR- Проблемы в аппаратной ронов (перепрограммируемые); сопроцессор для поддержки операций реализации ИНС ● по возможностям построения нейро- над векторами с элементами перемен- сетей – нейрочипы с жёсткой и пе- ной разрядности. NM6404 по системе Синапс – сетевое соединение: коли- ременной нейросетевой структурой команд совместим с предыдущей вер- чество синапсов растёт квадратично с (т.е. нейрочипы, в которых тополо- сией NM6403. Имеются два идентич- ростом числа нейронов. гия нейросетей реализована жёстко ных программируемых интерфейса или гибко). для работы с внешней памятью раз- Вес синапсов: массы должны быть Процессорные матрицы (систоли- личного типа и два коммуникацион- определены с высокой точностью, для ческие процессоры) обычно близки к ных порта, аппаратно-совместимых того чтобы обеспечить правильную обычным RISC-процессорам; они объе- с портами ЦПС TMS320C4x, для воз- сходимость алгоритмов. диняют в своём составе некоторое чис- можности построения многопроцес- ло процессорных элементов, вся же сорных систем. Преимущества остальная логика, как правило, долж- нейрокомпьютера на быть реализована на базе перифе- Особенности: рийных схем. ● тактовая частота – 133 MГц (8 нс – Искусственные нейроны и сети явля- В отдельный класс следует выделить ются основными элементами нейро- так называемые нейросигнальные про- время выполнения любой инструк- компьютера. цессоры, ядро которых представляет ции); собой типовой DSP-процессор. ● технология КМОП 0,25 мкм; Все алгоритмы нейроинформатики Нейронным процессорам, построен- ● корпус PQFP256; высокопараллельны, а это залог высо- ным на основе сигнальных, тензорных, кого быстродействия. Нейросистемы можно сделать устой- чивыми к помехам и разрушениям. Устойчивые и надёжные нейросисте- мы могут создаваться и из ненадёж- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 31
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 4. Конструктивная реализация веса Постобработка поиска NeuroMatrixR NM6404 виды минимума-максимума деятельности Вектор входной 1 Рис. 6. Структура чипа SAND та высокая степень параллельности деятельности 2 обработки данных, если отработав- ● JTAG-совместимый отладочный ин- ший элемент сразу же считывает сле- ... терфейс; дующую порцию данных для обра- ботки. Сеть работает циклически, и в весовая n процессорный ● система управления потребляемой каждом последующем цикле каждый матрица модуль мощностью. обрабатывающий элемент считывает и VECTOR-сопроцессор: обрабатывает новую порцию данных, линейный MULT ADD независимо от работы остальных обра- вектор 1 MULT ADD ● от 1 до 64-разрядная длина вектор- батывающих элементов. За счёт этого ных операндов и результатов; достигается высокая степень распа- линейный MULT ADD раллеливания процессов обработки вектор 2 Таблица ● формат данных – целые числа, упако- информации и в результате высокая ванные в 64-разрядные блоки, в фор- скорость работы всей сети в целом. При 1 ... n поиска f (x) ме слов переменной длины от 1 до этом в нейропроцессорах использует- 64 разрядов каждое; ся ограниченный набор вычислений – линейный преимущественно свёртка и перемно- вектор m ● поддержка векторно-матричных и жение матриц, что открывает большой матрично-матричных операций; простор для оптимизаций. Вектор 1 16 тактов на перезагрузку матрицы выходной 2 коэффициентов; Базовые принципы деятельности ... построения систолических ● свопирование рабочей и теневой ма- архитектур: m триц; два типа функций насыщения на кристалле. ● систола представляет собой сеть Рис. 5. Структура систолического Производительность связанных вычислительных ячеек, процессора SAND Скалярные операции: обычно простых; ● напряжение питания от 2,5 В, 3,3 В, ● 133 MIPS; ● каждая ячейка содержит в себе бу- 5 В; ● 399 MOPS для 32-разрядных данных; ферный входной регистр, защёлки- вающий данные, и вычислитель, ● потребляемая мощность – около Векторные операции: оперирующий с содержимым этого 1,0 Вт; ● от 133 до более чем 38 000 MMAC регистра. Выход вычислителя может подаваться на входы других ячеек; ● условия эксплуатации: –40...+80°C. (миллионов умножений с накопле- RISC-ядро: нием в секунду); ● операции в систоле производятся по ● I/O и интерфейсы с памятью: типу конвейерной обработки; ● пятиступенчатый 32-разрядный кон- − пропускная способность двух вейер; ● вычисления в систоле регулируют- 64-разрядных интерфейсов с па- ся с помощью общего тактового сиг- ● 32- и 64-бит команды (обычно выпол- мятью 2128 Мбайт/с; нала; няется две операции в одной коман- − I/O коммуникационные порты – де); до 20 Мбайт/с каждый. ● результатом правильного построе- ния систолы должна быть простая ● 2 Мбит внутреннее ОЗУ; Систолические регулярная разводка с простой топо- ● доступ к внутренней памяти соседей; нейропроцессоры логией связей. ● два адресных генератора, адресное Этот класс вычислительных систем Систолический процессор пространство – 16 ГБ; создавался с ориентацией на приме- SAND ● два 64-разрядных программируемых нение в области нейросетей. Основная идея построения систолических про- Чип SAND (Simple Applicable Neural интерфейса с SDRAM/SRAM/DRAM/ цессоров состоит в использовании спе- Device) разработан для применения Flash ROM разделяемой памятью; циальных обрабатывающих элементов, в промышленных и исследователь- ● 4 одновременных доступа к внутрен- простых по своим функциям и структу- ней памяти; широковещательный ре- ре. Эти элементы образуют процессор- жим доступа к внешней памяти; ную матрицу, через которую идёт поток ● 64k Boot ROM; формат данных – данных, изменяемых каждым элемен- 32-разрядные целые; 4 канала DMA; том. При этом может быть достигну- ● два коммуникационных порта вво- да/вывода, аппаратно-совместимых с портами TMS320C4x; 32 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Ячейка ввода Входные пики Пик выходного сигнала Скрытая ячейка Ядро Свёртка или пул Рис. 8. Структура нейроморфного процессора Ячейка вывода информацию в самих сигналах, SNN Рис. 7. Архитектура свёрточных нейронных сетей моделируют естественные процессы обучения, динамически переключая ских системах реального времени. их свойстве инвариантности, т.е. объ- синапсы между искусственными ней- Чип способен реализовывать нейро- ект на изображении может находить- ронами в ответ на стимулы. сети с максимальным числом входов ся в любом месте, но сеть его всё рав- 512 (рис. 5, 6). но найдёт (рис. 7). Хотя нейроморфные чипы, как пра- вило, всё ещё являются цифровыми, Чип SAND содержит четыре парал- Применение CNN: они в большинстве случаев работа- лельных обрабатывающих элемен- ● распознавание образов, ют на основе асинхронных цепей, что та PE (Processing Elements), каждый ● «компьютерное зрение» (computer означает отсутствие глобальной син- из которых снабжён АЛУ и блоками хронизации. В зависимости от кон- отсечения (auto-cut). АЛУ использует- vision), кретного приложения нейроморфные ся для умножения векторов. Так как ● видеоанализ. вычисления могут быть на несколько АЛУ накапливает входные значения, порядков быстрее и требуют меньше выходная шина имеет разрядность Структура нейроморфного энергии. 