Генетическая наследственность отечественной электроники
Рубрика | Аналитика
Текст | Александр ГОРДЕЕВ, директор по развитию ООО «Интелсоб», Gordeev.gai@mail.ru
Есть ли перспективы у импортозамещения в сфере электронной элементной базы?
Импортозамещение
Тяжелейший для предприятий ОПК России период 90-х годов едва не разрушил основу основ оборонного потенциала — электронную отрасль. Даже спустя 20 лет отечественная электроника ощущает последствия того времени. При 2,0% от численности населения планеты Россия экспортирует электронную компонентную базу (ЭКБ) на мировой рынок всего на уровне 0,1% от мирового объема. На внутренний рынок потребления электроники приходится 0,8% мирового рынка ЭКБ.
Нет смысла доказывать, что уровень и количество электроники — это уровень экономики. Абсолютно все необходимое для жизнеобеспечения человека — пища, микроклимат, здоровье, профессия, отдых, информация, финансы, передвижение, безопасность и т.д. связано с электроникой, важнейшим инструментом обеспечения энергетического комфорта человека. Электронику можно ассоциировать с локомотивом экономики.
Политическая напряженность в отношениях с США и Западной Европой из-за событий на Украине высветила наши слабые места и положение дел в отечественной электронике в целом.
В таких важнейших элементах оборонительных систем, как спутниковая связь, навигация, радиолокация, телеметрия, скоростные цифровые системы, средства радиоэлектронной защиты и противодействия и т.д. (не говоря уже о финансовой сфере), — до 75–80% радиационно-стойкой, СВЧ и др. компонентной базы приходится на импорт, в основном из США, а также из Западной Европы.
Как известно, создана Программа импортозамещения в электронике (и не только в этой отрасли) с целью обеспечения оборонительных систем МО РФ необходимой элементной базой. Она не является скороспелым документом и может принципиально повлиять на ситуацию в лучшую сторону.
Но случилось то, что должно было случиться. Запад, до конца не осознавая этого, решил… помочь развитию российской микроэлектроники.
В рамках Программы импортозамещения ЭКБ предстоит разработать/воспроизвести и поставить на производство около полутора тысяч электронных приборов, на что потребуется от полутора до трех лет (по наиболее проблематичным, наукоемким направлениям, в частности по сверхмалошумящим СВЧ-приборам, радиационно-стойким сверхбольшим интегральным схемам (СБИС), терагерцовым приборам и др.). Предположительный, с моей точки зрения, объем финансирования — от $2,5 млрд. Разработанные в рамках Программы импортозамещения приборы необходимо еще конструктивно адаптировать в радиоэлектронную аппаратуру и провести необходимый объем стыковочных/квалификационных испытаний.
Сегменты мирового рынка ЭКБ, 2013 г. Сегменты внутреннего рынка ЭКБ, 2013 г.
Это займет еще год-полтора. Все мы понимаем, что каждый аналог имеет сроки своего происхождения и, с учетом вышеописанной временной последовательности, в наших оборонительных системах будут «сидеть» отечественные аналоги западных приборов 10–15-летней давности.
В этих условиях у некоторых наших руководителей ОПК возникла идея, что «Азия (Китай) нам поможет». К счастью, руководство страны приняло единственно правильное в этой ситуации решение, хотя и недешевое, сделав ставку на собственные ресурсы.
В пользу такого решения говорит и то обстоятельство, что Китай не производит радиационно-стойкую элементную базу для экспорта, а его собственные разработки достаточно хорошо закрыты. Кроме того, следует также понимать, что надежность электронной продукции Китая для наших военных целей потребует вынужденной сертификации испытаний для подтверждения надежности.
У Китая, как, впрочем, и у нас, нет собственного высокотехнологичного оборудования для субмикроэлектроники, и софт-проектные приложения являются строго лицензионными. На этом фоне технологические и интеллектуальные ресурсы отечественных электронных предприятий Зеленограда, Москвы, Санкт-Петербурга, Воронежа, Томска, Брянска, Новгорода, Орла, Саранска, Новосибирска, Томилино, при достаточном уровне финансирования, позволяют в сжатые сроки реализовать значительную часть компонентной базы по импортозамещению.
Программа — это дополнительные солидные ресурсы, стимул и резкий толчок для развития вышеназванных площадок. От такой постановки вопроса выигрывают все: разработчики, производители, системщики.
