eng
Выпуск #1/2025
Ю. Ковалевский
ПЛЕНАРНЫЕ ЗАСЕДАНИЯ РОССИЙСКОГО ФОРУМА «МИКРОЭЛЕКТРОНИКА 2024». ЧАСТЬ 3
ПЛЕНАРНЫЕ ЗАСЕДАНИЯ РОССИЙСКОГО ФОРУМА «МИКРОЭЛЕКТРОНИКА 2024». ЧАСТЬ 3
Просмотры: 983
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.242.1.40.47
Пленарные заседания Российского форума «Микроэлектроника 2024». Часть 3
Ю. Ковалевский
В заключительной части статьи о пленарных заседаниях Российского форума «Микроэлектроника 2024» речь пойдет о двух мероприятиях, посвященных развитию технологий СВЧ-микроэлектроники, оптоэлектроники и фотоники. В 2024 году данные крайне актуальные и перспективные направления обсуждались на форуме в формате пленарных заседаний впервые. Мероприятия прошли 25 сентября 2024 года во второй половине дня.
Пленарное заседание «Задачи и перспективы развития технологий СВЧ»
Модераторами заседания выступили заместитель генерального директора по развитию ЭКБ АО «Микроволновые системы» В. М. Миннебаев и заместитель генерального директора – директор по научной работе АО «НПП «Исток» имени А. И. Шокина» С. В. Щербаков.
В начале мероприятия С. В. Щербаков отметил, что на форуме «Микроэлектроника» 2024-го года СВЧ-электронике уделяется существенное внимание: в этот раз впервые проводится пленарное заседание по данной теме, вопросам комплексного развития технологий твердотельной СВЧ-электроники посвящен круглый стол в рамках деловой программы форума.
Первым был представлен доклад генерального конструктора АО «НПП «Исток» имени А. И. Шокина», руководителя приоритетного технологического направления «Технологии радиоэлектроники» А. А. Борисова о развитии технологий СВЧ-электроники в России.
Требования к развитию технологий СВЧ-электроники в России сформулированы и утверждены рядом Указов Президента Российской Федерации, в том числе:
от 23 февраля 2017 года № 91 «Об утверждении Основ государственной политики в области развития оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года и дальнейшую перспективу»; от 12 мая 2023 года № 344 «Об утверждении Основ государственной политики Российской Федерации в области развития электронной и радиоэлектронной промышленности на период до 2030 года и дальнейшую перспективу»; от 28 февраля 2024 года № 145 «О стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»; от 7 мая 2024 года № 309 «О национальных целях развития Российской Федерации на период до 2030 года и на перспективу до 2036 года». Практическая реализация этих требований в среднесрочной и долгосрочной перспективе должна обеспечить технологический суверенитет России во всех сферах социально-экономического развития страны, а также в области обороны и безопасности.
Отметив, что пленарное заседание посвящено именно полупроводниковым технологиям в сфере СВЧ, докладчик привел некоторые сведения о мировом рынке в данной области. В частности, он сообщил, что согласно отчетам таких организаций, как German Electrical and Electronic Manufacturersʹ Association, WSTS, Yole Développement и др., объем производства радиоэлектронной аппаратуры в мире в 2023 году составил 5,18 трлн долл. США, из которых 2,9% (около 150 млрд долл.) составляет объем рынка РЭА СВЧ-диапазона.
Стоимость СВЧ ЭКБ, с применением которой была изготовлена СВЧ РЭА, составляет порядка 10,6 млрд долл., что составляет 7,1% от стоимости всей выпущенной СВЧ-электроники. На полупроводниковые СВЧ-приборы приходится около 50% этой величины – 5,36 млрд долл., а около половины данной суммы приходится на рынки арсенид- и нитрид-галлиевых приборов с ежегодным ожидаемым суммарным ростом рынка
на 7,2% в год до 2030 года.
А. А. Борисов отметил, что основными странами, определяющими рост мирового рынка СВЧ ЭКБ, а, следовательно, и развитие сегмента полупроводниковых СВЧ-приборов
на долгосрочный период, будут оставаться недружественные страны, запретившие поставки данных приборов в Россию. Ответ на данные вызовы является приоритетной задачей, так как развитие СВЧ-электроники определяет перспективу создания технических средств во всех отраслях обеспечения жизнедеятельности человека.
Обобщенно проблемные вопросы, влияющие на развитие технологий СВЧ-электроники в России, по словам докладчика, в настоящее время характеризуются:
Докладчик указал, что для развития радиоэлектронной отрасли и СВЧ-электроники как ее неотъемлемой части, необходимо решение комплекса взаимоувязанных задач, направленных на решение указанных проблемных вопросов, и описал текущую ситуацию по каждому из них.
В частности, говоря о состоянии в области материалов и химии для полупроводниковых СВЧ-приборов, докладчик рассказал, что, несмотря на усилия профильных департаментов Минпромторга России, ситуация хотя и меняется в положительную сторону, но очень медленно, коренного перелома в специальном материаловедении не наблюдается и по-прежнему сохраняется зависимость от поставок из-за рубежа.
В отношении технологического, инженерного и измерительного оборудования было отмечено, что реализуемая комплексная программа по развитию электронного машиностроения придала серьезный импульс развитию отечественных средств производства, однако не все потенциальные работы находят исполнителей. По некоторым видам оборудования еще не определены планы по его созданию.
Также было сказано, что ряд технологий, определяющих современный мировой уровень развития полупроводниковой СВЧ-электроники, в России еще не достигли промышленного уровня и находятся в стадии НИОКР либо планирования к созданию.
В области технологий на основе GaAs отечественная промышленность находится в условном паритете с зарубежными производителями: российскими предприятиями созданы и создаются приборные ряды СВЧ МИС с характеристиками среднемирового уровня. Также имеется существенный прогресс в развитии новых технологий, определивших современный и перспективный облик полупроводниковых СВЧ-модулей, прежде всего с плотной компоновкой для радиолокаторов с АФАР наземных, бортовых авиационных и коммерческих систем.
В то же время наблюдается существенное отставание от мирового уровня в области СВЧ-приборов на основе GaN – как по номенклатуре, так и по объемам производства. В России имеются дизайн-центры, работающие в данной сфере, сборочные производства, выполняющие корпусирование изготовленных за рубежом кристаллов, а также лабораторные производства, способные выпускать небольшие партии GaN-приборов с ограниченным набором технических и эксплуатационных характеристик.
Применительно ко всем технологиям СВЧ-электроники возможности отечественных дизайн-центров значительно превосходят возможности имеющихся производств. При этом суммарное ежегодное использование СВЧ-приборов на основе GaN и кристаллов, изготовленных за рубежом, преимущественно в Китае, эквивалентно производству
1,5 тыс. пластин диаметром 150 мм, и с каждым годом эти объемы нарастают. С учетом перспективных потребностей разработчиков систем технического зрения, радиолокационной и связной аппаратуры прогнозируемый объем потребления к 2030 году эквивалентен 10–12 тыс. 150-мм пластин в год, что является реалистичным объемом для производственного комплекса, который мог бы функционировать в нашей стране. Таким образом, по словам докладчика, создание комплекса по производству СВЧ-приборов на основе GaAs и GaN в современных условиях является крайне важным и актуальным, а с учетом имеющегося задела эта задача – реально выполнимая. Такой комплекс, включающий две фабрики, арсенид- и нитрид-галлиевую, с производительностью по 1 тыс. 150-мм пластин в месяц, в настоящее время находится в стадии проектирования.
Также в докладе было уделено внимание поставленным задачам в области развития такой перспективной технологии, как гетероинтеграция, которая позволяет разместить на единой подложке кристаллы на основе различных полупроводниковых материалов, достигая при этом наиболее рационального использования СВЧ, цифровых, радиофотонных ИС для построения компактной РЭА различного функционального назначения.
Отдельно А. А. Борисов остановился на вопросах кадрового обеспечения, в том числе отметив роль нового проекта «Передовые инженерные школы» (ПИШ) и рассказав о созданной ПИШ в области СВЧ-электроники на базе РТУ МИРЭА при участии НПП «Исток» имени А. И. Шокина в качестве индустриального партнера.
Следующий доклад представил генеральный директор АО «Светлана-Рост» В. П. Чалый. Он отметил, что, в то время как понятие контрактного производства в приложении к кремниевым кристаллам в России уже стало привычным, в сфере твердотельной СВЧ ЭКБ услуги фаундри являются новым направлением. АО «Светлана-Рост» – первое и пока единственное российское предприятие, работающее по данной модели в этом сегменте. Докладчик указал на то, что обычно объем контрактного кристального производства оценивают в пластинах, но специфика российского рынка заключается в том, что заказчику нужны не пластины, а кристаллы, в связи с чем предприятию пришлось освоить весь цикл, связанный с поставкой кристаллов, включая разбраковку кристаллов на пластине по параметрам, резку пластин, съем кристаллов, их упаковку в транспортную тару. Таким образом, количественные показатели производства представляют собой уже проверенные изделия, а не общий объем произведенных кристаллов на пластинах.
По словам В. П. Чалого, сегодня производство СВЧ ЭКБ АО «Светлана-Рост» включает только изделия малой и средней мощности на основе GaAs. Также было отмечено, что количество выдаваемых лицензий на комплексные инструменты проектирования АО «Светлана-Рост» после резкого роста в 2022–2023 годах проявляет признаки насыщения, что, по всей видимости, свидетельствует о завершении в стране определенного этапа формирования дизайн-центров и групп разработчиков и их перехода на отечественные производственные решения.
Докладчик сообщил, что заказчиками предприятия было разработано 210 типов СВЧ ИМС. На текущий момент на регулярной основе поставляется более 50 типов таких микросхем, которые изготавливаются по трем техпроцессам – GA05-D-L-01 (СВЧ МИС на основе нормально открытых рНЕМТ с длиной затвора 0,5 мкм), LA025-D (СВЧ МИС на основе нормально открытых рНЕМТ с длиной затвора 0,25 мкм) и VA50N (схемы на основе пассивных элементов интегрального исполнения). На сегодняшний день более 100 дизайн-центров обладают PDK, полученными ими безвозмездно на основе лицензионных соглашений. Девять российских вузов, выпускающих специалистов по конструированию СВЧ ЭКБ, обладают лицензиями предприятия и проводят обучение на основе его библио-
тек; два вуза заказывают производство мультипроектных пластин с МИС, разработанных магистрантами, для подтверждения качества моделирования.
Переходя к вопросам производства СВЧ-изделий на основе нитрида галлия, В. П. Чалый отметил, что на данный момент о контрактном производстве GaN МИС в нашей стране говорить не приходится. В АО «Светлана-Рост» разработан базовый техпроцесс, позволяющий изготавливать кристаллы GaN-транзисторов с длиной затвора 0,5 мкм.
Разработана и производится линейка таких транзисторов с выходной мощностью до 120 Вт, в стадии исследования – чип на 160 Вт. В направлении создания корпусированных транзисторов и усилителей на основе GaN HEMT ведется работа с АО «НПП «Пульсар» и АО «НИИЭТ». В 2023 году поставлена пробная партия объемом 500 транзисторов, контракты на поставку в 2024 году включают 2 тыс. шт. данных изделий. Ожидается, что объемы поставок отечественных GaN-транзисторов будут расти и далее.
АО «Светлана-Рост» развивает и контрактное производство по GaN-технологии. Было изготовлено несколько типов верификационных МИС на основе нитрида галлия на кремнии, предназначенных для создания моделей и построения комплексных инструментов проектирования. В планах предприятия предоставить в 2025 году первую библиотеку для проектирования устройств на основе GaN в диапазоне частот до 6 ГГц.
Также В. П. Чалый поделился видением АО «Светлана-Рост» перспектив развития контрактного производства СВЧ ЭКБ в России на горизонте пяти лет при соблюдении определенных условий, среди которых – сохранение открытости рынка производства СВЧ ЭКБ (наличия конкуренции с зарубежными производителями), превалирование среди областей применения СВЧ ЭКБ специальной и оборонной техники (доля гражданского применения остается невысокой), неизменность экономических и законодательных правил, а также то, что по всем позициям рост спроса будет превышать рост производственных возможностей. Перспективы развития в указанных условиях докладчик охарактеризовал как позитивные, отметив при этом, что задачу полного импортозамещения в пределах пятилетнего периода решить вряд ли удастся, однако вполне реально заместить до 85% номенклатуры импортной СВЧ ЭКБ, что зависит не только от набора доступных техпроцессов, но и от того, на основе каких техпроцессов будут разрабатываться конечные изделия.
Докладчик назвал техпроцессы, которые могут быть внедрены в указанном периоде, в частности два GaN-процесса – с нормами 0,5 и 0,25 мкм. По его словам, объемы контрактного производства СВЧ ЭКБ на основе GaAs и GaN могут составить 4–5 тыс. пластин в год (что соответствует примерно 5–7 млн чипов) при выполнении трех основных условий: должны быть разработаны соответствующие техпроцессы, выделен квалифицированный персонал и объективно подтвержден рынок сбыта.
Решение о создании новых производственных мощностей под данный объем АО «Светлана-Рост» планирует принять во второй половине 2026 года. Проект включает новые производственные помещения площадью 10 тыс. м2, включая 3,5–4 тыс. м2 чистых помещений. Ожидается, что проект удастся реализовать за четыре года, а объем инвестиций в данное производство будет примерно равен годовой выручке от реализации продукции.
Если доклад В. П. Чалого был сосредоточен на СВЧ ЭКБ на основе арсенида и нитрида галлия, то А. С. Кравцов, генеральный директор АО «НИИМЭ», сфокусировал свое выступление на перспективах развития кремниевой СВЧ-электроники. Он отметил, что сейчас имеется тенденция к смещению частот в разрабатываемой аппаратуре в миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны, ведется активное освоение диапазона частот 100 ГГц, а в сфере телекоммуникаций рассматривается применение частот до 300 ГГц с продвижением в терагерцовый диапазон. МИС на основе Si, а также GaAs, InP, GaN способны работать на частотах до сотен гигагерц, обеспечивая потребности разрабатываемых изделий. Однако, помимо частотных характеристик СВЧ ЭКБ, важную роль играет ее стоимость. Наилучшее сочетание цены, качества и габаритов обеспечивается гетероинтеграцией нескольких полупроводниковых технологий, например кремниевых и на основе A3B5, поскольку кремниевые СВЧ МИС имеют на 1–2 порядка меньшую стоимость, но обеспечивают меньшую выходную мощность, чем приборы на основе A3B5 в соответствующих частотных диапазонах. Однако при выходной мощности порядка единиц-десятков милливатт возможно использование и только кремниевой технологии. В качестве примера этого был приведен реализованный на одном кристалле кремния функционально завершенный автомобильный радар с частотой 77 ГГц.
Далее докладчик представил сравнение двух ведущих кремниевых СВЧ-технологий – Si КМОП и SiGe БиКМОП. Было отмечено, что вторая обладает лучшими частотными характеристиками и более широким динамическим диапазоном при тех же топологических нормах. Это позволяет не только создавать более высокочастотные и мощные МИС, но и использовать меньшие топологические нормы для изготовления микросхем со сравнимыми частотными параметрами: уровню Si КМОП 45–65 нм примерно соответствует уровень SiGe БиКМОП 130–180 нм. Однако у кремний-германиевой технологии есть и недостатки: например, в малошумящих усилителях (МШУ) она обладает бóльшим коэффициентом шума, чем технология КМОП КНИ. Поэтому в зависимости от решаемых задач необходимо иметь возможность выбора из различных технологических процессов.
А. С. Кравцов отметил, что рынок СВЧ ЭКБ на основе SiGe уже сформировался, и он включает, в частности, трансиверы для автомобильных радаров, усилители мощности для беспроводной передачи данных, МШУ для систем навигации и др. Также, по его словам, в области миллиметровых длин волн в ближайшее время намечается стремительный рост объема потребления коммерческих продуктов, в частности для спутникового Интернета.
Существенное влияние оказывают и устройства медицинского назначения (35–100 ГГц). Далее докладчик сообщил данные о некоторых отечественных разработках СВЧ ЭКБ, приведя в качестве примера полностью российских изделий (включая разработку и производство) комплект СВЧ КМОП ИМС для векторных модуляторов приемопередающих модулей систем радиолокации и связи.
