Принято считать, что “рашка лапотная” и не производит своей микроэлектроники. Однако это не так. На текущий момент можно считать российскими процессоры и процессор. Однако, оба процессора выпускаются на Тайвани, а в России только проектирование. Пока что в России производить процессоры дорого.

А насколько процессоры стоит производить в России и зачем, ответит “”. Очень структурировано и профессионально рассказал о текущем состоянии микроэлектроники. Для желающих узнать более развернутые ответы, в тексте везде ссылки на все вопросы.

1. Можете рассказатьо своем опыте (текущая деятельность, степени, опыт).

Опыт деятельности – параллельное программирование, операционные системы, компиляторы, моделирование физических процессов,медицинская информатика, программная инженерия, проектирование и архитектурирование распределенных ИТ-систем, управление проектами, системная аналитика и консультирование, преподавание.
Много приятелей по alma mater (МФТИ) с экспертизой по микроэлектронике.

2. На текущий момент в россии организовано производство процессоров по какой технологии? 10 нм, 28 нм, 60 нм, 90 нм?

Освоено промышленное производство 90 нм. Освоили 65 нм., но еще не готовы к массовому производству.

3. Что помешало закончить проекты по производству процессоров по технологии 60 нм?

Нестабильное и небольшое финансирование. Организационная и владельческая неразбериха. Не очень быстрая подготовка и обучение кадров у западных производителей различного вида оборудования производственных линий.

4. Какие процессоры можно считать российскими?

Сейчас? Именно полностью «российские» микропроцессоры всех видов, начиная от самостоятельного производства сверхчистых пластин, масок, корпусов? Названия таких вряд ли будут знакомы. Какие-нибудь FPGA 5576ХС4Т, 5576ХС3Т, (НИИСИ),, (НИИСИ), что-то из продукции белорусского (читай советского) «Интеграла» (по 800 нм), микропроцессоры и микроконтроллеры из (перечень микросхем спецназначения МОП 44 001.01-21).

В 2015 г. Минпромторг разработал проект правительственного постановления, в котором описаны критерии интегральных микросхем российского производства, двух уровней. Первый подразумевает производство радиоэлектроники налоговыми резидентами РФ, более 50% которых принадлежит российскому государству или гражданам без двойного гражданства. У производителей должны быть права на конструкторскую документацию, и они не могут использовать готовые схемотехнические решения иностранного происхождения.

Второй уровень, с оговорками, допускал привлечение к производству компонент партнеров за пределами России. Наиболее жесткие требования к «национальной чистоте» микропроцессорной техники предъявляет ФСБ. Менее строги к критериям «Росатом», МВД.

Микропроцессоры типа, серия «Эльбрусов» и пр. – проходят по второму уровню. «Эльбрус-8С» – не полностью «отечественные» российские микропроцессоры. В «Эльбрус-8С» – российский дизайн/архитектура. Производится эта архитектура на Тайване (TSMC).

Процессоры (800 МГц, 65нм, ) и «Эльбрус-2С+» сначала планировали производить на линиях «Микрон», но опять же, пока «выпекают» на фабриках «партнёров из Юго-Восточной Азии».

При производстве микропроцессоров «на стороне» еще неизвестно что туда дополнительно «заложат», в «подарок».

См. недавнюю историю с

5. В случае. если ВСЕ страны объявят нам санкции и не будут поставлять нам процессоры Чем это грозит в краткосрочной перспективе / в долгосрочной перспективе

Так мы и так под постоянными санкциями. В США/ЕС/Японии постоянно и согласованно (из США) обновляются ограничения на поставки технологий производства микропроцессоров/микросхем другим странам.

Вряд ли соберутся запрещать продавать те микропроцессоры, что уже широко продаются. Бизнес все-таки, немалые доходы и реноме нейтральности в мире.

Хотя, бывают и исключения. При реализации проекта УЭК компании VISA и Mastercard ежегодно теряли бы примерно ~$4 млрд. Из-за рубежа намекнули практически на ультиматум: или снимаете банковско-платежную составляющую проекта, или будет запущен очередной COCOM на технологии, особенно запрет на поставки выбранных для УЭК чипов карт, которые в РФ не производятся. В итоге (2014).

Если вдруг будет запущена вторая и долгосрочная версия COCOM, придется «выкручиваться», по старой русской традиции. Может вместе с китайцами? Может еще как-то?

6. насколько Важно обладать технологиями уменьшения размера технологий в процессоре?

Более высокую скорость вычислений в большей степени обеспечивают более высокие тактовые частоты (ТЧ), больше, чем фактор миниатюризации элементов в микропроцессоре.

Но, более высокие ТЧ дают и более повышенное рассеяние тепла, что является одной из самых больших проблем в увеличении производительности.

Физический предел современных технологий кремниевой начинается примерно с 7 нм. Уменьшение размеров транзисторов до менее 10 нм (окомикроэлектроники ло 20 атомов кремния, см. в) значительно обостряет проблемы удаления тепла из-за проблем с токовыми утечками, вызываемыми туннелированием-просачиванием («пассивные утечки»). Помимо возрастания количества многочисленных наводок, на высоких частотах отражение сигнала от конца более «коротких» линий уже само по себе создаёт значительную .

Есть свои (миниатюризации).

Одно время в развитии была надежда на переход на архитектуры с реализацией троичной логики (включая и технологии хранения данных), но Intel тогда выносил всех конкурентов вперед ногами с «рынков» и ему было и так хорошо. А теперь уже «поезд ушел», и троичная система не эффективна для реализации на столь миниатюрных 2D-полупроводниках, где многое завязано на реализации транзисторов, на топологию микросхем, на переходные процессы в электрических цепях. Еще и накладывается существенная, промышленная на единицу вычислительного потока.

Так что – если и вкладываться в разработки, то уж двигаться сразу в области «новых» технологий элементной базы. Например, в оптоэлектронику (оптронику), где и ТЧ выше (3-4 порядка), и рассеяние тепла меньше и скорости прохождения сигналов выше (в ~80 раз). А еще лучше – в реализацию миниатюрных устройств-3D-кристаллов, с реализацией в них вычислительных процессов на основе использования нелинейной электродинамики (т.н. ).

