eng
Выпуск #4/2008
Ю.Носов, А.Сметанов.
О проблемах национального наноэлектронного проекта
О проблемах национального наноэлектронного проекта
Просмотры: 2058
Как любое новое крупное общественное явление наноэлектроника требует философского осмысления, поскольку, не имея общего представления, легко запутаться в частностях, а бытующий ныне "прагматизм", фетишизирующий сиюминутную выгоду, может завести в тупик, из которого непросто выбираться. Именно философия наноэлектроники призвана способствовать гармоничному развитию этого направления, а не зависеть от того, какую философию исповедует общество и его лидеры, решая сугубо практические вопросы распределения финансовых, материальных и людских ресурсов.
Настоящая работа опирается на методологию историко-сравнительного анализа. Авторы руководствовались также тем положением, что историк науки, по мысли А.Эйнштейна, нередко способен глубже проникнуть в суть происходящих процессов, чем сами ученые – творцы этих процессов [2].
Настоящая работа опирается на методологию историко-сравнительного анализа. Авторы руководствовались также тем положением, что историк науки, по мысли А.Эйнштейна, нередко способен глубже проникнуть в суть происходящих процессов, чем сами ученые – творцы этих процессов [2].
Наноэлектроника рождается не на пустом месте, это очередное звено в столетней истории электроники, начавшейся с изобретения в 1907 году вакуумного триода, поэтому историко-сравнительный подход представляется правомочным и креативным. Следует подчеркнуть, что "исторический опыт – не рецепт для лечения сегодняшних болезней". Неприемлем упрощенный детерминизм и редукционизм, пытающийся объяснить настоящее прошлым и свести сегодняшнее сложное к менее сложному вчерашнему [2], однако история ставит вопросы, соотнося прошлое и настоящее с той целевой функцией, которая константна для электроники вообще, поскольку "...незнание истории …ставит под угрозу всякую попытку действовать в настоящем" [3].
Представители академическо-университетской науки (имеется в виду лишь ведомственная принадлежность соответствующих институтов) трактуют, как правило, возникновение нанотехнологий как научно-техническую революцию, изменяющую картину мира, или, на языке философии, как смену парадигмы, по аналогии с переходом от классической физики к квантовой в начале прошлого века [4]. Применительно к наноэлектронике аргументируется это тем, что в отличие от предшественницы – микроэлектроники, развивающейся эволюционно в направлении уменьшения характеристических размеров (top→down), нанотехнология развивается принципиально иначе, "с уровня атомов, складывая из них, как из кубиков, нужные материалы и системы с заданными свойствами" [4], т.е. по схеме bottom→up – буквально – "со дна".
Понятие парадигмы было введено применительно к истории в работе [5] как некая методологическая концепция, которую научное сообщество признает истинной и способствующей прогрессу. Прогресс осуществляется главным образом благодаря научным революциям, вызываемым сменой господствующей парадигмы, т.е. утверждением новой и отрицанием устаревшей. Призыв к "смене парадигмы" – шаг ответственный. Отрицание действующих концепций проходит всегда болезненно, а в технике особенно: уничтожаются материальные ценности, рушатся людские судьбы.
Смена парадигм в электронике произошла лишь однажды в связи с изобретением в 1948 году транзистора и последующим переходом от вакуумной электроники к твердотельной. Оставляя в стороне тот колоссальный прогресс, который это принесло радиоэлектронике, отметим, что был закрыт ряд вакуумных производств, исчезли некоторые специальности, многим специалистам пришлось переучиваться, начиная с азов новой полупроводниковой науки. Переход в 1960-е годы к микроэлектронике, несмотря на гигантские изменения во всей радиоэлектронике, нельзя безусловно отнести к разряду "парадигмальных". Физико-технологическая концепция транзисторной электроники распространилась на микроэлектронику без каких-либо принципиальных изменений. Характерно, что транзисторные заводы без потрясений перешли на производство микросхем и в ряде случаев обошли "чистых" микроэлектронщиков (например, "Интеграл" – изначально диодный завод, в конце 1970-х годов производил уже около 40% всех отечественных микросхем).
В ближайшее десятилетие общество станет свидетелем смены парадигмы в светотехнике – светодиоды все увереннее вытесняют лампы накаливания: ряд стекольных производств фирм "Осрам" и "Филипс" уже закрыт. Приведенные примеры иллюстрируют известное положение: смена парадигмы подтверждается не грандиозностью достижений, сопровождающих утверждение нового научно-технического направления, а его онтологическими, сущностными отличиями от предшествующего.
Означает ли возникновение и становление наноэлектроники смену парадигмы в электронике? Наш ответ – нет! Наноэлектроника есть логическое продолжение и развитие микроэлектроники. Это не умаление значимости наноэлектроники, а лишь корректная характеристика ситуации. Полупроводниковая электроника изначально имела дело с наноразмерами. Так, ширина области объемного заряда р-n-перехода стабилитрона составляет десятки нанометров, а туннельного диода – единицы*. В 1970–1980-е годы в полупроводниковую технику вошли такие наноразмерные структуры как гетеропереходы, сверхрешетки, квантовые ямы, квантовые проволоки и точки, синтезируемые на основе многокомпонентных соединений изменяющегося состава. Для их создания были разработаны технологические процессы как логическое развитие и совершенствование полупроводниковой классики. Получили, в частности, распространение молекулярно-лучевая эпитаксия, ионно-плазменная обработка, ионно-лучевое напыление, фотонный отжиг и др. Переход к манипулированию потоками свободных атомов, молекул, ионов привел к значительным изменениям в классических технологических схемах – существенным стало явление самоорганизации – "самопроизвольное", но инициируемое извне, образование пространственных структур на поверхности подложки. Сверхпрецизионность перечисленных технологий позволяет воспроизводимо получать: изолированные кластеры, содержащие сотни атомов; однородные оптические пленки с "шероховатостью" менее 0,2 нм; гетероструктуры, состоящие из разнородных нанослоев заданного состава. Фактически эти технологии – первый шаг на пути "атомного конструирования". Приборное подтверждение жизнеспособности перечисленного – в широко известных достижениях новейших микросхем, лазеров, светодиодов, фотоприборов [6,7,8,12,13]. Таким образом, развитие микроэлектроники естественно и логично привело к наноэлектронике, которую можно условно назвать традиционной наноэлектроникой.