Тенденция развития мировой электроники — экстремальная электроника
Цель современных электронных держав — создание экстремальной электроники, сочетающей в себе такие характеристики, как высочайшая температура эксплуатации, гиперскорость, сверхмощность, исключительная радиационная стойкость, что очень важно для энергетического господства в ближнем космосе: 40–200 км.
1) В 2015 году в России (в рамках LPE-i-GaAs-проекта компании «Интелсоб») и в Германии появятся первые серийные силовые приборы с рабочей температурой эксплуатации Токр.ср. = +250°С (удвоенная температура эксплуатации в сравнении с кремниевыми и карбид-кремниевыми приборами).
В 2018–2020 гг. на основе полупроводниковых соединений AIIIBV/AIVBIV рабочая температура эксплуатации полупроводниковых приборов удвоится и достигнет значений Т = +500 ÷ +600°С.
К 2025 году будет налажен серийный выпуск сверхвысокотемпературной электроники на углероде с рабочей температурой Т = +900 ÷ +1000°С.
2) Достигнутый на сегодня в США частотный диапазон в 2000 ГГц к 2020 году будет увеличен в сотни раз (связь, цифровая техника, лучевое оружие и др.).
3) Созданные в Европе экспериментальные образцы лазерных излучателей на основе соединений AIIIBV обладают фантастическими значениями генерации импульсной мощности до 1023 Вт/см2 за 10–14 сек, выдерживают миллионы ампер давления (по факту указанная импульсная мощность эквивалентна мощности Солнца за указанный промежуток времени). С достижением планарной наноразмерности ниже, чем 4,0 нм (40 Å) полупроводниковая теория проводимости теряет смысл.
4) Создание наноэлектроники с планарной размерностью менее чем 4,0 нанометра (40Å) приведет к созданию абсолютно новой высокоэнергетичной электроники, которую назовем, допустим, твердовакуумной электроникой, со скоростями движения носителей заряда, практически близкими к скорости света (в 1000 раз больше, чем общепринято в теории физики полупроводников). Принципы работы таких приборов (баллистика и перемещение заряда) находятся вне пределов современной физики полупроводников. Американцы приступят к фундаментальным исследованиям новой наноэлектроники в 2015 году (если уже не приступили), а Россия, согласно планам в рамках ФЦП, — не ранее 2025–2028 гг.
5) В ближайшие годы будут созданы теоретические и практические предпосылки для достижения высокотемпературной сверхпроводимости, с плотностями тока больше чем на порядок в сравнении с металлами. Появится так называемая оболочно-атомная нано- и субнаноэлектроника с частотами генерации / излучения и детектирования в радиоактивном диапазоне (8 × 1016, вплоть до 1020 Гц и выше), с энергией квантов от 103 до 106 электронвольт (эВ) против энергии оптических лазеров — 1,5–3 эВ. Значимость такой нано- и субнаноэлектроники не поддается оценке.
6) Эффект создания новой, не подчиняющейся теории У. Шокли, инжекционной плазмы в новом LPE-i-GaAs-материале, вероятно, обеспечит новые возможности для создания новой спинтроники, которая ярко проявляется в соединениях AIIIBV (и, в частности, в нашем LPE-i-GaAs-проекте).
Планируемый уровень НИОКР в области наноэлектроники и субмикроэлектроники в России и США
| Россия | США | |
| 2014 г. | 65 нм (Ангстрем) | 7,0 нм (Intel) |
| 2015 г. | 10 нм* | ? |
*Технологический уровень утвержден Распоряжением Правительства РФ от 15.12.2012 г. №2396-Р в рамках Государственной программы РФ — «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013–2025 гг.»
Нано- и слаботочная электроника, точнее пико-токовая электроника без перемещения элементарного заряда — электрона приведет к бестепловой генерации/детектированию спинового тока, а это исключительно важно для создания информационных систем нового поколения.
Вышеперечисленные достижения в области высокоэнергетичной нано-, субнаноэлектроники с большой долей вероятности приведут к новым исключительным технологическим возможностям:
• замене углеводородов (нефть, газ, уголь) на воду (атомно-водородная энергетика). Реальность появления такой технологии в ближайшее десятилетие — очень высока.
• управляемому термоядерному синтезу;
• сверхмощной пучковой энергетике в ближнем космосе;
• фотонным компьютерам с огромной скоростью обработки и передачи информации.
• возможному превышению скорости света в твердых телах (оболочно-атомная электроника);
• комнатной сверхпроводимости;
• созданию портативных аналогов Солнца (солнечная светотехника) и др.