P.S. Нанотрубки, графен, и «квантовые компьютеры» – это пока «разводилово» конкурентов на отвлекающие исследования.

7. можете сказать, на ваш взгляд, насколько сейчас принципиально догонять производителей процессоров в технологии 10нм, или для военных не принципиально? Ну а для всех бытовых нужд можно покупать за границей?

Догонять, вкладываясь в разработки, именно современных “кремниевых” технологий – мало смысла. Технологии распространения плоских ЭМВ по цепям на кремнии – уже на физическом пределе, правило Мура уже не выполняется. Для «бытовых» нужд можно покупать и за границей, для военных целей – производить у себя, по меньшим нанометрам.

Доклад PITAC (The President’s Information Technology Advisory Committee – Вычислительные науки: обеспечение превосходства (конкурентоспособности) Америки

Я выписал два направления, в которые стоит целенаправленно вкладываться. Вкладываться нужно в режиме закрытых «шарашек», без всякой там открытости (никаких “мир, дружба жвачка”), без вклада в “мировую науку” (она обойдется), с максимальными формами промышленного шпионажа, вплоть до “без сантиментов”.

Для военных (а также и для атомщиков, и для промышленности, включая добывающие отрасли) — потребность в модельных вычислениях просто огромная (например, гиперзвук). Самый большой в стране парк вычислительных машин сейчас в Сарове (РосАтом) — обсчитывает модели физических процессов в различных реакторах, нейтронном материаловедении, прочностные модели и пр. и пр. Газпромгеофизика (Газпром, Роснефть) тоже арендует неслабые компьютерные мощности для вычислительной модельной поддержки различных методов георазведки и жизненного цикла месторождений.

P.S.: «Страна, которая хочет достичь превосходства в конкурентной борьбе, должна превосходить конкурентов в области вычислений»

(The President’s Information Technology Advisory Committee – Вычислительные науки: обеспечение превосходства (конкурентоспособности) Америки

8. То есть, суперкомпьютеры на Ваш взгляд можно делать и на иностранных камнях? Или Вы разделили суперкомьютеры для военных и суперкомпьютеры для гражданских компаний (IMHO тот же Газпром / роснефть по опасней многих армий будет)

Суперкомпьютеры (все в России) и так сейчас реализованы сплошь на заграничных «камнях». Многие .

Поставки процессоров в Саров (и др. военным стркутрам) контролируются американцами по заключенному межправительственному соглашению еще во времена Ельцина.

Напримеры:

и т.д. ……….

9. Насколько для вертолетов и самолётов необходимы процессоры по технологии 10/28/60 нм?

Для бортовых систем самолетов/вертолетов/ракет вполне хватит и 120 нм (при ~800MHz). Вопросы лишь к надежности и «военным параметрам» (см. МО). Для деятельности оборудования самолетов ДРЛО (типа «АВАКС») уже нужны поприличнее вычислительные мощности. Но тоже, вполне можно обойтись и 130, и 65 нм., с «небольшим» распараллеливанием.

10. Многие вопросы производительности можно решить на уровне алгоритма. Насколько необходимы малые микроны в военке? Насколько сложно процессоры для военных производить в РФ?

На алгоритмических уровнях решаются задачи более оптимальной организации потока вычислений. Выигрыш 5-15%.

Причем, нужно осознавать, что разработчики микропроцессоров не про все необходимые особенности работы микропроцессоров сообщают прикладным программистам. Поэтому, кодогенераторы Intel – самые эффективные среди других компиляторов.

Писать на ассемблерах на параллельных системах – и затратно (при высокой изменчивости программ), и полный геморрой с «ручной» балансировкой распараллеливания. Мы разработали систему автоматического распараллеливания (с автоматической же балансировкой) последовательных => в параллельные программы (на языках высокого уровня). Что вполне удовлетворительно решает вышеупомянутые проблемы.

В военке и «малые микроны» иногда и не совсем полезны.

Устойчивости в РЭБ, устойчивости к широкому спектру излучений () и потоков частиц – такихтребований сложнее достигать как раз при «малых микронах».

Микропроцессоры для военных производят в РФ, постоянно.

Насколько «сложно» ? Военным как раз полегче. У них меньше проблем по финансированию – производства, высококлассных кадров, закупок оборудования, организации, которые военные выполняют и своими силами, и заказывают на «гражданской стороне». И ГРУ им может иногда что-нибудь подкидывает интересного …

11. Какие продукты в области микроэлектроники Россия экспортирует?

Очень немного. В основном в составе комплектации военных систем (ПВО, РЭБ, авионика).

12. насколько критичен отъезд молодых специалистов за границу? просто специалистов (для развития микроэлектроники).

Эта более общая проблема – «утечки мозгов». Как описал выше, американцы держат на «кредитных крючках» своих молодых спецов, но организованно «пылесосят» другие страны (в т.ч. и ЕС) под разговоры о демократии и свободе выбора ПМЖ.
Нужно научиться как-то этому «пылесосенью» сопротивляться, ибо затратно же выходит – подготовят «бесплатно» молодых специалистов (включая и стажировки и обучение в ВУЗах/на практике) – и вдруг раз, и они уже в США/ЕС (иногда Израиле) и работают на их экономику и развитие.

Вводить исключительно платное и очень дорогое образование по отдельным специальностям и законодательные «ограничения» по образовательным кредитам, вплоть до выезда за границу? Вряд ли поможет L

Принудительно направлять в научно-технические «шарашки» времен Сталина? Сейчас вроде не открыто-военные времена …

13. Расскажите историю процессора Pentium PRO

Все давно описано в открытой прессе.
Например, Советские корни процессора Intel Pentium
Пентковский умер в США в 2012, после того, как правительство РФ в 2011 выделило ему финансирование мегагрантовой лаборатории в МФТИ.

14. Какой нужный вопрос я не задал. но про это стоит сказать.

А туда ли мы идем в развитии собственной микроэлектроники? Зачем опять повторять “чужое”, постоянно отставая ине имея первенства на мировом рынке? Победитель ведь получает все, не так ли?

