Как развивались мощные полевые транзисторы с момента их изобретения. Какие ключевые этапы прошла эта технология. Какие преимущества дают современные мощные полевые транзисторы. Каковы перспективы их дальнейшего развития.
История создания и развития мощных полевых транзисторов
Мощные полевые транзисторы прошли долгий путь развития с момента их изобретения в середине XX века. Рассмотрим основные этапы этого пути:
- 1947 год — изобретение первого транзистора учеными компании Bell Labs
- 1960-е годы — появление первых полевых транзисторов
- 1970-е годы — разработка силовых МОП-транзисторов
- 1980-е годы — начало массового производства мощных полевых транзисторов
- 1990-е — 2000-е годы — совершенствование технологии, повышение мощности и надежности
- 2010-е годы по настоящее время — развитие новых материалов и конструкций
За это время мощные полевые транзисторы прошли путь от экспериментальных образцов до массовых изделий, широко применяемых в силовой электронике.
Ключевые достижения в технологии мощных полевых транзисторов
Какие важнейшие достижения позволили мощным полевым транзисторам занять лидирующие позиции в силовой электронике? Среди них можно выделить:
- Разработка вертикальной структуры транзистора для увеличения плотности тока
- Создание технологии двойной диффузии для формирования канала
- Применение поликремниевого затвора вместо металлического
- Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика
- Оптимизация топологии ячеек для снижения сопротивления открытого канала
- Использование новых материалов (карбид кремния, нитрид галлия)
Эти и другие технологические новшества позволили на порядки улучшить характеристики мощных полевых транзисторов.
Преимущества современных мощных полевых транзисторов
Современные мощные полевые транзисторы обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими типами силовых полупроводниковых приборов:
- Высокое входное сопротивление и малая мощность управления
- Высокое быстродействие
- Положительный температурный коэффициент сопротивления
- Отсутствие вторичного пробоя
- Высокая радиационная стойкость
- Возможность параллельного включения
Эти преимущества обеспечивают широкое применение мощных полевых транзисторов в современной силовой электронике.
Области применения мощных полевых транзисторов
Где сегодня наиболее широко применяются мощные полевые транзисторы? Основными областями их использования являются:
- Импульсные источники питания
- Инверторы для электроприводов
- Сварочные аппараты
- Системы индукционного нагрева
- Преобразователи для альтернативной энергетики
- Системы управления электродвигателями
- Автомобильная электроника
Широта применения обусловлена уникальным сочетанием характеристик мощных полевых транзисторов.
Сравнение мощных полевых транзисторов с биполярными
Какие преимущества имеют мощные полевые транзисторы по сравнению с биполярными? Основные из них:
- Более высокое быстродействие
- Меньшие потери на управление
- Отсутствие насыщения и, как следствие, меньшие динамические потери
- Положительный температурный коэффициент сопротивления, обеспечивающий устойчивость к тепловому пробою
- Возможность простого параллельного включения
При этом биполярные транзисторы сохраняют некоторые преимущества в области низких напряжений и больших токов.
Перспективные направления развития мощных полевых транзисторов
Каковы основные направления дальнейшего совершенствования мощных полевых транзисторов? Среди них можно выделить:
- Применение новых полупроводниковых материалов (карбид кремния, нитрид галлия)
- Создание транзисторов со сверхмалым сопротивлением открытого канала
- Повышение рабочих напряжений до 1500-2000 В и выше
- Улучшение динамических характеристик
- Интеграция силовых транзисторов и схем управления
- Создание интеллектуальных силовых модулей на основе полевых транзисторов
Эти направления позволят еще больше расширить области применения мощных полевых транзисторов в будущем.
Проблемы и ограничения мощных полевых транзисторов
С какими проблемами и ограничениями сталкиваются разработчики мощных полевых транзисторов? Основные из них:
- Сложность создания структур с высоким пробивным напряжением
- Ограничения по максимальному току из-за эффекта квазинасыщения
- Чувствительность к статическому электричеству
- Сложность обеспечения высокой стойкости к короткому замыканию
- Проблемы с устойчивостью при параллельном включении большого числа транзисторов
Преодоление этих ограничений — важная задача для дальнейшего развития технологии мощных полевых транзисторов.
История отставания СССР от передовых стран в производстве микроэлектроники: historical_fact — LiveJournal
40-70-е года
В 1947 году группой ученых США был изобретен первый транзистор, положивший начало миниатюризации электроники. В 70-х годах минимальный контролируемый размер серийно производимых микросхем составлял 2–8 микрометра, в 80-х – 0,5–2. В 1971 году вышел первый промышленный микропроцессор – Intel 4004. В нем было всего 2250 транзисторов. В 1978-м в микропроцессоре Intel 8086 было размещено 29 тысяч транзисторов на кристалле. Легендарный Pentium 4 уже включал 42 миллиона транзисторов.
Сегодня эти числа дошли до миллиардов, например в AMD Epyc Rome поместилось 39,54 миллиарда транзисторов.
