Директор Физико-технологического института РАН (ФТИАН) им. К.А. Валиева, член-корреспондент РАН Владимир Лукичев рассказал о том, как будет выглядеть компьютер будущего.

Владимир Федорович, Ваш институт считается головным по технологиям микроэлектроники в РАН. Какие задачи он решает сегодня?

ФТИАН был создан в 1989 году академиком Камилем Ахметовичем Валиевым, одним из организаторов российской электронной отрасли, имя которого институт сейчас носит. Но мы не занимаемся серийными технологиями изготовления микросхем. Мы занимаемся ключевыми критическими процессами в этих технологиях.

Институт создавался для решения фундаментальных проблем микроэлектроники. И, в общем, эти проблемы никуда не исчезли. По мере развития мировой микроэлектроники размеры транзисторов уменьшаются, материалы меняются. Промышленности некогда за всем этим следить, поэтому мы занимаемся анализом всего, что происходит в мире.

Институт фокусируется на ключевых процессах. К сожалению, это не всегда понимают. Нам иногда говорят: «Ну, это уже сделано за рубежом, зачем вы этим занимаетесь». Но если никто не будет этим заниматься, то лет через 10 мы даже не будем знать, над чем работают наши коллеги за рубежом. Мы даже не будем понимать, о чем идет речь. Мы как раз и восполняем этот недостаток, ведем исследования, у нас неплохое оборудование, которое удалось купить еще до реформы РАН, то есть до 2013 года.

К сожалению, с 2013 года мы от ФАНО, а сейчас от Минобрнауки не получаем ни копейки не только на закупку, но даже на содержание оборудования. В свое время провели аттестацию институтов какой-то странной комиссией по странным критериям, и мы попали во 2-ю категорию. И несмотря на то, что руководство страны все время говорит об улучшении приборной базы научных учреждений, нам денег не достается, все идет в институты 1-й категории, хотя, я считаю, что это не всегда эффективно.

Почему это не эффективно?

У нас были в свое время тесные контакты с британской компанией Oxford Instruments, производителем научно-исследовательского оборудования.

У представителей некоторых организаций, которые также работают с этой компанией, глаза загораются, когда им дают деньги на оборудование, они его закупают, а потом не знают, что с ним делать.

Это как при покупке автомобиля: есть базовая цена за «голую» машину, а есть набор опций, которые нужно покупать отдельно, и вы должны сами понимать, нужен вам, к примеру, полный привод или нет. Британцы за базовую цену продают просто пустую «банку», а остальное надо покупать за дополнительные деньги, которых все равно на все не хватает. И если вы не совсем ясно понимаете, для чего покупаете оборудование, если вам лишь бы потратить выделенные министерством средства, то такое оборудование у вас правильно работать не будет.

В результате у нас в настоящее время в институте есть такие технологии, которых нет больше ни у кого в России. Например, технология атомно-слоевого осаждения. По названию, быть может, такое оборудование есть и у нескольких других организаций в стране, но оно стоит у них в качестве мебели. А у нас оно работает. Об этом все знают, кроме, наверное, чиновников Минобрнауки.

Установка атомно-слоевого осаждения FlexAl (Oxford Instr., UK).

Что такое атомно-слоевое осаждение?

Как я говорил, наш институт задумывался для решения проблем, которых у промышленности еще нет, но которые будут, и вот одна из них сейчас появилась. В мире идет процесс внедрения в практику так называемых технологий атомной точности, одна из них – атомно-слоевое осаждение и атомно-слоевое травление, то есть возможность нанести или убрать материал слоем в один атом. Точнее работать с материалом уже невозможно.