Дополнено:

15. Свой рынок есть возможность в первую очередь отвоевать, и Ю. Корейцы так и делали. В начале кто о них знал-никто и не брал, и не покупал. Лет 10 на своем рынке вкалывали, гигантскими, кратными по цене товару, пошлинами обрезав импорт.

Российский (не СССР+СЭВ ) рынок микроэлектроники очень мал. Масштабы рынка влияют на доходность и цены технологий.
“Отвоевать” мировой не дадут. Известна история с критическими , ситуация с , которые из-за них не могут экспортировать продукцию в страны,присоединившиеся к санкциям, а также закупать у этих стран технологии и оборудование.
Также, производственная база мировой микроэлектроники весьма обширна. Надорвешься в одиночку производить весь , при этом не отставая в НИОКР по технологиям.

Мировой рынок микроэлектроники самого начала его развития был открыт Южной Корее (подконтрольны США ). Также не было запретов на импорт технологий, также поступали .
Только в последнее время немного “по-прижимали” Samsung (и , и в ).

16. Когда Китай и Корея пришли когда все рынки были заполнены. Мы почему так не можем?

Только вот и микроэлектронные отрасли массовых производств в них переводили. А потом и компетенции подтянулись. И санкций никогда не было. В отличие от СОСОМ, поправки Джексона-Вейника.

17. Редкоземов в России полно и они не нужны особо.

Производство редкоземов рухнуло со времен СССР. Восстановить и развить такую отрасль - недешево. Очень недешево, при недостатке средств на многое другое.

18. Почему бы не отсечь от прибылей конкурентов, не питать их своими заказами

Российские заказы – достаточно малы в мировом рынке. Зачем играть в украинскую игру — “назло уши отморожу” ?

19. Почему не развивают ключевые отрасли, связанные с авиапромом? На одной военке далеко не уедешь.

И производятся не только на отечественных технологиях. Авионика, двигатели, – весьма существенные компоненты, производимые за рубежом. В возрождение гражданского авиапрома (НИОКР, модернизация производства ) – уже вложили огромные средства. И пока еще не видно – когда и как будет происходить возврат инвестиций, планы производства и продаж не сбываются. Китай тоже вступил в конкурентную борьбу в мировом авиапроме, и свой рынок будет защищать.

20. В СССР так и было, полный цикл, и никто не порвался и не оголодал. Почему в РФ не так?

Примерно треть мирового рынка промпроизводства . Была автаркическая самодостаточная экономика стран социалистической системы, полные циклы многих (но не всех! ) технологичных отраслей.

Сейчас этого нет. ЕвразЭС – это около 7-8% мирового рынка , открытость к перемещению кадров, встроенность в мировые цепочки разделения труда и технологий.

В общем, есть благородные “благие намерения”, и есть трезвые оценки текущей обстановки. Как говорили умные предшественники:

«Есть логика намерений и логика обстоятельств, и логика обстоятельств сильнее логики намерений» ((С) И.В.Сталин)

Микроэлектроника – это раздел электроники, охватывающий исследования и разработку качественно нового типа электронных приборов – интегральных микросхем и принципов их применения.

Основной задачей микроэлектроники является комплексная микроминиатюризация электронной аппаратуры – вычислительной техники, аппаратуры связи, устройств автоматики. Микроэлектронная технология позволяет резко расширить масштабы производства микро-электронной аппаратуры, создать мощную индустрию информатики, удовлетворить потребности общества в информационном обеспечении.

Интегральные микросхемы (ИС), являющиеся элементной базой микроэлектроники, предназначены для реализации подавляющего большинства аппаратурных функций. Их элементы, аналогичные обычным радиодеталям и приборам, выполнены и объединены внутри или на поверхности общей подложки, электрически соединены между собой и заключены в общий корпус. Все элементы или их часть создаются в едином технологическом процессе с использованием групповых методов изготовления.

Элементы полупроводниковой интегральной микросхемы – транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы – представляют собой совокупность различных полупроводниковых структур.

К таким полупроводниковым структурам относятся контакты металл-полупроводник, электронно-дырочные переходы, структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Физические явления и процессы в таких полупроводниковых структурах хорошо изучены и детально рассмотрены в научной и учебной литературе.

2. Основные направления развития микроэлектроники

На современном этапе электроника ускоренными темпами развивается в обоих традиционных направлениях: приборном и аппаратурном. С одной стороны, идет развитие самой электронной техники: совершенствуются приборы, такие как диоды, транзисторы, другие электронные приборы и создаются их новые классы. С другой стороны, на базе новых электронных приборов разрабатываются и выпускаются новые виды электронной аппаратуры для разнообразных областей применения.

Микроэлектроника явилась качественным результатом непрерывной миниатюризации электронной аппаратуры, стандартизации и унификации ее отдельных частей. Еще в эпоху электровакуумной электроники предпринимались шаги для уменьшения габаритов элементов электронной аппаратуры и создания конструктивно законченных унифицированных фунциональных узлов. Под последними понимают группы электронных элементов, способных выполнять определенные функции обработки сигналов: усиление, формирование, преобразование, генерирование и т.п. Такие конструктивно законченные узлы приобрели наименование модулей Создание ИС привело не только к техническому развитию электронных устройств в направлении их миниатюризации и уменьшения веса, но и явилось началом тех больших социальных изменений, которые обусловили современную революцию в микроэлектронике.

3. Современная микроэлектроника и перспективы ее развития

Перед микроэлектроникой стоят задачи:

1. Повышать качество уже выпускаемых изделий – надежность, снижение стоимости, рост % выхода.

2. Совершенствовать параметры изделий.

Для этого нужно:

1) Увеличивать степень интеграции

2) Увеличивать быстродействие

3) Снижать рассеиваемую мощность

Это позволит увеличить объем обрабатываемой информации.

Важнейший вопрос – увеличение степени интеграции, что сводится к уменьшению размеров элементов конструкции ИС. Существует два вида ограничений:

а) физические

б) технологические.

Статистическая воспроизводимость технологического процесса.

Пусть l – размер конструктивного элемента.