Говоря о текущем состоянии кремниевых технологий в России, А. С. Кравцов сообщил, что на сегодняшний день доступна технология КНИ 90 нм, ведутся работы по SiGe БиКМОП 180 нм и РЧ КНИ 90 нм. Отдельно планируется постановка работы по освоению технологии кремний-германиевых МИС малой степени интеграции. В перспективе рассматривается разработка в том числе технологии SiGe БиКМОП 90 нм, а также совмещение технологий КНИ и SiGe БиКМОП на одном кристалле.
Также в докладе было уделено внимание вопросам перехода на отечественные технологические материалы, влияния ограничения доступа к отдельным видам оборудования и другим проблемам, сдерживающим развитие отечественных микроэлектронных технологий.
Пленарное заседание «Задачи и перспективы развития технологий оптоэлектроники
и фотоники»
Завершило пленарную часть Российского форума «Микроэлектроника 2024» заседание, посвященное задачам и перспективам развития технологий оптоэлектроники и фотоники. В начале мероприятия его модератор, генеральный директор АО «НПО «Орион» В. В. Старцев рассказал о том, что секция по данному направлению была впервые включена в программу научной конференции форума в 2022 году. В первый же год секция собрала большое количество участников. Этот факт, а также то, что тема фотоники и оптоэлектроники очень многогранна, послужили причиной дальнейшего разделения секции на две подсекции – 12.1 «Опто- и фотоэлектроника» и 12.2 «Интегральная фотоника, волоконные и лазерные технологии». В 2024 году впервые в рамках форума было организовано пленарное заседание по данной теме.
Первый доклад заседания представил руководитель приоритетного технологического нап-
равления «Технологии оптоэлектроники и фотоники», заместитель генерального директора АО «Швабе» С. В. Попов. Докладчик отметил, что тезис «оптоэлектроника и фотоника являются локомотивом экономики» получил практическое подтверждение в западной модели развития, а сейчас движение в этом направлении явно наблюдается и в Азии. Направление по технологиям оптоэлектроники и фотоники было выделено в приоритетное технологическое направление в нашей стране в 2016 году в связи с тем, что охватывает множество разнородных областей. Учитывая бурный рост технологий фотоники, в декабре 2023 года из него было выделено новое направление – «Технологии радиофотоники». С. В. Попов назвал некоторые документы, определяющие в том числе направление научно-технического развития в сфере оптоэлектроники и фотоники, отметив, что состав этих документов наводит на мысль о том, чтобы рассмотреть возможность формирования федерального проекта по данному направлению.
Также докладчик привел некоторые сведения о текущем состоянии и перспективах мировой отрасли оптоэлектроники и фотоники, указав на то, что цифры, приводимые
в различных источниках, разнятся. В России, по его словам, выделено несколько основных направлений развития фотоники, включающих техническое зрение, новое поколение материалов для фотоники, лазеры и лазерную обработку, телекоммуникации и хранение данных, системы приема и детектирования фотонных сигналов, биофотонику и фотонные устройства в медицине, фотонные вычисления, фотолитографию, новые технологии интегральной фотоники.
В качестве одного из проблемных вопросов была отмечена сложность сбора и систематизации данных по оптической отрасли, собираемых Росстатом, из-за отсутствия для нее отдельных кодов в классификаторах. Также было уделено внимание кадровому вопросу. В частности, С. В. Попов отметил, что в связи с появлением новых направлений и сегментов фотоники в учебных заведениях целесообразно проведение актуализации соответствующих программ подготовки специалистов.
Еще один озвученный тезис заключается в необходимости создания стратегического плана развития фотоники, учитывая значительное количество использующих технологии фотоники организаций.
В отношении научно-технологической кооперации между предприятиями, вузами и т. п. было высказано мнение, что инструменты, предлагаемые Минобрнауки России, являются понятными и востребованными; вузы готовы подключаться к разработкам по необходимым направлениям. Также был приведен пример успешного проекта с применением мер господдержки с участием Российского научного фонда (РНФ) и Фонда перспективных исследований (ФПИ) в области 2D-материалов.
Е. В. Кузнецов, руководитель приоритетного технологического направления «Технологии радиофотоники», генеральный директор АО «НИИ «Полюс» имени М. Ф. Стельмаха», посвятил свой доклад вопросам развития в России технологий радиофотоники в интересах создания новых информационных систем. Были перечислены преимущества технических систем на основе радиофотоники, такие как сверхнизкие потери в оптическом волокне, сверхширокая полоса пропускания, высокая фазовая стабильность сигналов, устойчивость к внешним помехам и электромагнитным излучениям и др., после чего докладчик указал на то, что за рубежом активная работа по созданию компонентной базы радиофотоники ведется в течение уже трех десятков лет. В последние десять лет в данном направлении проводились работы и в РФ, результатом которых стало создание различных приборов и элементов, необходимых для реализации радиофотонных технологий: одночастотных лазеров и фотодиодов на InP, мощных передающих и приемных оптоэлектронных модулей, фотодетекторов, спектральных демультиплексоров каналов ВОЛС, вертикально-излучающих лазеров, малошумящего перестраиваемого СВЧ-оптоэлектронного генератора, модуляторов, оптоволоконных линий связи, фотонных АЦП. Однако по параметрам отечественные разработки, по словам докладчика, зачастую отстают от мирового уровня, что в особенности проявляется в области создания фотонных интегральных схем (ФИС).
Далее Е. В. Кузнецов сообщил, что в 2023 году АО «НИИ «Полюс» имени М. Ф. Стельмаха» было определено базовой организацией, осуществляющей научную деятельность по развитию технологий радиофотоники, а в августе 2024 года была утверждена межведомственная координационная целевая программа развития радиофотоники в РФ. Докладчик привел некоторые сведения о структуре данной программы, а также о проводимых в настоящее время работах в области радиофотоники.
В частности, было отмечено, что ведутся работы по международному сотрудничеству в данной сфере, в том числе с компаниями из Китая, Индии, Республики Беларусь.
Про упомянутую предыдущим докладчиком инициативу по формированию программы по развитию фотоники до 2030 года Е. В. Кузнецов сказал, что данная программа перспективна, и сейчас на базе лаборатории НПО «Орион» при содействии ФПИ создается площадка, на которой будут проводиться работы по разработке общей программы развития. Для России одной из основных задач разрабатываемой программы является формирование современных высокотехнологичных производств в области фотоники.
Использование потенциала фотоники возможно исключительно в условиях систематизации и координации организационных усилий, финансовых инвестиций в развитие соответствующих направлений. Работы по развитию фотоники в Российской Федерации должны быть в первую очередь сконцентрированы на важнейшей части компонентной базы фотоники, имеющей рыночные перспективы, а именно на компонентной базе лазерной техники и оптоэлектроники, связи и фотонных вычислениях.
Также докладчик уделил внимание подготовке кадров и взаимодействию с вузами, такими как МФТИ и МИФИ.
Заместитель руководителя приоритетного технологического направления «Электронные технологии» по интегральной фотонике, начальник отдела функциональной электроники АО «НИИМЭ» А. Г. Итальянцев начал свой доклад с описания общего ландшафта организаций и предприятий, занимающихся различными направлениями оптоэлектроники и фотоники в нашей стране, а также их сообществ и объединений. Он отметил, что направлений работ много, много и различных программ в данной области, и планы развития нуждаются в координации.
Говоря о программе по интегральной фотонике на период до 2030 года, докладчик сообщил, что парадигма программы построена от общего к частному. При ее формировании был выделен ряд секторов применения интегральной фотоники, а именно: системы обработки данных, системы связи, навигации, датчики медицинского и технического назначения. В каждом секторе было определено несколько целевых изделий, которые должны быть разработаны в первую очередь. Все эти изделия гибридные, в их состав входят как ФИС, так и управляющие, а иногда и функциональные электронные устройства, и другие компоненты.
А. Г. Итальянцев подробно остановился на одном из таких целевых изделий – фотонном тензорном сопроцессоре. Рассматриваемое устройство должно решать задачу реализации нейронной сети на фотонном принципе. При этом электроника для его построения необходима уже потому, что энергия для его работы поступает от электрического источника. Также необходимо преобразование электронного цифрового сигнала в фотонный.
