Электроника XXI века: горизонты открыты

Научное прогнозирование — это испытанный временем и требующий тщательных исследований способ предсказать темпы перехода на новую ступень развития той или иной области, открывающий все более широкие горизонты и стимулирующий движение науки вперед в целях совершенствования технологии, методологии и спецификации продукции мировых рынков.

Методология научно-технического прогнозирования (форсайта) – это эмпирический анализ стратегии развития социально-экономической сферы, мотивирующий экономику и общество к инновационным высокотехнологическим прорывам.

Форсайт является ярким доказательством того, что для получения оптимальной траектории инновационного развития необходимо, проанализировав достижения в прошлом, предпринимать конкретные меры и действия сегодня.

Для систематизации данной методологии необходимо ввести такой термин, как «Science and technology roadmapping» («технологические дорожные карты», «технологическая стратегическая маршрутизация»), основывающийся на графической визуализации прогнозирования технического развития исследуемой отрасли науки, а также узлов данного развития (прошлого, настоящего и будущего в технологии), объединенных причинно-следственными связями.

Дорожная карта – это связующее звено в цепочке целенаправленных результатов (показателей), учитывающее вероятностные допущения и возможность реализации нескольких путей развития с учетом критериев и условий для принятия того или иного решения. Важным фактором при составлении дорожных карт являются реальные научные и производственные возможности в целом. Отдельные производители и научные коллективы не учитываются. Методика технологических карт имеет двадцатилетний опыт и позволяет объединять возможности и цели государства и бизнеса в единый организм, направляя концентрацию усилий на перспективные направления развития наноиндустрии.[1]

Прежде чем анализировать целесообразность понятий методологии научно-технического прогнозирования, необходимо провести исторический экскурс в данном направлении. Пути научно-технического прогнозирования впервые отразил американский философ и историк науки Томас Сэмюель Кун (1929-1996). Его концепция развития науки складывается из противоположности позитивистской традиции. По мнению Куна, теория науки основывается на своей истории, а ее развитие ни в коем случае не является наращиванием новых законов и представлений на устоявшиеся. Научные революции, трансформация законов, падение стереотипов – вот путь создания будущего в науке.

"Нормальная наука", с точки зрения Куна, "означает исследование, прочно опирающееся на одно или несколько прошлых научных достижений, которые в течение некоторого времени признаются определенным научным сообществом как основа для его дальнейшей практической деятельности". Ученые, научная деятельность которых строится на основе одинаковых парадигм, опираются на одни и те же правила и стандарты научной практики. Эта общность установок и видимая согласованность, которую они обеспечивают, выступают предпосылками для генезиса "нормальной науки".

Однако следует отметить, что концепция Куна была направлена отнюдь не на опровержении существующих и признанных теорий и подготовке соответствующих экспериментов. Напротив, Кун убежден, что ". ученые в русле нормальной науки не ставят себе цели создания новых теорий, обычно к тому же они нетерпимы и к созданию таких теорий другими. Напротив, исследование в нормальной науке направлено на разработку тех явлений и теорий, существование которых парадигма заведомо предполагает".

Таким образом, "нормальная наука" практически не ориентируется на крупные открытия. Она обеспечивает лишь преемственность традиций того или иного направления, накапливая информацию, уточняя известные факты. "Нормальная наука" предстает у Куна как "решение головоломок". Есть образец решения, есть правила игры, известно, что задача разрешима, а на долю ученого выпадает возможность попробовать свою личную изобретательность при заданных условиях. Это объясняет привлекательность нормальной науки для ученого. До тех пор пока решение головоломок протекает успешно, парадигма выступает как надежный инструмент познания. Но вполне может оказаться, что некоторые задачи-головоломки, несмотря на все усилия ученых, так и не поддаются решению. Доверие к парадигме падает. Наступает состояние, которое Кун называет кризисом. Под нарастающим кризисом он понимает постоянную неспособность "нормальной науки" решать её головоломки в той мере, в какой она должна это делать, и тем более возникающие в науке аномалии, что порождает резко выраженную профессиональную неуверенность в научной среде. Нормальное исследование замирает. Наука по сути дела перестает функционировать.