Первый компьютер в Европе был создан командой ученых под руководством Сергея Лебедева из Киевского института электротехники в 1950 году. Она содержала около шести тысяч электровакуумных ламп и потребляла 15 киловатт. Машина могла выполнять около трех тысяч операций в секунду.
Но даже ламповые советские ЭВМ первого поколения были сделаны с запозданием на несколько лет в сравнении с США. Знаменитая советская БЭСМ-6 второго поколения (на транзисторах) по уровню микроэлектронной элементной базы значительно уступала американской CDC 6600. В БЭСМ-6 использовались 60 тыс. германиевых транзисторов и 180 тыс. полупроводниковых диодов, а в CDC было уже 6 тыс. типовых модулей по 400 тыс. транзисторов в каждом. Причем модули CDC делались не на кристаллах германия (параметры которого сильно зависели от температуры), а на кремниевых кристаллах. Потому выход советской машины на соответствующий общий уровень производительности, близкий к американскому, был обеспечен только за счет продуманной инновационной архитектуры устройства машины.
ЭВМ БЭСМ-6
IBM 360 появилась в 1964 году. Решение о копировании было окончательно принято в 1967 году. Технический проект на советскую копию IBM 360 сформулирован в 1969 году. Первые машины-копии созданы в 1971 году, т. е.
на 7 лет позже оригинала.
ЭВМ «Эльбрус-1» появилась в СССР в 1978 году и стала первой в мире ЭВМ, выполняющей две или более команд одновременно. Однако по своей производительности на уровне 12 Мфлопс (флопс — единица измерения производительности процессоров) отставал от американской машины 1975 года Cray-1 (80 Мфлопс) за счет менее совершенной электронно-компонентной базы.
Борис Бабаян рассказывает, как к ним в гости приехал Скотт Маккнили, президент фирмы Sun Microsystems:
«Он привез первый кристалл Ultra SPARC с несколькими миллионами транзисторов. Здоровый шкаф «Эльбруса-3» — это эквивалент 15 миллионов транзисторов, то есть два-три американских чипа эквивалентны большому шкафу».
ЭВМ «Эльбрус 3-1»
Справка:
Борис Бабаян — советский и российский учёный, разработчик вычислительной техники, автор трудов по архитектурным принципам построения вычислительных комплексов, компьютерного программного обеспечения. Лауреат Государственной (1974) и Ленинской (1987) премий.
Первый европейский учёный, удостоенный звания Intel Fellow.
В СССР ЭВМ 4-го поколения (на микропроцессорах) начали разрабатывать в Зеленограде во второй половине 60-х годов. Специализированный вычислительный центр (СВЦ) разработал универсальный комплект микропроцессорных схем со своей оригинальной архитектурой под названием «Электроника НЦ». Однако «догнать» не получилось и Министерство электронной промышленности в 1981 году приняло решение о прекращении работ по «Электронике НЦ» и переходе к прямому копированию архитектуры машин PDP-11 фирмы DEC. Серия СМ ЭВМ (малые машины) и дальнейшие работы зеленоградцев пошли по этому пути, имея все то же запланированное отставание. Позже они стали копировать процессоры Intel.
Почти все расходы на микроэлектронику в СССР шли по линии обороны и промышленности на создание крупных вычислительных комплексов. В сфере персональных компьютеров и бытовой электроники отставание было катастрофическим.
Ситуация в 80-х годах (по данным из зарубежных источников).
В конце 1980-х годов СССР ощущал сильную нехватку микросхем со сверхбольшой степенью интеграции (СБИС — VLSI). Производство подобных компонент требует уровни точности, чистоты, сложности и миниатюризации, которые СССР не был в состоянии достичь в достаточных масштабах за пределами лабораторий и опытных производств. Выход годных компонент в СССР в 1984 году составлял около 10% (в США — более 85%). При этом советские компоненты памяти ограничивались в 64КБит в то время как в США уже серийно производили чипы в от 256КБит до 1 Мегабита.
Ввиду невозможности наладить устойчивое производство на оборудовании собственного производства, СССР продолжает искать пути закупки западного оборудования в обход санкций. Основными методами являются различные совместные предприятия, которые якобы выпускают компоненты советского дизайна для западного рынка. Основным партнером СССР в Восточной Европе является Carl Zeiss Jena, которая выпускает производственное оборудование для микроэлектроники.
Carl Zeiss Jena поддерживает отношения с западными производителями и в 1988 году предприятию удалось произвести опытную партию чипов второго поколения.
В 80-х годах отставание СССР от запада в производстве СБИС растет и составляет уже 8-9 лет. СССР не будет в состоянии производить память на 256К и 1М до середины 90-х годов. Огромная для СССР проблема состоит в том, что при переходе на следующее поколение микросхем требуется замена практически всего оборудования на новое каждые 3-5 лет.
СССР продолжает производить поликремний малыми сериями на оборудовании, закупленном до объявления санкции в 1980-м году. Советские источники сообщают о низком качестве кристаллов и низком выходе качественных ИС. СССР сильно зависит от западных машин для нарезки кристаллов на пластины. Советские машины часто повреждают кристаллы ввиду повышенной вибрации и требуют частой перенастройки лезвия пилы. Попытки скопировать американские машины не увенчались успехом поскольку СССР не удалось наладить производство высокоточных резцов с алмазным напылением.
