Krievijas mikroelektronika: realitāte un perspektīvas. Mikroelektronikas perspektīvas

22. aprīlī notika laikraksta Vedomosti rīkotā konference “Krievijas mikroelektronika: attīstības perspektīvas”.

Konference notika reprezentatīva apaļā galda formātā, kuru vadīja Jevgeņijs Kuzņecovs, Krievijas riska kompānijas ģenerāldirektora vietnieks un projektu biroja vadītājs.

Galveno ziņojumu sniedza Krievijas Federācijas rūpniecības un tirdzniecības ministra vietnieks Jurijs Sļusars. Viņš atgādināja, ka radioelektronikas nozare ir viena no svarīgākajām un prioritārākajām tautsaimniecības nozarēm. Ņemsim, piemēram, pasaules radioelektronisko iekārtu tirgus prognozi triljonos ASV dolāru. 2012.gadā tas bija 1,75, 2015.gadā vajadzētu palielināties līdz 2,05 un tālāk: 2020 - 2?49, 2025 - 3,15, 2030 - 3,46.

Radioelektronikas īpatsvars apstrādes rūpniecības pievienotajā vērtībā nepārtraukti pieaug - no 26% līdz 37% laika posmā no 2012. līdz 2030. gadam. Radioelektronisko sistēmu īpatsvaram augsto tehnoloģiju militārās rūpniecības galaproduktos būtu jāpalielinās vēl vairāk – no 40% līdz 70% līdz 2030. gadam.

Jurijs Sļusars uzsvēra, ka nozarei ir vājas pozīcijas konkurētspējīgā pasaules tirgū. Krievijas produkcija gandrīz pilnībā izspiesta no patērētāju segmentiem, tā saglabā konkurētspēju tikai atsevišķās profesionālo segmentu nišās, eksporta apjomi ir niecīgi. Tajā pašā laikā mēs saglabājam spēcīgas pozīcijas īpašos segmentos, kur ir daudz globāli konkurētspējīgu produktu.

Tomēr nozares problēmas neaprobežojas tikai ar iepriekš minētajām. Valstī acīmredzami nav pietiekami daudz efektīvu uzņēmumu, kas varētu mainīt nozari. Zems produktivitātes un procesa efektivitātes līmenis. Tiek izmantoti novecojuši biznesa modeļi un neefektīvas tirgus kompetences, un tirgus dalībnieki gandrīz nepiedalās globālajā sadarbībā.

Nedrīkst aizmirst par nozares zemo tehnoloģisko līmeni. Daudzās pamattehnoloģijās ir nobīde. Lieto tehnoloģiju komercializācijas un attīstības līmenis par konkurētspējīgu produktu ir zems.

Interesanti ir salīdzināt izlaidi uz vienu darbinieku radioelektronikas nozarē tūkstošos dolāru gadā: ASV - 402, Japāna - 387, Brazīlija - 346, Taivāna - 297, Ķīna - 99, Krievija - 26. Ir viegli redzēt, ka starpība starp Krieviju un ASV ir 15 reizes.

Vēl viens skaitlis: Krievijas ražotāju īpatsvars vietējā tirgū ir 15%, ārējā tirgū - mazāk nekā 0,4%.

Pēc Jurija Sļusara (un citu stratēģijas izstrādātāju) domām, lai sasniegtu attīstības mērķus, ir radikāli jāmaina nozares stāvoklis. Nepieciešams panākt radioelektronikas nozares efektivitātes, konkurētspējas un tehnoloģiskā līmeņa paaugstināšanu aizsardzības spēju nodrošināšanas, ekonomiskās attīstības un Krievijas inovatīvā potenciāla realizēšanas interesēs.

Galvenais ir palielināt produktu izlaidi, mērķtiecīgi attīstot prioritāros segmentus. Uzņēmuma efektivitātes un produktivitātes pieauguma uzlabošana. Nozares tehnoloģiskā līmeņa paaugstināšana un tehnoloģiskās bāzes izveide liela skaita konkurētspējīgu produktu radīšanai.

Nozares ieņēmumiem līdz 2030. gadam vajadzētu pieaugt līdz 1583 miljardiem rubļu no 245 2012. gadā, tas ir, septiņas reizes. Izlaidei uz vienu darbinieku radioelektronikas nozarē tūkstošos rubļu gadā vajadzētu palielināties 11 reizes: no 995 2012. gadā līdz 10 368 2030. gadā.
Krievijas produkcijas īpatsvaram vietējā tirgū prioritārajos segmentos jāpalielinās par 1,7 reizēm - no 25% 2012.gadā līdz 43% 2030.gadā. Krievijas produktu īpatsvaram pasaules tirgū prioritārajos segmentos jāpalielinās par 1,8 reizēm - no 0. 6% līdz 1,1%.

Pēc Jurija Sļusara teiktā, tikai ar integrētu attīstības modeli, kas vērsts uz profesionālajiem segmentiem, var realizēt nozares ekonomiskos mērķus. Pašreizējā nozares izlaide miljardos rubļu ir 245. Izaugsmes potenciāls, kad globālā tirgus daļa profesionālajos segmentos sasniedz 2%, ir seškārtīgs pieaugums līdz 1500 miljardiem rubļu. Izaugsmes potenciāls, sasniedzot 5% pasaules tirgus daļu profesionālajos segmentos, ir 3750 miljardi rubļu. Izlaides pieauguma potenciāls uz vienu nozarē nodarbināto līdz 2030. gadam varētu sasniegt 10 reizes lielāku skaitli - no miljona rubļu līdz 10 miljoniem.

Tātad, saglabājot ierobežotu budžeta finansējumu, bet ar aktīvu privāto investīciju atbalstu, ražošanas izlaide līdz 2030. gadam sasniegs 1,6 triljonus. rubļi Nozares apjomi pieaugs seškārtīgi. Izlaide uz vienu darbinieku palielināsies 11 reizes. Dalībnieku eksports pieaugs 10 reizes. Krievijas REP uzņēmumu īpatsvara pieaugums vietējā tirgū būs līdz 43% un prioritārajos segmentos, bet globālajā tirgū - 1,8 reizes. Vietējā ražojuma elektronisko komponentu īpatsvaram pasaules tirgus prioritārajos segmentos vajadzētu pieaugt līdz 0,6%.

20. gadsimta otrajā pusē pusvadītāju elektronikas un galvenokārt mikroelektronikas attīstība izraisīja kvalitatīvas pārmaiņas gandrīz visā pasaules ekonomikā, kuras pamatā ir jaunas informācijas tehnoloģijas. Un, ja paskatās šodien uz tā dēvētā “zelta miljarda” valstīm, to ekonomiskā labklājība, pirmkārt, balstās uz augsto tehnoloģiju tehnoloģijām, uz ekonomiku, kas balstīta uz augstām tehnoloģijām. Un pirmo vietu starp tām ieņem informācijas tehnoloģijas un pusvadītāju elektronika. Tāpēc šī tēma tika izvēlēta mūsu pirmajai tikšanās reizei.

Elektronika ir visdinamiskākā ekonomikas nozare pasaulē. Tās vidējais gada pieauguma temps ir vairāk nekā 7 procenti gadā. Ar elektroniku saistītās nozares, kas izmanto elektroniskos izstrādājumus, ražo produktus 15 triljonu dolāru vērtībā.

Kādi ir ieguvumi no ieguldījumiem elektronikā? 1 dolārs galaproduktā iegūst 100 USD. Elektronikas nozares rentabilitātes līmenis ir 40 procenti. Pasaulē vidējais atmaksāšanās laiks investīcijām elektronikā ir 2-3 gadi. Pieauguma temps ir trīs reizes lielāks par IKP pieauguma tempu. Viens darbs elektronikā dod četrus citās nozarēs. Viens kilograms mikroelektronikas izstrādājumu pēc izmaksām atbilst 110 tonnām naftas. Tas ir kilograms produktu ar elektroniskām sastāvdaļām, un, ja ņem elektroniskās sastāvdaļas, piemēram, lāzera heterostruktūru, tad viens grams pēc izmaksām ir līdzvērtīgs 10 tonnām eļļas.

Šeit ir daži skaitļi, kas raksturo pasaules elektronikas nozares tirgu:

Materiāli pusvadītāju ražošanai - 20 miljardi USD;

Pusvadītāju ražošanas iekārtas - 30 miljardi ASV dolāru;

Pusvadītāju komponenti - 205 miljardi ASV dolāru;

Elektroniskās iekārtas - vairāk nekā triljons dolāru;

Ar elektroniku saistītās nozares – 15 triljoni dolāru

65 procentus no Amerikas Savienoto Valstu nacionālā kopprodukta nosaka ar elektroniku saistītā nozare. Šodien ASV un Kanādā uz vienu iedzīvotāju elektroniskās iekārtas tiek saražotas 1260 dolāru vērtībā, bet Krievijā - 14 dolāru vērtībā. Krievijas elektronisko komponentu tirgus nepārsniedz 2 miljardus dolāru. Galvenā daļa ir pusvadītāji. Ar aktīvu valdības atbalstu Krievijas elektronika varētu celties. Galvenais tam var būt aktīvi attīstošais datoru tirgus segments un telekomunikāciju iekārtu tirgus. Paredzams, ka vadu telekomunikāciju tīklu modernizācijai Krievijā nākamajos 10 gados būs nepieciešami līdz pat 35 miljardiem dolāru. Rūpnieciskās elektronikas tirgus potenciāls tuvākajā nākotnē tiek lēsts desmitiem miljardu dolāru apmērā. Kopējais kodolieroču kompleksa uzņēmumu pieprasījums 2004. gadā ir aptuveni 120 tūkstoši vienību pēc pusvadītāju ierīcēm, aptuveni 80 tūkstoši vienību pēc integrālajām shēmām. Krievijas dzelzceļu iekārtām būs nepieciešami vismaz 20 miljoni pusvadītāju elektronikas izstrādājumu. Medicīnas iestādēm ir ļoti nepieciešami pusvadītāju elementi. Krievijas ģeopolitiskā un iekšējā situācija padara īpaši svarīgu mūsdienu elektronisko sistēmu izmantošanu Krievijas drošības aģentūru, kosmosa aģentūras un konvencionālo ieroču aģentūras problēmu risināšanā. Lieki piebilst, ka ir kritiskas nozares, kurās ārvalstu elektronikas izmantošana ir nepieņemama. Tā galvenokārt ir aizsardzība.

Finansējuma apjoms pētniecības un attīstības darbam, salīdzinot ar Amerikas Savienotajām Valstīm un Krieviju, atšķiras desmitiem, ja ne simtiem reižu.

Mēs bieži sakām, ka elektroniskie tirgi ir sadalīti un sadalīti uz visiem laikiem un ka Krievija nekad nespēs iekļūt globālajā elektronikas tirgū. Pasaules tirgus vienmēr ir bijis sašķelts, tāpēc es nevēlos atbalstīt šos pesimistiskos vērtējumus. Atcerēsimies, ka 70. gadu sākumā Amerikas Savienotās Valstis bija galvenais pusvadītāju elektronisko komponentu ražotājs. Un 80. gadu sākumā bija praktiski divi galvenie pusvadītāju elektronisko komponentu ražotāji - Amerikas Savienotās Valstis un Japāna, un tad parādījās trešais segments - Dienvidaustrumāzijas valstis un ceturtais - Eiropa.

Ir vērts pievērst uzmanību Ķīnai. Ja 2002. gadā pusvadītāju komponentu ražošanas apjoms sasniedza 15 miljardus dolāru, tad līdz 2010. gadam tas pieaugs līdz 23,4 miljardiem dolāru. Kopējam elektronisko izstrādājumu apjomam līdz tam laikam vajadzētu pieaugt līdz 242 miljardiem ASV dolāru, kas veidotu gandrīz 10 procentus no nacionālā kopprodukta.

Būtu vērts pievērst uzmanību plāniem par jaunu mikroelektronikas rūpnīcu celtniecību pasaulē tuvāko piecu gadu laikā. Kopumā visā pasaulē plānots izveidot vairāk nekā 30 jaunus uzņēmumus, no kuriem 13 tiks būvēti Ķīnā.

Neskatoties uz milzīgo zinātniskā personāla potenciālu, Krievijas pusvadītāju elektronikas rūpniecība ir pagājušā gadsimta 80. gadu vidus līmenī. Ieviešamo informācijas sistēmu tehniskie līdzekļi galvenokārt tiek iegādāti ārzemēs, tas ir, to pamatā ir importēta elektronika. Tā vietā, lai ieguldītu savas elektronikas nozares izaugsmē, Krievija iegulda miljardus dolāru augsto elektronisko tehnoloģiju attīstībā citās valstīs.

Mūsdienu mikroelektronikas nozare ir ļoti dārga. Uzņēmums, kas ražo produktus uz 300 mm pamatnes, maksā divarpus miljardus dolāru. Bet tā atmaksāšanās laiks ir seši līdz septiņi gadi. Mūsdienās šie uzņēmumi ir pamats pusvadītāju elektronikas attīstībai. Tāpēc Krievijas izkļūšana no pašreizējās dramatiskās izejvielu lamatas var notikt tikai tad, ja tiek iegādāta līdz šim modernākā pusvadītāju produkcija.

Ja mēs ejam soli pa solim un sakām, ka šodien mēs tehnoloģiski, kopumā esam astoņdesmito gadu vidus līmenī un vispirms ir jāsamazina plaisa, tad mēs nolemjam sevi pilnīgai atpalicībai. Nevajag mūs pārliecināt, ka bez pusvadītāju elektroniskajiem komponentiem Krievija ne tikai nevar būt moderna lielvalsts, bet arī vispār nevar attīstīt nekādas augsto tehnoloģiju tehnoloģijas.

