Топ-15 технологий в микроэлектронике
Институт статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ посредством интеллектуального анализа больших данных выявил перспективные технологии в микроэлектронике и сравнил передовые научные направления с рыночными тенденциями в этой сфере.
Контекст исследования:
По оценкам ведущих производителей элементной базы микроэлектроники (World Semiconductor Trade Statistics Inc.), в 2022 г. объем мирового рынка такой продукции составит порядка 600 млрд долл. Согласно прогнозу Ассоциации российских разработчиков и производителей электроники, в перспективе 5-10 лет объемы производства отечественной электроники могут достигнуть трети национального ВВП. В частности, востребованы перспективные отечественные разработки с использованием открытой архитектуры RISC-V. Такие микросхемы могут получить широкое распространение в рамках промышленной робототехники, беспроводной связи, интернета вещей и др. (подробнее об этих технологиях — см. «Топ-15 цифровых технологий в промышленности»).
Главные выводы:
Перспективы развития как исследовательской, так и рыночной повестки микроэлектроники (табл. 1) связаны с возможностью преодоления физических ограничений по размещению элементов в микросхеме. Эти ограничения обусловлены в первую очередь использованием кремния при изготовлении интегральных микросхем и достижением технических пределов уменьшения их размерностей. Технологии и решения, практически воплощающие эту повестку, имеют разную степень готовности1: от фундаментальных исследований (УГТ 1) до готового продукта (УГТ 9).
Возможности прототипирования расширяются за счет использования 2D-материалов (№ 1 в исследовательском / № 2 — в рыночном рейтинге) для миниатюризации транзисторов современных микросхем. Одним из технологических драйверов их дальнейшего распространения в ближайшее время будут EUV-фотолитография (№ 11 / № 10), открывающая двери в мир наноэлектроники уже сегодня, и технологии гибридной металлизации (№ 5 / № 15). Помимо этих решений распространение в научной повестке уже получили дисульфидные нанотрубки (№ 8 / № 11), в частности на основе дисульфида вольфрама. Такие разработки имеют широкие перспективы применения в прикладных областях оптоэлектроники и фотоники.
Гибридная интеграция (№ 6 / № 12) обеспечивает сверхвысокую и ультравысокую интеграцию — увеличение плотности размещения элементов на одном кристалле схемы до 1 млрд логических вентилей. На практике прежде всего применяются монолитная интеграция и совокупность технологий создания комбинированных микрочипов, зачастую именуемых в рыночном дискурсе звучным неологизмом «чиплет» (№ 14 / № 8) и позволяющих отказаться от печатных плат. Уровень готовности этих технологий уже достаточно высок и воплощается в конкретных продуктах. Тем не менее внимание широкой аудитории и интерес ключевых индустриальных игроков к ним несколько опережают текущий уровень их технологического развития.
Облик современной микроэлектроники изменяется по мере внедрения нейроморфных чипов (№ 13 / № 1), реализующих новую архитектуру вычислительных процессов, которая имитирует нейронную сеть на полупроводниках. Использование готовых продуктов на основе таких чипов позволит существенно повысить вычислительную мощность путем использования всех элементов цепочки обработки и хранения данных: от конкретного гаджета до облачного хранилища. Эти технологии становятся новым шагом в развитии распределенных вычислений.
В области создания мемристоров (№ 2 / № 9) экспертные дискуссии отстают от реального уровня научного развития технологического направления. Уже пройден длинный путь от теоретических тезисов профессора Калифорнийского университета в Беркли (США) Л. Чуа о симметрии электросхем, предсказывающих появление их нового элемента — мемристора, до опытного использования в суперкомпьютерах HP. В обозримом будущем мемристоры могут получить широкое распространение в модулях памяти квантовых компьютеров.
В ближайшие два-три года будет реализован отложенный спрос на чипы памяти для персональных компьютеров, а также элементную базу электронных устройств в промышленности и потребительском секторе. Стремление крупных игроков полупроводниковой индустрии удовлетворить этот спрос подкрепляется, в том числе, активным развертыванием технологий энергонезависимой памяти (№ 4 / № 3). Теоретическая и, особенно, практическая реализуемость этих технологий непосредственно связана с развитием уже упомянутой EUV-фотолитографии.
В ряде случаев, по мере внедрения конкретных технологических решений в повседневную жизнь, исследовательская и рыночная повестки балансируются. Так, технологии создания сложных полупроводников (№ 9 / № 13), состоящих из атомов нескольких химических элементов, развиваясь со второй половины 1950-х годов, получили производственное воплощение в середине 2000-х. В настоящее время они приобретают особую актуальность в контексте распространения интернета вещей, в том числе на базе сетей 5G.
Одно из магистральных направлений развития, которое определит облик будущего отрасли, — квантовые вычисления и основанные на них компьютеры. Их ближайший «конкурент» — технологии нейроморфных вычислений, имитирующие принципы функционирования нейронных структур человеческого мозга, активно исследуются в течение многих лет (№ 3 в научном и № 7 в рыночном рейтинге). Еще одним перспективным направлением являются молекулярные вычисления, оперирующие биологическими компонентами (нуклеиновыми кислотами и белками) в составе живых систем или биокомпьютеров.
Комментарий:
Александр Снегирев, старший научный сотрудник Центра стратегического прогнозирования ИСИЭЗ НИУ ВШЭ:
Производственный цикл электронной промышленности глобален, в полном смысле этого слова. В текущей ситуации неизбежны затруднения и даже разрывы цепочек поставок, включающих Россию как импортера, так и экспортера.
В первом случае речь идет не только о конечных изделиях, но, что более критично — о поставках готовых чипов, входящих в компонентную базу отечественного электронного производства, в том числе процессоры «Байкал» и «Эльбрус». Во втором случае санкционные центры мирового полупроводникового производства будут лишены поставок редкоземельных металлов (в первую очередь — палладия), химических соединений (в частности, гексафторбутадиена) и сапфировых подложек из России. Все это замедлит динамику глобального электронного производства и снизит его эффективность.
Реализация отраслевых программ импортозамещения в условиях новых вызовов потребует оперативного и при этом комплексного технологического дорожного картирования. Интегральная увязка технологических траекторий электронной промышленности, обеспечивающая замыкание производственного цикла, позволит в конечном счете превратить вызов технологической изоляции в импульс ускоренного развития отечественной микроэлектроники.
Источники: расчеты на основе системы интеллектуального анализа больших данных iFORA (правообладатель — ИСИЭЗ НИУ ВШЭ); результаты проекта «Экспресс-мониторинг развития технологий и рынков микроэлектроники в России и мире с использованием интеллектуального анализа больших данных, библиометрического и патентного анализа» тематического плана научно-исследовательских работ, предусмотренных Государственным заданием НИУ ВШЭ на 2022 год.
Материал подготовил Александр Снегирев
Предыдущий выпуск серии «iFORA-экспресс»: «Топ-20 фронтиров мировой науки»
См. также: