Научно-популярная лекция проекта «Академический час» Сибирского отделения РАН собрала более двухсот страшеклассников города Бердска.

Доклад «Полупроводниковый чип, который изменяет наш мир» представил директор Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН академик РАН Александр Васильевич Латышев.

Школьники узнали, как микроэлектроника стала технологической основой цифрового пространства, познакомились с передовыми разработками Института физики полупроводников, выяснили, как стать специалистом, который ни много ни мало определяет облик завтрашнего дня.

Современная электроника пронизывает все сферы нашей жизни. Связь и интернет, искусственный интеллект и робототехника, транспорт, энергетика, медицина — работа огромного числа окружающих нас систем опирается на электронную компонентную базу.

«Мы с вами живем в эру цифровой трансформации. Это означает, что каждый из нас уже фактически окружен цифрами. Вокруг нас цифровое телевидение, цифровое радио, цифровой интернет, мобильный интернет. Очень много направлений связано с цифровыми технологиями: робототехника, искусственный интеллект, наконец, цифровые деньги», — отметил Александр Латышев.

В основе цифрового мира находится транзистор. Этот полупроводниковый прибор, в зависимости от подаваемого напряжения, может или проводить, или не проводить электрический ток. То есть транзистор в цифровой электронике работает как переключатель, и два его состояния позволяют представлять информацию в двоичном коде — нолями и единицами — и выполнять вычисления.

«Первоначально, после изобретения, предполагалось, что транзистор будет использоваться вместо усилительной вакуумной лампы, так долгое время и происходило. Но, когда появились цифровые вычисления, он стал цифровым. Дальнейшее развитие физики полупроводников дало нам современные компактные компьютеры, суперкомпьютеры. Мы уже привыкли к смартфонам, к беспроводной и даже космической связи — все это появилось тоже благодаря физике полупроводников», — сказал ученый.

Масштабы мировой полупроводниковой индустрии огромны, а возможность создавать современные чипы стала одним из важнейших факторов технологического развития. Производство передовых микросхем требует колоссальных инвестиций и сложнейшей инфраструктуры. Академик привел пример, что только разработка технологии производства микросхем уровня 5 нанометров потребовала сотен миллионов долларов, а строительство производства — уже затрат иного порядка.

При этом сама микроэлектроника развивается темпами, которые редко достижимы в других отраслях. Чтобы показать масштаб, Александр Латышев предложил сравнить развитие электроники и железнодорожного транспорта. Если бы скорость движения поездов росла так же, как уменьшались размеры транзисторов, путь из Москвы в Новосибирск сегодня занимал бы около минуты.

Но бесконечно уменьшать транзисторы невозможно. Размер ключевого элемента – затвора транзистора – уже приблизился к масштабам в десяток атомов кремния.

«На сегодняшний день Intel уже разрабатывает технологию на один нанометр. Один нанометр — это четыре атома кремния. Всего четыре! Это означает, что рано или поздно мы достигнем теоретического предела», — пояснил Александр Латышев.

Поэтому следующий этап развития электроники связан не только с дальнейшей миниатюризацией. Ученые ищут новые материалы, создают трехмерные архитектуры и разрабатывают электронные компоненты, работающие на новых физических принципах. И здесь именно фундаментальная наука определяет, какими станут гаджеты будущего.

Дойти до предела — теоретического — и реализовать его на практике

Институт физики полупроводников работает по широкому спектру направлений современной электроники — это новые материалы и технологии, сенсорные системы, электронные компоненты, нанофотоника, оптические модуляторы, наноструктуры, квантовые технологии, приборостроение.

«В нашем институте около тысячи человек. Понятно, что направлений много, интересных задач много, что определяет возможности карьерного роста для молодежи», — подчеркнул Александр Латышев.

Одно из ключевых направлений ИФП СО РАН — молекулярно-лучевая эпитаксия: метод, позволяющий выращивать сложные полупроводниковые структуры слой за слоем и управлять их составом практически на атомном уровне. Институт в совершенстве владеет технологией, развивает ее и создает промышленное оборудование.

