Микроэлектроника – это раздел электроники, охватывающий исследования и разработку качественно нового типа электронных приборов – интегральных микросхем и принципов их применения.

Основной задачей микроэлектроники является комплексная микроминиатюризация электронной аппаратуры – вычислительной техники, аппаратуры связи, устройств автоматики. Микроэлектронная технология позволяет резко расширить масштабы производства микро-электронной аппаратуры, создать мощную индустрию информатики, удовлетворить потребности общества в информационном обеспечении.

Интегральные микросхемы (ИС), являющиеся элементной базой микроэлектроники, предназначены для реализации подавляющего большинства аппаратурных функций. Их элементы, аналогичные обычным радиодеталям и приборам, выполнены и объединены внутри или на поверхности общей подложки, электрически соединены между собой и заключены в общий корпус. Все элементы или их часть создаются в едином технологическом процессе с использованием групповых методов изготовления.

Элементы полупроводниковой интегральной микросхемы – транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы – представляют собой совокупность различных полупроводниковых структур.

К таким полупроводниковым структурам относятся контакты металл-полупроводник, электронно-дырочные переходы, структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Физические явления и процессы в таких полупроводниковых структурах хорошо изучены и детально рассмотрены в научной и учебной литературе.

2. Основные направления развития микроэлектроники

На современном этапе электроника ускоренными темпами развивается в обоих традиционных направлениях: приборном и аппаратурном. С одной стороны, идет развитие самой электронной техники: совершенствуются приборы, такие как диоды, транзисторы, другие электронные приборы и создаются их новые классы. С другой стороны, на базе новых электронных приборов разрабатываются и выпускаются новые виды электронной аппаратуры для разнообразных областей применения.

Микроэлектроника явилась качественным результатом непрерывной миниатюризации электронной аппаратуры, стандартизации и унификации ее отдельных частей. Еще в эпоху электровакуумной электроники предпринимались шаги для уменьшения габаритов элементов электронной аппаратуры и создания конструктивно законченных унифицированных фунциональных узлов. Под последними понимают группы электронных элементов, способных выполнять определенные функции обработки сигналов: усиление, формирование, преобразование, генерирование и т.п. Такие конструктивно законченные узлы приобрели наименование модулей Создание ИС привело не только к техническому развитию электронных устройств в направлении их миниатюризации и уменьшения веса, но и явилось началом тех больших социальных изменений, которые обусловили современную революцию в микроэлектронике.

3. Современная микроэлектроника и перспективы ее развития

Перед микроэлектроникой стоят задачи:

1. Повышать качество уже выпускаемых изделий – надежность, снижение стоимости, рост % выхода.

2. Совершенствовать параметры изделий.

Для этого нужно:

1) Увеличивать степень интеграции

2) Увеличивать быстродействие

3) Снижать рассеиваемую мощность

Это позволит увеличить объем обрабатываемой информации.

Важнейший вопрос – увеличение степени интеграции, что сводится к уменьшению размеров элементов конструкции ИС. Существует два вида ограничений:

а) физические

б) технологические.

Статистическая воспроизводимость технологического процесса.

Пусть l – размер конструктивного элемента.

При l >> a , a – атомный размер, постоянная решетки (а ≅ 3Å)дискретность атомов не проявляется, тогда размер l макроскопичен. Материал рассматривается, как непрерывная среда.

При l ≅ a размер микроскопичен . Каждый атом или небольшая группа атомов рассматривается как самостоятельный объект.

При l = (10 –100)a объект мезоскопичен. Свойства такого объекта статистически неустойчивы. Или, другими словами: мезоскопические эффекты связаны со статической неопределенностью свойств изучаемых объектов.

Перспективы развития технологии цифровых ИС.

ГОДЫ
Мин. размер, мкм
Площадь ИС (логика), см 2
Площадь ИС (память), см 2
Плотность дефектов, 1/см 2
Стоимость обра-ботки, USD/ см 2
Стоимость лито-графии, USD/см 2

4. Технологический процесс изготовления ИС.

Производственный процесс изготовления ИС можно разделить на три участка: участок формирования структур на пластине, участок сборки и участок выходного контроля. Технологические процессы изготовления изделий в большинстве своем непрерывно- дискретные. Непрерывные технологические процессы не могут быть прерваны до их окончания. В случае их прерывания раньше окончание процесса в большинстве случаев изделие уходит в брак. Например, аварийное отключение печей при проведении диффузионных процессов практически приводит к браку всей партии пластин. Дискретные технологические процессы разделяются на отдельные операции. Эти процессы можно останавливать на определенное для каждого процесса время и после некоторого перерыва можно продолжать далее. Последствия такого перерыва в ходе процесса практически не отражаются на качестве изготовляемых изделий. Технологический процесс изготовления ИС также принадлежит к непрерывно- дискретному, так как состоит из двух самостоятельных непрерывно-дискретных процессов изготовления полупроводниковых кристаллов со структурой ИС и их сборки. Изготовление структуры на кристалле включает непрерывные и дискретные процессы химической обработки пластины, процессы диффузии, литографии, напыления алюминия, разделения пластин на кристаллы. Каждый из этих процессов включает ряд технологических и контрольных операций.

Последовательность технологических операций при изготовлении ИС на пластине кремния с диэлектрической изоляцией.

Современные технологические процессы изготовления ИС очень сложны. Анализ процессов изготовления показывает, что они проводятся при температурах, изменяющихся в диапазоне от – 100оС(криогенное травление) до +1100оС (окисление, диффузия, отжиг после ионной имплантации и др.), при давлении от атмосферного до 10-7 мм.рт.ст. Столь широкие диапазоны вызваны необходимостью проведения с исходными материалами различных физических и химических процессов для получения структур ИС с удовлетворяемыми.

5.Физические основы технологии получения тонких пленок

Развитие современной микроэлектроники характеризуется разработкой большого числа типов интегральных микросхем, в первую очередь созданием больших и сверхбольших интегральных схем и микропроцессоров, а также систем на одном

кристалле. При этом будет продолжаться массовый выпуск интегральных микросхем среднего уровня интеграции для всех видов радиоэлектронной аппаратуры. Наиболее широко выпускаются полупроводниковые ИМС. Гибридные ИМС и микросборки находят все большее применение в аналоговой радиоэлектронной аппаратуре (apparatus) и аппаратуре бытового назначения.

Характерным для всех типов ИМС является рост степени интеграции. Полупроводниковые ИМС имеют ряд принципиальных ограничений: предельное минимальное значение мощности, способной обеспечить функционирование прибора при 300 ° С, составляет 1 мкВт, предельное значение показателя качества (время срабатывания на мощность включения прибора) - 10-14 Дж, что определяет ограничения плотности упаковки приборов и их быстродействия. Новые направления развития микроэлектроники показаны на рис. 1.1.

Функциональная микроэлектроника. В основе создания ИМС лежит принцип элементной (технологической) интеграции, микроминиатюризации элементов (активных и пассивных) микросхемы. В ИМС можно выделить области, являются активными (диоды, транзисторы) и пассивными (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) элементами. В интегральной микроэлектронике сохраняется основной принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип неизбежно связан с ростом числа элементов микросхемы и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций.

Функциональная микроэлектроника предлагает принципиально новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объема твердого тела добавляются такие свойства, которые нужны для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной электрической схемы отпадает. Функциональные микросхемы могут выполняться на основе не только полупроводников, но и таких материалов, как сверхпроводники, сегнетоэлектрики, материалы с фотопроводящими свойствами и др.. Для переработки информации можно использовать явления, не связанные с электропроводностью (например, оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности росповсюдження ультразвука и т.д.) Оптоэлектроника. Оптоэлектронный прибор (optoelectronic device) - устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно.

В оптоэлектронике обычно используется диапазон длин волн 0,2 мкм - 0,2 мм. Как источник излучения используют световые диоды на арсениде галлия как фотоприемники (photo receiver) - кремниевые фотодиоды (photo diode) и фототранзисторы (photo resistor).

Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, но электрически изолированы друг от друга. Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных цепей. Кроме того, оптоелектроним устройствам присущи и другие свойства: возможность пространственной модуляции световых пучков (light beam), что в сочетании с изменениями во времени дает три степени свободы (в чисто электронных цепях - две), возможность значительных разветвлений и пересечения световых пучков в отсутствии гальванического связи между каналами; большую функциональную нагрузку световых пучков ввиду возможности изменения многих их параметров (амплитуды, направлений, частоты фазы, поляризации).

Оптоэлектроника охватывает два независимых направления: оптическое и электронно-оптическое. Оптический направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографии (holography), фотохимии (photochemistry) Электрооптика и другие направления развития. Оптический направление иногда называют лазерным (laser).

Электронно-оптический направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле с помощью внутреннего фотоэффекта с одной стороны, и электролюминесценции - с другой. В основе этого направления лежит замена гальванических и магнитных связей в традиционных электронных цепях оптическими. Это позволяет повысить плотность информации в канале связи, его быстродействие, перешкодозахист.

Магнетоэлектроника. Магнетоэлектроника - направление функциональной микроэлектроники, связанный с появлением новых магнитных материалов, имеющих малую намагниченность насыщения и с разработкой технологических методов получения тонких магнитных пленок. На перемагничивания тонкопленочного элемента, толщина которого обычно не превышает толщины одного домена, нужна энергия в 10-20 раз меньше и время в 10-30 раз меньше, чем на перемагничивание ферритового сердечника.

Наибольший интерес представляет использование тонкопленочных металлических магнитных материалов (magnetic materail) в микроэлектронных запоминающих устройствах (ЗУ), где как элемент памяти применяются тонкие магнитные пленки. Эти пленки позволяют создавать надежные быстродействующие ЗУ с малой мощностью управления. Весьма перспективны устройства памяти на цилиндрических магнитных доменах. Плотность (density) записи таких устройств достигает 105 бит/см2 при скорости обработки информации - 3 × 10 бит / с. Преимущество этих устройств заключается также в том, что магнитные домены могут составить систему идентичных элементов, реализующих функции логики, памяти и коммутации без нарушения однородности структуры материала носителя информации. Итак, кристалл на магнитных доменах является вычислительной средой, на поверхности которого с помощью системы внешних аппликаций можно размещать схемы, реализующие различные комбинации логических и переключающих функций и функций памяти.

На тонких магнитных пленках могут быть выполнены не только элементы памяти (elements memory) ЭВМ, но также логические микросхемы, магнитные усилители (amplifier) и другие приборы.

Широкие перспективы построения различных функциональных устройств открывают новые материалы - магнитные полупроводники. К ним относят магнетики, которым не свойственна металлическая природа электропроводности и соединения магнитных и немагнитных элементов. В настоящее время известны такие магнитные полупроводники, как Халькогениды европия, халькогенидных шпинели хрома, сильнолегированном ферриты (например, зализоитриевий гранат, легированный кремнием) и т. д.

Акустоэлектроника. Акустоэлектроника (acoustic electronics) - направление функциональной микроэлектроники, связанный с использованием механических резонансных эффектов, пьезоэлектрического эффекта, а также эффекта, основанного на взаимодействии электрических полей с волнами акустических напряжений в пьезоэлектрическом (piezoelectricity) полупроводниковом материале. Акустоэлектроника занимается преобразованием акустических сигналов в электрические и электрических сигналов в акустические.

Пьезоэлектрические преобразователи используют для возбуждений с помощью электрических сигналов акустических волн в ультразвуковых линиях задержки и обратного преобразования их в электрический сигнал.

Новым этапом в развитии акустоэлектроники является использование поверхностных акустических волн. Поверхностные волны обладают всеми свойствами объемных волн, доступные для действия на всем пути, их распространения вдоль линии, а технология изготовления ультразвуковых (ultrasound) линий с поверхностными волнами совместима с технологией изготовления интегральных микросхем.

