Добавить в избранное





У волны растут мозги, глаза и руки


Международная ассоциация полупроводниковой промышленности издала очередной прогноз развития отрасли "International Technology Roadmap for Semiconductors". В нем названы главные технологические проблемы микроэлектроники, которые необходимо решить, чтобы снабдить ее дальнейшее революционное развитие.

Во-первых, речь идет о технических приемах, позволяющих продолжить миниатюризацию электронных элементов: создание новых видов фотолитографии, переход от планарной технологии изготовления чипов к объемной, употребление новых материалов. Во-вторых, о расширении применения микроэлектронных технологий, в частности при создании микроэлектромеханических устройств (МЭМС). Все это может привести к тому, что не только закон Мура (о котором речь пойдет ниже) останется в силе ещё на продолжительный срок, но и новоиспеченный долгосрочный технологический драйвер экономики опять, как и полвека назад, будет связан с ИКТ.

В своей нашумевшей книге "Технологические революции и финансовый капитал" именитый экономист Карлота Перес показывает, что с конца XVIII века мировое сообщество пережило пять технологических революций, каждая из которых порождала технологическую волну, сопровождавшуюся распространением достижений технологических революций в виде новой техники и технологий. Длительность каждой из волн составляла на глаз пятьдесят лет. И тот самый срок был не случайным. Он определялся особенностями функционирования связки финансового капитала и инновационных возможностей новой технологии. Исчерпание технологической волны лишает экономику драйверов развития и ведет к кризису, из которого экономика выходит благодаря следующей волне. Последняя технологическая революция, по мнению Перес, была связана с изобретением в 1961 году микросхемы, на основе которой были созданы современное телевидение, мобильная связь, персональные компьютеры, интернет. Если придерживаться логике Перес, то технологическая волна, связанная с этим изобретением, находится в стадии исчерпания, и человечество должно ждать новой революции, а покуда его будут истязать кризисы.

С эдакий точкой зрения не согласен Алан Астье, вице-президент по производству STMicroelectronics - одной из крупнейших в мире компаний, занимающихся разработкой, изготовлением и продажей различных микроэлектронных компонентов, который, как и авторы прогноза, не видит признаков угасания микроэлектронной революции: "В настоящее момент 90 процентов инноваций основано на микроэлектронных решениях, и эта тенденция нарастает. Мы не предвидим какого-либо изменения в этом направлении в ближайшей и среднесрочной перспективе. Все крупные страны - развитые или развивающиеся - напротив, стремятся уделять больше внимания и оказывать больше поддержки полупроводниковой отрасли, так как рассматривают ее в качестве основного двигателя инноваций и социального прогресса". Попробуем разобраться, кто точнее предсказывает будущее.

Больше Мура

В 1965 году единственный из создателей корпорации Intel Гордон Мур заявил предположение, которое позднее назвали законом Мура: цифра транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые полтора-два года, а их размеры - с той же скоростью уменьшаться. И если в 1971 году проектные нормы производства микросхем, выполняемых как системы на кристалле*, были 10 мкм, то в текущее время речь идет о размерах меньше 20 и более того 10 нм. Однако с каждым годом, в особенности в последнее время, шаги в сторону миниатюризации электронных схем становились все труднее. И, естественно, возникает вопросительный мотив о направлениях и пределах этого развития.

Еще недавно считалось, что совокупность технических проблем, стоящих перед микроэлектроникой, не позволит достичь проектных норм меньше 10 нм. Потом этот рубеж отодвинули до 6 нм. Недавно вице-президент Samsung, возглавляющий там научные исследования, выложил мнение, что достижимы и 2 нм.

Руководитель бизнес-направления "Ситроникс Микроэлектроника", генеральный конструктор ОАО "НИИМЭ и Микрон", академик РАН Геннадий Красников с этим согласен: "Но реализация этих проектных норм требует новой технологии. Не традиционной планарной КМОП, то есть плоскостной технологии, а так называемой FinFET технологии". Полевой транзистор FinFET (известный еще как 3D-транзистор, или транзистор с трехмерной структурой затвора) имеет объемную, трехмерную структуру расположения элементов, благодаря которой удалось уменьшить его размеры, токи утечки и час задержки и повысить плотность размещения элементов. Согласно оценкам компании Intel, производительность 22 нм FinFET-транзисторов на 37% выше производительности планарных 32-нанометровых структур. При этом их энергопотребление на 50% меньше. Специалисты считают, что FinFET-технология, которую Intel собирается представить в этом году в рамках нового техпроцесса с нормами 22 нм, скорее всего, определит формирование всей микроэлектроники на ближайшие пять-десять лет.