Период кризиса заканчивается только тогда, когда одна из предложенных гипотез доказывает свою способность справиться с существующими проблемами, объяснить непонятные факты и благодаря этому привлекает на свою сторону большую часть ученых. Эту смену парадигм, переход к новой парадигме Кун называет научной революцией. "Переход от парадигмы в кризисный период к новой парадигме, от которой может родиться новая традиция "нормальной науки", представляет собой процесс далеко не кумулятивный и не такой, который мог бы быть осуществлен посредством более четкой разработки или расширения старой парадигмы. Этот процесс скорее напоминает реконструкцию области на новых основаниях, реконструкцию, которая изменяет некоторые наиболее элементарные теоретические обобщения в данной области, а также многие методы и приложения парадигмы".

Каждая научная революция изменяет существующую картину мира и открывает новые закономерности, которые не могут быть поняты в рамках прежних предписаний. "Поэтому, - отмечает Кун, - во время революции, когда начинает изменяться нормальная научная традиция, ученый должен научиться заново воспринимать окружающий мир". Научная революция значительно меняет историческую перспективу исследований и влияет на структуру научных работ и учебников. Она затрагивает стиль мышления и может по своим последствиям выходить за рамки той области, где произошла.

Таким образом, научная революция как смена парадигм не подлежит рационально-логическому объяснению, потому что суть дела в профессиональном самочувствии научного сообщества: либо сообщество обладает средствами решения головоломки, либо нет, и тогда сообщество их создает. Научная революция приводит к отбрасыванию всего того, что было получено на предыдущем этапе, работа науки начинается как бы заново, на пустом месте.[2]

Для дальнейшей систематизации научно-методологических исследований следует обозначить такое понятие, как «технологический уклад». Этим открытием мир обязан известному российскому учёному-экономисту Николаю Дмитриевичу Кондратьеву, главе московского Конъюнктурного института при Наркомате финансов СССР(1920—1928). Изучая историю развития мировой экономики, Н.Д. Кондратьев пришёл к идее существования больших — протяжённостью в 50—55 лет — экономических циклов, для которых характерен определённый уровень развития производительных сил («технологический уклад»). Как правило, такие циклы заканчиваются кризисами, за которыми следует этап перехода производительных сил на более высокий уровень развития.

К настоящему времени известно пять технологических укладов (волн) и активно проявляется наступление шестого, берущего начало в 2010 году, где значительную часть занимают различные направления применения нанотехнологии. [3] Поразительно, насколько точно ученый в начале прошлого столетия отразил историческую карту в шести технологических укладах. Убедиться в уникальности данного открытия дает возможность карта технологических укладов Кондратьева (приложение 1).

При сохранении нынешних темпов технико-экономического развития, шестой технологический уклад начнёт оформляться в 2010—2020 годах, а в фазу зрелости вступит в 2040-е годы. При этом в 2020—2025 годах произойдёт новая научно-техническая и технологическая революция, основой которой станут разработки, объединяющие достижения названных выше базовых направлений. Для подобных прогнозов есть основания. В США, например, долевое соотношение производительных сил пятого технологического уклада составляет 60%, четвёртого — 20%. И около 5% уже приходятся на шестой технологический уклад. Поэтому важнейшей задачей научной политики стала разработка инструментов определения научно-технологических приоритетов, а также механизмов их реализации. В развитых странах одним из наиболее распространенных методов решения этой задачи стали перечни критических технологий. Цель метода критических технологий – выявление приоритетов научно-технического развития на среднесрочную перспективу (обычно от 3 до 10 лет). [4] Общая схема выбора критических технологий на национальном уровне представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Общая схема выбора критических технологий на национальном уровне.

В Российской Федерации критические технологии - один из основных инструментов государственной политики в области развития отечественной науки и технологий. Его формирование предусмотрено «Основами политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», утверждёнными Указом Президента Российской Федерации от 30 марта 2002 года № Пр-576. [5]

В данном документе на официальном государственном уровне впервые используется и раскрывается термин «нанотехнологии». Критическими признали следующие нанотехнологии: материалы для микро- и наноэлектроники; прецизионные и нанометрические технологии обработки, сборки, контроля; элементная база микроэлектроники, наноэлектроники и квантовых компьютеров.