Дальнейшие действия осуществляются в фотонном тракте, где производится модуляция оптической несущей и выполняются, собственно, функциональные операции: в данном случае – взвешенное суммирование входных параметров, то есть выполнение функций нейронов сети. Выходной сигнал должен быть вновь преобразован в электрическую форму с помощью оптоэлектронной схемы. Однако оказывается, что решение подобной задачи фотонным трактом осуществляется по частям, для хранения промежуточных результатов необходима память. Это связано с тем, что пока не удается на основе фотонных технологий создать большую опорную матрицу, на которую производится умножение, с параметрами, обеспечивающими достаточную точность для прикладных задач. Для записи данных в память и их извлечения из нее вновь приходится использовать электронные схемы, обладающие RLC-задержками. Это ограничивает использование преимуществ фотонного тракта в части быстродействия.
Устранить данную проблему можно путем увеличения размера опорных матриц, перехода к так называемым дифракционным сетям или перехода к гибридной 3D-нейронной сети. По словам докладчика, работы по решению данной задачи ведутся в России несколькими компаниями с применением различных подходов.
А. Г. Итальянцев сообщил, что на момент проведения мероприятия было запущено 14 аванпроектов по реализации целевых изделий по программе интегральной фотоники. Когда они будут выполнены, будет поставлен ряд НИОКР, к реализации которых будет привлечен широкий круг исполнителей.
Далее прозвучал доклад члена-корреспондента РАН, директора ФТИ имени А. Ф. Иоффе С. В. Иванова.
Кратко напомнив аудитории историю развития опто-электроники в нашей стране, в частности мировые достижения советских ученых в области полупроводниковых гетероструктур A3B5, лазерных и других фотонных технологий, докладчик перешел к основной теме своего выступления – критическим задачам разработки отечественной опто- и фото-электронной компонентной базы, которые, по его мнению, определяются прежде всего необходимостью достижения полноценного импортозамещения в области разработки технологий и конструкций подобных полупроводниковых устройств, соответствующих по своим параметрам передовому мировому уровню и являющихся ключевыми элементами как можно большего числа оптических систем, используемых в решении приоритетных задач повышения уровня обороноспособности страны, развития промышленности, энергетики, здравоохранения, сбора и обработки информации, транспорта, связи и агротехнологий.
Принципиально важным здесь является участие институтов и компаний, уже имеющих современный задел НИР и НИОКР для ускоренного проведения ОКР совместно с передовыми индустриальными партнерами с последующим внедрением в производство.
Среди ключевых направлений фотонной ЭКБ были обозначены: создание мощных многомодовых и одночастотных торцевых лазерных диодов с диапазоном длин волн 650–2 000 нм для накачки твердотельных лазеров, использования в лидарах, ВОЛС, медицинских
и других применениях, развитие технологий каскадных фотоэлектрических преобразователей для солнечной энергетики, а также преобразователей мощного лазерного излучения, которые могут применяться как в системах связи, так и в системах передачи энергии. Были приведены некоторые результаты работ по этим направлениям, проводимых в мире и в России, в частности в ФТИ имени А. Ф. Иоффе совместно с партнерами. В том числе, были отмечены значительные успехи в создании быстродействующих фотоприемников А3В5 в спектральном диапазоне от 600 нм до 2,2 мкм на частотах модуляции субгигагерцового диапазона с рекордными КПД свыше 50%.
По словам докладчика, комбинация результатов, достигнутых в указанных областях, позволила создать в рамках проекта, финансируемого ФПИ, фотонный волоконно-оптический тракт передачи энергии и информации с высокими параметрами по КПД (свыше 35%) и передаваемой импульсной мощности (свыше 8 Вт в биполярном режиме).
Далее С. В. Иванов остановился на вертикально-излучающих лазерах (ВИЛ), которые, по его словам, представляют собой очень важное направление в том числе для высокоскоростной передачи данных, применения в ФИС, а также для создания миниатюрных источников одномодового излучения, которые могут использоваться в компактных атомных стандартах частоты, квантовых гироскопах, магнитометрах и т. п. Было отмечено, что первые результаты в направлении телекоммуникаций и ФИС были получены институтом в кооперации с партнерами еще в начале 2010-х годов, а сейчас сформирован научно-производственный консорциум, занимающийся продвижением применения ВИЛ в данном направлении.
В начале 2020-х годов на основе ВИЛ совместно с Концерном «ЦНИИ «Электроприбор» был создан квантовый стандарт частоты на атомах цезия. В данном лазере удалось методом прокисления создать ромбовидную апертуру, позволившую достичь практически 100%-ной линейной поляризации излучения, стабильной до 90 °C. Также было отмечено, что в 2024 году были завершены работы по созданию высокочувствительных магнитометров
на основе ВИЛ, использующих явление ядерного магнитного резонанса.
Говоря о фотонике среднего УФ-диапазона на основе нитридов алюминия-галлия, С. В. Иванов высказал мнение, что данной области в нашей стране уделяется недостаточное внимание, хотя в ФТИ имени А. Ф. Иоффе разработаны технологии подобных мощных излучателей, которые могут применяться, в частности, для обеззараживания воздуха, воды и поверхностей, а также технологии солнечно-слепых фотоприемников на базе фотодиодов и фотокатодов для создания, например, систем скрытой помехозащищенной оптической связи или мониторинга паразитных коронных разрядов на ЛЭП.
Еще одна технология, о которой говорилось в докладе, – квантово-каскадные лазеры, представляющие собой мощные однополярные полупроводниковые источники, излучающие в диапазоне длин волн 4–9 мкм и работающие при комнатной температуре. Было отмечено, что в этой области консорциумом, руководимым ФТИ имени А. Ф. Иоффе, созданы импульсные лазеры с рекордными на мировом уровне мощностями, которые могут применяться для мониторинга утечек промышленных газов, а также всепогодной оптической связи со спутниками и БПЛА.
Также в докладе прозвучала информация о том, что в 2025 году ожидается завершение строительства НИОКР-центра ФТИ имени А. Ф. Иоффе, на базе которого при поддержке Минобрнауки и Минпромторга России реализуется проект по созданию Центра современной импортозамещающей гетероструктурной ЭКБ в области фотонных технологий и силовой электроники, в составе которого к концу 2027 года будут введены в эксплуатацию восемь технологических линеек, реализующих НИОКР практически по всем технологиям, озвученным в докладе. Семь из этих линеек – полного цикла с уровнем готовности технологии выше 6-го.
Заключительным докладом заседания стал краткий доклад заместителя руководителя направления информационных исследований – руководителя Центра перспективной электроники Фонда перспективных исследований А. В. Заблоцкого, в котором он рассказал, в частности, о поставленных и реализуемых в настоящее время работах по массовому производству фоточувствительных матриц, созданию технологий производства экономичных объективов, а также разработке видеопроцессоров для систем, совместимых с указанными матрицами. По словам докладчика, успеха в решении данной комплексной задачи удалось достичь благодаря коммуникации – непосредственному общению на всех уровнях. Был приведен и другой пример, в котором спектр тематик создаваемого вузом специального технологического центра для получения поддержки был расширен в соответствии с потребностями промышленности. Первая задача, которая ставится перед вузом в рамках данной кооперации, – разработка технологии корпусирования микроболометрических матриц на уровне пластин (Wafer-Level Packaging – WLP). Поскольку данная технология для отечественной промышленности новая, А. В. Заблоцкий предложил всем, кто готов принять участие в этом проекте – как коллективам, так и отдельным лицам – обращаться непосредственно в ФПИ.
Докладчик отметил, что, как правило, при формировании программ и дорожных карт объявляется сбор предложений, причем времени дается немного, и присылаемые предложения в основном содержат то, что конкретный исполнитель уже умеет делать и на что хочет получить финансирование. С тем чтобы сформировать планы развития, направленные на достижение конечного результата в виде действующего производства востребованной продукции, ФПИ сейчас реализует другой подход, в рамках которого будет отведено достаточно времени на экспертную работу, а сама эта работа будет оплачена.
А. В. Заблоцкий призвал следить за объявлениями по реализации данной программы и при наличии желания и возможностей принимать в ней участие.