40 бит (это ограничивает число вход- процессора ных нейронов до 512). Блок отсечения В настоящее время лидером по раз- снижает разрядность до 16 с контро- Нейроморфные процессоры – это работке полупроводникового нейро- лем переполнения и потери точности. устройства, аппаратно моделирую- морфного процессора является кор- Окно, выбирающее 16 бит из 40, может щие работу импульсных нейронных порация INTEL c процессором Loihi 2. быть смещено пользователем по свое- сетей (SNN). В таких сетях моделиру- Процессор организован по матрич- му усмотрению. емые нейроны, как и реальные био- ной архитектуре ядер. Ядро содержит логические нейроны, общаются друг вычислительные элементы и память в Нейрокомпьютеры с нейроморфны- с другом, используя электрические качестве нейронов и синапсов. Систе- ми процессорами представляют собой импульсы – спайки. При этом SNN мы на NPU Intel Loihi 2 учатся быстрее одну из перспективных разработок в обладают большей «вычислительной и эффективнее, что открывает перед области вычислительной техники, так мощностью», чем сети предыдущих ними массу перспектив. как они намного эффективнее реша- поколений (рис. 8). ют нелинейные и неформализованные При решении задач оптимизации и задачи по сравнению с традиционны- В нейроморфных процессорах искус- поиска выяснилось, что NPU Loihi 2 ми процессорами. ственные нейроны объединяются по может решать задачи более чем в модели импульсных нейронных (спай- 1000 раз эффективнее и в 100 раз Нейроморфные вычисления отли- ковых) сетей SNN, особенностью кото- быстрее по сравнению с традицион- чаются от классических подходов к рых является передача с помощью ными процессорами (рис. 9). ИИ, которые основаны на свёрточ- разнесённых по времени коротких ных нейронных сетях (CNN), тем, что импульсов равной амплитуды. По Основные характеристики они гораздо точнее имитируют мозг аналогии с биологическим образцом чипа Intel Loihi 2: с помощью импульсных нейронных искусственный нейрон – один выход сетей (SNN). (аксон), сигнал с которого может посту- ● техпроцесс – Intel 4; пать на большое количество входов ● площадь кристалла – 31 мм2; Свёрточные нейронные других нейронов и тем самым изме- ● площадь ядра – 0,21 мм2; сети (CNN) нять их состояние. ● количество транзисторов – 2,3 млрд; ● количество нейронных ядер на чип – Свёрточные нейронные сети Обработка информации (Convolutional Neural Network, CNN) – нейроморфным 128; это нейронные сети, которые показали процессором в импульсной ● количество процессоров на чип – 6; высокую точность в классификации и нейронной сети (spiking ● количество нейронов на чип – 1 млн; кластеризации изображений, а также в neural network – SNN) ● количество синапсов на чип – распознавании объектов, хотя приме- няются практически везде. CNN состо- Каждый «нейрон» в сети SNN может 120 млн; ят из двух видов слоёв: слоёв свёртки и срабатывать независимо от других: ● память на нейронное ядро – 192 кБ, пулинга. Слой пулинга необходим для он отправляет импульсные сигна- уменьшения размерности. Преимуще- лы другим нейронам в сети, которые гибкое размещение; ство свёрточных сетей заключается в напрямую изменяют электрические ● модели нейронов – полностью про- состояния этих нейронов. Кодируя граммируемые; ● область состояния нейрона – 0…4096 байт на нейрон; СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 33
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Параллельный Нейроморфное ядро позволяют применять нейрочип «Алтай» ввод-вывод • Программируемая модель нейрона в очень широком спектре интеллектуаль- • Программируемое обучение ных устройств (рис. 11–13). Нейроморфная сетка • Синаптическая память до 128 КБ • До 8192 нейронов Ключевые архитектурные решения Параллельные внечиповые интерфейсы Параллельный Параллельный • Асинхронный дизайн чипа «Алтай»: • Настраиваемые связи между чипами для ввод-вывод ввод-вывод ● полная цифровая реализация на со- Микропроцессорные ядра 3D-масштабирования • Эффективная коммуникация временной монолитной кремниевой • Поддержка стандартных синхронных технологии; на основе спайков ● универсальная, но простая в реали- протоколов • Микропроцессорные ядра зации на кристалле цифровая мо- • Конфигурация сети дель нейрона; Ткань NoC с низкими накладными Параллельный Параллельный ● параметры функционирования ней- ввод-вывод ввод-вывод ронов и структура сети формируют- расходами ся вне кристалла; • 8×16-ядерная 2D-сетка Параллельный ● многоядерная архитектура; нейро- • Масштабируемость до 1000 ядер ввод-вывод чип представляет собой масштаби- • Порядок измерения перенаправлен руемую сеть нейроядер; • Два физических материала ● нейрочип проектируется по модели • Ускорение для подтверждения связи GALS. Ядра являются синхронными схемами, каждое из которых функци- между ядрами онирует в своём домене синхрони- зации. Все коммуникативные блоки Рис. 9. Архитектура чипа Intel Loihi 2 нейрочипа являются асинхронными. Возможности, предоставляемые НП Рис. 10. Базовое устройство для демонстрации возможностей Loihi 2 – Oheo Gulch «Алтай»: ● исполнение произвольных импульс- ● кодирование информации – ступен- Ключевые преимущества: ных нейронных сетей; чатое состояние спайка, до 32 бит на ● высокая эффективность по энерго- ● неограниченная масштабируемость импульс; сети; потреблению, производительности ● обучение в процессе работы устрой- ● внешние интерфейсы – стандартные и размерам; ства; протоколы SPI и AER, GPIO, Ethernet ● возможность решения неформализу- ● низкое энергопотребление по срав- 1000BASE-KX, 2500BASE-KX. емых и плохо формализуемых задач; нению с классическими вычисли- Готово базовое устройство для ● высокая масштабируемость, огра- тельными устройствами; ниченная только требованиями по ● высокая производительность – обра- демонстрации возможностей Loihi 2. энергопотреблению и массогабарит- ботка до 2000 кадров в секунду в за- Оно называется Oheo Gulch и пред- ным параметрам; дачах технического зрения; ставляет собой плату с одним чипом ● отказоустойчивая архитектура; ● компактный и недорогой чип. Loihi 2, а также FPGA Intel Arria 10, ● отечественный. Изготовлен модуль нейроморф- предоставляющим интерфейс и уда- Основные модели применения: ного акселератора с 8 прототипами лённый доступ через Ethernet к ней- ● обработка большого потока раз- нейроморфного процессора «Алтай» роморфному чипу (рис. 10). нородных сигналов с целью об- (рис. 14). наружения аномалий в системах Недостатки современных полупро- Российская компания «Мотив НТ» киберфизической безопасности и водниковых нейрочипов для нейро- разрабатывает собственный нейро- системах мониторинга физических процессоров: морфный процессор «Алтай». объектов; ● кристаллы изготовлены с применени- ● обработка видео- и аудиоизображений; ем кремниевой 2D-технологии с пла- Нейроморфный чип ● интегрирование и обработка сенсор- нарными электрическими связями; «Алтай» ной информации от различных дат- ● кристаллы устанавливаются на плату чиков и сенсоров в робототехнике; и ограничены по масштабированию Энергоэффективный нейропроцес- ● обработка физиологических сигналов. электрическими связями; сор для интеллектуальных устройств Низкое энергопотребление, малый ● кристаллы изготовлены на нанораз- «Алтай» – «вычислительное» устрой- размер и высокая производительность мерной, не существующей в России ство, функционирующее на принци- технологической базе. пах, схожих с биологическими нейрон- ными системами. Фотоника для ИИ и нейроморфные фотонные системы Созданные на сегодняшний день нейронные сети и нейроморфные про- цессоры весьма приближённо «копи- руют» работу биологических мозгов 34 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 11. Функциональные характеристики нейрочипа «Алтай» даже животных, не говоря уже о функ- Рис. 12. «Алтай»: структурная схема нейропроцессора циональности головного мозга чело- века. Рис. 13. «Алтай»: структурная схема нейроядра Попытки повторить на кремние- Рис. 14. Модуль нейроморфного акселератора с 8 прототипами вых электронных чипах структуру связей, существующую в биологи- ● отсутствие взаимного влияния при ● параллельная природа светового по- ческом мозге, до сих пор не увенча- пересечении лучей света в простран- тока и способность к объединению лись успехом вследствие высочайшей стве; обеспечивают создания гибких па- сложности её построения из сотен раллельных архитектур; миллионов искусственных нейро- ● несколько каналов с высокой про- нов, соединённых друг с другом так, пускной способностью могут сосу- ● отсутствие возможности