Хемотроника. Хемотроника (hemothronick) как новое научное направление возникло на стыке двух направлений, которые развиваются: электрохимии и электроники. На первом этапе своего развития хемотроника как техническая отрасль была призвана разрабатывать общие теоретические и технологические принципы построения электрохимических преобразователей. При этом создавались в основном аналоги электронных приборов с той разницей, что носителями заряда не были электроны в вакууме, газе или твердом теле, а ионы в растворе. Так были созданы электрохимические выпрямители (rectifier), интеграторы (integrator), усилители. Подвижность ионов в растворе намного меньше, чем подвижность электронов в газе или твердом теле, поэтому электрохимические приборы являются низкочастотными по своей физической природе, однако, они имеют и ряд преимуществ перед электронными приборами.

Перспектива развития хемотроника - это создание информационных систем и систем управления на жидкостной основе, а в будущем - биоперетворювачив информации. Для дальнейшего успешного развития хемотроника нужны фундаментальные исследования не только физики жидкости, но также сложных физико-химических и электрохимических процессов, протекающих в жидкостях и на границе жидких фаз.

В наше время на основе электрохимических явлений создан ряд хемотронных приборов: диоды-выпрямители, интеграторы, усилители, электрокинетические преобразователи, твердофазных электрохимические преобразователи и др..

Криоэлектроника. Криоэлектроника (cryogens electronics) - направление электроники и микроэлектроники охватывающий исследования взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твердых телах при криогенных температурах и создание электронных приборов на их основе. К криогенных температур относят температуры, при которых наступает глубокое охлаждение, т.е. температуры от 80 до 0К. В криоэлектронных приборах используются различные явления: сверхпроводимость металлов и сплавов, зависимость диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков от напряженности электрического поля, появление у металлов при температуре ниже 80 К полупроводниковых свойств при аномально высокой подвижности носителей заряда и др.. Принципы Криоэлектроника используют для построения ряда приборов (криотроны, квантовые и параметрические усилители, резонаторы, фильтры, линии задержки и др.).. Самым распространенным из этих приборов является криотрон, что является переключающим криогенным элементом, основанным на свойстве сверхпроводников скачком менять свою проводимость под воздействием критического магнитного поля. Действие криотронов аналогично работе ключа (key) или реле (relay). Криотрон может находиться только в одном из двух состояний: либо в сверхпроводящем, либо с малой проводимостью.

Время перехода криотронов из одного состояния в другое составляет несколько долей микросекунды, то есть этот прибор имеет высокое быстродействие. Криотроны микроминиатюрные: на 1 см площади может быть размещено до нескольких тысяч криотронов. На основе криотронов можно создать криотронов БИС, выполняющие логические функции, функции запоминания с неразрушающим считыванием, управлением и функции межэлементных соединений. Однако необходимость работы в условиях глубокого охлаждения и связанные с этим технологические трудности резко ограничивают использование криотронов. Усилители, принцип действия которых основан на использовании криоэлектронных явлений, служат, главным образом, для приема слабых сигналов СВЧ. Они имеют ничтожно малый уровень шумов, широкую полосу пропускания (десятки гигагерц) и высокое усиление (до 10000). Шумовые температуры криоэлектронных усилителей достигают единиц и доли единицы кельвина.

Диэлектрическая электроника. В микроэлектронике широко используются тонкие пленки металлов и диэлектриков. При переходе к тонких пленок возникают новые явления и закономерности, которые не обнаруживаются в массивных образцах и структурах. Для пленок типичная возможность создавать управляемые эмиссионные токи, аналогичные токам в вакууме. При контакте неметаллического твердого тела с металлом, имеет меньшую работу выхода, приконтактна область обогащает свободными носителями заряда, эмитированных из металла. В массивных образцах эти узкие приконтактни области повышенной проводимости не влияют на токовый режим определяемый концентрацией свободных носителей заряда в объеме тела (volume bodies). В тонких же пленках эмитированные носители заряда могут доминировать во всем объеме, определяя закономерности токовых явлений. С точки зрения теории рассеяния носителей заряда любое неметалиеве твердое тело в толстом слое (sheet) - полупроводник, а в тонком слое - диэлектрик.

Эффекты, связанные с протеканием эмиссионных токов в неметаллических твердых телах, не включаются ни физикой полупроводников, ни физикой диэлектриков. Закономерности этих явлений, а также приборные и схемные разработки на их основе составляют содержание нового раздела физики твердого тела и электроники - диэлектрической электроники.

Если между двумя металлическими электродами (electrode) поместить тонкую (порядка 1 - 10 мкм) диэлектрическую пленку, то мигрирующие из металла электроны заполнят всю толщину пленки и напряжение (voltage), приложенная к такой системе, создадут ток (current) в диэлектрике.

Простыми приборами диэлектрической электроники являются диоды и транзисторы, имеющие характеристики, аналогичные характеристикам электровакуумных приборов.

Эти приборы удачно объединяют ряд свойств полупроводниковых и электровакуумной приборов. Они микроминиатюрные, малоинерционни, низкий уровень шумов, малочувствительны к изменениям температуры и радиации.

Квантовая микроэлектроника. В квантовой электронике изучают методы усиления и генерации электромагнитных колебаний, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения, а также свойства квантовых усилителей, генераторов (generator) и их использование. Наибольший практический интерес представляют квантовые генераторы света (лазеры), которые излучают световые волны с очень высокой направленностью. Это свойство широко используется в оптических линиях связи.

В квантовой микроэлектронике все большее использование находят приборы, основанные на эффектах Гана и Джозефсона.

Эффект Гана (effect Ghana) - это явление генерации высокочастотных колебаний электрического тока в полупроводнике при подаче к образцу постоянного напряжения, превышающего некоторое критическое значение. Частота колебаний зависит от длины образца и лежит в диапазоне нескольких гигагерц.

Эффект Джозефсона (effect Dzgozefsona) заключается в том, что через тонкую, порядка 2 нм, диэлектрический слой между сверхпроводящими слоями при низких температурах даже в отсутствии разности потенциалов может протекать туннельный ток, управляемый сравнительно слабыми внешними сигналами. Значения параметров приборов, основанных на эффекте Джозефсона, очень высокие отношении всех видов запоминающих элементов и логических: быстродействие отдельных приборов 20 - 30 пс, рассеиваемая мощность 100нВт, есть показатель качества прибора 10-18 Дж, что в 106 раз лучше, чем в интегральных микросхем.

Биоэлектроника. Биоэлектроника (bioelectronics) - одно из направлений бионики, решает задачи электроники на основе анализа структуры и жизнедеятельности живых организмов. Биоэлектроника охватывает проблемы изучения нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов и нейронных сетей) для дальнейшего совершенствования электронной вычислительной техники, техники связи, разработка новых элементов и устройств автоматики и телемеханики.

Исследование нервной системы (nervous system) показали, что она имеет ряд ценных особенностей и преимуществ перед самыми вычислительными устройствами. Основными из них являются:

а) совершенное и гибкое восприятие внешней информации независимо от формы, в которой она поступает;

б) высокая надежность, значительная превышающая надежность технических систем (последние выходят из строя при обрыве в цепи одной или нескольких элементов, при гибели же миллионов нервных клеток из миллиардов клеток, составляющих мозг, работоспособность системы сохраняется);

в) микроминиатюрнисть элементов (при количестве элементов 10-10 объем мозга человека составляет 1,5 дм; современное устройство на транзисторных структурах с таким же числом элементов заняло бы объем в несколько сотен кубических метров);

г) экономичность работы (потребление энергии мозгом человека не превышает нескольких десятков ватт);

д) высокая степень самоорганизации (self organization), быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ деятельности.

Нервная система состоит из клеток, получивших название нейронов. Нейроны, где бы они ни находились, имеют одинаковую структуру и примерно одинаковые логические характеристики. Они являются наиболее универсальным логическим элементом.

Принято считать, что “рашка лапотная” и не производит своей микроэлектроники. Однако это не так. На текущий момент можно считать российскими процессоры и процессор. Однако, оба процессора выпускаются на Тайвани, а в России только проектирование. Пока что в России производить процессоры дорого.

А насколько процессоры стоит производить в России и зачем, ответит “”. Очень структурировано и профессионально рассказал о текущем состоянии микроэлектроники. Для желающих узнать более развернутые ответы, в тексте везде ссылки на все вопросы.

1. Можете рассказатьо своем опыте (текущая деятельность, степени, опыт).

Опыт деятельности – параллельное программирование, операционные системы, компиляторы, моделирование физических процессов,медицинская информатика, программная инженерия, проектирование и архитектурирование распределенных ИТ-систем, управление проектами, системная аналитика и консультирование, преподавание.
Много приятелей по alma mater (МФТИ) с экспертизой по микроэлектронике.

2. На текущий момент в россии организовано производство процессоров по какой технологии? 10 нм, 28 нм, 60 нм, 90 нм?

Освоено промышленное производство 90 нм. Освоили 65 нм., но еще не готовы к массовому производству.

3. Что помешало закончить проекты по производству процессоров по технологии 60 нм?

Нестабильное и небольшое финансирование. Организационная и владельческая неразбериха. Не очень быстрая подготовка и обучение кадров у западных производителей различного вида оборудования производственных линий.

4. Какие процессоры можно считать российскими?

Сейчас? Именно полностью «российские» микропроцессоры всех видов, начиная от самостоятельного производства сверхчистых пластин, масок, корпусов? Названия таких вряд ли будут знакомы. Какие-нибудь FPGA 5576ХС4Т, 5576ХС3Т, (НИИСИ),, (НИИСИ), что-то из продукции белорусского (читай советского) «Интеграла» (по 800 нм), микропроцессоры и микроконтроллеры из (перечень микросхем спецназначения МОП 44 001.01-21).

В 2015 г. Минпромторг разработал проект правительственного постановления, в котором описаны критерии интегральных микросхем российского производства, двух уровней. Первый подразумевает производство радиоэлектроники налоговыми резидентами РФ, более 50% которых принадлежит российскому государству или гражданам без двойного гражданства. У производителей должны быть права на конструкторскую документацию, и они не могут использовать готовые схемотехнические решения иностранного происхождения.

Второй уровень, с оговорками, допускал привлечение к производству компонент партнеров за пределами России. Наиболее жесткие требования к «национальной чистоте» микропроцессорной техники предъявляет ФСБ. Менее строги к критериям «Росатом», МВД.

Микропроцессоры типа, серия «Эльбрусов» и пр. – проходят по второму уровню. «Эльбрус-8С» – не полностью «отечественные» российские микропроцессоры. В «Эльбрус-8С» – российский дизайн/архитектура. Производится эта архитектура на Тайване (TSMC).

Процессоры (800 МГц, 65нм, ) и «Эльбрус-2С+» сначала планировали производить на линиях «Микрон», но опять же, пока «выпекают» на фабриках «партнёров из Юго-Восточной Азии».

При производстве микропроцессоров «на стороне» еще неизвестно что туда дополнительно «заложат», в «подарок».

См. недавнюю историю с

5. В случае. если ВСЕ страны объявят нам санкции и не будут поставлять нам процессоры Чем это грозит в краткосрочной перспективе / в долгосрочной перспективе

Так мы и так под постоянными санкциями. В США/ЕС/Японии постоянно и согласованно (из США) обновляются ограничения на поставки технологий производства микропроцессоров/микросхем другим странам.

Вряд ли соберутся запрещать продавать те микропроцессоры, что уже широко продаются. Бизнес все-таки, немалые доходы и реноме нейтральности в мире.

Хотя, бывают и исключения. При реализации проекта УЭК компании VISA и Mastercard ежегодно теряли бы примерно ~$4 млрд. Из-за рубежа намекнули практически на ультиматум: или снимаете банковско-платежную составляющую проекта, или будет запущен очередной COCOM на технологии, особенно запрет на поставки выбранных для УЭК чипов карт, которые в РФ не производятся. В итоге (2014).

Если вдруг будет запущена вторая и долгосрочная версия COCOM, придется «выкручиваться», по старой русской традиции. Может вместе с китайцами? Может еще как-то?