Генеральный босс компании НТМДТ Виктор Быков, совмещающий коммерциал с должностью заместителя директора по науке ФГУП Институт физических проблем им. Ф. В. Лукина, так описывает перспективы развития микроэлектроники, опирающейся на новые технологии, в ближайшие годы: "Если в этом году объявлено о начале промышленного производства микросхем на 22 нанометра, то посредством два года следует дожидаться 14 нанометров, а в 2015 году - 10 нанометров". Быков вспоминает, что он начинал свою работу в институте в 1970-е годы в отделе молекулярной электроники. Прошло сорок лет, и мы становимся свидетелями реального перехода важный электроники на молекулярный уровень. А президент и стержневой исполнительный шеф компании Intel Пол Оттелини объявил на недавней встрече с инвесторами, что фирма планирует следом 2015 года перейти к производству микросхем на 7 и 5 нм. Так что в то время как ломание правил муровской закономерности нам не грозит.

Шире Мура

В прогнозе "International Technology Roadmap for Semiconductors" отмечается, что развитие микроэлектроники не ограничивается дальнейшей миниатюризацией систем на кристалле в соответствии с законом Мура, которое в прогнозе получило наименование "More Moore" ("Больше Мура"). Специалисты называют еще немного направлений развития микроэлектроники, которые в прогнозе названы "More than Moore" ("Больше чем Мур"). Одни из них также направлены на миниатюризацию, но иными методами, другие расширяют возможности чипов, третьи используют новые технологии изготовления чипов.

В различие от систем на кристалле эти направления физически реализуются как системы в корпусе, то есть комбинация нескольких активных электронных компонентов различной функциональности, к примеру пассивные элементы, оптические компоненты, МЭМС, собранные в едином корпусе. В результате конструкция становится меньше, легче, надежнее и дешевле. Другим вариантом нового конструктивного исполнения электронных устройств является 3D-интеграция, то есть расположение кристаллов дружбан над другом с созданием вертикальных соединений между ними. Еще один вариант конструкции - встраивание активных и пассивных компонентов в печатные платы, которое позволяет отступиться от разварки выводов компонентов.

Микроэлектромеханические системы, МЭМС, - технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты, которые изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологий, аналогичных технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Типичные размеры микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1 до 100 микрометров. Но и в этом месте наблюдается тяготение к дальнейшей миниатюризации. В настоящее период МЭМС-технологии уже применяются для изготовления различных миниатюрных датчиков, таких как акселерометры, датчики угловых скоростей, гироскопы, магнитометрические датчики, барометрические датчики, анализаторы среды (например, для оперативного анализа крови). Как выразился один из специалистов, если микросхемы - разум электронных систем, то МЭМС - их глаза и руки.

А Виктор Быков обратил особое внимательность на возможности адаптивных элементов, мемристоров, электрическая проводимость которых зависит от полярности приложенного напряжения и от заряда, тот, что протекал сквозь структуру ранее. На них разрешено создавать так называемые нейронные вычислительные системы, которые отличаются способностью к обучению и адаптации.

В нейронных сетях человека и высших животных ключевую образ в обучении и последующей работе обученной сети играют синапсы - точки контакта между проводящими волокнами отдельных клеток. Синапс обеспечивает передачу сигнала от одной клетки к следующей, причем он может облегчать или затруднять проведение сигнала в зависимости от того, как нередко знак проходил через данное соединение в ходе обучения. Мемристоры, по мнению Быкова, способны сделаться синапсами вычислительных систем, построенных на принципах нейронных сетей, способных к обучению.

Сочетание достижений в разных областях микроэлектроники позволяет, по мнению Геннадия Красникова, считать, что новым драйвером экономического роста становятся персональные роботы, или, шире, интеллектуальные системы, создание которых обеспечивается новыми достижениями микроэлектроники. Это системы распознавания речи, образа, системы тактильного распознавания, больше того, это системы, создающие кругом человека искусственную окружающую среду. На их основе уже в текущий момент появляются и новые бытовые приборы, которые могут, например, в домашних условиях диагностировать болезни, подсоблять по дому, служить секретарями, сиделками, экспертами, советчиками, способными знаться с человеком и одаривать ему советы в быту и на работе, и новые системы анализа, управления и контроля, способные находить решение сложнейшие технические, научные и оборонные задачи.