перехваты- что эти соединения в процессе обу- ществовать в одном пространстве; вать информацию, поскольку опти- чения или получения нового опыта «переконфигурируются», создавая новые устойчивые сетевые структу- ры. Основная сложность повторения вроде бы понятного «узора» биоло- гической нейронной сети заключает- ся в физических ограничениях, при- сущих полупроводниковой микро- и наноэлектронике. Выход из этого «технологического тупика» учёные видят в развитии фотоники – опти- ческом аналоге электроники, в кото- ром носителями сигналов являются фотоны света. Технология оптоэлектроники уже достигла успеха в ряде областей, про- демонстрировав черты самостоятель- ного приборостроения. Уже широко используются волоконно-оптические линии связи, оптическая и голографи- ческая память большой ёмкости, сенсо- ры изображения и другие устройства. Фотонные пространственные соеди- нения в архитектурах вычислительных устройств и систем имеют ряд преиму- ществ по сравнению с электронными соединениями. Основными из них являются: ● отсутствие электрического провод- ника, позволяющее осуществлять эффективные пространственные соединения «кристалл-кристалл», «плата-плата»; СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 35
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 15. Технология межсоединений способностью. Устройства на основе оптических волноводов, взаимодей- кремниевой фотоники могут обеспе- ствующих при передаче оптических ческая система ничего не излучает в чить беспрецедентный уровень энер- сигналов в разных направлениях. окружающую среду; гоэффективности и параллелизма. Это решение позволило многократ- ● устойчивость к электромагнитным В настоящее время ведутся разработки но увеличить количество связей меж- помехам. в области оптоэлектронных устройств, ду активными компонентами (оптиче- Кремниево-фотонная техноло- плазмоники и нанофотоники, а также скими логическими элементами) по гия стала многообещающей КМОП- фотонно-аналоговой обработки инфор- сравнению с электронными нейросетя- совместимой альтернативой для реа- мации и нейроморфных вычислений. ми, благодаря чему удалось повысить лизации нового поколения устройств сложность схем маршрутизации сигна- и систем, которые могут использовать В США создан первый лов и скорость обмена данными меж- свет как для связи, так и для вычис- фотонный нейроморфный ду узлами сети. В результате достигну- лений. чип та рекордная «схожесть» архитектуры Кремниевая фотонная техноло- нейронной фотонной сети со строени- гия становится реальностью, а полу- Одно из последних прорывных ем биологического мозга. проводниковые микросхемы с инте- достижений в сфере создания нейро- гральными микролазерами позволяют морфных чипов недавно продемон- Суть изобретения фотонного нейро- создавать 3D-процессоры с бесконтакт- стрировали учёные Национального морфного чипа американскими учё- ными и волоконными многоканаль- института стандартов и технологий ными заключается в формировании ными фотонными связями, осущест- США, представив двухслойную трёх- на подложке из кремния двух сло- вляя обмен данными как внутри, так мерную систему, состоящую из матриц ёв матриц, состоящих из тончайших и снаружи ПК с большой пропускной нитрид-кремниевых световодов (их поперечные сечения находятся в пре- делах 800×400 нм). Также разработано ПО, обеспечи- вающее указание автоматического направления сигналов по нужным путям в схеме и регулировку уровней взаимосвязей между отдельными ней- ронами. 3D кремниево-фотонная технология ООО «ОЭС» В объёмной (3D) фотон-электрон- ной технологии, разработанной ООО «ОЭС», многоканальные оптические и электрические каналы реализуются непосредственно на обеих поверхно- стях полупроводниковых кристаллов. На рис. 15 показан существующий и разработанный перспективный уро- вень технологий соединений. Рис. 16. Фотонный и электронный ввод-вывод информации в Рис. 17. Структурная схема 3D ФЭ МВЛ СБИС Si-кристалл Si-кристалл 3D ФЭ матрицы функциональной СБИС 3D ФЭ матрицы функциональной СБИС 36 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ GaAs кристалл Керамическая матрицы плата Электрические Электрические контакты входы-выходы Функциональный Si кристалл Рис. 19. Связь в 3D МОЭМ Рис. 18. Структура 3D ФЭ матрицы функциональной СБИС с оптическими и Пиксель электрическими связями Слайс Реализация матриц с многока- 3D ФЭ матрицы нальными 3D ФЭ процессорны- функциональных Рис. 20. Организация потоковой ми элементами требует разработки СБИС с оптическими и «вертикальной обработки» фотон-электронного интерфейса, обе- электрическими связями спечивающего многоканальный опти- для потоковой обработки 3D фотон-электронная технология ческий и электрический ввод-вывод информации является комплексной технологией информации на обеих поверхностях для реализации 3D ФЭ матриц функ- всей интегральной схемы. Реализация Матрицы функциональных СБИС с циональных СБИС с оптическими и такого фотон-электронного интерфей- оптическими и электрическими связя- электрическими связями на базе крем- са, обеспечивающего многоканальный ми имеют внутренние и внешние мно- ниевых и арсенид-галлиевых инте- ввод-вывод информации в интеграль- гоканальные связи. Многоканальная гральных схем (рис. 21–25), которые ную схему, возможен, если для фотон- оптическая связь направлена ортого- реализуют следующие виды обмена электронного многоканального ввода/ нально к плоскости кристалла по оси информацией: вывода информации используются обе Z, а электрические связи по осям Х, У ● оптический приём – логическая об- поверхности кристалла наряду с пла- и Z относительно плоскости полупро- нарным электрическим интерфейсом водниковых СБИС. работка, коммутация – оптический ввода/вывода. выход; Такая реализация многоканальных ● оптический приём – логическая об- Такой подход позволяет реализовать оптических и электрических связей в работка, коммутация – электриче- принцип трёхмерной многоканальной СБИС переводит их в категорию полу- ский выход; связи и создавать функциональные 3D проводниковых приборов с объёмной, ● электрический приём – логическая фотон-электронные полупроводнико- трёхмерной фотон-электронной архи- обработка, коммутация – оптический вые элементы с многоканальными тектурой. выход; (матричными) оптическими и элек- ● электрический приём – логическая трическими каналами с потоковой Трёхмерные фотон-электронные (3D обработка, коммутация – электриче- обработкой информации для различ- ФЭ) матричные функциональные СБИС ский выход. ных устройств и строить высокопроиз- с оптическими и электрическими связя- Основные конструктивные единицы водительные информационно-вычис- ми представляют собой прибор с инте- 3D ФЭ МПМ: лительные системы с множеством гральными полупроводниковыми схе- ● мезонинная LTCC-плата для монта- датчиков. мами, фокальные плоскости которых жа компонентов 3D ФЭ МПМ; обеспечивают ввод или вывод инфор- ● 3D ФЭ СБИС МНП в составе четы- Организация фотонного и элек- мации по многоканальным оптическим рёх кристаллов; тронного ввода-вывода информации и электрическим каналам связи и пото- ● 3D ФЭ СБИС МВЛ в составе четырёх с использованием двух сторон кри- ковой обработкой информации. кристаллов; сталла позволяет перейти к разработ- ● 3D ФЭ СБИС SW МНК в составе од- ке кремниево-фотонной объёмной тех- Полупроводниковые кристаллы изго- ного кристалла; нологии и созданию многоканальных товляются с применением кремниевой и ● корпус 3D ФЭ МКП с многоканаль- фотон-электронных соединений на арсенид-галлиевой технологий (рис. 18). ными линзовыми растрами; уровнях «чип–чип», «плата–плата», ● 3D ФЭ МКЦ – корпус цилиндриче- «распределённая объектовая связь» Кристаллы 3D ФЭ матриц функцио- ский с многоканальными линзовы- для различных устройств и строить нальных СБИС с оптическими и элек- ми растрами; высокопроизводительные информа- трическими связями по технологии ционно-вычислительные системы со «кристалл на плате» монтируются с двух множеством датчиков (рис. 16, 17). сторон на LTCC-плату и закрываются герметичным корпусом с механическим разъёмом и многоканальными оптиче- скими линзовыми растрами (рис. 19, 20). СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 37