6. насколько Важно обладать технологиями уменьшения размера технологий в процессоре?

Более высокую скорость вычислений в большей степени обеспечивают более высокие тактовые частоты (ТЧ), больше, чем фактор миниатюризации элементов в микропроцессоре.

Но, более высокие ТЧ дают и более повышенное рассеяние тепла, что является одной из самых больших проблем в увеличении производительности.

Физический предел современных технологий кремниевой начинается примерно с 7 нм. Уменьшение размеров транзисторов до менее 10 нм (окомикроэлектроники ло 20 атомов кремния, см. в) значительно обостряет проблемы удаления тепла из-за проблем с токовыми утечками, вызываемыми туннелированием-просачиванием («пассивные утечки»). Помимо возрастания количества многочисленных наводок, на высоких частотах отражение сигнала от конца более «коротких» линий уже само по себе создаёт значительную .

Есть свои (миниатюризации).

Одно время в развитии была надежда на переход на архитектуры с реализацией троичной логики (включая и технологии хранения данных), но Intel тогда выносил всех конкурентов вперед ногами с «рынков» и ему было и так хорошо. А теперь уже «поезд ушел», и троичная система не эффективна для реализации на столь миниатюрных 2D-полупроводниках, где многое завязано на реализации транзисторов, на топологию микросхем, на переходные процессы в электрических цепях. Еще и накладывается существенная, промышленная на единицу вычислительного потока.

Так что – если и вкладываться в разработки, то уж двигаться сразу в области «новых» технологий элементной базы. Например, в оптоэлектронику (оптронику), где и ТЧ выше (3-4 порядка), и рассеяние тепла меньше и скорости прохождения сигналов выше (в ~80 раз). А еще лучше – в реализацию миниатюрных устройств-3D-кристаллов, с реализацией в них вычислительных процессов на основе использования нелинейной электродинамики (т.н. ).

P.S. Нанотрубки, графен, и «квантовые компьютеры» – это пока «разводилово» конкурентов на отвлекающие исследования.

7. можете сказать, на ваш взгляд, насколько сейчас принципиально догонять производителей процессоров в технологии 10нм, или для военных не принципиально? Ну а для всех бытовых нужд можно покупать за границей?

Догонять, вкладываясь в разработки, именно современных “кремниевых” технологий – мало смысла. Технологии распространения плоских ЭМВ по цепям на кремнии – уже на физическом пределе, правило Мура уже не выполняется. Для «бытовых» нужд можно покупать и за границей, для военных целей – производить у себя, по меньшим нанометрам.

Доклад PITAC (The President’s Information Technology Advisory Committee – Вычислительные науки: обеспечение превосходства (конкурентоспособности) Америки

Я выписал два направления, в которые стоит целенаправленно вкладываться. Вкладываться нужно в режиме закрытых «шарашек», без всякой там открытости (никаких “мир, дружба жвачка”), без вклада в “мировую науку” (она обойдется), с максимальными формами промышленного шпионажа, вплоть до “без сантиментов”.

Для военных (а также и для атомщиков, и для промышленности, включая добывающие отрасли) — потребность в модельных вычислениях просто огромная (например, гиперзвук). Самый большой в стране парк вычислительных машин сейчас в Сарове (РосАтом) — обсчитывает модели физических процессов в различных реакторах, нейтронном материаловедении, прочностные модели и пр. и пр. Газпромгеофизика (Газпром, Роснефть) тоже арендует неслабые компьютерные мощности для вычислительной модельной поддержки различных методов георазведки и жизненного цикла месторождений.

P.S.: «Страна, которая хочет достичь превосходства в конкурентной борьбе, должна превосходить конкурентов в области вычислений»

(The President’s Information Technology Advisory Committee – Вычислительные науки: обеспечение превосходства (конкурентоспособности) Америки

8. То есть, суперкомпьютеры на Ваш взгляд можно делать и на иностранных камнях? Или Вы разделили суперкомьютеры для военных и суперкомпьютеры для гражданских компаний (IMHO тот же Газпром / роснефть по опасней многих армий будет)

Суперкомпьютеры (все в России) и так сейчас реализованы сплошь на заграничных «камнях». Многие .

Поставки процессоров в Саров (и др. военным стркутрам) контролируются американцами по заключенному межправительственному соглашению еще во времена Ельцина.

Напримеры:

и т.д. ……….

9. Насколько для вертолетов и самолётов необходимы процессоры по технологии 10/28/60 нм?

Для бортовых систем самолетов/вертолетов/ракет вполне хватит и 120 нм (при ~800MHz). Вопросы лишь к надежности и «военным параметрам» (см. МО). Для деятельности оборудования самолетов ДРЛО (типа «АВАКС») уже нужны поприличнее вычислительные мощности. Но тоже, вполне можно обойтись и 130, и 65 нм., с «небольшим» распараллеливанием.

10. Многие вопросы производительности можно решить на уровне алгоритма. Насколько необходимы малые микроны в военке? Насколько сложно процессоры для военных производить в РФ?

На алгоритмических уровнях решаются задачи более оптимальной организации потока вычислений. Выигрыш 5-15%.

Причем, нужно осознавать, что разработчики микропроцессоров не про все необходимые особенности работы микропроцессоров сообщают прикладным программистам. Поэтому, кодогенераторы Intel – самые эффективные среди других компиляторов.

Писать на ассемблерах на параллельных системах – и затратно (при высокой изменчивости программ), и полный геморрой с «ручной» балансировкой распараллеливания. Мы разработали систему автоматического распараллеливания (с автоматической же балансировкой) последовательных => в параллельные программы (на языках высокого уровня). Что вполне удовлетворительно решает вышеупомянутые проблемы.

В военке и «малые микроны» иногда и не совсем полезны.

Устойчивости в РЭБ, устойчивости к широкому спектру излучений () и потоков частиц – такихтребований сложнее достигать как раз при «малых микронах».

Микропроцессоры для военных производят в РФ, постоянно.

Насколько «сложно» ? Военным как раз полегче. У них меньше проблем по финансированию – производства, высококлассных кадров, закупок оборудования, организации, которые военные выполняют и своими силами, и заказывают на «гражданской стороне». И ГРУ им может иногда что-нибудь подкидывает интересного …

11. Какие продукты в области микроэлектроники Россия экспортирует?

Очень немного. В основном в составе комплектации военных систем (ПВО, РЭБ, авионика).

12. насколько критичен отъезд молодых специалистов за границу? просто специалистов (для развития микроэлектроники).

Эта более общая проблема – «утечки мозгов». Как описал выше, американцы держат на «кредитных крючках» своих молодых спецов, но организованно «пылесосят» другие страны (в т.ч. и ЕС) под разговоры о демократии и свободе выбора ПМЖ.
Нужно научиться как-то этому «пылесосенью» сопротивляться, ибо затратно же выходит – подготовят «бесплатно» молодых специалистов (включая и стажировки и обучение в ВУЗах/на практике) – и вдруг раз, и они уже в США/ЕС (иногда Израиле) и работают на их экономику и развитие.

Вводить исключительно платное и очень дорогое образование по отдельным специальностям и законодательные «ограничения» по образовательным кредитам, вплоть до выезда за границу? Вряд ли поможет L

Принудительно направлять в научно-технические «шарашки» времен Сталина? Сейчас вроде не открыто-военные времена …

13. Расскажите историю процессора Pentium PRO

Все давно описано в открытой прессе.
Например, Советские корни процессора Intel Pentium
Пентковский умер в США в 2012, после того, как правительство РФ в 2011 выделило ему финансирование мегагрантовой лаборатории в МФТИ.

14. Какой нужный вопрос я не задал. но про это стоит сказать.

А туда ли мы идем в развитии собственной микроэлектроники? Зачем опять повторять “чужое”, постоянно отставая ине имея первенства на мировом рынке? Победитель ведь получает все, не так ли?

Дополнено:

15. Свой рынок есть возможность в первую очередь отвоевать, и Ю. Корейцы так и делали. В начале кто о них знал-никто и не брал, и не покупал. Лет 10 на своем рынке вкалывали, гигантскими, кратными по цене товару, пошлинами обрезав импорт.

Российский (не СССР+СЭВ ) рынок микроэлектроники очень мал. Масштабы рынка влияют на доходность и цены технологий.
“Отвоевать” мировой не дадут. Известна история с критическими , ситуация с , которые из-за них не могут экспортировать продукцию в страны,присоединившиеся к санкциям, а также закупать у этих стран технологии и оборудование.
Также, производственная база мировой микроэлектроники весьма обширна. Надорвешься в одиночку производить весь , при этом не отставая в НИОКР по технологиям.

Мировой рынок микроэлектроники самого начала его развития был открыт Южной Корее (подконтрольны США ). Также не было запретов на импорт технологий, также поступали .
Только в последнее время немного “по-прижимали” Samsung (и , и в ).

16. Когда Китай и Корея пришли когда все рынки были заполнены. Мы почему так не можем?

Только вот и микроэлектронные отрасли массовых производств в них переводили. А потом и компетенции подтянулись. И санкций никогда не было. В отличие от СОСОМ, поправки Джексона-Вейника.

17. Редкоземов в России полно и они не нужны особо.

Производство редкоземов рухнуло со времен СССР. Восстановить и развить такую отрасль - недешево. Очень недешево, при недостатке средств на многое другое.

18. Почему бы не отсечь от прибылей конкурентов, не питать их своими заказами

Российские заказы – достаточно малы в мировом рынке. Зачем играть в украинскую игру — “назло уши отморожу” ?

19. Почему не развивают ключевые отрасли, связанные с авиапромом? На одной военке далеко не уедешь.

И производятся не только на отечественных технологиях. Авионика, двигатели, – весьма существенные компоненты, производимые за рубежом. В возрождение гражданского авиапрома (НИОКР, модернизация производства ) – уже вложили огромные средства. И пока еще не видно – когда и как будет происходить возврат инвестиций, планы производства и продаж не сбываются. Китай тоже вступил в конкурентную борьбу в мировом авиапроме, и свой рынок будет защищать.

20. В СССР так и было, полный цикл, и никто не порвался и не оголодал. Почему в РФ не так?

Примерно треть мирового рынка промпроизводства . Была автаркическая самодостаточная экономика стран социалистической системы, полные циклы многих (но не всех! ) технологичных отраслей.

Сейчас этого нет. ЕвразЭС – это около 7-8% мирового рынка , открытость к перемещению кадров, встроенность в мировые цепочки разделения труда и технологий.

В общем, есть благородные “благие намерения”, и есть трезвые оценки текущей обстановки. Как говорили умные предшественники:

«Есть логика намерений и логика обстоятельств, и логика обстоятельств сильнее логики намерений» ((С) И.В.Сталин)

На июньской конференции SEMICON Russia 2013, посвященной рынку микроэлектроники и прошедшей в Зеленограде, ключевые игроки этого рынка, среди которых были представители госструктур, науки, промышленности и инновационного бизнеса, обсуждали острые проблемы, стоящие перед отраслью, и пути их решения.

Новая госпрограмма

Павел Куцко, замдиректора департамента РЭП Минпромторга РФ, представил новую программу развития радиоэлектронной промышленности (РЭП) на 2013—2025 гг., целью которой является повышение конкурентоспособности отрасли посредством создания инфраструктуры для развития приоритетных направлений, интеграции в международный рынок и реализации инновационного потенциала.

Он с оптимизмом заявил, что после продолжительного кризиса российская микроэлектроника снова возрождается, чему способствуют ключевые тенденции, затрагивающие отрасль: динамичный рост РЭП, высокие темпы роста радиоэлектроники в структуре экономики страны, рост цен на обрабатывающее производство, которое может стать источником рабочих мест с наибольшей производительностью труда. При этом сегмент микроэлектроники определяет эффективность других отраслей промышленности и решения социальных задач.