В 1980–1990-е годы произошли события принципиально иного ряда, также имеющие отношение к наноэлектронике. Среди них: изобретение сканирующего туннельного микроскопа, СТМ, (1981 г.) и атомно-силового микроскопа, АСМ (1986 г.), открывших возможность манипулирования нанометровыми кластерами, вплоть до отдельных атомов и молекул; открытие фуллеренов (1985 г.) – специфической структурной формы существования углерода; создание на этой основе нанотрубок (1991 г.) – углеродных пористых структур цилиндрической формы, обладающих целым рядом уникальных свойств, вплоть до сверхпроводимости; получение транзисторного эффекта на базе нанотрубок (1998 г.) [9]. Эти открытия дали старт наноэлектронным исследованиям, опирающимся на схему bottom – up с идеологией конструирования устройств буквально из единичных атомов. В результате зародилось то, что условно можно назвать "новой" наноэлектроникой. Важно подчеркнуть ее исследовательский, непроизводственный характер, СТМ и АСМ даже с натяжкой нельзя отнести к технологии в общепринятом понимании (в этом утверждении авторы статьи расходятся с авторами статей [6,7]), поскольку, строго говоря, это не что иное, как техника физического эксперимента.
Принимая во внимание реальный приборный выход, можно говорить лишь о традиционной наноэлектронике. Более того, ситуация вряд ли изменится в ближайшие годы. Если отсчет истории "новой" наноэлектроники начать с нанотрубок и транзистора на их основе, отнеся все остальное к предыстории, то и тогда получится 10–15 лет. Чего за такой же начальный период достигли транзисторы и микросхемы? После изобретения транзистора в 1948 году за 10–12 лет были созданы практически все разновидности транзисторов, диодов, тиристоров. Приборы прошли аппаратурную "обкатку" в корейской войне (1950–1953 гг.). Началось их производство многомиллионными тиражами на десятках предприятий; полупроводниковые приборы вошли во многие военные системы; была подготовлена технологическая база будущей микроэлектроники – планарная технология. С еще большим ускорением развивались микросхемы, стартовавшие в 1958–1959 годах. Уже в 1971 году появились микропроцессоры (техническая основа информационной эры), кардинально изменившие идеологию электронного аппаратостроения. А что при тех же критериях оценки за такой же срок дала "новая" наноэлектроника?
Исторический опыт учит: если новое научно-техническое направление не проявляет себя за "время естественного воплощения", это означает наличие в этом новом направлении онтологической, сущностной ущербности – физической, технологической – и оно не реализуемо в принципе (компьютер на туннельных диодах), либо что происходит преждевременное обращение к новому, когда еще нет объективных условий для его технической реализации (разработка противосамолетного "лучевого оружия" в ленинградском НИИ-9 в 1930-е годы).
"Время естественного воплощения" нового эффекта в практику рассчитать невозможно – слишком много неопределенностей, но история предлагает некоторые ориентиры: во второй половине ХХ века ни один из крупнейших проектов не продолжался более 10 лет: атомные проекты – 6–7 лет, высадка человека на Луну – 7–8 лет. Это не случайность – любые заложенные у "истоков" идеи, технические решения, материалы за 10 лет не просто устаревают, а становятся архаикой, и если проект не воплотился в "металл", то дешевле начать заново. Таков нынешний динамизм – либо делать быстро и выставлять "на продажу", либо – не браться. Разумеется, речь идет о создании изделий, решении других конкретно-осязательных задач. К нанонауке это не относится, поскольку решение фундаментальных проблем может продолжаться неограниченно долго.
Сравнительно-исторический анализ позволяет сформулировать вполне определенно и доказательно ряд важных тезисов.
1. Успех микроэлектронного проекта был бы невозможен, если бы не нашелся адекватный полупроводниковый материал – кремний, универсальный в части одновременного достижения функциональных, эксплуатационно-надежностных, технологических, стоимостных характеристик микросхем. По отдельным позициям могут оказаться предпочтительнее арсенид галлия, германий, тонкие пленки, но они – не универсальны и обречены лишь на частности. Напротив, то из нового, что ориентировано на кремний – "кремний на диэлектрике", микромеханика – имеет безусловную перспективу. Трудности и проблемы будут, несомненно, разрешены благодаря привлечению всего технологического потенциала микроэлектроники.
Дискретные приборы – транзисторы, лазеры/светодиоды, фотоприемники и др. – используют широчайший спектр разнообразных полупроводников, что позволяет достигать рекордов в соответствующих сферах применения, но исключает возможность интеграции. Как следствие, значимость дискретных приборов несоизмерима со значимостью микроэлектроники.
Важность существования базового материала может быть продемонстрирована также на примере интегральной оптики, очень смело заявившей о себе еще в 1970 году. Она так и осталась на периферии научно-технического прогресса, так как не был найден универсальный материал.
"Новая" наноэлектроника пока универсального материала тоже не обрела – нанотрубки на эту роль не смотрятся, – поэтому от нее можно ожидать прорывов лишь в сфере отдельных видов дискретных приборов и гибридных конгломератов, а любой, даже очень полезный, прорыв вне интегральной технологии решает лишь частности.
С 2004 году получили развитие моноатомные углеродные пленки – графены, которые могут пойти в интегральную наноэлектронику, но пока это лишь ожидания.
2. Успех микроэлектроники обусловлен комплексным подходом к нуждам радиоэлектронных систем. Единовременно разрабатываются микропроцессорные комплекты, функционально полные наборы микросхем, естественно устремление к "системам на кристалле". Важно отметить, что ни одна даже "сверхпродвинутая" микросхема не обеспечивает реального прогресса аппаратостроения, если существует разнородность по материалам, технологии, конструкции используемых в системе микросхем и дискретных приборов, которая неизбежно становится причиной ненадежности, высокой стоимости, функциональной ограниченности.