Фантастические на первый взгляд, вышеперечисленные технологии с огромной вероятностью реальны и приведут к резкому изменению качества жизни человека, его биологической среды обитания.
Базовые материалы
Применяемые электронные материалы в настоящее время — следующие:
Si — кремний;
GaAs — арсенид галлия;
GaN — нитрид галлия;
SiC — карбид кремния;
InP — фосфид индия и другие.
В разработке — алмаз (углерод), нитрид бора (BN), нитрид алюминия (AlN) и др.
Диаграммы текущей и прогнозируемой доли электронных материалов в производстве полупроводниковой ЭКБ для мирового рынка показаны ниже.
2014 г.:
2020 г.:
2030 г.:
Господство в ближнем космосе будет определять направление развития электроники вплоть до 2025 года. Отсюда вытекают и требования к исходным материалам, которые позволят создать экстремальную электронику (высокотемпературную, радиационно-стойкую, мощную).
Кремний себя практически исчерпал, хотя на нем и продолжаются работы по созданию КМОП (КМОП — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник — технология построения электронных схем) СБИС на частотах, близких к Терагерцу, с напряжением питания порядка 0,1 В. Тем не менее кремний вплоть до 2040 г. незаменим для ТЭК — речь идет о тиристорных (GTO) преобразователях для компрессорных станций магистральных трубопроводов с мощностями до 50–100 МВт. По кремниевым Би-КМОП технологиям Россия отстает от передовых западных фирм на 10 лет.
Минимальный размер элементов СБИС / цена технологии. Технологические нормы.
| L, нм | Фирмы | Стоимость технологии, млрд. $ | |
| Субнаноэлектроника | <1 | ? | |
| 5 | 20,0 | ||
| Наноэлектроника | 10 | Intel, США | 15,0 |
| Субмикроэлектроника | 14 | 10,0 | |
| 20 | Globalfoundries, США | 8,0 | |
| 30 | TSMC, Тайвань; Samsung, Корея; IBM, США; SMIC, Китай | 7,0 | |
| 40 | Fujitsu, Япония | 3,0 | |
| 50 | |||
| 60 | |||
| 70 | |||
| 80 | |||
| 90 | Микрон, Россия | 0,8 | |
| 100 | |||
| 110 | |||
| 120 | |||
| 130 | |||
| 140 | |||
| 150 | |||
| 160 | |||
| 170 | |||
| 180 | Ангстрем, Россия | 0,3 | |
| 190 | |||
| 200 |
Технология получения карбида кремния (SiC) и приборов на ее основе по факту — российское произведение, перекочевавшее на американскую фирму Cree 20 лет назад. Технологические достижения в области SiC-электроники очень значимые, но не настолько, как ожидалось. Технология получения эпитаксиального SiC — достаточно трудоемкая и, как следствие, — дорогая.
Но, в связи с созданием полуизолирующего SiC, ситуация будет меняться в лучшую сторону, что связано с возможностью создания гетероструктур типа 4H-SiC/3C-SiC и др. В этом случае перспективы исключительно хорошие. Однако это требует вложения значительных средств.
В России потратили восемь лет и 2,0 млрд руб., чтобы подойти вплотную к промышленной ростовой технологии SiC (Саранск, Санкт-Петербург, Москва, Брянск, Новосибирск) и только сейчас, усилиями дочернего предприятия ОАО «Светлана», г. Санкт-Петербург, достигли первых результатов для промышленного применения. Но пока нет ни одного SiC-прибора в системах вооружений на доморощенном материале SiC.
GaN — нитрид галлия — резко наращивает свое присутствие на рынке электроники, в первую очередь в СВЧ-приборостроении. Ожидать вертикальных конструкций на GaN для мощных силовых приборов пока рановато, а вот горизонтальные GaN-СВЧ-приборы на SiC обладают исключительным сочетанием рабочей температуры и гиперчастот — из-за высокой дрейфовой скорости носителей заряда. Но с чрезвычайно узким разнообразием классов приборов на основе GaN, как в мощной высоковольтной, так и в СВЧ (в том числе высоковольтной электронике) придется смириться. Да, это прекрасная СВЧ-ветвь, но ожидаем большего.
В России немного фирм занимаются технологией GaN-выращивания — в Санкт-Петербурге, Зеленограде, Новосибирске. Их успехи не так заметны, как успехи западных компаний (прежде всего, совершенство кристаллов GaN и их стоимость), но это связано не столько с узким пониманием технологии выращивания GaN-пленок, сколько с проблемами наличия оборудования, ведь такие современные установки как D 180 LDM фирмы Veeco (США) стоят больших денег, а в процессе ОКР по созданию материалов или электронных приборов по госинструкциям статья «капиталовложения» отсутствует.
