Производство технологии – описание понятия, разработка, развитие, функции

Промышленные технологии

27 августа 2016 г.

В настоящее время в мировой промышленности существует огромная конкуренция, выиграть которую возможно только предложением товара, который лучше, надежнее, безопаснее и дешевле, чем товар конкурента.  Все указанные качества товара напрямую зависят от применения новых промышленных технологий. Промышленные технологии – это совокупность способов обработки или переработки материалов, изготовление изделий, проведение различных производственных операций.

Промышленные технологии делятся на:

• добывающие технологии;
• технологии обогащения;
• технологии переработки;
• технологии обработки;
• технологии, предназначенные для переработки материальных ресурсов на определенный продукт.

Любая промышленная технология существует в рамках производственного процесса. Производственный процесс — это сово­купность действий, в результате которых исходное сырье, мате­риалы, полуфабрикаты превращаются в готовую продукцию, со­ответствующую своему назначению.

Специалистов по различным промышленным технологиям готовят разные высшие учебные заведения, такие как техникумы промышленных технологий, колледж промышленных технологий и управления и многие другие. Кроме того, существует множество организаций, которые предлагают свои услуги, основанные на применении различных промышленных технологий. Например, ООО «Промышленные технологии» предлагает оптимальные схемы покупки и переработки пластиковых отходов производства.

Неотъемлемой частью промышленных технологий являются информационные технологии. Информационные технологии — это комплекс методов и процедур, при помощи которых реализуются функции сбора, передачи, обработки, обогащения и доведение до пользователя информации о состоянии объекта, процесса или явления с использованием избранного комплекса технических средств.

 Принципиальное отличие информационной технологии от промышленной заключается в том, что она содержит элементы творческого характера, которые не поддаются регламентации и формализации

. Целью любой информационной технологии является производство информации для следующего анализа и принятия на его основе первичного решения. Основу промышленной информационной технологии составляет распределительная компьютерная техника, программное обеспечение, развитые коммуникации. Понятие «промышленная информационная технология» имеет двойное толкование: с практической точки зрения — это совокупность автоматизированных процессов циркуляции и переработки информации, описания этих процессов, связанных с конкретной предметной отраслью и реализованных с помощью современных технико-экономических средств, которые выполняют заданный перечень функций; с теоретической точки зрения — это научно-техническая дисциплина, в рамках которой исследуются проблемы разработки и применение автоматизированных процессов циркуляции и переработки информации.

Стоит обратить внимание, что сегодня ни одна сфера человеческой деятельности не обходится без современных промышленных технологий. Новые промышленные технологии активно применяются как при производстве транспорта, так и при изготовлении лекарственных препаратов.

Так, основными задачами промышленной технологии лекарств являются:

• разработка теоретических обоснований существующих методов изготовления лекарственных форм;
• совершенствование старых способов изготовления лекарственных форм и создание новых на основании использования современных достижений смежных наук;
• создание таких лекарственных форм, в которых максимально проявляется лечебный эффект, минимальное побочное действие и которые удобны при использовании больными.

Стоит сказать, что одну из важных ролей в промышленном производстве играет транспорт. Промышленный транспорт обслуживает нужды своего пред­приятия. Он осуществляет пе­ревозки внутри цехов и между ними, обеспечивает связь цехов и складов, а также связь с магистральным транспортом при вывозе-завозе сырья и продукции. В состав промышленного транспорта входят все виды транспор­та, составляющие транспортную систему, а также специфические виды транспорта, но основными являются железнодорожный, ав­томобильный и трубопроводный транспорт. Специфические виды транспорта играют особую роль. Это, прежде всего, транспорт непрерывного действия – трубопроводы, конвейеры, канатно-подвесные и монорельсовые дороги, пневмо- и гидротранспорт.

В промышленном производстве еще одна важная роль отводится и экологической составляющей. Современные промышленные технологии охватывают практически весь спектр задач данной и смежных отраслей хозяйствования. Выделяются следующие направления развития технологий промышленного производства на разных этапах:

• Технологии быстрого проектирования
• Технологии перепрофилирования оборудования
• Технологии экологической защиты производства
• Технологии водоочистки
• Технологии энергосбережения
• Технологии автоматизации управления производством
• Технологии безотходного производства
• Технологии автоматизации конвейерных процессов
• Технологии контроля производства
• Технологии утилизации и переработки отходов производства