"Новая" наноэлектроника, обещая появление множества замечательных изделий – терабитной памяти, микродисплеев, – таких системных комплексных решений пока не предлагает.
3. Успех микроэлектроники предопределен и комплексным подходом другого рода – одновременным и неразрывно-обязательным достижением в микросхеме полного "джентльменского набора" компетенций: высокой степени интеграции; высоких значений параметров; надежности; технологичности. "Новая" наноэлектроника добивается рекордов то в одном, то в другом направлении, но почти всегда оставляет решение вопросов надежности "на потом". Однако из самых общих соображений очевидно, что для элементов наномира проблема надежности является определяющей. Характерно, что военные (и американские тоже) до сих пор с осторожностью относятся к микросхемам с проектными нормами менее 0,35–0,25 мкм.
4. Решающим условием успеха отечественной микроэлектроники стала комплексность в подходе к созданию адекватной инфраструктуры отрасли, а именно организации специального материаловедения, машиностроения, аналитики, метрологии. В числе трех первых зеленоградских предприятий был НИИ точного машиностроения (1963 г.); первым специализированным электронным вузом страны стал Московский институт электронного машиностроения (1962 г.), в 1978 году в электронике был создан ряд региональных физико-химических центров, оснащенных уникальными измерительными и аналитическими приборами. Подобной комплексности в "новой" наноэлектронике нет, в частности, нет отечественного специального машиностроения, а ориентация на импорт обрекает как минимум на пятилетнее отставание в развитых направлениях и на полную безоружность – в новых, прорывных, областях (ограничения, типа закона Вэника-Джексона, по всей видимости, будут только ужесточаться).
5. Последовательное и полное обеспечение комплексности стало возможным исключительно благодаря нацеленности на военные применения. Участие военного ведомства в постановке, разработке и реализации микроэлектронного проекта, методологически единый сквозной контроль производства материалов, микросхем, аппаратуры, долгосрочное его финансирование – все это не смог бы обеспечить никакой другой крупный заказчик, пусть даже и концерн типа "Алмаз-Антей". Сегодня это особенно принципиально, так как реального гражданского полупроводникового рынка в стране нет и в ближайшее время из-за отсутствия потребности не будет. Еще более важно то, что только оборонный проект может быть в стране по-настоящему амбициозным, а без этого он нежизнеспособен. Это понимают и госуправленцы, и общественность [10,11].
Центральный вопрос любого проекта – распределение финансирования. Президентское послание Федеральному собранию в апреле 2007 года предполагает первоочередное финансирование нанонауки как основы развития "новой" наноэлектроники. Оправданно ли это? Безусловно да. Только от академическо-университетских ученых можно ожидать первых реальных шагов. Как бы ревниво не напоминали электронщики о своих приоритетах в приборной сфере, история свидетельствует об ином: первые плоскостной транзистор, солнечная батарея, гетеролазер в России были созданы в Ленинградском физтехе, первые туннельный диод, мазер и полупроводниковый лазер – в ФИАНе, первые линии задержки на поверхностных акустических волнах – в ИРЭ. В НИИ и ОКБ эти приборы пришли из академических лабораторий. Это так, но это лишь часть правды.
Электронная промышленность всегда получала информацию о приборных новинках по двум каналам: от академическо-вузовской науки и непосредственно с Запада (журналы, конференции, стажировки, разведданные и др.), причем второй канал доминировал и доминирует сейчас во все большей степени. Идеализированных схем – академия разрабатывает приборно-технологические принципы, а НИИ их подхватывают и внедряют в промышленность – за редкими исключениями, не было. Электронное сообщество, как некое неформальное вневедомственное единство ученых на профессиональной основе, в стране так и не сформировалось. Скорее наоборот – в 1950-е годы А.Ф.Иоффе, В.М.Тучкевич, Б.М.Вул – от академии, и А.И.Берг, Н.П.Сажин, А.В.Красилов, С.Г.Калашников – от промышленности "могли сидеть за одним столом" и понимать друг друга, в 1970–1980-е годы "академики" и "отраслевики" разошлись по своим квартирам.
В порядке отступления следует заметить, что в обширной литературе, лоббирующей нанопроект, "автоматически" предполагается, что "наука" – это РАН [11], отраслевая же наука, где и сосредоточен технологический потенциал страны, выводится за скобки. Вопреки очевидности утверждается, что Россия в области научного задела по нанотехнологиям находится приблизительно на одинаковых стартовых позициях с передовыми странами мира. Номинальные руководители проекта фактически не сформулировали его цель, говоря вместо этого "давайте сначала попробуем" [10, с 24], или, пускаясь в туманные рассуждения о том, что "материальная сфера будет полностью оцифрована, аналоговый мир устареет" [11] и о "восстановлении целостной картины мира" [4], а также о натурфилософии времен Ньютона [11]. Каких результатов можно ожидать при этом? Вырастает индекс цитируемости РАН, увеличится представительство России в международных организациях по нанотехнологиям, повысится "стоимость" уезжающих на Запад российских талантливых физиков и химиков. Хорошо, но маловато, по крайней мере для остающихся в России. Приходится еще раз вспомнить, что нанопроект нацелен не на изучение окружающей среды, а на создание новых реальностей. Жаль, если мегазатраты приведут к нанорезультатам.
История подсказывает: финансовый поток наноэлектронного проекта должен потечь в два русла, причем "прикладникам" всегда и всего надо намного больше, чем "академикам". Развивая по преимуществу традиционную наноэлектронику, промышленные НИИ тем самым неизбежно будут готовить инфраструктуру (технологии, метрику, аналитику, кадры) для активного восприятия приборных первенцев "новой" наноэлектроники.