При l >> a , a – атомный размер, постоянная решетки (а ≅ 3Å)дискретность атомов не проявляется, тогда размер l макроскопичен. Материал рассматривается, как непрерывная среда.

При l ≅ a размер микроскопичен . Каждый атом или небольшая группа атомов рассматривается как самостоятельный объект.

При l = (10 –100)a объект мезоскопичен. Свойства такого объекта статистически неустойчивы. Или, другими словами: мезоскопические эффекты связаны со статической неопределенностью свойств изучаемых объектов.

Перспективы развития технологии цифровых ИС.

ГОДЫ
Мин. размер, мкм
Площадь ИС (логика), см 2
Площадь ИС (память), см 2
Плотность дефектов, 1/см 2
Стоимость обра-ботки, USD/ см 2
Стоимость лито-графии, USD/см 2

4. Технологический процесс изготовления ИС.

Производственный процесс изготовления ИС можно разделить на три участка: участок формирования структур на пластине, участок сборки и участок выходного контроля. Технологические процессы изготовления изделий в большинстве своем непрерывно- дискретные. Непрерывные технологические процессы не могут быть прерваны до их окончания. В случае их прерывания раньше окончание процесса в большинстве случаев изделие уходит в брак. Например, аварийное отключение печей при проведении диффузионных процессов практически приводит к браку всей партии пластин. Дискретные технологические процессы разделяются на отдельные операции. Эти процессы можно останавливать на определенное для каждого процесса время и после некоторого перерыва можно продолжать далее. Последствия такого перерыва в ходе процесса практически не отражаются на качестве изготовляемых изделий. Технологический процесс изготовления ИС также принадлежит к непрерывно- дискретному, так как состоит из двух самостоятельных непрерывно-дискретных процессов изготовления полупроводниковых кристаллов со структурой ИС и их сборки. Изготовление структуры на кристалле включает непрерывные и дискретные процессы химической обработки пластины, процессы диффузии, литографии, напыления алюминия, разделения пластин на кристаллы. Каждый из этих процессов включает ряд технологических и контрольных операций.

Последовательность технологических операций при изготовлении ИС на пластине кремния с диэлектрической изоляцией.

Современные технологические процессы изготовления ИС очень сложны. Анализ процессов изготовления показывает, что они проводятся при температурах, изменяющихся в диапазоне от – 100оС(криогенное травление) до +1100оС (окисление, диффузия, отжиг после ионной имплантации и др.), при давлении от атмосферного до 10-7 мм.рт.ст. Столь широкие диапазоны вызваны необходимостью проведения с исходными материалами различных физических и химических процессов для получения структур ИС с удовлетворяемыми.

5.Физические основы технологии получения тонких пленок

Перспективы развития микроэлектроники. Понятие о нанотехнологиях

ПОНЯТИЕ О НАНОТЕХНОЛОГИЯХ. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

В течение всех лет победоносного развития микроэлектрони­ки постоянно велись и ведутся поиски создания альтернатив­ной элементной базы. Многие ученые предсказывали, что на смену полупроводниковой микроэлектронике придет функцио­нальная электроника, одноэлектроника, оптоэлектроника, фотоника, квантовая и, наконец, биоэлектроника. Во всех пере­численных направлениях к настоящему времени достигнуты обнадеживающие результаты. Однако ни по одному из этих на­правлений не создано технологической базы, обеспечивающей экономически конкурентное производство высоконадежной элементной базы.

В 1985 г. американские кристаллографы Дж. Карл и Г. А. Хауптман стали лауреатами Нобелевской премии за вы­дающиеся достижения в разработке прямых методов определе­ния структуры кристаллов. С этого времени началась история бурного развития исследований, создания лабораторного и про­мышленного приборостроения и нанометровых структур, осно­ванных на использовании туннельной микроскопии.

На рис. 1, а приведена схема разработанной российскими специалистами М. А. Ананяном и П. Н. Лускиновичем нанотехнологической установки. В качестве подложки могут быть испо­льзованы любые проводящие материалы с тщательно отполиро­ванной поверхностью. Зонд представляет собой металлическую иглу, как правило, из твердосплавного материала, с заточенной методами ионного травления вершиной. С микроскопической точки зрения радиус кривизны вершины зонда определяется размерами единичного атома, находящегося на вершине зонда.

Рис. 1. Нанотехнологическая установка: а – схема нанотехнологической установки на основе

туннельного микроскопа; б – зависимость величины туннельного тока от зазора.

1 – подложка, 2 – зонд, 3 – источник питания, 4 – зазор между зондом и подложкой, 5 – усилитель туннельного тока, 6 – динамический регулятор зазора на основе пьезоманипуляторов, 7 – приспособление для напуска газообразных и жидких реактивов, 8 – система прецизионного позиционирования подложки.

Если к зонду по отношению к подложке приложить некоторое напряжение, то при уменьшении величины зазора х до размеров порядка единиц ангстрем, через зазор начинает протекать туннельный ток (рис. 1, б). Важно отметить, что величи­на зазора значительно меньше величин межатомных и межмолекулярных расстояний в окружающем зазор газе (20-80 Å). Поэтому можно считать, что туннельный ток в зазо­ре практически протекает в вакууме. При этом напряженность электрического поля в зазоре, даже при слабых управляющих напряжениях порядка милливольт, достигает весьма значите­льных величин порядка 10 6 В/см и выше.

Как видно из рис. 1, б ,ток в зазоре при стабилизирован­ном управляющем напряжении линейно зависит от величины зазора. При изменении величины зазора на 1 Å величина тока изменяется в 10 раз. Измеряя туннельный ток, можно с помо­щью пьезопреобразователей регулировать или стабилизировать величину зазора с точностью не ниже 0,1 Å. При указанных ве­личинах электрических полей диаметр пучка туннельных элек­тронов, протекающих в вакууме между зазором и подложкой, составляет порядка 1,0-1,5 Å.

В описываемой нанотехнологической установке предусмот­рена возможность откачки и напуска в активный объем необхо­димых жидких или газообразных реактивов. Естественно, что вся конструкция технологической камеры изготовлена из кор­розионно-стойких материалов. Это обстоятельство существенно отличает нанотехнологическую установку от туннельного мик­роскопа. Отметим также, что во избежание влияния внешних сейсмических и акустических воздействий, вся установка снаб­жена системой пассивной, а в ряде случаев и активной, вибро­защиты.

