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
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
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».
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
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».