История российской микроэлектроники обычно персонифицируется с Зеленоградом, однако первая отечественная микросхема была создана на "Пульсаре"*, а первая микросхема с военной приемкой – на Воронежском полупроводниковом заводе. Планарная технология пришла в НИИМЭ и "Микрон" с "Пульсара". Ситуация исторически типичная: первые образцы новой техники рождаются не в специально создаваемых структурах, а на действующих традиционных предприятиях с мощным научно-технологическим потенциалом и кадрами. Был бы динамичный амбициозный лидер да вышестоящее руководство не мешало. Разумеется, создание Зеленограда было объективно необходимо – переход от транзисторов к интегральным схемам носил достаточно принципиальный характер и без крупного специализированного концерна было не обойтись.
Нынешняя ситуация отличается неизмеримо меньшей реальной потребностью в изделиях наноэлектроники, поэтому было бы целесообразнее подобную специализированную корпорацию сформировать в форме горизонтальной интеграции действующих предприятий. По субъективным представлениям авторов главенствующее место должны занять "Пульсар", НИИМЭ (с "Микроном"), НИИСИ, "Полюс", "Орион". Тем самым наноэлектроника получит воплощение во всех определяющих направлениях: интегральная техника, СВЧ-электроника, лазеры и оптоэлектроника, фотоника, ИК-техника, сенсорика. Названные предприятия в наибольшей степени, нежели другие, сохранили научный потенциал. Кроме того, их лидеры достаточно молоды, энергичны, амбициозны и, что немаловажно, имеют прочные связи с академическо-университетской наукой и ею признаны. (Бюджетные деньги следует давать дееспособным коллективам и их лидерам, без этого любым бизнес-планам грош цена). В корпорации должно найтись место и другим предприятиям, нацеленным на наноэлектронику: "Ангстрему", "Истоку", "Волге", "Светлане", "Сапфиру", НИИИС, "Монокристаллу"… В составе перечисленных предприятий корпорация сможет иметь четкую промышленную ориентацию на разработку и производство изделий наноэлектроники, подобно авиа- и судостроительной корпорациям. (Что касается Российской корпорации нанотехнологий с безгранично широким представительством всех и вся и с членами Федерального собрания в ее руководстве, то вряд ли подобная рыхлая структура сможет выполнять какие-либо иные функции, кроме декоративных). Критериями для "пропуска" предприятий в нанопроект должно стать: наличие дееспособного научного потенциала, наличие военного представительства, принятие системы добровольной сертификации в соответствии с РД В 319.015-2006, длительный опыт производства приборов для военных целей, отсутствие существенных нарушений государственной дисциплины. Недопустима дискриминация по пункту формы собственности – и ФГУП и ОАО равно достойны получения госфинансирования по нанопроекту.
Ориентация на действующие научно-производственные предприятия благодаря использованию нанотехнологии при модернизации выпускаемой продукции позволит получить быструю и существенную отдачу. Особенно заметно это проявится там, где применяются сложные полупроводниковые структуры. Так например, если в производстве КМОП-микросхем на основе "кремния на сапфире" перейти от толщин кремниевой пленки 0,3–0,6 мкм к 100 нм, что возможно лишь методами нанотехнологии, это даст тройной эффект: в 1,5–1,8 раза увеличится выход годных чипов; на порядок возрастет степень интеграции; повысится радиационная стойкость микросхем. Как следствие, себестоимость снизится на 35–40%.
В заключение следует подчеркнуть, что главной проблемой в развитии наноэлектроники являются не деньги и оборудование – это решаемо, – а отсутствие в стране реальной потребности на изделия наноэлектроники, фактически – отсутствие великой цели*.
История свидетельствует, что проблема потребности существовала и раньше, хотя поверхностному взгляду представлялось, что транзисторов и микросхем хронически не хватало. Полупроводниковая планарная технология такова, что едва заканчивается подготовительный период, производство способно очень быстро наращивать объемы – массовость и динамизм органически заложены в самой сути микроэлектроники. Аппаратостроение неспособно к столь же динамичному наращиванию потребности, что также заложено в его сущности. В 1970–1980-е годы проблема нивелировалась огромным количеством аппаратостроителей – кто-то успевал на образцах НИР уже разработать аппаратуру, кто-то имел возможность создавать задел по комплектации. Так или иначе, полупроводниковое производство поддерживалось потребителями. В сегодняшней реальности рынок отечественных электронных компонентов практически отсутствует**, многие полупроводниковые предприятия "работают" на одного-двух заказчиков, отсюда перебои в потребности, вплоть до коллапса.
Именно от того, как лидеры и научное сообщество в целом сумеет решить проблему потребности и зависит успех наноэлектронного проекта.
По некоторым фрагментам статьи у читателя может сложиться впечатление о беспросветном пессимизме авторов. Но пессимисты вряд ли стали бы пристрастно анализировать то, во что не верят и чем не предполагают заниматься. Выше отмечалось: исторические сопоставления не доказательства, они лишь ставят вопросы, дают подсказки, предостерегают от опасностей. Каждое время неповторимо, "сегодня" в меньшей степени зависит от того, что было "вчера", нежели от того, каким обществу видится "завтра". Современная наука и технология достигли таких высот, что прорывных открытий можно (и должно) ожидать когда и где угодно, причем и вопреки логике истории. Надо дерзать.
Литература
1. Шленофф Д. Век с Эйнштейном. – В мире науки, 2004, №12, с.83.
2. Фролов И.Т. Органический детерминизм, телеология и целевой подход в исследовании. – Вопросы философии, 1970, № 10.
3. Блок М. Апология истории, или Ремесло историка. – М., Наука, 1986 (в оригинале – 1949).
4. Ковальчук М.В. Нанотехнологии в России…– Газета "Наноэлектроника", МИРЭА, 2007, № 1.
5. Кун Т. Структура научных революций. – М.: АСТ, 2003 (в оригинале – 1962).
6. Авдонин Б.Н., Мартынов В.В. Электроника. Вчера…Сегодня. Завтра? – М.: ИКП Дека, 2005.