Политэкономия микроэлектроники

Явный знак оживления ситуации: на этот раз и американские, и европейские разработчики не склонны отдавать свои разработки, как это зачастую происходило ранее, в Китай или другие страны. На конференции SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International) в Брюсселе в мае этого года крупнейшая европейская группа по разработке и производству микроэлектроники IMEC призвала европейцев воротить в Европу микроэлектронику, обратившись к европейским разработчикам и производителям микроэлектроники с призывами "вернуть лидерство", "планировать надолго", "мыслить глобально".

Как пояснил генеральный управляющий ЗАО "Синтез-Микроэтектроника" Дмитрий Боднарь: "Уменьшение топологических размеров элементов микросхем приводит с каждым своим шагом к удельному уменьшению цены одного транзистора в разы. За счет увеличения количества транзисторов в одной микросхеме сообразно растёт число функций, которые она может выполнять, и уменьшается удельная стоимость одной функции". Именно экономика наряду с ростом функциональных возможностей является двигателем процесса миниатюризации.

Кроме того, влечение к дальнейшей миниатюризации - 20 нм и меньше - связано с тем, что с увеличением количества транзисторов повышаются универсализм и производительность чипов. Не нужно будет производить, например, 30 типов специализированных чипов, а разрешается изготовлять один, употребление вычислительных мощностей которого будет не оптимальным, но он будет намного меньше и дешевле. С условием, конечно, что он будет производиться десятками или сотнями миллионов штук.

МЭМС агрегат фокусировки цифровой камеры expert_808_060.jpg Фото: mems.sanda.gov МЭМС механизм фокусировки цифровой камеры Фото: mems.sanda.gov

Но если удельная цена транзистора и функций, выполняемых микросхемами, падает, то стоимость самих микросхем и процессов их проектирования и изготовления возрастает многократно. На недавней конференции Common Platform, альянса крупнейших разработчиков и производителей микроэлектроники IBM, Global Foundries, Samsung, ST и др., отмечалось, что из-за роста затрат на фабрика и разработку чипов компаний, которые могут себе разрешить изготовление чипов с применением новейших технологий, становится все меньше. Так, затраты на сооружение фабрики для производства чипов по технологии 22 нм возросло вчетверо по сравнению с фабрикой на 130 нм - с 1,5 млрд долларов до более 6 млрд. Разработка соответствующей технологии подорожала с 250 млн до 1,3 млрд. А стоимость разработки отдельного чипа выросла с 15 до 150 млн.

В результате число компаний, способных независимо заниматься разработкой технологий, оборудования и чипов на самом современном уровне, тоже падает в разы. Как заметил генеральный директор и председатель правления компании "Т-платформы" Всеволод Опанасенко, получается такая воронка: если компаний, которые могут действовать на 90 нм, несколько десятков, на 45 - в районе десятка, то на 22 нм - единицы.

Вот почему, объясняет Геннадий Красников, разработка микроэлектронных технологий и оборудования проводится в настоящее миг в рамках альянсов, одним из примеров которого как раз является Common Platform. Самостоятельные работы в мире сегодня ведет по сути дела только научно-исследовательский середина Intel. Всего в области оборудования и инфраструктуры в этих альянсах участвует порядка 35 компаний. "И мы в эти дни тоже входим в один из таких альянсов. Существуют разные формы кооперирования. Можно стать акционером. Можно уплачивать за участие отдельных специалистов, не возбраняется достать какие-то технологии и результаты определенных экспериментов. Это весьма гибкая система", - говорит Геннадий Красников. Похоже, Россию в вопросе создания новой микроэлектронной техники пока рассматривают как количество Европы, и это дает нам шанс.

Место России и ее проблемы

Современная микроэлектроника функционирует как своеобразная матрица, в которой горизонтальными строками являются разработка и производство технологического оборудования, элементной базы, аппаратуры на ее основе, а вертикальными столбцами - различные формы организации разработки и производства на каждом этапе (см. "Как нам перезагрузить матрицу", "Эксперт" 31 за 2006 год).

И каждая страна, занимающаяся микроэлектроникой, стремится занять достойное местоположение в этой матрице. Главный вопрос, который стоит перед российской микроэлектроникой, - какое место сможет занять Россия.