Фото предоставлены ООО «ПрофКонференции»
Ю. Ковалевский
В заключительной части статьи о пленарных заседаниях Российского форума «Микроэлектроника 2024» речь пойдет о двух мероприятиях, посвященных развитию технологий СВЧ-микроэлектроники, оптоэлектроники и фотоники. В 2024 году данные крайне актуальные и перспективные направления обсуждались на форуме в формате пленарных заседаний впервые. Мероприятия прошли 25 сентября 2024 года во второй половине дня.
Пленарное заседание «Задачи и перспективы развития технологий СВЧ»
Модераторами заседания выступили заместитель генерального директора по развитию ЭКБ АО «Микроволновые системы» В. М. Миннебаев и заместитель генерального директора – директор по научной работе АО «НПП «Исток» имени А. И. Шокина» С. В. Щербаков.
В начале мероприятия С. В. Щербаков отметил, что на форуме «Микроэлектроника» 2024-го года СВЧ-электронике уделяется существенное внимание: в этот раз впервые проводится пленарное заседание по данной теме, вопросам комплексного развития технологий твердотельной СВЧ-электроники посвящен круглый стол в рамках деловой программы форума.
Первым был представлен доклад генерального конструктора АО «НПП «Исток» имени А. И. Шокина», руководителя приоритетного технологического направления «Технологии радиоэлектроники» А. А. Борисова о развитии технологий СВЧ-электроники в России.
Требования к развитию технологий СВЧ-электроники в России сформулированы и утверждены рядом Указов Президента Российской Федерации, в том числе:
от 23 февраля 2017 года № 91 «Об утверждении Основ государственной политики в области развития оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации на период до 2025 года и дальнейшую перспективу»; от 12 мая 2023 года № 344 «Об утверждении Основ государственной политики Российской Федерации в области развития электронной и радиоэлектронной промышленности на период до 2030 года и дальнейшую перспективу»; от 28 февраля 2024 года № 145 «О стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»; от 7 мая 2024 года № 309 «О национальных целях развития Российской Федерации на период до 2030 года и на перспективу до 2036 года». Практическая реализация этих требований в среднесрочной и долгосрочной перспективе должна обеспечить технологический суверенитет России во всех сферах социально-экономического развития страны, а также в области обороны и безопасности.
Отметив, что пленарное заседание посвящено именно полупроводниковым технологиям в сфере СВЧ, докладчик привел некоторые сведения о мировом рынке в данной области. В частности, он сообщил, что согласно отчетам таких организаций, как German Electrical and Electronic Manufacturersʹ Association, WSTS, Yole Développement и др., объем производства радиоэлектронной аппаратуры в мире в 2023 году составил 5,18 трлн долл. США, из которых 2,9% (около 150 млрд долл.) составляет объем рынка РЭА СВЧ-диапазона.
Стоимость СВЧ ЭКБ, с применением которой была изготовлена СВЧ РЭА, составляет порядка 10,6 млрд долл., что составляет 7,1% от стоимости всей выпущенной СВЧ-электроники. На полупроводниковые СВЧ-приборы приходится около 50% этой величины – 5,36 млрд долл., а около половины данной суммы приходится на рынки арсенид- и нитрид-галлиевых приборов с ежегодным ожидаемым суммарным ростом рынка
на 7,2% в год до 2030 года.
А. А. Борисов отметил, что основными странами, определяющими рост мирового рынка СВЧ ЭКБ, а, следовательно, и развитие сегмента полупроводниковых СВЧ-приборов
на долгосрочный период, будут оставаться недружественные страны, запретившие поставки данных приборов в Россию. Ответ на данные вызовы является приоритетной задачей, так как развитие СВЧ-электроники определяет перспективу создания технических средств во всех отраслях обеспечения жизнедеятельности человека.
Обобщенно проблемные вопросы, влияющие на развитие технологий СВЧ-электроники в России, по словам докладчика, в настоящее время характеризуются:
- отсутствием полнономенклатурных приборных рядов изделий СВЧ-электроники, прежде всего в коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазоне;
- недостаточным доведением до промышленного использования ряда технологий создания изделий полупроводниковой СВЧ-электроники (GaAs HBТ, GaN HEMT, SiGe БиКМОП);
- отсутствием в России промышленных технологий изготовления СВЧ-приборов на основе гетероструктур нитрида галлия во всех востребованных частотных диапазонах;
- отсутствием в России крупноформатных производственно-технологических комплексов по серийному выпуску изделий полупроводниковой СВЧ-электроники (СВЧ-транзисторов и МИС СВЧ) на основе гетероструктур арсенида галлия и нитрида галлия, удовлетворяющих перспективным требованиям растущих объемов потребления;
- проблемами электронного машиностроения и обеспечения требуемыми специальными электронными материалами.
Докладчик указал, что для развития радиоэлектронной отрасли и СВЧ-электроники как ее неотъемлемой части, необходимо решение комплекса взаимоувязанных задач, направленных на решение указанных проблемных вопросов, и описал текущую ситуацию по каждому из них.
В частности, говоря о состоянии в области материалов и химии для полупроводниковых СВЧ-приборов, докладчик рассказал, что, несмотря на усилия профильных департаментов Минпромторга России, ситуация хотя и меняется в положительную сторону, но очень медленно, коренного перелома в специальном материаловедении не наблюдается и по-прежнему сохраняется зависимость от поставок из-за рубежа.
В отношении технологического, инженерного и измерительного оборудования было отмечено, что реализуемая комплексная программа по развитию электронного машиностроения придала серьезный импульс развитию отечественных средств производства, однако не все потенциальные работы находят исполнителей. По некоторым видам оборудования еще не определены планы по его созданию.
Также было сказано, что ряд технологий, определяющих современный мировой уровень развития полупроводниковой СВЧ-электроники, в России еще не достигли промышленного уровня и находятся в стадии НИОКР либо планирования к созданию.
В области технологий на основе GaAs отечественная промышленность находится в условном паритете с зарубежными производителями: российскими предприятиями созданы и создаются приборные ряды СВЧ МИС с характеристиками среднемирового уровня. Также имеется существенный прогресс в развитии новых технологий, определивших современный и перспективный облик полупроводниковых СВЧ-модулей, прежде всего с плотной компоновкой для радиолокаторов с АФАР наземных, бортовых авиационных и коммерческих систем.
В то же время наблюдается существенное отставание от мирового уровня в области СВЧ-приборов на основе GaN – как по номенклатуре, так и по объемам производства. В России имеются дизайн-центры, работающие в данной сфере, сборочные производства, выполняющие корпусирование изготовленных за рубежом кристаллов, а также лабораторные производства, способные выпускать небольшие партии GaN-приборов с ограниченным набором технических и эксплуатационных характеристик.
Применительно ко всем технологиям СВЧ-электроники возможности отечественных дизайн-центров значительно превосходят возможности имеющихся производств. При этом суммарное ежегодное использование СВЧ-приборов на основе GaN и кристаллов, изготовленных за рубежом, преимущественно в Китае, эквивалентно производству
1,5 тыс. пластин диаметром 150 мм, и с каждым годом эти объемы нарастают. С учетом перспективных потребностей разработчиков систем технического зрения, радиолокационной и связной аппаратуры прогнозируемый объем потребления к 2030 году эквивалентен 10–12 тыс. 150-мм пластин в год, что является реалистичным объемом для производственного комплекса, который мог бы функционировать в нашей стране. Таким образом, по словам докладчика, создание комплекса по производству СВЧ-приборов на основе GaAs и GaN в современных условиях является крайне важным и актуальным, а с учетом имеющегося задела эта задача – реально выполнимая. Такой комплекс, включающий две фабрики, арсенид- и нитрид-галлиевую, с производительностью по 1 тыс. 150-мм пластин в месяц, в настоящее время находится в стадии проектирования.
Также в докладе было уделено внимание поставленным задачам в области развития такой перспективной технологии, как гетероинтеграция, которая позволяет разместить на единой подложке кристаллы на основе различных полупроводниковых материалов, достигая при этом наиболее рационального использования СВЧ, цифровых, радиофотонных ИС для построения компактной РЭА различного функционального назначения.
Отдельно А. А. Борисов остановился на вопросах кадрового обеспечения, в том числе отметив роль нового проекта «Передовые инженерные школы» (ПИШ) и рассказав о созданной ПИШ в области СВЧ-электроники на базе РТУ МИРЭА при участии НПП «Исток» имени А. И. Шокина в качестве индустриального партнера.
