Преподаватели ДВФУ: ученые и супермены в \»одном флаконе\»

Александр Самардак занимается междисциплинарными исследованиями, создает нейронные сети, рассказывает об ужине с Нобелевскими лауреатами и гребле на лодках класса «Дракон».Материал о молодом ученом из ДВФУ публикует  интернет-ресурс theoryandpractice.ru.

 Где учился: физмат Уссурийского государственного педагогического института, аспирантура в Дальневосточном государственном университете, группа нанотехнологий Университета города Бата (University of Bath, UK), стажировки в Германии в группе профессора Сергея Демокритова (University of Muenster) и в Норвегии в группе профессора Эрика Вальстрома (NTNU).

Что изучает: новые материалы и устройства наноэлектроники.

Особые приметы: многократный чемпион Владивостока и Приморского края по армрестлингу, занимается греблей на лодках класса «Дракон» и сноубордингом.

Я — физик. Но так как любая научная область не может развиваться в изоляции, то приходится заниматься и междисциплинарными исследованиями, включая нейроинформатику и физическую химию. Я работаю в Лаборатории пленочных технологий. Она была основана в 1992 году. В лаборатории решается широкий круг фундаментальных проблем физики магнитных явлений. Основные направления работ связаны с получением и исследованием магнитных наноструктур «полупроводник-металл» и «металл-металл», изучением взаимосвязи между составом, структурой и размерностью объектов с магнитными и магнитотранспортными свойствами. Прикладные исследования ориентированы на разработку нового класса материалов и базовых элементов для магнитной наноэлектроники — спинтроники и магноники.
«Результатом работы стали девять статей в ведущих зарубежных журналах, выступления на престижных конференциях, в том числе в качестве приглашенного лектора. Особенно мне запомнился ужин с пятью Нобелевскими лауреатами в одном из ресторанов Сеула»

Еще с института я увлекся физикой твердого тела. У меня дипломная работа была посвящена изучению ферромагнитного резонанса в магнитных аморфных фольгах под действием внешних напряжений. В аспирантуре я получал и исследовал тонкие ферромагнитные пленки, обладающие эффектом гигантского магнитосопротивления. Такие пленки используются в сенсорах магнитных полей, в антиблокировочной системе автомобилей (ABS) и в считывающих головках жестких дисков. Десять лет назад это направление науки было очень востребовано.

Через несколько лет после защиты диссертации я выиграл правительственный конкурс на стажировку за рубежом. Так мне посчастливилось поработать в Великобритании, в одном из лучших университетов в области физики и нанотехнологий. Там я занялся новой для меня темой — созданием полупроводниковых нейронов. Мне было интересно попробовать свои силы в этой сфере. И у меня получилось. Результатом работы стали девять статей в ведущих зарубежных журналах, выступления на престижных конференциях, в том числе в качестве приглашенного лектора. Особенно мне запомнился ужин с пятью Нобелевскими лауреатами в одном из ресторанов Сеула, куда я был приглашен Организационным комитетом конференции.

 Я очень благодарен своим преподавателям за фундаментальное образование, которое они дали. Полученные знания приходилось применять и во время обучения в аспирантуре, и работая за границей. Там как раз ценят нас, русских, именно за наше широкопрофильное образование, позволяющее более эффективно решать поставленные задачи, особенно лежащие в междисциплинарной области.

Одной из самых сложных загадок природы является мыслительная активность головного мозга человека. Более двухсот лет человечество изучает процессы передачи, обработки и запоминания информации. Ученые научились определять области мозга, ответственные за определенные мыслительные функции. Кроме того, достаточно много знаний собрано об электрической активности элементарной ячейки мозга — нейроне.

На заре развития компьютерных технологий многие исследователи были воодушевлены достигнутыми успехами и стали уверенно заявлять о скором создании электронной копии мозга. Но оказалось, что сделать это непросто, так как было недостаточно известно о функционировании мозга, не было подкрепленной экспериментом теории и уровень технологий не позволял воссоздать даже мозг простейшего животного.