7. Нанотехнологии в электронике. / Под ред. Ю.А. Чаплыгина. – М.: Техносфера, 2005.
8. Алфёров Ж.И. Физика и жизнь. СПб.: Наука,2000; Нобелевская лекция. – УФН, 2002, т.172, №9, с.1068.
9. Tans S.J., Verschueren A.R.M., Dekker C. – Nature, 1998, № 393, р. 49–52.
10. Живая электроника России, "АСТ – Московский полиграфический дом", 2007. Развитие нанотехнологий, с. 23–25. реплика Г.Грефа: "при разработке программы необходимо ставить более амбициозные цели", с.24.
11. Интервью А.А.Фурсенко. Известия, 15.06.2007. Вопрос Известий: "В советское время …было немало крупных научных проектов, которые работали на престиж страны. Способна ли сегодня российская наука предложить равновеликие по значимости проекты российскому обществу?"
Представители академическо-университетской науки (имеется в виду лишь ведомственная принадлежность соответствующих институтов) трактуют, как правило, возникновение нанотехнологий как научно-техническую революцию, изменяющую картину мира, или, на языке философии, как смену парадигмы, по аналогии с переходом от классической физики к квантовой в начале прошлого века [4]. Применительно к наноэлектронике аргументируется это тем, что в отличие от предшественницы – микроэлектроники, развивающейся эволюционно в направлении уменьшения характеристических размеров (top→down), нанотехнология развивается принципиально иначе, "с уровня атомов, складывая из них, как из кубиков, нужные материалы и системы с заданными свойствами" [4], т.е. по схеме bottom→up – буквально – "со дна".
Понятие парадигмы было введено применительно к истории в работе [5] как некая методологическая концепция, которую научное сообщество признает истинной и способствующей прогрессу. Прогресс осуществляется главным образом благодаря научным революциям, вызываемым сменой господствующей парадигмы, т.е. утверждением новой и отрицанием устаревшей. Призыв к "смене парадигмы" – шаг ответственный. Отрицание действующих концепций проходит всегда болезненно, а в технике особенно: уничтожаются материальные ценности, рушатся людские судьбы.
Смена парадигм в электронике произошла лишь однажды в связи с изобретением в 1948 году транзистора и последующим переходом от вакуумной электроники к твердотельной. Оставляя в стороне тот колоссальный прогресс, который это принесло радиоэлектронике, отметим, что был закрыт ряд вакуумных производств, исчезли некоторые специальности, многим специалистам пришлось переучиваться, начиная с азов новой полупроводниковой науки. Переход в 1960-е годы к микроэлектронике, несмотря на гигантские изменения во всей радиоэлектронике, нельзя безусловно отнести к разряду "парадигмальных". Физико-технологическая концепция транзисторной электроники распространилась на микроэлектронику без каких-либо принципиальных изменений. Характерно, что транзисторные заводы без потрясений перешли на производство микросхем и в ряде случаев обошли "чистых" микроэлектронщиков (например, "Интеграл" – изначально диодный завод, в конце 1970-х годов производил уже около 40% всех отечественных микросхем).
В ближайшее десятилетие общество станет свидетелем смены парадигмы в светотехнике – светодиоды все увереннее вытесняют лампы накаливания: ряд стекольных производств фирм "Осрам" и "Филипс" уже закрыт. Приведенные примеры иллюстрируют известное положение: смена парадигмы подтверждается не грандиозностью достижений, сопровождающих утверждение нового научно-технического направления, а его онтологическими, сущностными отличиями от предшествующего.
Означает ли возникновение и становление наноэлектроники смену парадигмы в электронике? Наш ответ – нет! Наноэлектроника есть логическое продолжение и развитие микроэлектроники. Это не умаление значимости наноэлектроники, а лишь корректная характеристика ситуации. Полупроводниковая электроника изначально имела дело с наноразмерами. Так, ширина области объемного заряда р-n-перехода стабилитрона составляет десятки нанометров, а туннельного диода – единицы*. В 1970–1980-е годы в полупроводниковую технику вошли такие наноразмерные структуры как гетеропереходы, сверхрешетки, квантовые ямы, квантовые проволоки и точки, синтезируемые на основе многокомпонентных соединений изменяющегося состава. Для их создания были разработаны технологические процессы как логическое развитие и совершенствование полупроводниковой классики. Получили, в частности, распространение молекулярно-лучевая эпитаксия, ионно-плазменная обработка, ионно-лучевое напыление, фотонный отжиг и др. Переход к манипулированию потоками свободных атомов, молекул, ионов привел к значительным изменениям в классических технологических схемах – существенным стало явление самоорганизации – "самопроизвольное", но инициируемое извне, образование пространственных структур на поверхности подложки. Сверхпрецизионность перечисленных технологий позволяет воспроизводимо получать: изолированные кластеры, содержащие сотни атомов; однородные оптические пленки с "шероховатостью" менее 0,2 нм; гетероструктуры, состоящие из разнородных нанослоев заданного состава. Фактически эти технологии – первый шаг на пути "атомного конструирования". Приборное подтверждение жизнеспособности перечисленного – в широко известных достижениях новейших микросхем, лазеров, светодиодов, фотоприборов [6,7,8,12,13]. Таким образом, развитие микроэлектроники естественно и логично привело к наноэлектронике, которую можно условно назвать традиционной наноэлектроникой.
