Контрольная работа: Сучасні нанотехнології

Отже, якщо брати до уваги не очікування, а реальний приладовий вихід, то можна говорити лише про традиційну наноелектроніці. Більше того, ситуація навряд чи зміниться в найближчі роки – це знову ж таки підказують нам історичні зіставлення. Якщо відлік історії нової наноелектроніки почати з нанотрубок і транзистора на їх основі, віднісши все інше до передісторії, то й тоді вийде 10–15 років, термін чималий. За такий же початковий період (після винаходу транзистора в 1948 році) були створені практично всі різновиди транзисторів, діодів, тиристорів; ці прилади пройшли апаратурну обкатку в Корейській війні (1950–1953 роки); почалося їх виробництво на десятках підприємств багатомільйонними тиражами. Напівпровідникові прилади увійшли до багатьох військові системи; була підготовлена технологічна база – планарна технологія – для майбутньої мікроелектроніки. Вагомо, чи не так? Із ще більшим прискоренням і за аналогічним сценарієм розвивалися мікросхеми, що стартували в 1958–1959 роки. Зазначимо лише, що вже в 1971 році з'явилися мікропроцесори, що кардинально змінили ідеологію електронного апаратобудування. А що в тих же критеріях оцінки – типи, штуки, заводи, військові застосування – за такий же термін дала нова наноелектроніка? Якщо коротко – нічого.

Історичний досвід вчить, що якщо новий науково-технічний напрям не проявляє себе за час природного втілення, то це означає одне з двох: або його принципову нездійсненною, або передчасність. Перше означає, що новий напрямок онтологічно ущербно (фізично, технологічно і т. п.) і не реалізується в принципі, як комп'ютер на тунельних діодах. Передчасність на увазі, що ще немає об'єктивних умов для технічної реалізації, як у випадку з розробкою протівосамолетного «променевого зброї» в ленінградському НДІ-9 в 1930-і роки. Час природного втілення нового ефекту в практику розрахувати неможливо – дуже багато невизначеностей. Але історія, наш експерт, пропонує деякі орієнтири. Так, у другій половині 20 століття ні один з найбільших проектів не тривав більше 10 років: американський і наш атомні проекти – 6–7 років, висадка людини на Місяць – 7–8 років. Це не випадковість, а історична обумовленість – будь-які закладені у «витоків» ідеї, технічні рішення, матеріали за 10 років не просто застарівають, а стають архаїкою. І якщо проект не був втілений у «метал», то його і продовжувати не варто, дешевше почати заново. Такий нинішній динамізм – або робити швидко і виставляти «на продаж», або – не братися. Зрозуміло, мова йде про створення виробів, вирішенні інших конкретно-відчутних завдань. До нанонаук це не відноситься – дослідження фундаментальних проблем можуть тривати необмежено довго (хоча і тут тривала відсутність результату «стомлює» суспільство і самих вчених, приклад – піввіковий пошук дешевої термоядерної енергії помітно вщух).

Порівняльно-історичний аналіз дозволяє сформулювати ряд важливих тез про умови успіху нового напряму не у наближенні-умовному форматі, як це було вище, а цілком визначено, доказово й безальтернативно.

Теза перша – успіх мікроелектронного проекту був би неможливий, якби «під нього» не знайшовся адекватний напівпровідниковий матеріал – кремній, універсальний в частині одночасного досягнення функціональних, експлуатаційно-надійностних, технологічних, вартісних характеристик мікросхем. По окремих позиціях можуть виявитися кращим арсенід галію, германій, екзотичні тонкі плівки і т. п. Але вони – не універсальні, і в підсумку приречені лише на зокрема. Навпаки, ті нові напрямки, які орієнтовані на кремній – «кремній на діелектрику», мікромеханіки – мають безумовну перспективу, труднощі і проблеми обов'язково вирішаться за рахунок всієї потужності технологічного потенціалу мікроелектроніки.

