Главная Промышленная автоматика.

ГЛАВА 18 ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ

Дж. Р. Баркер

"Путники, где нет пути. Пути проложат ходоки ".

Антонио Мачадо-и-Руис (1875-1939)

18.1. ВВЕДЕНИЕ

Томас Кун в своей книге "Структура научных революций" [1] выдвинул положение о том, что нормальное развитие науки, включая и технологию, связано с решением научных "задач-головоломок". Проблемы, рожденные в рамках точно определенных областей понятий и знаний, находят свое решение и систематизируются в пределах главного направления данного научного и технологического познания. Иногда возникают некоторые проблемы или аномалии, которью не решаются принятыми ранее традиционными методами. В этот критический период появляются новые теории, которые вступают в спор со старыми подходами, вызывая конкуренцию между старыми и новыми альтернативами. Этот так называемый революционный период заканчивается утверждением новой концепции или парадигмы. "Новая" наука развивается, как и прежде, в рамках "нормального" периода. Не каждый согласится с этой точкой зрения [2]; и тут есть опасная уловка: как узнать, когда произойдет революция, какую форму она примет и действительно ли она необходима? Несмотря на это, подход Куна дает полезную основу для анализа имеющихся достижений и того, что может появиться в будущем развитии электроники.

Хотя имеется определенный риск от такого чрезмерного упрощения и существует с большой вероятностью опасность грубой ошибки в долговременных прогнозах [3], мы попытаемся обдумать, что может произойти в будущем, основываясь как на концепции развития "нормальной" науки (экстраполяция на базе непрерывной эволюции), так и на возможности "революционного" развития (прерывистая эволюция с появлением новых направлений в электронике).

18.2. СОСТОЯНИЕ ДЕЛ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ

18.2.1. ИЗ ИСТОРИИ ЭЛЕКТРОНИКИ

История развития электроники дает яркие примеры комплексности связей между наукой, техникой и потребностями общества в познании природы [4]. И при этом, конечно, можно ясно увидеть выделенные в кон-

Факультет физики Уорикширского университета в Ковентри, Великобритания.



цепции Куна "обычные" и "революционные" фазы развития. Во многих случаях новые научные открытия спасали прикладную науку от кризисов, вызванных нуждами новой или более сложной технологии. Например, когДа стали возможными генерация и передача радиоволн, то из-за потребностей в развитии радиоприемных и радиопередающих систем внимание ученых было направлено на разработку приборов и устройств, предназначенных для детектирования, вьщеления и усиления сигналов. Одним из первых таких приборов был детектор на основе контакта металл-полупроводник, являющийся предшественником настоящих полупроводниковых приборов, но он быстро был вытеснен с развитием электровакуумной электроники. Общие требования к системам связи и управления, радиолокации и обработки информации определили направления развития электроники. Кризисы в этих областях часто стимулировали революционные изменения в науке. Изобретение транзистора, которое было результатом попыток исследования процессов управления переходом металл-полупроводник, является примером революционного изменения, происшедшего как раз вовремя, чтобы спасти вычислительную технику от катастрофы, которая могла произойти из-за недостаточной надежности электровакуумных приборов, применяемых в сложных вычислительных системах. Этот пример иллюстрирует основную особенность прикладных наук: всякий раз, когда появляется новый прибор или новая схемотехническая концепция, об их важности судят по способности влияния их применения на экономические факторы производства и особенностям массогабаритных характеристик и материалов, необходимых для изготовления, а не по тому, насколько элегантны и новы физические принципы, лежащие в основе их работы.

Но даже если не учитывать вопросы стандартизации, унификации и уровень сложности, необходимо признать, что современные интегральные схемы существенно отличаются от систем эры дискретной электроники. В интегральных схемах их элементы локализованы в кристалле и изолированы друг от друга специальными технологическими методами, а система соединений элементов во многом определяет функционирование системы в целом. Новизна такого подхода заключалась в том, что технологические методы создания интегральных схем являются хорошо управляемыми и экономически оправданными процессами, а использование ряда заранее отлаженных технологических способов позволяет создавать широкую номенклатуру конфигураций и разновидностей соединений интегральных элементов, уровней легирования и управляемых напряжений и т.д. Это позволяет обеспечить работоспособность интегральной схемы как некоторой системы при достижении больщих плотностей монтажа и получение высокого быстродействия, малой потребляемой мощности и высокой относительной сложности.

Развитие интегральных схем соответствовало классическому направлению расширения познания, характерному для "нормальных" (по Т. Куну) периодов развития науки, что привело к уровню разрешающей способности процессов технологии около 1 - 2 мкм и степени интеграции не менее 250 тыс. транзисторов на кристалл. При создании интегральных схем наибольшее



распространение получил кремний. Это объясняется не его особенными электрофизическими свойствами, а тем, чю он легко очищается, не требует больших затра! на технологию обработки и имеет присущий ему высококачественный изолятор - двуоки1ь кремния, идеально подходящий для пассивации г10вер.адости и изоляции активных приборов интегральных схем.

При совершенствовании интегральных схем акцент бьш сделан на повышение разрешающей способности технологического процесса, улучшение технологических методов и создание оптимального схемотехнического проектирования. Это продолжительное развитие базировалось на достаточно глубоких и общих научных знаниях в областях физики твердого тела, материаловедения, планарной технологии и классической методологии проектирования. Фундаментальные физические ограничения считались еще недостаточно важными.

18.2.2. НОВЫЕ КРИЗИСЫ?

При достижении уровня геометрических размеров менее 1 мкм появились существенные признаки кризисов в ряде взаимосвязанных областей, которые препятствовали дальнейшему увеличению степени интеграции ИС [5 - 9, 10 - 12] и росту быстродействия систем. Это объясняется следующими факторами.

Во-первых, для дальнейшего прогресса данной области и получения высококачественных образцов необходимо бьшо существенно изменить технологию изготовления, переадя к иным методам, чем сочетание фотолитографии, высокотемпературной диффузии и жидкостного травления. Однако при этом было неизвестно, можно ли сделать новую технологию достаточно экономичной.

Во-вторых, повышение требований к быстродействию систем обработки информации в таких прикладных областях, как связь, управление и вычислительная техника, привело к необходимости перехода к иным полупроводниковым материалам и приборам, чем те, которые основаны на использовании кремния. Это направление получило хорошее развитие в СВЧ технике, оптике и оптоэлектронике, где материалы на основе соединений полупроводников П1-V групп имеют очевидные преимущества перед кремнием благодаря возможности гибкого управления их физическими свойствами (шириной запрещенной зоны, коэффициентами преломления и рекомбинацион-ного излучения, подвижностью и т.д.) [13]. Развитие таких направлений, как применение явления цилиндрических магнитных доменов и эффекта Джозефсона, а также разработка GaAs полупроводниковых интегральных схем приобрели существенное значение, поскольку отш стали конкурентоспособными в областях, традиционно занятых кремнием [14]. Однако в последнее время прогресс в этой области связывают с применением соединений полупроводников 111-V групп для образования всевозможных гетеро-структур, имеющих широкий диапазон свойств, которые могут быть использованы [15]. Это можно считать первым серьезным шагом в направлении создания искусственных магериа-лов с атомарной структурой, спепцаль-416





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 [139] 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0039