Происходит это так: в вакуумную камеру помещается подложка, на которую надо нанести слой какого-то вещества, как правило, это соединения металлов. В камеру подаются пары вещества, молекулы которого содержат атом металла, который должен входить в состав наносимой пленки. Такие вещества называются металлоорганическими прекурсорами. Молекулы прекурсора осаждаются на материал подложки, но так как связь с поверхностью имеет не химическую, а физическую природу, то осаждается лишь строго определенное количество вещества толщиной в один слой атомов или молекул. Затем камера продувается аргоном, непрореагировавший прекурсор удаляется, и в камеру подается газообразный второй прекурсор, который должен прореагировать с находящимися на поверхности молекулами. В зависимости от природы второго прекурсора на поверхности формируется слой оксида, нитрида либо восстановленного чистого металла. После чего камера вновь продувается, и так процесс продолжается слой за слоем. Как правило, химическая реакция между прекурсорами должна активироваться. Это достигается либо за счет нагрева образца, либо, когда нагрев нежелателен с технологической точки зрения, второй прекурсор подается в виде плазмы – в камере реактора возбуждается газовый разряд, в котором образуются активные частицы с большей реакционной способностью.

Мы можем даже один слой атомов нанести, но в такой пленке неизбежно будут «прорехи», а 4-5 слоев атомов – это уже надежно. Идеология атомно-слоевого травления такая же: вы должны создать модифицированный прекурсором слой размером в одну кристаллическую решетку и потом как-то его удалить.

Для чего это нужно?

Это позволяет создавать трехмерные наноструктуры, которые находят применение в самых разных областях. К примеру, мы можем делать проводящие каналы в виде кремниевых нанонитей толщиной всего 7 нм, высотой 50 нм и длиной 250 нм. Такие нити в стране делаем не только мы, но если у вас из сотни образцов в лаборатории получился один, и вы опубликовали об этом статью, то это еще не технология. А мы можем уверенно повторять определенный результат.

Регулярная трехмерная структура из кремниевых нанонитей шириной 8 нм, высотой 50 нм и длиной – 250 нм.

Есть предприятия и организации, которые развились до того уровня, на котором эта технология им нужна. Например, для создания вот этих узких нанонитей в кремнии. Не «наколеночной» технологией, когда нужно что-то «на глаз» подтравливать методом проб и ошибок и получить какой-то результат для написания статьи, а уже на регулярной основе.

Многим в России это и сейчас не нужно. К примеру, как выпускали военные какие-то свои изделия по технологии, скажем, 250 нм, так и продолжают выпускать, потому что их это устраивает. Я, кстати, в этом не вижу большой проблемы. Военным главное, чтобы изделие «стреляло». Недавно я посмотрел фильм «Калашников». При выборе автомата, который должен пойти в серию, проводились сравнительные испытания: окунают оружие в воду, зарывают в песок, отряхивают и стреляют. Если заклинило – то все, свободен. Приблизительно такой же подход у военных и к электронике.

Никто не захочет переходить на какие-то новые технологии, если в этом нет необходимости. Наука развивается, а когда новые знания будут применены, одному богу известно. Но я всегда поощрял эти работы. Что из таких исследований вырастет – непонятно, но, как показывает практика, они потом оказываются нужны.

Можете привести пример?

Наши технологии могут носить вполне прикладной характер. Их можно применять, например, для изготовления микроэлектромеханичеких систем, так называемых МЭМС.

Сейчас идет повсеместное внедрение фазированных антенных решеток (ФАР) с электронным управлением лучом. То есть луч локатора сканирует пространство не за счет поворота антенны, а за счет изменения режима работы множества неподвижных независимых излучателей. Но это, во-первых, очень дорого, а во-вторых, сложно: там применяется силовая электроника на арсенид-галлиевых транзисторах, которые очень сильно греются. Сейчас и за рубежом, и у нас работают над устройствами на основе МЭМС-переключателей, которые, условно говоря, заменяют дорогостоящую и сложную микроэлектронику более доступной микромеханикой.

МЭМС-переключатель.

Мы занимаемся этим совместно с МАИ в тесной связи с Лианозовским электромеханическим заводом, который как раз и разрабатывает радиолокационные системы с ФАР, и после Сирии у них заказов – на 10 лет вперед.

А, к примеру, для Раменского приборостроительного конструкторского бюро, ведущего отечественного разработчика бортового радиоэлектронного оборудования для летательных аппаратов всех типов, мы разработали и изготовили чувствительный элемент гироскопа, который они используют в своих изделиях.