Ieteicams izstrādāt priekšlikumus, kas nosaka veselīgu protekcionismu gan importēto komponentu, gan gatavās produkcijas iegādē, koncentrējoties uz maksimālu importa aizstāšanu, līdzīgi kā tas tiek īstenots Ķīnā, Dienvidkorejā un Japānā. Lai to panāktu, jāsakārto likumi, kas regulē nodokļu un muitas sfēru, ārējo ekonomisko darbību, valsts iepirkumu kārtību un nosacījumus gatavās produkcijas nonākšanai tirgū. Ar valsts garantiju palīdzību ir jāstimulē kopīgu augsto tehnoloģiju iestudējumu veidošana ar ārvalstu partneriem uz paritātes principa, lai šī produkcija ne tikai apmierinātu vietējās rūpniecības vajadzības, bet arī strādātu eksportam. Tāpat tika nolemts vērsties Drošības padomē ar ierosinājumu sagatavot programmu aizsardzības nozares pakāpeniskai pārejai uz iekšzemes elementu bāzi.

Kvantu elektronikas svarīgākās jomas ir lāzeru un maseru radīšana. Uz kvantu elektronikas ierīču bāzes tiek veidotas ierīces precīzai attālumu mērīšanai (tālmēri), kvantu frekvenču standarti, kvantu žiroskopi, optiskās daudzkanālu sakaru sistēmas, dziļās kosmosa komunikācijas un radioastronomija. Koncentrēta lāzera starojuma enerģētiskā ietekme uz vielu tiek izmantota rūpnieciskajā tehnoloģijā. Lāzeriem ir dažādi pielietojumi bioloģijā un medicīnā.

Elektronika tiek intensīvi attīstīta; to raksturo jaunu teritoriju rašanās un jaunu virzienu radīšana esošajās teritorijās.

Viena no galvenajām problēmām, ar ko saskaras elektronika, ir saistīta ar prasību palielināt skaitļošanas un vadības elektronisko sistēmu apstrādātās informācijas apjomu, vienlaikus samazinot to apjomu un enerģijas patēriņu. Šo problēmu atrisina:

Pusvadītāju integrālo shēmu izveide, kas nodrošina pārslēgšanās laiku līdz 10 -11 sekundēm;

Integrācijas pakāpes palielināšana vienā mikroshēmā līdz miljonam tranzistoru 1-2 mikronu lielumam;

Izmantošana optisko sakaru ierīču un optoelektronisko pārveidotāju integrālajās shēmās (sk. Optoelektronika), supravadītājos;

Uzglabāšanas ierīču izstrāde ar vairāku megabitu ietilpību vienā mikroshēmā; lāzera un elektronu staru komutācijas pielietojumi;

Integrēto shēmu funkcionalitātes paplašināšana (piemēram, pāreja no mikroprocesora uz mikrodatoru vienā mikroshēmā);

Pāreja no divdimensiju (plaknes) integrālās shēmas tehnoloģijas uz trīsdimensiju (tilpuma) un dažādu cietas vielas īpašību kombinācijas izmantošana vienā ierīcē;

Stereoskopiskās televīzijas principu un līdzekļu izstrāde un ieviešana, kas ir informatīvāka par parasto televīziju;

Milimetru un submilimetru viļņu diapazonā strādājošu elektronisko ierīču izveide platjoslas (efektīvākām) informācijas pārraides sistēmām, kā arī optisko sakaru līniju ierīču izveide;

Jaudīgu, augstas efektivitātes mikroviļņu ierīču un lāzeru izstrāde enerģētiskai ietekmei uz vielu un virzītai enerģijas pārnesei (piemēram, no kosmosa).

Viena no elektronikas attīstības tendencēm ir tās metožu un līdzekļu iekļūšana bioloģijā (dzīva organisma šūnu un uzbūves pētīšanai un tās ietekmēšanai) un medicīnā (diagnostikā, terapijā, ķirurģijā). Attīstoties elektronikai un pilnveidojoties elektronisko ierīču ražošanas tehnoloģijai, paplašinās elektronikas sasniegumu izmantošanas jomas visās cilvēku dzīves un darbības sfērās, palielinās elektronikas loma zinātnes un tehnikas progresa paātrināšanā.

Bibliogrāfija

1. Bobrovņikovs L.Z. Elektronika: mācību grāmata universitātēm. 5. izdevums, pārskatīts. un papildu – Sanktpēterburga: Pēteris, 2004 – 560 lpp.

2. Radio materiāli, radio komponenti un elektronika: mācību grāmata / K.S. Petrovs. – Sanktpēterburga: Pēteris, 2004 – 522 lpp.

3. Telekomunikāciju sistēmas un tīkli. B.I.Kruks, V.P.Šuvalovs, T 1,2. Mācību grāmata augstskolām; Uzticības tālrunis — Telecom, 2004

4. Medvedevs A.M. Elektronisko ierīču montāža un uzstādīšana. Maskava: Tehnosfēra, 2007 – 256 lpp.

5. V.Stolings “Bezvadu sakaru līnijas un tīkli” Maskava, Williams Publishing House, 2003.g.

6. Lačins V.I., Savelovs N.S. Elektronika. 6. izdevums, pārstrādāts, papildināts. un izlabots. - Rostova pie Donas: “Fēnikss”, 2007. – 710 lpp.

7. Šapkins V.I. Radio: atklājumi un izgudrojumi. Zinātne. Tehnika. Sabiedrība / V.I.Šapkins. M.: DMK PRESS, 2005 – 190 lpp.

8. Medvedevs A.M. Iespiedshēmas plates ražošanas tehnoloģija. Maskava: Tehnosfēra, 2005 – 183 lpp.

9. Zinovjevs A.L. Ievads radioinženiera specialitātē: praktiska rokasgrāmata radiotehnikas specialitātēm universitātēs / A.L. Zinovjevs, L.I. Filipovs. 2. izd. pārstrādāts un papildu M.: Augstskola, 1989 – 207 lpp.

10. Gračevs N.N. Inženierdarba psiholoģija: mācību grāmata / N.N. Gračevs. M.: Augstskola, 1998. gads.

Krievijas Federācijas Izglītības un zinātnes ministrija

Novokuzņeckas filiāle-institūts

valsts izglītības iestāde

augstākā profesionālā izglītība

"Kemerovas Valsts universitāte"

Kursa darbs

Mikroelektronika. Jauna, strauji attīstās tehnoloģija

uzraugs

K.V. Chmeļeva

Novokuzņecka 2011

Ievads

1. Mikroelektronikas teorētiskie pamati

1.1. Mikroelektronikas attīstības vēsture

1.2. Mūsdienu problēmas un mikroelektronikas attīstības virzieni

3 Mikroelektronikas izstrādājumu klasifikācija

4 Mikroelektronikas pamatnoteikumi un principi

Galvenie elektronikas attīstības virzieni

1 Mikroelektronikas attīstības perspektīvas

2 Jauna, strauji attīstoša tehnoloģija

Secinājums

Bibliogrāfija

Ievads

Elektronika ir izgājusi vairākus attīstības posmus, kuru laikā mainījušās vairākas elementu bāzes paaudzes: elektrisko vakuumierīču diskrētā elektronika, pusvadītāju ierīču diskrētā elektronika, mikroshēmu integrētā elektronika (mikroelektronika), funkcionālo mikroelektronisko ierīču integrētā elektronika (funkcionālā mikroelektronika). ).

Elektronikas elementu bāze attīstās arvien pieaugošā tempā. Katra no iepriekšminētajām paaudzēm, parādījusies noteiktā laika brīdī, turpina pilnveidoties vispamatotākajos virzienos. Elektronisko produktu attīstība no paaudzes paaudzē virzās to funkcionālās sarežģītības virzienā, palielinot uzticamību un kalpošanas laiku, samazinot kopējos izmērus, svaru, izmaksas un enerģijas patēriņu, vienkāršojot tehnoloģijas un uzlabojot elektronisko iekārtu parametrus.

Pašreizējo elektronikas attīstības posmu raksturo integrēto shēmu (IC) plaša izmantošana. Tas ir saistīts ar ievērojamo prasību sarežģītību un elektronisko iekārtu atrisinātajām problēmām. Pašlaik izstrādātās sarežģītās sistēmas satur desmitiem miljonu elementu. Šādos apstākļos ārkārtīgi svarīgas kļūst iekārtu un to elementu uzticamības palielināšanas, elektronisko komponentu mikrominiaturizācijas un visaptverošas aprīkojuma miniaturizācijas problēmas. Visas šīs problēmas veiksmīgi risina mikroelektronika.

Mikroelektronikas kā neatkarīgas zinātnes rašanās kļuva iespējama, pateicoties bagātīgai pieredzei un nozares bāzei, kas ražo diskrētu pusvadītāju ierīces. Tāpēc mikroelektronika turpina strauji attīstīties visos virzienos. Mūsdienu dzīvē jebkura iekārta, kuru mēs izmantojam, katru dienu ir piepildīta ar mikroelektroniku. Šobrīd mikroelektronika ir pārgājusi nanoelektronikas stadijā.

Mūsdienu datortehnoloģiju, robotikas un digitālo sakaru iekārtu attīstība balstās uz mikroelektronikas sasniegumu izmantošanu integrālo shēmu (ICS) izstrādē un ražošanā, kā arī uz plašu mikroprocesoru un mikrodatoru izmantošanu, kas radīti uz liela apjoma -mēroga un īpaši liela mēroga integrālās shēmas (BMS un VLSI).

Elektronika attiecas uz zinātnes, tehnoloģiju un ražošanas jomu, kas saistīta ar elektronisko ierīču izpēti, izstrādi un ražošanu un to izmantošanas principiem. Tā kā “mikro” (no gr.micro-small) sarežģītos vārdos nozīmē saistību ar maziem objektiem, terminu “mikroelektronika” etimoloģiski var uzskatīt par maza izmēra elektroniku. Patiesībā šī termina nozīme ir daudz dziļāka. Mikroelektronika ir elektronikas nozare, kas ietver integrālo shēmu ražošanu un izpēti un to pielietošanas principus.

Turklāt mikroelektronikas izstrādes procesā tika izstrādāti daudzi specifiski elementi, kuriem ne tikai nav analogu parastajās tranzistoru shēmās, bet arī nav iespējams pat simulēt uz diskrētiem komponentiem. Šādu komponentu piemērs ir uzlādes ierīces (CCD), ko izmanto ātrgaitas atmiņas mikroshēmu izveidē mūsdienu datoros.

Mikroelektronikas izcelsme un tālākā triumfālā attīstība nebūtu bijusi iespējama bez milzīga progresa tehnoloģiju jomā.

Izvēlētās tēmas atbilstība:

Jauni informācijas rīki pamazām pārtop par obligātu profesionālās pilnveides izglītības sastāvdaļu augstskolās. Datortehnoloģiju ieviešanu izglītībā var raksturot kā loģisku un nepieciešamu soli mūsdienu informācijas pasaules attīstībā kopumā.

Ieviešot jaunas tehnoloģijas, rodas uzdevumi izstrādāt mācību metodes, izmantojot informācijas tehnoloģijas, un izstrādāt speciālu programmatūru skolēnu mācību procesa uzlabošanai. Pirmais solis ceļā uz to ir kvalitatīvu programmatūras produktu radīšana, kas nodrošina datoru atbalstu izglītības jomas “Tehnoloģijas” disciplīnās. Šobrīd izglītības procesā tiek izmantoti daudzi programmatūras produkti dabaszinātņu disciplīnās, savukārt izglītības jomas “Tehnoloģijas” disciplīnas paliek bez metodēm jauno informācijas tehnoloģiju izmantošanai.

Šī darba mērķis ir attīstīt zināšanas mikroelektronikas teorētisko principu jomā un fundamentālo pētniecisko prasmju apguvi, iegūto zināšanu radošu izmantošanu un patstāvīgas patstāvīgas pieejas veidošanu uzdoto problēmu risināšanā.

Uzdevumi, kas atbilst šī darba mērķim:

1. Analizēt mūsdienu problēmas un mikroelektronikas attīstības virzienus.

2. Noteikt galvenās mikroelektronikas attīstības perspektīvas

Apsveriet mikroelektronikas pamatnoteikumus un principus.

Identificēt jaunas strauji attīstošās tehnoloģijas.

Analizēt mikroelektronikas attīstības perspektīvas.

Šī darba izpētes objekts būs mikroelektronika un jaunas strauji attīstošas ​​tehnoloģijas.

Kursa darbā tika izmantotas pētījuma metodes: analīzes un sintēzes metode, indukcijas un dedukcijas metode.

1. Mikroelektronikas teorētiskie pamati

1 Mikroelektronikas attīstības vēsture

Mikroelektronika ir pusvadītāju elektronikas attīstības turpinājums, kas aizsākās 1895. gada 7. maijā, kad cietas vielas pusvadītāju īpašības izmantoja A. S. Popovs elektromagnētisko viļņu fiksēšanai.

Pusvadītāju elektronikas tālāka attīstība ir saistīta ar punktveida tranzistora izstrādi 1948. gadā (amerikāņu zinātnieki Shockley, Bardeen, Brattain), 1950. gadā - plakanā bipolārā tranzistora, bet 1952. gadā lauka efekta (vienpolāra) tranzistora izstrādi. Paralēli tranzistoriem tika izstrādātas un plaši izmantotas arī dažāda cita veida pusvadītāju ierīces: dažādu klašu un veidu diodes, varistori, varikapi, tiristori, optoelektroniskās ierīces (gaismas diodes, fotodiodes, fototranzistori, optopārvadi, LED un fotodiožu matricas). ).

Tranzistora izveide bija spēcīgs stimuls pētījumu attīstībai pusvadītāju fizikas un pusvadītāju ierīču tehnoloģiju jomā. Pusvadītāju elektronikas izstrādes praktiskai realizācijai bija nepieciešami īpaši tīri pusvadītāju un citi materiāli un speciālas tehnoloģiskās un mērīšanas iekārtas. Uz šī pamata sāka attīstīties mikroelektronika.

Jāpiebilst, ka mikroelektronikas pamatprincipi - grupu metode un planārā tehnoloģija - tika apgūti tranzistoru ražošanā 50. gadu beigās.

