В Сочи в общеобразовательном центре «Сириус» состоялся IX Всероссийский форум «Микроэлектроника 2023». О мировых трендах микроэлектронной отрасли и задачах отечественной микроэлектроники рассказал участник форума, заместитель директора Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН по развитию кандидат физико-математических наук Дмитрий Владимирович Щеглов.

Авторская колонка опубликована в газете «Наука в Сибири»

Дмитрий Щеглов

«Микроэлектроника 2023» в цифрах:
2 400 участников
700 докладов
25 круглых столов
Конец вреза

Тренд на открытость и совместную работу

— Прежде всего, стоит отметить существенную поддержку мероприятия со стороны Правительства Российской Федерации: с видеоприветствиями к участникам форума обратились председатель Правительства РФ Михаил Владимирович Мишустин, вице-премьер Дмитрий Николаевич Чернышенко, а пленарная сессия фактически представляла собой выездное заседание Правительства РФ, которое модерировали президент Российской академии наук академик Геннадий Яковлевич Красников и министр промышленности и торговли РФ Денис Валентинович Мантуров. Заместитель министра промышленности и торговли Василий Викторович Шпак, заместитель министра образования и науки Денис Сергеевич Секиринский и заместитель министра цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Андрей Александрович Заренин провели открытый прием представителей науки и промышленности и выслушали их вопросы.

Живая и оперативная беседа позволяла понять, что представители власти глубоко погружены в тематику вопросов и существующие проблемы. В целом, все настроены на результат и стараются снижать межведомственные барьеры.

Финансирование микроэлектронной отрасли

В своем выступлении Д. В. Мантуров подчеркнул системообразующий характер микроэлектроники для достижения всеобъемлющего технологического суверенитета и сложность задачи, связанной с катастрофическим недофинансированием отрасли в 1990-е годы. Министр рассказал, что для реализации целей технологического суверенитета государство кратно повысило уровень финансирования за счет бюджетных инвестиций с 10 млрд руб. в 2020-м до 147 млрд руб. в нынешнем году и до 210 млрд руб. в следующем году. Д. В. Мантуров также отметил, что впервые со времен СССР начинается системное формирование подотрасли электронного машиностроения, для чего уже в текущем году выделены бюджетные средства свыше 240 млрд рублей. В числе поддержанных проектов — создание отечественного литографа для топологии 130 нм и замещение к 2030 году 70 % всех видов технологического оборудования и материалов, используемых в базовых технологических процессах микроэлектроники.

Что ждет мировую микроэлектронику в ближайшие десятилетия?

В своем вступительном докладе академик Г. Я. Красников подробно охарактеризовал перспективу развития этой отрасли, которая следует эмпирическому закону Мура об удвоении плотности транзисторов на единицу площади полупроводниковой микросхемы за определенный период. Ученый рассказал, что ведущие мировые производители полупроводниковой электроники (Intel, Samsung, TSMC) уже освоили технологию производства транзисторов с размером 3 нанометра и ставят перед собой задачу достичь размеров 2 нанометра в 2025 году. Для оценки размеров Г. Я. Красников привел сравнение трехнанометровой технологии с одномиллиметровой: при топологическом размере транзисторов в один миллиметр, микросхема, подобная трехнанометровой, имела бы размеры 6 на 4 километра с высотой структур 300 метров.

В докладе также указывалось, что при имеющейся дорожной карте развития микроэлектроники приблизительно в 2028 году ожидается появление однонанометровой технологии, в 2037 году — 0,2 нанометра (2 ангстрема!). При однонанометровой технологии микросхема будет включать 1 триллион транзисторов, а в 2035 году по технологии 0,5 нанометра ожидается создание микросхем с содержанием более 3 триллионов транзисторов.

Технологическая норма 0,2 нм не подразумевает, что единичный транзистор будет такого размера. Это значит, что наука и промышленность научатся так укладывать транзисторы в объеме кристалла, что на площади, например, 200 х 200 нм их будет размещаться целый миллион. Такая «упаковка» в основном будет достигаться и сложной объемной архитектурой (топологией) расположения транзисторов друг под другом, и применением новых материалов, что, конечно, связано и с дальнейшим совершенствованием нанолитографических машин.

Г.Я. Красников подчеркнул особую важность развития микроэлектроники на современном этапе развития цивилизации. В результате многократного увеличения счетной мощности таких микросхем, они даже в мобильном исполнении начнут обрабатывать информацию со скоростью и эффективностью, сопоставимыми с тем, что делает человеческий мозг. Это откроет еще большие возможности в развитии компактных систем искусственного интеллекта и приведет к кардинальному изменению структуры народного хозяйства. По прогнозам, к 2026 году локальные системы смогут переводить речь и тексты лучше любого переводчика, к 2030 году произойдет массовое внедрение беспилотных средств грузового транспорта, к 2035 году начнется производство персональных роботов. Ближе к середине века, к 2040 году останутся только беспилотные автомобили, а в 2060-м могут исчезнуть многие рабочие и инженерные специальности. Россия не может не развивать компетенции в этой сфере и обязана максимально эффективно использовать свой научный, человеческий и ресурсный потенциал для того, чтобы не только не оказаться на обочине развития цивилизации, но и стать страной — законодателем мод в области микроэлектроники. Рассказывая об эволюции искусственного интеллекта, значительную часть своего доклада академик Красников посвятил проблемам развития новых квантовых и фотонных технологий, которые значительно расширяют возможности классических микроэлектронных технологий как по обеспечению производительности и защищенности вычислений (квантовые технологии), так и по снижению энергетических затрат (фотонные технологии).

Г.Я. Красников заключил, что в ближайшие десятилетия не наблюдается явной альтернативы кремниевым микроэлектронным технологиям для решения большинства счетных задач, а квантовые компьютеры и фотонные процессоры предполагается использовать для решения тех специфических задач (алгоритмов), где они кардинально превосходят кремниевую счетную базу.

Отмечу, что в 1970-1980-е годы наша страна хотя и отставала на несколько лет в развитии микроэлектроники, например, по производству микропроцессоров от США и по производству схем электронной памяти от Японии, но входила в тройку самых развитых стран в области полупроводниковых технологий и микроэлектроники. Такое положение во многом обеспечивалось опорой на достижения отечественной академической и прикладной науки. После трагического краха СССР микроэлектроника, и фундаментальная, и прикладная, оказалась катастрофически недофинансированной. В результате возможность развития технологий, о которых говорил Г.Я. Красников, практически исчезла из-за отсутствия не только средств, но и необходимых научных центров и, самое важное, нового поколения высококвалифицированных кадров. Десятки тысяч талантливых ученых и инженеров уехали из страны в 1990-е годы, а значимая часть научного и промышленного потенциала в области микроэлектроники оказалась за границей, в союзных республиках. С этой точки зрения, организация столь представительного форума при ведущей роли Российской академии наук — несомненно важная заявка на участие академической науки в развитии отечественной микроэлектроники в качестве основы технологического суверенитета страны, особенно в нынешних условиях.

Задачи отечественной микроэлектроники

На пленарном заседании форума заместитель министра промышленности и торговли РФ В. В. Шпак в числе стоящих перед отечественной микроэлектроникой задач выделил достижение уровня производства в 14 нанометров к 2030 году. Он подчеркнул, что для достижения технологического суверенитета в этой сфере поставлена задача до 2030 года заместить не менее 70 % номенклатуры изделий в особо критических, базовых технологических процессах, функционально значимого сложного оборудования и средств автоматического проектирования. Для достижения необходимой экономической эффективности требуется в том числе расширение международного сотрудничества и наращивание в несколько раз экспорта высокотехнологичной микроэлектронной продукции в дружественные государства, в числе которых страны Евроазиатского экономического союза, Ближнего Востока, Иран, Турция, Бразилия, Аргентина, а также Индия, население и экономика которой могут стать в ближайшее время крупнейшими в мире.

Пленарное заседание форума
фото А. Гилинского

Сегодняшние достижения

Несмотря на имеющиеся в отрасли проблемы, В. В. Шпак отметил серьезное продвижение работ по производству силовой электроники на карбиде кремния, СВЧ-электроники на нитриде галлия и кремнии-германии, керамических микроконденсаторов и инфракрасных матриц. Необходимо отметить, что значимая роль в этом серьезном продвижении закрепилась за Институтом физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, который накопил необходимые компетенции в предшествующие годы.

Развитие микроэлектроники — комплекс взаимосвязанных мероприятий и индустрий, включающий производство материалов для технологий и машин (от сверхчистых полупроводников до специфичных резистов и травителей — более 7 000 наименований), электронное машиностроение, развитие инженерных школ проектирования, решение фундаментальных задач функционирования и описания тех или иных элементарных узлов, создание глобальной системы подготовки кадров и сложные вопросы регулирования и организации, которые лежат, в том числе, в области оптимизации правового поля.

Доклад Дмитрия Щеглова

Доклад старшего научного сотрудника ИФП СО РАН кандидата физико-математических наук Александра Гилинского
фото Д. Щеглова

Возрождение электронного машиностроения

Состояние и перспективы электронного машиностроения рассматривались в докладе заместителя директора департамента станкостроения и тяжелого машиностроения Минпромторга РФ Александра Сергеевича Львова, который определил место отрасли в обеспечении технологического суверенитета в развитии электроники. Он отметил, что в прошлом году были приняты решения о ее возрождении и утверждена программа развития электронного машиностроения на период до 2030 года, и уже в 2024 году будет запущен опытный экземпляр литографа с проектной нормой 350 нанометров, а также опытные образцы эксимерных лазеров для литографа на 130 нанометров и лазеров для продуктовой линейки литографического оборудования с топологическими нормами 90—65 нанометров. Разработки во многом базируются на результатах развития литографов высокого уровня в Институте прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде и в Институте спектроскопии РАН в Троицке. Необходимо также отметить многолетний успешный опыт разработки и изготовления литографических установок в ОАО «Планар» в Республике Беларусь, который, несомненно, будет полезен при реализации проектов данной программы.