С помощью линейных пьезоманипуляторов подложка может перемещаться относительно острия зонда в пределах 10x10 мм 2 с точностью не менее 0,1 Å.

На рис. 2, а показана типичная вольтамперная характери­стика, снятая для некоторого образца при постоянной величине зазора. При энергии электронов, меньшей энергии тепловых колебаний атомов материала подложки (порядка 25 мэВ), мож­но исследовать атомарную структуру поверхности подложки, не разрушая ее. При энергиях, равных или несколько больших энергии межатомных связей атомов поверхности подложки, на вольтамперной характеристике появляются различные нели­нейности, позволяющие снять туннельную спектрограмму под­ложки и определить ее химический состав. При энергии пучка, равной энергии межатомных связей, можно «возбудить» отде­льный атом, находящийся на поверхности, «оторвать» его от нее и «перенести», перемещая подложку, в некоторое новое по­ложение. Снижая энергию возбуждения, можно «пришить» этот перемещенный атом к поверхности в новом положении (рис. 2, б ).

Если в активную область установки ввести молекулы техно­логического газа (рис. 2, в ), то под действием сильного элект­рического поля эти молекулы прежде всего ионизируются и да­лее на поверхность подложки можно осадить необходимый атом, выбранный таким образом, чтобы он образовал с атомами подложки прочно соединенный радикал. Наращивая осажден­ные атомы и перемещая подложку, можно вырастить на ней прочно закрепленные дорожки проводников или отдельные группы атомов с поперечными размерами атомарной величины (порядка 20 Å). Такие проводники и группы атомов можно на­звать квантовыми проводниками и квантовыми точками.

Напуская в технологический объем газы-травители (рис. 2, г ), можно обеспечить активацию химических реак­ций «захвата» и удаления с поверхности некоторых атомов, со­здавая «канавки» нанометровых размеров.

На рис. 2, д в качестве примера реализации некоторых нанотехнологических операций приведена туннельно-микроскопическая фотография полевого транзистора. Если на управляю­щем электроде (затворе), расположенном на фотографии спра­ва, отсутствует заряд, то по левому проводнику ток может проходить беспрепятственно – транзистор открыт. Если на за­твор подать запирающее напряжение, то поле перекрывает ка­нал, и транзистор оказывается закрытым.

Чрезвычайно важно отметить, что при поперечных размерах квантовых проводников порядка 20 Å в них за счет поперечного квантования электронов значительно уменьшается рассеяние энергии, следовательно, резко повышается быстродействие. При размерах полевого транзистора, приведенного на рис. 2, д ,его быстродействие лежит в терагерцовом диапазоне.

Отметим еще одну принципиальную особенность отечествен­ной нанотехнологической установки. С ее помощью можно на­ращивать на подложке не только продольные квантовые про­водники, но и последовательно формировать трехмерные эле­менты. Это открывает практически неограниченные возможности разрешения проблемы «тирании» проводников. На основе трехмерных связей могут быть реализованы не толь­ко апробированные в микроэлектронике элементы, но и весьма экзотические нейристорные структуры.

Магистральным путем решения проблемы повышения про­изводительности однозондовых нанотехнологических устано­вок является создание многозондовых машин. По оценкам спе­циалистов уже к 2005 году удастся разработать установки, обеспечивающие сборку атомов со скоростью один кубический дециметр вещества в час при стоимости не выше одного доллара.

Рис. 2. Основные нанотехнологические операции: а – зависимость туннельного тока от свойств материала подложки и энергии электронов; б – фиксация и перемеще­ние атомов; в – осаждение атомов из окружающего зонд газа; г – травление подложки; д – пример нанотехнологической структуры – полевой транзистор.

Формирование электрических сигналов с временем фронта 10 -14 с и распространение их по двухпроводным нанопроводникам, являющимся, по существу, металло-оптическими волноводами, обеспечивает реальную интеграцию в единой среде всей гаммы электронных и оптоэлектронных схем.

Высокая степень интеграции наноэлектронных структур, быстродействие, трехмерная сборка элементов и уменьшенное энергорассеяние закладывают фундамент для приоритетного развития на их основе быстродействующих устройств обработки информации. В частности, уже в ближайшие годы могут быть промышленно реализованы элементы памяти со сверхвысокой плотностью (10 12 бит/см 2) записи информации, что в ты­сячи раз превосходит плотность записи на традиционных ла­зерных дисках.

Учитывая резкий рост публикаций по нанотехнологиям, структурам и приборам и широчайший характер практических направлений исследований, можно с уверенностью сказать, что одним из ближайшим продолжений развития микроэлектроники является наноэлектроника.

Нанотехнология обеспечивает не только успехи в развитии элементной базы информационного приборостроения. Уже в настоящее время нанотехнологические разработки используются в медицине, робототехнике, машиностроении, атомной энергетике, оборонных системах и многих других областях. Не случайно в подавляющем большинстве развитых стран огромное внимание уделяется поддержке национальных программ по нанотехнологиям. Начало XXI века будет характеризоваться бур­ным развитием нанотехнологий вообще и наноэлектроники в частности.

40 лет назад микроэлектроника пребывала в зачаточном состоянии. Чипов тогда производилось совсем мало, в самой сложной микросхеме компании Fairchild было всего 64 транзистора, о каких-либо достоверных статистических данных в этой отрасли не приходилось и говорить. Остается лишь поражаться, как в таких обстоятельствах Гордон Мур сумел предугадать фантастические темпы развития всей отрасли на несколько десятилетий вперед и предсказать, что количество транзисторов на чипе ежегодно будет удваиваться. Более того, одновременно он сделал провидческий прогноз последствий этого, предсказав, что по мере экспоненциального увеличения числа транзисторов на микросхеме процессоры будут становиться все более дешевыми и быстродействующими, а их производство- все более массовым.

