Преодолима ли эта пропасть?

Камиль Валиев, директор (слева), и Александр Орликовский, заведующий лабораторией микроструктурирования и субмикронных приборов института Физико-технологического института: "Если бы начался экономический рост в России, зеленоградские заводы тоже воспряли бы"

Чтобы в этом разобраться, научный редактор Computerworld Россия Игорь Левшин встретился с учеными из Физико-технологического института: с его директором академиком РАН Камилем Валиевым и заведующим лабораторией микроструктурирования и субмикронных приборов членом-корреспондентом РАН Александром Орликовским.

Процессоры - еще не вся микроэлектроника

Мне хочется расcпросить вас о таких интересных вещах, как нанотехнологии, квантовые вычисления, но перед этим я хочу понять контекст. Может быть, с точки зрения государства стоит оставить попытки реанимировать российскую микроэлектронику и сразу бросить силы на квантовые компьютеры? Камиль Ахметович, вы были у истоков зеленоградской микроэлектроники; как вы оцениваете теперешнюю ситуацию в этой весьма своеобразной «Кремниевой Долине»?

Камиль Валиев (КВ): Пусть малыми шагами, но в «Микроне», с которым у нашего института тесные отношения, движутся вперед к современному уровню технологии. В Курчатовском институте должна заработать новая линейка на 0,35-0,5 мкм. До недавнего времени я думал, что в России сохранились только заводы «Микрон» и «Ангстрем», но, оказывается, есть предприятия в Новосибирске, и они тоже вышли на рынок микросхем в Юго-Восточной Азии. Очень хорошо работает на западном рынке минский «Интеграл».

Но дело в том, что процессоры и память — еще не весь рынок микроэлектроники. Он очень разнообразен: до сих пор изготавливают и продают огромное количество чипов, выполненных по технологии 3-5 мкм. Зачем делать по технологии 10 нм микроконтроллер для стиральной машины? Рынок ширпотреба, разнообразных микроконтроллеров всегда останется большим. Генеральный директор завода «Микрон» Геннадий Красников оценивает мировой рынок для технологии 1 мкм в 50 млрд. долл.; хотя бы 5% этого рынка — 2,5 млрд. долл. У «Ангстрема» объем продаж на микронной линии — 2 млн. долл. в месяц.

Когда Путин приезжал в Зеленоград, Красников сказал: «Я уже получаю прибыль, исчисляемую в год десятками миллионов долларов, которую можно вкладывать в развитие производства. Это немного, но это — прибыль. Уже который год мы удваивает объем производства, и продавали бы значительно больше, но не хватает мощностей». Примерно то же говорят на «Ангстреме». Если бы начался экономический рост в России, зеленоградские заводы тоже воспряли бы. Оживление на внутреннем рынке чувствуем даже мы: к нам поступают заказы от промышленных предприятий на научные и технологические исследования.

Кто эти заказчики?

КВ: Те же «Микрон» и «Ангстрем». Мы сейчас делаем работу для «Ангстрема». До этого выполняли аналогичное исследование для немцев и думали, что здесь это вряд ли кому-то понадобится. И вдруг — понадобилось!

А что вы, кстати, думаете о кремнии российского производства? Есть ли он, и нужен ли?

КВ: Я спрашивал у Юрия Дьякова, директора зеленоградского концерна «Научный центр»: «Почему вы не работаете на кремнии, который производит завод Минатома?» Ответ был прост: «Потому, что его пока нет». Если бы был отечественный кремний того же качества, что западный, неужели тот же «Микрон» стал бы закупать дорогой на Западе? Пока о российском кремнии говорить рано, но Минатом нужно воспринимать серьезно — там есть производство и есть деньги.

Возможны ли линейки, пусть пилотные, но на уровне последних западных достижений, и при этом не требующие миллиардных вложений?

КВ: Вполне возможны. Но с одной оговоркой: если для такой пилотной линии нужна будет установка литографии на 0,18 мкм, ее придется покупать, у нас сейчас таких нет, а экспортные ограничения по-прежнему действуют. И довольно жесткие.