В 1980–1990-е годы произошли события принципиально иного ряда, также имеющие отношение к наноэлектронике. Среди них: изобретение сканирующего туннельного микроскопа, СТМ, (1981 г.) и атомно-силового микроскопа, АСМ (1986 г.), открывших возможность манипулирования нанометровыми кластерами, вплоть до отдельных атомов и молекул; открытие фуллеренов (1985 г.) – специфической структурной формы существования углерода; создание на этой основе нанотрубок (1991 г.) – углеродных пористых структур цилиндрической формы, обладающих целым рядом уникальных свойств, вплоть до сверхпроводимости; получение транзисторного эффекта на базе нанотрубок (1998 г.) [9]. Эти открытия дали старт наноэлектронным исследованиям, опирающимся на схему bottom – up с идеологией конструирования устройств буквально из единичных атомов. В результате зародилось то, что условно можно назвать "новой" наноэлектроникой. Важно подчеркнуть ее исследовательский, непроизводственный характер, СТМ и АСМ даже с натяжкой нельзя отнести к технологии в общепринятом понимании (в этом утверждении авторы статьи расходятся с авторами статей [6,7]), поскольку, строго говоря, это не что иное, как техника физического эксперимента.
Принимая во внимание реальный приборный выход, можно говорить лишь о традиционной наноэлектронике. Более того, ситуация вряд ли изменится в ближайшие годы. Если отсчет истории "новой" наноэлектроники начать с нанотрубок и транзистора на их основе, отнеся все остальное к предыстории, то и тогда получится 10–15 лет. Чего за такой же начальный период достигли транзисторы и микросхемы? После изобретения транзистора в 1948 году за 10–12 лет были созданы практически все разновидности транзисторов, диодов, тиристоров. Приборы прошли аппаратурную "обкатку" в корейской войне (1950–1953 гг.). Началось их производство многомиллионными тиражами на десятках предприятий; полупроводниковые приборы вошли во многие военные системы; была подготовлена технологическая база будущей микроэлектроники – планарная технология. С еще большим ускорением развивались микросхемы, стартовавшие в 1958–1959 годах. Уже в 1971 году появились микропроцессоры (техническая основа информационной эры), кардинально изменившие идеологию электронного аппаратостроения. А что при тех же критериях оценки за такой же срок дала "новая" наноэлектроника?
Исторический опыт учит: если новое научно-техническое направление не проявляет себя за "время естественного воплощения", это означает наличие в этом новом направлении онтологической, сущностной ущербности – физической, технологической – и оно не реализуемо в принципе (компьютер на туннельных диодах), либо что происходит преждевременное обращение к новому, когда еще нет объективных условий для его технической реализации (разработка противосамолетного "лучевого оружия" в ленинградском НИИ-9 в 1930-е годы).
"Время естественного воплощения" нового эффекта в практику рассчитать невозможно – слишком много неопределенностей, но история предлагает некоторые ориентиры: во второй половине ХХ века ни один из крупнейших проектов не продолжался более 10 лет: атомные проекты – 6–7 лет, высадка человека на Луну – 7–8 лет. Это не случайность – любые заложенные у "истоков" идеи, технические решения, материалы за 10 лет не просто устаревают, а становятся архаикой, и если проект не воплотился в "металл", то дешевле начать заново. Таков нынешний динамизм – либо делать быстро и выставлять "на продажу", либо – не браться. Разумеется, речь идет о создании изделий, решении других конкретно-осязательных задач. К нанонауке это не относится, поскольку решение фундаментальных проблем может продолжаться неограниченно долго.
Сравнительно-исторический анализ позволяет сформулировать вполне определенно и доказательно ряд важных тезисов.
1. Успех микроэлектронного проекта был бы невозможен, если бы не нашелся адекватный полупроводниковый материал – кремний, универсальный в части одновременного достижения функциональных, эксплуатационно-надежностных, технологических, стоимостных характеристик микросхем. По отдельным позициям могут оказаться предпочтительнее арсенид галлия, германий, тонкие пленки, но они – не универсальны и обречены лишь на частности. Напротив, то из нового, что ориентировано на кремний – "кремний на диэлектрике", микромеханика – имеет безусловную перспективу. Трудности и проблемы будут, несомненно, разрешены благодаря привлечению всего технологического потенциала микроэлектроники.
Дискретные приборы – транзисторы, лазеры/светодиоды, фотоприемники и др. – используют широчайший спектр разнообразных полупроводников, что позволяет достигать рекордов в соответствующих сферах применения, но исключает возможность интеграции. Как следствие, значимость дискретных приборов несоизмерима со значимостью микроэлектроники.
Важность существования базового материала может быть продемонстрирована также на примере интегральной оптики, очень смело заявившей о себе еще в 1970 году. Она так и осталась на периферии научно-технического прогресса, так как не был найден универсальный материал.
"Новая" наноэлектроника пока универсального материала тоже не обрела – нанотрубки на эту роль не смотрятся, – поэтому от нее можно ожидать прорывов лишь в сфере отдельных видов дискретных приборов и гибридных конгломератов, а любой, даже очень полезный, прорыв вне интегральной технологии решает лишь частности.
С 2004 году получили развитие моноатомные углеродные пленки – графены, которые могут пойти в интегральную наноэлектронику, но пока это лишь ожидания.
2. Успех микроэлектроники обусловлен комплексным подходом к нуждам радиоэлектронных систем. Единовременно разрабатываются микропроцессорные комплекты, функционально полные наборы микросхем, естественно устремление к "системам на кристалле". Важно отметить, что ни одна даже "сверхпродвинутая" микросхема не обеспечивает реального прогресса аппаратостроения, если существует разнородность по материалам, технологии, конструкции используемых в системе микросхем и дискретных приборов, которая неизбежно становится причиной ненадежности, высокой стоимости, функциональной ограниченности.
"Новая" наноэлектроника, обещая появление множества замечательных изделий – терабитной памяти, микродисплеев, – таких системных комплексных решений пока не предлагает.
3. Успех микроэлектроники предопределен и комплексным подходом другого рода – одновременным и неразрывно-обязательным достижением в микросхеме полного "джентльменского набора" компетенций: высокой степени интеграции; высоких значений параметров; надежности; технологичности. "Новая" наноэлектроника добивается рекордов то в одном, то в другом направлении, но почти всегда оставляет решение вопросов надежности "на потом". Однако из самых общих соображений очевидно, что для элементов наномира проблема надежности является определяющей. Характерно, что военные (и американские тоже) до сих пор с осторожностью относятся к микросхемам с проектными нормами менее 0,35–0,25 мкм.
