Итоги всесоюзной научно-технической конференции "Пути развития электронных средств и задачи высшей школы в подготовке специалистов соответствующей квалификации
Глудкин О.П., ПавловД.Б., Пресс Ф.П., Ханин М.А., Исаков Н.М., Фаттахов Э.А., Груздев П.Н.

Приведены основные итоги всесоюзной научно-технической конференции "Пути развития электронных средств и задачи высшей школы в подготовке специалистов соответствующей квалификации", проходившей в г. Ульяновске. Рассмотрены проблемы, стоящие перед электронной промышленностью, пути развития микроэлектроники и необходимые соответствующие изменения в системе высшего образования.

С 21 по 24 мая 1991 г. в г. Ульяновске проходила всесоюзная научно-техническая конференция "Пути развития электронных средств и задачи высшей школы в подготовке специалистов соответствующей квалификации". Организаторами конференции являлись Академия наук СССР, Академия технологических наук, Министерство электронной промышленности СССР, Министерство общего машиностроения, Министерство радиопромышленности СССР, Государственный комитет СССР по народному образованию, Государственный комитет РСФСР по делам науки и высшей школы, Всесоюзное общество информатики и вычислительной техники, ВСНТО приборостроителей им. акад. С. И. Вавилова, Ульяновский горсовет народных депутатов, исполком Ульяновского горсовета народных депутатов. Ульяновский политехнический институт, Санкт-Петербургский электротехнический институт им. В. И. Ульянова (Ленина), Московский авиационный технологический институт им. К. Э. Циолковского.

В программу конференции [1] входили пленарные и секционные заседания, на которых обсуждались тенденции развития электронных средств, а также заседания учебно-методического совета по специальности 22.05 "Конструирование и производство электронно-вычислительных средств" и 23.03 "Конструирование и производство радиоэлектронных средств" с участием представителей науки и промышленности.

Развитие электронных средств идет по пути решения двух взаимосвязанных проблем: разработка новой элементной базы приборов микроэлектроники и создание таких технологий, которые, с одной стороны, позволили бы практически реализовать эти новые разработки, а с другой, - обеспечивали бы производство существующей элементной базы на данном уровне производительности и качества. Поиск' и разработка новых технологий составили основную тему пленарных докладов, производственные вопросы были рассмотрены на секциях. В пленарных докладах, сделанных ведущими учеными и специалистами Академии наук СССР (К. А. Валиев, А. А. Орликовский, [1]), высшей школы (Я. А. Федотов [1]) и электронной промышленности (Ю. П. Докучаев [ 1]), были сформулированы следующие положения, определяющие сегодняшнее состояние и перспективы развития микроэлектроники:

1. Постоянный рост степени интеграции, особенно заметный в МОП ЗУ, потребовал перехода к субмикронной технологии. Важно отметить, что игравший всегда первую скрипку топологический фактор, т. е. увеличение разрешающей способности литографических процессов, сейчас дополняется новым "объемным" фактором: стало необходимым формировать активные области с толщинами слоев в сотые доли микрона. Топологический прогресс наглядно иллюстрируется сопоставлением объема памяти МОП ЗУ с минимальными размерами процессов литографии: 1992 г. -16М-0,6мкм; 1994г.-64М-0,35мкм; 1996г.— 256М — 0,25 мкм; 2000 г. — 1 Г — 0,15 мкм. Снижение толщины наиболее отчетливо проявляется в новых приборах на основе квантовых эффектов, в которых требуются слои в 50-100 А, причем толщину слоя надо поддерживать не хуже 50 А.

2. Микролитография остается движущей силой прогресса в области электронных средств. Интенсивные исследования ведутся во всех известных направлениях: оптическая (фотолитография), электронно-лучевая, рентгеновская и ионолитографил. Оптическая микролитография не только не сдает позиции, но и успешно соперничает с электронно-лучевыми и рентгеновскими методами. Успех этот обеспечивается сочетанием двух факторов: использованием в качестве источника эксимерных лазеров с очень короткими длинами волн (около 200 нм) и повсеместным переходом на проекционную литографию с пошаговым экспонированием. Установки пошагового экспонирования (степперы) на эксимерных лазерах обеспечивают получение минимальных размеров около 0,15 мкм.

