Развитие наноэлектроники

Введение

Уже с 2003 года нанотехнологии обеспечивают плавный переход от микроэлектроники к наноэлектронике – основе информационных технологий двадцать первого века. В 2003 году элитные вузы Российской Федерации начали подготовку специалистов в области наноэлектроники и нанотехнологии.
Актуальность темы заключается в том, что научно-технический прогресс однозначно связан с развитием нанотехнологий и наноэлектроники.
Цель работы - более полное изучение развития наноэлектроники.
Задачи, необходимые для достижения поставленной цели: рассмотреть общие сведения о нанотехнологиях и нанообъектах, закон Мура, основные тенденции развития наноэлектронных систем, перспективы развития модульных систем, перспективы развития навигационных систем, перспективы развития цифрового телевидения, перспективы развития дисплеев и осветительной техники, перспективы развития электронной промышленности в России.
Структура реферата включает в себя: введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список, состоящий из пяти источников литературы.


Глава 1. Общие сведения о нанотехнологиях и нанообъектах
Нанотехнология – умение целенаправленно создавать объекты (с заранее заданными составом, размерами и структурой) в диапазоне менее ста нанометров.
Наноэлектронные приборы, системы и устройства – изделия, которые содержат элементы с размерами нанометрового диапазона (меньше ста нанометров).
Нанообъекты существуют на нашей планете, сколько существует сама жизнь.
Все природные системы и материалы построены из нанообъектов. Именно в интервале наноразмеров, на молекулярном уровне, природа «программирует» основные характеристики веществ, процессов и явлений. На Рисунке 1.1, приведена «линейка» размеров природных нанообъектов.

Рисунок 1.1 - Линейные размеры природных нанообъектов

Фантастические перспективы, которые сулят изготовление устройств и материалов на молекулярном и атомном уровне, впервые раскрыл в одна тысяча девятьсот пятьдесят девятом году Нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман. Он отметил, что необходимость создания нового класса измерительной и рабочей аппаратуры, требуемой для обращения со столь малыми наноразмерными нанообъектами.
Наноструктуры демонстрируют важную роль в различных областях техники и науки (физика, биология, материаловедение, медицина, химия, и так далее). Например, было обнаружено, что углеродные нанотрубки на порядок прочнее стали, имея при этом в 6 раз меньший удельный вес, наночастицы способны избирательно проникать в раковые клетки и поражать эти клетки и так далее.
В развитии нанотехнологий можно выделить 3 направления:
– изготовление систем и устройств с нанотранзисторами и другими активными наноэлементами, размеры которых сравнимы с размерами единичных атомов и молекул;
– изготовление и разработка наномашин (роботов и механизмов) величиной с молекулу, которые способны на принципах самоорганизации воспроизводить себе подобных. Основы теории наноэлектронных устройств рассматриваются в работах;
– непосредственное манипулирование молекулами и атомами, сборка из них всевозможных материалов с изначально заданными свойствами.
Объединение определенного класса наночастиц в группы позволяет получить соответствующие им наноэлектронные системы пригодные для прикладного использования. В Таблице 1.1 приведены наноэлектронные системы и различные классы наночастиц.


Таблица 1.1 - Наноэлектронные системы и частицы
Наночастицы Наносистемы
Фуллерены Кристаллы, растворы
Тубулены Агрегаты, растворы
Молекулы белков Растворы, кристаллы
Полимерные молекулы Золи, гели
Нанокристаллы неорганических веществ Аэрозоли, коллоидные растворы, осадки
Мицеллы Коллоидные растворы
Наноблоки Твердые тела
Пленки Ленгмюра – Блоджета Тела с пленкой на поверхности
Кластеры в газах Аэрозоли
Наночастицы в слоях различных веществ Наноструктурированные пленки