На оборудование, значит, оно тоже распространяется? Не только на процессоры?

КВ: Конечно. Оборудование, закупленное Курчатовским институтом, прошло полную процедуру лицензирования в госдепартаменте США. В этой линейке используются так называемые кластерные технологии производства. Они не требуют многомилиардных вложений. Об этом, я думаю, лучше расскажет Александр Орликовский.

Кластеры, роботы и мини-среды

Александр Орликовский (АО): Раньше много усилий тратили на создание чистых помещений, теперь появилась возможность транспортировать пластины в мини-средах — в замкнутых объемах. Это — современные технологии: так называемые кластеры, кассетные машины. Центральный робот передает пластину последовательно в несколько кластеров. Контроль каждого технологического процесса осуществляется на месте. В идеале пластина подается на вход и уже готовая поступает на выход (причем речь идет об огромных пластинах, 300 и более миллиметров). Оператор к ней вообще не прикасается. Сейчас есть элементы таких заводов — пока это четыре-пять кластеров. В будущем появится полностью кластерная система.

И это оказывается дешевле, поскольку в противном случае для того, чтобы создать в огромных помещениях чистый воздух, нужна гигантская инфраструктура.

То, о чем вы говорите, внушает некоторый оптимизм. Считалось, что на современном уровне развития технологий средней величины компаниям уже не под силу строить свои технологические линейки, не говоря уж о малых, нужны многомиллиардные инвестиции, которые Россия вряд ли найдет. Казалось, что эта тенденция только усилится.

КВ: У больших корпораций, таких как Intel, Motorola или IBM, — массовое производство. При массовом производстве достигается наивысшая экономичность. Это как река, в которой кремниевые пластины перетекают в интегральные схемы. Когда производство перейдет к кластерным технологиям, массовость будет достигаться за счет распараллеливания многих потоков. При этом минимальный комплект можно создать за значительно меньшую сумму, но тогда у вас не река, а один ручей.

Если появится мало-мальски разумное экономическое оправдание существования мелких производств, это даст хоть какой-то шанс российской микроэлектронике нагнать западную. Например, никто не будет строить завод за 3 млрд. долл. для Бориса Бабаяна, как бы ни был хорош его процессор. А небольшое производство, где можно было бы отлаживать эти технологии, делать мелкие партии для внутреннего рынка, демонстрировать работоспособность процессора — это было бы, наверно, полезно.

АО: Если говорить о пилотных линиях, то это вполне возможно.

Считаете ли вы, что магистральная линия развития микроэлектроники — кластерные технологии?

АО: Для простых схем будут существовать и традиционные заводы. Но если речь идет о рекордных изделиях — для оборонки, для суперкомпьютеров — тогда кластерная система. Никто никогда не уничтожает завод на 0,5 мкм, просто сооружают новый на 0,25 мкм. Старый продолжает работать.

Где же обещанный тупик?

Сейчас много говорят о том, что скоро традиционные кремниевые технологии подойдут к теоретическому пределу тактовой частоты и миниатюризации, поэтому необходимо развивать нанотехнологии, квантовые вычисления. Насколько эти опасения обоснованны?

АО: Уже есть опытные образцы транзисторов новой топологии, у которых ширина затвора 0,02 мкм (200 ангстрем). Переключательные характеристики сохраняются и до 60 ангстрем. Правда, там управляющее напряжение оказывается несколько выше, чем хотелось бы.

У американцев есть программа-прогноз развития технологий на ближайшие 10-15 лет, которая носит название The National Technology Roadmap for Semiconductors. В ней появилась цифра — ширина затвора 200 ангстрем при норме проектирования 300. Такого уровня, по их прогнозам, достигнет технология к 2015 году. Но такие транзисторы уже есть сейчас, они работают! Это дает 1 млрд. транзисторов на 1 кв. см интегральной схемы с учетом всех соединений. А в современных схемах лишь 10% площади заняты транзисторами, а 90% — межсоединениями. Это приблизительно 100 млн. вентилей на 1 кв. см. По прогнозам, к 2015 году доминировать будут кристаллы площадью 10 кв. см. Следовательно, на них поместится 1 млрд. вентилей. А предельные частоты составят 30-40 ГГц.