По своей сути является не законом природы, а, скорее, эмпирическим правилом. В своей первоначальной формулировке он действовал до 1975 года, когда, выступая на конференции "International Electron Devices Meeting", Гордон Мур внес в него коррективы, высказав предположение, что при производстве все более сложных чипов удвоение числа транзисторов будет происходить каждые два года. И опять он оказался прав, разве что в последние годы количество транзисторов на микропроцессоре порой удваивается с интервалом в полтора года.

Микропроцессор	Год выпуска	Число транзисторов
4004	1971	2.300
8008	1972	2.500
8080	1974	5.000
8086	1978	29.000
286	1982	120.000
Процессор Intel 386 TM	1985	275.000
Процессор Intel 486 TM	1989	1.180.000
Процессор Intel® Pentium®	1993	3.100.000
Процессор Intel® Pentium® II	1997	7.500.000
Процессор Intel® Pentium® III	1999	24.000.000
Процессор Intel® Pentium® 4	2000	42.000.000
Процессор Intel® Itanium®	2002	220.000.000
Процессор Intel® Itanium® 2	2003	410.000.000

Почему столь простая формулировка закона развития микроэлектроники вот уже сорок лет на все лады цитируется во всем мире, став своеобразным фетишем для тех, кто работает на рынке информационных технологий? И почему закон Мура стал настолько универсальным, что его без колебаний применяют при прогнозировании роста Интернета и пропускной способности каналов связи, для предсказания увеличения емкости жестких дисков и многого другого?

Происходит все это, прежде всего, потому, что закон Мура в на редкость простой, доступной пониманию каждого форме определяет фантастические, недоступные ни одной другой отрасли экономики, темпы развития полупроводниковой индустрии. На ее стремительном росте сегодня зиждется вся мировая экономика, которая уже просто немыслима без компьютеров всех сортов. Некоторые аналитики даже предсказывают, что «конец эпохи закона Мура» приведет к новой великой депрессии, до самых основ потрясшей американскую экономику в 30-е годы прошлого века. Так или иначе, обнаруживая действие закона Мура во все новых сферах высоких технологий, мы лишь подтверждаем наличие постоянного, очень быстрого прогресса технологий, а значит, и всей мировой экономики.

Любопытные факты и цифры

• В 2003 году Гордон Мур подсчитал, что количество транзисторов, ежегодно поставляемых на рынок, достигло 10.000.000.000.000.000.000 (10).
• Разрабатываемый сейчас в Intel метод производства микропроцессоров предусматривает, что расстояние между транзисторами на чипе составит одну десятитысячную толщины человеческого волоса. Это равносильно тому, чтобы провести автомобиль по прямой длиной в 650 км с отклонением от оси менее 2,5 см.
• В 1978 году авиабилет по маршруту Нью-Йорк - Париж стоил около 900 долларов, а перелет длился около 7 часов. Если бы авиаиндустрия развивалась в соответствии с законом Мура, то сегодня авиабилет на тот же маршрут стоил бы менее цента, а перелет занял бы менее одной секунды.
• За время существования корпорации Intel (т.е. с 1968 года) себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что теперь обходится примерно во столько же, сколько стоит напечатать любой типографский знак - например, запятую.
• В процессе разработки микропроцессоров, содержащих один миллиард транзисторов, Intel уменьшила величину транзисторов до такой степени, что теперь на булавочной головке могут разместиться 200 млн транзисторов.
• Современные транзисторы производства корпорации Intel открываются и закрываются со скоростью полтора триллиона раз в секунду. Чтобы включить и выключить электрический выключатель полтора триллиона раз, человеку потребовалось бы 25 тысяч лет.

Что дальше?

За истекшие сорок лет скептики сотни раз предсказывали закону Мура скорую кончину, но ученые и инженеры Intel своими открытиями и неустанным трудом снова и снова подтверждали провидческий дар и безупречность выводов одного из отцов-основателей корпорации.

На весеннем (2002 г.) Форуме Intel для разработчиков (IDF) главный технический директор корпорации Intel Патрик Гелсингер сказал: «Наша задача состоит сегодня не только в том, чтобы продлить жизнь закону Мура, но и в том, чтобы максимально расширить сферу его действия, распространив его и на другие области». Первоначально закон Мура был простым выводом из наблюдений за первыми этапами развития индустрии микропроцессоров, этаким эмпирическим постулатом. Но уже через несколько лет он стал руководящим принципом развития для всей отрасли, а теперь иначе как законом его никто и не называет. «Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура, как долго мы еще сможем пользоваться его плодами? - говорит П. Гелсингер. - В 1980 году, когда я пришел в Intel, мы ломали голову над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в 1 микрон. В девяностые годы перед нами встала задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она казалась нам недостижимой. А сегодня мы думаем о том, как преодолеть барьер в одну сотую микрона. Могу пообещать вам, что до моей пенсии, то есть в течение еще двадцати пяти лет, закон Мура будет действовать. Уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли».

«Закон Мура - основной лейтмотив нашей деятельности в области конвергенции вычислительных и коммуникационных возможностей, - заявил глава корпорации Intel Крейг Барретт, открывая весенний (этого года) Форум Intel для разрабтчиков. - Приверженность корпорации Intel закону Мура позволяет нам создавать интегрированные платформы, которые предоставляют широкий диапазон возможностей для отдельных людей и организаций, использующих эти технологии. Для эффективной реализации всего потенциала новых возможностей все большее значение приобретают процесс внедрения инноваций и общеотраслевое сотрудничество». Со своей стороны, в своем выступлении на последнем IDF Паоло Джарджини, директор по технологической стратегии корпорации Intel, подтвердил, что закон Мура продолжает действовать и что в полном соответствии с ним корпорация Intel продолжает вводить новые технологические процессы каждые два года. Залогом успешной деятельности Intel на этом направлении служат ежегодные многомиллиардные вложения корпорации в научно-исследовательские разработки, постоянную модернизацию и расширение своих производственных мощностей. Достаточно сказать, что в 2005 году Intel планирует израсходовать на эти цели более 10 млрд долларов.