Глава 2. Тенденции развития наноэлектроники
Нижеуказанные факты в первую очередь следует отнести к основным тенденциям развития наноэлектроники:
– рост производительности и быстродействия наноэлектронных систем и изделий;
– уменьшение энергетического потребления наноэлектронных систем;
– развитие связано с уменьшением линейных размеров наноэлектронных изделий. Темпы миниатюризации описываются в соответствии с законом Мура, суть которого будет изложена ниже;
–для изготовления изделий наноэлектроники освоение новых технологий.
2.1 Закон Мура
Гордон Мур, директор отдела разработок компании Fairchild Semiconductors, в апреле одна тысяча девятьсот шестьдесят пятого года, за 3 года до создания корпорации Intel дал прогноз развития микроэлектроники, который уже 40 лет является непререкаемым правилом для всей индустрии информационных технологий.
Микроэлектроника 40 лет назад пребывала в зачаточном положении. Микросхем тогда производилось совсем мало, в самой сложной из них – интегральной схеме фирмы Fairchild – было всего шестьдесят четыре транзистора. Г. Мур сумел предсказать фантастические темпы развития наноэлектроники вперед на несколько десятилетий. А также было предсказано им, что на кристалле количество транзисторов будет с каждым годом удваиваться. Более того, он сделал прогноз последствий этого, предсказав, что по мере экспоненциального увеличения числа транзисторов на микросхеме процессоры будут становиться все более быстродействующими и дешевыми, а их производство – все более массовым.
Закон Мура имеет форму доступную и простую для понимания. Он определяет темпы развития полупроводниковой индустрии. На ее стремительном росте сейчас развивается вся мировая экономика, которая просто немыслима без компьютеров всех сортов.
Данный закон действует и в настоящее время. Каждые два года, в соответствии с законом Мура, корпорация Intel вводит новые технологические процессы.
Корпорация Intel в две тысячи пятом году израсходовала десять миллиардов долларов на расширение своих производственных мощностей, модернизацию и научно-исследовательские разработки.
В две тысячи одиннадцатом году настал черед технологического процесса производства интегральных схем в двадцать два нанометра, а перед этим: в две тысячи девятом - тридцать два нанометра; в две тысячи седьмом - сорок пять, а в две тысячи шестом году - шестьдесят пять нанометров. Вплоть до две тысячи двадцатого года будут создаваться транзисторы по современной схеме работы. Но к этому году уменьшать размеры элементов транзистора будет просто невозможно, так как размеры этих элементов достигнут атомарных величин. Следовательно, уже сейчас следует искать новые подходы к уменьшению или преобразованию элементов.
2.2 Основные тенденции развития наноэлектронных систем
В Таблице 2.1 приведены основные тенденции развития наноэлектронных систем. В соответствии с законом Мура в настоящее время развитие наноэлектронных систем продвигается с опережением, и это неопровержимый факт.
Таблица 2.1 - Тенденции развития наноэлектронных систем
Наноэлектронные системы Тенденции
Интегральные схемы Скорость и быстродействие возрастают в два раза каждые полтора-два года
Фотоника Емкость передачи увеличивается в два раза каждые полтора-два года
Хранение данных Плотность хранения увеличивается в два раза каждые девять месяцев
Дисплей Количество пикселей увеличивается в два раза каждые два года
Мобильная связь Емкость каналов увеличивается в десять-сто раз каждые пять лет
Программное обеспечение Объем операционных систем увеличивается в два раза каждые два года

Прогноз развития мирового рынка продукции нанотехнологии на 2017 год изображен на Рисунке 2.1. В 2017 году ожидается, что объем сбыта всех нанопродуктов составит порядка тысячи миллиардов долларов Соединенных Штатов Америки.