Это далеко не полный перечень возможных направлений развития – практически на любом этапе, в любой отрасли промышленности есть свои специфические технологические процессы, требующие постоянного улучшения, развития, модернизации. Наличие оригинальной идеи в технологическом цикле в промышленности приводит к изменениям в производстве в лучшую сторону сразу по нескольким направлениям:

• Снижение себестоимости продукции
• Сокращение времени производства
• Повышение экологической составляющей
• Повышение качества продукции
• Принципиальное изменение характеристик продукции

И как следствие – повышение доходов. Таким образом, развитие современных технологий в промышленности является одной из самых главных составляющих успеха в создании промышленного продукта.

dailyonline.ru

Технологии в производстве

Технологические изменения происходят практически во всех отраслях промышленности, но многие из них уникальны и применяются исключительно в конкретных сферах. Например, железобетонные блоки с предвари­тельным напряжением являются технологическим новше­ством только для строительного производства. Основное требование к проектированию автомобилей заключается в том, что машины должны производиться из комплектую­щих, подлежащих вторичной переработке.

За последние несколько десятков лет в технологии появилось много новшеств и достижений, оказавших зна­чительное влияние на работу компаний во многих отрас­лях промышленности. Эти достижения, которые и стали предметом рассмотрения в данном дополнении, можно разделить на две большие категории – системы техниче­ского обеспечения и системы программного обеспечения.

Основным результатом появления новых технологий в техническом обеспечении стал более высокий уровень ав­томатизации процессов; благодаря им создается оборудова­ние, выполняющее трудоемкие операции, которые раньше выполнялись людьми. В качестве примеров можно назвать станки с числовым программным управлением, обрабаты­вающие центры, промышленные роботы, автоматизиро­ванные системы подачи материалов и гибкие производст­венные системы. Все это оборудование, которое управляет­ся компьютером, широко применяется в производстве. Технологии, основанные на разработках программного обеспечения, широко используются при проектировании продукции, а также для анализа и планирования производ­ственной деятельности. Наиболее известны из них системы автоматизированного проектирования и автоматизирован­ные системы планирования и управления производством. Все вышеупомянутые технологии подробно описываются дальше, в этом дополнении к главе

4.

Системы технического обеспечения

Станки с числовым программным управлением (станки с ЧПУ – Numerically Controlled Machine) состоят из (1) обычного станка, который применяется для обточки, сверления или шлифовки всевозможных деталей, и (2) компьютера, управляющего последовательностью опера­ций, выполняемых машиной. Станки с ЧПУ впервые ста­ли применять в 60-х годах компании в аэрокосмической промышленности, и с этого времени они широко исполь­зуются во многих других отраслях. В самых современных моделях станки с ЧПУ имеют замкнутые системы автома­тического управления с обратной связью, которые определяют положение инструмента и детали в процессе обработки, постоянно сравнивают фак­тическое положение с запрофаммированным и при необ­ходимости корректируют его. Такой процесс часто назы­вают адаптивным управлением.

По сравнению со станками с ЧПУ обрабатывающие цен­тры обеспечивают еще более высокий уровень автоматизации. В таком оборудовании не только выполняется автоматическое управление процессом рабо­ты, но и осуществляется автоматический выбор и установка инструмента, в зависимости от того, какой инструмент ну­жен для выполнения той или иной операции. Кроме того, такой центр можно оборудовать автоматической транс­портной системой челночного типа, которая позволяет в процессе обработки какой-либо детали на станке автомати­чески загружать в специальные приспособление необрабо­танные детали, а готовые – выгружать.

Промышленные роботы (Industrial Robots) используются для замены человека при выполнении многократно по­вторяющихся операций, а также опасной, вредной и ру­тинной работы.

Роботы – это перепрограммируемые многофункцио­нальные машины, оснащенные так называемым рабочим органом робота. Примером таких рабочих органов могут служить захваты (захватные устройства) для поднятия де­талей либо таких инструментов, как гаечный ключ, сва­рочный аппарат или краскораспылитель.