24 апреля 2007 года глава государства утвердил президентскую инициативу «Стратегия развития наноиндустрии», в которой в качестве одного из ключевых элементов формируемой национальной нанотехнологической сети указана Российская корпорация нанотехнологий с возложением на нее задач организационной и финансовой поддержки инновационной деятельности в сфере нанотехнологий. Согласно стратегии, государством должны быть выделены необходимые средства на материально-техническое, кадровое и организационное обеспечение соответствующих работ. В стратегии, в частности, сказано, что формирование национальной нанотехнологической сети должно осуществляться в два этапа: первый этап — 2007—2010 годы, второй этап — 2011—2015 годы. На первом этапе должны быть сформированы конкурентоспособный сектор исследований и разработок в области наноиндустрии и эффективная система коммерциализации объектов интеллектуальной собственности в сфере нанотехнологий. На втором этапе должны быть созданы условия для масштабного наращивания объема производства продукции наноиндустрии и выхода профильных российских организаций на мировой рынок высоких технологий. Структурная основных схема направлений критических технологий в Российской Федерации на 2015г. представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема основных направлений критических технологий в РФ на 2015г.

Именно поэтому критические технологии являются злободневными как никогда сейчас, ведь длящаяся больше года работа по корректировке приоритетных направлений развития науки, техники и технологий и перечня критических технологий еще не завершена. В ходе рассмотрения анализа правовых актов, принятых в 2014 году, установлено, что на увеличение сроков процесса могла повлиять ситуация, связанная с принятием в июне 2014 года федерального закона о стратегическом планировании и эффектами от начала его реализации. В частности, п. 1 ст. 22 федерального закона установил, что «Прогноз научно-технологического развития Российской Федерации разрабатывается на основе решений Президента Российской Федерации каждые шесть лет на двенадцать и более лет федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной политики и нормативно-правовому регулированию в сфере научной, научно-технической и инновационной деятельности, с учетом приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, перечня критических технологий Российской Федерации и на основе данных, представляемых федеральными органами исполнительной власти, органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации и Российской академией наук». В логике этого положения в конце октября 2014 года (практически сразу после завершения работ Минобрнауки России над проектом указа о корректировке приоритетных направлений развития науки, техники и технологий), правительством внесены изменения в свое постановление от 22.04.2009 № 340: вместо прежнего четырехлетнего периода был установлен шестилетний срок для корректировки приоритетных направлений и перечня критических технологий (подпункт «в» пункта 2 перечня изменений). Формально это решение предоставляет органам государственной власти и экспертному сообществу дополнительное время сроком в два года для дальнейшего уточнения приоритетов научно-технологического развития страны. Однако в условиях динамично меняющихся внешних вызовов «гиперсвязанного мира» потеря темпов содержит в себе риски снижения эффективности управления такой исключительно важной и сложной сферой, какой является государственный сектор науки. С этой точки зрения следует позитивно оценить решение главы государства, который 27 декабря 2014 года поручил Правительству РФ совместно с президиумом Совета при Президенте РФ по науке и образованию и Российской академией наук завершить работу по формированию приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в срок до 30 мая 2015 года «с учетом необходимости снятия критической зависимости от зарубежных разработок и технологий» (№ Пр-3011, п. 2 г). [6]

Одним из первостепенных направлений перечня критических технологий является элементная база. Электроника стремительно развивается на протяжении последнего века, так же стремительно изменяется элементная база.

Первое поколение было основано на использовании электровакуумных ламп (рисунок 3a) и проводных электрических связей. Второе поколение ознаменовано появлением полупроводниковых приборов, выигрывающих у электровакуумных почти по всем параметрам. Третье поколение соответствуют интегральные микросхемы (ИМС) малой степени интеграции и конструкции на печатных платах. В четвёртом происходит повышение степени интеграции, появление больных интегральных схем и многослойных печатных плат. К пятому широкое применение нашли чипы ЭРЭ, а так же функциональная микроэлектроника (рисунок 3b)

Рис. 3 Электровакуумная лампа (a) и современные электронные

Скорость развития элементной базы электроники непрерывно возрастает. Технологии, появившиеся в одном поколении, продолжают развиваться в наиболее оправданных направлениях. Развитие электроники от поколения к поколению идет в направлении: миниатюризации, повышения качества продукции, уменьшения стоимости и потребляемой энергии.