Плавники и диэлектрики

200 ангстрем — уже работающие образцы? Работающие где?

АО: К сожалению, не у нас. В Калифорнийском университете. Кстати, группа из этого университета в декабре сделала совершенно сенсационный доклад на конференции IDEM о так называемой «плавниковой» технологии. Делается полупроводниковый островок в виде плавника — вырезается структура высотой больше, чем шириной, похожая на рыбий плавник. И на нем делается транзистор. И вот очень короткий участок такого плавника становится каналом. Они сформировали такие транзисторы с длиной затвора 200 ангстрем. Это уже не совсем планарный прибор, не традиционный, но в этой технологии нет ничего фантастического, за исключением того, что требуется хорошая литография. Они пользовались электронной литографией с прямым рисованием. К 2010-2015 годам такая литография подоспеет. Может быть, это будет проекционная рентгеновская литография в области мягкого рентгена (14 нм). Такие экспериментальные системы уже существуют в мире и даже в России. Этим занимаются в Нижнем Новгороде в Институте физики микроструктур.

Быстродействие повысится и с переходом на уже опробованную технологию SOI, когда кремний располагается на диэлектрике. В слое кремния толщиной 20 нм формируются транзисторы. Тонкий диэлектрический слой располагается между этим слоем кремния и полупроводниковой подложкой. Транзистор получается лучше, меньше паразитных емкостей. Пока в основном все работают, конечно, на кремниевой пластине без диэлектрического слоя. Но тенденция такова, что если вы хотите идти дальше, вы обязаны перейти на SOI. Так, IBM сделала по этой технологии Power 4, мощный гигагерцевый процессор под суперкомпьютеры, например Blue Gene. Наши коллеги в Зеленограде — Красников и его завод «Микрон» — тоже сторонники этой технологии.

Кстати, быстродействие связано с шириной затвора, а она не так уж жестко связана с разрешением литографии. Есть, например, «методы совмещения». Делается зазор 100 нм, кладется окисел 40 нм, а потом делается анизотропное травление, и у вас «берега» в этом зазоре теперь сближаются ровно на 80 нм. Остается 20. Если вы посмотрите схемы того же «Микрона», увидите размеры, меньшие 0,8 мкм — того, что позволяет зеленоградская фотолитография.

Итак, есть перспективы более чем на порядок уменьшить нормы проектирования и увеличить частоту — тоже более чем на порядок. А какой ценой это будет достигнуто? Одной кластеризацией ведь всех проблем не решишь. Сильно ли возрастает стоимость оборудования, в том числе литографического?

АО: Возможностей увеличить разрешение несколько. Спор идет не о принципиальной возможности, а о том, как сделать подешевле. Оказывается, подешевле — это глубокий ультрафиолет (у нас это называют мягкий рентген). Излучение там имеет длину волны около 130 ангстрем. Там нужна многослойная, отражательная проекционная оптика с уменьшением. Этот проект в России ведет Сергей Гапонов, директор Института физики микроструктур. У них есть технология многослойных зеркал. Мы, кстати, в нашем институте тоже производим многослойные зеркала, на которых делаются объективы для рентгеновского излучения. Для этого диапазона нет прозрачных материалов, чтобы изготавливать линзы с преломлением: прозрачность кончается на 130 ангстремах, далее — отражательная оптика, которая работает на принципах интерференции.

КВ: Между прочим, кремниевые технологии нужны не только для производства интегральных схем. Сейчас быстро развивается, например, производство миниатюрных механических устройств: есть целое направление микромеханики, где кремний будет работать как конструкционный материал — микродвигатели, сенсоры и многое другое.

Уж не о нанороботах ли вы говорите? Об описанных в книге некоего Дрекслера устройствах, которые могут перемещаться по кровеносным сосудам? Это все-таки из области фантастики.

КВ: У нас есть финансовый договор с авиаторами, по которому мы должны разработать для них датчики ускорения. В кремниевой структуре одна ее часть смещается относительно другой при наличии ускорения, при этом меняется емкость, которую можно измерить. Это — только начало микроинженерии. В принципе можно делать даже летающие самолеты размером с муху. А технология вся та же: литография, наращивание слоев, травление.

