Современная наука на примере космической микроэлектроники

Валерий Шунковкандидат технических наук

Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук

Области науки

Формальные науки Математика, логика, философия

Естественные науки Физика, химия, география, геология, астрономия

Науки о жизни Биология, медицина

Социальные науки История, социология, литературоведение

Фундаментальная наука

Результаты исследований могут получить экономическую ценность через много лет.

Финансирование во многих областях под силу только большим корпорациям, государствам или межгосударственным научным сообществам.

Результаты исследований в астрофизике, философии и многих других науках в принципе нельзя измерить деньгами.

Субраманьян Чандрасекар

Выпускник университета Мадраса, большую часть жизни проработал в США.

В 1983-м году получил Нобелевку по физике за сделанное в 1932-м году теоретическое исследование строения белых карликов и нейтронных звезд.

В честь Субраманьяна Чандрасекара назван космический телескоп «Чандра»

Петер Грюнберг С семидесятых занимался

магнитными свойствами тонких пленок.

В 1988-м году открыл эффект гигантского магнетосопротивления многослойных структур.

Получил в 2007-м году Нобелевскую премию (вместе с Альбером Фертом).

Самое популярное применение эффекта гигантского магнетосопротивления – жесткий диск компьютера.

CERN Международное научное

сообщество, созданное 60 лет назад. Сегодня – 20 стран.

Эксперименты в ядерной физике – самые дорогие.

Достижения CERN

Открыты новые элементарные частицы Получена антиматерия Уточнены основные физические теории

В CERN был изобретен интернет

Прикладная наука Сопутствующие исследования,

сопровождающие теоретические разработки. Исследования, имеющие целью вывод на

рынок готового продукта.

Результаты исследований появляются в серийных товарах через несколько лет.

Крупные компании (Intel, Google, Mercedes-Benz, Pfizer) имеют свои исследовательские центры.

Микроэлектроника

Микроэлектроника

Микроэлектроника – одна из самых динамично развивающихся и наукоемких прикладных наук

История микроэлектроники

Intel 4004 – первый коммерчески доступный микропроцессор

1971 год, 10 мкм, 92 кГц, 2250 транзисторов

Килби и Нойз создали первую интегральную схему в 1958 году

Шокли, Бардин и Браттейн создали первый транзистор в 1947 году

Транзистор и цифровые схемы

Транзистор – усилитель тока

Используется как ключ

Двоичная логика

Цифровые схемы позволяют в удобной форме записывать и обрабатывать большие объемы данных при помощи очень маленьких по размеру приборов.Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи позволяют сопрягать электронные приборы с внешним миром.

Как устроен микропроцессор

Применение электроники

Космическая микроэлектроника

Чем полезен космос сейчас?

Спутниковая навигация Спутниковое телевидение Спутниковая связь Мониторинг Земли

Обозримая перспектива: производство материалов и космический транспорт

Спутниковая навигация Определение

координат пользователя

Не менее трех спутников в любой точке Земли

Единственное применение релятивистской теории

Космическая погодаМагнитное поле Земли – защита от солнечной и звездной радиации.

У Венеры нет магнитного поля, у Марса оно очень слабое.

Электронные приборы, работающие в космосе, подвергаются воздействию радиации.

Сбои и отказы

Вспышки на солнце Нейтроны в атмосфере Радиационные пояса

Земли Излучение дальнего

космоса

Радиация способна привести как временным сбоям в работе микросхем, так и к их полному отключению

Срок службы спутников на орбите вырос с нескольких недель до пятнадцати лет

Радиационные пояса

Два микропроцессораApple A6 BAE RAD750

Проектные нормы, нм

32 150

Тактовая частота, МГц

1300 200

Оперативная память, Мбайт

1024 256

Цена, долларов ~1000 ~200 000

Эффекты дозы излучения

Накопление дозы излучения ведет к двум эффектам: Транзисторы перестают

закрываться Растет ток потребления

Необходимы специальные конструкции транзисторов

Одиночные сбои

Попадание одной заряженной частицы может привести к переключению запоминающего элемента

Одиночные сбои могут привести к непредсказуемым сбоям в работе программ

Для предотвращения сбоев используются специальные схемы или кодирование

Множественные сбои

Размеры элементов в современных схемах так малы, что при попадании одной частицы происходит несколько сбоев

Необходимо применять более серьезные средства защиты

Ne Ar Kr Xe H+

Другие применения космической электроники

Авионика Потоки частиц в атмосфере

приводят к сбоям в бортовом оборудовании

Во время тестовых трансатлатических перелетов зафиксировано ~10 сбоев на перелет

Каждый сбой способен привести к авиакатастрофе

Бортовые системы самолетов – одни из самых надежных

Физические эксперименты

Дозы излучения за 10 лет сравнимы с 1000 лет в космосе

Миллионы каналов сбора информации

Технологии находят применение в промышленности через несколько лет

Медицина

Лучевая терапия – перспективный способ лечения рака

Излучение позволяет воздействовать непосредственно на опухоль

Российский онкологический научный центр сотрудничает с МИФИ в области радиотерапии

Исследования проводятся на атомном реакторе МИФИ

Как и зачем стать ученым в России

Что есть в России

Основные сферы развития электроники в России – оборонная и космическая промышленность

Есть существенное отставание от мирового рынка, но отрасль находится на подъеме

В некоторых областях российские продукты конкурентоспособны на мировом рынке

Российские ученые участвуют во всех крупных коллаборациях и физических экспериментах

Зеленоград

Основан в 1958 году как советский центр электроники

Подавляющее большинство московских микроэлектронных предприятий находится в Зеленограде

Заводы «Микрон» и «Ангстрем» - 180, 130, 90 нм Московский институт электронной техники (МИЭТ)

Куда пойти учиться?

МИФИ МИЭТ МГУ МФТИ МЭИ МИЭМ

Во многих странах действуют программы международного обмена студентами (например DAAD).

Карьера молодого ученого

Вы поступаете в институт по интересному направлению

На старших курсах вы находите преподавателя, который занимается интересной вам темой

Под его руководством вы пишете диплом и диссертацию

Вы разрабатываете какую-то новую область, в которой никто не разбирается лучше вас

Плюсы и минусы

Государственное или грантовое финансирование означает, что много денег не будет вообще никогда

Оно же означает, что будет много бюрократии

Наука – это интересно Ученому проще сменить

страну жительства Фундаментальное

образование позволяет сменить сферу деятельности, если что-то пошло не так

Спасибо за внимание!