Кратное увеличение
производительности компьютеров и сопутствующей цифровой инфраструктуры,
например нейросетей, произойдет в течение ближайшего десятилетия. Искусственный
интеллект может заменить переводчиков, беспилотные автомобили начнут перевозить
грузы, а персональные роботы перестанут быть только идеей фантастов. О таких
перспективах осенью говорил президент РАН Г.Я. Красников на крупнейшем отраслевом
форуме «Микроэлектроника 2023» . В сложившейся ситуации России необходимо развивать
и укреплять позиции в области микроэлектроники, пошатнувшиеся после введения
обширных санкций.
О состоянии
микроэлектроники объективно, с учетом достижений и упущений рассказал
корреспонденту «Научной России» директор Института физики полупроводников
Сибирского отделения РАН академик Александр Васильевич Латышев. С ученым мы
поговорили на форуме «Золотая долина», прошедшем в новосибирском Академгородке
в начале ноября.
Александр
Васильевич Латышев
Микроэлектронная типография
В конце 2021 г.
европейский комиссар по вопросам конкуренции Маргрет Вестагер заявила, что
Евросоюз не в состоянии добиться полной импортонезависимости в области
полупроводниковой продукции. Наладить полноценные цепочки производства от
разработки новых технологий до масштабирования научных результатов в области
микро- и наноэлектроники настолько дорого, что пока реальным остается только
увеличение доли европейских микросхем на рынке с 10% до 20%. В частности, за
счет производства чипов, необходимых для автомобилей: их производят по относительно
устаревшим техпроцессам.
В сентябре 2022 г.
президент Соединенных Штатов Америки Джо Байден сказал, что в стране не производится
ни одного новейшего компьютерного чипа. Поэтому США сегодня выделяют
значительное финансирование на развитие полупроводникового производства.
Эти примеры
показывают, как в реальности выглядит мировой рынок микроэлектроники. На
территории стран Евросоюза и США практически нет собственных микроэлектронных
фабрик. Там сконцентрированы лаборатории, разрабатывающие технологии, которые
отправляются к производителям для масштабирования. Производитель же (крупнейший
сегодня ― это тайваньская компания Taiwan Semiconductor Manufacturing Company,
TSMC) не занимается разработками именно микросхем: это сервисные компании,
изготавливающие то, что разработали в других странах.
А.В. Латышев: «Для наглядности я всегда привожу
следующий пример. Допустим, вам нужна готовая презентация: вы фотографируете,
рисуете схемы, пишете текст, вставляете таблицы и затем отправляете файл в
печать. Вы не знаете, как в принтере перемещаются детали, как поступает краска,
да это и мало вас интересует. Главное, что в итоге вы получаете готовую
распечатанную презентацию. Рынок микроэлектроники сегодня устроен по такому же
принципу: предприятие разрабатывает высокотехнологичную продукцию и
отправляется на рынок компаний, которые оказывают сервисные услуги».
Заявления и
европейского комиссара по конкуренции, и президента США показывают, что в
последнее время подобная система практически монополизированной
«микроэлектронной типографии» перестает устраивать иностранных лидеров. Не
подходит эта система больше и России: санкции практически полностью закрыли
возможность использовать иностранные производственные площадки, на которых
раньше размещались отечественные заказы.
А.В. Латышев: «Нас долго учили: не надо развивать свои
производства, все можно купить за счет продаваемых ресурсов. Мы долго жили в
такой системе разделения труда: посылали газ, а взамен приобретали различную
продукцию, в том числе микроэлектронику. Санкционные методы разрушили все
цепочки и полностью изменили подход к производству отечественной
микроэлектроники. Конечно, у нас есть фабрика в Зеленограде: там налажены 120-
и 90-нанометровые технологии, в СМИ были упоминания, что решены определенные
задачи для 65-нанометровых технологий. Но одна фабрика не закроет все
потребности российской микроэлектроники. Задачи там расписаны на 20 лет вперед:
это заказы, которые раньше размещались на иностранных площадках».
Наука есть. Но разработать ― не значит выпускать
А.В. Латышев: «Говорят, в России нет результатов. Да
есть результаты! Российские ученые в области микроэлектроники не отстают от
иностранных, и думать, что у нас нет своих технологий, неправильно. Но одно
дело ― научное понимание того, что и как делать, а другое ― масштабирование на
производстве».
В качестве примера
академик отметил голландского производителя ASML . Это компания, выпускающая
степперы ― литографические установки для создания полупроводниковых схем,
которые компания продает по всему миру. Предприятие, хоть и иностранное, в
работе использует рентгеновскую оптику, разработанную в Институте физики
микроструктур РАН в Нижнем Новгороде.
Среди важных
научных результатов своего института А.В. Латышев отметил в том числе развитие
радиофотоники. Это перспективная возможность превратить электронный сигнал в
оптический, отправить его по оптоволокну с высокой скоростью и провести
обратную процедуру восстановления. Таким образом можно на порядки увеличить
скорость обработки информации. В Институте физики полупроводников СО РАН также
решены сложные задачи, связанные с одиночными фотонами: работают источник
одиночных фотонов и детектор одиночных фотонов. Это технологии квантовой связи,
в основе которых ― структуры, состоящие из тысяч слоев нанометровой толщины.
Недавно «Научная
Россия» писала и о перспективном материале для создания компьютерной памяти, разработанном
в новосибирском Академгородке. Майенит ― это существующий в природе минерал,
состоящий из кальция, алюминия и кислорода. При замене части кислорода
электронами электрическая проводимость материала увеличивается на 14 порядков,
а майенит с кислородом, замещенным на электроны, относится к группе электридов
и называется майенитным электридом. Его кристаллическая решетка сохраняет
структуру до 1300 oС, а значит, данные могут сохраниться даже при пожаре. При
этом количество циклов перезаписи может превышать 1010, а ученые доказали, что
на основе материала возможно создать мемристоры. Теперь разработки направлены
на создание материала, достаточно тонкого для его использования в
микроэлектронике: исследования проводились с материалом толщиной 0,1 мм, но ее
необходимо уменьшить как минимум на два порядка.