Примерно такой же минимальный размер получают с помощью остросфокусированного электронного луча. Хотя диаметр луча может составлять всего 10—20 А, эффекты, связанные с рассеянием электронов и рождением не позволяют на практике спускаться ниже 0,1—0,12 мкм. Последовательный характер формирования изображения электронным лучом резко снижает производительность метода: на обработку партии пластин (25 шт.) требуется несколько часов. По этой причине электронно-лучевая литография используется, в основном, для изготовления фотошаблонов. Для экспонирования непосредственно на пластинах разрабатывают сложные многолучевые установки; к 2000 г. планируется создание подобных установок с точностью перемещения луча не хуже 50 А.

Очевиден тот факт, что для обработки пластин больше подходит рентгенолитография как метод переноса полного изображения, характеризующийся достаточно высокой производительностью и разрешением около 0,1 мкм. Из-за малого рассеяния рентгеновского излучения этот метод позволяет формировать в резисте структуры с вертикальными стенками и большим отношением высоты к ширине. Проблемы, стоящие перед рентгенолитографией и ограничивающие ее практическое применение,— это отсутствие мощных недорогих источников рентгена и сложности в изготовлении шаблонов, каковыми служат тончайшие кремниевые мембраны с рисунком, сформированным из золота или другого поглощающего излучение материала.

1. Наряду с микролитографией на первый план выдвигается ряд технологических методов, достаточно давно используемых, но в результате достижений последних лет приобретших качественно новые показатели. К ним относятся: молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ); плазмохимические методы травления с высокой селективностью; ионное легирование со сверхвысокими энергиями (до 1 МэВ); осаждение из газовой фазы при низких температурах; геттерирование "вредных" примесей; быстрые отжиги (фотонные, лазерные и др.) вместо обычных термообработок.

Наиболее впечатляющи успехи МЛЭ, истинный переворот в технологии кремниевых структур и структур на основе сложных полупроводниковых соединений. Механизм МЛЭ столь же прост, сколь сложны и дороги установки для осуществления этого вида эпитаксии. Электронным лучом испаряют кремний или иной полупроводник в сверхвысоком вакууме: 10 — 10 Па. В таком вакууме вероятность столкновения атомов практически равна нулю (длина свободного пробега — 50 км), они достигают нагретой до 400—800 °С подложки и после короткой миграции образуют слои с высококачественной кристаллической структурой. В отличие от обычной газоразрядной эпитаксии, где определенную роль играют медленные процессы диффузии реагентов, МЛЭ позволяет быстро обрывать как формирование слоя, так и его легирование. За счет этого удается создать структуры из 10-15 слоев с разным типом проводимости и уровнем легирования, причем толщины слоев составляют 50—100 А — результат, абсолютно нереализуемый обычной эпитаксией. С использованием МЛЭ разработаны приборы на новых принципах, в частности, СВЧ приборы на основе квантово-интерференционных эффектов.

Плазмохимические методы травления с высокой селективностью обеспечивают рост степени интеграции за счет сокращения размеров областей, изолирующих компоненты СБИС: удается вытравливать в кремнии канавки с вертикальными стенками (тренчи), причем ширина такого тренча составляет 0,3 мкм при глубине не более 8 мкм.

4. Чуть ли не самой серьезной преградой на пути увеличения интеграции становится стремительное увеличение числа межсоединений в СБИС. Коммутационная система СБИС насчитывает 6-8 слоев и число их продолжает расти. Намечаются два принципиально новых конструкторско-технологических подхода к решению этой задачи: замена металлических проводников оптоэлектронными связями и объединение на одной пластине годных кристаллов СБИС в "суперСБИС". В будущем, возможно, оба направления сольются и это откроет широкие возможности для дальнейшей микроминиатюризации диционным образом; примером служат приборы с зарядовой связью, в которых функционируют пакеты зарядов, и ЦМД ЗУ, использующие цилиндрические магнитные домены.