В 2005 году начнется производство чипов по технологии 65 нанометров, на 2007-й намечен переход на 45-нанометровый процесс, на 2009 год - внедрение 32-нанометрового, а в 2011 году настанет черед технологического процесса 22 нм. Как подчеркнул Паоло Джарджини, в корпорации Intel уже есть конкретные научно-технические разработки, которые позволяют реализовать все эти планы.

Тогда же Паоло Джарджини заявил, что вплоть до 2020 года Intel cможет создавать транзисторы по современной схеме работы - с электродами и затвором между ними. К тому времени, однако, размеры всех элементов транзистора достигнут атомарных размеров, и уменьшать их дальше будет просто невозможно. Следовательно, уже сейчас необходимо искать новые подходы. Один из них - организация передачи сигнала на уровне элементарных частиц, путем спиновых волн .

В лабораториях Intel уже сейчас разрабатываются идеи, которые будут воплощены в чипах только лет через 10. Одна чисто теоретическая идея заключается в многократном использовании электронов . В современных архитектурах электроны перемещаются от истока к стоку, а затем теряются. «При утилизации вы просто переносите электрон в другое место, — пишет Джарджини в одной из своих работ. — Можно производить множество операций, не теряя электронов».

Другая альтернатива — углеродные и кремниевые нанотрубки . Транзисторы, изготовленные из таких материалов, имеют сопоставимые размеры. Диаметр углеродных нанотрубок - 1-2 нм, но в экспериментальных транзисторах исток и сток расположены по их длине. Это позволяет повысить быстродействие и уменьшить потребляемую энергию, однако размер больше не сократится.

«Экзотические структуры, такие как углеродные нанотрубки, могут найти применение в технологии КМОП (комплементарные металл-оксидные полупроводники) не столько для ускорения темпов миниатюризации, сколько для повышения производительности устройств или, возможно, упрощения их изготовления, — пишет Джарджини. — Даже если для цифровой логики будет изобретено принципиально иное средство перемещения электронов, возможности его масштабирования для повышения плотности и производительности не зайдут много дальше пределов, достижимых технологией КМОП, главным образом, из-за ограничений, налагаемых требованием отвода тепла».

Следующая альтернатива — изготавливать чипы больших размеров , наращивая их площадь или строя трехмерные многослойные микросхемы . Такие решения предлагал сам Гордон Мур, а также профессор Стэнфордского университета Том Ли и некоторые другие исследователи. Каким путем пойдет дальнейшее развитие полупроводников - покажет время.

Микроэлектроника. Новая быстро развивающаяся технология

2.1 Перспективы развития микроэлектроники

Основные усилия разработчиков ИМС направлены на усовершенствование уже сложившихся принципов создания ИМС, на улучшение их электрических и эксплуатационных характеристик. Работы ведутся, главным образом, в направлении повышения быстродействия схем (уменьшения энергии, расходуемой внешним источником на одно переключение логического устройства) и их степени интеграции. Решение этих проблем связывают с усовершенствованием технологии получения микроэлектронных структур минимально возможных размеров .

Дальнейшее развития микроэлектроники связано с принципиально новым подходом, позволяющим реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, используя различные физические эффекты в твердом теле. Такое направление получило название "функциональная микроэлектроника". Используются оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника), эффекты в новых магнитных материалах (магнетоэлектроника), электрические неоднородности в однородных полупроводниках, явление холодной эмиссии в пленочных структурах, явления живой природы на молекулярном уровне (бионика, биоэлектроника, нейристорная электроника) .

Микроэлектроника стремительно меняет нашу повседневную жизнь. Еще 10-15 лет назад было сложно представить появление многих современных цифровых устройств. Среди неспециалистов мало кто понимал перспективы и скорость развития технологических новинок. Сегодня цифровые камеры заменили пленочные, IP-телефония - проводную связь, навигаторы - дорожные карты, а на смену бумажным письмам и книгам пришли электронные. Все это стало возможным благодаря развитию микроэлектроники и падению цен на чипы.

Прогресс, достигнутый сегодня в полупроводниковой промышленности, позволяет осваивать все новые и новые области применения. Думаю, еще лет через десять у каждого вместо персональных компьютеров появятся персональные роботы-помощники, которые возьмут на себя большинство рутинных функций, а через 20 лет будет создана виртуальная реальность и человек сможет уходить в трехмерное пространство.

Вообще, с точки зрения техпроцессов, микроэлектроника - это вершина высоких технологий. Микроэлектронные предприятия устроены крайне сложно, и сегодня ни одна фирма в одиночку не способна поднять и решить весь пласт проблем, который встает перед современной микроэлектроникой. Поэтому вокруг производства формируется целый кластер научно-производственных компаний, R&D-центров, лабораторий. В него входят компании, занимающиеся разработкой, синтезом и производством новых материалов, производители высокотехнологичного оборудования, компании-специалисты в области дизайна чипов и высококвалифицированные аналитики, специалисты по исследованию состава и структуры вещества. То есть микроэлектронный кластер - это сотни высокотехнологичных компаний самого разного профиля.

В последние годы микроэлектроника в России развивается довольно успешно. Наше направление включено в программу исследований в проекте "Сколково", информатика названа одной из приоритетных областей высоких технологий в России

Сейчас формирование микроэлектронного кластера ведется в Зеленограде фактически заново. Зеленоград - колыбель высоких технологий. Но в трудный переходный этап после распада страны многое здесь было упущено. Сейчас то, что мы по привычке называем микроэлектроникой, по сути, является уже наноэлектроникой. Лишь благодаря крупным инвестициям с использованием инструментов частно-государственного партнерства и целенаправленной работе по модернизации за последние 5 лет "Микрону" удалось сократить технологическое отставание от переднего края мировой микроэлектроники до 2-3 технологических поколений, сейчас реализовывается проект по запуску производства уровня 90 нанометров.

В мире есть микросхемы и меньших размеров - до 32 нанометров, они используются для производства мощных микропроцессоров и ячеек памяти. Но именно топологический уровень в 90 нм наиболее востребован в автомобильной и промышленной электронике, электронных документах, банковских и смарт-картах. Наряду с топологией 65 нм это - самая используемая технологическая норма в мире.