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 21. Структурная схема 3D ФЭ матрицы функциональной СБИС ● мезонинная LTCC-плата – 1 шт.; ● микросхема 3D ФЭ МНП СБИС с матри- а цей процессорных элементов – 4 шт.; б ● микросхема 3D ФЭ МВЛ СБИС с ма- Рис. 22. Фотография (а) и ахитектура (б) 3D ФЭ матрицы функциональной СБИС трицей лазеров вертикального излу- с оптическими и электрическими связями и 8×8 процессорными элементами (ПЭ) чения – 4 шт.; ● корпус параллельный 3D ФЭ МКП с Вывод ● система на кристалле 1892ВМ14Я: линзовыми растрами – 1 шт.; программы ● корпус цилиндрический 3D ФЭ МКЦ Ввод Регистр программы микропроцессор 1892ВМ14Я и кри- с линзовыми растрами – 2 шт.; программы ● оптический мультиплексор 3D ФЭ МОМ с призмами – 2 шт.; сталлы памяти; ● процессор 1892ВМ14Я с электронны- ми схемами – 1 шт.; Дешифратор команд ● многоканальный электрический ● многоканальный электрический разъём для электрического пита- разъём для электрического пита- ния и функциональных электриче- ских интерфейсов – 1 шт. АЛУ ния и функциональных электриче- Минимальная пропускная способ- ность 512 матричных фотонных бес- Справа Коммутатор Направо ских интерфейсов. контактных линий связи – 819,2 Гбит. Слева электрических Налево Минимальная пропускная способ- Сверху Наверх 3D ФЭ МПМ позволяет реализовать ность 256 канальных фотонных воло- Снизу каналов конных линий связей – 25,6 Гбит. Вниз режим матричной, потоковой обра- Минимальное число удалённых або- нентов с двухсторонней связью и элек- ботки информации, поступающей по тромагнитной защитой – 64. Достоинство 3D М ФЭ ПМ в дис- Память данных многоканальным фотонным каналам, танционной программно-перестраи- внутренних ваемой архитектуре под конкретный с обработкой информации «на прохо- алгоритм решаемой задачи без извле- электронных каналов чения 3D М ФЭ ПМ из базового изде- hλ де», без промежуточного её хранения. лия, в отличие от аппаратной прошив- АЦП Память данных ки, как в системах с ПЛИС. внешних Электрические интерфейсы фотонных 3D ФЭ матрицы каналов 1892ВМ14Я позволяют 3D ФЭ МПМ непо- функциональных СБИС, которые применяются в средственно сопрягаться с процессорны- процессорных модулях 3D ФЭ МПМ: Коммутатор ми модулями и датчиками, а фотонные внешних ● 3D ФЭ МНП СБИС – фотон-элек- ē интерфейсы через волоконные оптиче- тронная матрица нейронных процес- фотонных каналов ЦАП соров. Каждый ПЭ матрицы обеспе- чивает многоканальный АЦП/ЦАП ские линии связи (ВОЛС) – связывать- приём и выдачу фотонных сигна- лов, цифровую обработку сигналов, Рис. 23. Структура процессорного ся с удалёнными 3D ФЭ МПМ (рис. 26). функциональную обработку, хране- элемента (ПЭ) 3D ФЭ матрицы ние и коммутацию данных, внутрен- функциональной СБИС с оптическими Состав 3D ФЭ МПМ с 3D ФЭ матри- ний и внешний обмен информацией и электрическими связями по фотонным и электронным кана- цами функциональных СБИС с опти- лам с высокой пропускной способ- ностью; ческими и электрическими связями: ● 3D ФЭ МВЛ СБИС – фотон-элек- тронная матрица лазерных диодов вертикального излучения для гене- рации многоканальных фотонных сигналов; ● 3D ФЭ МНК СБИС – фотон-электрон- ная матрица неблокируемой комму- тации фотонных и электрических каналов – маршрутизатор аэрокос- мического стандарта SpaceWire. 38 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Концепция архитектуры hλ потокового нейросетевого процессора на основе hλ 1 2 ē ПМ ПМ 64 3D фотон-электронной 1 ПМ ПМ 64 матричной элементной базы и пространственной SW ПР ПР многоканальной фотонной ПР ПР сети 32 Все современные нейронные вычисли- интерфейс ē тели построены по планарной техноло- hλ гии с электрическими интерфейсными 1892ВМ14Я связями, а это фундаментальный их недо- статок. Биологическое строение мозга 1 ПР ПР ē имеет объёмную конструкцию и много- ПМ ПМ мерные всесторонние нейронные связи. SW Перифери ПМ ПМ В нейронных вычислителях основная 32 ПР ПР 64 вычислительная нагрузка ложится на сетевые архитектуры. Кто создаст вычис- ē 64 лительную платформу с идеальной ней- 12 ронной сетевой архитектурой с фотонной многоканальной полносвязной реконфи- hλ гурируемой связью, тот получит доступ к рыночному разнообразию внедрения Рис. 24. Архитектура 3D ФЭ МПМ с 3D ФЭ матрицами функциональных СБИС с изделия, как для гражданского, так и для оптическими и электрическими связями специального применения (рис. 27). оптический выход EMIFB DDR2 3.3 V Матричный 3D ФЭ DDR2 1.8 V нейровычислитель 64 64 1892 ВМ 7Я I2C Flash 1.5 V на основе аналоговых 1.25 V оптических вычислений, ОЭ МВЛ ОЭ МВЛ 1.2 V элементов оптических 1.1 V систем и многоканальной, 4 3.3 V пространственной фотон- 1.8 V электронной и волоконно- AIF 0.512 V оптической связи (рис. 28) JTAG 0.256 V 0.128 V Состав нейровычислителя: Clk GND ● три 3D ФЭ М ПМ с 256 ПЭ и много- ОЭ БПФ ОЭ НП SRIO JTAG DDR2 канальной пространственной фотон- EMIFB DDR2 ной связью: 64 64 Flash ● функция обработки – трёхуровневая, EMIFA 1892 ВМ 7Я I2C 2 аналогово-цифровая; оптический вход ● базовый 3D ФЭ М ПМ – 3 шт.; SRIO Clock ● оптический волоконный многока- JTAG нальный пространственный преоб- Си разователь – 6 шт.; Clk ● фотонный сумматор – оптическая линза – 3 шт. электрический разъем SAMTEC QMS-052-01-SL-D-EM2-TR 3D ФЭ матричная - лицевая сторона «Ф» – прием многоканального оптического сигнала нейроморфная среда ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНС с - обратная сторона «Л» – передача многоканального оптического сигнала фотонной многоканальной импульсной нейроморфной Рис. 25. Структурная схема 3D ФЭ МПМ с 3D ФЭ матрицами функциональных сетью (SNN) на основе СБИС с оптическими и электрическими связями 3D ФЭ МПП и 3D ФЭ МНП СБИС с реформируемым фотон-электронный матричный ней- Рис. 26. Фотография 3D ФЭ МПМ с 3D нейроморфным чипом роморфный процессорный СБИС – ФЭ матрицами функциональных СБИС «Алтай» 3D ФЭ МНП СБИС с матрицей АЦП/ с оптическими и электрическими ЦАП и неблокирующим коммутатором связями Нейроморфный чип российской раз- матрицы выходных фотонных сигна- работки «Алтай» и его матрица ней- лов по кремниево-фотонной техноло- мью 3D ФЭ МНП СБИС, 3D ФЭ МВЛ роядер конструкторско-технологи- гии ООО «ОЭС». СБИС и оптическими призменными чески реформируется под объёмный мультиплексными элементами пред- Чип «Алтай» получает в каждое ней- ставлена на рис. 29–31. роядро матрицы входной плоскости чипа фотонный импульсный сигнал Фотонные с канальной аналого-цифровой вели- информационные чиной информационного сигнала до связи в матричной 256 бит. пространственно- временно́й нейроморфной После алгоритмической обработки среде – 3D ФЭ МНС входных сигналов из каждого нейро- ядра матрицы выходной плоскости ● В матричной пространственно- чипа передаются цифро-аналоговые временно́й потоковой нейроморф- электрические импульсные сигналы ной среде 3D ФЭ ВНС располагает- для матрицы лазеров вертикально- ся шестнадцать 3D ФЭ МПП. Каждая го излучения с канальной величиной информационного сигнала до 256 бит. 3D ФЭ МНП СБИС устанавливает- ся на объёмные фотон-электронные матричные процессорные платы – 3D ФЭ МПП. Архитектура матричной простран- ственно-временно́й нейроморфной среды – 3D ФЭ МНС с шестнадцатью 3D ФЭ МПП каждая, с четырьмя/восе- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 39
