Город-государство Сингапур – ​один из мировых лидеров в рейтингах умных городов: он оценивается наравне с Лондоном и Дубаем и превосходит Нью-Йорк, Париж и Пекин. Сейчас в стране реализуется правительственная инициатива «Умная нация»: планомерные усилия по внедрению передовых технологий приводят к улучшению жизни граждан в самых различных сферах (транспорт, энергетика, образование, услуги).

В планах Сингапура – ​активное развитие беспилотного транспорта, телемедицины, 5G. Ключом к построению «умной нации» в Сингапуре должно стать ускоренное развитие таких важнейших структурных элементов, как усовершенствованные системы датчиков, беспроводные технологии и технологии передачи данных.

Критически важное направление правительственной инициативы – массовый Интернет вещей (massive IoT, MIoT). Реализация концепции позволит подключенным устройствам взаимодействовать между собой в рамках единой системы, собирая данные с датчиков и посылая потоки информации общему вычислительному центру, где при помощи соответствующего ПО осуществляется их обработка с целью последующего принятия решений.

Внедрение массированного Интернета вещей будет сопровождаться ростом числа подключенных устройств, что потребует соответствующего увеличения пропускной способности телекоммуникационных сетей. По существующим оценкам, коэффициент нагрузки на сети ежегодно растет на 2%. Если в 2016 г. объем производимых данных составлял 218 Збайт (1 зеттабайт (zettabyte) = 1021 байт), то к 2021 г. он достигнет уровня 847 Збайт. При этом уже сейчас ЦОДы потребляют 2–3% мирового электричества. Перечисленные факторы свидетельствуют о необходимости поиска новых высокоскоростных и энергоэффективных технологий.

В эпоху умных городов в центре внимания – ​проблемы эффективности и производительности ЦОДов и сопутствующей инфраструктуры. И хотя микроэлектроника пока сохраняет свои позиции в мире высоких технологий, фотоника стремительно набирает популярность. О внедрении фотоники часто говорят как о начале новой эры компьютерных вычислений. Ключевое преимущество фотоники – ​энергоэффективность: замена электронов фотонами позволит обрабатывать данные со скоростью света и при этом потреб-лять сверхнизкие объемы энергии, что позволит воплотить в реальность и массированный Интернет вещей. Для обработки 1 бита данных наиболее совершенным микроэлектронным ИС требуется 1 пДж (1 пикоджоуль (picojoule) = 10^–12 джоулей), фотонным устройствам – ​менее 1 фДж (1 фемтоджоуль (femtojoule) = 10^–15 джоулей), т. е. приблизительно в тысячу раз меньше. Сингапур планирует реализовать инициативу по созданию «зеленых» (экологичных) ЦОДов, в рамках которой внедрение усовершенствованных фотонных технологий будет способствовать сохранению энергии.

Внедрение фотоники способно привести к сокращению финансовых расходов во многих отраслях. Например, на применении фотонных технологий основано производство лидаров (радаров с единой электронной схемой, работающих со световыми, а не радиоволнами). Такая технология незаменима при создании беспилотных автомобилей: за счет нее будет осуществляться трехмерный обзор окружающего пространства при движении автономного транспортного средства. Сама технология появилась уже довольно давно, но только сейчас ее рыночные цены снизились за счет развития массового производства, что позволило ей соответствовать текущим потребностям автомобильной промышленности. При этом снижение стоимости производства не сказалось негативно на надежности и безопасности лидаров.

Фотонные технологии применяются в системах безопасности и технического обслуживания самолетов, позволяя производить мониторинг состояния технических систем с высоким качеством и низкими финансовыми затратами. Например, в системе датчиков самолета фотонная ИС, прикрепленная к оптоволокну, отслеживает состояние крыла, уровень загрузки, а также способна измерять деформацию лопасти турбины.

Фотоника послужит и развитию профилактической медицины (диагностики на ранних стадиях серьезных заболеваний, в частности онкологических). Использование недорогих и высокоэффективных технологий позволит оказывать качественную медицинскую помощь как можно большему числу пациентов. Хороший пример использования фотоники в медицине – ​технология оптической когерентной томографии, позволяющая осуществлять высокоточные неинвазивные диагностические процедуры в амбулаторных учреждениях. Системы фотонных датчиков собирают и анализируют данные о конкретных пациентах и населении в целом, а также о состоянии окружающей среды.

Внедрение телекоммуникационного стандарта 5G также направлено на повышение эффективности: в будущем будут широко распространены беспроводные базовые станции, отличающиеся способностью обрабатывать больший объем трафика на сверхвысоких сетевых скоростях, меньшими размерами и сниженным энергопотреблением.

Правительственную инициативу «Умная нация» можно будет считать успешно реализованной только в том случае, если принятые меры положительно отразятся на жизни граждан Сингапура. Внедрение новых технологий позволит компаниям различных отраслей обеспечивать более экономически эффективное производство, а жителям страны получать продукцию и услуги высокого качества по низким ценам.

Hueners Rich. Photonics Lights the Way for Singapore’s Smart Nation. The Business Times, December 13, 2018: https://www.businesstimes.com.sg/opinion/photonics-lights-the-way-for-singapores-smart-nation