Следующий доклад представил генеральный директор АО «Светлана-Рост» В. П. Чалый. Он отметил, что, в то время как понятие контрактного производства в приложении к кремниевым кристаллам в России уже стало привычным, в сфере твердотельной СВЧ ЭКБ услуги фаундри являются новым направлением. АО «Светлана-Рост» – первое и пока единственное российское предприятие, работающее по данной модели в этом сегменте. Докладчик указал на то, что обычно объем контрактного кристального производства оценивают в пластинах, но специфика российского рынка заключается в том, что заказчику нужны не пластины, а кристаллы, в связи с чем предприятию пришлось освоить весь цикл, связанный с поставкой кристаллов, включая разбраковку кристаллов на пластине по параметрам, резку пластин, съем кристаллов, их упаковку в транспортную тару. Таким образом, количественные показатели производства представляют собой уже проверенные изделия, а не общий объем произведенных кристаллов на пластинах.
По словам В. П. Чалого, сегодня производство СВЧ ЭКБ АО «Светлана-Рост» включает только изделия малой и средней мощности на основе GaAs. Также было отмечено, что количество выдаваемых лицензий на комплексные инструменты проектирования АО «Светлана-Рост» после резкого роста в 2022–2023 годах проявляет признаки насыщения, что, по всей видимости, свидетельствует о завершении в стране определенного этапа формирования дизайн-центров и групп разработчиков и их перехода на отечественные производственные решения.
Докладчик сообщил, что заказчиками предприятия было разработано 210 типов СВЧ ИМС. На текущий момент на регулярной основе поставляется более 50 типов таких микросхем, которые изготавливаются по трем техпроцессам – GA05-D-L-01 (СВЧ МИС на основе нормально открытых рНЕМТ с длиной затвора 0,5 мкм), LA025-D (СВЧ МИС на основе нормально открытых рНЕМТ с длиной затвора 0,25 мкм) и VA50N (схемы на основе пассивных элементов интегрального исполнения). На сегодняшний день более 100 дизайн-центров обладают PDK, полученными ими безвозмездно на основе лицензионных соглашений. Девять российских вузов, выпускающих специалистов по конструированию СВЧ ЭКБ, обладают лицензиями предприятия и проводят обучение на основе его библио-
тек; два вуза заказывают производство мультипроектных пластин с МИС, разработанных магистрантами, для подтверждения качества моделирования.
Переходя к вопросам производства СВЧ-изделий на основе нитрида галлия, В. П. Чалый отметил, что на данный момент о контрактном производстве GaN МИС в нашей стране говорить не приходится. В АО «Светлана-Рост» разработан базовый техпроцесс, позволяющий изготавливать кристаллы GaN-транзисторов с длиной затвора 0,5 мкм.
Разработана и производится линейка таких транзисторов с выходной мощностью до 120 Вт, в стадии исследования – чип на 160 Вт. В направлении создания корпусированных транзисторов и усилителей на основе GaN HEMT ведется работа с АО «НПП «Пульсар» и АО «НИИЭТ». В 2023 году поставлена пробная партия объемом 500 транзисторов, контракты на поставку в 2024 году включают 2 тыс. шт. данных изделий. Ожидается, что объемы поставок отечественных GaN-транзисторов будут расти и далее.
АО «Светлана-Рост» развивает и контрактное производство по GaN-технологии. Было изготовлено несколько типов верификационных МИС на основе нитрида галлия на кремнии, предназначенных для создания моделей и построения комплексных инструментов проектирования. В планах предприятия предоставить в 2025 году первую библиотеку для проектирования устройств на основе GaN в диапазоне частот до 6 ГГц.
Также В. П. Чалый поделился видением АО «Светлана-Рост» перспектив развития контрактного производства СВЧ ЭКБ в России на горизонте пяти лет при соблюдении определенных условий, среди которых – сохранение открытости рынка производства СВЧ ЭКБ (наличия конкуренции с зарубежными производителями), превалирование среди областей применения СВЧ ЭКБ специальной и оборонной техники (доля гражданского применения остается невысокой), неизменность экономических и законодательных правил, а также то, что по всем позициям рост спроса будет превышать рост производственных возможностей. Перспективы развития в указанных условиях докладчик охарактеризовал как позитивные, отметив при этом, что задачу полного импортозамещения в пределах пятилетнего периода решить вряд ли удастся, однако вполне реально заместить до 85% номенклатуры импортной СВЧ ЭКБ, что зависит не только от набора доступных техпроцессов, но и от того, на основе каких техпроцессов будут разрабатываться конечные изделия.
Докладчик назвал техпроцессы, которые могут быть внедрены в указанном периоде, в частности два GaN-процесса – с нормами 0,5 и 0,25 мкм. По его словам, объемы контрактного производства СВЧ ЭКБ на основе GaAs и GaN могут составить 4–5 тыс. пластин в год (что соответствует примерно 5–7 млн чипов) при выполнении трех основных условий: должны быть разработаны соответствующие техпроцессы, выделен квалифицированный персонал и объективно подтвержден рынок сбыта.
Решение о создании новых производственных мощностей под данный объем АО «Светлана-Рост» планирует принять во второй половине 2026 года. Проект включает новые производственные помещения площадью 10 тыс. м2, включая 3,5–4 тыс. м2 чистых помещений. Ожидается, что проект удастся реализовать за четыре года, а объем инвестиций в данное производство будет примерно равен годовой выручке от реализации продукции.
Если доклад В. П. Чалого был сосредоточен на СВЧ ЭКБ на основе арсенида и нитрида галлия, то А. С. Кравцов, генеральный директор АО «НИИМЭ», сфокусировал свое выступление на перспективах развития кремниевой СВЧ-электроники. Он отметил, что сейчас имеется тенденция к смещению частот в разрабатываемой аппаратуре в миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны, ведется активное освоение диапазона частот 100 ГГц, а в сфере телекоммуникаций рассматривается применение частот до 300 ГГц с продвижением в терагерцовый диапазон. МИС на основе Si, а также GaAs, InP, GaN способны работать на частотах до сотен гигагерц, обеспечивая потребности разрабатываемых изделий. Однако, помимо частотных характеристик СВЧ ЭКБ, важную роль играет ее стоимость. Наилучшее сочетание цены, качества и габаритов обеспечивается гетероинтеграцией нескольких полупроводниковых технологий, например кремниевых и на основе A3B5, поскольку кремниевые СВЧ МИС имеют на 1–2 порядка меньшую стоимость, но обеспечивают меньшую выходную мощность, чем приборы на основе A3B5 в соответствующих частотных диапазонах. Однако при выходной мощности порядка единиц-десятков милливатт возможно использование и только кремниевой технологии. В качестве примера этого был приведен реализованный на одном кристалле кремния функционально завершенный автомобильный радар с частотой 77 ГГц.
Далее докладчик представил сравнение двух ведущих кремниевых СВЧ-технологий – Si КМОП и SiGe БиКМОП. Было отмечено, что вторая обладает лучшими частотными характеристиками и более широким динамическим диапазоном при тех же топологических нормах. Это позволяет не только создавать более высокочастотные и мощные МИС, но и использовать меньшие топологические нормы для изготовления микросхем со сравнимыми частотными параметрами: уровню Si КМОП 45–65 нм примерно соответствует уровень SiGe БиКМОП 130–180 нм. Однако у кремний-германиевой технологии есть и недостатки: например, в малошумящих усилителях (МШУ) она обладает бóльшим коэффициентом шума, чем технология КМОП КНИ. Поэтому в зависимости от решаемых задач необходимо иметь возможность выбора из различных технологических процессов.
А. С. Кравцов отметил, что рынок СВЧ ЭКБ на основе SiGe уже сформировался, и он включает, в частности, трансиверы для автомобильных радаров, усилители мощности для беспроводной передачи данных, МШУ для систем навигации и др. Также, по его словам, в области миллиметровых длин волн в ближайшее время намечается стремительный рост объема потребления коммерческих продуктов, в частности для спутникового Интернета.
Существенное влияние оказывают и устройства медицинского назначения (35–100 ГГц). Далее докладчик сообщил данные о некоторых отечественных разработках СВЧ ЭКБ, приведя в качестве примера полностью российских изделий (включая разработку и производство) комплект СВЧ КМОП ИМС для векторных модуляторов приемопередающих модулей систем радиолокации и связи.