Pirmās integrālās shēmas (IC) izstrādes datētas ar 1958.–1960. gadu. 1961. - 1963. gadā vairāki amerikāņu uzņēmumi sāka ražot vienkāršāko IP. Tajā pašā laikā tika izstrādāti filmu IC. Tomēr dažas kļūmes elektriski stabilu plēves aktīvo elementu izstrādē ir izraisījušas hibrīdu IC priekšrocību attīstību. Iekšzemes IP parādījās 1962. - 1963. gadā. Pirmie vietējie IC tika izstrādāti Voroņežas pusvadītāju ierīču rūpnīcas Centrālajā projektēšanas birojā (diodes-tranzistoru loģiskās shēmas, izmantojot oksīda kabatas izolācijas tehnoloģiju). Ražošanas tehnoloģijas ziņā šīs shēmas par 2 gadiem atpalika no Rietumu attīstības.

Vēsturiskā izteiksmē var atzīmēt 5 mikroelektronikas attīstības posmus.

Pirmo posmu, kas datēts ar 60. gadu pirmo pusi, raksturo IC integrācijas pakāpe līdz 100 elementiem / mikroshēmā un minimālais elementa izmērs ir 10 mikroni.

Otrais posms, kas datēts ar 60. gadu otro pusi un 70. gadu pirmo pusi, raksturojas ar IC integrācijas pakāpi no 100 līdz 1000 elementiem uz mikroshēmu un minimālo elementa izmēru līdz 2 mikroniem.

Trešajam posmam, kas sākās 70. gadu otrajā pusē, ir raksturīga vairāk nekā 1000 elementu/kristāla integrācijas pakāpe un minimālais elementa izmērs līdz 1 mikronam.

Ceturto posmu raksturo īpaši lielu IC izstrāde ar integrācijas pakāpi vairāk nekā 10 000 elementu uz mikroshēmu un elementu izmēriem 0,1 - 0,2 mikroni.

Piekto, moderno, posmu raksturo plaši izplatīti mikroprocesori un mikrodatori, kas izstrādāti uz lielu un īpaši lielu IC bāzes.

Vēsturiski mikroelektronikas rašanos un attīstību sagatavoja zinātniski tehnoloģiskās revolūcijas straujais progress, kas radīja rūpniecisko kibernētiku, datortehnoloģiju, radioelektroniku un prasīja totālu visu elektronisko iekārtu elementu mikrominiaturizāciju. Tranzistora izveide uz vienkristāla pusvadītāja bāzes 1948.gadā un izstrāde 1950.-1951.gadā. Pirmie elektronisko iekārtu pasīvie plēves elementi sagatavoja stabilu pamatu mikroelektronikas tehnoloģiju radīšanai. Praktiski mikroelektronikas dzimšana aizsākās 1957. gadā, kad pirmo reizi tika izstrādāta tās tehnoloģiskā bāze, t.i., tika patentētas lokālās difūzijas metodes caur fotolitogrāfijas profilētu oksīda masku. Tādējādi mūsdienu mikroelektronikas pamatā ir planārā cietvielu tehnoloģija (pusvadītāju integrālo shēmu aktīvie elementi) un filmu tehnoloģija (pasīvie elementi un hibrīda integrālās shēmas).

Svarīgākie mikroelektronikas tehnoloģijās izmantotie procesi - plēvju un epitaksiālo slāņu nogulsnēšanās, vielu noņemšana (šķīdumos un tvaiku-gāzu vidē) no cietās fāzes virsmas, dopings un difūzijas pārdale - būtībā ir fizikāli ķīmiski un tiem ir saistīta noteikta iezīme. ar to rašanos uz virsmas vai cietās fāzes lielākajā daļā. Sarežģīta tehnoloģisko procesu kopuma (no 50 līdz 200 vai vairāk operācijām) produkts (pusfabrikāts) ir monokristāla gabals ar tilpumu no simtdaļām līdz kubikmilimetra vienībām mikroheterogēnas, acīmredzami metastabilas cietas vielas veidā. virsbūve, kas nepieciešama darbam ļoti sarežģītos apstākļos un praktiski bez ekspluatācijas laika ierobežojumiem. Šajā sakarā tehnologam, fiziķim un ķīmiķim ir jāsniedz risinājums divām diametrāli pretējām problēmām: 1) jārada mikroheterogēna metastabila cietviela ar maksimālu nelīdzsvarotu tilpumu izkliedi un 2) jānodrošina visa ķēdes kopumā ilgstoša stabila darbība. , nomācot tā tendenci homogenizēt un izlīdzināt sastāvu. IC aktīvo reģionu izmēri pastāvīgi samazinās, un pašlaik tiek plānota pāreja uz submikronu reģionu.

Galvenais tehnoloģiskais virziens mikroelektronikā ir monolītu, plānu un biezu plēvju IC, kā arī mikrominiatūru funkcionālu diskrētu ierīču ražošana. Biezo kārtiņu tehnoloģijas pamatā ir sietspiede un elementu un vadītāju sadedzināšana keramikas substrātā; monolīto IC ražošanā tiek izmantoti difūzijas, epitaksijas, oksidācijas uc procesi; plānslāņa mikroshēmu ražošanā kondensācijas procesi. no molekulu stariem vakuumā dominē. Galvenie mikroelektronikas tehnoloģiju mērķi ir: izveidot minimālā tilpumā (cietā korpusā vai uz tā virsmas) maksimāli daudz stingri noteiktu laukumu ar noteiktu ģeometriju, sastāvu, struktūru un līdz ar to īpašībām, kas spēj veikt noteiktas funkcijas. elektroniskās shēmas elementu elementi vai ekvivalenti ar augstu stabilitāti pārveidoto informāciju, zemu enerģijas patēriņu un augstu visu šai IS noteikto uzdevumu atkārtotas atkārtošanas uzticamību. Vienlaikus uzmanība tiek pievērsta rentabilitātes paaugstināšanai, vienlaikus samazinot materiālu patēriņu, tehnoloģiskās ražošanas vienkāršībai un sarežģītībai, maksimālai izmantojamās produkcijas iznākumam, minimāli izmantojot roku darbu. Tikai maksimāla automatizācija var nodrošināt tālāku mikroelektronikas attīstību. Pašlaik mikroelektronikas tehnoloģija jau ir izgājusi galvenos savas attīstības un veidošanās posmus, un, ja ņemam vērā, ka plaši izplatītā IC un diskrēto ierīču ražošana, izmantojot mikroelektronikas metodes un tehnoloģiskos procesus, ir šķērsojusi 10-12 miljardu vienību robežu. gadā kļūst skaidrs, ka mums ir darīšana ar masīvāko mūsdienu ļoti sarežģītu produktu ražošanu. Tajā pašā laikā mikroelektronikas attīstības tempi nekonkurē ar citām mūsdienu rūpniecības nozarēm. Tam būs nepieciešams izmantot jaunus materiālus un to sastāvus, kā arī jaunus tehnoloģiskos procesus un to kombinācijas.

Jau šobrīd to daudzveidība nekonkurē ar jebkuru citu tehnoloģiju nozari, tāpēc īpaši svarīgi ir sistematizēt un klasificēt procesus, izmantojot dažādus principus, kuriem ir fizikāli ķīmiska bāze.

2 Mikroelektronikas mūsdienu problēmas un attīstības virzieni

Galvenā tendence mikroelektronikas attīstībā ir palielināt mikroshēmu integrācijas pakāpi. Saskaņā ar slaveno 1965. gadā izteikto prognozi, kas kopš tā laika pazīstama kā Mūra likums, tranzistoru skaits ātrākajos procesoros dubultojas ik pēc pusotra gada. Protams, šī tendence nevar turpināties mūžīgi, un kopš 20. gadsimta 90. gadiem. Dažādi eksperti periodiski pauž domu, ka mikroelektronika savā attīstībā ir pietuvojusies gan VLSI un UBIS kristālu izmēra palielināšanas tehnoloģiskajai robežai, gan arī tālākai komponentu izvietošanas mikroshēmā “blīvuma” palielināšanai. Starp daudzajām dizaina un tehnoloģiskajām problēmām, kas jāatrisina mikroelektronikas izstrādājumu projektēšanā un ražošanā, var izdalīt piecas galvenās.

Pirmkārt, problēma ir integrētās shēmas elementu izmēra samazināšana. Jau šobrīd Intel Pentium 4 procesoru ražošanas iekārtas, litogrāfijas procesā izmantojot starojumu ar viļņa garumu 248 nm, ļauj iegūt elementus mikroshēmā ar izmēru 130 nm. Pēc Intel prognozēm, tuvākajā laikā atsevišķa tranzistora izmērus būs iespējams samazināt līdz aptuveni 30 nm, kas ir tikai daži desmiti atomu slāņu. Uzņēmums Nikon Corporation paziņoja par savas projekcijas litogrāfijas aprīkojuma (EPL) izstrādes programmas paātrināšanu, izmantojot 0,07 mikronu procesa standartus. Mūsdienās EPL var uzskatīt par visticamāko nākamās paaudzes litogrāfijas tehnoloģiju.

Speciālisti turpmākās perspektīvas litogrāfijas izšķirtspējas paaugstināšanai saista ar mīksta rentgena starojuma izmantošanu ar viļņa garumu ~1 nm ekspozīcijas laikā, kā arī ar dažādām elektronu litogrāfijas metodēm. Vienā no elektronu litogrāfijas metodes variantiem rezistoru maskas tehnoloģija netiek izmantota vispār, bet tiek nodrošināta elektronu stara tieša iedarbība uz silīcija oksīda slāni. Izrādās, ka atklātās vietas pēc tam tiek iegravētas vairākas reizes ātrāk nekā neeksponētās vietas.

Acīmredzot dabisko robežu VLSI un UBIC mikrominiaturizācijas tālākai izaugsmei noteiks ārpus logiem esošo materiālu struktūras izjaukšanas parādības fotorezistos. Principiālākā līmenī tas var būt saistīts ar izmantoto pusvadītāju tīrības ierobežojumiem un to defektu un piemaisījumu sadalījuma statistisko raksturu. Pamatojoties uz novēroto tendenci, šī robeža varētu tikt sasniegta ap 2015. gadu.

Otrajā vietā starp aktuālajām mikroelektronikas problēmām ir iekšējo savienojumu problēma. Milzīgs skaits mikroshēmu elementu, kas atrodas uz pamatnes, ir jāpārslēdz savā starpā tā, lai nodrošinātu uzticamu un pareizu noteiktu darbību veikšanu ar signāliem. Šī problēma tiek atrisināta, izmantojot daudzlīmeņu elektroinstalāciju, kad pirmajā (zemākajā) līmenī tiek veidoti loģiskie vārti, otrajā līmenī tiek veidoti atsevišķi digitālie mezgli, piemēram, flip-flops, atsevišķi bloki (piemēram, reģistri) tiek veidoti otrajā līmenī. trešajā līmenī un pēc tam pieaugošā funkcionālās sarežģītības pakāpē.

Trešajā vietā ir siltuma noņemšanas problēma. Integrācijas pakāpes palielināšanās parasti ir saistīta gan ar pašu elementu izmēru, gan attālumu starp tiem samazināšanos, kas izraisa īpatnējās izkliedes jaudas palielināšanos. Dabiskajā režīmā (bez papildu siltuma izlietnes) mūsdienu mikroshēmu pieļaujamā jaudas izkliede nepārsniedz 0,05 W/mm2, kas ierobežo elementu blīvumu uz pamatnes. Lai pārvarētu šo ierobežojumu, var izmantot vairākas metodes: barošanas sprieguma samazināšanu, tranzistoru mikrorežīmu darbību, pāreju uz ekonomiskāku elementu bāzi (piemēram, papildu metāla izolatora-pusvadītāja struktūru - CMOS) un, visbeidzot, mākslīgo dzesēšanu. . Tomēr katrai no šīm metodēm ir savas specifiskas grūtības. Piemēram, barošanas sprieguma samazināšanās neizbēgami noved pie trokšņa imunitātes samazināšanās.

Ceturtā sarakstā ir substrāta defektu problēma. Integrācijas pakāpi var palielināt, vienkārši palielinot kristāla laukumu, taču tas proporcionāli palielina kristāla struktūras defektu (galvenokārt dislokāciju) iekļūšanas darba zonā iespējamību, kuru klātbūtne uz substrāta virsmas ir neizbēgama, ja nu vienīgi termodinamisku iemeslu dēļ. Pamatnes defekts var izraisīt mikroshēmas ražošanas procesa traucējumus un attiecīgi defektus. Vienīgais veids, kā atrisināt šo problēmu, ir uzlabot substrāta ražošanas tehnoloģiju.

Pēdējā sarakstā, bet, iespējams, pirmā pēc svarīguma, ir parametru kontroles problēma. Ir labi zināms, ka elektronika ir iekļuvusi burtiski visās cilvēka darbības jomās. Automātiskās sistēmas mūsdienās pārvalda sarežģītus (un dažkārt potenciāli bīstamus) tehnoloģiskos procesus, milzīgas satiksmes plūsmas utt. Šādas sistēmas kļūme var izraisīt katastrofālas sekas. Šādos apstākļos iekārtu uzticamības un kvalitātes problēmas un līdz ar to elektronikas rūpniecības ražoto produktu parametru kontrole kļūst ārkārtīgi svarīgas. Sakarā ar veikto funkciju lielo sarežģītību mūsdienu VLSI ārējo informācijas izvadu skaits svārstās no vairākiem desmitiem līdz diviem līdz trīs simtiem. Ja novērtējumam ņemam informācijas tapu skaitu, kas vienāds ar 50, un ņemam vērā, ka digitālajam signālam katrā no tiem var būt divas vērtības (“0” vai “1”), tad, lai pilnībā pārbaudītu tikai viens VLSI un tikai statiskā režīmā būs nepieciešami 250 mērījumi. Katram mērījumam veicot 0,1 μs (ar parasto pašreizējo tehnoloģiju paraugu ņemšanas ātrumu 10 MHz), šis process prasīs vairāk nekā divus gadus. Iepriekš minētie aprēķini liecina, ka reālai kontroles organizācijai mērījumiem noteikti jābūt selektīviem. Tāpēc rūpīga testēšanas metodoloģijas izstrāde (kontrolējamo parametru izvēle, efektīvu testēšanas algoritmu izstrāde, kā arī atbilstošas ​​mērīšanas iekārtas un programmatūras izstrāde) ir ļoti svarīgs un ļoti sarežģīts uzdevums.