Дискретні прилади – транзистори, лазери, світлодіоди, фотоприймачі та ін – використовують найширший спектр різноманітних напівпровідників, що дозволяє досягати рекордів у відповідних сферах застосування, але одночасно виключає можливість інтеграції – значимість дискретних приладів непорівнянна із значущістю мікроелектроніки. Характерний приклад, зворотний мікроелектроніці – інтегральна оптика. Дуже завзято заявивши про себе ще в 1970 році, вона не знайшла універсального базового матеріалу і в результаті так і залишилася на периферії.

Нова наноелектроніка поки універсального матеріалу не знайшла – нанотрубки на цю роль не виглядають, – тому від неї можна чекати проривів лише у сфері окремих видів дискретних приладів і яких-небудь гібридних конгломератів. А будь-який, навіть дуже корисний, прорив поза інтегральної технології вирішує лише зокрема.

Теза друга – успіх мікроелектроніки в сфері застосування обумовлений комплексним підходом до потреб радіоелектронних систем. Одноразово розробляються мікропроцесорні комплекти, функціонально повні набори мікросхем, природно і логічно виправдане устремління до «системам на кристалі». Але жодна «сверхпродвінутая» мікросхема не забезпечує реального прогресу апаратобудування.Перевод: русский > украинскийПоказать латиницей

Більш того, різнорідність мікросхем і дискретних приладів (за матеріалами, технології, конструкції), що використовуються в системі, дуже часто стає причиною ненадійності, високої вартості, функціональної обмеженості. Нерідко заради комплексності відмовляються від унікальних і начебто виграшних одиничних рішень. Нова наноелектроніка, обіцяючи появу безлічі чудових виробів – терабітной пам'яті, мікродісплеев та ін, системних комплексних рішень поки не пропонує.

Теза третя: успіх мікроелектроніки визначений і комплексним підходом іншого роду – одночасним і обов'язковим поєднанням в мікросхемі повного «джентльменського набору» компетенцій: високого ступеня інтеграції, значень функціональних параметрів, надійності, технологічності. Нова наноелектроніка домагається рекордів то в одному, то в іншому напрямку, але майже завжди залишає вирішення питань надійності «на потім». Проте з найбільш загальних міркувань очевидно, що для елементів наносвіту проблема надійності (точніше, ненадійності) є визначальною. Характерно, що військові (у тому числі і в США) до цих пір з обережністю ставляться до мікросхем з проектними нормами менше 0,35–0,25 мкм. Що ж говорити про нанотрубки, нанотранзисторами і нанопровідники!

Теза четвертий: вирішальним умовою успіху вітчизняної мікроелектроніки стала і комплексність у підході до створення адекватної інфраструктури галузі, а саме організації спеціального матеріалознавства, машинобудування, аналітики, метрології. Історичний приклад: у числі трьох перших Зеленоградський мікроелектронних підприємств був НДІ точного машинобудування (1963 р.); першим спеціалізованим електронним вузом країни став Московський інститут електронного машинобудування (1962 р.); в 1978 році в електроніці був створений ряд регіональних фізико-хімічних центрів, оснащених унікальними вимірювальними та аналітичними приладами. Подібної комплексності в новій наноелектроніці немає. Зокрема, немає вітчизняного спеціального машинобудування, а орієнтація на імпорт прирікає нас, як мінімум, на п'ятирічне відставання в розвинених напрямах і на повну беззбройного в нових, проривних, областях (обмеження типу закону Веніка-Джексона будуть тільки посилюватися).