СССР решил продолжать закупку резцов в США и других странах Запада, затрачивая по 100 и более тысяч долларов на каждую резательную машину. Кроме того, советскому производству приходится экономить на резцах и прорезать матрицу только на 30% глубины даже в случае продвинутых моделей СБИС. Это приводит к тому, что при разломе матрицы на отдельные компоненты для ИС многие части трескаются, сильно снижая выход годных компонент. Машины для менее продвинутых ИС режут на 70 и более процентов. Нет практического объяснения ограничения глубины кроме экономии рабочей части резца что является индикаторов сильного дефицита в СССР качественных пил для кремния. Дополнительную сложность составляет отсутствие современных САПР-систем для проектирования микросхем. Они необходимы советским инженерам для моделирования и модификации дизайна западных чипов под местные стандарты и возможности локального производства.
Советские лидеры сильно озабочены зависимостью советской микроэлектронной промышленности от западных технологий и оборудования.
На XXVII-м съезде партии в феврале 1986 года Председатель Совмина Рыжков призывает больше использовать собственные разработки вместо копирования западных технологий и оборудования. Но несмотря на громкие публичные заявления СССР придется продолжать закупки западной техники, в том числе нелегальные (в обход санкций), поскольку ожидать появления собственного оборудования не приходится.
СССР остро нуждается в современных микропроцессорах для использования в радарах, системах слежения и самонаведения, спутниковой связи и любых компьютеров. Нехватка приводит к тому, что СССР выпускает новые изделия с показателями, гораздо ниже объявленных. Основной проблемой советской промышленности является неспособность произвести микропроцессоры и компоненты соответствующие западным стандартам. Импортеры советского оборудования обычно удаляют всю фабричную автоматику и заменяют ее на западную. Большинство советских контроллеров используют 8-битные процессоры в то время как мир давно перешел на 16-бит и 32-разрядные процессоры производятся серийно и используются все шире.
Американские санкции.
Еще одним очень существенным фактором советского технологического отставания в сфере микроэлектроники стал так называемый «режим КОКОМ». Началось все с американского Акта о контроле за экспортом 1949 года (The Export Control Act), введенного в начале «холодной войны». Он ограничивал американскую торговлю с «советским блоком», давая президенту США право объявлять эмбарго на поставку любых товаров. В 1951 году последовал Акт о взаимопомощи в сфере обороны (The Mutual Defence Assistance Act), который давал президенту США право уменьшить или прекратить помощь странам, которые поставляли СССР товары, находящиеся под эмбарго. В 1951 же году и был создан Координационный комитет для многостороннего контроля за экспортом (The Coordinating Committee for Multilateral Export Controls, COCOM). В него вошли все страны НАТО, кроме Исландии, и Япония. В рамках КОКОМ было введено 5 уровней контроля экспорта в СССР, а далее и в страны «советского блока». От категории, для изделий из которой требуется единогласное разрешение всех стран-участниц на выдачу лицензии на экспорт, до разрешения с возможностью пересмотра на основании предоставляемой ежемесячной статистики экспорта, когда решение принимают сами страны-экспортеры.
Основной целью КОКОМ стало предотвращение продажи в «советский блок» всего необходимого для производства оружия, боеприпасов и военных систем. Вводилось и понятие «товары двойного назначения», обозначавшее, что товар или изделие могут быть использованы как в гражданских, так и в военных целях. В эту категорию с самого начала попадало большинство компьютеров.
Советская сторона в этих условиях не раздумывая дала команду своей внешней разведке воровать все, что нельзя купить.
Ситуацию вновь комментирует Борис Бабаян:
«Расчет был на то, что можно будет наворовать много матобеспечения — и наступит расцвет вычислительной техники. Этого, конечно, не произошло. Потому что после того, как все были согнаны в одно место для решения этих задач, творчество кончилось. Образно говоря, мозги начали сохнуть от совершенно нетворческой работы. Нужно было просто угадать, как сделаны западные, в действительности устаревшие, вычислительные машины. Передовой уровень известен не был, передовыми разработками не занимались, была надежда на то, что хлынет матобеспечение.
.. Вскоре стало ясно, что матобеспечение не хлынуло, уворованные куски не подходили друг к другу, программы не работали. Все приходилось переписывать, а то, что доставали, было древнее, плохо работало. Это был оглушительный провал. Машины, которые делались в этот период, были хуже, чем машины, разрабатывавшиеся до организации ВНИИЦЭВТа. Машины с приемлемыми характеристиками ВНИИЦЭВТ стал выпускать только тогда, когда стали копировать не только систему команд, но и схемотехнику. Так, для КАМАЗа была куплена IBM-158, ее разобрали по косточкам и стали делать буквально то же самое. Это было запланированное отставание».
От СССР к России.
Советское наследие в виде хронического отставания в области электроники автоматически перешло от СССР к России. В Аналитическом вестнике Совета Федерации № 27 за 2014 год (ноябрь) фиксируется:
«Применение зарубежной электронной компонентной базы (ЭКБ) по изделиям собственного производства достигает от 5 % до 10 % для ракетной техники, от 10 % до 20 % для систем управления комплексов, от 20 % до 30 % от общей номенклатуры для систем государственного опознавания России.