Pašlaik strauji attīstās nanotehnoloģijas, kuru pamatā ir tuneļa mikroskopijas izmantošana, ir zināmas perspektīvas. Nanotehnoloģiskās iekārtas darba korpuss ir no karbīda materiāla izgatavota elektriskā zonde, kas ir sava veida adata, kuras gals ar jonu kodināšanas metodēm tiek “asināts” līdz atomu izmēriem.

Zondes gals atrodas ļoti mazā (~ m) attālumā no pulētās vadošās pamatnes virsmas, un starp substrātu un zondi tiek pielikts zināms spriegums. Tā kā sprauga ir maza, pat pie ļoti zemiem spriegumiem lauka intensitāte spraugā var sasniegt milzīgas vērtības apmēram ... V/m, kas izraisa tuneļa strāvas parādīšanos. Mērot šo tunelēšanas strāvu, izmantojot pjezoelektriskos devējus, ir iespējams saglabāt spraugas izmēru ar kļūdu, kas ir m. Šajā gadījumā tuneļa elektronu kūļa diametrs ir ~ m.

Palielinot staru kūļa enerģiju līdz starpatomisko saišu enerģijas līmenim, ir iespējams no substrāta noplēst vienu atomu un, pārvietojot substrātu, izmantojot pjezo manipulatorus, pārnest to kopā ar zondi jaunā pozīcijā. Samazinot staru kūļa enerģiju, atomu var nogulsnēt uz substrāta šajā jaunajā pozīcijā.

Ievadot procesa gāzes molekulas aktīvajā zonā zem zondes, krasi neviendabīga elektriskā lauka apstākļos, ir iespējams panākt to jonizāciju un, zondei notverot vajadzīgo jonu, nogulsnēt to uz substrāta vēlamajā vietā. Tādējādi uz pamatnes veidojas punktveida vai lineāras struktūras ar raksturīgiem izmēriem, kas ir m. Piepildot iekārtas darba zonu ar kodināšanas gāzi, tiek uzsāktas ķīmiskas reakcijas, kas noved pie atsevišķu atomu ķēžu noņemšanas no virsma, kas ļauj izveidot nanometru dziļuma rievas.

Nanotehnoloģijas paver praktiski neierobežotas iespējas gan plakanu, gan tilpuma konstrukciju konstruēšanai, kas dod iespēju uz pamatnes izveidot elektroniskus elementus ar izmēriem atomu secībā. Teorētiski šādu elementu veiktspēja var būt ar lielumu vai pat c, un augstākā nanoelektronisko struktūru integrācijas pakāpe ļauj ieviest atmiņas ierīces ar īpaši augstu informācijas ierakstīšanas blīvumu aptuveni 10 biti/, kas ir par trim kārtām lielāks nekā mūsdienu lāzerdisku iespējas.

Tomēr integrācijas pakāpes palielināšanās krasi sašaurina VLSI shēmu darbības jomu, jo tās kļūst pārāk specializētas un tāpēc tiek ražotas ierobežotā daudzumā, kas nav ekonomiski izdevīgi. Izeja ir pamata matricas kristālu izstrāde un ražošana. Šāds kristāls satur lielu skaitu identisku topoloģisko šūnu, kas veido matricu. Katra šūna satur noteiktu skaitu nesaistītu elementu, kas atlasīti tā, lai no tiem varētu izveidot vairākus funkcionālos elementus (flip-flop, loģisko vārtu grupa utt.). Veicot metāla elektroinstalāciju topoloģisko šūnu iekšienē un savienojot tās savā starpā, ir iespējams iegūt ļoti sarežģītas konstrukcijas un funkcionalitātē atšķirīgas elektroniskās vienības. Pamatojoties uz vienu pamata matricas kristālu, var realizēt lielu skaitu LSI modifikāciju, vienkārši nomainot metalizācijas fotomaskas.

Mikroelektronikas iespējas nebūt nav izsmeltas, un tās kā zinātnes un tehnoloģiju disciplīnas attīstības prognozētā robeža tiek pastāvīgi atbīdīta laikā. Taču ilgtermiņa prognozes tik dinamiski attīstošā jomā kā mikroelektronika ir nepateicīgs uzdevums. Un pat ja šāds limits tiek sasniegts, tas nenozīmē, ka progress elektronikas jomā apstāsies. Pusvadītāju tehnoloģijas tiks aizstātas ar jaunām tehnoloģijām, kuru pamatā ir dažādi fizikālie principi. Varbūt tā būs funkcionālā elektronika, optiskā, kvantu vai, visbeidzot, bioelektronika.

3 Mikroelektronikas izstrādājumu klasifikācija

Mikroshēmu klasifikāciju var veikt pēc dažādiem kritērijiem. Funkcionālās sarežģītības ziņā IC parasti raksturo integrācijas pakāpe, ko parasti novērtē ar mikroshēmas pakotnē esošo elementu un komponentu skaita desmito logaritmu. Pamatojoties uz šo iezīmi, pašlaik izšķir astoņas integrācijas pakāpes:

pirmā pakāpe - 1... 10 elementi;

otrā pakāpe - 10... elementi;

trešā pakāpe - ... elementi;

ceturtā pakāpe - ... elementi;

piektā pakāpe - ... elementi;

sestā pakāpe - ... elementi;

septītā pakāpe -...elementi;

astotā pakāpe atrodas virs elementiem. Pirmās un otrās integrācijas pakāpes integrālās shēmas sauc par mazajām integrālajām shēmām (SIC). Angļu valodas literatūrā tos apzīmē ar terminu Integrated Circuit (1C). Tie parasti satur vienu vai vairākus digitālos vai analogos elementus (loģiskos vārtus, flip-flops, darbības pastiprinātāju utt.). Vidēja integrālā shēma (SIS vai MSI - Medium Scale Integration) ir otrās vai trešās integrācijas pakāpes integrālā shēma, kas satur nevis elementus, bet gan ierīces funkcionālās vienības (reģistru, skaitītāju, dekodētāju utt.). Lielai integrālajai shēmai (LSI — Large Scale Integration) ir trešā vai ceturtā integrācijas pakāpe, un tajā ir viena vai vairākas funkcionāli pilnīgas ierīces vai to daļas. Ļoti liela mēroga integrācija (VLSI vai VLSI) ir piektās līdz septītās integrācijas pakāpes integrētā shēma. Šajā klasē ietilpst, piemēram, mikrokontrolleru mikroshēmas, lielas ietilpības atmiņas utt. Visbeidzot, īpaši lielām integrētajām shēmām (UBIS vai ULSI — Ultra Large Scale Integration) integrācijas pakāpe ir augstāka par septiņām. VLSI un UBIS ietver, piemēram, mūsdienu datoru centrālos mikroprocesorus.

Vēl viena iezīme, kas raksturo mikroshēmu ražošanas tehnoloģijas līmeni, ir iepakojuma blīvums - elementu skaits, kas ievietots mikroshēmas laukuma vienībā.

Pašlaik mikroshēmām ar zemu integrācijas pakāpi šis parametrs ir ..., t.i. Aptuveni 100...1000 elementu satilpst uz viena kvadrātmilimetra. Tajā pašā laikā dažos gadījumos (piemēram, mūsdienu mikroprocesoros) iepakojuma blīvums var sasniegt vērtības elementu secībā /.

Atkarībā no apstrādājamo signālu veida visas integrālās shēmas ir sadalītas analogajās un digitālajās. Analogās integrālās shēmas ir paredzētas, lai pārveidotu un apstrādātu signālus, kas mainās atkarībā no nepārtrauktas funkcijas likuma. To pielietojuma jomas galvenokārt ir televīzijas un sakaru iekārtas, kā arī mērinstrumenti un vadības sistēmas. Digitālās integrālās shēmas ir paredzētas signālu apstrādei, kas mainās atkarībā no diskrētas, parasti bināras, funkcijas likuma. Tos izmanto digitālo datoru, mērinstrumentu digitālo vienību, automātiskās vadības sistēmu u.c. Pašlaik vērojama tendence arvien plašākai un veiksmīgākai digitālo metožu (un līdz ar to arī mikroshēmu) izplatībai tradicionāli analogajās jomās. Kā piemēru var minēt digitālās skaņas apstrādes un ierakstīšanas metodes, kas ļāvušas iegūt iepriekš nesasniedzamu kvalitāti.

Pamatojoties uz to struktūru un ražošanas pamattehnoloģiju, mikroshēmas iedala divos principiāli atšķirīgos veidos: pusvadītāja un plēves. Šo divu tehnoloģiju savdabīgs sajaukums ļauj ražot gan hibrīda, gan kombinētas integrālās shēmas.

Mūsdienu mikroelektronikas pamatu veido pusvadītāju IC, kuru elementi ir izgatavoti plānā (1... 10 µm) pusvadītāja substrāta virsmas slānī, kura lomu spēlē silīcija monokristāls 200 ... 300 µm biezs. Atkarībā no integrācijas pakāpes substrāta laukums var atšķirties ļoti plašās robežās: no vairākām vienībām līdz 600...700."

Plēves mikroshēmas elementi ir izgatavoti dažādu veidu vadošu un nevadošu plēvju veidā, kas uzklātas uz dielektriska (parasti stikla vai keramikas) pamatnes. Tīras plēves IC satur tikai pasīvos elementus (rezistorus, kondensatorus, dažreiz induktīvos elementus), jo plēves tehnoloģija neļauj ražot aktīvos elementus (tranzistorus) uz pamatnes, tāpēc filmu IC izmantošana ir ierobežota.

Hibrīda IC ir plēves mikroshēma, uz kuras pēc tās izgatavošanas piekarināmu elementu veidā tiek novietotas speciāli izgatavotas neiesaiņotas diodes un tranzistori.

Kombinētās mikroshēmas pamatā ir pusvadītāju IC ar veidotiem aktīviem elementiem, uz kuriem pēc virsmas izolēšanas tiek uzklāti pasīvās plēves elementi.

Katram IP veidam ir sava klasifikācija, ko nosaka gan fiziskie darbības principi, gan ražošanas tehnoloģiskās īpatnības.

4 Mikroelektronikas pamatnoteikumi un principi

Mikroelektronisko ierīču iezīme ir to veikto funkciju augstākā sarežģītības pakāpe. Sarežģītu problēmu risināšanai tiek veidotas shēmas, kurās komponentu skaits var sasniegt 107... 108. Acīmredzot ar šādu elementu skaitu nav iespējams nodrošināt pareizus savienojumus starp tiem un drošu darbību manuāli. Tas nozīmē galveno prasību maksimāli automatizēt mikroelektronikas izstrādājumu ražošanu.

Būtiski svarīgs ir tas, ka mikroshēmu ražošanā tiek izmantota grupas ražošanas metode. Tās būtība slēpjas faktā, ka uz vienas pusvadītāju materiāla plāksnes vienlaikus tiek ražots liels skaits integrālo shēmu. Turklāt, ja tehnoloģiskais process atļauj, vienlaikus darbojas vairāki desmiti šādu plākšņu. Pēc galvenā tehnoloģiskā cikla pabeigšanas vafele tiek sagriezta kristālos, no kuriem katrs attēlo atsevišķu mikroshēmu. Pēdējā posmā tiek veikta iepakošana - kristāla ievietošana korpusā un kontaktu paliktņu savienošana ar integrālās shēmas vadiem (kājām).

Grupas ražošanas metode un nepieciešamība veikt lielu skaitu elektrisko savienojumu padara planāro (no angļu valodas plaknes - plakne) tehnoloģiju mikroshēmu izgatavošanai optimālu un bez alternatīvas. Šajā gadījumā visi elementi un to sastāvdaļas, kā arī nepieciešamie savienojumi tiek veidoti integrālajā shēmā caur plakni.

Mikroelektronikas attīstības pamatā ir nepārtraukta elektronisko iekārtu veikto funkciju sarežģīšana un ar šīs iekārtas palīdzību risināmo uzdevumu loka paplašināšana. Tas noved pie tā, ka noteiktā posmā kļūst neiespējami atrisināt jaunas problēmas, pamatojoties uz veco elementu bāzi. Zinātnieku, inženieru un tehnologu darba rezultātā “dzimst” arvien vairāk elektronisko ierīču, kurām ir augstākas īpašības salīdzinājumā ar to priekšgājējiem. Tajā pašā laikā elektronisko komponentu un ierīču elementu bāzes izmaiņu pamatā esošie faktori ir uzticamība, izmaksas un jauda, ​​kā arī kopējie izmēri un svars.

Mikroelektronikas attīstību noteicošos faktorus var iedalīt trīs līdzvērtīgos aspektos: fiziskajā, tehnoloģiskajā un shēmā. Apstāšanās kāda no šiem aspektiem attīstībā neizbēgami palēninās progresu mikroelektronikas jomā kopumā.

2. Elektronikas attīstības galvenie virzieni

Elektronika ir zinātne, kas pēta elektronu un citu lādētu daļiņu mijiedarbības parādības ar elektriskajiem, magnētiskajiem un elektromagnētiskajiem laukiem, kas ir fiziskais pamats elektronisko ierīču un ierīču (vakuuma, gāzes lādētā pusvadītāja un citu), ko izmanto raidīšanai. , apstrādājot un uzglabājot informāciju.

Aptverot plašu zinātnisko, tehnisko un rūpniecisko problēmu loku, elektronika ir balstīta uz sasniegumiem dažādās zināšanu jomās. Vienlaikus, no vienas puses, elektronika izvirza jaunus uzdevumus citām zinātnēm un ražošanai, stimulējot to tālāku attīstību, un, no otras puses, apgādā tās ar kvalitatīvi jauniem tehniskajiem līdzekļiem un pētniecības metodēm.