Теза п'ятий: досягнення всіх перерахованих видів комплексності стало можливим виключно завдяки націленості на військові застосування. Участь військового відомства в постановці, розробці та реалізації мікроелектронного проекту, методологічно єдиний наскрізний контроль виробництва матеріалів, мікросхем, апаратури, довгострокове фінансування проекту – все це не зміг би забезпечити жоден інший великий замовник, крім МО, нехай навіть і концерн типу «Алмаз-Антей». Сьогодні для нас це особливо принципово, тому що реального громадянського напівпровідникового ринку в країні немає. І найближчим часом його не буде, оскільки немає потреби. Ще більш важливо, що тільки оборонний проект в Росії може бути по-справжньому амбіційним, а без цього він нежиттєздатний, що розуміють як держуправлінців, так і громадськість [12, 13].

Центральне питання будь-якого проекту – розподіл фінансування. Президентське послання передбачає першочергове фінансування нанонауки як основи розвитку нової наноелектроніки. Це, безумовно, виправдано. Тільки від академічних-університетських учених можна очікувати перших реальних кроків. Як би рівнів, часом зарозуміло, не нагадували електронщики про свої пріоритети в приладовій сфері, історія свідчить про інше: перший площинний транзистор, перша сонячна батарея, перший гетеролазер у нас в країні були створені в ленінградському фізтеху. Перший тунельний діод, перший Мазер і напівпровідниковий лазер – у ФІАН, перші лінії затримки на поверхневих акустичних хвилях – в ІРЕ. У НДІ і ОКБ ці прилади прийшли з академічних лабораторій. Але це лише частина істини.

Справа в тому, що електронна промисловість завжди отримувала інформацію про приладових новинки по двох каналах: від академічно-вузівської науки і безпосередньо від Заходу (журнали, конференції, стажування, розвіддані та ін), причому другий канал домінував і домінує у все більшій мірі. Ідеалізованих схем – академія розробляє приладно-технологічні принципи, а НДІ впроваджують в промисловість – ніколи, за рідкісними винятками, не було. Електронне співтовариство, як таке собі неформальне позавідомче єдність вчених на професійній основі, в країні так і не сформувалося. Швидше навпаки – у 1950-і роки А.Ф. Йоффе, В.М. Тучкевич, Б.М. Вул – від академії, і А. І. Берг, М.П. Сажин, О.В. Красилів, С.Г. Калашников – від промисловості могли сидіти за одним столом і розуміти один одного. До 1970–1980-х років «академіки» і «отраслевікі» розійшлися по своїх квартирах. І це – принципово.

У великій літературі, яка лобіює нанопроект, «автоматично» передбачається, що «наука» – це РАН (див. наприклад [13]). Галузева ж наука, де і зосереджений технологічний потенціал країни, виводиться за дужки. При цьому всупереч очевидності стверджується, що Росія в області наукового доробку з нанотехнологій знаходиться приблизно на однакових стартових позиціях з передовими країнами світу.

Історія підказує: фінансовий потік наноелектронних проекту повинен потекти в два русла, причому «Прикладники» завжди і за все треба набагато більше, ніж «академікам». Розвиваючи переважно традиційну наноелектроніку, промислові НДІ тим самим неминуче будуть готувати та інфраструктуру (технології, метрику, аналітику, кадри та ін) для активного сприйняття приладових первістків нової наноелектроніки.

Номінальні керівники проекту фактично не сформулювали його мета, кажучи замість цього «давайте спочатку спробуємо» (Г.О. Греф) [12], або пускаючись у туманні міркування про те, що «матеріальна сфера буде повністю оцифровано, аналоговий світ застаріє» (А.А. Фурсенко) [13] і про «відновлення цілісної картини світу» (М.В. Ковальчук) [5], а також про натурфілософії часів Ньютона [13]. Яких результатів можна очікувати при цьому? Виросте індекс цитованості РАН, збільшиться представництво Росії в міжнародних організаціях з нанотехнологій, підвищиться «вартість» наших талановитих фізиків і хіміків, виїжджаючих на Захід. Добре, але замало, принаймні для тих, хто залишається. Доводиться ще раз згадати, що нанопроект націлений не на вивчення навколишнього середовища, а на створення нових реальностей. Шкода, якщо в результаті мегазатрати приведуть до нанорезультатам.