В госпрограмме развития РЭП выделены три этапа. На первом этапе (2013—2015 гг.) предусматривается создание условий для развития отрасли; на втором (2016—2020 гг.) — начинается активное содействие запуску новых проектов; на третьем (2021—2025 гг.) — осуществляется переход к поддержке роста производства. Реализация всех трех этапов предусматривает координацию с национальными инновационными центрами развития: Сколково, Роснано, ВЭБ.

В программу заложены такие тренды, как последовательное снижение госфинансирования, увеличение частных инвестиций, проведение кластерной политики, ориентация на малые и средние предприятия, создание конкурентной среды. В стратегии развития отрасли, которая, по словам Павла Куцко, находится на утверждении в правительстве, учтены тенденции мировой микроэлектроники и условия в России, ее интеллектуальный потенциал.

Общий бюджет финансирования госпрограммы РЭП на 2013—25 гг. составит 517 млрд. руб. (без ОПК), из федерального бюджета выделяется 178 млрд. руб. В сегменте микроэлектроники планируется снижение госфинансирования с 19 млрд. руб. в 2013 г. до 11 млрд. руб. в 2025-м. В то же время, как ожидается, объем производства микроэлектроники вырастет за счет частных инвестиций с 30 млрд. руб. в следующем году до 45 млрд. руб. в 2025-м.

Николай Лисай, директор по развитию бизнеса компании “Ангстрем”, полагает, что “микроэлектронная индустрия — очень чувствительная отрасль, тесно связанная с интересами государства — политики, стратегии, соответствующих программ, что в целом важно для развития России”. Поэтому столь значимую роль играет представленная госпрограмма и затронутая в выступлении представителя Минпромторга тема стратегии развития. По его словам, “это очень наболевший вопрос, ибо не имея четкого плана и стратегии, непонятно, как и куда двигаться”.

По оценке Frost & Sullivan, объем мирового рынка полупроводников в прошлом году составлял 320,4 млрд. долл. Согласно отчету IHS iSuppli, в 2012 г. мировой рынок полупроводников сократился на 2,3% до 303 млрд. долл. из-за нестабильной экономической обстановки в некоторых регионах и в результате ослабления потребительского спроса на электронику. По прогнозу аналитиков, в текущем году ситуация стабилизируется; ожидается, что объем этого рынка возрастет до 322 млрд. долл. — на 6,4%.

“Сегодня мировая электронная промышленность достигла практически дна продолжающегося трехлетнего спада. Принимая во внимание цикличность отрасли примерно в пять-восемь лет, можно с определенной долей уверенности сказать, что уже ближайшие два года станут наиболее благоприятными для начала ее возрождения в России”, — отметил Анкит Шукла, директор практики технологических исследований Frost & Sullivan.

Рынок

Николай Лисай полагает, что отсутствие в открытом доступе статистики по темпам развития отечественного рынка микроэлектроники является одной из проблем, оказывающих отрицательное влияние на его развитие. Со времен СССР он остается, по его мнению, закрытым: получить достоверную информацию по нему, узнать о выпускаемой продукции и т. д. достаточно сложно. Не все фирмы публикуют данные о своей деятельности, ограничиваясь общими словами, в то время как по западному рынку имеется множество открытых публикаций на эту тему. “Для меня каждый раз понять, что такое российский рынок, это сплошные мучения. Так, находясь в Москве, мне удалось найти некоторые официальные данные по этой теме только в Интернете во Всемирной книге фактов ЦРУ (The World Factbook — ежегодно издаваемая Центральным разведывательным управлением США книга в стиле альманаха о странах мира), а в нашей стране это оказалось невозможным”, — пояснил он.

Большинство участников форума уверено, что ключевой проблемой, сдерживающей развитие отечественной микроэлектроники, является узкий внутренний рынок страны, к тому же в течение десятилетий занятый зарубежными электронными гигантами, вытеснить которых совсем непросто.

“Без выхода на внешний рынок решить вопросы привлечения частного капитала будет тяжело. В этих направлениях работает Минпромторг, правительство РФ”, — заявил Павел Куцко.

Алан Астье, вице-президент STMicroelectronics, полагает, что рынок в России слишком мал, но имеется потенциал для его развития, реализовать который сложно, поскольку в России отсутствует общая стратегия реализации инновационных решений. Это является сдерживающим фактором для развития микроэлектроники.

Николай Лисай согласен с коллегами в том, что микроэлектроника страны должна выходить на мировые рынки, поскольку внутренний мал. И здесь главное — найти нишу, обеспечить качество, ритмичность поставок продукции и т. п. “Но мы очень далеки от понимания, как выходить на мировые рынки и как они устроены, — считает он, — как представить бренд, гарантировать качество, своевременность поставок и т. п. — задача непростая. Это одно из направлений для возрождающейся микроэлектроники России, которое необходимо освоить”.

Алан Астье полагает, что рынок в России не только очень мал, но и плотно занят поставщиками зарубежных компонентов, которые присутствуют здесь уже десятки лет.

Николай Шелепин, заместитель генерального конструктора “Микрон и НИИМЭ”, уверен, что отечественного производителя электронных компонентов (ЭК) при попытке выйти на этот небольшой рынок ожидает жесткая конкуренция. Например, при поставке транспортных электронных компонентов метрополитену “нас ожидает жесточайшая конкуренция, притом не всегда честная”. Он считает, что отрасли надо прежде всего сделать отечественные электронные компоненты конкурентными, сократив издержки их производства (имея в виду, что цены на кремниевые пластины во всем мире одинаковы), а для улучшения технических характеристик ЭК — задействовать интеллектуальный потенциал специалистов.

Участники форума отмечали, что инвестиции в Россию слишком малы. А Николай Шелепин высказался более жестко: “В каких условиях мы хотим развивать наш рынок? Все компании хотят сотрудничать с нами, но… за наши деньги. Зарубежных инвестиций в нашу электронику мы не видим”.

По его мнению, здесь можно привести лишь один прецедент: очень давно “Филипс” построил в Воронеже завод по производству кинескопов и телевизоров и потом оттуда ушел, так как бизнес в стране не состоялся.

Приоритетные сегменты

В Минпромторге считают, что при реализации госпрограммы развития РЭП придется сфокусироваться на приоритетных сегментах: энергоэффективные системы, автомобильная отрасль, медицина, безопасность, промышленная электроника. У российских предприятий в этих сегментах есть задел технологий, производственный и интеллектуальный потенциал, полагает г-н Куцко. Планируется производство ключевых электронных компонентов (ЭК).

По данным Frost & Sullivan, в ближайшие три года продукты российского рынка микроэлектроники будут наиболее востребованы в аэрокосмической, оборонной отраслях, а также в телекоме и на транспорте.

Алан Астье отметил, что в каждом регионе свои особенности, и хотя “Россия — очень богатая страна с богатым населением, в ней не решены такие проблемы. как транспорт, безопасность, медицина”, где активно используются продукты микроэлектроники.

С ним согласен Николай Шелепин: в нашей стране с точки зрения электроники приоритетными являются именно эти сегменты. При наличии сквозных госпрограмм по созданию аппаратуры они могли бы стать “мощным драйвером развития российской электроники, о которой мы мечтаем”. Так, зарубежные микросхемы с криптозащитой не должны составить конкуренцию отечественным, в том числе в связи со вступлением в ВТО. “Но России требуются еще компоненты для космоса, которые сложны и не дают заказов больших серий для загрузки предприятий”, — добавил он и высказал уверенность в том, что “если догонять, то никогда не догнать. Надо развивать те области, в которых есть компетенции и в которых по технологии разработок мы можем конкурировать с миром”.

Вместе с тем при освоении новой ниши встают неожиданные проблемы, для решения которых требуется профессионализм и интеллект. Так, при запуске в “Микроне” проекта УЭК (универсальная электронная карта) считалось, что она должна быть рассчитана на отечественную платежную систему. Но Сбербанк настоял на необходимости соответствия УЭК международным стандартам. В то время отечественные специалисты не обладали компетенцией в этой сфере, но благодаря интеллекту им удалось разобраться в проблеме и решить эту задачу за два года: уже в 2012 г. были получены международные сертификаты мастер-карт и безопасности. “В списке сертифицированных международных производителей мы (“Микрон”) оказались на восьмом месте”, — с удовлетворением отметил Николай Шелепин.

Павел Куцко полагает, что государство должно поддержать эти направления: отечественная микроэлектроника должна заменить зарубежную в тех отраслях, где необходимо и разрешено соглашениями с ВТО. Так, создание баз микроэлектронных компонентов для космоса, паспортно-визовых документов и специального назначения нужно решать за счет госфинансирования. По его словам, в определении статуса отечественной микроэлектроники за последний год проведена большая работа, в частности в определении преференций при поставках продукции.

Господдержка

Павел Куцко сообщил, что благодаря господдержке, которая будет снижаться, удалось решить важные задачи, позволяющие отрасли двигаться вперед: сохранили структуру предприятий, создали основу для развития производства микроэлектроники, сформировали структуру дизайн-центров, способных работать на современном оборудовании. “За последние годы у нас произошел скачок в микроэлектронике. В первую очередь успехи связаны с предприятиями Зеленограда. НИОКР финансируются на небывалом ранее уровне”, — сказал он.

Николай Шелепин подтвердил, что в последние три года в части госфинансирования отрасли стали делаться конкретные шаги. По его мнению, в представленной госпрограмме развития РЭП, хорошим признаком является свертывание правительством программы прямой поддержки предприятий отрасли: будут финансироваться только предприятия с реальными инвестпроектами, позволяющими выйти на рынок с реальной продукцией.

При реализации госпроектов их поддержка со стороны государства совершенно необходима. “Например, когда мы разработали отечественные микросхемы нового поколения для паспортно-визовых документов, — пояснил он, — денег (15 млн. руб.) на их межведомственные испытания в Минкомсвязи не нашлось. Потребовались большие усилия, с тем чтобы их провести, причем за счет разработчиков — “Микрона” и “Ангстрема””.

Николай Лисай выразил сомнение в том, что отрасли вообще требуется господдержка, сославшись на данные консалтинговой компании McKinsey по исследованию господдержки в Китае, Израиле, Тайване и США, которая там, якобы, практически отсутствует. Что касается поддержки инноваций в нашей стране за счет снижения налогов, то в западных странах налоговая нагрузка значительно больше, напомнил он.

У Алана Астье иное видение: все крупные страны — развитые или развивающиеся — стремятся поддерживать полупроводниковую отрасль, рассматривая ее в качестве ключевого драйвера инноваций и социального прогресса. Так, правительства Франции, Германии и др. поддерживают инициативы в области микроэлектроники, если они направлены на решение проблем в стране. В ближайшей и среднесрочной перспективе этот тренд сохранится. По его словам, в настоящее время 90% инновационных решений построено на микроэлектронике.

По данным исследования Frost & Sullivan на основе опроса (проведенного в апреле — мае этого года среди примерно ста экспертов и топ-менеджеров российских и зарубежных компаний), 92% респондентов считают, что меры, предпринимаемые сегодня правительством по поддержке конкурентоспособности российской микроэлектроники, недостаточны.

Хайнц Кундерт, президент SEMI Europe, также уверен, что господдержка такой отрасли, как микроэлектроника, играет важную роль во всех странах, например в Китае, США, Японии.

Он сообщил, что в мае Комиссия Евросоюза выступила с инициативой инвестировать в течение следующих семи лет около 100 млрд. евро в европейскую микро- и наноэлектронику, с тем чтобы к 2020 г. довести долю европейских стран на мировом рынке этой отрасли с 10 до 20%. Для достижения этой цели следует создать новые технологии. Восемь крупных фирм поддержали эту инициативу. Примерно 10 млрд. евро от частных, региональных, национальных источников и Евросоюза будут направлены на НИОКР, включая 5 млрд. евро — через государственно-частное партнерство.

Для сравнения: объем отечественного рынка микроэлектроники находится на уровне менее 1%.