Galvenie elektronikas attīstības virzieni ir: vakuuma, cietvielu un kvantu elektronika.

Vakuuma elektronika ir elektronikas nozare, kas ietver pētījumus par brīvo elektronu plūsmu mijiedarbību ar elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem vakuumā, kā arī metodes elektronisko ierīču un ierīču izveidei, kurās šī mijiedarbība tiek izmantota. Nozīmīgākās pētniecības jomas vakuuma elektronikas jomā ir: elektronu emisija (jo īpaši termiskā un fotoelektronu emisija); elektronu un/vai jonu plūsmas ģenerēšana un šo plūsmu kontrole; elektromagnētisko lauku veidošana, izmantojot enerģijas ievades un izvades ierīces; augsta vakuuma fizika un tehnoloģija utt.

Vakuuma elektronikas attīstības galvenie virzieni ir saistīti ar šādu veidu elektrisko vakuumierīču izveidi: elektronu lampas (diodes, triodes, tetrodes u.c.); īpaši augstas frekvences elektrovakuuma ierīces (piemēram, magnetroni, klistroni, ceļojošās un atpakaļgaitas viļņu lampas); elektronu staru un fotoelektroniskās ierīces (piemēram, attēla lampas, vidikoni, elektronu optiskie pārveidotāji, fotopavairotāji); gāzizlādes ierīces (piemēram, tiratrons, gāzes uzlādes indikatori).

Cietvielu elektronika risina problēmas, kas saistītas ar cietvielu materiālu (pusvadītāju, dielektrisko, magnētisko u.c.) īpašību izpēti, piemaisījumu un materiāla strukturālo īpatnību ietekmi uz šīm īpašībām; dažādu materiālu virsmu un saskarņu īpašību izpēte; veidojot kristālā reģionus ar dažāda veida vadītspēju, izmantojot dažādas metodes; heterosavienojumu un vienkristālu struktūru izveide; mikronu un submikronu izmēra funkcionālo ierīču izveide, kā arī to parametru mērīšanas metodes.

Galvenās cietvielu elektronikas jomas ir: pusvadītāju elektronika, kas saistīta ar dažāda veida pusvadītāju ierīču izstrādi, un mikroelektronika, kas saistīta ar integrālo shēmu izstrādi.

Kvantu elektronika aptver plašu jautājumu loku, kas saistīts ar metožu un līdzekļu izstrādi elektromagnētisko svārstību pastiprināšanai un ģenerēšanai, pamatojoties uz stimulētās atomu un molekulu emisijas efektu. Galvenie kvantu elektronikas virzieni: optisko kvantu ģeneratoru (lāzeru), kvantu pastiprinātāju, molekulāro ģeneratoru uc radīšana. Kvantu elektronikas ierīču īpašības ir šādas: augsta svārstību frekvences stabilitāte, zems iekšējā trokšņa līmenis, liela jauda. starojuma impulsā - kas ļauj tos izmantot augstas precizitātes attāluma mērītāju, kvantu frekvenču standartu, kvantu žiroskopu, optisko daudzkanālu sakaru sistēmu, dziļās kosmosa sakaru, medicīnas iekārtu, lāzera skaņas ierakstīšanas un atskaņošanas uc izveidei. Pat miniatūriem lāzera rādītājiem ir izveidots minimālai izsekošanas nodrošināšanai.

1 Mikroelektronikas attīstības perspektīvas

IC izstrādātāju galvenie centieni ir vērsti uz jau izveidoto IC izveides principu uzlabošanu un to elektrisko un darbības īpašību uzlabošanu. Darbs galvenokārt tiek veikts ķēžu ātruma palielināšanas virzienā (samazinot ārēja avota patērēto enerģiju uz loģiskās ierīces pārslēgšanu) un to integrācijas pakāpi. Šo problēmu risinājums ir saistīts ar pēc iespējas mazāka izmēra mikroelektronisko konstrukciju iegūšanas tehnoloģijas uzlabošanu.

Turpmākā mikroelektronikas attīstība ir saistīta ar principiāli jaunu pieeju, kas dod iespēju realizēt noteiktu aparatūras funkciju, neizmantojot standarta pamatelementus, izmantojot dažādus fiziskus efektus cietā korpusā. Šo virzienu sauc par “funkcionālo mikroelektroniku”. Optiskās parādības (optoelektronika), elektronu mijiedarbība ar akustiskajiem viļņiem cietā ķermenī (akustoelektronika), efekti jaunos magnētiskajos materiālos (magnetoelektronika), elektriskās neviendabības homogēnos pusvadītājos, aukstuma emisijas fenomens plēves struktūrās, dzīvās dabas parādības molekulārais līmenis (bionika, bioelektronika, neiristoru elektronika).

Mikroelektronika strauji maina mūsu ikdienu. Tikai pirms 10-15 gadiem bija grūti iedomāties daudzu mūsdienu digitālo ierīču parādīšanos. Nespeciālistu vidū tikai daži saprata tehnoloģisko inovāciju attīstības perspektīvas un ātrumu. Mūsdienās digitālās kameras ir aizstājušas filmu kameras, IP telefonija ir nomainījusi vadu sakarus, navigatori ir aizstājuši ceļu kartes, bet papīra vēstules un grāmatas ir nomainījušas elektroniskās. Tas viss kļuva iespējams, pateicoties mikroelektronikas attīstībai un mikroshēmu cenu kritumam.

Šodien sasniegtais pusvadītāju nozarē ļauj mums izpētīt arvien jaunas pielietojuma jomas. Domāju, ka vēl pēc desmit gadiem personālo datoru vietā katram būs personālie robotu palīgi, kas pārņems lielāko daļu rutīnas funkciju, un pēc 20 gadiem tiks izveidota virtuālā realitāte un cilvēks varēs iedziļināties trīs. dimensiju telpa.

Kopumā no tehnisko procesu viedokļa mikroelektronika ir augsto tehnoloģiju virsotne. Mikroelektronikas uzņēmumi ir ārkārtīgi sarežģīti, un šodien neviens uzņēmums nav spējīgs izvirzīt un atrisināt visu problēmu slāni, ar ko saskaras mūsdienu mikroelektronika. Tāpēc ap ražošanu veidojas vesels pētniecības un ražošanas uzņēmumu, pētniecības un attīstības centru un laboratoriju klasteris. Tajā ietilpst uzņēmumi, kas nodarbojas ar jaunu materiālu izstrādi, sintēzi un ražošanu, augsto tehnoloģiju iekārtu ražotāji, uzņēmumi, kas specializējas mikroshēmu projektēšanā un augsti kvalificēti analītiķi, speciālisti vielas sastāva un struktūras izpētē. Tas ir, mikroelektronikas klasteris sastāv no simtiem dažāda profila augsto tehnoloģiju uzņēmumu.

Pēdējos gados mikroelektronika Krievijā attīstās diezgan veiksmīgi. Mūsu virziens ir iekļauts Skolkovo projekta pētniecības programmā, datorzinātne ir nosaukta par vienu no prioritārajām augsto tehnoloģiju jomām Krievijā

Tagad Zelenogradā praktiski no nulles tiek veidots mikroelektronikas klasteris. Zelenograda ir augsto tehnoloģiju šūpulis. Bet grūtajā pārejas periodā pēc valsts sabrukuma šeit daudz kas tika palaists garām. Tagad tas, ko mēs parasti saucam par mikroelektroniku, patiesībā ir nanoelektronika. Tikai pateicoties lielajām investīcijām, izmantojot publiskās un privātās partnerības instrumentus un mērķtiecīgam modernizācijas darbam pēdējo 5 gadu laikā, Micron ir izdevies samazināt tehnoloģisko plaisu no pasaules mikroelektronikas vadošajām malām līdz 2-3 tehnoloģiskajām paaudzēm; šobrīd tiek īstenots projekts uzsākt ražošanu 90 nanometru līmenī.

Pasaulē ir mazākas mikroshēmas – līdz 32 nanometriem, tās izmanto jaudīgu mikroprocesoru un atmiņas šūnu ražošanai. Bet tieši 90 nm topoloģiskais līmenis ir vispieprasītākais automobiļu un rūpnieciskajā elektronikā, elektroniskajos dokumentos, banku un viedkartēs. Līdzās 65 nm topoloģijai šis ir pasaulē visvairāk izmantotais tehnoloģiju standarts.

Nododot tehnoloģiju mikroshēmu ražošanai ar topoloģiskajiem standartiem 180-90 nm Zelenogradā, sākās moderna mikroelektronikas klastera ekosistēmas veidošanās. Tagad mēs strādājam, lai piesaistītu pēc iespējas vairāk partneru šeit, Krievijā, sadarbībai dažādās jomās. Kā liecina statistika, vienas darba vietas izveide mikroelektronikas rūpnīcā noved pie 10-12 jaunu darba vietu rašanās kvalificētiem speciālistiem radniecīgās nozarēs. Piemēram, analītiskie testi, kas tika veikti Vācijā, tika nodoti MIET laboratorijai, franču ražotājs AirLiquide būvē gāzes ražošanas staciju Zelenogradā.

Mēs veidojam sakarus ar dizaina centriem Krievijā un ārvalstīs, un nākotnē plānojam pasūtīt fotomaskas litogrāfijai Krievijā (tas ir galvenais mikroelektronikas ražošanas posms). Atjaunojas arī sakari ar zinātni - akadēmiskie institūti uzņemas to vai citu pētījumu, strādā pie jauniem materiāliem un modeļiem. Jo īpaši mēs strādājam ar Krievijas Zinātņu akadēmijas Fizikas un tehnoloģijas institūtu, ar Krievijas Zinātņu akadēmijas Sibīrijas filiāles Pusvadītāju fizikas institūtu, un tagad mēs savienojam citus institūtus, jo sfēra ir liela un plats. Mikroelektronikas attīstība ļauj optimistiski raudzīties Krievijas augsto tehnoloģiju nākotnē. Mūsdienās globālā problēma ir vietējā pieprasījuma trūkums pēc nozares produktiem. Bizness ir bizness, un bez projektu atmaksāšanās pusvadītāju nozare, kas prasa pastāvīgas lielas finanšu injekcijas, nevar attīstīties.

Citu valstu piemērs, mikroelektronikas attīstības vēsture tādos reģionos kā Ķīna, Dienvidkoreja, Vācija, Francija - un šodien tie ir pasaules vadošie pusvadītāju ražotāji - liecina, ka, pirmkārt, pieprasījums pēc mikroelektronikas produktiem ir augošs. ko veido pati valsts. Tostarp, ieviešot dažādus standartus. Piemēram, valsts var uzlikt ražotājiem pienākumu izvietot pretviltošanas mikroshēmas uz visiem medikamentiem, alkoholiskajiem dzērieniem un pasta sūtījumiem. Tagad valsts līmenī notiek pāreja uz elektroniskajiem pasu un vīzu dokumentiem, tiek ieviesta informatizācija, universālā elektroniskā karte un elektroniskā pārvalde. Visu šo jauninājumu pamatā ir mikroshēmas, kas glabā šifrētu informāciju un nodrošina valsts drošību. Galu galā ārvalstu partnera ražota mikroshēma, kas ietver dažādu piegādātāju sastāvdaļas, galu galā nevar garantēt pilnīgu aizsardzību pret nesankcionētu piekļuvi un pilnīgu atslēgu drošību. Tāpēc valdībai ir tiesības regulēt iekšzemes mikroshēmu izmantošanu inovatīvu projektu īstenošanā.

Dienvidaustrumāzijas un Eiropas mikroelektronikas nozares veiksmes stāsti ir balstīti uz ievērojamu globālu atbalstu no valstu valdībām saistībā ar muitu, tarifu regulēšanu un garantijas apkalpošanu. Mikroelektronika veido aktīvus, kas paliek valstī un ir tās intelektuālā bagātība.

mikroelektronikas skaitļošanas plēve

2.2. Jauna, strauji attīstoša tehnoloģija

Mikroelektronika ieņem vienu no svarīgākajām vietām pasaules attīstīto valstu ekonomikā. Rūpniecības un sadzīves preču līmeni nosaka mikroelektronikas tehnoloģiju kvalitāte. Katrs dolārs, kas ieguldīts mikroelektronikā ar kompetentu un tālredzīgu politiku, nes peļņu līdz 100 USD un rada trīs reizes vairāk darba vietu nekā citās rūpniecības jomās.

Daudzās pasaules valstīs vietējās elektronikas nozares attīstība tiek uzskatīta par visefektīvāko veidu, kā veicināt visu nozari un iekļūt pasaules tirgū. Mikroelektronikas attīstība laika gaitā paātrinās, palielinoties integrālo shēmu un elektronisko sistēmu sarežģītībai, un tai ir globāls raksturs - tādā nozīmē, ka tā ietekmē visas cilvēka darbības un sabiedrības sfēras. Mūsdienu informācijas sistēmas 70% no to vērtības balstās uz mikroelektronikas produktiem, jo ​​īpaši sakaru iekārtām - 60%. Šāda produkta kā civilās lidmašīnas izmaksas veido 50% no elektroniskā aprīkojuma izmaksām un 70% no militārā gaisa kuģa izmaksām.

Militārajā sfērā augstas precizitātes elektroniskās vadības sistēmas un gaisa piegādes sistēmas ir būtiski mainījušas militāro operāciju stratēģiju un taktiku, kā to skaidri pierādīja pēdējo desmitgažu karos. Šādos apstākļos tikai dažas valstis, kurām ir vienlīdz sarežģīti ieroči, kuru pamatā ir elektroniskās sistēmas, šādos apstākļos spēj pretoties agresoram.