Электронные модули и блоки, поставляемые по кооперации, имеют показатель применения зарубежной ЭКБ до 70 %. В производстве спутников «Глонасс-М» — от 75 до 80 % западных комплектующих».
По шагу технологического процесса на производствах микросхем Россия находится сейчас на уровне 90 нм (нанометр — миллиардная часть метра). В то же время ведущие зарубежные производители уже работают с шагом 14 нм. Intel осваивает 10-нанометровый технологический процесс, фирма AMD использует для некоторых своих графических процессоров GPU уже 7-нанометровый. Тайваньская компания TSMC обеспечивает около 50% мирового рынка в производстве компонентов 28-65 нм, а в выпуске 5-10 нм чипов TSMC занимает 90% рынка.
Мировой рынок микросхем
Источники:
Состояние микроэлектроники в конце СССР
https://us-retired.livejournal.com/24712.html
Почему СССР всегда отставал от Запада в сфере электроники?
https://germanych.livejournal.com/335183.html
Отставание и зависимость России в компьютерной элементной базе
https://rossaprimavera.
ru/article/otstavanie-i-zavisimost-rossii-v-kompyuternoy-elementnoy-baze
Кто и как привел советскую микроэлектронику к краху
https://vpk-news.ru/articles/61390
«Золотая» осень: веки жизненного пути патриарха
В Московском Государственном Институте Радиотехники, Электроники и Автоматики 23 сентября 2002 года состоялось заседание постоянно действующего семинара факультета электроники «Актуальные проблемы микроэлектроники» (руководитель семинара профессор Васильев А. Г.), посвящённое 50-летию научной деятельности профессора Якова Андреевича Федотова в области полупроводниковой электроники. Я. А. Федотов – заслуженный деятель науки Российской федерации, лауреат Ленинской премии, доктор технических наук, профессор, действительный член Международной Академии Информатизации, действительный член научного общества Лейбница (ФРГ, бывшая АН ГДР) и Международной Академии Наук (Мюнхен, ФРГ) «Почётный радист», «Почётный работник электронной промышленности», «Отличник печати».
Он – автор более 300 работ в области полупроводниковой электроники, в том числе, 42 изобретений. Стаж работы в области транзисторной и интегральной электроники – 50 лет.
Первая самостоятельная научная работа Якова Андреевича, в то время слушателя Военно-воздушной Инженерной Академии им. проф. Жуковского Н. Е. (ВВИА), была выполнена в 1952 году и посвящена проблеме возможности использования в радиоэлектронике первых твердотельных усилительных приборов – транзисторов, или, как их полагалось называть в то время, кристаллических триодов.
Ко времени защиты капитаном Я. А. Федотовым дипломного проекта (1954 г.) им был проведён комплекс экспериментальных работ по определению возможности использования точечных и плоскостных транзисторов в приёмно-усилительных и генераторных схемах, продемонстрирован макет супергетеродинного приёмника с транзисторами во всех каскадах и радиолинии с транзисторным генератором. В этих работах использовались макеты транзисторов, разработанных и изготовленных в лаборатории, возглавлявшейся А.
В. Красиловым в группе, в которую входили С. Г. Мадоян, Ф. А. Щиголь и Н. Н. Спиро.
Именно благодаря инициативе Я. А. Федотова, «пробившегося» на стажировку в лабораторию А. В. Красилова (НИИ-160), в ВВИА появились первые транзисторы, им была подготовлена аппаратура для исследования характеристик транзисторов, снимались первые статические и динамические характеристики. Испытания супергетеродина с транзисторами во всех каскадах и работа макета радиолинии с маломощным транзистором в передатчике (1953 г.) показали возможность и перспективность использования транзисторов в аппаратуре гражданского и военного назначения, в том числе, и бортовой. Работы эти проводились совместно с лабораторией А. В. Красилова (до августа 1953 г. в НИИ-160, впоследствии в НИИ «Пульсар») на точечных, а затем и сплавных плоскостных транзисторах, изготовленных в этой лаборатории. На первом этапе это были германиевые транзисторы.
С появлением в ВВИА транзисторов появились и последователи в области их исследования и применения.
Это были как преподаватели (А. А. Куликовский, В. Я. Сутягин), так и адъюнкты и слушатели – А. Ш. Акбулатов, С. А. Гаряинов, Е. Б. Костюкевич, Е. П. Чигин, А. И. Воробьёв, С. В. Перцов, В. А. Бовыкин. Следует отметить, что дипломники Я. А. Федотова – Акбулатов и Чигин принимали впоследствии самое активное участие в одной из работ лаборатории П. С. Плешакова в ЦНИИ-108 МО. Работа эта была отмечена Ленинской премией как первая разработка устройства оборонного назначения на транзисторах.