Рисунок 2.1 - Прогноз развития рынка продукции нанотехнологии на 2017 год
Целевыми программами развития отечественной электронной промышленности до две тысячи пятнадцатого года был предусмотрен переход на отечественную элементную базу при разработках инфокоммуникационных систем. Глобальной навигационной спутниковой системы, которая является отечественной спутниковой системой, правительство Российской Федерации уделяет огромное внимание. Для этого существует цель - формирование массового рынка данной системы в нашей стране на базе большого использования пользователями, как частными, корпоративными, так и государственными.
Рабочая группа Правительственной Комиссии по развитию телерадиовещания в Российской Федерации принимает активное участие в переходе нашей страны на цифровое телевизионное вещание.
Одним из приоритетных направлений в развитии наноэлектроники, является разработка планов организации массового производства передающей и приемной аппаратуры для цифрового телевизионного вещания.
2.3 Перспективы развития модульных систем
Развитие первого поколения модульных систем начинались с создания первых программно- управляемых модульных структур для научных исследований, которое обеспечило компьютерное управление объектами и сбор данных с полосой частот несколько десятков мегабит в секунду.
С изобретением первых вакуумных приборов (одна тысяча девятьсот четвертый год) начинается рассмотрение концепции прогресса наноэлектроники и связана она с научными исследованиями