Lai nodrošinātu drošību, šīm ieroču sistēmām jābalstās uz pašmāju izstrādātām elektroniskām sastāvdaļām, jo ​​informācijas drošība paredz, ka jebkurai militārā aprīkojuma daļai jābūt pilnīgi neatkarīgai no ārvalstu komponentiem. Bet kas mums ir patiesībā? Pēdējo divdesmit gadu laikā mikroelektronikas attīstība Krievijas Federācijā ir praktiski apturēta. Līdz ar to Krievijā izmantoto importēto mikroelektronisko komponentu īpatsvars pieauga līdz 90 procentiem, bet vairākās jomās - līdz 100 procentiem. Jo īpaši līdz 70 procentiem no importētajām integrālajām shēmām tiek izmantotas jaunākās militārā aprīkojuma izstrādes. Krievijas sistēmu mikroshēmas projektēšanas centri izstrādā ierīces, izmantojot modernas tehnoloģijas un ar īpaši augstu īpašu izturību, kas nepieciešama ieroču sistēmām, bet tajā pašā laikā viņi pasūta šīs ierīces no ārvalstu rūpnīcām, jo ​​mums vienkārši nav rūpnīcu ar šādu tehnoloģiju. cikli. Tikmēr valsts aizsardzības spējas mūsdienu pasaulē precīzi nosaka tas, kāda veida elektronika tai ir.

Elektronikas rūpniecība ir viena no ienesīgākajām tautsaimniecības nozarēm. Pēc analītiķu aprēķiniem, globālais vidējais investīciju atmaksāšanās laiks mikroelektronikā nepārsniedz 2-3 gadus. Viens kilograms mikroelektronikas produktu maksā tikpat, cik 100 un vairāk tonnas naftas. Pateicoties tam, tikai viena mobilo tālruņu ražotāja - Nokia - gada pārdošanas apjomi ir diezgan salīdzināmi ar Krievijas naftas eksporta gada apjomu. Tāpēc visas zināmā mērā attīstītās valstis izmisīgi cīnās par vietu elektroniskajā tirgū.

Dienvidkorejai, kam nebija ne izejvielu, ne savu energoresursu, ne pat personāla, tikai 30-40 gadu laikā izdevās izveidot attīstītu ražošanu un pārvērsties par vadošo industriālo un elektronisko enerģiju pasaulē. Tikmēr 60. gados tās iedzīvotāji tik tikko iemācījās lasīt un rakstīt, un vismodernākais produkts, ko Korejas inženierija ražoja, bija velosipēds. Singapūras lēciens ir vēl fantastisks. Kādreiz koloniālā osta, kuras teritorija bija ievērojami zemāka par Maskavas teritoriju un kurā dzīvoja 4,2 miljoni cilvēku, tajos pašos 60. gados tā pelnīja naudu no ārvalstu preču reeksporta, tūkstošgades beigās kļuva par pasaules inovāciju. centrs. Tajā pašā laikā eksporta apjoma ziņā Singapūra 2000. gadā ar naftu, gāzi un tēraudu apsteidza Brazīliju, Austrāliju un Krieviju.

Un vai ir brīnums, ja Krievijas daļa pasaules augsto tehnoloģiju produktu tirgū nepārsniedz 0,3 procentus? Skaidrs, ka viņu šeit neviens negaida. Konkurenti viens otru spiež ar elkoņiem. Un tas pat nav galvenais. Galvenais, ka mums nav ko piedāvāt. Un tāpēc mūsu eksporta struktūrā nav ne elektronikas produktu, ne programmatūras produktu, ne medicīnas iekārtu, ne audio un video tehnikas. Un, ja valsts joprojām atrodas dažos tirgus segmentos, tas ir tikai pateicoties padomju laika progresīvajām norisēm. Bet tie arī strauji noveco.

Šobrīd, salīdzinot ar vairākām attīstītajām valstīm, pašmāju mikroelektronikas sasniegumi ir niecīgi. Lai mēs pietuvotos ES līmenim, ir jāveic milzīgs kapitālieguldījums. Tādas valstis kā Vācija, Francija, Anglija un citas ir veikušas milzīgu lēcienu uz priekšu mikroelektronikas jomā, ko nevar teikt par Krievijas Federāciju. Maskavas priekšnieki paziņo, ka Krievijas elektronikas rūpniecība drīz kļūs neatkarīga no ārvalstu komponentiem un ražos ierīces atbilstoši topoloģiskajiem standartiem 0,18 mikroni, 0,13 mikroni, 0,09 mikroni utt. Tas nozīmē ne vairāk kā divas rūpnīcas, ja abas valstis ar progresīvām tehnoloģijām ir ievērojami vairāk ražošanas līniju. Bet šobrīd mēs varam ar pārliecību teikt, ka šīs rūpnīcas nedarbojas ar pilnu jaudu un ka Krievijas projektēšanas centriem ir jāpasūta ierīces no ārvalstu rūpnīcām, jo ​​​​ierīču ieviešana, izmantojot dziļu submikronu tehnoloģiju, Krievijas Federācijā nav iespējama.

Krievijas militārās un civilās ražošanas izveide mikroelektronikas jomā ir vitāli svarīga un iespējama, taču tikai ar spēcīgu valsts finansiālo un organizatorisko atbalstu un garantētiem pārdošanas apjomiem. Strauji jaunattīstības valstis var izmantot plašās iespējas, ko piedāvā jaunās tehnoloģijas, lai uzlabotu savas izglītības sistēmas, iekļūtu reģionālajos tirgos un konkurētu globāli.

Jaunajai “tehnoloģiju paaudzei” ir vajadzīgas prasmes, tehnoloģijas un tīkli, lai tā būtu produktīva un rotaļīga. Viņi aktīvi izmanto grupu sadarbības rīkus un izklaides programmas, piemēram, Facebook.

Secinājums

Pamatojoties uz iepriekš minēto, jāsecina, ka mikroelektronikas attīstība Krievijā ir nepieciešama un iespējama, taču iespējama tikai ar valsts finansiālo un organizatorisko atbalstu un garantētiem noieta tirgu apjomiem.

Jāatzīmē, ka šajā gadījumā divi uzdevumi izrādās savstarpēji saistīti. Mikroelektronikas attīstībai ir nepieciešamas valdības garantijas un atbalsts elektronisko dokumentu mikroshēmu, valsts aģentūru informācijas sistēmu, navigācijas iekārtu, rūpnieciskās elektronikas, militārā un speciālā aprīkojuma izstrādei un ražošanai. Tajā pašā laikā, lai nodrošinātu visu šo elektronisko sistēmu informācijas drošību, jāizmanto tikai vietējās mikroshēmas, un tāpēc ir nepieciešams attīstīt mikroelektronikas ražošanu Krievijā.

Tieši tāpēc šo sarežģīto valsts problēmu risināšanas nodrošināšanai ir jārada un jāattīsta stabila tehnoloģiskā un ražošanas bāze pašmāju modernas elektronisko komponentu bāzes ražošanai, kuras tehniskais līmenis nosaka valsts spēju risināt tehnoloģiskās, informācijas problēmas. un ekonomiskā drošība.

Diemžēl Krievija laikus nepievienojās pasaules mikroelektronikas attīstības sistēmai, un 90. gadu tehnoloģiskā krīze, kad valsts atbalsta sistēma elektronikas nozarei praktiski tika pārtraukta, negatīvi ietekmēja elektroniskās rūpniecības attīstības līmeni. iekārtu ražošana.

Mikroelektronika strauji maina mūsu ikdienu. Kopš 10-15 gadiem bija grūti iedomāties daudzu mūsdienu digitālo ierīču izskatu. Nespeciālistu vidū tikai daži saprata tehnoloģisko inovāciju attīstības perspektīvas un ātrumu. Mūsdienās digitālās kameras ir aizstājušas filmu kameras, IP telefonija ir nomainījusi vadu sakarus, navigatori ir aizstājuši ceļu kartes, bet papīra vēstules un grāmatas ir nomainījušas elektroniskās. Tas viss kļuva iespējams, pateicoties mikroelektronikas attīstībai.

Turklāt mikroelektronikas izstrādes procesā tika izstrādāti daudzi specifiski elementi, kuriem ne tikai nav analogu parastajās tranzistoru shēmās, bet arī nav iespējams pat simulēt uz diskrētiem komponentiem.

Galvenie mikroelektronikas tehnoloģiju mērķi ir: izveidot minimālā tilpumā (cietā korpusā vai uz tā virsmas) maksimāli daudz stingri noteiktu laukumu ar noteiktu ģeometriju, sastāvu, struktūru un līdz ar to īpašībām, kas spēj veikt noteiktas funkcijas. elektroniskās shēmas elementu elementi vai ekvivalenti ar augstu stabilitāti pārveidoto informāciju, zemu enerģijas patēriņu un augstu visu šai IS noteikto uzdevumu atkārtotas atkārtošanas uzticamību. Vienlaikus uzmanība tiek pievērsta rentabilitātes paaugstināšanai, vienlaikus samazinot materiālu patēriņu, tehnoloģiskās ražošanas vienkāršībai un sarežģītībai, maksimālai izmantojamās produkcijas iznākumam, minimāli izmantojot roku darbu. Tikai maksimāla automatizācija var nodrošināt tālāku mikroelektronikas attīstību. Pašlaik mikroelektronikas tehnoloģija jau ir izgājusi galvenos savas attīstības un veidošanās posmus, un, ja ņemam vērā, ka plaši izplatītā IC un diskrēto ierīču ražošana, izmantojot mikroelektronikas metodes un tehnoloģiskos procesus, ir šķērsojusi 10-12 miljardu vienību robežu. gadā kļūst skaidrs, ka mums ir darīšana ar masīvāko mūsdienu ļoti sarežģītu produktu ražošanu. Tajā pašā laikā mikroelektronikas attīstības tempi nekonkurē ar citām mūsdienu rūpniecības nozarēm. Tam būs nepieciešams izmantot jaunus materiālus un to sastāvus, kā arī jaunus tehnoloģiskos procesus un to kombinācijas. Jau šobrīd to daudzveidība nekonkurē ar jebkuru citu tehnoloģiju nozari, tāpēc īpaši svarīgi ir sistematizēt un klasificēt procesus, izmantojot dažādus principus, kuriem ir fizikāli ķīmiska bāze.

Tas viss ļauj secināt, ka mikroelektronikai kā nākamajam vēsturiskajam elektronikas attīstības posmam ir raksturīga fiziskā, dizaina un tehnoloģiskās ķēdes aspektu organiska vienotība.

Bibliogrāfija

1. Avajevs N.A., Šiškins G.G. Elektroniskās ierīces: mācību grāmata augstskolām / Red. prof. G.G. Šiškina. - M.: Izdevniecība MAI, 2006.

Lačins V.I., Savelovs N.S. Elektronika: mācību grāmata. - Rostova-n/D.: Izdevniecība Phoenix, 2005.

Stepaņenko I.P. Mikroelektronikas pamati: mācību grāmata augstskolām. - M: Pamatzināšanu laboratorija, 2001

Elektroniskās, kvantu ierīces un mikroelektronika: mācību grāmata augstskolām / Ju.A.Bobrovskis, S.A.Korņilovs, I.A.Kratirovs un citi; Ed. prof. N.D. Fedorova. - M.: Radio un sakari, 2008.

Aleksenko A.G. Mikroshēmu tehnoloģijas pamati. - M.: UNIMEDIASTYLE, 2007. 6. Žerebcovs I. P. Elektronikas pamati - L.: Energoatomizdat, 1990. gads.

Avajevs N.A., Naumovs Yu.E., Frolkins V.T. Mikroelektronikas pamati. - M.: Radio un sakari, 1991. - 288 lpp.

Efimovs I.E., Kozyr I.Ya., Gorbunov Yu.I. Mikroelektronika. Fiziskie un tehnoloģiskie pamati, uzticamība. - M.: Augstskola, 2006. - 464 lpp.

Efimovs I.E., Gorbunovs Yu.I., Kozyr I.Ya. Mikroelektronika. Dizains, mikroshēmu veidi, funkcionālā elektronika. - M.: Augstskola, 2007. - 416 lpp.

Ir vispāratzīts, ka “Rashka ir bast” un neražo savu mikroelektroniku. Tomēr tā nav. Pašlaik procesorus var uzskatīt par krieviem un procesors . Tomēr abi procesori tiek ražoti Taivānā, un Krievijā tie ir tikai izstrādāti. Pagaidām Krievijā ražot procesorus ir dārgi.

Un cik lielā mērā procesorus vajadzētu ražot Krievijā un kāpēc, viņš atbildēs " " Viņš ļoti strukturēti un profesionāli runāja par pašreizējo mikroelektronikas stāvokli. Tiem, kas vēlas uzzināt detalizētākas atbildes, visā tekstā ir saites uz visiem jautājumiem.

1. Vai varat pastāstīt par savu pieredzi (pašreizējā darbība, grādi, pieredze).

Pieredze - paralēlā programmēšana, operētājsistēmas, kompilatori, fizisko procesu modelēšana, medicīniskā informātika, programmatūras inženierija, izkliedēto IT sistēmu projektēšana un arhitektūra, projektu vadība, sistēmu analītika un konsultācijas, mācīšana.
Daudzi draugi no manas alma mater (MIPT) ar pieredzi mikroelektronikā.

2. Pašlaik Krievijā tiek organizēta procesoru ražošana, izmantojot kādu tehnoloģiju? 10 nm, 28 nm, 60 nm, 90 nm?

Apgūta 90 nm rūpnieciskā ražošana. Mēs esam apguvuši 65 nm, bet vēl neesam gatavi masveida ražošanai.

3. Kas liedza pabeigt projektus procesoru ražošanai, izmantojot 60 nm tehnoloģiju?

Nestabils un zems finansējums. Organizatoriskā un īpašumtiesību apjukums. Ne pārāk ātra Rietumu ražotāju dažāda veida ražošanas līniju iekārtu personāla sagatavošana un apmācība.

4. Kurus procesorus var uzskatīt par krieviem?

Tagad? Precīzi pilnīgi “krieviski” visu veidu mikroprocesori, sākot no neatkarīgas īpaši tīru plākšņu, masku, korpusu ražošanas? To vārdi, visticamāk, nav pazīstami. Daži FPGA 5576ХС4Т, 5576ХС3Т, (NIISI), ,(NIISI), kaut kas no baltkrievu (lasi padomju) “Integral” (800 nm) produktiem, mikroprocesori un mikrokontrolleri no (speciālo mikroshēmu saraksts MOP 44 001.01-21).