Говоря о текущем состоянии кремниевых технологий в России, А. С. Кравцов сообщил, что на сегодняшний день доступна технология КНИ 90 нм, ведутся работы по SiGe БиКМОП 180 нм и РЧ КНИ 90 нм. Отдельно планируется постановка работы по освоению технологии кремний-германиевых МИС малой степени интеграции. В перспективе рассматривается разработка в том числе технологии SiGe БиКМОП 90 нм, а также совмещение технологий КНИ и SiGe БиКМОП на одном кристалле.
Также в докладе было уделено внимание вопросам перехода на отечественные технологические материалы, влияния ограничения доступа к отдельным видам оборудования и другим проблемам, сдерживающим развитие отечественных микроэлектронных технологий.
Пленарное заседание «Задачи и перспективы развития технологий оптоэлектроники
и фотоники»
Завершило пленарную часть Российского форума «Микроэлектроника 2024» заседание, посвященное задачам и перспективам развития технологий оптоэлектроники и фотоники. В начале мероприятия его модератор, генеральный директор АО «НПО «Орион» В. В. Старцев рассказал о том, что секция по данному направлению была впервые включена в программу научной конференции форума в 2022 году. В первый же год секция собрала большое количество участников. Этот факт, а также то, что тема фотоники и оптоэлектроники очень многогранна, послужили причиной дальнейшего разделения секции на две подсекции – 12.1 «Опто- и фотоэлектроника» и 12.2 «Интегральная фотоника, волоконные и лазерные технологии». В 2024 году впервые в рамках форума было организовано пленарное заседание по данной теме.
Первый доклад заседания представил руководитель приоритетного технологического нап-
равления «Технологии оптоэлектроники и фотоники», заместитель генерального директора АО «Швабе» С. В. Попов. Докладчик отметил, что тезис «оптоэлектроника и фотоника являются локомотивом экономики» получил практическое подтверждение в западной модели развития, а сейчас движение в этом направлении явно наблюдается и в Азии. Направление по технологиям оптоэлектроники и фотоники было выделено в приоритетное технологическое направление в нашей стране в 2016 году в связи с тем, что охватывает множество разнородных областей. Учитывая бурный рост технологий фотоники, в декабре 2023 года из него было выделено новое направление – «Технологии радиофотоники». С. В. Попов назвал некоторые документы, определяющие в том числе направление научно-технического развития в сфере оптоэлектроники и фотоники, отметив, что состав этих документов наводит на мысль о том, чтобы рассмотреть возможность формирования федерального проекта по данному направлению.
Также докладчик привел некоторые сведения о текущем состоянии и перспективах мировой отрасли оптоэлектроники и фотоники, указав на то, что цифры, приводимые
в различных источниках, разнятся. В России, по его словам, выделено несколько основных направлений развития фотоники, включающих техническое зрение, новое поколение материалов для фотоники, лазеры и лазерную обработку, телекоммуникации и хранение данных, системы приема и детектирования фотонных сигналов, биофотонику и фотонные устройства в медицине, фотонные вычисления, фотолитографию, новые технологии интегральной фотоники.
В качестве одного из проблемных вопросов была отмечена сложность сбора и систематизации данных по оптической отрасли, собираемых Росстатом, из-за отсутствия для нее отдельных кодов в классификаторах. Также было уделено внимание кадровому вопросу. В частности, С. В. Попов отметил, что в связи с появлением новых направлений и сегментов фотоники в учебных заведениях целесообразно проведение актуализации соответствующих программ подготовки специалистов.
Еще один озвученный тезис заключается в необходимости создания стратегического плана развития фотоники, учитывая значительное количество использующих технологии фотоники организаций.
В отношении научно-технологической кооперации между предприятиями, вузами и т. п. было высказано мнение, что инструменты, предлагаемые Минобрнауки России, являются понятными и востребованными; вузы готовы подключаться к разработкам по необходимым направлениям. Также был приведен пример успешного проекта с применением мер господдержки с участием Российского научного фонда (РНФ) и Фонда перспективных исследований (ФПИ) в области 2D-материалов.
Е. В. Кузнецов, руководитель приоритетного технологического направления «Технологии радиофотоники», генеральный директор АО «НИИ «Полюс» имени М. Ф. Стельмаха», посвятил свой доклад вопросам развития в России технологий радиофотоники в интересах создания новых информационных систем. Были перечислены преимущества технических систем на основе радиофотоники, такие как сверхнизкие потери в оптическом волокне, сверхширокая полоса пропускания, высокая фазовая стабильность сигналов, устойчивость к внешним помехам и электромагнитным излучениям и др., после чего докладчик указал на то, что за рубежом активная работа по созданию компонентной базы радиофотоники ведется в течение уже трех десятков лет. В последние десять лет в данном направлении проводились работы и в РФ, результатом которых стало создание различных приборов и элементов, необходимых для реализации радиофотонных технологий: одночастотных лазеров и фотодиодов на InP, мощных передающих и приемных оптоэлектронных модулей, фотодетекторов, спектральных демультиплексоров каналов ВОЛС, вертикально-излучающих лазеров, малошумящего перестраиваемого СВЧ-оптоэлектронного генератора, модуляторов, оптоволоконных линий связи, фотонных АЦП. Однако по параметрам отечественные разработки, по словам докладчика, зачастую отстают от мирового уровня, что в особенности проявляется в области создания фотонных интегральных схем (ФИС).
Далее Е. В. Кузнецов сообщил, что в 2023 году АО «НИИ «Полюс» имени М. Ф. Стельмаха» было определено базовой организацией, осуществляющей научную деятельность по развитию технологий радиофотоники, а в августе 2024 года была утверждена межведомственная координационная целевая программа развития радиофотоники в РФ. Докладчик привел некоторые сведения о структуре данной программы, а также о проводимых в настоящее время работах в области радиофотоники.
В частности, было отмечено, что ведутся работы по международному сотрудничеству в данной сфере, в том числе с компаниями из Китая, Индии, Республики Беларусь.
Про упомянутую предыдущим докладчиком инициативу по формированию программы по развитию фотоники до 2030 года Е. В. Кузнецов сказал, что данная программа перспективна, и сейчас на базе лаборатории НПО «Орион» при содействии ФПИ создается площадка, на которой будут проводиться работы по разработке общей программы развития. Для России одной из основных задач разрабатываемой программы является формирование современных высокотехнологичных производств в области фотоники.
Использование потенциала фотоники возможно исключительно в условиях систематизации и координации организационных усилий, финансовых инвестиций в развитие соответствующих направлений. Работы по развитию фотоники в Российской Федерации должны быть в первую очередь сконцентрированы на важнейшей части компонентной базы фотоники, имеющей рыночные перспективы, а именно на компонентной базе лазерной техники и оптоэлектроники, связи и фотонных вычислениях.
Также докладчик уделил внимание подготовке кадров и взаимодействию с вузами, такими как МФТИ и МИФИ.
Заместитель руководителя приоритетного технологического направления «Электронные технологии» по интегральной фотонике, начальник отдела функциональной электроники АО «НИИМЭ» А. Г. Итальянцев начал свой доклад с описания общего ландшафта организаций и предприятий, занимающихся различными направлениями оптоэлектроники и фотоники в нашей стране, а также их сообществ и объединений. Он отметил, что направлений работ много, много и различных программ в данной области, и планы развития нуждаются в координации.
Говоря о программе по интегральной фотонике на период до 2030 года, докладчик сообщил, что парадигма программы построена от общего к частному. При ее формировании был выделен ряд секторов применения интегральной фотоники, а именно: системы обработки данных, системы связи, навигации, датчики медицинского и технического назначения. В каждом секторе было определено несколько целевых изделий, которые должны быть разработаны в первую очередь. Все эти изделия гибридные, в их состав входят как ФИС, так и управляющие, а иногда и функциональные электронные устройства, и другие компоненты.
А. Г. Итальянцев подробно остановился на одном из таких целевых изделий – фотонном тензорном сопроцессоре. Рассматриваемое устройство должно решать задачу реализации нейронной сети на фотонном принципе. При этом электроника для его построения необходима уже потому, что энергия для его работы поступает от электрического источника. Также необходимо преобразование электронного цифрового сигнала в фотонный.