Чувствительный элемент гироскопа.

А нанонити, о которых вы говорили, для чего-нибудь уже пригодились?

У нас есть совместная работа с Новосибирским заводом полупроводниковых приборов (НЗПП). На нем освоена технология 3 мкм. Соответственно, он делает чипы с широкими проводящими каналами – около 3 мкм. Но, к примеру, для высокочувствительных датчиков обнаружения вредных веществ такой чип не годится, поскольку сопротивление такого канала севшая на него молекула сильно изменить не может. И мы им предложили свою технологию.

С помощью атомно-слоевого осаждения и электронной литографии мы можем на полупроводниковом транзисторе сделать проводящий канал шириной всего 7 нм. Если у вас на такой транзистор садится молекула, то у него меняется сопротивление, причем существенно, потому что такой узкий канал может перекрыть даже одна молекула.

Далее биологи сажают на эти нити «якоря»: это особые молекулы, у которых второй конец соединяется только с определенным вирусом или веществом, которое служит маркером какой-то болезни. Если на одной нити разместить разные «якоря» на разные болезни, то они по-разному меняют сопротивление транзистора. На транзистор, конечно, наносится много таких нитей, чтобы повысить чувствительность, для чего опять же нужна надежная технология, позволяющая делать регулярные структуры. С помощью таких нанонитей с «якорями» можно, например, не только изготовить датчик отравляющих веществ, способный среагировать даже на одну молекулу, но и проводить экспресс-анализ крови на какие-то заболевания.

Но оказалось, что кровь – чрезвычайно химически активное вещество, поэтому не получается просто смыть ее после анализа и высушить транзисторы. Они деградируют. И тогда мы с помощью той же атомно-слоевой технологии сделали нанесение слоя Al₂О₃ толщиной 5 нм. Эта пленка защищает от всего, ведь Al₂О₃ – это корунд, самое твердое и химически стойкое вещество после алмаза. А на чувствительность нанонити защита не влияет, потому что наносится очень тонким слоем – 5 нм, то есть 50 ангстрем, это около 10 слоев атомов. Взаимодействия молекулы-маркера с «якорем» происходит через электростатику, и сквозь такую тонкую пленку оно вполне надежно осуществляется.

Чувствительность транзисторов практически не поменялась, но благодаря защитному слою их можно промыть, высушить и многократно использовать. Полгода такая структура пролежала в стакане с водой – и ее характеристики не изменились.

Я правильно понимаю, что институт зарабатываете деньги за счет подобных работ, а финансирования от Министерства науки и образования нет?

В общем, да. Более того, сейчас прекратил существование Российский фонд фундаментальных исследовании (РФФИ), с которым мы очень хорошо сотрудничали, а в Российском научном фонде (РНФ), которому передали все исследования, раньше получавшие финансирование РФФИ, мы пока чужаки и, скажем так, только учимся конструктивно работать с ними. Надеюсь, это впереди.

Или вот еще пример: в этом году мы провели традиционную 14-ю Международную конференцию «Микро- и наноэлектроника – 2021» (ICMNE-2021). Было 170 докладов. Все приглашенные иностранцы присутствовали онлайн. США, Канада, Франция, Япония, Австрия – все с удовольствием поучаствовали в нашей конференции. Было много молодежи, которая таким образом приобщается к мировому уровню исследований. У конференции большой авторитет за рубежом, следующая конференция уже планируется в 2023 году, она очень важна для поддержания связей с международным научным сообществом, но проводить ее мы вынуждены за свой счет. Никакой помощи от Минобрнауки нет. Чиновникам ничего этого не нужно.

Если раньше, даже при ФАНО, Академии выделяли какие-то деньги на проведение конференций, и она по принципу «каждой сестре по серьге» раздавала какие-то мизерные суммы, так что нам хоть по 40 тыс. рублей, но доставалось, то в этот раз никаких денег на эти цели Академия вообще не получила.