2015. gadā Rūpniecības un tirdzniecības ministrija izstrādāja valdības dekrēta projektu, kurā ir aprakstīti kritēriji Krievijā ražotām integrālajām shēmām divos līmeņos. Pirmais ir saistīts ar radioelektronikas ražošanu, ko veic Krievijas Federācijas nodokļu rezidenti, no kuriem vairāk nekā 50% pieder Krievijas valstij vai pilsoņiem bez dubultpilsonības. Ražotājiem jābūt tiesībām uz projekta dokumentāciju, un viņi nedrīkst izmantot gatavus ārvalstu izcelsmes shēmu risinājumus.

Otrais līmenis ar atrunām ļāva komponentu ražošanā iesaistīt partnerus ārpus Krievijas. Visstingrākās prasības mikroprocesoru tehnoloģijas “nacionālajai tīrībai” nosaka FSB. Rosatom un Iekšlietu ministrija ir mazāk stingri attiecībā uz kritērijiem.

Mikroprocesoru tips , Elbrus sērija utt. - iziet cauri otrajam līmenim. Elbrus-8S nav pilnībā “iekšzemes” Krievijas mikroprocesori. Elbrus-8S raksturo krievu dizains/arhitektūra. Šī arhitektūra ir ražota Taivānā (TSMC).

Procesori (800 MHz, 65 nm, ) un Elbrus-2C+ sākotnēji bija plānots ražot uz Mikron līnijām, bet atkal tie joprojām tiek “cepti” “partneru no Dienvidaustrumāzijas” rūpnīcās.

Ražojot mikroprocesorus “malā”, vēl nav zināms, kas tiks papildus “ielikts” kā “dāvana”.

Skatiet neseno vēsturi ar

5. Gadījumā. ja VISAS valstis uzliks mums sankcijas un nepiegādās mums pārstrādātājus Ko tas apdraud īstermiņā/ilgtermiņā

Tātad mums jau tagad tiek piemērotas pastāvīgas sankcijas. ASV/ES/Japānā pastāvīgi un konsekventi tiek aktualizēti ierobežojumi mikroprocesoru/čipu ražošanas tehnoloģiju piegādei uz citām valstīm (no ASV).

Maz ticams, ka viņi aizliegs pārdot mikroprocesorus, kas jau ir plaši pārdoti. Galu galā bizness, ievērojami ienākumi un neitralitātes reputācija pasaulē.

Lai gan ir izņēmumi. Īstenojot UEC projektu, VISA un Mastercard ik gadu zaudētu aptuveni 4 miljardus ASV dolāru.No ārzemēm viņi deva mājienu gandrīz vai ultimātu: vai nu noņemt projekta banku un maksājumu komponentu, vai arī tiks uzsākts cits COCOM tehnoloģiju jomā, īpaši aizliegums UEC izvēlēto karšu mikroshēmu piegāde, kuras netiek ražotas Krievijas Federācijā. Galu galā (2014).

Ja pēkšņi tiks palaista COCOM otrā un ilgtermiņa versija, saskaņā ar veco krievu tradīciju jums būs “jātiek ārā”. Varbūt kopā ar ķīniešiem? Varbūt kā citādi?

6. Cik svarīgas ir tehnoloģijas, lai samazinātu tehnoloģiju izmērus procesorā?

Lielāku aprēķinu ātrumu lielākā mērā nodrošina augstākas takts frekvences (CH), vairāk nekā elementu miniaturizācijas faktors mikroprocesorā.

Taču augstāks PM palielina arī siltuma izkliedi, kas ir viens no lielākajiem izaicinājumiem produktivitātes palielināšanā.

Mūsdienu silīcija tehnoloģijas fiziskā robeža sākas ar aptuveni 7 nm. Tranzistoru izmēra samazināšana līdz mazākam par 10 nm (komiskā mikroelektronika ar 20 silīcija atomiem, sk. ) ievērojami saasina siltuma noņemšanas problēmas, ko izraisa strāvas noplūde, ko izraisa tuneļu noplūde (“pasīvā noplūde”). Papildus daudzo traucējumu skaita pieaugumam augstās frekvencēs signāla atstarošana no “īsāku” līniju beigām pati par sevi rada ievērojamu .

Ir savs (miniaturizācija).

Savulaik izstrādē bija cerība uz pāreju uz arhitektūrām ar trīskāršās loģikas ieviešanu (ieskaitot datu uzglabāšanas tehnoloģijas), taču Intel pēc tam visus konkurentus izsvieda no “tirgiem” un tik un tā gāja labi. Un tagad “vilciens ir aizgājis”, un trīskāršā sistēma nav efektīva ieviešanai uz šādiem miniatūriem 2D pusvadītājiem, kur daudz kas ir atkarīgs no tranzistoru ieviešanas, no mikroshēmu topoloģijas, no pārejas procesiem elektriskajās ķēdēs. Ir arī ievērojams rūpnieciskais uz skaitļošanas pavediena vienību.

Tātad, ja investējat attīstībā, pārejiet tieši uz "jauno" elementu bāzes tehnoloģiju jomu. Piemēram, optoelektronikā (optronikā), kur PM ir lielāks (3-4 kārtas), siltuma izkliede ir mazāka un signāla pārraides ātrumi ir lielāki (~80 reizes). Un vēl labāk - miniatūru ierīču - 3D kristālu realizācijā, ar skaitļošanas procesu realizāciju tajos, pamatojoties uz nelineārās elektrodinamikas izmantošanu (t.s. ).

P.S. Nanocaurules, grafēns un "kvantu datori" līdz šim "atdala" konkurentus, lai novērstu uzmanību.

7. Vai varat pateikt, jūsuprāt, cik svarīgi šobrīd ir panākt procesoru ražotājus 10nm tehnoloģijā, vai tas nav svarīgi militārpersonām? Nu, vai jūs varat to iegādāties ārzemēs visām jūsu mājsaimniecības vajadzībām?

Ir maz jēgas panākt modernās "silīcija" tehnoloģijas, investējot attīstībā. Tehnoloģijas plakano elektromagnētisko viļņu izplatībai caur silīcija ķēdēm jau ir pie fiziskas robežas; Mūra noteikums vairs nav izpildīts. “Sadzīves” vajadzībām var iegādāties ārzemēs, militārām vajadzībām ražot uz vietas, mazākos nanometros.

PITAC ziņojums (prezidenta informācijas tehnoloģiju padomdevēja komiteja — skaitļošana: Amerikas konkurētspējas nodrošināšana)

Esmu uzskaitījis divas jomas, kurās būtu mērķtiecīgi jāiegulda. Jāiegulda slēgto “šarašku” režīmā, bez jebkādas atklātības (bez “miera, draudzības, košļājamās gumijas”), bez ieguldījuma “pasaules zinātnē” (tas maksās), ar maksimāliem rūpnieciskās spiegošanas veidiem, uz augšu uz "bez sentimentalitātes".

Militārajiem (kā arī kodolzinātniekiem un rūpniecībai, tostarp kalnrūpniecības nozarēm) modeļu aprēķinu nepieciešamība ir vienkārši milzīga (piemēram, hiperskaņa). Lielākais datoru parks valstī šobrīd atrodas Sarovā (RosAtom) - aprēķina fizikālo procesu modeļus dažādos reaktoros, neitronu materiālu zinātni, stiprības modeļus utt., utt. Gazpromgeofizika (Gazprom, Rosneft) arī nomā spēcīgu datoru jaudu skaitļošanas modeļa atbalsts dažādām ģeopētniecības metodēm un atradņu dzīves ciklam.

P.S.: “Valstij, kura vēlas sasniegt konkurētspējīgu pārākumu, ir jāpārspēj konkurenti skaitļošanas jomā”

(Prezidenta informācijas tehnoloģiju padomdevēja komiteja — skaitļošana: Amerikas konkurētspējas nodrošināšana

8. Tātad, jūsuprāt, superdatorus var izgatavot arī izmantojot svešus akmeņus? Vai arī jūs sadalījāt superdatorus militārajiem un civilajiem uzņēmumiem (IMHO tas pats Gazprom / Rosņeftj būs bīstamāks par daudzām armijām)

Superdatori (visi Krievijā) tagad ir pilnībā ieviesti uz ārvalstu “akmeņiem”. Daudzi .

Procesoru piegādi Sarovam (un citām militārajām struktūrām) kontrolē amerikāņi saskaņā ar starpvaldību līgumu, kas noslēgts vēl Jeļcina laikmetā.

Piemēram:

utt. ……….

9. Cik lielā mērā ir nepieciešami 10/28/60 nm procesori helikopteriem un lidmašīnām?

Lidmašīnu/helikopteru/raķešu borta sistēmām pilnīgi pietiek ar 120 nm (pie ~800MHz). Vienīgie jautājumi ir par uzticamību un “militārajiem parametriem” (sk. MO). Lai darbinātu AWACS lidmašīnu aprīkojumu, jau ir nepieciešama pieklājīgāka skaitļošanas jauda. Bet arī ar “mazu” paralēlizāciju var iztikt gan ar 130, gan 65 nm.

10. Daudzas veiktspējas problēmas var atrisināt algoritma līmenī. Cik mazi mikroni ir nepieciešami militāros lietojumos? Cik grūti ir ražot procesorus militārajiem spēkiem Krievijas Federācijā?

Algoritma līmeņos tiek atrisinātas aprēķinu plūsmas optimālākas organizācijas problēmas. Iegūt 5-15%.

Turklāt jums ir jāsaprot, ka mikroprocesoru izstrādātāji neinformē lietojumprogrammu programmētājus par visām nepieciešamajām mikroprocesora darbības funkcijām. Tāpēc Intel kodu ģeneratori ir visefektīvākie starp citiem kompilatoriem.

Asambleru rakstīšana paralēlās sistēmās ir gan dārga (ar lielu programmu mainīgumu), gan pilnīgs hemoroīds ar "manuālu" paralelizācijas balansēšanu. Esam izstrādājuši sistēmu secīgu => paralēlo programmu automātiskai paralēlināšanai (ar automātisku balansēšanu) (augsta līmeņa valodās). Kas diezgan apmierinoši atrisina iepriekš minētās problēmas.

Militārajā dienestā un "Mazie mikroni" dažreiz nav pilnīgi noderīgi.

Izturība pret elektronisko karadarbību, izturība pret plašu starojuma diapazonu ( ) un daļiņu plūsmas - šādas prasības ir grūtāk sasniegt tikai ar “maziem mikroniem”.

Krievijas Federācijā pastāvīgi tiek ražoti militārajiem mikroprocesori.

Cik tas ir "grūti"? Militāriešiem tas ir vieglāk. Viņiem ir mazāk problēmu ar finansējumu – ražošanu, kvalitatīvu personālu, iekārtu iegādi, organizēšanu , ko militāristi veic gan paši, gan pavēles no “civilās puses”. Un GRU viņiem reizēm iedod kaut ko interesantu...

11. Kādus produktus mikroelektronikas jomā Krievija eksportē?

Daži. Galvenokārt kā daļa no militārajām sistēmām (gaisa aizsardzība, elektroniskā karadarbība, avionika).

12. Cik kritiska ir jauno speciālistu aizbraukšana uz ārzemēm? tikai speciālisti (mikroelektronikas attīstībai).

Šī plašākā problēma ir "smadzeņu aizplūšana". Kā aprakstīts iepriekš, amerikāņi savus jaunos speciālistus tur uz “kredīta āķa”, bet organizēti “izsūc” citas valstis (tostarp ES) zem runas par demokrātiju un pastāvīgās dzīvesvietas izvēles brīvību.
Mums ir jāiemācās kaut kā pretoties šim "sūcējam", jo tas izrādās dārgi - viņi sagatavos jaunos speciālistus "par brīvu" (ieskaitot praksi un apmācību augstskolās/praksē) - un pēkšņi, un viņi jau ir ASV/ES (dažkārt Izraēla) un strādā savas ekonomikas un attīstības labā.

Ieviest tikai maksas un ļoti dārgu izglītību atsevišķās specialitātēs un likumdošanas “ierobežojumus” izglītības kredītiem, tai skaitā ceļošanai uz ārzemēm? L diez vai palīdzēs

Piespiedu pāreja uz Staļina laiku zinātniskajām un tehniskajām "šaraškām"? Tie nav atklāti kara laiki...

13. Pastāstiet Pentium PRO procesora stāstu

Viss jau sen ir aprakstīts atklātajā presē.
Piemēram, Intel Pentium procesora padomju saknes
Pentkovskis nomira ASV 2012.gadā pēc tam, kad Krievijas valdība 2011.gadā viņam piešķīra finansējumu megagrantu laboratorijai MIPT.

14. Kādu svarīgu jautājumu es neuzdevu? bet ir vērts pieminēt.

Vai mēs virzāmies uz to, izstrādājot paši savu mikroelektroniku? Kāpēc atkal atkārtot “kāda cita”, pastāvīgi atpaliekot un nesaņemot pārākumu pasaules tirgū? Uzvarētājs paņem visu, vai ne?

Pievienots:

15. Ir iespēja vispirms atgūt savu tirgu, un dienvidkorejieši to arī izdarīja. Sākumā, kas par tiem zināja, neviens neņēma un nepirka. 10 gadus viņi smagi strādāja savā tirgū, pārtraucot importu ar gigantiskām nodevām, kas daudzkārt pārsniedz preces cenu.

krievu ( nevis PSRS+CMEA) mikroelektronikas tirgus ir ļoti mazs. Tirgus mērogs ietekmē tehnoloģiju rentabilitāti un cenas.
Viņi neļaus mums “atgūt” pasauli. Ir labi zināms stāsts ar kritisku , situācija ar , kas to dēļ nevar eksportēt produkciju uz valstīm, kas pievienojušās sankcijām, kā arī iepirkt tehnoloģijas un iekārtas no šīm valstīm.
Arī globālās mikroelektronikas ražošanas bāze ir ļoti plaša. Būsi pārguris, lai visu ražotu viens , vienlaikus sekojot līdzi tehnoloģiju pētniecībai un attīstībai.