Современные роботы оснащены устройствами, обеспе­чивающими визуальную, сенсорную и ручную координа­цию. Кроме того, существуют модели, которые можно «научить» определенной последовательности движений в трехмерном пространстве. Для этого рабочий совершает необходимые для данной операции конкретные движения совместно с рабочим органом робота, а вычислительная ма­шина регистрирует эти движения в своей памяти и по ко­манде может точно воспроизвести их. Как видно из врезки «Формула окупаемости промышленного робота», расходы на приобретение такого оборудования зачастую быстро окупаются благодаря экономии затрат на рабочую силу. Автоматизированные системы подачи материалов служат для повышения эффективности транспортировки, хранения и пополнения материальных запасов. Примерами могут служить компьютеризированные транспортеры и системы автоматизированного хранения и пополнения запасов в ко­торых компьютеры определяют автоматическим погруз­чикам, какой груз следует поднять и куда переместить. Разработаны также системы автоматически управляемых транспортных средств в которых для направления так называемых робокаров (машин, движущихся без водителя) на различные участки завода используются проложенные под полом электриче­ские провода. Системы АМН обладают целым рядом пре­имуществ, в частности они обеспечивают быстрое перемещение материалов и материальных запасов, сокращается площадь склад! помещений и процент повреждения продукции и значительно повышается производительность.

Перечисленные выше элементы автоматизации мо объединить в так называемые производственные ячейки и даже в целые гибкие производственные системы. Производственная ячейка может состоять, например одного робота и одного обрабатывающего центра. Р( можно запрограммировать таким образом, чтобы он автоматически вставлял детали в обрабатывающий центр и затем тем удалял обработанную деталь, что позволяет заменить оператора. FMS – это полностью автоматизированная производственная система, состоящая из обрабатывающих центров с автоматической подачей и выгрузкой деталей, системы автоматически управляемых транспортных средств для перемещения деталей от машины к машине и других элементов автоматизации, позволяющих организо­вать производство, в котором практически не участвует человек. Чтобы обеспечить бесперебойную работу таких систем, в них широко применяются сложнейшие системы автоматизированного управления.

Оценка окупаемости инвестиций в технологии

Современные передовые технологии, такие как гибкие производственные системы или системы компьютеризи­рованной обработки заказов, требуют значительных капи­таловложений. Следовательно, прежде чем приобрести какую-либо из таких технологий, фирма должна тщатель­нейшим образом проанализировать финансовые и дело­вые выгоды данного приобретения. Оценка экономиче­ской целесообразности инвестиций – задача очень слож­ная, особенно потому, что целью приобретения новой технологии является не только сокращение затрат на ра­бочую силу, но и повышение качества и расширение ас­сортимента продукции, сокращение сроков подготовки новой продукции к выпуску и повышение гибкости про­изводственного процесса. В силу того, что некоторые из этих преимуществ не влекут за собой прямого сокраще­ния издержек на рабочую силу, оправдать их выбор быва­ет очень сложно. Кроме того, стремительное развитие но­вых технологий приводит к тому, что приобретенное обо­рудование устаревает в течение каких-нибудь нескольких месяцев, что делает оценку затрат и выгод еще более сложной задачей.

Не следует считать, что внедрение новых технологий непременно ведет к снижению издержек производства. Иногда бывает, что выгоды автоматизации не вызывают ни малейшего сомнения, но их внедрение оказывается экономически нецелесообразным. Например, в недавнем прошлом многие специалисты предсказывали, что интег­рированные системы CAD/САМ станут решением всех проблем, связанных с производством. Однако немало компаний, вложившие в них средства, потеряли свои деньги. Основная цель, которую они преследовали, за­ключалась в удалении из процесса станочной обработки как можно большего количества квалифицированной ра­бочей силы и в ускорении технологического процесса³. Но в современном производстве нередки ситуации, когда быстрее, например, вручную фрезеровать сложные детали, выпускаемые небольшими партиями, чем запрограммиро­вать фрезерный станок на выполнение этой операции. Кроме того, рабочее время программиста стоит намного дороже, чем рабочее время оператора фрезерного станка. Далее, зачастую оказывается сложно перенести весь опыт и знания, полученные оператором станка на протяжении многих лет, в компьютерную программу.

studfiles.net

7.3. Производство и технология. Производственная функция

Производство — это процесс использования материальных, трудовых и природных ресурсов с целью создания экономических благ.

Каждое производство осуществляется посредством определенной технологии, под которой следует понимать устойчивую комбинацию используемых в нем факторов производства. Более совершенные технологии отличаются применением новых методов производства и оборудования, квалифицированного труда, что способствует эффективному использованию ресурсов. В процессе развития технологий появляются новые виды продукции.

Технологическая зависимость между любым набором факторов производства и максимально возможным объемом продукции, произведенным в результате их использования, называется производственной функцией. Ее можно представить следующим образом:

, (7.4)

где — максимальный объем продукции, производимый при данных технологии, количестве и сочетании ресурсов; — величины используемых ресурсов (факторов производства).