На текущем этапе развития электроники наиболее широко применяются интегральные микросхемы (рисунок 4). Постоянное усложнение ставящихся задач привело к непрерывному росту числа элементов. Производимые сейчас ИМС содержат сотни миллионов элементов.

Рис. 4 Микропроцессор Эльбрус-S

Разработка ИМС это в первую очередь вопрос выбора технологического воплощения. Необходимо рассмотреть все аспекты: особенности конкретной ИМС, возможности и ограничения выбранной реализации и многие другие.

Сейчас существуют два основных класса микросхем – полупроводниковые и гибридные. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, которые определяют их области применения. По своим конструктивным и электрическим характеристикам полупроводниковые и гибридные интегральные схемы дополняют друг друга и могут одновременно применяться в одних и тех же радиоэлектронных комплексах.

При производстве ЭВМ и других микросхем малой мощности используются полупроводниковые ИМС. В схемах с большими мощностями главенствующую позицию занимают гибридные микросхемы.

Прогноз масштабируемости отражает всемирно известный «закон Мура» — наблюдение, изначально сделанное 19 апреля 1965 года, согласно которому количество , размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Однако, согласно оценкам группы International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), в 2028 году полупроводниковая индустрия впадёт в ступор, если не будет найдена возможность выпускать электронные приборы с намного меньшими нормами производства, чем сейчас. [8] Следовательно, на практике реализация закона Мура рисковала до недавнего времени зайти в тупик. Уменьшение габаритов интегральных схем микропроцессоров неизбежно требует уменьшения размеров транзисторов. Для кремния, как для основополагающего материала в данной сфере, эти изменения приводят к повышению сопротивления между контактами, и, как следствие, затруднению течения тока что, в свою очередь, приводит к потере качества. Однако, крупный прорыв IBM вдохнул новую жизнь в закон Мура: сверхкрошечные углеродные нанотрубчатые транзисторы могут решить проблему с размером (рисунок 5).

Рисунок 5. Зависимость количества транзисторов от даты нововведения.

В статье, опубликованной в журнале Science 2 октября 2015г., ученые IBM объявили, что обнаружили способ уменьшить длину контакта транзисторов из углеродных нанотрубок — ключевого компонента в этой технологии. Структура углеродной нанотрубки представлена рисунке 6.

Рисунок 6. Структурное изображение углеродной нанотрубки.

В масштабируемости чипа есть два проблемных вопроса с размерами: затвор транзистора и длина контакта. Вопрос с затвором IBM решила два года назад. «Масштабируемость контакта была последней задачей масштабируемости», — говорит Уилфрид Хэнш, старший менеджер по физике и материалам логики в сфере коммуникаций IBM. И теперь ученые IBM утверждают, что решили и эту задачу. В своих экспериментах ученые IBM сжали длину контакта до 9 нм без какого-либо увеличения сопротивления (рисунки 7,8). [9]

Рисунок 7. Практическая реализация нанотрубчатого транзистора.

Рисунок 8. Фото реализации транзистора на основе углеродных нанотрубок, сделанное на атомно-силовом микроскопе.

Данное достижение позволяет радикально взглянуть на развитие электроники и делает уверенный скачок в VI технологическом укладе. Нанотехнологии – это рассвет электроники нашей эпохи.

На данный момент сложно даже представить, что может стать элементной базой будущего. Но прояснить ситуацию и систематизировать полученные многолетним трудом данные, а также поставить горизонты развития, как уже упоминалось ранее, помогают технологические дорожные карты.

Сегодня уже нет сомнения, что технологическая дорожная карта является эффективным инструментом планирования разработки и производства товаров и услуг. В сети Интернет вы обнаружите огромное количество отраслевых и продуктовых технологических дорожных карт, которые подготовлены в различных странах. Наибольший интерес для любого разработчика нового изделия представляют продуктовые технологические дорожные карты. При поверхностном знакомстве с технологической дорожной картой может показаться, что это просто программа (план) разработки и производства конкретного продукта. Но это далеко не так. Дорожная карта составляется на длительный период и учитывает эволюцию не только основных технологий, но и всех технологий, необходимых для создания целевого продукта. Таким образом, это многомерный план, составление которого требует глубокого анализа эволюции во времени всех смежных технологий. Технологическая дорожная карта позволяет не только увидеть траекторию создания продукта, но и его эволюцию во времени. Основная причина, почему был востребован новый тип планирования разработок и производства, обусловлена тем, что в последние десятилетия инновационный цикл «от идеи до изделия» постоянно сокращается. При планировании необходимо учитывать, что в процессе выполнения работы «технологическая среда» будет изменяться, и появляющиеся в этот период новые идеи, материалы, технологии и оборудование нужно вовлекать в процесс изготовления изделия. В технологической дорожной карте последовательно описывается движение разработки, указываются соисполнители и требуемые на каждом этапе ресурсы. Думаю, что в ближайшее время, для того чтобы получить ресурсы на разработку и производство, нужно будет предъявить финансирующей структуре технологическую дорожную карту. Подготовленная дорожная карта значительно снижает технические риски реализации проекта.