По мнению г-на Кюндерта, российское правительство так же, как и Евросоюз, может оказать господдержку собственной отрасли, с тем чтобы значимо увеличить долю страны на мировом рынке микроэлектроники.

Кластеры

Николай Шелепин полагает, что разработки российских компаний конкурентоспособны, однако до производства и рынка доходят очень немногие. Кроме того, в России отсутствуют или не развиты важные элементы цепочки производства электроники (например, САПР, оборудование и сырье, сборка электроники и др.). Все эти насущные проблемы отечественной отрасли могут эффективно решаться с помощью кластерной политики, заложенной в новой программе развития РЭП.

Он уверен, что сегодня ни одна фирма не в состоянии изолированно решить весь пласт проблем современной микроэлектроники. Для развития и успешной конкуренции необходима консолидация ресурсов многих организаций, объединяющихся в кластер, с целью выстраивания полной цепочки от разработки до производства, идентификации и устранения пробелов в производственной цепочке.

По его словам, таким кластером, включающим 150 компаний, де-факто выступает Зеленоград с “якорным” центром из двух фирм “Микрон” и “Ангстрем”. Созданная на “Микроне” за это время школа разработчиков программного обеспечения, схемотехников, дизайнеров, а также собственное производство, позволят, как утверждается, оперативно реагировать на новые требования государственных органов.

Создание инновационных кластеров предусмотрено госпрограммой развития РЭП. По словам Павла Куцко, прорабатывается вопрос о создании 20 таких кластеров. Однако при создании кластеров, считает Николай Шелепин, необходимо обеспечить ряд мер регулирования рынка и господдержки по примеру мировых технопарков: развитие инфраструктур (телеком, жилье, образование и др.), дешевые кредитные деньги, экономические и административные свободы, политику интеграции предприятий кластера с якорной компанией.

На форуме были представлены результаты отдельных достижений, которые доказывают, что при адекватной политике инвестирования государством российская микроэлектроника начала выходить из затяжного кризиса. Вместе с тем складывается впечатление, что наращивание объемов производства ЭК, темпы выхода из кризиса и сроки реанимации отечественной отрасли вряд ли можно назвать сколько-нибудь приемлемыми для такой страны, как Россия, в сравнении с аналогичными показателями зарубежных конкурентов, которые вовсе не намерены ни инвестировать в нашу отрасль, ни тем более сдавать свои позиции как на своем, так и на российском рынке микроэлектроники.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Новокузнецкий филиал-институт

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Кемеровский государственный университет»

Курсовая работа

Микроэлектроника. Новая быстро развивающаяся технология

Руководитель

К.В. Чмелева

Новокузнецк 2011г.

Введение

1. Теоретические основы микроэлектроники

1.1. История развития микроэлектроники

1.2 Современные проблемы и направления развития микроэлектроники

3 Классификация изделий микроэлектроники

4 Основные положения и принципы микроэлектроники

Основные направления развития электроники

1 Перспективы развития микроэлектроники

2 Новая быстро развивающаяся технология

Заключение

Список литературы

Введение

Электроника прошла несколько этапов развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы: дискретная электроника электровакуумных приборов, дискретная электроника полупроводниковых приборов, интегральная электроника микросхем (микроэлектроника), интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).

Элементная база электроники развивается непрерывно возрастающими темпами. Каждое из приведенных поколений, появившись в определенный момент времени, продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры.

Современный этап развития электроники характеризуется широким применением интегральных микросхем (ИМС). Это связано со значительным усложнением требований и задач, решаемых электронной аппаратурой. Разрабатываемые сейчас сложные системы содержат десятки миллионов элементов. В этих условиях исключительно важное значение приобретают проблемы повышения надежности аппаратуры и ее элементов, микроминиатюризация электронных компонентов и комплексной миниатюризации аппаратуры. Все эти проблемы успешно решает микроэлектроника.

Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей дискретные полупроводниковые приборы. Поэтому микроэлектроника продолжает продвигаться быстрыми темпами во всех направлениях. В современной жизни любая техника, которой мы пользуемся, ежедневно наполнена микроэлектроникой. В настоящее время микроэлектроника перешла в стадию наноэлектроники.

Развитие современных средств вычислительной техники, робототехники, аппаратуры цифровых коммуникаций основано на использовании достижений микроэлектроники в разработке и выпуске интегральных микросхем (ИМС), а также на широком применении микропроцессоров и микрокомпьютеров, создаваемых на базе больших и сверхбольших интегральных схем (БМС и СБИС).

Под электроникой понимают область науки, техники и производства, связанную с исследованием, разработкой и производством электронных приборов и принципов их использования. Поскольку «микро» (от гр.micros-малый) в сложных словах означает отношение к малым предметам, то термин «микроэлектроника» этимологически можно рассматривать как электронику малых размеров. В действительности смысл термина гораздо глубже. Микроэлектроника - это раздел электроники, производством и исследованием интегральных микросхем и принципов их применения.

Более того, в процессе развития микроэлектроники было разработано немало специфических элементов, которые не только не имеют аналогов в обычной транзисторной схемотехнике, но и не могут быть даже смоделированы на дискретных компонентах. В качестве примера таких компонентов можно привести приборы с зарядовой связью (ПЗС), находящие применение при создании быстродействующих микросхем памяти современных ЭВМ.

Зарождение и дальнейшее триумфальное развитие микроэлектроники было бы невозможно без гигантского прогресса в области технологии.

Актуальность выбранной темы:

Новые информационные средства постепенно превращаются в обязательный компонент профессионально развивающего обучения в вузах. Внедрение компьютерных технологий в образование можно охарактеризовать как логичный и необходимый шаг в развитии современного информационного мира в целом.

С внедрением новых технологий возникают задачи выработки методики обучения с применением информационных технологий и разработки специальных программных средств для усовершенствования в процессе обучения студентов. Первый шаг на пути к этому видится в создании качественных программных продуктов, обеспечивающих компьютерную поддержку по дисциплинам образовательной области «Технология». На данный момент в образовательном процессе используются много программных продуктов по блоку дисциплин естественных наук, при этом дисциплины образовательной области «Технология» остаются без методики применения новых информационных технологий.

Целью настоящей работы является формирование знаний в области теоретических принципов микроэлектроники, и овладения основными навыками исследовательской деятельности, творческого использования полученных знаний, выработки независимого самостоятельного подхода к решению поставленных задач

Задачи, соответствующие цели данной работы:

1. Проанализировать современные проблемы и направления развития микроэлектроники.

2. Выявить основные перспективы развития микроэлектроники

Рассмотреть основные положения и принципа микроэлектроники.

Выявить новые быстроразвивающиеся технологии.

Проанализировать перспективы развития микроэлектроники.

Объект исследования данной работы будет микроэлектроника и новая быстроразвивающаяся технология.

В данной курсовой работе использовались методы исследования: метод анализа и синтеза, метод индукции и дедукции.

1. Теоретические основы микроэлектроники

1 История развития микроэлектроники

Микроэлектроника является продолжением развития полупроводниковой электроники, начало которой было положено 7 мая 1895 года, когда полупроводниковые свойства твердого тела были использованы А.С.Поповым для регистрации электромагнитных волн.

Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники связанно с разработкой в 1948 году точечного транзистора (американские ученые Шокли, Бардин, Браттейн), в 1950 году - плоскостного биполярного транзистора, а в 1952 году полевого (униполярного) транзистора. Наряду с транзисторами были разработаны и стали широко использоваться другие различные виды полупроводниковых приборов: диоды различных классов и типов, варисторы, варикапы, тиристоры, оптоэлектронные приборы (светоизлучающие диоды, фотодиоды, фототранзисторы, оптроны, светодиодные и фотодиодные матрицы).

Создание транзистора явилось мощным стимулом для развития исследований в области физики полупроводников и технологий полупроводниковых приборов. Для практической реализации развивающейся полупроводниковой электроники потребовались сверхчистые полупроводниковые и другие материалы и специальное технологическое и измерительное оборудование. Именно на этой базе стала развиваться микроэлектроника.

Следует отметить, что основные принципы микроэлектроники - групповой метод и планарная технология - были освоены при изготовлении транзисторов в конце 50 годов.

Первые разработки интегральных схем (ИС) относятся к 1958 - 1960г.г. В 1961 - 1963г.г. ряд американских фирм начали выпускать простейшие ИС. В то же время были разработаны пленочные ИС. Однако некоторые неудачи с разработками стабильных по электрическим характеристикам пленочных активных элементов привели к преимущественной разработке гибридных ИС. Отечественные ИС появились в 1962 - 1963г.г. Первые отечественные ИС были разработаны в ЦКБ Воронежского завода полупроводниковых приборов (схемы диодно-транзисторной логики по технологии с окисной изоляцией карманов). По технологии изготовления эти схемы уступали 2 года западным разработкам .

В историческом плане можно отметить 5 этапов развития микроэлектроники.

Первый этап, относящийся к первой половине 60-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС до 100 элементов / кристалл и минимальным размером элементов порядка 10 мкм.

Второй этап, относящийся ко второй половине 60-х годов и первой половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции ИС от 100 до 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 2 мкм.

Третий этап, начавшийся во второй половине 70-х годов, характеризуется степенью интеграции более 1000 элементов/кристалл и минимальным размером элементов до 1 мкм.

Четвертый этап, характеризуется разработкой сверхбольших ИС со степенью интеграции более 10000 элементов/кристалл и размерами элементов 0,1 - 0,2 мкм.

Пятый, современный, этап характеризуется широким использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ, разработанных на базе больших и сверхбольших ИС.

Исторически возникновение и развитие микроэлектроники было подготовлено бурным ходом научно-технической революции, давшей жизнь промышленной кибернетике, вычислительной технике, радиоэлектронике и потребовавшей тотальной микроминиатюризации всех элементов электронной техники. Создание в 1948 г. транзистора на основе монокристаллического полупроводника и разработка в 1950-1951 гг. первых пленочных пассивных элементов электронной техники подготовили прочную базу для создания технологии микроэлектроники. Практически рождение микроэлектроники относят к 1957 г., когда была впервые разработана ее технологическая основа, т. е. запатентованы методы локальной диффузии через маску окисла, профилированную фотолитографией. Таким образом, современная микроэлектроника берет начало от планарной технологии на твердом теле (активные элементы полупроводниковых интегральных схем) и пленочной технологии (пассивные элементы и гибридные интегральные схемы).

Важнейшие процессы, используемые в технологии микроэлектроники нанесение пленок и эпитаксиальных слоев, удаление (в растворах и паро-газовых средах) вещества с поверхности твердой фазы, легирование и диффузионное перераспределение,- по существу являются физико-химическими и имеют определенную особенность, связанную с протеканием их на поверхности или в объеме твердой фазы. Продуктом (полуфабрикатом) сложной совокупности технологических процессов (от 50 до 200 и более операций) является кусочек монокристалла объемом от сотых долей до единиц кубического миллиметра в виде микрогетерогенного, заведомо метастабильного твердого тела, обязанного работать в весьма сложных условиях и практически без ограничения срока службы. В этом отношении технолог физик химик должен обеспечить решение двух диаметрально противоположных задач: 1) создать микрогетерогенное метастабильное твердое тело с максимальной дисперсностью неравновесных объемов и 2) обеспечить длительную стабильную работу всей схемы в целом, подавляя ее стремление к гомогенизации-выравниванию состава. Размеры активных областей ИС постоянно уменьшаются, и в настоящее время намечается переход в субмикронную область.