Производственные функции в различных отраслях, несмотря на некоторые особенности, обладают общими свойствами.

Во-первых, строится производственная функция для определенной технологии. Совершенствование последней сопровождается ростом выпуска продукции при всех сочетаниях факторов производства, что изменяет сам вид производственной функции.

Во-вторых, любая производственная функция отражает только технологически эффективные способы производства продукции.. Она показывает максимально возможные объемы производства при различных сочетаниях факторов производства, или (что то же самое) минимальное количество ресурсов, необходимое для производства заданного количества продукции .С технологической точки зрения один и тот же объем выпуска возможен при различных сочетаниях используемых ресурсов, но экономически эффективным признается тот способ производства, при котором заданный объем продукции производится с наименьшими издержками.

В-третьих, производственная функция предполагает ту или иную степень взаимодополняемости и взаимозаменяемости факторов производства. Так, капитал и труд дополняют друг друга и обычно только в совокупности способны обеспечить производство продукции. Но одновременно возможна и их взаимозаменяемость. Это означает, например, что данное количество продукции можно произвести высокомеханизированным способом с использованием меньшего количества работников или, наоборот, путем применения меньшего количества техники и большего количества труда.

7.4. Производственный выбор фирмы в краткосрочном периоде. Производство с одним переменным фактором

Существует специфика анализа процесса производства в зависимости от возможностей изменения фирмой количества и структуры используемых ресурсов. В этой связи выделяют понятия краткосрочного и долгосрочного производственных периодов, постоянных и переменных ресурсов.

В краткосрочном периодефирма не может изменить величину по крайней мере одного из используемых ею факторов производства. Вдолгосрочном периодеизменяется количество всех применяемых ресурсов.

Постоянные факторы производства— это ресурсы, количество которых фирма не в состоянии изменить в краткосрочном периоде (обычно — земля, производственные площади, станки и оборудование).

Переменные факторы производства— это ресурсы, количество которых изменяется в течение краткосрочного периода, т.е. в случае производственной необходимости фирма способна достаточно быстро нарастить или сократить их объем (например, трудовые и сырьевые ресурсы).

В краткосрочном периоде фирма может расширить объем производства только путем изменения количеств используемых ресурсов (труда, сырья).

В долгосрочном периоде рост выпуска продукции является результатом расширения использования фирмой всех ресурсов.

Производственная функция краткосрочного периодаотражает объем продукции, который может получить фирма в результате изменения количества используемого переменного ресурса при условии, что все другие ресурсы остаются неизменными. Для анализа того, как изменения переменного фактора производства влияют на объем производимой продукции, используют показатели общего (валового, совокупного, суммарного), среднего и предельного продуктов.

Общий продукт(TP_x) переменного фактора производстваX — это выпуск продукции в физических единицах, который фирма произведет при определенном количестве этого фактора и заданных постоянных факторах производства.

Предположим, что в производстве используются только два ресурса: труд и капитал. В краткосрочном периоде капитал (производственные мощности) не изменяется, поэтому выпуск продукции зависит от количества используемого труда. Общий продукт труда будет тем количеством продукции, который предприниматель получит при той или иной численности персонала фирмы и данных производственных мощностях.

Средний продукт(AP_x) переменного фактора производстваXпоказывает объем продукции в физических единицах, который приходится в среднем на единицу этого ресурса:

. (7.5)

Рассчитав данный показатель, предприниматель будет знать, сколько продукции в среднем производит один его работник, т.е. насколько эффективно используется труд.

Предельный продукт(MP_x) переменного фактора производстваX— это прирост общего продукта, который будет получен в результате использования его дополнительной единицы и при неизменном количестве постоянных факторов производства:

(7.6)

Предельный продукт характеризует эффективность использования дополнительных единиц переменного фактора производства, его предельную производительность (отдачу).

Характерная черта производственного процесса в краткосрочном периоде заключается в том, что увеличение количества переменного фактора производства при условии неизменности остальных используемых ресурсов сопровождается уменьшением прироста и абсолютной величины общего продукта фирмы. В экономической теории данная закономерность получила название закона убывающей предельной производительности(или убывающей предельной отдачи).

Действие этого закона объясняется нарушением сбалансированности между используемыми в производстве постоянными и переменными ресурсами, из-за чего с определенного момента начинается снижение предельного продукта переменного ресурса.