Дальнейшие действия осуществляются в фотонном тракте, где производится модуляция оптической несущей и выполняются, собственно, функциональные операции: в данном случае – взвешенное суммирование входных параметров, то есть выполнение функций нейронов сети. Выходной сигнал должен быть вновь преобразован в электрическую форму с помощью оптоэлектронной схемы. Однако оказывается, что решение подобной задачи фотонным трактом осуществляется по частям, для хранения промежуточных результатов необходима память. Это связано с тем, что пока не удается на основе фотонных технологий создать большую опорную матрицу, на которую производится умножение, с параметрами, обеспечивающими достаточную точность для прикладных задач. Для записи данных в память и их извлечения из нее вновь приходится использовать электронные схемы, обладающие RLC-задержками. Это ограничивает использование преимуществ фотонного тракта в части быстродействия.
Устранить данную проблему можно путем увеличения размера опорных матриц, перехода к так называемым дифракционным сетям или перехода к гибридной 3D-нейронной сети. По словам докладчика, работы по решению данной задачи ведутся в России несколькими компаниями с применением различных подходов.
А. Г. Итальянцев сообщил, что на момент проведения мероприятия было запущено 14 аванпроектов по реализации целевых изделий по программе интегральной фотоники. Когда они будут выполнены, будет поставлен ряд НИОКР, к реализации которых будет привлечен широкий круг исполнителей.
Далее прозвучал доклад члена-корреспондента РАН, директора ФТИ имени А. Ф. Иоффе С. В. Иванова.
Кратко напомнив аудитории историю развития опто-электроники в нашей стране, в частности мировые достижения советских ученых в области полупроводниковых гетероструктур A3B5, лазерных и других фотонных технологий, докладчик перешел к основной теме своего выступления – критическим задачам разработки отечественной опто- и фото-электронной компонентной базы, которые, по его мнению, определяются прежде всего необходимостью достижения полноценного импортозамещения в области разработки технологий и конструкций подобных полупроводниковых устройств, соответствующих по своим параметрам передовому мировому уровню и являющихся ключевыми элементами как можно большего числа оптических систем, используемых в решении приоритетных задач повышения уровня обороноспособности страны, развития промышленности, энергетики, здравоохранения, сбора и обработки информации, транспорта, связи и агротехнологий.
Принципиально важным здесь является участие институтов и компаний, уже имеющих современный задел НИР и НИОКР для ускоренного проведения ОКР совместно с передовыми индустриальными партнерами с последующим внедрением в производство.
Среди ключевых направлений фотонной ЭКБ были обозначены: создание мощных многомодовых и одночастотных торцевых лазерных диодов с диапазоном длин волн 650–2 000 нм для накачки твердотельных лазеров, использования в лидарах, ВОЛС, медицинских
и других применениях, развитие технологий каскадных фотоэлектрических преобразователей для солнечной энергетики, а также преобразователей мощного лазерного излучения, которые могут применяться как в системах связи, так и в системах передачи энергии. Были приведены некоторые результаты работ по этим направлениям, проводимых в мире и в России, в частности в ФТИ имени А. Ф. Иоффе совместно с партнерами. В том числе, были отмечены значительные успехи в создании быстродействующих фотоприемников А3В5 в спектральном диапазоне от 600 нм до 2,2 мкм на частотах модуляции субгигагерцового диапазона с рекордными КПД свыше 50%.
По словам докладчика, комбинация результатов, достигнутых в указанных областях, позволила создать в рамках проекта, финансируемого ФПИ, фотонный волоконно-оптический тракт передачи энергии и информации с высокими параметрами по КПД (свыше 35%) и передаваемой импульсной мощности (свыше 8 Вт в биполярном режиме).
Далее С. В. Иванов остановился на вертикально-излучающих лазерах (ВИЛ), которые, по его словам, представляют собой очень важное направление в том числе для высокоскоростной передачи данных, применения в ФИС, а также для создания миниатюрных источников одномодового излучения, которые могут использоваться в компактных атомных стандартах частоты, квантовых гироскопах, магнитометрах и т. п. Было отмечено, что первые результаты в направлении телекоммуникаций и ФИС были получены институтом в кооперации с партнерами еще в начале 2010-х годов, а сейчас сформирован научно-производственный консорциум, занимающийся продвижением применения ВИЛ в данном направлении.
В начале 2020-х годов на основе ВИЛ совместно с Концерном «ЦНИИ «Электроприбор» был создан квантовый стандарт частоты на атомах цезия. В данном лазере удалось методом прокисления создать ромбовидную апертуру, позволившую достичь практически 100%-ной линейной поляризации излучения, стабильной до 90 °C. Также было отмечено, что в 2024 году были завершены работы по созданию высокочувствительных магнитометров
на основе ВИЛ, использующих явление ядерного магнитного резонанса.
Говоря о фотонике среднего УФ-диапазона на основе нитридов алюминия-галлия, С. В. Иванов высказал мнение, что данной области в нашей стране уделяется недостаточное внимание, хотя в ФТИ имени А. Ф. Иоффе разработаны технологии подобных мощных излучателей, которые могут применяться, в частности, для обеззараживания воздуха, воды и поверхностей, а также технологии солнечно-слепых фотоприемников на базе фотодиодов и фотокатодов для создания, например, систем скрытой помехозащищенной оптической связи или мониторинга паразитных коронных разрядов на ЛЭП.
Еще одна технология, о которой говорилось в докладе, – квантово-каскадные лазеры, представляющие собой мощные однополярные полупроводниковые источники, излучающие в диапазоне длин волн 4–9 мкм и работающие при комнатной температуре. Было отмечено, что в этой области консорциумом, руководимым ФТИ имени А. Ф. Иоффе, созданы импульсные лазеры с рекордными на мировом уровне мощностями, которые могут применяться для мониторинга утечек промышленных газов, а также всепогодной оптической связи со спутниками и БПЛА.
Также в докладе прозвучала информация о том, что в 2025 году ожидается завершение строительства НИОКР-центра ФТИ имени А. Ф. Иоффе, на базе которого при поддержке Минобрнауки и Минпромторга России реализуется проект по созданию Центра современной импортозамещающей гетероструктурной ЭКБ в области фотонных технологий и силовой электроники, в составе которого к концу 2027 года будут введены в эксплуатацию восемь технологических линеек, реализующих НИОКР практически по всем технологиям, озвученным в докладе. Семь из этих линеек – полного цикла с уровнем готовности технологии выше 6-го.
Заключительным докладом заседания стал краткий доклад заместителя руководителя направления информационных исследований – руководителя Центра перспективной электроники Фонда перспективных исследований А. В. Заблоцкого, в котором он рассказал, в частности, о поставленных и реализуемых в настоящее время работах по массовому производству фоточувствительных матриц, созданию технологий производства экономичных объективов, а также разработке видеопроцессоров для систем, совместимых с указанными матрицами. По словам докладчика, успеха в решении данной комплексной задачи удалось достичь благодаря коммуникации – непосредственному общению на всех уровнях. Был приведен и другой пример, в котором спектр тематик создаваемого вузом специального технологического центра для получения поддержки был расширен в соответствии с потребностями промышленности. Первая задача, которая ставится перед вузом в рамках данной кооперации, – разработка технологии корпусирования микроболометрических матриц на уровне пластин (Wafer-Level Packaging – WLP). Поскольку данная технология для отечественной промышленности новая, А. В. Заблоцкий предложил всем, кто готов принять участие в этом проекте – как коллективам, так и отдельным лицам – обращаться непосредственно в ФПИ.
Докладчик отметил, что, как правило, при формировании программ и дорожных карт объявляется сбор предложений, причем времени дается немного, и присылаемые предложения в основном содержат то, что конкретный исполнитель уже умеет делать и на что хочет получить финансирование. С тем чтобы сформировать планы развития, направленные на достижение конечного результата в виде действующего производства востребованной продукции, ФПИ сейчас реализует другой подход, в рамках которого будет отведено достаточно времени на экспертную работу, а сама эта работа будет оплачена.
А. В. Заблоцкий призвал следить за объявлениями по реализации данной программы и при наличии желания и возможностей принимать в ней участие.
Фото предоставлены ООО «ПрофКонференции»
Отзывы читателей