Основным технологическим направлением в микроэлектронике является производство монолитных, тонко- и толстопленочных ИС, а также микроминиатюрных функциональных дискретных приборов. В основе технологии толстых пленок лежит трафаретная печать и вжигание в керамическую подложку элементов и проводников, при изготовлении монолитных ИС используются процессы диффузии, эпитаксии, окисления и др., при изготовлении тонкопленочных микросхем доминирующими являются процессы конденсации из молекулярных пучков в вакууме. Главные задачи технологии микроэлектроники следующие: создание в минимальном объеме (твердого тела или на его поверхности) максимального количества строго определенных областей с заданными геометрией, составом, структурой, а следовательно, и свойствами, способных выполнять определенные функции элементов или эквивалентов элементов электронных схем при высокой стабильности преобразуемой информации, малом расходе энергии и высокой надежности многократного повторения всех возложенных на данную ИС задач. При этом обращают внимание на повышение рентабельности при снижении расхода материалов, на простоту и комплексность технологического производства, максимум выхода годных изделий при минимальном применении ручного труда. Только максимальная автоматизация может обеспечить дальнейшее развитие микроэлектроники. В настоящее время технология микроэлектроники прошла уже основные стадии своего развития и становления, а если учесть, что широкое производство ИС и дискретных приборов с использованием приемов и технологических процессов микроэлектроники перешагнуло рубеж 10-12 млрд. шт. в год, то становится ясным, что мы имеем дело с наиболее массовым современным производством весьма сложной продукции. При этом темпы развития микроэлектроники находятся вне конкуренции с любыми другими отраслями современной промышленности. Это потребует использования новых материалов и их композиций, а также новых технологических процессов и их сочетаний.

Уже в настоящее время их многообразие вне конкуренции с любой другой отраслью техники, поэтому особенно важным является систематизация и классификация процессов с использованием различных принципов, имеющих физико-химическую основу.

2 Современные проблемы и направления развития микроэлектроники

Основной тенденцией развития микроэлектроники является повышение степени интеграции микросхем. Согласно знаменитому прогнозу, сделанному в 1965 г. и известному с тех пор как закон Мура, условное число транзисторов в наиболее скоростных процессорах удваивается каждые полтора года. Разумеется, эта тенденция не может сохраняться вечно, и уже с 90-х годов XX в. разные специалисты периодически высказывают мысль о том, что в своем развитии микроэлектроника вплотную подошла как к технологическому пределу увеличения размеров кристаллов СБИС и УБИС, так и к дальнейшему повышению «плотности» размещения компонентов на кристалле. Среди множества конструкторско-технологических проблем, которые приходится решать при проектировании и производстве микроэлектронных изделий, можно выделить пять основных.

На первом месте стоит проблема уменьшения размеров элементов интегральных схем. Уже сейчас оборудование для производства процессоров Intel Pentium 4, использующее в процессе литографии излучение с длиной волны 248 нм, позволяет получить на кристалле элементы размером 130 нм. По прогнозам компании Intel уже в ближайшее время удастся уменьшить размеры отдельного транзистора примерно до 30 нм, что составляет всего несколько десятков атомных слоев. Корпорация Nikon сообщила о форсировании программы разработки оборудования для проекционной литографии (Electron Projection Lithography - EPL) с использованием норм 0,07-микронного технологического процесса. Сегодня EPL можно рассматривать как наиболее вероятную технологию литографии следующего поколения.

Дальнейшие перспективы повышения разрешающей способности литографии специалисты связывают с использованием при экспозиции мягкого рентгеновского излучения с длиной волны ~1 нм, а также различных методов электронной литографии. В одном из вариантов метода электронной литографии вообще не используется технология резисторных масок, а предусмотрено непосредственное действие электронного пучка на слой оксида кремния. Оказывается, что экспонированные области в дальнейшем травятся в несколько раз быстрее, чем неэкспонированных.

По-видимому, естественный предел дальнейшему росту микроминиатюризации СБИС и УБИС будет положен явлениями разупорядочивания структуры материалов за пределами окон в фоторезистах. На более фундаментальном уровне он может быть обусловлен ограничением чистоты применяемых полупроводников и статистическим характером распределения в них дефектов и примесей. Судя по наблюдаемой тенденции, этот предел, может быть, достигнут примерно к 2015 г.

На втором месте в ряду актуальных задач микроэлектроники стоит проблема внутренних соединений. Огромное число элементов микросхемы, размещенных на подложке, должно быть коммутировано между собой таким образом, чтобы обеспечить надежное и правильное выполнение определенных операций над сигналами. Этот вопрос решается с помощью многоуровневой разводки, когда на первом (низшем) уровне формируют логические вентили, на втором - отдельные цифровые узлы типа триггеров, на третьем - отдельные блоки (например, регистры) и далее по нарастающей степени функциональной сложности.

На третьем месте расположена проблема теплоотвода. Повышение степени интеграции обычно связано с уменьшением, как размеров самих элементов, так и расстояний между ними, что ведет к увеличению удельной мощности рассеивания. В естественном режиме (без дополнительного теплоотвода) допустимая мощность рассеивания современных микросхем не превышает 0,05 Вт/ мм 2, что ограничивает плотность размещения элементов на подложке. Для преодоления этого ограничения можно использовать несколько способов: снижение напряжения питания, использование микрорежима работы транзисторов, переход к более экономичной элементной базе (например, комплементарная структура металл-диэлектрик-полупроводник - КМДП) и, наконец, искусственное охлаждение. Однако у каждого из этих способов существуют свои специфические трудности. Так, например, снижение напряжения питания неизбежно ведет к снижению помехоустойчивости.

Четвертой в списке следует указать проблему дефектов подложки. Повысить степень интеграции можно простым увеличением площади кристалла, однако при этом пропорционально возрастает вероятность попадания в рабочую область дефектов кристаллической структуры (прежде всего дислокаций), наличие которых на поверхности подложки неизбежно, хотя бы в силу термодинамических причин. Дефект подложки может привести к нарушениям технологического процесса изготовления микросхемы и соответственно к браку. Единственным способом решения этой проблемы является совершенствование технологии изготовления подложек.

Последней в списке, но, пожалуй, первой по значимости следует назвать проблему контроля параметров. Общеизвестно, что электроника проникла буквально во все области человеческой деятельности. Автоматические системы сегодня управляют сложнейшими (и порой потенциально опасными) технологическими процессами, огромными транспортными потоками и т.д. Сбой в такой системе может привести к катастрофическим последствиям. В этих условиях проблемы надежности и качества оборудования, а следовательно, и контроля параметров производимой электронной промышленностью продукции приобретают первостепенное значение. В силу большой сложности выполняемых функций число внешних информационных выводов современных СБИС варьируется от нескольких десятков до двух-трех сотен. Если принять для оценки число информационных выводов равным 50 и учесть, что цифровой сигнал на каждом из них может принимать два значения («0» или «1»), то для полной проверки правильности функционирования только одной СБИС и только в статическом режиме потребуется 250 измерений. При длительности каждого измерения в 0,1 мкс (с типичной для современного уровня технологии частотой опроса 10 МГц) этот процесс займет более двух лет. Приведенные оценки показывают, что для реальной организации контроля измерения по необходимости должны быть выборочными. Поэтому тщательная проработка методики проверки (отбор контролируемых параметров, разработка эффективных алгоритмов испытания, а также разработка соответствующей измерительной аппаратуры и программного обеспечения) представляет собой важнейшую и очень сложную задачу.

Определенные перспективы имеют стремительно развивающиеся в настоящее время нанотехнологии, основанные на использовании туннельной микроскопии. Рабочим органом нанотехноло-гической установки служит электрический зонд из твердосплавного материала, представляющий собой своеобразную иглу, острие которой методами ионного травления «заточено» до атомарных размеров.

Острие зонда располагается на весьма малом (~м) расстоянии от поверхности, отполированной проводящей подложки, и между подложкой и зондом прикладывается некоторое напряжение. Из-за малости зазора даже при весьма малых напряжениях напряженность поля в зазоре может достигать огромных величин порядка … В/м, что приводит к появлению туннельного тока. Измеряя этот туннельный ток, можно с помощью пьезо-преобразователей поддерживать величину зазора с погрешностью порядка м. При этом диаметр пучка туннельных электронов имеет величину ~м.

Увеличивая энергию пучка до уровня энергии межатомных связей, можно оторвать отдельный атом от подложки и, перемещая подложку с помощью пьезоманипуляторов, перенести его вместе с зондом в новое положение. При снижении энергии пучка можно осадить атом на подложку в этом новом положении.

Введя в активную область под зондом молекулы технологического газа, в условиях резко неоднородного электрического поля можно добиться их ионизации и, захватив зондом нужный ион, осадить его на подложку в нужном месте. Таким образом, формируют на подложке точечные или линейные структуры с характерными размерами порядка м. Наполняя рабочую область установки газом-травителем, инициируют химические реакции, приводящие к удалению с поверхности отдельных цепочек атомов, что позволяет создавать канавки нанометровой глубины.

Нано-технологии открывают практически неограниченные возможности построения как планарных, так и объемных структур, позволяющих создавать на подложке электронные элементы размерами порядка атомарных. Теоретически быстродействие таких элементов может составлять величину порядка и даже с, а высочайшая степень интеграции наноэлектронных структур позволяет реализовать запоминающие устройства со сверхвысокой плотностью записи информации порядка 10ю бит/, что на три порядка превосходит возможности современных лазерных дисков.

Однако повышение степени интеграции резко сужает область применения СБИС, так как они становятся слишком специализированными и поэтому изготавливаются ограниченными партиями, что экономически невыгодно. Выходом из положения являются разработка и производство базовых матричных кристаллов. Такой кристалл содержит большое число одинаковых топологических ячеек, образующих матрицу. Каждая ячейка содержит определенное число нескоммутированных элементов, подобранных таким образом, чтобы из них можно было сформировать несколько функциональных элементов (триггер, группу логических вентилей и т.д.). Выполняя металлическую разводку внутри топологических ячеек и соединяя их между собой, можно получать весьма сложные по устройству электронные блоки, отличающиеся функциональными возможностями. На основе одного базового матричного кристалла с помощью простой замены фотошаблонов металлизации можно реализовать большое число модификаций БИС.

Возможности микроэлектроники далеко не исчерпаны, а предрекаемый предел ее развития как научной и технологической дисциплины постоянно отодвигается во времени. Однако долгосрочные прогнозы в такой динамично развивающейся области, как микроэлектроника, - дело неблагодарное. И даже если такой предел будет, достигнут, это вовсе не означает, что прогресс в области электроники остановится. На смену полупроводниковой технике придут новые технологии, основанные на иных физических принципах. Возможно, это будет функциональная электроника, оптическая, квантовая или, наконец, биоэлектроника.

3 Классификация изделий микроэлектроники

Классификация микросхем может быть проведена по различным признакам. По функциональной сложности ИС принято характеризовать степенью интеграции, условно оцениваемой по десятичному логарифму числа элементов и компонентов, содержащихся в корпусе микросхемы. По этому признаку в настоящее время различают восемь степеней интеграции:

первая степень - 1… 10 элементов;

вторая степень - 10… элементов;

третья степень - … элементов;

четвертая степень - … элементов;

пятая степень - … элементов;

шестая степень - … элементов;

седьмая степень -…элементов;

восьмая степень - свыше элементов. Интегральные схемы первой и второй степеней интеграции получили название малых интегральных схем (МИС). В англоязычной литературе они обозначаются термином Integrated Circuit (1С). Обычно они содержат один или несколько цифровых либо аналоговых элементов (логические вентили, триггеры, операционный усилитель и т.п.). Средняя интегральная схема (СИС или MSI - Medium Scale Integration) - это интегральная схема второй-третьей степени интеграции, содержащая уже не элементы, а функциональные узлы устройства (регистр, счетчик, дешифратор и др.). Большая интегральная схема (LSI - Large Scale Integration) имеет третью либо четвертую степень интеграции и содержит одно или несколько функционально законченных устройств либо его частей. Сверхбольшая интегральная схема (СБИС или VLSI - Very Large Scale Integration) - интегральная схема пятой -седьмой степени интеграции. К этому классу относятся, например, микросхемы микроконтроллеров, памяти большого объема и т.д. Наконец, ультрабольшие интегральные схемы (УБИС или ULSI - Ultra Large Scale Integration) имеют степень интеграции выше седьмой. К СБИС и УБИС относятся, например, центральные микропроцессоры современных ЭВМ.