Динамика и взаимосвязь общего, среднего и предельного продуктов представлены графически на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Кривые общего, среднего и предельного продуктов труда

Темпы изменения общего продукта (угол наклона кривой TP) отражают динамику предельной производительности труда. Если предельный продукт труда растет, то общий выпуск продукции увеличивается с нарастающей скоростью. Особенностью этого этапа является невысокая интенсивность использования капитала. А это значит, что увеличение количества используемого труда сопровождается ростом вклада каждого нового работника в общий объем производства.

Когда предельный продукт труда еще остается положительной величиной, но уже падает, общий продукт увеличивается с убывающей скоростью. Когда предельный продукт труда равен нулю, общий продукт фирмы принимает максимальное значение. Далее предельная производительность становится отрицательной, а выпуск продукции начинает уменьшаться.

Подобно предельному продукту средний продукт труда сначала увеличивается, достигает максимального значения, а затем снижается (см. рис. 7.2).

studfiles.net

Современные технологии полупроводникового производства

В последние годы к стадии возможности использования в коммерческом производстве подошел целый ряд технологий, позволяющих заметно увеличить скорость работы транзисторов, либо столько же заметно уменьшить размер чипа без перехода на более тонкий технологический процесс. Некоторые из этих технологий уже начали применяться в течение последних месяцев, их названия упоминаются в новостях, относящихся к компьютерам, все чаще. Эта статья – попытка сделать краткий обзор подобных технологий, попытавшись заглянуть в самое ближайшее возможное будущее чипов, находящихся в наших компьютерах.

Первая интегральная схема, где соединения между транзисторами сделаны прямо на подложке, была сделана более 40 лет назад. За это время технология их производства претерпела ряд больших и малых улучшений, пройдя от первой схемы Джека Килби до сегодняшних центральных процессоров, состоящих из десятков миллионов транзисторов, хотя для серверных процессоров впору уже говорить о сотнях миллионов.

Здесь пойдет речь о некоторых последних технологиях в этой области, таких, как медные проводники в чипах, SiGe, SOI, перовскиты. Но сначала необходимо в общих чертах затронуть традиционный процесс производства чипов из кремниевых пластин. Нет необходимости описывать процесс превращения песка в пластины, поскольку все эти технологии не имеют к столь базовым шагам никакого отношения, поэтому начнем с того, что мы уже имеем кремниевую пластину, диаметр которой на большинстве сегодняшних фабрик, использующих современные технологии, составляет 20 см. Ближайшим шагом на ее превращении в чипы становится процесс окисления ее поверхности, покрытия ее пленкой окислов — SiO2, являющейся прекрасным изолятором и защитой поверхности пластины при литографии.

Дальше на пластину наносится еще один защитный слой, на этот раз — светочувствительный, и происходит одна из ключевых операций — удаление в определенных местах ненужных участков его и пленки окислов с поверхности пластины, до обнажения чистого кремния, с помощью фотолитографии.

На первом этапе пластину с нанесённой на её поверхность плёнкой светочувствительного слоя помещают в установку экспонирования, которая по сути работает как фотоувеличитель. В качестве негатива здесь используется прецизионная маска — квадратная пластина кварцевого стекла покрытая плёнкой хрома там, где требуется. Хромированные и открытые участки образуют изображение одного слоя одного чипа в масштабе 1:5. По специальным знакам, заранее сформированным на поверхности пластины, установка автоматически выравнивает пластину, настраивает фокус и засвечивает светочувствительный слой через маску и систему линз с уменьшением так, что на пластине получается изображение кристалла в масштабе 1:1. Затем пластина сдвигается, экспонируется следующий кристалл и так далее, пока не обработаются все чипы на пластине. Сама маска тоже формируется фотохимическим способом, только засвечивание светочувствительного слоя при формировании маски происходит по программе электронным лучом примерно также, как в телевизионном кинескопе.

В результате засвечивания химический состав тех участков светочувствительного слоя, которые попали под прозрачные области фотомаски, меняется. Что дает возможность удалить их с помощью соответствующих химикатов или других методов, вроде плазмы или рентгеновских лучей.

После чего аналогичной процедуре (уже с использованием других веществ, разумеется) подвергается и слой окислов на поверхности пластины. И снова, опять же, уже новыми химикатами, снимается светочувствительный слой:

Потом накладывается следующая маска, уже с другим шаблоном, потом еще одна, еще, и еще… Именно этот этап производства чипа является критическим в плане ошибок: любая пылинка или микроскопический сдвиг в сторону при наложении очередной маски, и чип уже может отправиться на свалку. После того, как сформирована структура чипа, пришло время для изменения атомной структуры кремния в необходимых участках путем добавления различных примесей. Это требуется для того, чтобы получить области кремния с различными электрическими свойствами — p-типа и n-типа, то есть, как раз то, что требуется для создания транзистора. Для формирования p-областей используются бор, галлий, алюминий, для создания n-областей — сурьма, мышьяк, фосфор.