На секции "Новые технологические процессы и конструкторские решения, направленные на повышение качества и надежности электронных средств" в 15 докладах обсуждались новые конструкторско-технологические решения, направленные на повышение качества разработок и надежности изделий.

Научные направления докладов секции "Программное обеспечение электронных вычислительных средств" в полной мере отражали наиболее актуальные проблемы создания и эффективного использования микропроцессорных систем. Среди них имеет смысл выделить два направления:

развитие и применение микропроцессорной вычислительной техники в целом;

совершенствование и автоматизация систем проектирования и технологических процессов на основе как сопровождающего, так и упреждающего во времени математического моделирования проектных решений и соответствующих технологий.

Первой проблеме посвящена основная часть докладов. Здесь следует отметить вполне оправданную и преобладающую тенденцию развития отечественной науки и техники в указанной предметной области, которая заключается в стремлении компенсировать отставание в аппаратно-технических средствах вычислительной техники за счет интеллектуальных резервов. Учитывая широкую распространенность и относительно высокую доступность для исследователей ПЭВМ типа IBM PC, именно этот тип вычислительной техники следует считать основным рабочим инструментом специалиста-проектировщика и технолога ЭВС. Основные усилия исследователей распределяются по проблемам: организация интерфейса и среды пользователя в целом при выполнении научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ с использованием ПЭВМ; разработка экономичных, эффективных и наукоемких программ в конкретных предметных областях.

В числе работ, наиболее полно охватывающих обе сформулированные проблемы, следует отметить [ 1 (7) ], где авторы обстоятельно формулируют и последовательно решают важную задачу разработки высокопроизводительных постпроцессоров с гибкой адаптацией их по отношению к различным технологиям, а также с обеспечением контролируемости всех этапов проектирования. При этом возможность реализации соответствующей технологической системы на ПЭВМ достигается как применением новых алгоритмов, например, высокоскоростного алгоритма покрытия типа Уитни, так и путем рационального разделения функций в системе, что позволило сократить объемы программ до уровня обозримых компактных модулей, включаемых в систему оверлейно, и соответственно увеличить размеры буфера обработки. Относительно высокая контролепригодность системы обеспечивается специально организованными средствами тестирования, в качестве которого используется, например, эффективный имитатор работы управляющих программ фотонаборных установок.

Вопросам организации среды посвящен цикл докладов [ 1 (8—10)]. Здесь в основу программирования диалоговых систем положена идея развязки процессов разработки диалогового интерфейса с одной стороны и предметно-прикладных компонент программной среды с другой. Результатом работы [ 1 (8) ] является трехкомпонентный набор в виде экспертной системы, системы генерации диалога и системы программирования, удачно сочетающий универсальность и необходимую конкретную направленность диалоговой системы.

Аналогичные вопросы повышения качества человекокомпьютерного взаимодействия представлены и в разной степени решены в докладах [1(9—10)], где предлагается рациональное разделение и соответствующее программное обеспечение функций человека и ЭВМ в процессе принятия решений 1[ (9) ] или интерактивный классификатор, реализованный в Пролог-среде и предназначенный для систематизации сведений практически любого вида предметной области [ 1 (10)].

Следует отметить тот факт, что направленность большинства программ на исволь-зование ПЭВМ - не единственная тенденция развития программного обеспечения. В любой предметной области всегда имеются задачи большого объема, для решения которых необходимы высокопроизводительные комплексы с одновременным обеспечением реализации программ большой протяженности во времени. Эти вопросы рассматривались в пленарном докладе ведущих специалистов академии наук В. С. Бурцева, В. И. Перекатова и В. Н. Сулаева [ 1 (11)] и секционном Ю. В. Катаева [1(12)], где предлагаются новые принципы построения интегрированного комплекса типа "Эльбрус-ЕС-СМ" с рациональным разбиением его на два структурных уровня, что позволяет быстро перенастраивать операционную систему, систему для реализации специализированных больших задач и в целом для получения нового качества комплекса при минимуме новых разработок. Удачная классификация задач позволила авторам выделить ключевые элементы настройки в соответствующих структурных уровнях операционной системы. Основная сфера применения таких систем — отказоустойчивые системы реального времени и системы решения больших задач. Комплексы типа "Эльбрус-ЕС-СМ" удачно сочетают в себе интерфейсные преимущества персональных компьютеров и мощные средства больших вычислительных систем.

