Молодые ученые – космической отрасли

3 апреля 2012 года Российская академия наук (РАН) наградила молодых ученых медалями и премиями за выдающиеся исследования в области естественных, технических и гуманитарных наук. В числе награждённых молодых исследователей и Максим Горбунов, научный сотрудник НИИ системных исследований РАН. Он получил премию в области информатики, вычислительной техники и автоматизации за изучение влияния ионизирующего излучения на работу микросхем в космосе.

В чем заключается уникальность научных разработок, как будет осуществляться их внедрение в производство и каковы планы учёного на дальнейшее развитие проекта – обо всём этом мы попросили Максима Сергеевича рассказать подробнее.

Опережая конкурентов

Исследования, которые были отмечены наградой, ведутся одновременно в рамках нескольких проектов, которые связаны с созданием отечественной элементной базы микроэлектроники. Падение межпланетной станции «Фобос-Грунт» подтверждает, что на российских спутниках электроника – зачастую импортная, не всегда удовлетворяющая требованиям, которые предъявляют к системам, предназначенным для длительного функционирования в космосе.

В НИИСИ РАН разрабатываются микропроцессоры для различных применений, в том числе радиационно-стойкие и сбоеустойчивые. «Несмотря на кажущееся отставание от лучших импортных коммерческих микросхем, – утверждает Максим Горбунов, – можно с уверенностью сказать, что по части специализированных микросхем мы не только не отстаём, но по некоторым вопросам опережаем наших иностранных конкурентов».

– Разработка таких сложных систем тесно связана с моделированием различных эффектов, в том числе эффектов космического пространства, на разных уровнях: от отдельного транзистора до модуля. Цикл работ, отмеченный академией наук, был связан с моделированием эффектов накопленной дозы. Фактически, нам удалось внедрить процесс моделирования дозовых эффектов в стандартный маршрут проектирования. Это означает, что разработчик моделирует внешнее воздействие так же и с помощью тех же средств, что и при моделировании электрических и временных характеристик изделия, что значительно сокращает время разработки и позволяет уже на этапе проектирования выбрать наиболее эффективный способ повышения радиационной стойкости. Понятно, что не только дозовые эффекты важны для космоса: мы занимаемся также разработкой интегральных микросхем, устойчивых к воздействию тяжёлых заряженных частиц. Сейчас у нас два основных технологических направления: 0,25 мкм отечественный техпроцесс «кремний-на-изоляторе» и зарубежный 65 нм процесс на объёмном кремнии.

Нужна программа развития

Конечно, на пути к цели молодые специалисты во главе с научными руководителями П.Н. Осипенко и Г.И. Зебревым сталкиваются с множеством проблем, главная из которых, по словам ученого, – это отсутствие «на самом верху» понимания целей и задач развития отрасли и, как следствие, чёткой программы развития. Создание отечественной электронной компонентной базы (ЭКБ) – задача комплексная: сюда входит не только открытие НИОКР по разработке тех или иных электронных компонентов, но и создание и развитие испытательных и измерительных комплексов, программного обеспечения, САПР для разных уровней проектирования (от отдельного транзистора до модуля). Именно так подобные задачи решаются за рубежом. Максим Сергеевич поясняет, что, даже если в имеющихся условиях ученые разработают требуемую микросхему, возникнет множество вопросов:

– Во-первых, где мы будем её испытывать? Сейчас испытание микросхем на воздействие тяжёлых ионов мы можем провести только в ОИЯИ (г. Дубна), но эти испытания проводятся нерегулярно: всего можно рассчитывать не более чем на три цикла в году. При этом не факт, что в них будут задействованы ионы с требуемыми характеристиками, а один год – это срок выполнения НИР в целом, за это время нужно разработать и изготовить микросхему и оснастку, провести испытания и проанализировать результаты. Решением данной проблемы могли бы стать развитие имитационных методов испытаний. Такие методы существуют, но для их развития нужны разработанные отечественными специалистами образцы, изготовленные по современным (суб-100 нм) технологиям. Получается, что разработанные микросхемы должны быть сначала использованы для коррекции методов испытаний, а затем испытываться. Стольких образцов, денежных средств и такого количества времени, к сожалению, нет ни у разработчиков, ни у испытателей. Другим решением могла бы стать возможность испытания микросхем за рубежом, что также является распространённой практикой в Европе и США, однако из-за чрезмерной бюрократизации процесса, зачастую вызванной не всегда обоснованными опасениями нарушения государственной тайны, такие испытания в настоящий момент фактически невозможны.

Во-вторых. Можно разработать конкурентоспособную продукцию, но будет ли она востребована? Например, если говорить о микроэлектронике для космических применений, требования для микросхем в составе бортовых систем космических аппаратов для исследования околоземного пространства значительно отличаются от требований для исследований Юпитера и его спутников. Для первого случая полученный уровень сбоеустойчивости может оказаться избыточным, но предложить продать эту микросхему коллегам из NASA и ESA мы не можем по тем же соображениям секретности.