Конкурентоспособность нанотранзисторов

Мы незаметно подошли к нанотехнологиям. Каковы перспективы в этой области?

КВ: Есть мировой рынок, и мы работаем в некотором секторе этого рынка; и у нас работы ведутся на уровне нанометров — у вице-президента РАН директора Физико-технического института в Санкт-Петербурге Жореса Алферова, в Сибирском институте физики полупроводников, у Виталия Аристова, возглавляющего ИПТМ РАН в Черноголовке, мы тоже пытаемся что-то делать. В лабораториях выращивают наноструктуры, с которыми мы успешно работаем. Если вы придете к Аристову, он вам много чего удивительного покажет на уровне экспериментальных образцов. Или в Сибирском отделении Академии наук. На уровне эксперимента мы понимаем все не хуже, чем на Западе. Пытаемся работать, насколько позволяет оборудование советского времени, — новое мало кто получил. Но молекулярная эпитаксия есть, электронная литография есть, микроскопия есть, зондовые микроскопы есть — почти весь арсенал того, что имеется в западных лабораториях. И на пути нанотехнологий были великолепные достижения. Очень красивый прибор изобретен в МГУ Константином Лихаревым.

Я слышал, что он давно переехал в США.

КВ: Да. Но его группа осталась и продолжает эти работы.

Камиль Ахметович, известно, что вы убежденный сторонник и исследователь квантовых вычислительных систем. А как вы относитесь к нанотехнологиям? Насколько я понимаю, нанотехнологии подразумевают классические, а не квантовые вычисления?

КВ: Да, конечно, это классические вычисления. Каким бы ни был транзистор, он остается классическим прибором. В нем, безусловно, происходят квантовые процессы, но для внешнего мира это структура — классическая. В квантовом компьютере нет никаких транзисторов, там — атомы.

АО: Нанотехнологии потенциально конкурируют с традиционной технологией. Одноэлектронным транзисторам (или с несколькими электронами) сейчас в мире посвящено огромное количество работ. У них будет характерный размер в 10 ангстрем, это, конечно, замечательно, но, увы, есть ограничения. Требуется очень высокая регулярность так называемых «квантовых точек». Их еще называют single electron box — одноэлектронные ящички. Пока нет технологии, которая обеспечит эту регулярность.

В одноэлектронном транзисторе можно было бы видеть преемника современных транзисторов. Но из обзора, недавно написанного Лихаревым, следует, что такому транзистору конкурировать с классическим трудно. Во-первых, пока это низкотемпературный прибор — иначе нельзя побороть шум.

Вторая трудность: если вблизи «островка», на котором расположен транзистор, есть заряженный дефект, он тут же смещает потенциал и все параметры одноэлектронного транзистора. Может быть, когда-нибудь технология создания регулярных «островков» появится. Хорошо бы: уж больно красива идея. Но пока я вижу два пути. Есть классическая микроэлектроника на полевом транзисторе. И ближайшие 10-15 лет эта технология будет развиваться. Второе направление — квантовые компьютеры. Все остальное — паллиатив. Наноэлектроника конкурирует с традиционными транзисторами, и конкуренции не выдерживает.

КВ: Все, что построено вокруг транзистора — это конкуренты традиционной кремниевой технологии. У транзисторов на GaAs могут быть великолепные параметры, но технология их изготовления намного сложнее и дороже. И конкуренции они не выдерживают. У них осталась своя маленькая ниша, но кремний и транзистор на его основе на сегодняшний день полностью доминируют и будут доминировать. Примерно та же участь может ждать и нанотранзистор. А вот квантовый компьютер — принципиально новый вычислитель. То, что вы можете на нем сделать, вы никогда не сделаете на классическом компьютере. Он не конкурент ему, не замена, а дополнение, принципиально новое дополнение к классическому компьютерному миру. Многие алгоритмы квантовый компьютер не улучшает. В XXI веке традиционные и квантовые вычисления будут сосуществовать.