Проблема совершенствования технологических процессов на основе математического моделирования и соответствующего программного обеспечения в той или иной мере затрагивалась в докладах [ 1 (13, 14)]. В них реализовывался известный подход к математическому моделированию как к универсальному инструменту анализа функционирования процессов, приборов и схем в микроэлектронике, а также как к незаменимому пока способу предсказания характеристик и плохо измеряемых параметров технологических процессов. В этой области ощутим известный дефицит экономичных универсальных и предметно ориентированных программ. Важность обсуждаемой проблемы отмечается тем фактом, что ей был посвящен один из докладов [ 1 (13) ] на пленарном заседании на конференции.

В связи с указанной проблемой особый интерес представляет доклад [1(14)], где предложена математическая модель процессов окисления кремния с учетом ряда сопутствующих факторов, которые в большинстве моделей такого типа не рассматриваются в связи с ростом их объема. В полученной многомерной задаче используется оригинальный и, как показало моделирование, эффективный прием сведения задачи интегрирования исходной системы уравнений в частных производных к соответствующей системе уравнений Лапласа и Гамильтона-Якоби. В результате работы появилась возможность решать "большую", по существу, задачу на ПЭВМ с ограниченными ресурсами.

Аналогичные в известной степени задачи решены в докладах [1(15, 16)],где, например [1(15)], помимо общей задачи исследования качества технологических процессов решается частная, но очень важная задача построения адекватной процессу математической модели из условий совпадения результатов моделирования с экспериментальными данными в специально выбираемых оптимальных контрольных точках. В [ 1 (16)] также предложен пакет программ, предназначенный для моделирования ряда технологических операций с учетом тонкой структуры соответствующих процессов. Пакет отличает направленность на автоматизированное технологическое, компонентное и схемотехническое проектирование интегральных микросхем на основе биполярных и полевых транзисторов. Что касается реализуемости пакета программ, следует отметить его. адаптивные свойства по отношению к конкретной вычислительной среде.

Как известно, микроэлектроника является стремительно прогрессирующей областью современной техники; технологические методы радикально преобразуются за время того же порядка, что и продолжительность обучения в вузе. В предвиденном будущем могут существенно измениться и физические принципы, составляющие основу функционирования элементов интегральных схем.

Можно с уверенностью утверждать, что в недалеком будущем произойдет по крайней мере частичная замена полупроводниковых систем на новые, связанные с одним из следующих разрабатываемых направлений:

1. Высокотемпературная сверхпроводимость (с возможным применением
эффектов Джозефсона или Ааронанова-Бома).

1. Оптические системы.
2. Квантовые эффекты, не связанные с явлением сверхпроводимости.

Необходимость быстрой модернизации учебного процесса, обусловленная стремительным развитием микроэлектроники, создает значительные проблемы в области подготовки инженерных кадров. Именно эти проблемы определили целесообразность включения в программу конференции специальной секции, тематика которой посвящена актуальным задачам подготовки специалистов для электронной промышленности и многочисленных НИИ.

На конференции детально обсуждалась проблема структурных изменений в подготовке специалистов, в первую очередь введение двухступенчатой системы (подготовка бакалавров и магистров).

В докладах В. И. Круглова, О. П. Глудкина, Г. А. Курова, И. Г. Мироненко, Э. А. Фаттахова и др. содержалось обоснование целесообразности введения двухступенчатой системы. Основными аргументами являлись эффективное распределение ресурсов, затрачиваемых на массовое обучение специалистов, и успешный зарубежный опыт в этой области.

Обсуждались также трудности, связанные с введением двухступенчатой системы. Важнейшей из них является необходимость сохранения достаточно высокого уровня подготовки бакалавров в условиях сокращения срока обучения до 4 лет.