И, наконец, третье. Сбое- и отказоустойчивость модуля обеспечивается многими типами микросхем, и если мы разработали, к примеру, микропроцессор, то где взять соответствующие ему по характеристикам отечественные микросхемы памяти и другие элементы? Отсутствует доступная база электронных компонентов для применения в космосе, которая содержала бы не только сведения о функциональных особенностях микросхемы, но и показывала бы уровень стойкости к внешним воздействиям. В настоящее время сведения о стойкости микросхемы являются собственностью заказчика проведения испытаний. Можно запросить нужную информацию у заказчика, но выполнение всех бюрократических процедур неприемлемо растянет время, к тому же с совершенно не определённым результатом. Кроме того, как показала печальная история «Фобос-Грунта», у разработчика космического аппарата не всегда есть понимание того, какие воздействия в действительности нужно учитывать для конкретной миссии и, следовательно, для разработки микроэлектронной аппаратуры.

Очень часто возникшие проблемы учёным удаётся решать благодаря тесному контакту различных организаций, работающих в одной области научных интересов. «Приятно осознавать, что у нас в стране работает множество талантливых специалистов, искренне радеющих за подъём отечественной науки и производства», – говорит исследователь.

Коммерческое продвижение проекта – впереди

Рассказал Максим Горбунов и о планах на дальнейшее развитие и продвижение своего исследования. Среди первостепенных задач в настоящее время – создание методов и средств моделирования сбоев от тяжёлых заряженных частиц космического пространства при проектировании. Результаты работ неоднократно звучали на различных российских и международных конференциях и научно-практических семинарах. Подобные разработки могут быть полезны не только для решения космических и оборонных задач, но и для экспериментов в области физики высоких энергий, где требуется первичная обработка данных датчиков, находящихся в непосредственной близости к месту, где происходят все важные «события» и, следовательно, подвергающемуся воздействию ионизирующего излучения.

Все эти исследования вызывают интерес со стороны потенциальных инвесторов, но пока он остаётся частным. Для продвижения продуктов на рынок есть объективные препятствия. Так, чтобы предлагать разработанное программное обеспечение, потребуется его постоянная поддержка. Максим Сергеевич объясняет, что в научной группе, в которую он входит, около десяти человек, включая тех коллег, которые не числятся, но помогают по мере возможности. Эти десять человек постоянно заняты разработкой микросхем, но развитием и поддержкой программного обеспечения нужно заниматься постоянно, в полную силу, и на это пока нет необходимых ресурсов. Таким образом, по утверждению молодого исследователя, говорить о полноценном продвижении программ и коммерциализации пока рано. Но приятно одно: разработанные микросхемы широко востребованы на российском рынке, и без заказов институт не остаётся.

Наука и производство

– Все наши разработки внедряются в производство, – продолжает комментировать молодой учёный. – А для эффективного взаимодействия науки и производства нужен тесный контакт производственников и учёных. Должны быть общие большие цели и открытость для коллег. В прошлом году я прочитал серию книг «Ракеты и люди» Бориса Евсеевича Чертока, и я считаю, что нет лучшего примера взаимодействия науки и производства, чем то, что было в Советском Союзе при развитии Атомного и Космического проектов. Сейчас нет подобных целей, и каждый фактически работает сам за себя, занимаясь зачастую не научными задачами, а вопросами выживания, поэтому трудно наладить взаимодействие. Много говорят о нанотехнологиях. Но ведь любая технология, что нано, что гига, – это не цель, а средство. Я считаю, что нужны ясные амбициозные цели, которые просто нельзя будет решить без взаимовыгодного сотрудничества науки и производства.

Наш институт является хорошим примером взаимодействия науки и производства. В целом, думаю, проблемы, которые возникают при взаимодействии технологов и разработчиков, достаточно универсальны. В частности, не всегда развитие и поддержка технологии соответствует потребностям разработчиков. Пока определенная технология находится в стадии разработки, промышленности уже требуются рабочие образцы. Решить этот конфликт можно было бы обеспечением доступа к зарубежным технологиям, но это не всегда возможно при разработке продукции «двойного» назначения. В отличие от известных мне зарубежных технологий, в России, когда говорят «у нас есть технология», имеют в виду «есть техпроцесс, по которому можно изготовить микросхему». Я же считаю, что эту фразу нужно понимать несколько иначе: «есть стабильный техпроцесс, для которого созданы и поддерживаются удобные программные средства для разработчиков и с помощью которого можно изготовить микросхему с приемлемым процентом выхода годных». Повторюсь: технология – это не цель, а средство.