Программа Министерства обороны под названием Microelectronics Commons поможет создать трудовые ресурсы и технические решения, необходимые для обеспечения будущего полупроводниковой отрасли США.
Научный сотрудник работает с полупроводниковыми материалами в исследовательской лаборатории MacroTechnology Works при Университете штата Аризона в Темпе. Центр SWAP, возглавляемый Университетом, проводит исследования в области микроэлектроники и является одним из 8 центров проекта Microelectronics Commons Министерства обороны США, созданных для ускоренного развития электронных технологий.
После того, как пандемия коронавируса нарушила глобальные цепочки поставок в 2020 г., возникла нехватка чипов для полупроводников, а спрос на бытовую электронику со стороны населения, застрявшего дома, увеличился. В то же время возросла международная напряженность в отношениях между Китаем и Тайванем, производящим большинство чипов в мире.
Электронные чипы необходимы для обеспечения международной безопасности, а также для использования в ракетных системах, реактивных истребителях, танках, оборудовании радиосвязи и многом другом. Для удовлетворения этих и других потребностей правительство США приняло Закон о чипах и науке, который предусматривает финансирование исследований, разработок и производства полупроводников в США на сумму 52,7 миллиарда долларов.
Положения Закона о чипах и науке способствовали созданию 8 центров проекта Microelectronics Commons по всей стране. Они нацелены на стимулирование электронных инноваций и продвижение экспериментальных технологий в производство для Министерства обороны США. Это обеспечит выход мощных идей за рамки исследовательских лабораторий и их применение в военной технике, а также увеличит число сотрудников, занятых в полупроводниковой промышленности США.
Одним из них является Юго-западный центр разработки передовых прототипов или SWAP – консорциум по исследованиям и развитию персонала, возглавляемый Университетом штата Аризона и объединяющий более 130 партнеров из научных кругов, правительства и промышленности. Партнерами центра являются научно-исследовательская лаборатория Национального управления по ядерной безопасности Министерства энергетики США Sandia National Laboratories, компании Applied Materials, Intel Northrop Grumman, NXP Semiconductors и Университет Колорадо в Боулдере.
«Предполагается, что благодаря центру будет создана экосистема», - говорит Кришненду Чакрабарти, профессор микроэлектроники в Инженерной школе им. Айры А. Фултона при Университете штата Аризона и технический директор Центра SWAP. «Это касается не только нашего университета, но и всей страны”.
Салли Мортон, исполнительный вице-президент Центра знаний при Университете штата Аризона и профессор статистики, согласна с тем, что влияние центра будет широкомасштабным.
«В вузе мы сокращаем разрыв между исследованиями и предпринимательством, развивая местную полупроводниковую промышленность и еще больше повышая экономическую конкурентоспособность и национальную оборону», - дополняет Мортон. «Ярким примером является Центр SWAP, который использует коллективный опыт наших преданных своему делу преподавателей и студентов для обеспечения энергичного, надежного будущего региона и его процветания, поскольку Аризона готова стать сердцем исследований полупроводников, разработок и повышения уровня образованности персонала».
С момента анонсирования запуска Центра SWAP данный проект обеспечивает условия для создания прототипов в 6 областях: схемы, архитектура и электроиспытания; метрология и описание характеристик; промышленная частота и радиочастотная электроника; гетерогенная интеграция; комплементарный металл-оксидный полупроводник, или КМОП, плюс X, или дополнительный тип материала, интеграция; и материалы для интеграции КМОП плюс X.
Центр также определил 3 основных понятия для характеристики достижений в области создания прототипов для микроэлектроники: работа в экстремальных условиях; контроль и гарантии; и подготовка трудовых ресурсов.
Максимизация влияния бытовой микроэлектроники
В качестве технического директора Чакрабарти, преподаватель Школы электротехники, вычислительной техники и энергетики, входящей в состав Школы Фултона, курирует технические аспекты проектов, такие как формирование исследовательских групп, обеспечение соответствия проектов потребностям Министерства обороны и выявление сотрудников центра, обладающих необходимыми знаниями для выполнения конкретных задач. В его обязанности входит надзор за деятельностью Центра SWAP с точки зрения его возможностей и тематической концентрации. Три преподавателя из Школы Фултона ведут тематическую работу Центра:
• Хью Барнаби, профессор электротехники, возглавляет тему «Работа в экстремальных условиях». Цель данного направления – обеспечить условия, чтобы электроника могла выдерживать суровые условия, такие как высокая радиация и экстремальные температуры, что отражает жесткие условия, в которых приходится работать оборонным технологиям.
• Мишель Кинси, доцент кафедры компьютерных наук и инженерии, рассказывает о гарантиях безопасности. Поскольку использование микроэлектроники для национальной обороны требует защиты от злоумышленников, меры в этой области направлены на обеспечение безопасности цепочки поставок.
• Бинил Старли, профессор производственной инженерии и директор Школы производственных систем и сетей, входящей в состав Школы Фултона, возглавляет работу по подготовке трудовых ресурсов, целью которой является создание персонала, необходимого для производства микроэлектроники.
Создание трудовых ресурсов в области микроэлектроники
«Партнеры Центра SWAP в сфере образования совместно обучают более 60 000 студентов, желающих получить диплом в области естественных наук, технологий, инженерии и математики или STEM-образование», - заявляет Старли. «Если мы направим 10% этих студентов на карьерный рост в отрасли микроэлектроники, мы сможем положительно повлиять на потребности региона в квалифицированном персонале».