Первые результаты работ в области транзисторной электроники в ВВИА были обобщены в сборнике статей «Применение кристаллических триодов в радиотехнических устройствах (сборник статей)» (М.: ВВИА им. Жуковского, 1955 г.) Это была первая открытая публикация, представляющая опыт отечественных работ в этой области.
Результаты этих работ заинтересовали заместителя Министра Обороны СССР адмирала Акселя Ивановича Берга, по его распоряжению Я. А. Федотов был откомандирован для дальнейшего прохождения службы в ЦНИИ-108 в лабораторию проф.
Калашникова С. Г., где велись работы в области смесительных диодов, видеодетекторов сантиметрового диапазона, сплавных германиевых диодов и транзисторов. Это было началом работ Я. А. Федотова в области частотных характеристик транзисторов и отдаваемой ими мощности.
С 1954 до 1959 года Я. А. Федотов работает в ЦНИИ-108 МО в должности младшего и старшего научного сотрудника в лаборатории проф. С. Г. Калашникова, где занимается исследованием сплавных германиевых плоскостных транзисторов. Основной девиз этих исследований остался и остаётся на долгое время основой всех работ Я. А. Федотова: «Частота – мощность» и «Надёжность». Обе эти проблемы не потеряли своего значения и сейчас.
Основное внимание в исследованиях Я. А. Федотов сосредоточивал на изучении частотных свойств и температурных характеристик транзисторов. В этот период, на три года раньше зарубежных учёных, им был обнаружен, описан и объяснён эффект, получивший впоследствии за рубежом название эффекта Кирка (Я. А. Федотов, «Исследование некоторых свойств дрейфовых триодов с широким коллекторным переходом», Радиотехника и Электроника, том 4, апрель 1959, вып.
4). В русскоязычной литературе (например, энциклопедический словарь «Электроника») он получил название эффекта Федотова-Кирка.
В этот период своеобразным «центром кристаллизации» работ в области полупроводниковой электроники во всесоюзном масштабе явился созданный по инициативе Я. А. Федотова сборник «Полупроводниковые приборы и их применение», М. «Советское Радио», тома 1…28, 1956…1976 гг. В 28 томах сборника под редакцией Федотова за 20 лет было опубликовано 589 статей общим объёмом около 450 листов. Я. А. Федотов лично формировал авторский коллектив, работал с авторами и лично занимался редактированием рукописей шестнадцати томов сборника. Двенадцать томов сборника редактировали и комплектовали члены редколлегии профессора: Конев Ю. И. – № 14 и 18, Николаевский И. Ф. – № 16, 1 7, 20, 21, Степаненко И. П. – № 19, Носов Ю. Р. – № 22, Визель А. А. – № 23, Агаханян Т. М. – № 26 и Кононов Б. Н. – № 27.
Интересно отметить, что выход в свет первого тома сборника (1956 г.) совпал по времени с печально известным совещанием генеральных конструкторов в Совмине, вынесшим вердикт: «Транзистор никогда не войдёт в серьёзную аппаратуру.
Перспективой применения транзисторов могут быть разве что слуховые аппараты. Пусть этим занимается Министерство социального обеспечения». Становится ясно, что развитие полупроводниковой электроники в сильной степени будет зависеть от формирования общественного мнения на самых различных уровнях. И Яков Андреевич талантливо формировал это мнение.
В 1958 году Я. А. Федотов защищает кандидатскую диссертацию и с 1959 года переходит на работу в Центральный аппарат ГКРЭ (ГКЭТ, МЭП СССР) на должности главного инженера и главного специалиста управления, ответственного за разработку и внедрение в производство полупроводниковых приборов. Здесь на первое место выходит научная и производственная проблема надёжности. Необходимость создания развитой базы разработки и производства широкой номенклатуры диодов и транзисторов становится бесспорной. Даже самых «реакционных» разработчиков аппаратуры удалось убедить, что не только будущее, но и настоящее за транзисторной аппаратурой, что без транзистора не будет ни ракетных комплексов, ни выхода в космос.
В 1963 году была написана и вышла в свет монография Я. А. Федотова «Основы физики полупроводниковых приборов», собравшая многочисленные положительные отзывы. Это учебное пособие дважды переиздавалось на русском (1969) и украинском (1972) языках.
В 1965 году Я. А. Федотов защищает докторскую диссертацию и переходит на работу в НИИ Полупроводниковой Электроники (в настоящее время НИИ «Пульсар») на должность заместителя директора по научной работе, где возглавил направление разработок новых полупроводниковых приборов – ряд научных отделов общей численностью около 750 человек, включая 120…140 инженеров. За период 1965-1982 гг. было выполнено более 500 приборных НИР и ОКР. Более 200 приборов внедрено в серийное производство. Сам Я. А. Федотов в этот период занимался исследованием возможностей использования в электронике гетеропереходов. Основной задачей было создание транзисторов с гетеропереходами для диапазонов СВЧ и КВЧ. В ходе исследований в этой области было изучено около 40 пар полупроводников, впервые в Союзе получен эффект «суперинжекции», показана возможность создания лавинно-пролётного диода на гетеропереходе (создан в 1972 г.
впервые в мировой практике и запатентован), транзистора с широкозонным эмиттером (1971), туннельных диодов, стабилитрона, различных видов фотоприёмников, в том числе, цветоразличающих.
