Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

15.1.1. Возможные перспективы

Ниже описываются некоторые особенности новых материалов и объектов, которые могут служить основой для оценки возможностей применения нанотехнологий, однако читатель должен помнить, что эти технологии переживают сегодня период динамического роста и развития. Поэтому любые перспективы в этой области остаются туманными, однако, вообще говоря, именно нанотехнологии являются сейчас стратегическим направлением развития микроэлектронной промышленности. Более того, планировщики всегда должны думать и том, каким образом принятые ими решения могут влиять на развитие самих новых технологий.

Технический и экономический прогноз дальнейшего развития требует понимания и оценки специфических особенностей нанотехнологий и тех характеристик будущих продуктов, которые могут быть обеспечены новыми методами. Серьезный проектировщик должен задуматься также о пересмотре самих характеристик микроэлектронных устройств, поскольку новые технологии могут сделать некоторые из них ненужными. Кроме того, следует помнить, что внедрение нанотехнологий приведет к острой конкурентной борьбе между производителями, что само по себе может изменять параметры рынка сбыта.

В идеальном варианте развития нанотехнологий можно ожидать, что они приведут к дальнейшему непрерывному улучшению свойств выпускаемых товаров, что будет достойно оценено потребителями и заказчиками продукции. В качестве наглядного примера такого непрерывного роста и развития можно привести полупроводниковую промышленность, которая несколько десятилетий снабжала рынок (постоянно возрастающий по разнообразию товаров и объему сбыта) новыми, все более совершенными устройствами. Новые изделия оказывались быстрее, лучше и дешевле, что позволяло бизнесменам и производителям постоянно создавать новые рынки, новые потребности и новые товары, непрерывно наращивая объемы производства и сбыта. Читатель может вспомнить непрерывный процесс замены старых компьютеров на новые, более быстродействующие, эффективные и привлекательные.

Полупроводниковая промышленность смогла обеспечить этот беспрецедентный рост производства, непрерывно повышая качество изделий и столь же непрерывно снижая их стоимость лишь за счет невиданного научнотехнического прогресса в микроэлектронике (транзисторы каждого нового поколения не только значительно превосходили предыдущие по миниатюрности и быстродействию, но и одновременно оказывались более дешевыми). Рост качества и удешевление производства создавали возможности для значительного расширения производства, увеличения объема продаж и получения прибыли, часть которой вновь возвращалась в полупроводниковую технику в виде дополнительных инвестиций в исследовательские работы, разработку новых технологий, создание инфраструктуры и т. д. Такой механизм взаимного усиления и упорядочения процессов физики называют синергетикой, и именно такая модель стала основой невиданного расцвета полупроводниковой техники. Еще раз повторю, что это стало возможным лишь благодаря действию закона Мура, то есть такому течению научнотехнического развития, когда плотность монтажа электронных схем действительно длительное время возрастала со стандартной скоростью (а именно, примерно удваивалась каждые два года). Обобщая сказанное, можно предположить, что в этой закономерности заключается некая естественная синергетическая связь между размерами и качеством электронных устройств, которая и обеспечила в последние десятилетия невиданный расцвет бизнеса и экономики в области электронных технологий.

15.1.2. Определение синергетических связей

Любому технологу, занявшемуся проблемами стратегического планирования в рассматриваемой области, необходимо выяснить прежде всего, какое сложное (синергическое) воздействие может оказать внедряемая технология на свойства и характеристики выпускаемого продукта, учитывая и то, что некоторые параметры могут оказаться бесполезными при использовании новых методик. Серьезный экономист задумается и о сроках внедрения, которые должны быть подобраны таким образом, чтобы заставить большинство потенциальных потребителей «захотеть» обновить используемое оборудование.

Говоря о сроках коммерциализации продукта (то есть о времени, необходимом для приобретения популярности у основной массы заказчиков), нельзя забывать о субъективных факторах. В частности, очень важным обстоятельством коммерческого успеха практически любого нового товара (особенно радиоэлектронного) является то, насколько удачно он «вписывается» в уже существующую систему рынка и дополняет или «украшает» привычный набор изделий в данной области. Новый продукт прежде всего должен прекрасно совмещаться с тем, что называется архитектурой и инфраструктурой области, то есть новые изделия должны дополнять и усиливать возможности ранее установленной клиентами аппаратуры.