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 27. Концепция архитектуры матричного нейронного процессора 33 554 432 нейрона с 4 294 967 296 или 8 589 934 592 синапсами. Рис. 28. Матричный 3D ФЭ 256-ядерный нейровычислитель ● В матричной пространственно- временно́й потоковой нейроморф- Рис. 29. Структурная схема и информационные потоки 3D ФЭ МНС ной среде – 3D ФЭ МНС, содержа- щей четыре или восемь 3D ФЭ МНП 3D ФЭ МПП содержит четыре/во- или 2048 нейронными ядрами. Так СБИС в 3D ФЭ МПП, в случае реали- семь 3D ФЭ МНП СБИС с матрицами же организована оптическая связь и зации в 3D ФЭ МНП СБИС небло- 32×32 нейронных ядер и 3D ФЭ МВЛ у других 3D ФЭ МПП с их матрица- кирующего коммутатора фотонных СБИС с матрицами 32×32 лазеров ми нейронных ядер. выходных каналов 3D ФЭ МНС ре- вертикального излучения. Каж- ● В матричной пространственно- ализует архитектуру произвольно- дый выход матриц нейронных ядер временно́й потоковой нейроморф- го формирования структуры ней- 3D ФЭ МНП СБИС в 3D ФЭ МПП свя- ной среде – 3D ФЭ МНС, содержащей роморфных сетей с многократным зан через оптическую призменную шестнадцать 3D ФЭ МПП с четырь- увеличением фотонных информа- систему с входом с одной или двумя мя или восемью 3D ФЭ МНП СБИС ционных связей. матрицами нейронных ядер 3D ФЭ с матрицами 32×32 нейронных ядер. ● В матричной пространственно- МНП СБИС в 3D ФЭ МПП и их 1024 В 3D ФЭ МПП имеется 16 777 216 или временно́й потоковой нейроморф- ной среде – 3D ФЭ МНС, содержа- щей четыре или восемь 3D ФЭ МНП СБИС в 3D ФЭ МПП, возможна ре- ализация интерфейсных электри- ческих связей между 3D ФЭ МНП СБИС на 3D ФЭ МПП, что, соответ- ственно, увеличивает гибкость ин- формационных потоков в нейро- морфной сети 3D ФЭ МНС. ● 3D ФЭ матричная фотонная ней- росетевая оптическая платформа ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНОП стро- ится на 3D ФЭ МПМ и 3D ФЭ МНП СБИС с тензорной, систолической, нейроморфной архитектурой и реа- лизует свёрточные нейронные сети (CNN) или импульсные нейроморф- ные сети (SNN) (рис. 32). Конструктивная единица 3D ФЭ МНОП ● В 3D ФЭ матричной нейросетевой оп- тической платформе – 3D ФЭ МНОП – располагается четыре 3D ФЭ МПМ. Каждый 3DФЭ МПМ содержит четы- ре 3D ФЭ МНП СБИС с тензорной, систолической или нейроморфной архитектурой, связанных между со- бой по электрическому интерфейсу. ● 3D ФЭ МНП СБИС содержит матри- цу 32×32 нейронных ядер. ● Каждый фотонный вход-выход четы- рёх матриц нейронных ядер 3D ФЭ МНП СБИС 3D ФЭ МПМ соединён через фокон-линзовую оптическую систему и оптическую мультиплекс- ную призму с фотонным входом-вы- ходом двух 3D ФЭ МНП СБИС 3D ФЭ МПМ и их 512 нейронными ядрами. Так же организована фоконно-лин- зовая оптическая система и у других матриц нейронных ядер 3D ФЭ МНП СБИС 3D ФЭ МПМ. ● В 3D ФЭ матричной нейросетевой оп- тической платформе – 3D ФЭ МНОП матрица выходных сигналов нейрон- ных ядер 3D ФЭ МНП СБИС 3D ФЭ. 40 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Рис. 30. Фотография конструкции 3D ФЭ МПП ● МПМ суммируется с помощью оп- Рис. 31. Фотография конструкции матричной пространственно-временной тической линзовой системы и пе- потоковой нейроморфной среды – 3D ФЭ МНС с шестнадцатью функциональными редаётся во входной канал при- 3D ФЭ МПП и оптическим призменным мультиплексным элементом нимающей нейронной матрицы. Программа решает, индивидуаль- но или полносвязно принять ре- зультат выхода нейрона с матрицы выходных сигналов через фокон- ную оптическую систему: сразу с 512 соседними нейроными ядрами или индивидуально с помощью не- блокирующего коммутатора. Так же организована многоканальная связь и с другими матрицами нейронов 3D ФЭ МНП СБИС. Фотонные Рис. 32. Архитектура 3D ФЭ матричной нейросетевой оптической платформы информационные связи ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНОП в 3D ФЭ матричной нейросетевой оптической ● 2 147 483 648 (два миллиарда сто со- нением как свёрточных нейронных платформе – 3D ФЭ рок семь миллионов четыреста во- сетей (CNN), так и импульсных нейро- МНБП(МНОП) семьдесят три тысячи шестьсот сорок морфных сетей (SNN) является 3D ФЭ восемь) фотонных связей с нейрона- МНБП потоковой, пространственно- В 3D ФЭ МНБП(МНОП) каждый 3DФЭ ми; временно́й, перестраиваемой архи- МПМ содержит четыре 3D ФЭ МНП тектурой и включает в себя (рис. 33): СБИС с матрицей процессоров тензор- ● 549 755 813 888 (пятьсот сорок де- ● базовый 3D ФЭ МПМ – 4 шт.; ной, систолической или нейроморфной вять миллиардов семьсот пятьдесят ● оптический мультиплексор 3D ФЭ архитектуры, связанных между собой по пять миллионов восемьсот тринад- электрическому интерфейсу. цать тысяч восемьсот восемьдесят во- МОМ с призмами – 4 шт. семь) фотонных связей с синапсами. Число удалённых абонентов с двух- Матричные процессоры – 3D ФЭ Базовая платформа ООО «ОЭС» – сторонней связью и электромагнитной МНП СБИС размерностью 32×32 = защитой – 256. = 1024 ПЭ с нейронными ядрами. 3D ФЭ МНБП(МНОП) с фотонной 3D ФЭ матричный нейросетевой многоканальной связью на осно- кластер ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНК с 1024×1024×2 = 2 097 152. Прямые ве 3D ФЭ МПМ и 3D ФЭ МНП СБИС фотонной многоканальной связью фотонные связи с нейронными ядрами. и оптических призменных муль- на основе 3D ФЭ МПМ и 3D ФЭ МНП типлексных элементов для систем СБИС и оптических призменных муль- 2 097 152×4 = 8 388 608. Прямые искусственного интеллекта с приме- фотонные связи между четырьмя кри- сталлами 3D ФЭ МНП СБИС с нейрон- ными ядрами. 8 388 608×4 = 33 554 432. Прямые фотонные связи между четырьмя 3DФЭ МПМ с четырьмя 3D ФЭ МНП СБИС размерностью 32×32 = 1024 ПЭ с нейронными ядрами. 8 388 608×256 = 2 147 483 648. Пря- мые фотонные связи с нейронами в 3D ФЭ МНБП(МНОП). 2 147 483 648×256 = 549 755 813 888. Прямые фотонные связи с синапсами в 3D ФЭ МНБП(МНОП). В 3D ФЭ матричной нейросетевой оптической платформе – 3D ФЭ МНБП/ МНОП реализуется: СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 41
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Архитектура 3D ФЭ МНБП. Процессорный модуль 3D ФЭ МПМ. Рис. 33. 3D ФЭ матричная нейросетевая базовая платформа ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНБП Рис. 34. 3D ФЭ матричный нейросетевой кластер – 3D ФЭ МНК типлексных элементов для систем вяносто две) фотонные связи с ней- 2D полупроводниковой техноло- искусственного интеллекта с приме- ронами; гии с планарными электрическими нением как свёрточных нейронных ● 415 226 380 288×4 = 1 660 905 521 152 выводами. Изделия с 3D кремниево- сетей (CNN), так и импульсных нейро- (один триллион шестьсот шестьдесят фотонной технологией ООО «ОЭС» морфных сетей (SNN) включает в себя миллиардов девятьсот пять милли- полностью реализуются на россий- 3D ФЭ МНБП – 4 шт (рис. 34). онов пятьсот двадцать одна тысяча ских предприятиях. сто пятьдесят две) фотонные связи Фотонные с синапсами. 3D кремниево-фотонная технология информационные связи Сервер на базе 3D ФЭ с матричны- ООО «ОЭС» и 3D ФЭ конструкторские в 3D ФЭ матричном ми нейросетевыми кластерами – 3D ФЭ и технологические решения позволя- нейросетевом кластере МНК и потоковой, пространственно- ют создавать 3D ФЭ изделия с ИИ и ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНК временно́й, перестраиваемой архитек- применять их в специальных систе- турой способен реализовать любой уро- мах, например, беспилотных лета- 3D ФЭ МНК содержит четы- вень ИИ. тельных аппаратах и в гражданских ре 3D ФЭ МНБП, каждый имеет 3D кремниево-фотонная техноло- системах для создания сервера с про- 2 147 483 648 прямых фотонных свя- гия ООО «ОЭС» реализует 3D фотон- граммно-сетевой адаптацией и боль- зей с нейронами и 549 755 813 888 пря- электронные матричные, многока- шим объёмом памяти искусственно- мых фотонных связей с синапсами. нальные связи в обеих плоскостях го мозга. чипов, изготовленных по кремние- В 3D ФЭ матричном нейросетевом вой или арсенид-галлиевой техно- Серверы с ИИ для медицинской ней- кластере ООО «ОЭС» – 3D ФЭ МНК логии. 