4. Решающим условием успеха отечественной микроэлектроники стала комплексность в подходе к созданию адекватной инфраструктуры отрасли, а именно организации специального материаловедения, машиностроения, аналитики, метрологии. В числе трех первых зеленоградских предприятий был НИИ точного машиностроения (1963 г.); первым специализированным электронным вузом страны стал Московский институт электронного машиностроения (1962 г.), в 1978 году в электронике был создан ряд региональных физико-химических центров, оснащенных уникальными измерительными и аналитическими приборами. Подобной комплексности в "новой" наноэлектронике нет, в частности, нет отечественного специального машиностроения, а ориентация на импорт обрекает как минимум на пятилетнее отставание в развитых направлениях и на полную безоружность – в новых, прорывных, областях (ограничения, типа закона Вэника-Джексона, по всей видимости, будут только ужесточаться).
5. Последовательное и полное обеспечение комплексности стало возможным исключительно благодаря нацеленности на военные применения. Участие военного ведомства в постановке, разработке и реализации микроэлектронного проекта, методологически единый сквозной контроль производства материалов, микросхем, аппаратуры, долгосрочное его финансирование – все это не смог бы обеспечить никакой другой крупный заказчик, пусть даже и концерн типа "Алмаз-Антей". Сегодня это особенно принципиально, так как реального гражданского полупроводникового рынка в стране нет и в ближайшее время из-за отсутствия потребности не будет. Еще более важно то, что только оборонный проект может быть в стране по-настоящему амбициозным, а без этого он нежизнеспособен. Это понимают и госуправленцы, и общественность [10,11].
Центральный вопрос любого проекта – распределение финансирования. Президентское послание Федеральному собранию в апреле 2007 года предполагает первоочередное финансирование нанонауки как основы развития "новой" наноэлектроники. Оправданно ли это? Безусловно да. Только от академическо-университетских ученых можно ожидать первых реальных шагов. Как бы ревниво не напоминали электронщики о своих приоритетах в приборной сфере, история свидетельствует об ином: первые плоскостной транзистор, солнечная батарея, гетеролазер в России были созданы в Ленинградском физтехе, первые туннельный диод, мазер и полупроводниковый лазер – в ФИАНе, первые линии задержки на поверхностных акустических волнах – в ИРЭ. В НИИ и ОКБ эти приборы пришли из академических лабораторий. Это так, но это лишь часть правды.
Электронная промышленность всегда получала информацию о приборных новинках по двум каналам: от академическо-вузовской науки и непосредственно с Запада (журналы, конференции, стажировки, разведданные и др.), причем второй канал доминировал и доминирует сейчас во все большей степени. Идеализированных схем – академия разрабатывает приборно-технологические принципы, а НИИ их подхватывают и внедряют в промышленность – за редкими исключениями, не было. Электронное сообщество, как некое неформальное вневедомственное единство ученых на профессиональной основе, в стране так и не сформировалось. Скорее наоборот – в 1950-е годы А.Ф.Иоффе, В.М.Тучкевич, Б.М.Вул – от академии, и А.И.Берг, Н.П.Сажин, А.В.Красилов, С.Г.Калашников – от промышленности "могли сидеть за одним столом" и понимать друг друга, в 1970–1980-е годы "академики" и "отраслевики" разошлись по своим квартирам.
В порядке отступления следует заметить, что в обширной литературе, лоббирующей нанопроект, "автоматически" предполагается, что "наука" – это РАН [11], отраслевая же наука, где и сосредоточен технологический потенциал страны, выводится за скобки. Вопреки очевидности утверждается, что Россия в области научного задела по нанотехнологиям находится приблизительно на одинаковых стартовых позициях с передовыми странами мира. Номинальные руководители проекта фактически не сформулировали его цель, говоря вместо этого "давайте сначала попробуем" [10, с 24], или, пускаясь в туманные рассуждения о том, что "материальная сфера будет полностью оцифрована, аналоговый мир устареет" [11] и о "восстановлении целостной картины мира" [4], а также о натурфилософии времен Ньютона [11]. Каких результатов можно ожидать при этом? Вырастает индекс цитируемости РАН, увеличится представительство России в международных организациях по нанотехнологиям, повысится "стоимость" уезжающих на Запад российских талантливых физиков и химиков. Хорошо, но маловато, по крайней мере для остающихся в России. Приходится еще раз вспомнить, что нанопроект нацелен не на изучение окружающей среды, а на создание новых реальностей. Жаль, если мегазатраты приведут к нанорезультатам.
История подсказывает: финансовый поток наноэлектронного проекта должен потечь в два русла, причем "прикладникам" всегда и всего надо намного больше, чем "академикам". Развивая по преимуществу традиционную наноэлектронику, промышленные НИИ тем самым неизбежно будут готовить инфраструктуру (технологии, метрику, аналитику, кадры) для активного восприятия приборных первенцев "новой" наноэлектроники.
История российской микроэлектроники обычно персонифицируется с Зеленоградом, однако первая отечественная микросхема была создана на "Пульсаре"*, а первая микросхема с военной приемкой – на Воронежском полупроводниковом заводе. Планарная технология пришла в НИИМЭ и "Микрон" с "Пульсара". Ситуация исторически типичная: первые образцы новой техники рождаются не в специально создаваемых структурах, а на действующих традиционных предприятиях с мощным научно-технологическим потенциалом и кадрами. Был бы динамичный амбициозный лидер да вышестоящее руководство не мешало. Разумеется, создание Зеленограда было объективно необходимо – переход от транзисторов к интегральным схемам носил достаточно принципиальный характер и без крупного специализированного концерна было не обойтись.