Поскольку у нас сложности с финансированием, мы беремся за все, что можем делать хорошо, даже за небольшие деньги. У нас масса договоров по 500 тысяч – это вообще ничто. Мы тесно сотрудничаем со многими организациями, например, с НИИМЭ, головным НИИ микроэлектронной отрасли. Среди наших партнеров – Институт проблем технологии микроэлектроники (ИПТМ) РАН в Черноголовке. Мы работаем с Институтом кристаллографии РАН по рентгеновской оптике. Мы тесно сотрудничаем с Институтом физики полупроводников Сибирского отделения РАН, со многими другими организациями.

В основном это сотрудничество основано на возможностях наших технологий, которые, во-первых, мало у кого есть, а, во-вторых, если даже у кого-то что-то есть, то нет квалифицированных кадров, чтобы эти технологии использовать.

Наши возможности хорошо всем известны.

Вы научились наносить материал слоем в один атом. В мире уже есть фабрики, которые производят микросхемы по технологии 5 нм. Есть ли предел развития этих технологий?

Сейчас уже есть проекты фабрик на 2 нм и на 1 нм. Но на самом деле, когда речь идет о микроэлектронных технологиях, то реальный физический предел – это 7 нм, и он уже достигнут. А дальше начинаются ухищрения в сторону развития трехмерных многослойных архитектур. Грубо говоря, если наложить друг на друга два чипа, склеить их и сказать, что это один чип, изготовленный по новейшей технологии, то он будет занимать ту же площадь на плоскости, но в нем будет в два раза больше транзисторов. Чтобы продлить идеологию закона Мура, используется прежняя терминология. Если бы у вас кремниевый логический элемент реально уместили в такую площадь, то вам действительно потребовалась бы технология 2 нм, но вы делаете несколько элементов по технологии 7 нм в разных плоскостях, то есть прогресс на самом деле идет в третьем измерении. По сути, это просто рекламная фишка, чтобы объявить, что новый процессор сделан по технологии 2 нм.

Что будет после того, как закон Мура об удвоении числа транзисторов на кристалле каждые два года окончательно перестанет выполняться?

Закон Мура на самом деле экономический, а не технологический, и им можно будет спекулировать и дальше. Предела у закона Мура нет, просто технологии пойдут в сторону развития трехмерных многослойных архитектур. Экстенсивное развитие.

Но тогда получается, что через 20-30 лет компьютеры и смартфоны, чтобы поддерживать современный темп роста быстродействия и объемов памяти, опять станут размером со шкаф, как в 50-е годы?

Вы читали книгу японца Митио Каку «Физика будущего»? У него описано, что скоро любая поверхность станет компьютером. Экстенсивное развитие собственно микроэлектронных компонентов не обязательно приведет к увеличению размеров персональных устройств типа ноутбуков, планшетов и смартфонов. Развитие – это интернет вещей, облачные технологии, распределенные вычисления, сети 5G. Ваш телефон и персональный компьютер останутся такими же по размерам, но станут частью большой информационной инфраструктуры.

Если говорить о фундаментальных исследованиях, то чем Ваш институт занимается на перспективу? Каких проблем еще нет, но они будут?

Наши технологии оказались полезными для развития квантовых технологий. Академик Валиев, который создал этот институт и возглавлял его 18 лет, первым не только в Академии, но и вообще в России начал заниматься проблемой создания квантового компьютера. Именно в нашем институте в 1995 году была создана первая в стране лаборатория по квантовым технологиям. На Западе тогда только появились первые работы в этой области. С тех пор мы развиваем это направление. В соответствии со спецификой нашего института, мы исследуем проблему создания квантового компьютера на полупроводниковой платформе. Это направление не самое модное, поскольку не дает таких быстрых результатов, как другие технологии, но, на наш взгляд, только оно в перспективе позволит перейти от лабораторных экспериментов с десятками кубитов к квантовым системам с тысячами и миллионами логических элементов. Эта проблема непременно возникнет, и мы ее решаем уже сейчас.

Беседовал Леонид Ситник. Редакция сайта РАН.