С переносом технологии производства чипов с топологическими нормами 180-90 нм в Зеленограде началось формирование экосистемы современного микроэлектронного кластера. Сейчас мы работаем над тем, чтобы привлечь к сотрудничеству по разным направлениям как можно больше партнеров здесь, в России. По статистике, создание одного рабочего места на микроэлектронной фабрике ведет к появлению 10-12 новых рабочих мест для квалифицированных специалистов в смежных отраслях. Например, аналитические пробы, которые делались в Германии, перенесены в лабораторию МИЭТ, французский производитель AirLiquide строит газогенерирующую станцию в Зеленограде.

Мы развиваем связи с дизайнерскими центрами в России и за рубежом, в перспективе планируем заказывать в России фотошаблоны для литографии (это ключевой этап микроэлектронного производства). Восстанавливаются связи и с наукой - академические институты берут на себя те или иные исследования, работы по новым материалам и моделям. В частности, мы работаем с Физико-технологическим институтом Российской академии наук, с Институтом физики полупроводников Сибирского отделения РАН, сейчас подключаем другие институты, так как сфера большая, широкая. Развитие микроэлектроники позволяет с оптимизмом смотреть в будущее российских высоких технологий. Глобальная проблема сегодня - отсутствие внутреннего спроса на продукцию отрасли. Бизнес есть бизнес, и без окупаемости проектов требующая постоянных крупных финансовых вливаний полупроводниковая отрасль не может развиваться.

Пример других стран, история развития микроэлектроники в таких регионах, как Китай, Южная Корея, Германия, Франция - а сегодня это ведущие мировые производители полупроводников, - показывает, что в первую очередь спрос на продукцию микроэлектроники формирует само государство. В том числе и с помощью введения различных стандартов. Например, государство может обязать производителей размещать гарантирующие защиту от подделок чипы на всех фармацевтических препаратах, алкогольной продукции, почтовых отправлениях. Сейчас на государственном уровне идет процесс перехода к электронным паспортно-визовым документам, информатизации, вводятся универсальная электронная карта, электронное правительство. Все эти новшества основаны на чипах, которые хранят зашифрованную информацию и обеспечивают национальную безопасность. Ведь чип, произведенный зарубежным партнером и включающий компоненты от массы разных поставщиков, в конечном счете не может гарантировать полную защиту от несанкционированного доступа и полную безопасность ключей. Поэтому в силах правительства регламентировать использование отечественных микросхем при реализации инновационных проектов.

Истории успеха микроэлектронной отрасли в Юго-Восточной Азии и Европе основаны на значительной глобальной поддержке со стороны национальных правительств, связанной с таможенным, тарифным регулированием, гарантийным обслуживанием. Микроэлектроника формирует активы, которые остаются в стране и являются ее интеллектуальным богатством.

микроэлектроника вычислительный техника пленка

Анализ развития робототехники

Информационные технологии и электроника

В настоящее время радиоэлектроника и информационные технологии продолжают активно развиваться. Проводятся исследования биологической обратной связи или управления электроникой с помощью мысли...

Исследование принципов построения и путей совершенствования радионавигационных систем

Изучение СРНС (типа NAVSTAR и ГЛОНАСС) приводит к выводу, что ее использование в целях навигации особенно эффективно. Основной причиной этого является применение в этой системе концепций, которые находятся на переднем крае развития науки и техники...

Микроэлектроника является продолжением развития полупроводниковой электроники, начало которой было положено 7 мая 1895 года, когда полупроводниковые свойства твердого тела были использованы А.С.Поповым для регистрации электромагнитных волн...

Микроэлектроника. Новая быстро развивающаяся технология

Основной тенденцией развития микроэлектроники является повышение степени интеграции микросхем. Согласно знаменитому прогнозу, сделанному в 1965 г. и известному с тех пор как закон Мура...

Морские спутниковые системы, используемые в ГМССБ и радионавигации. Их роль в обеспечении безопасности морского судоходства

В настоящее время на базе системы ГЛОНАСС предполагается создание Единой глобальной системы координатно-временного обеспечение (ЕС КВО). Кроме спутниковой системы...

Основные материалы микроэлектроники, применяемые в процессе ее развития

Современная технология микроэлектроники основана на двух принципах: последовательном формировании тонких слоёв или плёнок при определённых режимах и создании топологических рисунков с помощью микролитографии...

Перспективы развития мобильных технологий в Украине

Обычно высокоскоростными подключениями к Интернету многие из нас пользуются в собственном доме, в офисе или даже в местном Интернет-кафе. Однако в пути эти подключения оказываются не доступными...

Перспективы развития телекоммуникационных систем в России

Стандартное российское телевидение уже давно устарело. Оно вещает в стандарте Secam и обеспечивает 25 кадров в секунду при черезстрочной развёртке изображения. Количество точек в этом формате составляет 720Ч576...

Полевые транзисторы и их применение

Светоизлучающий органический полевой транзистор . Изобретение относится к области оптики, в частности к электролюминесцирующим наноструктурам...

Прямоугольная фазированная антенная решетка с прямоугольной сеткой прямоугольных волноводов

К наиболее важным направлениям дальнейшего развития теории и техники ФАР относятся: 1) широкое внедрение в радиотехнические устройства ФАР с большим числом элементов, разработка элементов новых типов...

Разработка сети передачи данных Нуринского РУТ Карагандинской области на основе создания цифровых РРЛ

Оцифрованные магистрали, на базе которых строятся современные сети передачи информации, должны быть стандарта SDH (Synchronous Digital Hierarchy -это синхронная дискретная иерархия)...

Расчет измерительных преобразователей. Полупроводниковый диод

Ударно-ионизационный волновой пробой и генерация пикосекундных сверхширокополосных и сверхвысокочастотных импульсов в дрейфовых диодах на основе GaAs с резким восстановлением: Впервые экспериментально подтверждено...

Современные лазерные гироскопы

Сегодня созданы достаточно точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей. Сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран...

Фотоэлектрический преобразователь

Высокая цена установок определяется высокой стоимостью солнечных модулей. При производстве монокристаллических кремниевых ФЭП затрачивается такое количество энергии и труда...