Pasaules mikroelektronikas tirgus Dienvidkorejai tika atvērts jau no paša attīstības sākuma ( kontrolē ASV). Nebija arī tehnoloģiju importa aizliegumu, bija arī .
Tikai nesen viņi ir izdarījuši nelielu spiedienu uz Samsung ( Un , un iekšā ).

16. Kad nāca Ķīna un Koreja, kad visi tirgi bija pilni. Kāpēc mēs to nevaram izdarīt?

Tikai tagad masveida ražošanas mikroelektronikas nozares tika nodotas viņiem. Un tad manas kompetences uzlabojās. Un nekādas sankcijas nekad nav bijušas. Atšķirībā no SOCOM, Džeksona-Veinika grozījumi.

17. Krievijā ir daudz retzemju metālu un tie nav īpaši vajadzīgi.

Kopš padomju laikiem retzemju ražošana ir sabrukusi. Šādas nozares atjaunošana un attīstība nav lēta. Ļoti dārgi, trūkst līdzekļu daudz kam citam.

18. Kāpēc gan nenogriezt konkurentu peļņu un nepabarot tos ar saviem pasūtījumiem?

Krievijas pasūtījumi pasaules tirgū ir diezgan nelieli. Kāpēc spēlēt ukraiņu spēli - “Es aizsaldīšu tavas ausis aiz spīta”?

19. Kāpēc netiek attīstītas galvenās ar aviācijas nozari saistītās nozares? Ar militāro dienestu vien tālu netikt.

UN tiek ražoti ne tikai izmantojot vietējās tehnoloģijas. Aviācijas elektronika un dzinēji ir ļoti nozīmīgas sastāvdaļas, kas ražotas ārzemēs. Civilās aviācijas nozares atdzimšanā ( R&D, ražošanas modernizācija) – jau ieguldīts milzīgs labierīcības. Un vēl nav skaidrs, kad un kā notiks investīciju atdeve, ražošanas un pārdošanas plāni nepiepildās. Ķīna ir arī iesaistījusies konkurencē pasaules aviācijas nozarē un aizstāvēs savu tirgu.

20. PSRS bija tā, pilns cikls, un neviens nelūza un nebada. Kāpēc Krievijas Federācijā tā nav?

Aptuveni trešā daļa no pasaules rūpnieciskās produkcijas tirgus. Sociālistiskās sistēmas valstīs pastāvēja autarkiska pašpietiekama ekonomika, daudzu pilni cikli ( bet ne visi!) tehnoloģiju nozares.

Tagad tas tā nav. Eirāzijas Ekonomikas kopiena ir par 7-8% no pasaules tirgus, atvērtība personāla kustībai, integrācija globālās darba dalīšanas un tehnoloģiju ķēdēs.

Kopumā ir cēli “labie nodomi”, ir prātīgi esošās situācijas vērtējumi. Kā teica viedie priekšgājēji:

"Ir nodomu loģika un apstākļu loģika, un apstākļu loģika ir spēcīgāka par nodomu loģiku" ((C) I. V. Staļins)

Mikroelektronikas attīstības perspektīvas. Nanotehnoloģijas jēdziens

NANOTEHNOLOĢIJU JĒDZIENS. TUNEĻA EFEKTS PUSVADĪTĀJOS

Visus mikroelektronikas uzvarošās attīstības gadus ir bijuši un joprojām turpinās meklējumi alternatīvu elementu bāzes izveidei. Daudzi zinātnieki prognozēja, ka pusvadītāju mikroelektroniku aizstās funkcionālā elektronika, vienelektronika, optoelektronika, fotonika, kvantu un, visbeidzot, bioelektronika. Visās šajās jomās līdz šim ir sasniegti iepriecinoši rezultāti. Taču nevienā no šīm jomām nav izveidota tehnoloģiskā bāze, kas nodrošinātu ekonomiski konkurētspējīgu ļoti uzticamu komponentu ražošanu.

1985. gadā amerikāņu kristalogrāfi J. Karls un G. A. Hauptmans ieguva Nobela prēmiju par izciliem sasniegumiem kristālu struktūras noteikšanas tiešo metožu izstrādē. Kopš tā laika sākās straujas pētniecības attīstības vēsture, laboratorijas un rūpniecisko instrumentu un nanometru struktūru izveide, pamatojoties uz tuneļa mikroskopijas izmantošanu.

Attēlā 1, un parādīta Krievijas speciālistu M. A. Ananjana un P. N. Luskinoviča izstrādātās nanotehnoloģiskās instalācijas shēma. Kā pamatni var izmantot jebkuru vadošu materiālu ar rūpīgi pulētu virsmu. Zonde ir metāla adata, kas parasti ir izgatavota no karbīda materiāla, kuras galu uzasina ar jonu kodināšanas metodēm. No mikroskopiskā viedokļa gala gala izliekuma rādiusu nosaka viena atoma izmērs, kas atrodas gala galā.

Rīsi. 1. Nanotehnoloģiskā uzstādīšana: A - nanotehnoloģiskās iekārtas diagramma, kuras pamatā ir

tuneļa mikroskops; b– tuneļa strāvas vērtības atkarība no spraugas.

1 – substrāts, 2 - zonde, 3 – enerģijas padeve, 4 - sprauga starp zondi un substrātu, 5 - tuneļa strāvas pastiprinātājs, 6 - dinamisks spraugu regulators, kas balstīts uz pjezo manipulatoriem, 7 – ierīce gāzveida un šķidru reaģentu injicēšanai, 8 – precīza substrāta pozicionēšanas sistēma.

Ja zondei tiek pielikts kāds spriegums attiecībā pret substrātu, tad, kad spraugas izmērs samazinās X līdz izmēriem vairāku angstrēmu kārtā caur spraugu sāk plūst tuneļa strāva (1. att., b). Ir svarīgi atzīmēt, ka spraugas izmērs ir ievērojami mazāks nekā starpatomiskie un starpmolekulārie attālumi gāzē, kas ieskauj spraugu (20–80 Å). Tāpēc mēs varam pieņemt, ka tuneļa strāva spraugā praktiski plūst vakuumā. Šajā gadījumā elektriskā lauka stiprums spraugā pat pie vājiem vadības spriegumiem, kas ir milivolti, sasniedz ļoti nozīmīgas vērtības 10 6 V/cm un augstākas.

Kā redzams no att. 1, b,strāva spraugā ar stabilizētu vadības spriegumu ir lineāri atkarīga no spraugas lieluma. Kad spraugas izmērs mainās par 1 Å, pašreizējā vērtība mainās 10 reizes. Mērot tuneļa strāvu, jūs varat izmantot pjezoelektriskos devējus, lai regulētu vai stabilizētu spraugas izmēru ar precizitāti vismaz 0,1 Å. Pie norādītajām elektriskā lauka vērtībām tuneļu elektronu kūļa diametrs, kas plūst vakuumā starp spraugu un substrātu, ir 1,0-1,5 Å.

Aprakstītā nanotehnoloģiskā iekārta nodrošina iespēju izsūknēt un ievadīt aktīvajā tilpumā nepieciešamos šķidros vai gāzveida reaģentus. Protams, visa procesa kameras struktūra ir izgatavota no korozijizturīgiem materiāliem. Šis apstāklis ​​būtiski atšķir nanotehnoloģisko iekārtu no tuneļmikroskopa. Tāpat atzīmējam, ka, lai izvairītos no ārēju seismisko un akustisko ietekmju ietekmes, visa iekārta ir aprīkota ar pasīvu un atsevišķos gadījumos aktīvu vibrācijas aizsardzības sistēmu.

Izmantojot lineāros pjezomanipulatorus, substrāts var pārvietoties attiecībā pret zondes galu 10x10 mm2 robežās ar precizitāti vismaz 0,1 Å.

Attēlā 2, a parāda tipisku strāvas-sprieguma raksturlielumu, kas ņemts noteiktam paraugam ar nemainīgu spraugas izmēru. Pie elektronu enerģijas, kas ir zemāka par substrāta materiāla atomu termisko vibrāciju enerģiju (apmēram 25 meV), ir iespējams izpētīt substrāta virsmas atomu struktūru, to nesagraujot. Pie enerģijām, kas vienādas vai nedaudz augstākas par atomu starpatomisko saišu enerģiju uz substrāta virsmas, strāvas-sprieguma raksturlīknē parādās dažādas nelinearitātes, kas ļauj ņemt substrāta tuneļa spektrogrammu un noteikt tā ķīmisko sastāvu. Kad staru kūļa enerģija ir vienāda ar starpatomisko saišu enerģiju, atsevišķu atomu, kas atrodas uz virsmas, ir iespējams “satraukt”, “noplēst” no tā un “pārnest”, pārvietojot substrātu, uz kādu jaunu pozīciju. Samazinot ierosmes enerģiju, šo pārvietoto atomu iespējams “piešūt” virsmai jaunā pozīcijā (2. att., b).

Ja procesa gāzes molekulas tiek ievadītas iekārtas aktīvajā zonā (2. att., V), tad spēcīga elektriskā lauka ietekmē šīs molekulas vispirms tiek jonizētas, un pēc tam uz substrāta virsmas var nogulsnēties vajadzīgais atoms, kurš tiek izvēlēts tā, lai tas izveidotu cieši saistītu radikāli ar substrāta atomiem. substrāts. Audzējot nogulsnētos atomus un pārvietojot substrātu, uz tā iespējams izaudzēt stingri fiksētus vadītāju celiņus vai atsevišķas atomu grupas ar atoma izmēra šķērsizmēriem (apmēram 20 Å). Šādus vadītājus un atomu grupas var saukt par kvantu vadītājiem un kvantu punktiem.

Ievadot tehnoloģiskajā tilpumā kodinātās gāzes (2. att., G), Ir iespējams nodrošināt ķīmisko reakciju aktivizēšanos “sagūstot” un atsevišķu atomu noņemšanu no virsmas, veidojot nanometru izmēru “rievas”.

Attēlā 2, d Kā piemēru dažu nanotehnoloģisko darbību īstenošanai ir dota lauka tranzistora tuneļa mikroskopiskā fotogrāfija. Ja uz vadības elektroda (vārtiem), kas atrodas fotoattēlā labajā pusē, nav lādiņa, strāva var netraucēti plūst caur kreiso vadītāju - tranzistors ir atvērts. Ja vārtiem tiek pielikts bloķējošs spriegums, lauks bloķē kanālu un tranzistors izslēdzas.

Ir ārkārtīgi svarīgi atzīmēt, ka ar kvantu vadītāju šķērseniskajiem izmēriem, kas ir aptuveni 20 Å, elektronu šķērsvirziena kvantēšanas dēļ enerģijas izkliede ir ievērojami samazināta, un tāpēc darbības ātrums strauji palielinās. Ar lauka efekta tranzistora izmēriem, kas parādīti attēlā. 2, d, tā veiktspēja ir terahercu diapazonā.

Atzīmēsim vēl vienu būtisku vietējās nanotehnoloģiskās iekārtas iezīmi. Ar tās palīdzību uz substrāta iespējams izaudzēt ne tikai gareniskos kvantu vadītājus, bet arī secīgi veidot trīsdimensiju elementus. Tas paver gandrīz neierobežotas iespējas diriģentu “tirānijas” problēmas risināšanai. Balstoties uz trīsdimensiju savienojumiem, var realizēt ne tikai mikroelektronikā pārbaudītus elementus, bet arī ļoti eksotiskas neiristoru struktūras.

Galvenais veids, kā atrisināt vienas zondes nanotehnoloģisko iekārtu produktivitātes palielināšanas problēmu, ir izveidot vairāku zonžu iekārtas. Pēc ekspertu domām, līdz 2005. gadam būs iespējams izstrādāt iekārtas, kas nodrošinās atomu salikšanu ar ātrumu viens kubikdecimetrs vielas stundā, izmaksājot ne vairāk kā vienu dolāru.

Rīsi. 2. Nanotehnoloģiskās pamatoperācijas: A– tunelēšanas strāvas atkarība no substrāta materiāla īpašībām un elektronu enerģijas; b – atomu fiksācija un kustība; V– atomu nogulsnēšanās no gāzes ap zondi; G– substrāta kodināšana; d– nanotehnoloģiskās struktūras piemērs ir lauka tranzistors.

Elektrisko signālu veidošanās ar pieauguma laiku 10 -14 s un to izplatīšanās pa divu vadu nanovadītājiem, kas būtībā ir metāliski optiski viļņvadi, nodrošina reālu visa elektronisko un optoelektronisko ķēžu diapazona integrāciju vienotā vidē.

Augstā nanoelektronisko konstrukciju integrācijas pakāpe, ātrums, elementu trīsdimensiju montāža un samazināta enerģijas izkliede liek pamatu uz tām balstītu ātrgaitas informācijas apstrādes ierīču prioritārai attīstībai. Jo īpaši turpmākajos gados industriāli var tikt ieviesti atmiņas elementi ar īpaši augstu informācijas ierakstīšanas blīvumu (10 12 biti/cm 2), kas ir tūkstošiem reižu lielāks nekā ierakstīšanas blīvums tradicionālajos lāzerdiskos.

Ņemot vērā straujo publikāciju skaita pieaugumu par nanotehnoloģijām, struktūrām un ierīcēm un praktisko pētījumu jomu plašo raksturu, var droši teikt, ka viens no tuvākajiem mikroelektronikas attīstības turpinājumiem ir nanoelektronika.

Nanotehnoloģijas nodrošina ne tikai panākumus informācijas instrumentācijas elementārās bāzes attīstībā. Nanotehnoloģiju attīstība jau tiek izmantota medicīnā, robotikā, mašīnbūvē, kodolenerģētikā, aizsardzības sistēmās un daudzās citās jomās. Nav nejaušība, ka lielākā daļa attīstīto valstu lielu uzmanību pievērš nacionālo nanotehnoloģiju programmu atbalstam. 21. gadsimta sākumu raksturos strauja nanotehnoloģiju attīstība kopumā un nanoelektronika it īpaši.