2.3 Про корпорацію з нанотехнологій

Історія нашої мікроелектроніки зазвичай персоніфікується з Зеленоград. Однак нагадаємо, що перша вітчизняна мікросхема була створена на «Пульсар» (хтось заперечить: у Ризі на «Альфі», але в даному контексті це не принципово), а перша мікросхема з військової прийманням – на Воронезькому напівпровідниковому заводі. І планарна технологія прийшла в НІІМЕ і «Мікрон» з «Пульсара». Ситуація історично типова: перші зразки нової техніки народжуються не в спеціально створюваних структурах, а на діючих підприємствах традиційних з потужним науково-технологічним потенціалом і кадрами. Аби був динамічний амбітний лідер та вище керівництво не заважало. Зрозуміло, при всьому тому створення Зеленограда було об'єктивно необхідно – перехід від транзисторів до інтегральних схем носив досить принциповий характер і без великого спеціалізованого концерну було не обійтися.

Нинішня ситуація відрізняється незмірно менший реальною потребою у виробах наноелектроніки, тому доцільніше подібну спеціалізовану корпорацію сформувати у формі горизонтальної інтеграції діючих підприємств. За нашими суб'єктивним уявленням, чільне місце повинні зайняти «Пульсар», НІІМЕ (з «Мікрон»), НІІСІ, «Полюс», «Оріон». Тим самим наноелектроніка отримає втілення у всіх визначальних напрямах: інтегральна техніка, СВЧ-електроніка, лазери та оптоелектроніка, фотоніка, ІЧ-техніка, сенсорика. Названі підприємства найбільшою мірою зберегли науковий потенціал, крім того, їх лідери досить молоді, енергійні, амбітні і, що важливо, мають міцні зв'язки з академічно-університетської наукою і нею визнані (бюджетні гроші слід давати дієздатним колективам та їх лідерам, без цього будь-яким бізнес-планів гріш ціна в базарний день). У корпорації повинно знайтися місце і іншим підприємствам, націленим на наноелектроніку:

«Ангстрем», «Істок», «Волзі», «Світлані», «Сапфіру», НДІ ІВ, «монокристалів у складі перерахованих підприємств корпорація буде мати чітку промислову орієнтацію на розробку та виробництво виробів наноелектроніки, подібно авіа-та суднобудівної корпораціям, згаданим у Посланні Федеральним зборам [1].

Що стосується Російської корпорації нанотехнологій з безмежно широким представництвом всіх і вся і з членами Федеральних зборів в її керівництві, то навряд чи подібна пухка структура зможе виконувати будь-які інші функції, крім декоративних. Критеріями для «пропуску» підприємств в нанопроект повинно стати:

• наявність дієздатного наукового потенціалу,

• наявність військового представництва,

• прийняття системи добровільної сертифікації відповідно до РД У 319.015–2006,

• тривалий досвід виробництва приладів для військових цілей,

• відсутність істотних порушень державної дисципліни.

Недопустима дискримінація за пунктом форми власності – і ФГУПи і ВАТ одно гідні отримання державного фінансування по нанопроекту.

Орієнтація на діючі науково-виробничі підприємства дозволить отримати швидку і істотну віддачу від нанотехнології завдяки її використання при модернізації продукції, що випускається. Особливо помітно це виявиться там, де застосовуються складні напівпровідникові структури. Простий приклад: наші оцінки показали, що у виробництві КМОП-мікросхем на основі «кремнію на сапфірі» перехід від кремнієвих плівок товщиною 0,3–0,6 мкм до 100-нм плівок (а це можливо лише методами нанотехнології) дасть потрійний ефект – вихід придатних виросте в 1,5 – 1,8 рази; на порядок підвищиться ступінь інтеграції і збільшиться радіаційна стійкість мікросхем. Як наслідок, собівартість знизиться на 35–40%.

2.4 Потреба як Велика мета