Нынешняя ситуация отличается неизмеримо меньшей реальной потребностью в изделиях наноэлектроники, поэтому было бы целесообразнее подобную специализированную корпорацию сформировать в форме горизонтальной интеграции действующих предприятий. По субъективным представлениям авторов главенствующее место должны занять "Пульсар", НИИМЭ (с "Микроном"), НИИСИ, "Полюс", "Орион". Тем самым наноэлектроника получит воплощение во всех определяющих направлениях: интегральная техника, СВЧ-электроника, лазеры и оптоэлектроника, фотоника, ИК-техника, сенсорика. Названные предприятия в наибольшей степени, нежели другие, сохранили научный потенциал. Кроме того, их лидеры достаточно молоды, энергичны, амбициозны и, что немаловажно, имеют прочные связи с академическо-университетской наукой и ею признаны. (Бюджетные деньги следует давать дееспособным коллективам и их лидерам, без этого любым бизнес-планам грош цена). В корпорации должно найтись место и другим предприятиям, нацеленным на наноэлектронику: "Ангстрему", "Истоку", "Волге", "Светлане", "Сапфиру", НИИИС, "Монокристаллу"… В составе перечисленных предприятий корпорация сможет иметь четкую промышленную ориентацию на разработку и производство изделий наноэлектроники, подобно авиа- и судостроительной корпорациям. (Что касается Российской корпорации нанотехнологий с безгранично широким представительством всех и вся и с членами Федерального собрания в ее руководстве, то вряд ли подобная рыхлая структура сможет выполнять какие-либо иные функции, кроме декоративных). Критериями для "пропуска" предприятий в нанопроект должно стать: наличие дееспособного научного потенциала, наличие военного представительства, принятие системы добровольной сертификации в соответствии с РД В 319.015-2006, длительный опыт производства приборов для военных целей, отсутствие существенных нарушений государственной дисциплины. Недопустима дискриминация по пункту формы собственности – и ФГУП и ОАО равно достойны получения госфинансирования по нанопроекту.
Ориентация на действующие научно-производственные предприятия благодаря использованию нанотехнологии при модернизации выпускаемой продукции позволит получить быструю и существенную отдачу. Особенно заметно это проявится там, где применяются сложные полупроводниковые структуры. Так например, если в производстве КМОП-микросхем на основе "кремния на сапфире" перейти от толщин кремниевой пленки 0,3–0,6 мкм к 100 нм, что возможно лишь методами нанотехнологии, это даст тройной эффект: в 1,5–1,8 раза увеличится выход годных чипов; на порядок возрастет степень интеграции; повысится радиационная стойкость микросхем. Как следствие, себестоимость снизится на 35–40%.
В заключение следует подчеркнуть, что главной проблемой в развитии наноэлектроники являются не деньги и оборудование – это решаемо, – а отсутствие в стране реальной потребности на изделия наноэлектроники, фактически – отсутствие великой цели*.
История свидетельствует, что проблема потребности существовала и раньше, хотя поверхностному взгляду представлялось, что транзисторов и микросхем хронически не хватало. Полупроводниковая планарная технология такова, что едва заканчивается подготовительный период, производство способно очень быстро наращивать объемы – массовость и динамизм органически заложены в самой сути микроэлектроники. Аппаратостроение неспособно к столь же динамичному наращиванию потребности, что также заложено в его сущности. В 1970–1980-е годы проблема нивелировалась огромным количеством аппаратостроителей – кто-то успевал на образцах НИР уже разработать аппаратуру, кто-то имел возможность создавать задел по комплектации. Так или иначе, полупроводниковое производство поддерживалось потребителями. В сегодняшней реальности рынок отечественных электронных компонентов практически отсутствует**, многие полупроводниковые предприятия "работают" на одного-двух заказчиков, отсюда перебои в потребности, вплоть до коллапса.
Именно от того, как лидеры и научное сообщество в целом сумеет решить проблему потребности и зависит успех наноэлектронного проекта.
По некоторым фрагментам статьи у читателя может сложиться впечатление о беспросветном пессимизме авторов. Но пессимисты вряд ли стали бы пристрастно анализировать то, во что не верят и чем не предполагают заниматься. Выше отмечалось: исторические сопоставления не доказательства, они лишь ставят вопросы, дают подсказки, предостерегают от опасностей. Каждое время неповторимо, "сегодня" в меньшей степени зависит от того, что было "вчера", нежели от того, каким обществу видится "завтра". Современная наука и технология достигли таких высот, что прорывных открытий можно (и должно) ожидать когда и где угодно, причем и вопреки логике истории. Надо дерзать.
Литература
1. Шленофф Д. Век с Эйнштейном. – В мире науки, 2004, №12, с.83.
2. Фролов И.Т. Органический детерминизм, телеология и целевой подход в исследовании. – Вопросы философии, 1970, № 10.
3. Блок М. Апология истории, или Ремесло историка. – М., Наука, 1986 (в оригинале – 1949).
4. Ковальчук М.В. Нанотехнологии в России…– Газета "Наноэлектроника", МИРЭА, 2007, № 1.
5. Кун Т. Структура научных революций. – М.: АСТ, 2003 (в оригинале – 1962).
6. Авдонин Б.Н., Мартынов В.В. Электроника. Вчера…Сегодня. Завтра? – М.: ИКП Дека, 2005.
7. Нанотехнологии в электронике. / Под ред. Ю.А. Чаплыгина. – М.: Техносфера, 2005.
8. Алфёров Ж.И. Физика и жизнь. СПб.: Наука,2000; Нобелевская лекция. – УФН, 2002, т.172, №9, с.1068.
9. Tans S.J., Verschueren A.R.M., Dekker C. – Nature, 1998, № 393, р. 49–52.
10. Живая электроника России, "АСТ – Московский полиграфический дом", 2007. Развитие нанотехнологий, с. 23–25. реплика Г.Грефа: "при разработке программы необходимо ставить более амбициозные цели", с.24.
11. Интервью А.А.Фурсенко. Известия, 15.06.2007. Вопрос Известий: "В советское время …было немало крупных научных проектов, которые работали на престиж страны. Способна ли сегодня российская наука предложить равновеликие по значимости проекты российскому обществу?"
Отзывы читателей