. Основы революционной смены концепции развития электроники заложило создание транзисторов (пятидесятые года 21 века) и затем технологии твердотельных интегральных микросхем (семидесятые года 21 века). Требовалось сокращение размеров элементов в каждом поколении сверхбольших интегральных схем и постоянный рост разрешающей способности технологий, в связи с увеличением удельной плотности схем.
Классическая теория и современная технология транзисторов ограничивают размеры до десяти нанометров. Единицами нанометров определяется ширина объемного заряда p-n–перехода туннельного диода.
Перспективы развития электроники связаны с открытием новой формы углерода (фуллеренов, в девяностых годах прошлого века). Она (новая форма) обеспечивает свойство сверхпроводимости за счет углеродных структур, имеющих цилиндрическую форму (1991 год, нанотрубки). Это дало возможность начать исследования для разработки технологии на уровне отдельных атомов. Тем не менее, для создания новых приборов быстрое развитие технологий не обеспечивается экспериментальными работами. Такие технологии можно ожидать при реальном переходе промышленности на уровень норм один нанометр и менее (к две тысячи тридцатому году предполагается 0,5–0,1 нанометра). Потребуются многие годы для освоения и исследования методов создания транзисторов на основе нанотрубок. Все это можно соизмерить с развитием предыдущих поколений электронных систем, либо поколений интегральных схем.
Производительность модульных многопроцессорных систем и многоядерных процессоров более не ограничивается числом процессорных узлов, как было ранее в SMP-системах с общей шиной, и может гармонично масштабироваться в компьютерные системы более высокой производительности. Архитектура перспективных модульных сетей и систем основана на перспективных методах модульных систем, перспективных сетевых технологиях коммутируемой связи узлов, на масштабируемых и новых быстрых сопряжениях последовательного типа, на быстрой коммутируемой сетевой среде связи вместо параллельных шин.
Однако потенциальные возможности повышения производительности систем обеспечиваются общей системной архитектуры, новыми возможностями сверхбольших интегральных схем и аппаратными средствами. От прикладных научных исследований и от успешных результатов фундаментальных исследований зависят Успехи создания перспективных сверхбольших интегральных схем. При этом одновременно должно снижаться выделяемое тепло и потребление энергии за счет инновационных решений физико-технических проблем и низкоуровневых сигналов.
Успешное развитие будущей мировой экономики в целом и экономики передовых стран определяется развитием конвергентных компьютерных систем высокой производительности для комплексной автоматизации производственных, научных и инженерных задач.
2.4 Перспективы развития навигационных систем
Как известно, образование наземного и космического сегментов глобальной навигационной спутниковой системы финансируется из бюджета государства и идет по ранее разработанному графику, который определяется соответствующими правительственными постановлениями Российской Федерации. Это позволяет постепенно расширять рынок РФ аппаратуры глобальной навигационной спутниковой системы, но не дает возможности контролировать наиболее автономную и важную составляющую данного рынка – коммерческую, где доминируют навигационные аппараты пользователей с поддержкой сигнала американской навигационной системы глобального позиционирования.
Придется приложить большие силы для изменения менталитета российского покупателя, который привык к тому, что зарубежные навигационные устройства по целому ряду показателей лучше, чем отечественная аппаратура навигационных систем. И в этом есть доля правды. Потребителю придется наглядно доказать, что отечественные навигационные аппараты пользователей действительно не уступают приемникам системы глобального позиционирования по качеству и отвечают требованиям рынка. Придется также убедить массового пользователя Российской Федерации в надежности радиопокрытия глобальной навигационной спутниковой системы, как минимум на территории нашей страны, а затем и в глобальном масштабе. Помимо непрерывного совершенствования самой ГНСС глобальной навигационной спутниковой системы, для этого потребуется немаленькая пропагандистская работа по информированию мировой и российской общественности и широкому освещению в средствах массовой информации преимуществ использования сигналов двух систем и достоинств отечественной навигационной системы.
Но, не смотря на это, покупатели таких модулей могут отвергать их в силу относительно немаленькой стоимости и нестабильности работы в реальных условиях, если в ценовом вопросе они ориентируются на стоимость приемников системы глобального позиционирования зарубежных фирм. Данная ситуация возникла в силу следующих причин:
• неготовность к работе на коммерческом рынке отечественных разработчиков навигационных аппаратов пользователей и навигационных модулей;
• недоверие интеграторов и компаний-производителей навигационно - связного оборудования к навигационным решениям отечественных компаний - разработчиков;
• неразвитость рынка навигационных аппаратов пользователей с поддержкой глобальной навигационной спутниковой системы, так как его объемы пока маленькие;
• естественное желание последних скорее отвоевать свою нишу на рынке даже с оборудованием и несовершенными навигационными модулями, что не очень хорошо сказывается на имидже этих компаний.
Кроме всего, существует возможность предположить, что развитие системы глобальной навигационной спутниковой системы и рынка навигационных аппаратов пользователей в Российской Федерации приведет к конкуренции со стороны западных производителей навигационных микросхем, которые способны незамедлительно наладить выпуск качественных многосистемных модулей и чипов, поставляя их на мировой и российский рынки. Не стоит сбрасывать со счетов и китайских производителей сверхбольших интегральных схем, хотя из-за отсутствия опыта в этой области им будет сложно самостоятельно получить для сверхбольших интегральных схем качественное системное навигационное решение. И, как следствие, для коммерческого рынка необходима также интеграция навигационных систем с цифровыми картами, телекомом и мультимедиа, а также качественное конструкторское решение навигационных аппаратов пользователей. Тем не менее - это особая тема, которая требует отдельного освещения.
В частности, для облегчения работы отечественных производителей программного и алгоритмического обеспечения аппаратуры для спутниковой навигации, а также для стимулирования широкого практического интереса к глобальной спутниковой навигационной системе «ГЛОНАСС» не только в Российской Федерации, но и во всем мире необходимо:
1. Не отступать от принятого графика развертывания космического сегмента глобальной спутниковой навигационной системы «ГЛОНАСС», обеспечив работоспособность полной группировки спутников, и начать вводить систему дифференциальной коррекции и мониторинга.
2. Следить за неукоснительным соблюдением государственными организациями и предприятиями постановления Правительства Российской Федерации, которые предписывают оснащать находящиеся на их балансе транспортные средства аппаратурой спутниковой навигации глобальной навигационной спутниковой системой, либо системой глобального позиционирования.
3. Организовать проведение государственных тендеров на поставку программно-аппаратных OEM- модулей для навигационных аппаратов пользователей с привлечением исключительно российских производителей навигационных систем, обеспечивая равные условия участия в них частных компаний-разработчиков и госпредприятий.
4. В целях удешевления себестоимости готовых приемников навигационных систем необходимо снизить пошлины на импорт радиоэлектронных комплектующих для навигационных аппаратов пользователей, не производимых в Российской Федерации (программируемые логические интегральные микросхемы (ПЛИС), сигнальные процессоры, радиочастотные чипы и другое).
5