Как и многие коллеги, присоединяюсь к мнению Олега Александровича Нефедова, директора Международного научно-технологического центра Московского института электронной техники. Он отметил необходимость кардинального решения проблем организационного и финансового характера, которые есть у важных для развития микроэлектроники отечественных предприятий — от находящихся в структуре Минобрнауки РФ организаций вузовской и академической науки, до частных средних и малых ООО (разработчики материалов, микросхем или оборудования). Это, во-первых, и низкий уровень авансирования таких работ в средних и малых предприятиях, в академических институтах, что часто фактически губит инициативу, желание и возможность помогать развивать перспективные разработки на уровне конкретных исполнителей. Дело не только в том, что для выполнения таких работ необходимо изыскивать собственные средства, например, обращаясь в банки за кредитами или банковскими гарантиями, но и в принципиальной неадаптированности правового поля, в котором существуют вузы и академические НИИ. Во-вторых, требование ФЗ-44 о наличии 20 % выполненных работ в условиях, когда подобные работы практически не проводились в предыдущие периоды.

В-третьих, дефицит высококвалифицированных кадров и дефицит лабораторной инфраструктуры, необходимой для апробации разрабатываемого оборудования.

В целом участники отмечали, что сейчас программы адаптированы в первую очередь для активного участия профильных крупных предприятий. Тем не менее, поскольку действующие предприятия микроэлектроники, такие как АО «Микрон» в Зеленограде, перегружены заказами, то выходом является привлечение к разработке материалов, элементной базы и апробации нового оборудования профильных институтов РАН, таких как упомянутый выше ИФП СО РАН, химические институты СО РАН, профильные академические институты в Черноголовке (особенно Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН), Нижнем Новгороде (Институт физики микроструктур РАН), Санкт-Петербурге (Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН) и других. Такой подход позволил бы в полной мере использовать интеллектуальный, технологический и кадровый потенциал институтов РАН в выполнении задач развития отечественной микроэлектроники как основы технологического суверенитета России.

Кадровый голод

Лейтмотивом форума стала проблема кадров. Практически все спикеры подчеркивали, что дефицит кадров — основной тормозящий развитие фактор, который, к сожалению, преодолеть одномоментно невозможно. Участники отмечали, что существующие возможности обеспечения уровня доходов молодых специалистов (в основном речь касалась академических институтов, и не только по направлению микроэлектроники, а и по всем важным критическим направлениям) значительно отстают от уровня доходов молодежи в коммерческой сфере. Это косвенно подтвердил и Президент РФ В. В. Путин, когда на недавней встрече с научной молодежью космической промышленности был удивлен доходами сотрудников в отрасли и обещал над этим подумать.

Имея опыт в работе с молодежью, отмечу, что повышение престижа и привлекательности научных, инженерных и высококвалифицированных технических профессий для молодых людей требует особых мер не только в части кардинального повышения заработной платы молодых специалистов, но и решения вопросов жилья, ведь немаловажным фактором при выборе той или иной стези, служит уверенность в будущем. Также добавлю, что серьезным подспорьем было бы открытие новых кафедр и квот на направление «микроэлектроника» в целом и совершенствование системы оплаты аспирантам — увеличение окладов и компенсаций съема жилья для семейных.

Государственное субсидирование

На форуме было проведено более 25 круглых столов, в некоторых из них удалось поучаствовать. Выделить хотел бы круглый стол секции «Диагностика и материаловедение материалов для микро- и наноэлектроники», модератором которого выступил директор ИПТМ РАН член-корреспондент РАН Дмитрий Валентинович Рощупкин.

Во время обсуждения проблем отрасли завязалась бурная дискуссия, в результате которой участники Круглого стола сформулировали проблему и предложение для ее решения: разработка и дальнейшее производство многих специальных материалов для микроэлектроники не может быть экономически обоснованными в рамках отечественного рынка и должны быть субсидированы государством в рамках скорректированной государственной политики по примеру так называемых сквозных проектов.

Весь отечественный сегмент промышленности и науки сегодня готов потреблять некоторые критически важные, очень специфические материалы в исключительно малых количествах: от нескольких граммов до нескольких килограммов в год, тогда как рентабельным их производство становится при изготовлении нескольких тонн. Участники дискуссии предложили, если такие материалы настолько критичны для технологического суверенитета, то важным является не только выделение средств на их разработку, но и на дальнейшее их бесперебойное производство.

В целом, общее впечатление от форума состоит в том, что впервые за последние годы чувствовалась атмосфера воодушевления и осторожного оптимизма в развитии данной отрасли при несомненной огромной заинтересованности государства. Выявлены и проблемы, которые в целом типичны и для иных сфер деятельности: дефицит кадров, необходимость развития некоторых полностью утраченных за 1990-е годы компетенций, адаптации нормативной-правовой базы и оптимизации существующей индустрии электронной компонентой базы. Воодушевляет и то, что эти вопросы не замалчиваются, а наоборот, в самой конструктивной форме обсуждаются и инициируются к решению.

Дмитрий Щеглов