Нобелевская премия за полупроводники: 20 лет спустя
В Новосибирском государственном университете ведущие специалисты в области полупроводниковой микроэлектроники и нанотехнологий обсудили их текущее состояние и перспективы развития в России.
Россия — страна, давшая миру ученого, который получил Нобелевскую премию за открытие полупроводниковых гетероструктур. Новосибирск — город, где разработаны уникальные для России полупроводниковые технологии. Некоторые из них удалось успешно реализовать в период активного сотрудничества с крупными зарубежными компаниями, другие технологии освоены на отечественных предприятиях, но многие все еще ждут своего часа. Сотрудники Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН академики Александр Асеев и Александр Латышев, а также руководители научно-производственных предприятий и институтов РАН поделились видением ситуации.
Тысячи километров в минуту
Погружаясь все глубже в цифровую эру, люди окружают себя огромным количеством единиц и нулей, от которых зависят результаты каждого из их действий, платят ли они за услуги, бронируют ли билеты, принимают ли участие или просто пользуются интернетом. Каждое действие сопровождается последовательностью нулей и единиц — то, что называется двоичным кодом. Виноват во всем полевой транзистор, у которого есть только два положения — открыт (1) или закрыт (0).
Если взять транспортную карту на проезд и снять с нее всю пластиковую и бумажную основу, вы увидите небольшой черный кристалл. Затем с помощью сканирующей электронной микроскопии вы увидите в нем много полос. Это еще не транзисторы, а только нанометровая разводка. Если же разрезать кристалл фокусирующими ионными пучками, то лишь тогда вы увидите внутри, в сечении, в самом нижнем слое транзисторы. Эти транзисторы в большем или меньшем количестве — микронные или нанометровые — стоят везде, где используются цифровые технологии.
Чтобы понять темпы развития микроэлектроники, лучше всего сравнить их для наглядности со скоростью железнодорожных поездов, не имея в виду обидеть ОАО РЖД, а пытаясь максимально доступно донести мысль. 40 лет назад поезд Новосибирск—Москва шел 70 часов, спустя десятки лет — около 50 часов, и даже на скоростном «Сапсане» он шел бы 17 часов. Если провести аналогию с мировыми темпами развития микроэлектроники, то сегодня поезд до Москвы должен был бы идти одну минуту.
В мире нет экономики или технологии, которая развивалась бы такими же колоссальными темпами. Современный полупроводниковый чип — это сотни миллиардов транзисторов, а в 2035 году, по прогнозам, он достигнет тысячи миллиардов или одного триллиона транзисторов. Между тем мозг человека содержит 80 млрд нейронов. С транзисторами их сравнивать не нужно, но для понимания количества элементов в структуре это сравнение уместно. Место разработки современных технологий — Силиконовая долина в США, но самого современного производства там нет. Все микро- и наноэлектронное производство размещено в Азии. Передовые производства — тайваньские, в частности, фабрика TSMС. Организовавший ее китаец долго работал в США и затем уехал на Тайвань, чтобы построить там фабрику.
Гонка за нанометрами
В России тоже есть свои производства. Например, завод «Микрон» в Зеленограде недавно сообщил, что они сделали технологию на 65 нанометров. Предыдущая была 90 нм — это 5 тыс. операций и 1 тыс. контрольных измерений. TSMC сегодня запускает технологию производства наночипов размером 3 нм. Запустить подобное производство стоит около миллиарда долларов. Если построить к этой линии собственный кремниевый завод, он будет стоить $20 млрд. Такие расходы можно оправдать только огромным объемом на мировом рынке и отсутствием конкурентов. Ни одна частная компания такой объем не осилит, только госинвестиции.
Нигде в Европе не производят персональные компьютеры и смартфоны, поскольку для создания полупроводниковой промышленности нужны государственные вложения — около $150 млрд — плюс существенные налоговые льготы. Ни одна страна Евросоюза такое себе позволить не может, поэтому всю цифровую электронику они покупают за границей. А вот, например, для автопрома такие микроэлектронные компоненты не нужны, значит, можно делать ставку на эту экономическую нишу.