Впервые в мире был разработан транзистор с широкозонным эмиттером на паре GaAIAs-GaAs. Этот прибор был предложен У. Шокли ещё в 1951 году. Впервые в мире также были разработаны светодиоды, излучающие свет в зелёной области спектра на гетеропереходе ZnTe-CdSe (1970…1971 гг.). Аналогичные зарубежные публикации по этой паре появились только в 1973 году и рассматривали только вольт-амперные характеристики. Впервые в стране был также получен транзистор с гетеропереходом GaAs-Ge.
Наибольший интерес вызвало использование гетеропереходов в качестве фотоприёмников, в том числе и специального назначения. В частности, была создана электронно-лучевая трубка – «гетикон» (1976) с гетеропереходной мишенью. В ходе работ только по этой проблематике Я. А. Федотовым с сотрудниками (П. Б. Константинов, Г. Х. Аветисян) было получено 32 авторских свидетельства на изобретения.
В 1980 году Яков Андреевич возглавил созданную им кафедру интегральной электроники в МИРЭА.
Для содействия развитию работ в области функциональной электроники по рекомендации Президента АН СССР академика Александрова А. П. был создан под Межведомственный координационный научно-технический совет по функциональной электронике под председательством Я. А. Федотова и Всесоюзный постоянно действующий при нём семинар. С 1 980 года было проведено более 100 заседаний семинара и заслушано более 200 докладов. Было также проведено три всесоюзных (всероссийских) конференции, составлялись планы координации и т. п., был издан тематический выпуск журнала «Электронная промышленность».
Следует отметить, что Я. А. Федотов является участником Великой Отечественной войны. Его боевые и трудовые заслуги отмечены 26 орденами и медалями, в том числе, орденами Октябрьской Революции, Трудового Красного Знамени (дважды), Красной Звезды (дважды), Отечественной войны первой степени и медалями «За боевые заслуги» (дважды), «За оборону Москвы», «За штурм и взятие Кенигсберга» и рядом юбилейных медалей.
На юбилейном семинаре в МИРЭА выступили ректор профессор Сигов А. С., лауреат Ленинской и Государственных премий Мажоров Ю. Н., лауреат Ленинской премии Щиголь Ф. А., лауреаты Государственных премий профессор Носов Ю. Р., профессор Пенин Н. А., профессор Трутко А. Ф., профессор Константинов П. Б. и другие.
Юбиляра и классиков полупроводниковой электроники тепло приветствовали студенты и сотрудники кафедры, факультета и института.
Статья опубликована в журнале Chip News №8, 2002 г., стр. 54.
Перепечатывается с разрешения редакции.
Пионер технологической отрасли видит путь для США стать лидером в области передовых микросхем
Прошло шесть десятилетий с тех пор, как Иван Сазерленд создал Sketchpad, программную систему, которая предсказала будущее интерактивных и графических вычислений. В 1970-х он сыграл важную роль в объединении компьютерной индустрии для создания микрочипа нового типа с сотнями тысяч схем, который станет основой современной полупроводниковой промышленности.
Теперь доктор Сазерленд, которому 84 года, считает, что Соединенным Штатам в критический момент не удается рассмотреть альтернативные технологии производства микросхем, которые позволили бы стране вернуть себе лидерство в создании самых передовых компьютеров.
Полагаясь на переохлажденные электронные схемы, которые переключаются без электрического сопротивления и, как следствие, не выделяют избыточного тепла на более высоких скоростях, разработчики компьютеров смогут обойти величайший технологический барьер на пути к более быстрым машинам, утверждает он.
«Страна, которая наилучшим образом воспользуется возможностями сверхпроводящих цифровых схем, будет наслаждаться вычислительным превосходством на протяжении десятилетий», — написал он и его коллега недавно в эссе, которое было распространено среди технологов и правительственных чиновников.
Идеи доктора Сазерленда важны отчасти потому, что несколько десятилетий назад он сыграл важную роль в создании современного доминирующего подхода к созданию компьютерных микросхем.
Image
Распечатка схемы в доме доктора Сазерленда в Портленде, штат Орегон. Схема схемы была изготовлена в Массачусетском технологическом институте. Лаборатория Линкольна прошлым летом. Кредит… Уилл Мацуда для The New York TimesОни первыми разработали конструкцию, основанную на типе транзистора, известного как комплементарный металл-оксид-полупроводник, или CMOS, который был изобретен в Соединенных Штатах. Это позволило производить микрочипы, используемые в персональных компьютерах, видеоиграх и огромном количестве товаров для бизнеса, потребления и военного назначения.
Теперь доктор Сазерленд утверждает, что альтернативная технология, предшествовавшая КМОП и имевшая много неудач, должна быть пересмотрена.
В 1987 году Михаил Горбачев, последний советский Российская газета «Правда» описывает поразительный прогресс в области низкотемпературных вычислений, сделанный японским гигантом микроэлектроники Fujitsu.
