Президент РАН представил дорожную карту развития микроэлектроники
Президент РАН академик Геннадий Красников представил дорожную карту развития отрасли до 2042 года, обозначив ключевые технологические вызовы и переход к принципиально новым архитектурам транзисторов. Доклад глава РАН представил 29 сентября в ходе пленарного заседания «Микроэлектроника: перспективы развития и технологические вызовы» на форуме «Микроэлектроника 2026».
«Ни одна наукоёмкая отрасль не изменила наш мир так, как микроэлектроника», — подчеркнул Геннадий Красников. По его словам, классическая кремниевая микроэлектроника подошла к пределу возможностей простого уменьшения топологических размеров. Если планарные транзисторы масштабировались вплоть до технологических норм 28 и 22 нанометров, то на смену им пришли FinFET (МОП-транзистор с трёхмерной структурой), которые позволили освоить диапазон от 22 до 5/3 нанометров. «Для специалиста топологические размеры говорят не так много. Гораздо важнее, какая конкретно технология воспроизводится по этому топологическому размеру», — отметил академик.
Сегодня мировая индустрия переходит к архитектуре Gate-All-Around, также известной как нанолисты, где затвор полностью окружает канал, обеспечивая лучший электростатический контроль. «Это даёт выигрыш по энергопотреблению. Каждый топологический размер уменьшает потребление транзистора», — сказал академик. Согласно представленной дорожной карте, в период с 2025 по 2028 годы ожидается освоение техпроцессов 2 и 1,4 нанометра на базе нанолистов, а к 2031–2034 годам произойдёт переход к комплементарным парам полевых транзисторам CFET, в которых транзисторы n-типа и p-типа располагаются не рядом, а друг над другом. Это позволит преодолеть барьер в 1 нанометр, а к 2040–2043 годам откроет путь к нормам 0,3 и 0,2 нанометра. «Каждый топонимический размер даётся всё сложнее, в том числе в денежном эквиваленте. Каждый раз стоимость чистой комнаты растёт, поэтому вход в отрасль имеет очень высокий порог», — добавил Геннадий Красников.
В докладе были детально проанализированы физические барьеры, препятствующие дальнейшему масштабированию. Среди главных вызовов академик выделил рост «паразитных» параметров и задержек сигналов: при уменьшении поперечного сечения проводников, резко повышается их удельное сопротивление. Одновременно уменьшаются расстояния между элементами, увеличивая паразитные ёмкости. В результате растёт произведение сопротивления и ёмкости межсоединений, что приводит к сильным задержкам сигналов и ограничивает тактовую частоту. Второй проблемой является тепловыделение: чем больше транзисторов размещается на единице площади, тем больше мощности они потребляют и тем больше тепла выделяют. Третьим ограничением выступают квантовые эффекты — при уменьшении длины канала транзистора до размеров, соизмеримых с длиной волны де Бройля электрона в кремнии, волновые свойства носителей заряда вызывают квантовое туннелированные между стоком и истоком транзистора, приводя к потере контроля над каналом. Появляется высокий риск отсутствия транзисторного эффекта.
Для решения предлагается комплекс мер, таких как применение Low-K диэлектриков, High-K диэлектриков и новых материалов. Геннадий Красников сообщил, что технологические процессы уровня 1 нанометров и ниже перейдут к подходам Semi-damascene / Subtractive Metallization. Здесь медь заменит рутений, образуя воздушные зазоры и самовыравнивающиеся переходные отверстия. Они обеспечивают переходные отверстия без барьерного слоя для снижения сопротивления и уменьшения «потерянного» объёма для повышения проводимости. Следующим шагом станут технологические процессы уровня 0,5 нанометров и ниже, в которых будут использоваться альтернативные материалы, такие как оксид платины и кобальта (PtCoO₂).
Если современные трёхнанометровые чипы позволяют разместить более 100 млрд транзисторов, то к 2042 году с освоением 0,2 нанометра микросхемы на той же площади будут вмещать примерно 7 трлн транзисторов. «Это колоссальное количество, которое позволит реализовывать многие вещи совершенно по-другому», — сообщил Геннадий Красников. При этом он подчеркнул, что в ближайшее десятилетие не наблюдается явной альтернативы классическим микроэлектронным технологиям, а быстро развивающиеся направления, такие как квантовые компьютеры и фотонные процессоры, будут расширять возможности классической микроэлектроники для отдельных применений.
«Благодаря микроэлектронике у нас постоянно растёт не только сложность интегральных микросхем, но и быстродействие. Оно увеличивается за счёт того, что мы начинаем выполнять множество параллельных вычислений: современная схемотехника благодаря большому количеству транзисторов позволяет размещать десятки, а иногда и сотни микропроцессоров одновременно. Тем самым каждые десять лет производительность компьютеров возрастает в тысячу раз. Кстати, то, о чём мы говорим применительно к искусственному интеллекту или машинной обработке больших баз данных, стало возможным именно благодаря эффекту роста производительности за последние тридцать лет. И к началу сороковых годов производительность увеличится ещё в миллион раз по сравнению с тем, что мы имеем сейчас», — резюмировал президент РАН.
Что касается перспектив российской отрасли, Геннадий Красников подчеркнул, что прогноз во многом зависит от объёмов финансирования и государственной политики. По его оценке, к 2030–2031 году Россия может выйти на уровень 28 нанометров, а ещё через два года — перейти на 14 нанометров. Однако сохранение таких темпов возможно лишь при соответствующих инвестициях — одна фабрика следующего поколения стоит более триллиона рублей. При этом академик отметил, что запуск фабрики — лишь часть задачи: параллельно должна развиваться инфраструктура, включая особо чистые материалы. При благоприятном сценарии глава РАН допустил, что к 2040 году Россия сможет выйти на уровень 2 нанометра.