В связи с быстрым ростом индустрии микроэлектроники в США требуются тысячи сотрудников для заполнения рабочих мест на новых производственных предприятиях. Проект SWAP призван сократить этот разрыв с помощью таких средств, как ведение учетных данных в Центре знаний при Университете штата Аризона, что позволяет сертифицировать работников в быстро развивающихся областях электроники.
Старли подчеркивает важность объединения сильных сторон и ресурсов партнеров для решения различных задач в области подготовки персонала.
Подготовка инноваций в области микроэлектроники к производству
MTW – это бывший завод Motorola по производству полупроводников, расположенный в исследовательском парке Университета штата Аризона в Темпе, и в настоящее время объединяющий экосистему стартапов, исследовательских лабораторий и инструментов для производства электроники, которые идеально подходят для создания небольших партий полноразмерных прототипов электроники. Джейсон Конрад, директор по производственным вопросам Центра SWAP, в настоящее время руководит компанией MTW, по сути являющейся исследовательским центром проекта SWAP. В качестве директора он курирует повседневную деятельность центра и расширяет его взаимодействие с партнерами.
«MTW - это ключ к будущему Центра SWAP», - заявляет Конрад. «Мне нравится называть его жемчужиной Университета штата Аризона».
Он говорит, что инфраструктура, инструменты и возможности компании редко можно найти в вузах. Чакрабарти считает, что ресурсы, которые предлагает MTW, сыграли важную роль в принятии решения о выборе Университета штата Аризона для руководства Центром SWAP.
Благодаря партнерству с Applied Materials, результатом которого стало создание центра Materials-to-Fab Center, партнерству с NXP и Управлением торговли штата Аризона, а также финансированию Закона о чипах и науке на модернизацию оборудования для MTW было выделено более 200 миллионов долларов. Новое оборудование позволит компании удовлетворять все более высоким технологическим требованиям, обеспечивающим надлежащую производительность на различных этапах процесса производства полупроводников, и будет способствовать реализации 6 основных задач Центра SWAP.
Расширение возможностей электроники для обеспечения безопасного будущего
Преподаватели всех факультетов Школы Фултона вносят свой вклад в деятельность Центра SWAP по развитию производства микроэлектроники – от оптимизации материалов до упаковки.
Суле Озев, профессор электротехники из Школы Фултона, возглавляет отдел схем, архитектуры и тестирования, который занимается разработкой и тестированием возможностей для развития микроэлектроники.
Отдел метрологии и определения характеристик, возглавляемый Умберто Челано, доцентом кафедры электротехники Школы Фултона, занимается анализом физических, химических и электрических свойств микроэлектроники.
Тревор Торнтон, профессор электротехники из Школы Фултона, возглавляет отдел силовой и радиочастотной электроники, анализируя новые материалы и конструкции для средств связи и силовой электроники.
Группа по гетерогенной интеграции, возглавляемая Кристофером Бейли, профессором электротехники из Школы Фултона, стремится найти наилучшие методы интеграции компонентов для формирования электронных систем, состоящих из комбинаций множества микросхем меньшего размера.
Технология CMOS plus X integration, упрочненная радиационным излучением, исследует возможность добавления других материалов в КМОП-чипы, один из видов полупроводников, распространенных в современной электронике.
КМОП-чипы с радиационным упрочнением доказали свою устойчивость к радиационному воздействию. Радиационное упрочнение обеспечивает более высокую функциональность в условиях высокой радиации, например, в космосе. Исследователи также планируют проанализировать и протестировать работу новых устройств в различных условиях окружающей среды и радиации.
Для этого будут использованы возможности лабораторий Национального управления по ядерной безопасности Министерства энергетики США Sandia National Laboratories и опыт исследователя Сапана Агарвала в области радиационной защиты. Агарвал возглавит работу вместе со своим бывшим коллегой Мэтью Маринеллой, доцентом кафедры электротехники в Школе Фултона, который перешел в Университет штата Аризона из Sandia National Laboratories.
Сет Ариэль Тонгей, профессор материаловедения и инженерии в Школе Фултона, возглавляет отдел разработки новых материалов и их интеграции с CMOS plus X. Он отмечает, что производственная задача будет заключаться в эффективном изготовлении этих новейших полупроводниковых приборов и их интеграции с самыми современными КМОП-матрицами при достаточно низких температурах, чтобы не повредить их. Тонгей и его команда стремятся к достижению таких целей, как разработка нейроморфных вычислительных устройств, позволяющих обрабатывать различную информацию одновременно, подобно нервной системе человека, и производство полупроводников для инфракрасных детекторов.
Он считает, что благодаря работе Центра SWAP Аризона еще больше укрепит позиции в области микроэлектроники в стране. Это позволит привлечь высококвалифицированную рабочую силу для расширения производственной и электронной экосистемы штата.
Наращивание потенциала для обмена опытом в области электроники
Центр SWAP привлек внимание всей страны благодаря визиту представителей Министерства обороны США в январе. Они посетили объекты университета и ознакомились с презентациями, чтобы быть в курсе планов центра.
Часть этих планов включает в себя создание прототипов проектных идей, представленных в рамках последнего запроса Министерства обороны на получение предложений для финансирования. Центру было разрешено представить только 15 планов, поэтому руководству пришлось отобрать финалистов из более чем 75 заявок, представленных партнерами.
«Все наши преподаватели с энтузиазмом участвуют в проекте», - говорит Чакрабарти. «Нам удалось заинтересовать все сообщество Университета штата Аризона».