Оптимизм ученых поубавился, и до середины 80-х годов прошлого столетия практически не было попыток реализовать твердотельную копию мозга. За последние 30 лет наука сделала огромный шаг в изучении физиологии и физико-химических механизмов мышления. Кроме того, развитие теоретических моделей позволяет говорить о создании нейросетей для их дальнейшего обучения. Были сделаны попытки моделирования нейронной активности с использованием дискретной электроники, но из-за накладываемых ограничений самого подхода качественных реализаций не произошло.

Проблема заключается в том, что многие модели учитывают только отдельные функции нейронов, пренебрегая их пространственно-распределенной структурой и нелинейной природой. Биологические нейроны оперируют распределенными по времени импульсами, при этом очень важно, в какой последовательности эти импульсы приходят в конкретный узел. Другими словами, очень важно воссоздать физическую структуру нейрона с учетом его функциональных особенностей. Как только удастся решить эту проблему, человечество значительно приблизится к системам искусственного интеллекта. Будут созданы модули ассоциативной (безадресной) памяти, работающие подобно памяти человека.

Мое увлечение магнитными материалами привело к идее создания солитонного нейрона, в котором сигнал распространяется в виде солитонной (не расползающейся во времени) волны. Как оказалось, природа использует солитонные волны во многих системах, включая мозг человека. Это ключевое свойство гарантирует мозгу, что информация, закодированная временным распределением отдельных импульсов, не будет потеряна при движении импульса от нейрона к нейрону, а формирование так называемых петель реверберации может быть использовано для эффективного хранения сенсорной информации. Используя модельную структуру, нами было установлено, что солитоны в нелинейной передающей линии, собранной из элементов дискретной электроники, в точности проявляют описанное выше поведение. В настоящее время я работаю над созданием солитонных нейронов и сетей на их основе, используя инструменты нанотехнологий.

Нейрокомпьютер — это любая вычислительная система, обрабатывающая информацию подобно биологической нейронной системе. По сути, наш мозг и есть наиболее совершенный нейрокомпьютер, копию которого человечество уже семьдесят лет пытается — пока безуспешно — создать. Главными особенностями работы мозга являются, во-первых, потоковая (параллельная) обработка информации, во-вторых, интеграция вычислительной и мнемонической функций в базовой процессорной единице — нейроне, в-третьих, способность к обучению. Реализация нейрокомпьютера приведет к самой мощной за всю историю человечества научно-технической революции.

 Еще в 1950-е годы американский физик Уильям Шокли заметил, что много общего существует между электронами, дырками, донорами и акцепторами в полупроводниках и кислотами, основаниями, катионами и анионами в водных растворах биологических тканей. Мы использовали эту аналогию при создании искусственного нейрона. В результате исследований нам удалось впервые в мире создать полупроводниковый нейрон, который очень точно моделирует основные функции биологических собратьев.

Принцип работы созданного устройства заключается в распространении сигнала вдоль pn-перехода полупроводников. Электроны и дырки в нашем устройстве играют роль ионов кальция и натрия, ответственных за динамическую поляризацию мембраны нейрона. Входные импульсы (стимулы), согласно закону динамической поляризации, движутся по направлению к соме искусственного нейрона, где они суммируются и регенерируются. Сома — это туннельный усилитель, вертикально интегрированный с нанопроволками, со ступенчатой характеристической кривой аналогичной сигмоидальной кривой в биологических нейронах.

Нами было показано, что нейроны способны работать как детекторы синхронности и позволяют использовать случайный шум в конструктивном режиме для усиления подпороговых стимулов. Это фундаментальные свойства биологических систем (например, ушная улитка использует броуновский шум для усиления звука), которые мы успешно воплотили в активном полупроводниковом устройстве.
«Самая большая трудность, на мой взгляд, — это установление кооперации между экспериментаторами и теоретиками. И хотя есть талантливые ученые с обеих сторон, нам еще предстоит над этим поработать. Поэтому приходится искать партнеров за рубежом. Как показал опыт, сделать это несложно»

Создание нейроподобных систем своевременно и перспективно, так как обработка визуальной и звуковой информации требует постоянного увеличения мощностей компьютеров, в то время как параллельная нейронная архитектура наиболее подходит для обработки образной информации. Следует отметить, что сверхбольшие интегральные микросхемы (VLSI) уже практически достигли своего физического предела производительности. Для обработки больших объемов данных требуется параллельная архитектура и новые концепции для устройств, одну из которых мы предлагаем реализовать.