"Россия уже ни при каких обстоятельствах не будет в микроэлектронике технологической державой такого уровня, как Штаты", - считает президент группы компаний ЭЛВИС Ярослав Петричкович. В том числе потому, что в современном высокотехнологическом мире американцы заложили огромное численность пороговых ограничителей, благодаря которым в всякий миг любое ненужное Штатам развитие может быть перекрыто. Потому что Штаты держат под своим контролем большую доля технологий микроэлектроники и решают, кого к ним и в какой мере допустить. И как самое меньшее в ближайшие десятилетия миру придется существовать с этими глобальными ограничителями. Тот же Китай, по словам Петричковича, грубо говоря, придумка Америки для удешевления своей рабочей силы, ничего больше. И не только Китай.

"Но я не могу сказать, что я пессимистичен, - говорит Петричкович. - Оптимизм и пессимизм исходят из модели ожиданий. Если кто-то ожидает, что тут будет фабрика на 20 нанометров и что мы догоним и перегоним Америку, то я шибко пессимистичен. Но я оптимистичен, если речь идет о возможности для России занять серьезные ниши на рынке микроэлектроники".

С последним согласен заместитель директора Физико-технологического института РАН член-корреспондент РАН Владимир Лукичев: "В микроэлектронике существует два основных направления развития - малопотребляющие и быстродействующие микросхемы. Когда идет речь о том, что нам ни в жизнь не нагнать передовую микроэлектронику, имеются в виду либо супербыстродействующие, либо супермалопотребляющие схемы. Но между ними есть огромная ниша для любых других приложений. Поэтому, может быть, и догонять никого не нужно, а нужно заниматься тем, что находится в этой нише".

"Нишевый, но крайне огромный рынок, - говорит Петричкович, - это рынок систем распознавания, о котором я вам уже рассказывал (см. "Это будут русские глаза", "Эксперт" 45 за 2009 года) и который наша компания сейчас пытается занять. И у нас есть шанс. Мы великолепно выдерживаем конкуренцию и с израильскими, и с немецкими компаниями. В принципе довольно одного такого рынка для всей России, чтобы ее микроэлектроника могла длительно и удачно жить. У нас есть хорошие результаты по космическим системам, которые не стыдно являть и в Америке, и в Европе. А тот же "Микрон" рассматривается европейцами как фабрика, которая может вкалывать для космоса".

Пример конкретной ниши, которую может освоить свой бизнес, привел Всеволод Опанасенко: это специализированные чипы, необходимые для производства уникального оборудования. Например, в суперкомпьютерах есть комплект специфических микросхем, предназначенных для межпроцессорных связей, которые в обычной жизни не используются, но при этом производительность и прыть обмена этих суперкомпьютеров напрямую зависит в том числе и от них. Разработчиков и производителей таких чипов в мире меньше, чем пальцев на одной руке. Наличие таких чипов дает достаточно большое конкурентное преимущество. "Поэтому, - объясняет Опанасенко, - разработка таких чипов - неминуемый дальнейший шаг развития нашей компании". Необходима программа поддержки разработки подобных специализированных чипов различного назначения.

А Физико-технологический институт РАН предлагает выстроить предприятие по производству МЭМС-микросхем в Ярославле, где расположен его филиал, в котором производятся акселерометры и твердотельные гироскопы. Возможность создания производства МЭМС изучают и в "Микроне". Однако там считают, что предварительно надобно проработать рыночные перспективы этого направления в России.

По мнению Быкова, наладив выпуск собственных МЭМС, Россия получает шанс изготовить прорыв в многолучевой электронной литографии (она позволяет устроиться без фотошаблонов), позволение которой составляет единицы нанометров. Благодаря технологии микроэлектромеханических систем появилась вероятность существенно упростить системы управления электронными лучами и в целом упростить устройство литографических машин по сравнению с традиционной фотолитографией. Виктор Быков заметил, что это превосходный образец того, как микроэлектроника позволяет творить новые устройства, которые, в свою очередь, дают свежий импульс развитию самой микроэлектроники.

Многие наши респонденты отметили, что возможная ниша для нашей микроэлектроники - номенклатура, которая может частично отбояриться при переходе европейских и американских фабрик на новые технологии (скажем, с 90 и 65 нм они переходят на 30, 20, 14 нм). Это, например, микросхемы для автомобильной или медицинской промышленности, где нет необходимости в проектных нормах менее 90 нм. "Конечно, это непросто, - говорит директор по маркетингу "Ситроникс Микроэлектроники" Карина Абагян, - свою номенклатуру нам нетрудно так никто не отдаст, здесь действуют более сложные схемы - лицензии, передача технологий под уплату роялти, вход на защищенные внутренние рынки, вход в доход локальных компаний".