Полуизолирующий i-GaAs, широко распространенный на Западе и у нас для СВЧ-приборостроения — очень неплохой материал, и ему, прежде всего, наша техника обязана наличием приборов в диапазоне частот 1,0–40,0 ГГц. Данный материал хорошо изучен, на нем создаются исключительно «быстрые» InGaAs-слои для сверхвысокого усиления (хотя и с ущербом по электропрочности). Не случайно надежным СВЧ-GaAs-приборам было отдано предпочтение перед GaN-приборами в радиолокационных системах истребителей НАТО пятого поколения Eurofighter, которые начали поступать на вооружение с 2014 года.
Но и у полуизолирующего i-GaAs есть изъяны: не достигнута желаемая подвижность носителей заряда (плотность тока, скорость пролета), низкая электропрочность, низкие свойства по плотности носителей заряда во встроенном ДЭГ-канале, да и дефектность рабочей пленки GaAs достаточно высока.
Ситуация в российском материаловедении
Материаловедение для электроники в России находится в запущенном состоянии и подошло к той черте, за которой — пропасть (вспомним историю с 95-нанометровой линейкой на нашем самом передовом предприятии — «Микроне»: данная высокотехнологичная линейка не может работать на отечественном материале — кремниевых подложках). Ситуация с электронными материалами — в высшей степени тревожная, в том числе со вспомогательными, той же химией (кислоты, щелочи, проявители и т.д.) и с технологическими газами для эпитаксии кремния, арсенида галлия, карбида кремния, нитрида галлия.
При этом в области нового электронного материаловедения у России есть наработки, которых фактически (за исключением Германии) нет ни у кого на Западе, а также нет у Японии и Китая.
В СССР несколько тысяч предприятий не только Министерства электронной промышленности, но и Минатома, цветной и черной металлургии и др. — работали на электронную промышленность. А сейчас отрасли не уделяется достаточно внимания.
Если не будет пересмотрена национальная программа ФЦП «Электронное материаловедение» таким образом, чтобы она не отставала от западных достижений, конечного успеха нам не видать.
Оборудование для субнано- и наноэлектроники
Кроме очевидных проблем с базовыми полупроводниковыми материалами и не только с ними, но и с вспомогательными, которые еще более или менее приемлемы, существует острейшая проблема с оснащенностью высокотехнологичным оборудованием, без которого абсолютно немыслима современная наноэлектроника (≤10 нанометров).
С появлением гиперзвуковых ракет с 6–20 Мах в ближнем космосе возможности «ядерного зонтика» минимизируются, если не сводятся к нулю. Надеяться на современные ПВО — системы (С-300–500), которых пока, к сожалению, не так много, тоже неправильно, вследствие того, что баллистические ракеты противника могут поражаться только на подлете (на заключительной траектории полета), а не в начальной или орбитальной стадии полета. Серьезный военный конфликт в 2025–2030 гг. — это борьба высоких технологий в области высокоэнергетичной экстремальной электроники, и его длительность не превысит времени погрузки такой дивизии, как Кантемировская на железнодорожные платформы.
В России сейчас нет высокоточного, высокотехнологичного оборудования, которым владеют передовые фирмы мира, с разрешением минимальных размеров элементов СБИС на уровне, превосходящем далеко не только 65 нанометров (а передовые фирмы ушли вперед на десятилетие), и сложно даже предположить, когда можно такое оборудование ожидать.
В этой ситуации надо благодарить за прозорливость руководство АФК «Система» и «Микрона» за то, что они успели приобрести и адаптировать субмикронную линейку с 95-нанометровыми размерами для СБИС. Если бы не эта линейка, мы выглядели бы «аборигенами» в сфере высоких технологий. Но и один «Микрон» ситуацию не вытащит. Следовательно, необходимо следующее:
— поиск альтернативных решений в области микроэлектроники на уровне новых физических явлений и открытий (то есть инновации);
— финансирование электроники (ОКР, капвложения) на уровне хотя бы таких сделок, как зарубежные контракты Роснефти.
Степень национальной безопасности определяется уровнем экономики. Двигатель экономики — торговля, двигатель торговли — инновации. Кровь экономики — электроника. Вот простые истины, которые являются сегодня стержневыми для сосуществования, развития и самосохранения. Б