Мы работаем над созданием адаптивных нейронных вычислителей и сетей, которые, возможно, послужат основой для нового поколения компьютерной техники. Кроме этого, наше исследование впервые позволит экспериментально проверить теоретически предсказанные коллективные нелинейные явления в нейроподобных сетях, возникающие благодаря случайным флуктуациям. Например, появится возможность пронаблюдать в контролируемом эксперименте стохастическую синхронизацию, стохастический и когерентный резонансы и другие проявления самоорганизации в больших нейронных ансамблях. Мы надеемся, что полученные результаты прольют свет на роль шума в нейронных сетях и предоставят возможность апробирования и оптимизации методов управления динамикой нейронных систем с целью их последующего применения к живым нейронам.

Я люблю работать за электронным литографом (прибор для создания микро- и наноразмерных шаблонов структур любой геометрии). Это творческий процесс, так как мне он напоминает работу художника за холстом. Для получения хорошего результата иногда приходится за установкой проводить по 16 часов и уходить домой за полночь. Но все усилия с лихвой компенсируются, когда видишь результат работы — наноструктуру с высоким разрешением и высоким качеством исполнения, которую не стыдно показать на престижной конференции.

А вот трудностей в моей работе больше, чем радостей. Бывают периоды проб и ошибок, когда в течение нескольких месяцев не удается создать требуемую структуру либо нет удовлетворенности от полученного качества. В таких ситуациях главное продолжать работать. Ведь как показывает опыт, любые трудности можно преодолеть. Утро начинается с проверки электронной почты и просмотра новостей, в том числе научного мира. Потом начинается работа в лаборатории: подготовка образцов, проверка их качества, измерение параметров и свойств, обсуждение результатов с коллегами. Время летит незаметно. Понятия «перерыв на обед» просто не существует. Есть минут 15 для быстрого перекуса, и снова в бой.

Самая большая трудность, на мой взгляд, — это установление кооперации между экспериментаторами и теоретиками. И хотя есть талантливые ученые с обеих сторон, нам еще предстоит над этим поработать. Поэтому приходится искать партнеров за рубежом. Как показал опыт, сделать это несложно. Иностранные ученые и в особенности наши бывшие соотечественники, сделавшие себе имя за границей, охотно сотрудничают с нашей группой.
«Я очень благодарен своим преподавателям за фундаментальное образование, которое они дали. За границей ценят нас, русских, именно за наше широкопрофильное образование, позволяющее более эффективно решать поставленные задачи, особенно лежащие в междисциплинарной области»

В российской и зарубежной науке разные подходы к получению нового знания. В своем большинстве российской науке свойственен консерватизм, который проявляется в привязанности к одной, возможно, уже давно непопулярной научной задаче, решению которой ученые посвящают всю жизнь. Зарубежные ученые следуют трендам, которые выстраиваются по результатам работы крупных научных конференций и симпозиумов. Под такие тренды научные фонды и бизнес более охотно дают деньги на проведение исследований. Другими словами, зарубежная наука более динамична и более чувствительна к требованиям времени.

В этом году наша группа совместно с учеными из Университета Бата (Великобритания) и Лабораторией высоких магнитных полей (Гренобль, Франция) получила грант в рамках Седьмой европейской рамочной программы (FP7) для реализации проекта в области гибридной наноэлектроники и магноники. В ходе выполнения проекта планируются поездки ученых трех групп в лаборатории партнеров для проведения совместных исследований в течение трех лет. Кроме этого, у нас установлены тесные партнерские отношения с Андреем Славиным из Оклендского Университета (штат Мичиган, США), Сергеем Демокритовым из Мюнстерского Университета (Германия), Фархадом Алиевым из Мадридского Университета и Валентином Новосадом из Арагонской Лаборатории (США) и другими известными учеными.

Я серьезно увлекаюсь спортом. Уже 12 лет занимаюсь армрестлингом, являюсь многократным чемпионом Владивостока и Приморского края. Шесть лет увлекаюсь греблей на лодках класса «Дракон». Это такой китайский национальный вид спорта, который с каждым годом становится все популярнее в России. Зимой люблю забраться на заснеженный склон и съехать на сноуборде. Здоровый образ жизни позволяет добиваться и некоторых научных успехов.