Новые полупроводниковые структуры нужно всесторонне исследовать для выяснения их функциональных возможностей. С помощью электронной микроскопии ученые могут «видеть» атомную решетку, отдельные атомы, определять расположение дефектов. Разработанный в ИФП СО РАН отражательный электронный микроскоп дает возможность наблюдать процессы непосредственно на поверхности нагретого кристалла. Как рассказал Александр Латышев, прибор позволяет видеть атомные ступени высотой около 0,3 нанометра при температуре порядка 1000 градусов Цельсия.

«Наши специалисты изучают поведение этих атомов, определяют законы, развивают технологию, с помощью которой можно получать новые изделия», — добавил физик.

Исследования фундаментальных физических процессов становятся основой для новых приборов. Ученый рассказал о разработанном в институте источнике одиночных фотонов: «Упрощенно можно объяснить, что создана электрическая лампочка, которая светит только одним фотоном. Меньше — невозможно, мы достигли теоретического предела. Для этого нам пришлось создать квантовую систему, изолировать ее, затем накачать (подать энергию извне), а потом “извлечь” оттуда фотон и дать ему возможность выйти».

В ИФП СО РАН разработан и приемник для одиночных фотонов — лавинный фотодиод, способный их регистрировать, а также миниатюрные вертикально-излучающие лазеры размером всего около 300 на 300 микрометров. Чтобы сделать подобные приборы, ученые выращивают сложнейшие структуры, состоящие из тысячи и более тончайших атомарно тонких слоев. Как раз для таких сложных ростовых процедур идеально подходит метод молекулярно-лучевой эпитаксии.

Еще одно направление исследований выходит в буквальном смысле за пределы Земли. Для научного эксперимента на Международной космической станции Институт физики полупроводников по заказу Ракетно-космической корпорации «Энергия» сделал установку молекулярно-лучевой эпитаксии. Оборудование использовалось для выращивания полупроводниковых структур в открытом космосе. Полученные образцы вернулись на Землю, и сейчас ученые исследуют качество выращенных материалов.

«Космос дает исследователям необычную технологическую возможность: практически неограниченное пространство и глубокий вакуум позволяют существенно снизить влияние загрязнений, с которыми приходится бороться в земных установках», — объяснил Александр Латышев.

Создавать мир, в котором предстоит жить

По словам Александра Латышева, сегодняшний этап развития электроники особенно интересен для тех, кто только делает свой профессиональный выбор. Отрасль приближается к физическим ограничениям традиционных технологий, а значит, следующему поколению исследователей предстоит искать нестандартные решения.

«Молодые исследователи легче перестраиваются, меняют устоявшиеся парадигмы, это особенно важно в новых направлениях, таких как квантовая электроника, где уже не работают классические подходы. Поэтому мы вас очень ждем», — обратился академик к школьникам.

Сам Александр Латышев когда-то приехал поступать в Новосибирский государственный университет из небольшого города, выбрал специализацию на кафедре физики полупроводников и пришел в ИФП СО РАН — стажером-исследователем — на одну из начальных позиций. Затем прошел путь до директора института.

«Пройдя всю цепочку, я хорошо понимаю, что в науке свою дорогу может найти любой из вас, если захочет и поставит это целью», — воодушевил ученый.

Школьники задали множество вопросов, ребят интересовало, как транзисторы взаимодействуют между собой, каков принцип действия ионного пучка, хватает ли мощности существующих полупроводниковых чипов для развития искусственного интеллекта, что будет за пределами закона Мура, где добывается сырье для изготовления полупроводниковых материалов, подробности о компании ASML и ультрафиолетовой литографии.

Завершая встречу, Александр Латышев пригласил школьников заглянуть на экскурсии в Институт физики полупроводников, поступать в Новосибирский государственный университет, Новосибирский государственный технический университета и включаться в научную работу.

Современная микроэлектроника подошла к рубежу, за которым дальнейшее развитие требует новых материалов, новых физических принципов и новых инженерных решений. Поэтому сегодня это — одна из самых быстро меняющихся технологических областей и, как следствие, пространство, где молодые ученые могут влиять на то, каким станет мир.

Пресс-служба ИФП СО РАН

Автор фото: Надежда Дмитриева
За запись и подготовку видео благодарим Евгения Сунцова