Еще одним признаком, характеризующим уровень технологии производства микросхем, является плотность упаковки - количество элементов, размещенных на единице площади кристалла.

В настоящее время для микросхем с низкой степенью интеграции этот параметр имеет порядок … , т.е. на одном квадратном миллиметре помещается примерно 100… 1 000 элементов. В то же время в отдельных случаях (например, в современных микропроцессорах) плотность упаковки может достигать величины порядка элементов/.

В зависимости от вида обрабатываемых сигналов все интегральные микросхемы подразделяют: аналоговые и цифровые. Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Областью их применения являются, прежде всего, устройства аппаратуры телевидения и связи, а также измерительные приборы и системы контроля. Цифровые интегральные схемы предназначены для обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной, как правило, двоичной функции. Они применяются для построения цифровых вычислительных машин, цифровых узлов измерительных приборов, систем автоматического управления и т.д. В настоящее время наблюдается тенденция все более широкого и успешного проникновения цифровых методов (следовательно, и микросхем) в традиционно аналоговые области. Примером могут служить цифровые методы обработки и записи звука, позволившие получить недостижимое ранее качество.

По структуре и базовой технологии изготовления микросхемы подразделяются на два принципиально разных типа: полупроводниковые и пленочные. Своеобразное смешение этих двух технологий позволяет производить гибридные, а также совмещенные интегральные схемы.

Основу современной микроэлектроники составляют полупроводниковые ИС, элементы которой выполнены в тонком (1… 10 мкм) приповерхностном слое полупроводниковой подложки, роль которой выполняет монокристалл кремния толщиной 200… 300 мкм. В зависимости от степени интеграции площадь подложки может варьироваться в весьма широких пределах: от нескольких единиц до 600…700 .».

Элементы пленочной микросхемы выполнены в виде разного рода проводящих и непроводящих пленок, нанесенных на диэлектрическую (обычно стеклянную либо керамическую) подложку. Чисто пленочные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, иногда элементы индуктивности), так как пленочная технология не позволяет получать на подложке активные элементы (транзисторы), поэтому применение пленочных ИС ограничено.

Гибридная ИС представляет собой пленочную микросхему, на которой после ее изготовления размещают в виде навесных элементов специально изготовленные безкорпусные диоды и транзисторы.

Основой совмещенной микросхемы служит полупроводниковая ИС со сформированными активными элементами, на которую после изоляции поверхности нанесены пассивные пленочные элементы.

Внутри каждого типа ИС существует своя классификация, обусловленная как физическими принципами работы, так и технологическими особенностями производства.

4 Основные положения и принципы микроэлектроники

Особенностью микроэлектронных устройств является высочайшая степень сложности выполняемых ими функций. Для решения сложных задач создаются схемы, в которых число компонентов может доходить до 107… 108. Очевидно, что при таком числе элементов обеспечить правильность связей между ними и надежность функционирования вручную невозможно. Отсюда следует ключевое требование максимальной автоматизации производства изделий микроэлектронной техники.

Принципиально важным моментом является то, что при изготовлении микросхем используется групповой метод производства. Суть его заключается в том, что на одной пластине полупроводникового материала одновременно изготавливается большое число интегральных схем. Кроме того, если позволяет технологический процесс, одновременно в работе находится несколько десятков таких пластин. По завершении основного технологического цикла пластина режется на кристаллы, каждый из которых представляет собой отдельную микросхему. На заключительной стадии осуществляют корпусирование - помещение кристалла в корпус и соединение контактных площадок с выводами (ножками) интегральной схемы.

Групповой метод производства и необходимость выполнения большого числа электрических соединений делают оптимальной и безальтернативной планарную (от англ. plane - плоскость) технологию изготовления микросхем. При этом все элементы и их составляющие, а также необходимые соединения формируются в интегральной схеме через плоскость.

В основе развития микроэлектроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронной аппаратурой, и расширение круга решаемых с помощью этой аппаратуры задач. Это приводит к тому, что на определенном этапе становится невозможным решение новых задач на основе старой элементной базы. В результате труда ученых, инженеров и технологов «появляются на свет» все новые и новые электронные приборы, обладающие более высокими характеристиками по отношению к своим предшественникам. При этом факторами, лежащими в основе смены элементной базы электронных узлов и устройств, являются надежность, стоимость и мощность, а также габаритные размеры и масса.

Факторы, определяющие развитие микроэлектроники, можно разделить на три равнозначных аспекта: физический, технологический и схемотехнический. Остановка в развитии любого из этих аспектов неминуемо тормозит прогресс в области микроэлектроники в целом.

2. Основные направления развития электроники

Электроника - это наука, изучающая явления взаимодействия электронов и других заряженных частиц с электрическими, магнитными и электромагнитными полями, что является физической основой работы электронных приборов и устройств (вакуумных, газозарядных полупроводниковых и других), используемых для передачи, обработки и хранения информации.

Охватывая широкий круг научно-технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит перед другими науками и производством новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой - снабжает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.

Основными направлениями развития электроники являются: вакуумная, твердотельная и квантовая электроника.

Вакуумная электроника - это раздел электроники, включающий исследования взаимодействия потоков свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме, а также методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется. К важнейшим направлениям исследования в области вакуумной электроники относятся: электронная эмиссия (в частности, термо- и фотоэлектронная эмиссия); формирование потока электронов и / или ионов и управления этими потоками; формирование электромагнитных полей с помощью устройств ввода и вывода энергии; физика и техника высокого вакуума и др.

Основные направления развития вакуумной электроники связаны с созданием электровакуумных приборов следующих видов: электронных ламп (диодов, триодов, тетродов и т.д.); электровакуумных приборов сверхвысокой частоты (например, магнетронов, клистронов, ламп бегущей и обратной волны); электроннолучевых и фотоэлектронных приборов (например, кинескопов, видиконов, электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных умножителей); газоразрядных приборов (например, тиратронов, газозарядных индикаторов).

Твердотельная электроника решает задачи, связанные с изучением свойств твердотельных материалов (полупроводниковых, диэлектрических, магнитных и др.), влиянием на эти свойства примесей и особенностей структуры материала; изучением свойств поверхностей и границ раздела между слоями различных материалов; созданием в кристалле различными методами областей с различными типами проводимости; созданием гетеропереходов и монокристаллических структур; созданием функциональных устройств микронных и субмикронных размеров, а также способов измерения их параметров.

Основными направлениями твердотельной электроники являются: полупроводниковая электроника, связанная с разработкой различных видов полупроводниковых приборов, и микроэлектроника, связанная с разработкой интегральных схем.

Квантовая электроника охватывает широкий круг вопросов, связанных с разработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов и молекул. Основные направления квантовой электроники: создание оптических квантовых генераторов (лазеров), квантовых усилителей, молекулярных генераторов и др. Особенности приборов квантовой электроники следующие: высокая стабильность частоты колебаний, низкий уровень собственных шумов, большая мощность в импульсе излучения - которые позволяют использовать их для создания высокоточных дальномеров, квантовых стандартов частоты, квантовых гироскопов, систем оптической многоканальной связи, дальней космической связи, медицинской аппаратуры, лазерной звукозаписи и воспроизведения и др. Созданы даже миниатюрные лазерные указки для минимального сопровождения.

1 Перспективы развития микроэлектроники

Основные усилия разработчиков ИМС направлены на усовершенствование уже сложившихся принципов создания ИМС, на улучшение их электрических и эксплуатационных характеристик. Работы ведутся, главным образом, в направлении повышения быстродействия схем (уменьшения энергии, расходуемой внешним источником на одно переключение логического устройства) и их степени интеграции. Решение этих проблем связывают с усовершенствованием технологии получения микроэлектронных структур минимально возможных размеров .

Дальнейшее развития микроэлектроники связано с принципиально новым подходом, позволяющим реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, используя различные физические эффекты в твердом теле. Такое направление получило название "функциональная микроэлектроника". Используются оптические явления (оптоэлектроника), взаимодействие электронов с акустическими волнами в твердом теле (акустоэлектроника), эффекты в новых магнитных материалах (магнетоэлектроника), электрические неоднородности в однородных полупроводниках, явление холодной эмиссии в пленочных структурах, явления живой природы на молекулярном уровне (бионика, биоэлектроника, нейристорная электроника) .

Микроэлектроника стремительно меняет нашу повседневную жизнь. Еще 10-15 лет назад было сложно представить появление многих современных цифровых устройств. Среди неспециалистов мало кто понимал перспективы и скорость развития технологических новинок. Сегодня цифровые камеры заменили пленочные, IP-телефония - проводную связь, навигаторы - дорожные карты, а на смену бумажным письмам и книгам пришли электронные. Все это стало возможным благодаря развитию микроэлектроники и падению цен на чипы.

Прогресс, достигнутый сегодня в полупроводниковой промышленности, позволяет осваивать все новые и новые области применения. Думаю, еще лет через десять у каждого вместо персональных компьютеров появятся персональные роботы-помощники, которые возьмут на себя большинство рутинных функций, а через 20 лет будет создана виртуальная реальность и человек сможет уходить в трехмерное пространство.

Вообще, с точки зрения техпроцессов, микроэлектроника - это вершина высоких технологий. Микроэлектронные предприятия устроены крайне сложно, и сегодня ни одна фирма в одиночку не способна поднять и решить весь пласт проблем, который встает перед современной микроэлектроникой. Поэтому вокруг производства формируется целый кластер научно-производственных компаний, R&D-центров, лабораторий. В него входят компании, занимающиеся разработкой, синтезом и производством новых материалов, производители высокотехнологичного оборудования, компании-специалисты в области дизайна чипов и высококвалифицированные аналитики, специалисты по исследованию состава и структуры вещества. То есть микроэлектронный кластер - это сотни высокотехнологичных компаний самого разного профиля.

В последние годы микроэлектроника в России развивается довольно успешно. Наше направление включено в программу исследований в проекте "Сколково", информатика названа одной из приоритетных областей высоких технологий в России

Сейчас формирование микроэлектронного кластера ведется в Зеленограде фактически заново. Зеленоград - колыбель высоких технологий. Но в трудный переходный этап после распада страны многое здесь было упущено. Сейчас то, что мы по привычке называем микроэлектроникой, по сути, является уже наноэлектроникой. Лишь благодаря крупным инвестициям с использованием инструментов частно-государственного партнерства и целенаправленной работе по модернизации за последние 5 лет "Микрону" удалось сократить технологическое отставание от переднего края мировой микроэлектроники до 2-3 технологических поколений, сейчас реализовывается проект по запуску производства уровня 90 нанометров.

В мире есть микросхемы и меньших размеров - до 32 нанометров, они используются для производства мощных микропроцессоров и ячеек памяти. Но именно топологический уровень в 90 нм наиболее востребован в автомобильной и промышленной электронике, электронных документах, банковских и смарт-картах. Наряду с топологией 65 нм это - самая используемая технологическая норма в мире.

С переносом технологии производства чипов с топологическими нормами 180-90 нм в Зеленограде началось формирование экосистемы современного микроэлектронного кластера. Сейчас мы работаем над тем, чтобы привлечь к сотрудничеству по разным направлениям как можно больше партнеров здесь, в России. По статистике, создание одного рабочего места на микроэлектронной фабрике ведет к появлению 10-12 новых рабочих мест для квалифицированных специалистов в смежных отраслях. Например, аналитические пробы, которые делались в Германии, перенесены в лабораторию МИЭТ, французский производитель AirLiquide строит газогенерирующую станцию в Зеленограде.