Коммерческая оценка новых товаров зачастую основывается вовсе не на реальных потребностях потребителях и преимуществах новых материалов или технических решений, а на многих сложных экономических соображениях. Для экономиста задача сводится вовсе не тому, что новые материалы позволяют выпускать прекрасные изделия в достаточном количестве и по приемлемой цене, а к тому, чтобы угадать потребности рынка в конкретный момент. Это приобретает особое значение для нанотехнологий, поскольку рационально мыслящие заказчики и потребители вполне могут отдать предпочтение существующим привычным, надежным и дешевым устройствам, а не потенциально более ценным продуктам, производимым по новым технологиям.

В настоящее время нанотехнологии, образно говоря, не просто бросают вызов, а буквально «запугивают» представителей бизнеса и производства во многих отраслях науки и промышленности. Многие бизнесмены боятся, что даже частичное использование нанотехнологий в производственных процессах позднее заставит их кардинально менять методы, подходы и номенклатуру выпускаемых изделий. С другой стороны, многие производственники уже понимают, что только внедрение новых технологий может позволить им продолжить улучшение качества выпускаемых товаров, создание новых товаров и расширение рынков сбыта. Кроме того, для многих венчурных предпринимателей и изобретателей новые технологии предоставляют уникальные возможности осуществить «скачок» в развитии и обогнать конкурентов.

Подытоживая сказанное, можно еще раз напомнить, что выработка разумной стратегии при коммерциализации нанотехнологий основана на следующих принципах: ясное представление о научно-технических возможностях нанотехнологий, уверенность в революционной природе новых технологий и неизбежности их быстрого развития, точное знание существующей структуры рынка, его потребностей и ожиданий.

15.2. Современное состояние микроэлектронных технологий

Стивен Гудник

Стивен Гудник является деканом факультета нанотехнологии одного из отделений (Ira A. Fulton School of Engineering) университета штата Аризона. До этого он занимался исследовательской и преподавательской деятельностью во многих известных организациях (включая Национальную лабораторию Скандия) и университетах в США и за рубежом. Является автором более 150 научных публикаций и книг, посвященных проблемам переноса в полупроводниковых устройствах, вычислительной технике, квантовым и нанометрическим устройствам и т. п. В соавторстве с Дэвидом Ферри написал известный учебник по переносу в наноматериалах (Transport in Nanostructures, Cambridge University Press, 1997).

Мне хотелось бы напомнить читателям, как именно осуществлялся рост микроэлектронной промышленности в последние десятилетия. Экспоненциальный рост плотности монтажа интегральных схем, предсказанный законом Мура (и действительно наблюдаемый на практике!), долгое время обеспечивался просто тем, что новые технологии позволяли уменьшать размеры используемых полупроводниковых устройств. Используя более миниатюрные элементы, технологи, естественно, могли значительно уменьшать рабочую площадь интегральных схем и других изготовляемых устройств, незначительно повышая стоимость производства. С другой стороны, уже тогда наметилась тенденция к существенному повышению качества и функциональности новых элементов, что в целом увеличивало размеры интегральных схем, заставляя на ранних этапах производства выращивать все более крупные пластинки кристаллов для чипов.

Рис. 15.1. Повышение плотности монтажа микропроцессоров в соответствии с законом Мура за последние десятилетия. По вертикали отложено число транзисторов на отдельном чипе (Рисунок перепечатан с разрешения фирмы Intel Corporation; © Intel Corporation)

Вот уже почти тридцать лет «рабочей лошадкой» полупроводниковой промышленности выступают все новые разновидности так называемых полевых МОП-транзисторов (metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor, MOSFET). Каждый из них представляет собой структуру из двух проводящих областей (исток и сток, пользуясь физическим жаргоном), разделенных изолированным (оксидным) затвором с каналом, который может находиться в открытом или закрытом состоянии (включено/выключено), что вполне достаточно для создания базового элемента вычислительной или логической схемы компьютера и т. п.

Основной характеристикой этих устройств выступает длительность отпирающего импульса затвора Lgate (называемая диной строб-импульса и соответствующая, грубо говоря, расстоянию между истоком и стоком транзистора), так как уменьшение этого параметра почти автоматически приводит к уменьшению размеров всех остальных размеров устройства по достаточно строгим правилам и закономерностям. Кроме того, с точки зрения физики процессов, уменьшение длины отпирающего импульса означает и сокращение времени переноса требуемого заряда (то есть некоторого числа электронов) от истока к стоку, что, естественно, повышает скорость переключения транзистора и быстродействия логической схемы в целом.