Дорожные карты имеют ряд отличий от других методов прогнозирования. Существенная особенность метода заключается в том, что он не только позволяет сформировать определенное видение будущего, но и способствует вовлечению научного, образовательного и бизнес-сообществ в процесс достижения поставленных целей. Это достигается за счет широкого использования экспертных методов при построении дорожных карт, развития системы коммуникации и механизмов обратной связи между участниками. Отличительной чертой дорожных карт является детальный учет фактора времени. Этапы инновационного цикла для различных продуктов и технологий отображаются на единой линии времени, при этом делается акцент на согласовании временных координат действий и событий. Такой подход позволяет связать воедино планы научных исследований, разработки и внедрения продуктов.

Рисунок 9. Дорожная карта Евросоюза для наноматериалов в аэрокосмической промышленности до 2015 г.

Дорожная карта позволяет определить степень готовности к производству отдельных видов продукции, одновременно давая представление о долгосрочных тенденциях развития рынка. Благодаря этому, например, можно оценить необходимость фундаментальных исследований в тех областях, которые не дают быстрого коммерческого эффекта, но являются стратегически важными для развития отрасли. Еще одна важная особенность дорожных карт – представление результатов исследования в четкой и понятной форме. Ядром дорожной карты является визуальная схема движения к намеченной цели, которая интегрирует другие компоненты исследования. Метод дорожных карт может реализовываться различными способами, делая упор как на технологические («technology push»), так и на рыночные («market pull») аспекты. В зависимости от поставленных целей исследования могут применяться разные типы дорожных карт – продуктовые карты (product planning), карты для планирования программ (program planning) и процессов (process planning) и др. [10] Дорожные карты нашли широкое применение в бизнесе, они разрабатываются в ряде крупнейших компаний, в том числе на регулярной основе. Как показывает практика, метод дорожных карт может использоваться и при формировании государственной научно- технической политики.

На сегодняшний день ведется множество перспективных разработок в области инновационных видов электроники, таких как молекулярная электроника, спинтроника, фотоника, терагерцовые системы и технологии, электроника, основанная на квантовых эффектах и многие другие, основных из которых будут рассмотрены нашей группой позднее во второй части статьи. Достижения современной науки позволяют с оптимизмом смотреть в будущее. Поэтому можно с уверенностью сказать, что горизонты развития электроники в VI технологическом укладе открыты.

1. URL : свободный (дата обращения: 07.12.2015г)

2: Кун С.Т. Структура научных революций. / С.Т. Кун// Перевод с англ. яз. И. З. Налётова - Москва, 1975. – 605стр

3: Николаев И.А. Комплексная программа научно-технического прогресса и его социально-экономических последствий. Том 15. Развитие науки. / - АН СССР, ГКНТ СССР, 1979

4: Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад / Е. Н. Каблов // Наука и жизнь. – 2010. - №4.

5: Информационный портал "ОХРАНА ТРУДА В РОССИИ" . – URL: (дата обращения: 11.12.2015г)

6: Никонов В.А. Государственное управление. Электронный вестник / Сетевой научный журнал факультета государственного управления Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова //В.А. Никонов - Февраль 2015. - № 48.

7: Официальный сайт Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. - URL : (дата обращения: 12.12.2015г)

8: Официальный сайт Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники . - URL : (дата обращения: 11.12.2015г)

9: Сайт о нанотехнологиях №1 в России. – URL : (дата обращения: 09.12.2015г)

10: Алфимов М.В. Технологические дорожные карты /Российские нанотехнологии// М.В.Алфимов - март-апрель 2009. - том 4, №3-4