3D ФЭ нейрочипы для 3D ФЭ роинформатики позволяют устранять реализуется: нейропроцессоров более эффек- непрофессиональные диагнозы вра- ● 2 147 483 648×4 = 8 589 934 592 (во- тивны, чем нейрочипы для ней- чей и избежать таких трагедий, кото- ропроцессоров, изготовленных по рая произошла с моей женой, которую семь миллиардов пятьсот восемь- я потерял, прожив совместно 50 лет десят девять миллионов девятьсот счастливой жизни. тридцать четыре тысячи пятьсот де- НОВОСТИ МИРА США подготовили новые США (US Entity List), «уже на этой неделе». дителей чипов на свою территорию, объ- санкции в отношении 30+ Находящимся в списке компаниям бло- являет компании КНР угрозой нацбезопас- компаний технологического ности, ограничивает доступ ведущим ки- сектора КНР кируется доступ к американским техноло- тайским производителям к американским гиям. Поставлять их можно только при на- технологиям. Американская администрация намере- личии специальной экспортной лицензии на включить в «чёрный список» китай- от министерства торговли США. industry-hunter.com ского производителя чипов флэш-памяти Yangtze Memory Technologies Corp (YMTC) Напомним, в ноябре из-за политиче- и свыше 30 других китайских компаний, ского давления Apple отказалась закупать что закроет им доступ к закупкам опреде- чипы флэш-памяти у YMTC, альтернатив- лённых типов продукции, сообщило в сре- ным поставщиком была выбрана Samsung ду агентство Bloomberg. Electronics. В сенате США Apple пригрозили беспрецедентными проверками в случае По информации источников Bloom- покупки чипов у китайцев для iPhone 14. berg, министерство торговли США вне- сёт YMTC и другие китайские компании Отметим, США последовательно под- в список организаций и лиц, действую- рывают возможности КНР по созданию щих вопреки национальной безопасно- передовой полупроводниковой продук- сти и внешнеполитическим интересам ции. Вашингтон формирует антикитайские альянсы, переманивает мировых произво- 42 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
Сергей Пилкин, ЭРЕМЕКС Лев Теверовский, АСКОН Николай Александров, Dannie Иван Ларионов, АРПЭ, компания «Третий пин» Халиль Эль-Хажж, НТЦ «Модуль» Светлана Легостаева, АНО «Консорциум «Вычислительная техника» / Часть 1
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Мировой инфляционный кризис оптоволокна Андрей Кашкаров ([email protected]) волокна. Это замечание также объясня- ет условно незначительный рост цены Оптоволокно – важнейший материал для высокоскоростных на оптоволокно в США (за последние и надёжных телекоммуникационных сетей. Ценообразование 2 года), так как в США гелий тоже «лихорадит» не только в России, так как связано с производством гелия производится в достаточных коли- и тетрахлорида кремния, которые Россия ранее поставляла всему миру. чествах, причём в стране Линкольна В статье рассматриваются особенности и перспективы создавшейся и Рузвельта есть собственные произ- ситуации, актуальной в конце 2022 года, в том числе возможности водства оптоволокна. Отсюда уместен импортозамещения. вывод в области импортозамещения: чтобы избежать кризиса (роста цен), В странах Северной Европы, Индии Пандемия «помогла» отечественной промышленности в Рос- и КНР зафиксирован значительный сии необходимо наращивать объёмы рост цен на оптоволоконные кабе- Cпрос на интернет-услуги резко воз- собственного производства – выпуска ли. Стоимость оптоволокна увели- рос c началом пандемии и переходом оптоволоконных кабелей для решения чилась с уровня $3,70 за 1000 м кабе- части сотрудников на удалённую рабо- запланированных задач и исключения ля в марте 2021 года до $6,30 за 1 км ту. Но не всё однозначно даже с при- материальных потерь. Ведь гелий в кабеля в сентябре текущего года, что чинно-следственной связью и влияни- России есть. Особая и традиционная говорит о росте в 70%. В 2012–2019 гг. ем одних и тех же факторов: с другой сфера потребления оптоволоконных повсюду в мире был заметен спад стороны, крупнейшие технологические кабелей в России – Интернет- и теле- стоимости оптоволокна. Теперь его и телекоммуникационные компании коммуникации для трансляции; раз- стоимость приходится отслеживать вынуждены были сократить капита- витие услуг в этих сферах ещё долго буквально по дням. Это привело к ловложения. Это привело к нехват- будет актуальным. значительному увеличению сроков ке оптоволоконного кабеля, одного поставки оптоволокна из-за рубежа из важнейших элементов интернет- Отечественные и совместные в Россию. При этом среднее потре- инфраструктуры. Холдинги, названия компании «Москабель-Фуджикура», бление выросло за тот же период на которых у всех на слуху, пытаются удов- «ОФС-Связьстрой-1», «Нева-кабель», 8,1%. Северная Америка пострадала летворить растущий спрос пользовате- «Еврокабель» (и некоторые другие) от этого меньше, считают эксперты. лей с помощью специальных инфор- продолжают работу на российском К примеру, в США стоимость опто- мационных центров с прокладкой рынке. Несколько предприятий работа- волокна достигла максимума в июле магистральных линий в разных реги- ют в Беларуси. Что касается производи- 2019 года после семилетнего спада онах. Вместе с тем масштабно реализу- телей гелия, как основного сырья для цен – с 2012 года. ется развёртывание широкополосной оптоволокна, то в России до последне- связи в формате 5G-сетей. Эти факторы го время работали 10 заводов, аффили- Анализ динамики изменения цен требуют технологического материала – рованных с корпорацией «Газпром», и тенденции свидетельствует о том, оптоволоконных кабелей. По оценкам, однако остался производитель гелия – что рост цен на оптоволокно продол- опубликованным в [2], потребление Оренбургский гелиевый завод (ОГЗ) жится, и к этому надо быть готовым. оптоволокна в I полугодии 2022 года на базе Оренбургского нефтегазокон- Предупреждён – значит защищён. Тен- выросло на 8,1% в сравнении с анало- денсатного месторождения. Причины денция объясняется тем, что заплани- гичным периодом 2021 года. сокращения производства гелия связа- рованные крупными компаниями и ны не только c экономическими труд- холдингами – производителями услуг Причинно-следственная ностями (притом что, как мы показали по созданию инфраструктуры телеком- связь в статье, спрос на гелий значитель- муникаций и разработки РЭА задачи но увеличился, следовательно, мож- имеют пролонгированный эффект, Нехватка оптоволоконных кабелей но торговать и получать прибыль от как и долгосрочные проекты с госу- и повышение цен на них обусловлены заказов), но и с уменьшением содержа- дарственным участием, рассчитанные ростом цен на компоненты, используе- ния гелия в перерабатываемом сырье. на несколько лет, под которые отпуще- мые в процессе производства. Важней- Производство гелия в Оренбурге упало ны материальные средства. Ситуация в шим компонентом для изготовления с 5,1 млн м³ в 2017 году до 3,9 млн м³ России примерно такая же: отечествен- оптоволоконного материала является в 2021 [1]. ные компании вынуждены перехо- гелий, стоимость которого с 2020 года дить на более дешёвые материалы и по сей день выросла на 135% [3, 4]. А в это время… (или) повышать стоимость услуг, заку- пая оборудование и материалы у тех Стоимость другого важного компо- Группа исследователей из Нацио- же производителей по новым ценам. нента – тетрахлорида кремния – вырос- нального института информацион- О причинно-следственной связи явле- ла на 50%. Причем гелий производится ных и коммуникационных техноло- ния поговорим далее. в России в больших объёмах. Из России гий (NICT, Япония) установила новый он поставлялся даже в КНР, где нала- мировой рекорд скорости передачи жено масштабное производство опто- 44 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ данных с использованием 55-модово- Важно и то, что для передачи данных гия не коммерциализирована и