Представляется, что наиболее правильное решение этой задачи заключается в сохранении и даже увеличении объема фундаментальных дисциплин (физики, математики, химии) в учебном плане при сокращении чрезмерно конкретизированных узкотехнических курсов. Нет сомнений в том, что бакалавры, обладающие достаточными значениями в области фундаментальных научных дисциплин, легко освоят технические приложения. Конечно, имеется в виду не формальное усвоение материала, а приобретение навыков активного применения достижений фундаментальных наук. Здесь мы подходим к формированию конкретных учебных планов микроэлектронных специальностей. На конференции были представлены также планы, предложенные различными вузами. К сожалению, в некоторых вузах обнаружилась крайне нежелательная тенденция к сокращению объема преподавания фундаментальных дисциплин. В одном из представленных учебных планов эта тенденция доведена до абсурда: фундаментальным дисциплинам отводятся часы только на первом курсе.

Разумеется, к фундаментальным дисциплинам следует отнести и курсы физических основ микроэлектроники, в которых излагаются соответствующие разделы физики (физика полупроводников, сверхпроводимости и др.).

Подводя итоги обсуждения проекта введения двухступенчатой системы, можно перечислить основные ее преимущества, отмечавшиеся на конференции.

Двухступенчатая система создает дополнительный стимул в учебном процессе.

Как показывают проведенные опросы, большинство студентов стремится к получению степени магистра. С другой стороны, сокращение продолжительности обучения бакалавров (а они составляют основную часть выпускников) приведет к увеличению продолжительности активной деятельности. С другой стороны, подготовка магистров будет благоприятствовать развитию научно-исследовательских работ. Продолжат обучение студенты, имеющие выраженную склонность к научно-исследовательской работе. При подготовке магистров будут широко применяться индивидуальные программы, составляемые с учетом как особенностей студента, так и перспективности развивающихся направлений. Введение двухступенчатой системы следует рассматривать как структурное изменение системы высшего образования.

Еще один вопрос, обсуждавшийся на конференции, затрагивал набор существующих специальностей, относящихся к области конструирования и технологии изготовления интегральных схем различного назначения. Не вызывает сомнения тесная связь конструирования и технологии изготовления интегральных схем. Это относится, разумеется, и к соответствующим специальностям.

Отмеченная особенность микроэлектроники в условиях быстрого преобразования научной и технической базы отрасли делает целесообразным объединение многих существующих специальностей. Основой единой микроэлектронной специальности должен стать расширенный и качественно укрепленный комплекс фундаментальных дисциплин в сочетании с практической и научно-исследовательской работой студентов.

Признавая значение оптимизации структуры высшей школы, необходимо в то же время оценить проблемы "технологии" обучения как еще более существенные. В выступлениях было обращено внимание на необходимость совершенствования именно методов обучения. Зарубежный опыт свидетельствует о применении широкого спектра различных "технологий" учебного процесса. Получившие наибольшее распространение системы различаются, главным образом, по таким параметрам, как соотношение аудиторной формы обучения й самостоятельной работы студентов, применение индивидуальных учебных планов. Имеется и отечественный опыт, связанный с длительной успешной деятельностью МФТИ. В этом институте учебный процесс обладает яркими особенностями, к которым можно отнести большой объем подготовки по физике и математике, значительное время, отводимое на научную работу й самостоятельное обучение материала. Формируются "элитарные" группы теоретиков, на которые зачисляются студенты, сдавшие соответствующие дополнительные экзамены. Успех методики обучения, применяемой в МФТИ и в ряде зарубежных вузов, очевиден. Можно ли рекомендовать применение подобной методики или ее элементов в других вузах страны?

Многие считают, что система МФТИ пригодна только для "элитарного" вуза. С этим, однако, трудно согласиться. Повышение качества усвоения материала наталкивается на серьезное препятствие, обусловленное тем, что студенты зачастую не вполне осознают практическое значение изучаемых разделов, а следовательно, воспринимают их формально, не развивают навыков применения. Отсюда и малый объем остаточных знаний — все зазубренные материалы быстро забываются. Один из подходов к решению этой задачи заключается во введении "сквозной" темы научно-практической работы, выдаваемой студентам индивидуально. Такая методика, близкая к применяемой в МФТИ, позволит связать разделы, кажущиеся студентам слишком абстрактными, с конкретной инженерной деятельностью. К сожалению, в учебном процессе еще слабо прослеживается связь фундаментальных и специальных дисциплин, а изучение фундаментальных наук часто не приводит к умению активно пользоваться изучаемыми материалами. Этот недостаток может быть устранен, многие подходы окажутся эффективными.