Мы развиваем связи с дизайнерскими центрами в России и за рубежом, в перспективе планируем заказывать в России фотошаблоны для литографии (это ключевой этап микроэлектронного производства). Восстанавливаются связи и с наукой - академические институты берут на себя те или иные исследования, работы по новым материалам и моделям. В частности, мы работаем с Физико-технологическим институтом Российской академии наук, с Институтом физики полупроводников Сибирского отделения РАН, сейчас подключаем другие институты, так как сфера большая, широкая. Развитие микроэлектроники позволяет с оптимизмом смотреть в будущее российских высоких технологий. Глобальная проблема сегодня - отсутствие внутреннего спроса на продукцию отрасли. Бизнес есть бизнес, и без окупаемости проектов требующая постоянных крупных финансовых вливаний полупроводниковая отрасль не может развиваться.

Пример других стран, история развития микроэлектроники в таких регионах, как Китай, Южная Корея, Германия, Франция - а сегодня это ведущие мировые производители полупроводников, - показывает, что в первую очередь спрос на продукцию микроэлектроники формирует само государство. В том числе и с помощью введения различных стандартов. Например, государство может обязать производителей размещать гарантирующие защиту от подделок чипы на всех фармацевтических препаратах, алкогольной продукции, почтовых отправлениях. Сейчас на государственном уровне идет процесс перехода к электронным паспортно-визовым документам, информатизации, вводятся универсальная электронная карта, электронное правительство. Все эти новшества основаны на чипах, которые хранят зашифрованную информацию и обеспечивают национальную безопасность. Ведь чип, произведенный зарубежным партнером и включающий компоненты от массы разных поставщиков, в конечном счете не может гарантировать полную защиту от несанкционированного доступа и полную безопасность ключей. Поэтому в силах правительства регламентировать использование отечественных микросхем при реализации инновационных проектов.

Истории успеха микроэлектронной отрасли в Юго-Восточной Азии и Европе основаны на значительной глобальной поддержке со стороны национальных правительств, связанной с таможенным, тарифным регулированием, гарантийным обслуживанием. Микроэлектроника формирует активы, которые остаются в стране и являются ее интеллектуальным богатством.

микроэлектроника вычислительный техника пленка

2.2 Новая быстро развивающаяся технология

Микроэлектроника занимает одно из самых важных мест в экономике развитых стран мира. Уровень промышленной и бытовой продукции определяется качеством технологий микроэлектроники. Каждый вложенный в микроэлектронику доллар при грамотной и дальновидной политике приносит до 100 долларов прибыли и создает в три раза больше рабочих мест, чем другие области промышленности.

Во многих странах мира развитие отечественной электронной промышленности рассматривается в качестве наиболее эффективного способа подъема всей промышленности и вхождения в мировой рынок. Развитие микроэлектроники происходит с ускорением во времени, с нарастанием сложности интегральных схем и электронных систем и имеет глобальный характер - в том смысле, что влияет на все сферы деятельности человека и общества. Современные информационные системы на 70% своей стоимости базируются на изделиях микроэлектроники, в частности, средства связи - на 60%. Стоимость такого изделия как гражданский самолет на 50% состоит из стоимости электронного оснащения, а военный - на 70%.

В военной сфере высокоточные системы электронного наведения и средства доставки с воздуха принципиально изменили стратегию и тактику военных действий, что ярко продемонстрировано в войнах последнего десятилетия. Противостоять агрессору в таких условиях могут лишь считанные страны, обладающие столь же совершенным оружием, основой которого являются электронные системы .

Для обеспечения безопасности эти системы вооружений должны базироваться на электронной компонентной базе отечественной разработки, т. к. информационная безопасность предполагает, что любая часть военной техники должна быть полностью независимой от зарубежных комплектующих. Но что же мы имеем в реальности? В течение последних двадцати лет развитие микроэлектроники в РФ было фактически остановлено. В итоге доля импортных микроэлектронных компонентов, используемых в России, выросла до 90, а в ряде сфер - и до 100 процентов. В частности, в новейших разработках военной техники применяется до 70 процентов импортных интегральных схем. Российские центры проектирования систем на кристалле разрабатывают устройства с помощью современных технологий и с особой высокой специальной стойкостью, которая необходима для систем вооружения, но при этом заказывают эти устройства на зарубежных фабриках, так как у нас просто нет фабрик с такими технологическими циклами. Между тем обороноспособность страны в современном мире как раз и определяется тем, какой электроникой она обладает.

Электронная промышленность - один из самых прибыльных секторов экономики. По расчётам аналитиков, среднемировой срок окупаемости инвестиций в микроэлектронику не превышает 2-3 лет. Один килограмм изделий микроэлектроники стоит столько же, сколько стоят 100 и более тонн нефти. Благодаря этому годовые продажи только одного производителя мобильных телефонов - фирмы Nokia - вполне сопоставимы по стоимости с годовым объёмом экспорта российской нефти. Вот почему за место на электронном рынке отчаянно сражаются все сколько-нибудь развитые страны.

Не располагая ни сырьём, ни собственными энергетическими ресурсами, ни даже кадрами, Южная Корея сумела за каких-нибудь 30 - 40 лет создать развитое производство и превратилась в ведущую промышленную и электронную державу мира. Между тем ещё в 60-х её население едва научилось читать и писать, а самым совершенным продуктом, который производило корейское машиностроение, был велосипед. Ещё более фантастичен рывок Сингапура. Некогда колониальный порт с территорией, существенно уступающей территории Москвы и с населением в 4,2 миллиона человек, в тех же 60-х годах зарабатывавший на реэкспорте чужих товаров, он к концу тысячелетия стал мировым инновационным центром. При этом по объёму экспорта Сингапур в 2000 году превзошёл и Бразилию, и Австралию, и Россию с её нефтью, газом и сталью.

Да и стоит ли удивляться, если доля России на мировом рынке высокотехнологичной продукции не превышает 0,3 процента. Понятно, что здесь её никто не ждёт. Конкуренты расталкивают друг друга локтями. Да и даже не это главное. Главное, что и предложить-то нам нечего. И именно поэтому в структуре нашего экспорта нет ни изделий электронной промышленности, ни программных продуктов, ни медицинской аппаратуры, ни аудио- и видеотехники. И если страна ещё присутствует в каких-то сегментах рынка, то только благодаря передовым разработкам советских времен. Но и они стремительно устаревают .

В настоящий момент по сравнению с рядом развитых стран достижения отечественной микроэлектроники ничтожно малы. Для того чтобы нам приблизиться к уровню ЕС, необходимо сделать огромное количество капиталовложений. Такие страны как Германия, Франция, Англия и др. сделали огромный рывок в области микроэлектроники, чего нельзя уж никак сказать про Российскую Федерацию. Московские начальники заявляют, что вот-вот и российская электронная промышленность станет независимой от зарубежных комплектующих, и что они будут производить устройства по топологическими нормам 0,18 мкм, 0,13 мкм, 0,09 мкм и т. д. При этом подразумевается максимум две фабрики, когда как страны, обладающие передовыми технологиями имеют значительно больше технологических линий. Но на данный момент можно с уверенностью сказать, что и эти фабрики не работают в полную меру, и что российским центрам проектирования приходится заказывать устройства у зарубежных фабрик, так как реализация устройств по глубоко субмикронной технологии на территории РФ невозможна.

Создание российского военного и гражданского производства в области микроэлектроники жизненно необходимо и возможно, но только при мощной государственной финансовой и организационной поддержке и гарантированных объемах сбыта. Быстроразвивающиеся страны могут воспользоваться широкими возможностями новых технологий, чтобы совершенствовать систему образования, выходить на региональные рынки и успешно конкурировать на мировом уровне.

Новому, "технологическому поколению" нужны навыки, технологии и сети для продуктивной работы и отдыха. Они активно пользуются средствами групповой работы и развлекательными приложениями, такими как Facebook.

Заключение

Исходя из изложенного, следует сделать вывод, что развитие микроэлектроники в России необходимо и возможно, но возможно только при государственной финансовой и организационной поддержке и гарантированным объемам рынков сбыта.

Необходимо отметить, что при этом оказываются взаимосвязанными две задачи. Развитие микроэлектроники требует обеспечения государственных гарантий и поддержки для разработки и выпуска микросхемы для электронных документов, информационных систем органов государственной власти, навигационной аппаратуры, промышленной электроники, военной и специальной техники. В то же время, для обеспечения информационной безопасности всех указанных электронных систем следует использовать только отечественные микросхемы и, следовательно, необходимо развивать микроэлектронное производство в России.

Вот почему обеспечение решения этих сложных государственных задач требует создания и развития прочного технологического и производственного базиса выпуска отечественной современной электронной компонентной базы, технический уровень которой определяет возможности государства решать задачи технологической, информационной и экономической безопасности.

К сожалению, Россия своевременно не включилась в мировую систему развития микроэлектроники, а технологический кризис 90-х годов, когда практически была прервана система государственной поддержки электронной промышленности, негативным образом сказался на уровне развития производства электронной техники.

Микроэлектроника стремительно меняет нашу повседневную жизнь. Так как еще 10-15 лет назад было сложно представить появление многих современных цифровых устройств. Среди неспециалистов мало кто понимал перспективы и скорость развития технологических новинок. Сегодня цифровые камеры заменили пленочные, IP-телефония - проводную связь, навигаторы - дорожные карты, а на смену бумажным письмам и книгам пришли электронные. Все это стало возможным благодаря развитию микроэлектроники.

Более того, в процессе развития микроэлектроники было разработано немало специфических элементов, которые не только не имеют аналогов в обычной транзисторной схемотехнике, но и не могут быть даже смоделированы на дискретных компонентах.

Главные задачи технологии микроэлектроники следующие: создание в минимальном объеме (твердого тела или на его поверхности) максимального количества строго определенных областей с заданными геометрией, составом, структурой, а следовательно, и свойствами, способных выполнять определенные функции элементов или эквивалентов элементов электронных схем при высокой стабильности преобразуемой информации, малом расходе энергии и высокой надежности многократного повторения всех возложенных на данную ИС задач. При этом обращают внимание на повышение рентабельности при снижении расхода материалов, на простоту и комплексность технологического производства, максимум выхода годных изделий при минимальном применении ручного труда. Только максимальная автоматизация может обеспечить дальнейшее развитие микроэлектроники. В настоящее время технология микроэлектроники прошла уже основные стадии своего развития и становления, а если учесть, что широкое производство ИС и дискретных приборов с использованием приемов и технологических процессов микроэлектроники перешагнуло рубеж 10-12 млрд. шт. в год, то становится ясным, что мы имеем дело с наиболее массовым современным производством весьма сложной продукции. При этом темпы развития микроэлектроники находятся вне конкуренции с любыми другими отраслями современной промышленности. Это потребует использования новых материалов и их композиций, а также новых технологических процессов и их сочетаний. Уже в настоящее время их многообразие вне конкуренции с любой другой отраслью техники, поэтому особенно важным является систематизация и классификация процессов с использованием различных принципов, имеющих физико-химическую основу.

Все это позволяет сделать вывод о том, что микроэлектроника как очередной исторический этап развития электроники характеризуется органическим единством физических, конструктивно-технологических схемотехнических аспектов.

Список используемой литературы

1. Аваев Н.А., Шишкин Г.Г. Электронные приборы: Учебник для вузов/ Под ред. проф. Г.Г.Шишкина. - М.: Изд-во МАИ, 2006 г.

Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника: Учебное пособие. - Ростов-н/Д.: Изд-во «Феникс», 2005.

Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. - М: Лаборатория Базовых Знаний, 2001 г.

Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учебное пособие для вузов/ Ю.А.Бобровский, С.А.Корнилов, И.А.Кратиров и др.; Под ред. проф. Н.Д.Федорова. - М.: Радио и связь, 2008 г.

Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. - М.: ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2007 г. 6. Жеребцов И. П. Основы электроники - Л.: Энергоатомиздат, 1990 г.

Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. - М.: Радио и связь, 1991г. - 288 с.

Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. - М.: Высшая школа, 2006. - 464 с.

Ефимов И.Е., Горбунов Ю.И., Козырь И.Я. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная электроника. - М.: Высшая школа, 2007. - 416 с.