явля- го оптического волокна стандартно- используют единственный стеклянный ется экспериментальной. Однако, как го диаметра. Это достигнуто благода- сердечник. Сигнал сначала модулиру- показывает стремительное развитие ря методу кодирования информации ется в спектре, образуются 55 незави- прогресса в области информационных в 180 световых волнах разной длины симых потоков с разной информаци- технологии и производства материа- и последующего мультиплексирова- ей. На другом конце волокна входящие лов к ней, не за горами новые дости- ния; так разработчики добились ско- сигналы декодируются. жения и новые скорости, сравнимые рости в 1,53 петабит в секунду (Пбит/с). со скоростью света. Это почти в миллион раз больше, чем Расстояние между передающим и подключение с гигабитной скоростью приёмным электронными узлами Литература передачи данных. К сравнению – что достигло 25,9 км. Это то расстояние, это за «скоростная величина»: про- при котором принимается коррект- 1. Пирожков А. Деловой Петербург. Газ пускной способности в полтора Пбит/с ный сигнал. Учёные из Датского тех- нарасхват: рекламный рынок и развле- достаточно для передачи всего мирово- нического университета и Техническо- чения страдают от нехватки гелия. URL: го интернет-трафика по одному опто- го университета Чалмерса в шведском https://www.dp.ru/a/2022/06/01/Gaz_ волоконному кабелю. Гетеборге с помощью оптического чипа narashvat. уже достигли «скоростных» показате- Технология основана на характе- лей – пропускной способности оптово- 2. Кашкаров А.П. Мощные светодиоды в ристиках различных длин волн све- локна в 1,84 Пбит/с. Данные актуаль- осветительных устройствах // Современ- та, доступных в широком спектре, – ны на ноябрь 2022 года. Разработчики ная электроника. 2014. № 6. С. 26–31. это и создаёт преимущество. Услов- утверждают, что передача информации но каждый «цвет» видимого и неви- осуществлялась в C-диапазоне на 184 3. Международная деловая газета Financial димого человеку спектра имеет соб- различных длинах волн – отдельных, Times. URL: www.ft.com. ственную частоту, следовательно, это непересекающихся частотах, создан- можно использовать для передачи на ных для одновременной передачи дан- 4. Фетисов В. В мире наметился дефи- расстоянии независимого информаци- ных по оптоволоконному кабелю [5]. цит оптоволокна – цены в некото- онного потока данных, а затем на при- рых странах уже взлетели на 70%. URL: ёмном устройстве демодулировать его. О преимуществах новой-старой тех- https://3dnews.ru/1070806/globalnaya- Принцип модуляции и демодуляции нологии можно говорить много, но nehvatka-optovolokonnogo-kabelya- был широко известен ещё в ХХ веке, для сравнения важны фактические ugrogaet-tsifrovomu-rostu?from=related- а теперь он внедрён в сферу оптово- цифры: в 2019 году достигнута эффек- grid&from-source=1077362. локонной связи на большие расстоя- тивность спектра в 105 бит/с на 1 Гц. ния и относительно малыми потеря- В 2022 году удалось достигнуть спек- 5. Tom’s Hardware. URL: https://www. ми сигнала и большой надёжностью. тральной эффективности в 332 бит/с tomshardware.com/. на 1 Гц. Пока сия оптическая техноло- 6. Хижняк Н. Установлен мировой рекорд скоро- сти передачи данных по стандартному опто- волокну – 1,53 Пбит/с. URL: https://3dnews. ru/1077362/publikatsiya-1077362. НОВОСТИ МИРА К 2024 году мировая тривающий госинвестиции в развитие по- изводственные технологии. индустрия чипов инвестирует лупроводниковой промышленности США на В Европе и на Ближнем Востоке заплани- более 500 миллиардов сумму 280 млрд долларов, вывел Америку в долларов в новые заводы лидеры по объёму капитальных затрат на ровано или начато строительство 17 новых новые предприятия по производству чипов. заводов с 2021 по 2023 год, что, кстати, ста- К 2024 году участники мировой полупро- По данным SEMI, с 2021 по 2023 годы в регио- ло историческим максимумом для региона водниковой отрасли вложат более 500 млрд не начнется строительство 18 таких заводов. EMEA (Европа, Ближний Восток и Африка). долларов в 84 новых завода по выпуску ми- кросхем, строительство которых начнется В то же время Китай опередит все дру- На Тайване за указанный период поя- в период с 2021 по 2023 годы. С таким про- гие регионы по числу новых полупрово- вится «всего» 14 новых предприятий. Стра- гнозом выступила отраслевая организа- дниковых предприятий. В стране плани- ны Юго-восточной Азии вместе с Япони- ция Semiconductor Equipment and Materials руется запустить 20 новых заводов, на ей построят 6 новых заводов и ещё три International (SEMI), объединяющая произво- которых будут применяться зрелые про- новых фабрики появятся в Южной Корее. дителей полупроводниковой продукции, со- ответствующего оборудования и материалов. russianelectronics.ru Наибольшие инвестиции в полупроводни- ковые предприятия ожидаются со стороны чипмейкеров, специализирующихся на выпу- ске компонентов для автомобильной отрасли и высокопроизводительных вычислительных систем. В своем прогнозе SEMI учла 33 новых полупроводниковых завода, строительство ко- торых стартовало в 2022 году, а также еще 28 предприятий, запланированных на 2023 год. Недавно принятый в Соединенных Шта- тах закон CHIPS and Science Act, предусма- СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 45
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Автоматизация светофора Сергей Шишкин ([email protected]) тов), функциональных блоков, а так- же макросов проекта. Работа над про- В публикации рассмотрен пример построения системы управления ектом включает следующее. для светофора на базе элементов промышленной автоматизации – программируемого реле ПР200 и панели оператора ИПП120 – в среде 1. Открытие нового проекта – весь программирования OWEN Logic. проект будет храниться в одном фай- ле, которому следует присвоить иден- Представляемое устройство выпол- Устройство реализует алгоритм рабо- тификационное имя. нено на базе промышленных средств ты светофора по двум направлениям автоматизации: панели оператора и поддерживает следующие функции: 2. Формирование структуры текуще- ИПП120 (далее – ИПП120) и програм- ● управление с основного (базового) го проекта рекомендуется выполнять мируемого реле ОВЕН ПР200-24.4.2 в следующем порядке: (далее – ПР200). Они широко исполь- блока; ● из «Библиотека компонентов» на зуются для построения автоматизи- ● управление с выносного пульта рованных систем управления при холст добавляются необходимые бло- решении задач локальной автомати- управления по сети RS-485; ки путем перетаскивания их мышью зации. Их применение снижает затра- ● изменение интервалов работы све- при нажатой левой кнопке (из соот- ты на проектирование и изготовление ветствующей вкладки «Функции» систем управления, повышает надёж- товых сигналов светофора; или «Функциональные блоки»); ность последних, снижает издержки и ● режим работы «Мигающий жёлтый»; ● при последовательном выделении эксплуатационные расходы. ● индикация режимов работы устрой- курсором блоков схемы на заклад- ке «Свойства» устанавливаются их Вышеуказанные приборы поддержи- ства. параметры; вают следующие функции: На рис. 1 ИПП120 в сети RS-485 рабо- ● компоненты программы соединяют- ● работа по программе, записанной в тает в режиме Master. Соответственно, ся между собой, а также с нужными ПР200 в сети RS-485 работает в режи- входами и выходами ПР. При этом память; ме Slave. Более подробно работа ПР200 допускается передвижение квадра- ● работа в сети RS-485 по протоколу приведена в [1], работа ИПП120 при- тов входов и выходов в вертикаль- ведена в [2]. ной плоскости для расположения со- Modbus RTU/Modbus ASCII в режи- Фактически разработка представлен- единительных линий по кратчайшей мах Master или Slave; ного устройства сводится к разработке длине. ● отображение данных на ЖКИ; управляющих программ для ИПП120 3. Моделирование работы коммута- ● управление подключёнными устрой- и ПР200. Разработку управляющей ционной программы в режиме симу- ствами с помощью дискретных или программы в среде OWEN Logic реко- ляции. При проверке правильности аналоговых сигналов (для ПР-200); мендуется начинать после тщательно- работы коммутационной программы ● ввод и редактирование данных с по- го ознакомления с алгоритмом рабо- изменяют состояние входов, контро- мощью кнопок на лицевой панели. ты объекта локальной автоматизации лируя состояние выходов на соответ- ИПП120 и ПР200 представляют и его составных частей. Необходимо ствие нужным условиям. собой программируемые приборы с иметь представление обо всех возмож- 4. Загрузка проекта в ПР и провер- дисплеем. Данные приборы програм- ных состояниях прибора при функ- ка его работы. мируется в среде Owen Logic на язы- ционировании (в виде диаграммы Рассмотрим разработку управляю- ке FBD. Пользовательская программа режимов, таблицы состояний, электри- щих программ в среде OWEN Logic для записывается в энергонезависимую ческой или функциональной схемы и/ работы светофора по двум направлени- Flash-память. или др.). После того как продуманы все Структурная схема устройства пред- задачи, которые должны выполняться, ставлена на рис. 1. необходимо составить программу на основе функций (логических элемен- Рис. 1. Структурная схема устройства Рис. 2. Схема регулируемого 46 WWW.SOEL.RU перекрестка СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ ям. На рис. 2 приведён регулируемый Рис. 3. Временны́ е диаграммы переключения сигналов светофора светофором С1 перекресток. Таблица 1. Режимы работ и параметры сигналов Световые сигналы светофора С1 сто- Режим Время Время Время Параметр на дисплее ИПП120 Примечания рон (направлений) 1 и 3 регулируют работы № включения включения включения и ПР200, подтверждающий движение на дороге А, соответствен- КР1 (ЗЕЛ2), с ЗЕЛ1 (КР2), с ЖЕЛ, не более, с работу в данном режиме но стороны 2 и 4 регулируют движе- ние на дороге Б. Временны́ е диаграм- 0– –– мы переключения сигналов светофора 1 10 приведены на рис. 3. 2 15 20 3 К10 З20 3 20 К15 З15 Напомним алгоритм работы свето- 4 25 15 3 К20 З10 фора по двум направлениям. Пусть К25 З10 на стороне 1 (и на стороне 3) включён 5– 10 3 красный световой сигнал светофора МИГ Ж (далее КР1). При этом на стороне 2 (и 10 3 на стороне 4) включён зелёный сигнал (далее ЗЕЛ2). Периодический Режим «Мигающий Через заданный интервал времени – сигнал с периодом на стороне 2 включается мигающий 2 с и скважностью жёлтый» сигнал ЗЕЛ2 (на стороне 1 ещё вклю- чен КР1), потом зелёный мигающий –2 сигнал ЗЕЛ2 выключается, и одно- временно на обеих сторонах вклю- ПР200. Данные параметры представ- ветствии с заданным параметром РЕ- чается жёлтый сигнал (далее ЖЕЛ). лены в менеджере экранов на рис. 6. ЖИМ (табл. 1); КР1 и ЖЕЛ горят одновременно не ● S2 (СТОП) – стоп, выключение излу- более 2 с. Далее на стороне 1 вклю- Кнопки S1, S2 имеют следующее чателей, сброс параметра УПР ПР200 чается зелёный сигнал (далее ЗЕЛ1), функциональное назначение: в 0 (перевод управления с выносно- а на стороне 2 – красный (далее КР2). ● S1 (ПУСК) – функционирование по го пульта). И так далее в рабочем цикле. Понят- но, что зелёный сигнал для стороны заданному алгоритму работы в соот- 1 (ЗЕЛ1) и красный сигнал для сто- роны 2 (КР2) функционируют анало- гично ЗЕЛ2 и КР1. Правила применения дорожных светофоров приведены в ГОСТ Р 52289-2004. Режим работы свето- форной сигнализации предусма- тривает мигание зелёного сигнала в течение 3 с непосредственно перед его выключением с частотой 1 миг/с (допускается отклонение от указан- ной частоты ±10%). Жёлтый сигнал включается на 3 секунды. Красный и зелёный сигналы включаются на определённые интервалы времени, которые определяются интенсивно- стью движения и дорожной ситуаци- ей на перекрёстке. В устройстве предусмотрено четыре режима работы (№ 1…№ 4), в которых определены интервалы включения сиг- налов светофора. Режим работы № 5 – периодический сигнал «Мигающий жёлтый». Режимы работ и параметры сигналов приведены в табл. 1. Принципиальная схема устройства с выносными кнопками управления «СТАРТ» и «СТОП» для ПР200 при- ведена на рис. 4. Числовые значения в скриншотах приведены условно. В табл. 4 приве- дено функциональное назначение ото- бражаемых параметров на дисплее СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023 WWW.SOEL.RU 47
ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ Рис. 4. Принципиальная схема устройства В табл. 5 приведено функциональное назначение отображаемых параметров Таблица 2. Функциональное назначение дискретных входов реле ПР200 в устройстве на дисплее ИПП120. Данные параме- тры представлены в менеджере экра- Дискретный Обозначение в среде Функциональное назначение Примечание нов на рис. 8. вход в ПР200 OWEN Logic в устройстве Кнопка «СТАРТ» Конструктивно устройство состо- DI1 I1 Подключение кнопки S1 Кнопка «СТОП» (сброс) ит из выносного пульта управления, основного (базового) блока управле- DI2 I2 Подключение кнопки S2 ния и излучателей сигналов светофо- ра по двум направлениям. Основной Таблица 3. Функциональное назначение дискретных выходов ПР200 в устройстве блок управления может быть уста- новлен в корпусе излучателя. Интер- Дискретный Индикаторы Обозначение в среде Функциональное назначение Примечание фейс управления устройства вклю- выход OWEN Logic выхода в устройстве чает в себя элементы индикации и управления ИПП120 и ПР200, распо- DО1 Q1 Включение красного сигнала на КР1 ложенные на лицевых панелях прибо- направлении 1 ров, и две выносные кнопки «Старт», «Стоп», подключённые к ПР200. Дан- DО2 Q2 Включение жёлтого сигнала на ЖЕЛ ные выносные кнопки необходимы для направлении 1 оперативного управления устройством при его конфигурировании с основно- DО3 Q3 Включение зелёного сигнала на ЗЕЛ1 го блока. направлении 1 Алгоритм работы устройства сле- DО4 Q4 Включение красного сигнала на КР2 дующий. Устройством можно управ- направлении 2 лять как с интерфейса основного блока (с ПР200), так и с интерфейса вынос- DО5 Q5 Включение жёлтого сигнала на ЖЕЛ ного пульта управления (с МПП120). направлении 2 Рассмотрим управление с основно- DО6 Q6 Включение зелёного сигнала на ЗЕЛ2 го блока (с ПР200). Блок-схема управ- направлении 2 ляющей программы для ПР200 (рис. 5) демонстрирует работу ПР200 в соста- Включение светового сигнала ве устройства. Временны́ е интервалы работы светофора в режимах работы DО7 Q7 «РАБОТА». Наличие выходных сигналов Индикатор H1 № 1…№ 4 записаны в соответствую- ПР200, поступающих на излучатели щие макросы «Свет101», «Свет201», «Свет301», «Свет401». Режим № 5 – светофора «Мигающий жёлтый» – реализован в каждом из вышеуказанных макросов, DO8 Q8 Вкл. – управление с ИПП120; Индикатор H2 но включается он в устройстве только F1 Выкл. – управление с ПР200 в макросе «Свет101». Для того чтобы F2 устройство начало функционировать Включённый индикатор сигнализирует по заданному алгоритму, необходи- об отсутствии связи по сети RS-485 мо задать режим работы и нажать выносную кнопку «ПУСК». Режим – работы № 1…№ 5 в устройстве мож- но задать на дисплее ПР200 измене- нием числа в параметре РЕЖИМ, тем самым записав число в переменную Regim1. Заданное число поступает на блоки сравнения SEL и сравнивается с константами. При совпадении лог.1 поступает на вход «Разреш» соответ- ствующего макроса. При нажатии на кнопку «ПУСК» лог.1 поступает на вход детектора переднего фрон- та RTRIG1. С выхода данного бло- ка единичный импульс лог.1 (дли- тельность импульса равна циклу программы) поступает через эле- мент 2И на входы «Пуск» макросов «Свет101», «Свет201», «Свет301», «Свет401» и через элемент 2И на 48 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 1 / 2023
Search