Мы, разумеется, не можем - давать универсальные рекомендации вузам. Оптимальная "технология" обучения может явиться результатом достаточно широкого эксперимента. Для этого вузы должны получить соответствующие права.-.необходима либерализация системы высшего образования.

Единственным критерием качества учебного процесса должна быть глубина знаний выпускников и их умение активно использовать эти знания.

Развитие и совершенствование технологии меняют воззрения на использование и проектирование электронных вычислительных средств. Многие факторы воздействуют на проектирование и внедрение вычислительных средств и математического обеспечения. Среди них финансовые и кадровые ресурсы, характер использования техники и сложность решаемых задач, развитие инструментальных средств. Разнообразие проблем порождает широкий круг требований к системам математического обеспечения управляющих аппаратной частью и прикладным модулям. В последнее время наблюдается тенденция формирования специализированных операционных сред и адаптации аппаратных ресурсов ЭВС для решения прикладных задач. Другими словами, разработка современных вычислительных систем включает в себя проектирование прикладной, системной и аппаратной составляющих.

Существует явное сходство в применении и разработке инструментальных средств программиста и проектировщика СБИС- Плотность элементов на кристалле делают для последнего немыслимой ручную разработку, порождающую неизбежные ошибки и дорогостоящие технологические эксперименты. Сейчас разработано достаточное число автоматизированных систем, позволяющих проектировать, моделировать и представлять технологии изготовления кристаллов работоспособных СБИС от полуавтоматических программных систем до кремниевых компиляторов. Таким образом, основной проблемой информатики становится отсутствие квалифицированных кадров, умеющих ориентироваться во всем комплексе задач создания вычислительных систем и развития соответствующих инструментальных средств. Наиболее вероятным разработчиком современных человеко-компьютерных систем является инженер-технолог, имеющий специальность 22.05,прошедший углубленную подготовку в одном из направлений информационных технологий, как, например, специализированное математическое обеспечение микропроцессорных систем, разработка и эксплуатация систем автоматизированного проектирования изделий микроэлектроники и др.. Тенденция к слиянию проектирования и технологии, отмеченная в энергичном докладе Я. А. Федотова и в выступлениях О. П. Глудкина, вызвала оживленную дискуссию как на секционных заседаниях, так и на заседаниях учебно-методического совета. В результате обмена мнений на учебно-методическом совете было принято решение о переименовании специальности 22.05. Новое название "Проектирование и производство электронных вычислительных средств" с соответствующими изменениями учебных планов и программ должно лучше соответствовать запросам современного производства ЭВС.

Обрисованные в пленарных докладах перспективы развития микроэлектроники ставят перед высшей школой задачу подготовки технологов нового типа. Технолог недалекого будущего должен характеризоваться, очевидно, углубленным знанием фундаментальных дисциплин, в особенности химии, физхимии, которым традиционно уделяется мало места в учебных планах; владением современными средствами автоматизированного проектирования изделий и узлов микроэлектроники от функционально-логического до технологического уровня; умением моделировать технологические процессы: слишком дорого обходится проведение натурных экспериментов при разработке и производстве современных сложных электронных средств; свободным

Литература

1. Программа Всесоюзной научно-технической конференции "Пути развития электронных средств и задачи высшей школы в подготовке специалистов соответствующей квалификации". Ульяновск,1991.

________________________________________________

О. П. Глудкин - д-р техн. наук, проф.;

Д. Б. Павлов - д-р техн. наук, проф.;

Ф. П. Пресс - д-р техн. наук, проф.;

М. А. Ханш - д-р физ.-мат. наук, проф.;

Н. М. Исаков - канд. физ.-мат. наук, доц.;

Э. А. Фаттахов - канд. техн. наук, доц.;

П. Н. Груздев

---

&copy Информационное общество, 1991, вып. 4, с. 27-35.