На конференции SEMI в Брюсселе в мае представители "Ситроникса" убеждали представителей электронной промышленности Европы в готовности России воспринять необходимые технологии и новую номенклатуру. И в качестве примера приводили два удачно выполненных проекта по трансферу технологий между "Микроном" и STMicroelectronics: 180 нм EEPROM + КМОП и 90 нм КМОП. Компании создали в Зеленограде экосистему микроэлектроники с участием более чем 50 компаний, часть которых локализовала там свои офисы, производство и исследовательские ресурсы.

По мнению Геннадия Красникова, "одна из проблем российской микроэлектроники состоит в том, что, когда распался СССР, в микроэлектронике, и не только в ней, разрушились старые и не установились новые кооперационные связи между фундаментальной и прикладной наукой и производством. А микроэлектроника развивается аккурат в кластерах. Скажем, в Европе это Гренобль, Дрезден. Мы в Зеленограде пытаемся возродить кластер, который исторически здесь существовал. И уже сейчас около нас возникло полсотни высокотехнологичных предприятий, которые работают с нами в кооперации и в области материалов, и в области оборудования, и в области дизайна, в области исследований, подготовки кадров, инфраструктуры".

Соглашаясь с проблемами, которые возникают в микроэлектронике из-за той роли, которую играют в ней США, Всеволод Опанасенко считает, что тем не менее место России в этой области не предопределено: "Нам необходим отчетливый последовательный проект государственного развития микроэлектроники. К сожалению, в России такого плана нет. И чем позже этакий план появится, тем дольше, дороже и сложнее будет ее развитие. Более того, в таковой области электроники, как суперкомпьютинг, которым занята наша фирма, должна быть какая-то мощь в государстве, которая это ориентация ведет. Иначе суперкомпьютинга в России не будет никогда. Может быть, в автомобилестроении без этого позволительно обойтись, но в микроэлектронике это совершенно необходимо".

На отсутствие в России государственной политики в области микроэлектроники направлял в беседа "Эксперту" (см. "Лучше, чем в Китае", "Эксперт" 33 за 2011 год) Хайнц Кундерт, президент европейского отделения SEMI: "Первое, что нужно мировому микроэлектронному сообществу, - увидеть, что у России есть стратегия развития отрасли. Для развития микроэлектроники, в частности, необходимы привилегии, вследствие того что что индустрия не может в одиночку себя финансировать - это стоит излишне дорого, здесь необходима помощь правительства. И только затем того, как будет принята подобная стратегия, зарубежные страны проявят заинтересованность и придут на ваш рынок. А пока у вас в России нет таковый стратегии и системы привилегий, вам никто не доверяет. Вот в чем главная проблема".

В итоге обсуждения проблем российской электроники на практике все наши респонденты сошлись во мнении, что основой ее развития должны стать следующие дальше пункты, о которых мы уже неоднократно писали.

1. Постановка конкретной цели для развития микроэлектроники, например, дело лидирующих позиций на рынке роботов.

2. Развитие "фабрики" на основе "Микрона" в сторону уменьшения проектных норм и расширения набора технологий по принципу "Мore than Moore".

3. Формирование устойчивого внутреннего спроса на изделия электроники через локализацию производства электронных компонентов для большей части собираемой в России техники, чему может содействовать "сброс" номенклатуры европейскими фабриками.

4. Поддержка и развитие компаний, способных занять принципиально новые ниши на мировых рынках.

5. Развитие фундаментальной и прикладной науки, необходимой для разработки новых технологий и нового оборудования, чтобы не проспать очередной виток электронной НТР.

Наверное, нам стоит заимствовать у Европы призывы, о которых мы написали выше: "вернуть лидерство", "планировать надолго", "мыслить глобально".


Комментариев: [0] / Оставить комментарий

Keywords:

микроэлектроники, развития микроэлектроники, микроэлектроники которые, микроэлектроники направлял, микроэлектроники последним, микроэлектроники частности, микроэлектроники сожалению, микроэлектроники состоит, микроэлектроники ibm, микроэлектроники например


=============

=============










Продукты компании Iobit



ВСЕГДА НОВЫЕ ДРАЙВЕРА