Контуры невероятных приборов проступают сквозь смысл публикаций ученых.
В Московском физико-техническом институте (МФТИ) состоялось очередное заседание научного клуба «Разговоры “За науку” на Климентовском». В этот раз посвященное вопросам развития микроэлектроники. В дружеской обстановке и приятной атмосфере ведущие отечественные ученые рассказали о самых свежих разработках различных материй, о том, кому и зачем это нужно, обрисовали перспективы изменений нашего привычного мира благодаря научным открытиям.
С докладами выступили директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Алексей Большаков, заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ Андрей Зенкевич, директор Института синтетических полимерных материалов им. Н.С.Ениколопова РАН член-корреспондент РАН Сергей Пономаренко, заместитель директора Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН Ансар Сафин, заместитель директора департамента индустриальных программ Сколково Алексей Фаустов и другие.
Алексей Большаков начал с того, что сообщил, как материалы толщиной в один атом меняют мир технологий, представив смену парадигмы в микроэлектронике и фотонике: от кремния к 2D-материалам.
Что такое 2D-материалы? Это металлы и полуметаллы, графен, имеющий рекордную проводимость, полупроводники, диэлектрики, гексагональный нитрил бора… Все они пришли на смену кремниевой эре, ведь кремний хрупок, его применение в оптоэлектронике и фотонике ограничено. А, например, графен можно применять в гибких дисплеях и солнечных батареях, потому что материал тоньше, прозрачнее и работает быстрее.
– В телекоммуникациях переход на 2D-материалы позволит на порядок увеличить скорость передачи данных для сетей 6G и дата-центров. В потребительской электронике их гибкость является ключом к созданию нового поколения небьющихся дисплеев и «умной» одежды. А в медицине эти материалы уже становятся основой для сверхчувствительных сенсоров для экспресс-диагностики и таргетной терапии рака. Для бизнеса это означает практическую революцию в ключевых отраслях, - отметил ученый.
Андрей Зенкевич посвятил свой доклад прошлому и перспективам энергонезависимой памяти на сегнетоэлектриках (FeRAM). Сегнетоэлектрики (ferroelectrics) - это материалы с нецентросимметричной решеткой, в которых наблюдается спонтанная (остаточная) поляризация.
Первая «макросхема» энергонезависимой памяти появилась в 1955 году (Bell Labs). В 1987 году устройства памяти на перовскитных сегнетоэлектриках были интегрированы с КМОП-технологией. В 1990-х расширялся выпуск коммерческих устройств FERAM и происходило их постепенное «масштабирование». Но начиная с 2005 года прогресс приостановился…
Ученый рассказал о сегнето-электрических свойствах тонкопленочных слоев легированного HfO2, о разработке устройств энергонезависимой памяти на его основе. Он подчеркнул, что недавнее открытие сегнетоэлектричества в диоксиде гафния, уже используемом в индустрии, стало настоящей революцией.
– Это позволяет интегрировать память непосредственно над логическими элементами чипа. Такая архитектура «вычислений-в-памяти» - шаг к созданию более быстрых и энергоэффективных процессоров, в том числе для нейроморфных систем, - пояснил А.Зенкевич.
Сергей Пономаренко представил мир электроники на основе органических полупроводников (в них полупроводниковые свойства проявляют органические молекулы с системой π-сопряженных связей), рассказав о том, как они уже изменили нашу жизнь и открывают новые горизонты.
Органическая электроника - это смартфоны со складными экранами, сворачиваемые телевизоры, полимерные солнечные батареи, гибкие сенсоры, OLED-освещение и прозрачные OLED-экраны.
Полупроводниковые свойства проявляют органические молекулы с системой π-сопряженных связей.
– Органические транзисторы могут работать в водной среде, что делает их идеальными биосенсорами, способными детектировать сверхмалые концентрации вирусов или антител. Возможно, именно органическая электроника станет тем мостиком, который соединит человека и машину в будущем, о чем говорит Рэймонд Курцвейл, - поделился своим видением член-корреспондент РАН.
Здесь кстати будет вспомнить слова президента РАН Геннадия Красникова, который недавно высказал предположение, что киборги начнут появляться в конце 2030-х годов. Человек сможет вживлять дополнительную память, инфракрасное зрение, расширять возможности слуха и так далее. Это все станет реальностью благодаря в том числе органической электронике.
Ансар Сафин представил гостям клуба антиферромагнетики - перспективные материалы для приложений в области терагерцовой электроники, которые можно успешно использовать в системах связи 6G, медицине, спектроскопии, астрофизике, в измерительной технике и компьютерной памяти, в обеспечении безопасности. Например, предлагаемые экспертами сценарии применения сотовой связи 6G включают межмашинные коммуникации, интерфейсы «мозг - компьютер», автономный транспорт во всех средах, виртуальную/дополненную/смешанную реальность и многое другое.
Ученый отметил, что традиционная электроника достигает своего частотного потолка, в то время как устройства на антиферромагнетиках способны работать на терагерцовых частотах, открывая путь к системам связи нового поколения.
– Ключевая проблема: для работы этих устройств требуются огромные плотности тока. Сейчас мы бьемся над снижением этого порога и увеличением выходной мощности, чтобы сделать технологию практичной, - рассказал Сафин.
Заведующий лабораторией компьютерного дизайна материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Иван Круглов объяснил, как искусственный интеллект превращает многолетние научные поиски в быстрый и точный инжиниринг. Его команда использует нейросети для целенаправленного «проектирования» материалов с заданными свойствами - от жаропрочных сплавов в авиадвигателях до сверхтонких материалов для электроники нового поколения.
– Синергия ИИ и реальных испытаний - наш главный инструмент для создания прорывных технологий. Мы уже видим конкретные результаты: так, путь к созданию новых сверхпрочных сталей для атомных реакторов мы сократили с двух лет до двух месяцев, что кардинально меняет скорость R&D в отрасли, - подчеркнул И.Круглов.
Алексей Фаустов представил индустриальный взгляд на новые технологии в электронике, обозначив в том числе и болевые точки: технологическое отставание в литографии, критическую зависимость от зарубежных систем проектирования (EDA) и отсутствие у российских компаний долгосрочного планирования. Перечислил он и другие сложности: отсутствие коммерческого финансирования разработок вследствие длительных сроков окупаемости и значительных капитальных затрат, долгий цикл внедрения новых технологий, затрагивающий большое количество технологических переделов, ограничения госфинансирования, разрыв между индустрией и разработчиками, отсутствие доступа к оборудованию и недостаток кадров…
– Горизонт планирования в 2-3 года не позволяет инвестировать в науку, где цикл разработки занимает 10-15 лет. Мы не должны пытаться догнать Запад в гонке нанометров. Вместо этого нужно сфокусироваться на тех нишах, где у нас есть и научный задел, и технологическая база, например в интегральной фотонике, - подчеркнул Фаустов.
Андрей СУББОТИН
Обложка: фото предоставлено ЦНК МФТИ. Автор: Максим Гаврилов