Г-н Горбачев был заинтригован. Он хотел знать, разве это не та область, в которой Советский Союз мог преуспеть? Задача провести пятиминутный брифинг для советского Политбюро в конце концов легла на Константина Лихарева, молодого доцента физики МГУ.
Однако, прочитав статью, д-р Лихарев понял, что репортер «Правды» неправильно прочитал пресс-релиз и заявил, что сверхпроводящая микросхема памяти Fujitsu на пять порядков быстрее, чем она есть на самом деле.
Д-р Лихарев объяснил ошибку, но отметил, что поле по-прежнему перспективно.
Это положило начало цепи событий, благодаря которым крошечная лаборатория доктора Лихарева получила несколько миллионов долларов на исследовательскую поддержку, что позволило ему создать небольшую команду исследователей и, в конце концов, после падения Берлинской стены, переехать В Соединенные Штаты. Доктор Лихарев занял должность физика в Университете Стоуни-Брук в Нью-Йорке и помог основать Hypres, компанию по производству цифровых сверхпроводников, которая существует до сих пор.
На этом история могла бы закончиться. Но похоже, что неуловимая технология может снова набрать обороты, потому что затраты на производство современных микросхем стали огромными. Новый завод по производству полупроводников стоит от 10 до 20 миллиардов долларов, и на его строительство уходит до пяти лет.
Доктор Сазерленд утверждает, что вместо того, чтобы продвигать более дорогие технологии, которые приводят к снижению эффективности, Соединенным Штатам следует подумать о подготовке поколения молодых инженеров, способных мыслить нестандартно.
Вычислительные системы на основе сверхпроводников, в которых электрическое сопротивление в переключателях и проводах падает до нуля, могут решить проблему охлаждения, которая все больше беспокоит мировые центры обработки данных.
Джон МаркоффРепортаж об индустрии высоких технологийВ 1960-х и 1970-х годах Иван Сазерленд играл ключевую роль в вычислительной технике.
Вот пять его самых больших вкладов в эту область →
Уилл Мацуда для The New York Times
1. Блокнот
Во время работы над докторской диссертацией. диссертация в 19В 62 года в Массачусетском технологическом институте Сазерленд создал Sketchpad на компьютере Lincoln TX-2 и начал революцию в компьютерной графике. Sketchpad имел большое значение во многих отношениях. Он представил концепцию графического пользовательского интерфейса. Это также был предшественник интерактивных вычислений.
через Айвена Сазерленда
2. «Полный дисплей»
Будучи сотрудником Пентагона в 1965 году, Сазерленд сформулировал идею «Полного дисплея», в которой компьютер мог управлять материей в комнате, формируя и изменяя форму физических объектов.
для создания произвольных сред. Это займет несколько поколений писателей-фантастов и повлияет на такие идеи, как голопалуба в «Звездном пути».
CBS, через Getty Images
3. Дополненная реальность
Его «головной дисплей» 1968 года был первым устройством дополненной реальности. Это проложило путь для сегодняшних исследований в области дополненной и виртуальной реальности.
через Ивана Сазерленда и IEEE
4. «Троянский таракан»
Эта шестиногая шагающая машина считалась первой управляемой компьютером шагающей машиной, предназначенной для перевозки людей. В 1985 году Сазерленд показал устройство Клоду Шеннону, его доктору философии. Супервайзер, который был известен тем, что назвал «бит» в вычислительной технике и своей новаторской теорией информации.
через Ивана Сазерленда
5. Его ученики
Сазерленд преподавал информатику в Университете Юты, Гарварде, Калифорнийском технологическом институте и Карнеги-Меллоне и стал наставником поколения ученых-компьютерщиков, которые создали современную компьютерную индустрию.
Исследовательский центр Пало-Альто
Подробнее о чипах:
1 из 7
В производстве чипов CMOS доминируют тайваньские и южнокорейские компании. В настоящее время Соединенные Штаты планируют потратить почти одну треть триллиона долларов частных и государственных денег, чтобы восстановить национальную индустрию чипов и восстановить свое глобальное господство.
К доктору Сазерленду присоединились другие представители отрасли, которые считают, что производство КМОП достигает фундаментальных пределов, которые сделают стоимость прогресса невыносимой.
«Я думаю, мы можем с некоторой уверенностью сказать, что нам придется радикально изменить способ проектирования компьютеров, потому что мы действительно приближаемся к пределу возможностей нашей современной технологии, основанной на кремнии», — сказал Джонатан Куми, специалист по крупномасштабным вычислениям требований к энергии.
Поскольку размеры транзисторов уменьшились до сотен или тысяч атомов, полупроводниковая промышленность столкнулась с множеством технических проблем.
Современные микросхемы микропроцессоров также страдают от того, что инженеры называют «темным кремнием». Если одновременно использовать все миллиарды транзисторов современного микропроцессорного чипа, выделяемое ими тепло расплавит чип. Следовательно, целые секции современных чипов отключены, и только некоторые из транзисторов работают в любой момент времени, что делает их гораздо менее эффективными.
Доктор Сазерленд сказал, что Соединенным Штатам следует рассмотреть альтернативные технологии по соображениям национальной безопасности. Он предположил, что преимущества технологии сверхпроводящих вычислений могут быть впервые использованы на высококонкурентном рынке базовых станций сотовой связи, специализированных компьютеров внутри вышек сотовой связи, обрабатывающих беспроводные сигналы. По его словам, Китай стал доминирующей силой на рынке текущей технологии 5G, но чипы 6G следующего поколения выиграют как от экстремальной скорости, так и от значительно более низкого энергопотребления сверхпроводящих процессоров.
Другие руководители отрасли согласны с этим. «Иван прав в том, что проблема питания — это большая проблема, — сказал Джон Л. Хеннесси, инженер-электрик, председатель Alphabet и бывший президент Стэнфорда. Он сказал, что есть только два пути решения проблемы — либо повышение эффективности за счет нового дизайна, что маловероятно для компьютеров общего назначения, либо создание новой технологии, не связанной существующими правилами.
Одной из таких возможностей может быть разработка новых компьютерных конструкций, имитирующих человеческий мозг, что является чудом эффективности вычислений с низким энергопотреблением.
Исследования искусственного интеллекта в области, известной как нейроморфные вычисления, ранее использовали обычное производство кремния.
«Существует действительно потенциал для создания эквивалента человеческого мозга с использованием сверхпроводниковой технологии», — сказал Эли Трек, главный технический директор Hypres, сверхпроводниковой компании. По сравнению с технологией квантовых вычислений, которая все еще находится на ранних экспериментальных стадиях, «это то, что можно сделать уже сейчас, но, к сожалению, финансирующие организации не обратили на это внимания», — сказал он.
Время для сверхпроводящих вычислений, возможно, еще не пришло, отчасти потому, что каждый раз, когда кажется, что мир КМОП вот-вот натолкнется на последнее препятствие, умная инженерия преодолевает его.
В 2019 году группа исследователей из M.I.T. во главе с Максом Шулакером объявили, что построили микропроцессор из углеродных нанотрубок, который обещает в 10 раз повысить энергоэффективность современных кремниевых чипов.
Доктор Шулакер работает с Analog Devices, производителем полупроводников в Уилмингтоне, Массачусетс, над коммерциализацией гибридной версии технологии.
«Все больше и больше я верю, что кремний не победить», — сказал он. «Это движущаяся мишень, и она действительно хороша в том, что делает».
Но поскольку кремний приближается к атомарным пределам, альтернативные подходы снова кажутся многообещающими. Марк Горовиц, ученый-компьютерщик из Стэнфорда, который помог основать несколько компаний Кремниевой долины, сказал, что не хочет сбрасывать со счетов страсть доктора Сазерленда к сверхпроводящей электронике.
«Люди, которые изменили ход истории, всегда немного сумасшедшие, знаете ли, но иногда они действительно сумасшедшие», — сказал он.
и возвестить новую эру разрядки с Соединенными Штатами. Совокупный эффект его «нового мышления» должен был ускорить не только окончание холодной войны, но и распад Советской империи, а со временем и самого Советского Союза.
На этой встрече двое мужчин определили амбициозную повестку дня для обсуждения роста торговли, культурных обменов, прав человека, ирано-иракской войны, советского конфликта в Афганистане и других региональных конфликтов. На последующей встрече в следующем году в Рейкьявике, Исландия, Горбачев удивил Рейгана предложением о массовых сокращениях ядерных сил каждой страны при условии, что Соединенные Штаты откажутся от своей Стратегической оборонной инициативы (СОИ). Разработка, создание и поддержание конкурентоспособного ядерного арсенала и системы обороны истощали советскую экономику и мешали успешному проведению необходимых внутренних реформ. Несмотря на многообещающее начало, неизменная приверженность Рейгана СОИ помешала заключению соглашения между Советским Союзом и Соединенными Штатами в 1919 г.86.
Пока страна участвовала в дорогостоящей гонке вооружений и поддерживала революционеров третьего мира, внутри страны не могло быть экономического возрождения. Горбачев все еще верил в социализм, и в то же время он был полон решимости попытаться спасти Советский Союз от краха, который мог возникнуть в результате продолжающегося экономического кризиса. Поэтому Горбачев продолжал настаивать на заключении соглашений об оружии. В результате в 1987, США и Советский Союз достигли соглашения о ядерных силах средней дальности. Им это удалось, обойдя вопрос СОИ, но тем не менее соглашение было тем не менее важным для создания прецедента ликвидации ядерного оружия. В дополнение к переговорам о РСМД две страны также приступили к переговорам о сокращении стратегических наступательных вооружений, или СНВ, подписав первое соглашение этих переговоров в 1991 году. Более того, Горбачев руководил выводом советских войск из Афганистана и Анголы и отказался от советской поддержки. для сандинистов в Никарагуа и коммунистических правительств на Кубе и во Вьетнаме.
Он также отрицал доктрину Брежнева, которая предусматривала советское вмешательство там, где коммунизм был под угрозой, предпочитая вместо этого ослабить советский контроль над странами Восточного блока и предоставить им некоторую свободу в определении своего будущего. Доктрина», потому что она позволяла восточноевропейским государствам «поступать по-своему».