В ИФП СО РАН есть
и результаты в области исследования квантовых точек. Популярное направление
стало широко освещаться в СМИ после того, как в 2023 г. присудили Нобелевскую
премию за их открытие и технологии синтеза. Но в науке позволительно выбрать
один работающий образец из 100, а остальные забраковать, например, из-за
попавшей пыли или некачественных материалов. Но на производстве это недопустимо.
А.В. Латышев: «Мы умеем и делаем квантовые точки. Но
это единицы. Если мне предложат сделать миллион одинаковых точек на одной
пластине, мы не сможем. Для массового производства нужны другие технологии и
подходы».
Наука ― есть. Это
показывает и то, что российские ученые продолжают печатать результаты своих
исследований в авторитетных иностранных журналах. А значит, остается понимание
того, что происходит в области развития микросхем. Опасная граница, к которой
не стоит приближаться, если, разобрав чужое устройство, специалисты могут
сказать только: «Смотрите, оно блестит».
А.В. Латышев: «Если не заниматься фундаментальными
исследованиями, мы будем смотреть на чужие результаты как на какое-то чудо.
Такая программа фундаментальных исследований реальна только для
высокотехнологичных богатых стран, таких как Россия. И с этой задачей мы
справляемся».
Кадровый фактор и производственный вопрос
Актуальная задача
― поставить существующие научные достижения на рельсы промышленности. И одной
науки, существующей самой по себе, недостаточно для эффективного развития.
Необходимы цепочки, связывающие ее с двумя важными отраслями: промышленностью и
образованием. Это тройственное взаимодействие в России носит название
«треугольник Лаврентьева». Основатель Сибирского отделения Академии наук СССР
академик М.А. Лаврентьев еще на стадии размышлений о новосибирском
Академгородке сформулировал такую идею гармоничного прогресса.
При этом
отечественная микроэлектронная отрасль, бывшая в лидерах в период позднего
Советского Союза, и цепочки, обеспечивающие ее, значительно пострадали после
распада СССР. И до сих пор это направление остается чуть ли не сложнейшим
этапом на пути к импортозамещению.
Все равно придется покупать?
Машиностроение для
создания электронной промышленности сегодня входит в приоритетные задачи,
поставленные правительством России. В мае 2023 г. был утвержден список
мегапроектов, направленных на разработку и производство высокотехнологичной
продукции, в том числе микроэлектронной.
А.В. Латышев: «Я вижу, что правительство начинает
заниматься машиностроением для электронной промышленности. Сейчас обсуждаются
конкретные проекты, которые скоро начнут финансироваться. Конечно, они не будут
выпускать оборудование, которое позволит реализовать трехнанометровые
технологии, сейчас это нереально, и речь идет о других масштабах: это
плазменные установки травления и электронная литография. Проекты по развитию
микроэлектроники запустил также РНФ. Фактически фонд развернулся к
промышленности: идет заказ на прикладные разработки. Я позитивно смотрю на то,
что сейчас делается в правительстве.
Понятно, что в
ближайшее время нам будет очень непросто решать существующие задачи, которые
стоят перед микроэлектроникой. Одновременно с наукой необходимо формировать
технологический задел: разрабатывать оборудование. И пусть оно будет не лучшее,
но его можно развивать. Пока оборудования нет, развивать нечего. Хотим мы того
или нет, но лучшим вариантом сегодня я вижу закупку части оборудования за
рубежом. Конечно, никто не продаст нам оборудование для производства чипов
последнего поколения: это пяти- и семинанометровые технологии. Пусть фабрики
будут не новые, с техпроцессом 120 нм, но это была бы не одна фабрика, как
сейчас в Зеленограде. Постепенно эти относительно устаревшие техпроцессы можно
развивать и параллельно разрабатывать свою технику на перспективу. А пока нет
никакого оборудования, и развивать нечего».
Мечтать о технологиях будущего ― привилегия молодых
В России нужно
открывать центры компетенций и инжиниринговые центры, работающие в режиме
коллективного пользования, считает А.В. Латышев. Только на таких условиях можно
собрать вместе молодых специалистов, способных сообща создавать необходимые
технологии завтрашнего дня.
А.В. Латышев: «В силу возраста я уже не могу придумать
что-то, что пригодится мне в будущем. Это задача молодых: они способны
предположить, какие технологии понадобятся нам в дальнейшем. Фантазировать и
мечтать о технологиях будущего ― привилегия молодых. Как мы отличаемся от наших
родителей и знаем больше чем они, так и дети будут выше нас».
При подготовке
молодых специалистов речь не только идет о базовом образовании в университетах,
но и касается новых квалификаций и несколько иного отношения к развитию
технологий. Например, это вакуумная гигиена, к которой необходимо приучать
поколение завтрашних ученых. Один блокнот как источник пыли, занесенный в
чистую комнату, способен уничтожить результаты долгих исследований. Этот человеческий
фактор необходимо полностью исключить на нынешнем этапе развития
микроэлектронной промышленности.
А.В. Латышев: «Человеческий фактор может обрубить все
результаты. И решать проблему нужно комплексно, на существующих линиях. Это
воспитание нового поколения ученых и производителей. Этот вектор развития уже
формируется в определенных лабораториях и на производствах, но окончательно в
масштабах страны мы не решили проблему. А решать ее все равно надо».