Поверхность пластины тщательно очищается, чтобы вместе с примесями в кремний не попали лишние вещества, после чего она попадает в камеру для высокотемпературной обработки и на нее, в том или ином агрегатном состоянии, с использованием ионизации или без, наносится небольшое количество требуемых примесей. После чего, при температуре порядка от 700 до 1400 градусов, происходит процесс диффузии, проникновения требуемых элементов в кремний на его открытых в процессе литографии участках. В результате на поверхности пластины получаются участки с нужными свойствами. И в конце этого этапа на их поверхность наносится все та же защитная пленка из окисла кремния, толщиной порядка одного микрона.

Все. Осталось только проложить по поверхности чипа металлические соединения (сегодня для этой роли обычно используется алюминий, а соединения сегодня обычно расположены в 6 слоев), и дело сделано. В общих чертах, так в результате и получается, к примеру, классический МОП транзистор: при наличии напряжения на затворе начинается перемещение электронов между измененными областями кремния.

Теперь, слегка пробежавшись по классическому процессу создания сегодняшних чипов, можно более уверенно перейти к обзору технологий, которые предполагают внести определенные коррективы в эту картину.

Медные соединения

IBM, техпроцесс CMOS 7S, первая медная технология, начавшая применяться при коммерческом производстве чипов

Первая из них, уже начавшая широко внедряться в коммерческое производство — это замена на последнем этапе алюминия на медь. Медь является лучшим проводником, чем алюминий (удельное сопротивление 0,0175 против 0,028 ом*мм2/м), что, в полном соответствии с законами физики, позволяет уменьшить сечение межкомпонентных соединений. Вполне своевременно, учитывая постоянное движение индустрии в сторону уменьшения размеров транзисторов и увеличения плотности их размещения на чипе, когда использование алюминия начинает становиться невозможным. Индустрия начала сталкиваться с этой проблемой уже в первой половине 90-х. Вдобавок, что толку в ускорении самих транзисторов, если соединения между ними будут съедать весь прирост скорости?

Проблемой при переходе на медь являлось то, что алюминий куда лучше образует контакт с кремнием. Однако после не одного десятка лет исследований, ученым удалось найти принцип создания сверхтонкой разделительной области между кремниевой подложкой и медными проводниками, предотвращающей диффузию этих двух материалов.

По данным IBM, применение в технологическом процессе меди вместо алюминия, позволяет добиться снижения себестоимости примерно на 20-30 процентов за счет снижения площади чипа. Их технология CMOS 7S, использующая медные соединения, позволяет создавать чипы, содержащие до 150-200 миллионов транзисторов. И, наконец, просто увеличение производительности чипа (до 40 процентов) за счет меньшего сопротивления проводников.

IBM начала предлагать клиентам эту технологию в начале 98 года, в конце этого года своим заказчикам предложили использовать медь при производстве их чипов TSMC и UMC, AMD начинает выпуск медных Athlon в начале 2000 года, Intel переходит на медь в 2002 году, одновременно с переходом на 0.13 мкм техпроцесс.

SiGe

Соединения — соединениями, но уже на скорости чипа в несколько ГГц перестает справляться с нагрузкой сама кремниевая подложка. И если для традиционных областей применения чипов кремния пока достаточно, в области беспроводной связи уже давно дефицит на дешевые скоростные чипы. Кремний — дешево, но медленно, арсенид галлия — быстро, но дорого. Решением здесь стало использование в качестве материала для подложек соединения двух основ полупроводниковой индустрии — кремния с германием, SiGe. Практические результаты по этой технологии стали появляться с конца 80-х годов. Первый биполярный транзистор, созданный с использованием SiGe (когда германий используется как материал для базы), был продемонстрирован в 1987 году. В 1992 году уже появилась возможность применения при производстве чипов с SiGe транзисторами стандартной технологии КМОП с разрешением 0.25 мкм.

Результатом применения становится увеличение скорости чипов в 2-4 раза по сравнению с той, что может быть достигнута путем использования кремния, во столько же снижается и их энергопотребление. При этом, в ход вступает все тот же решающий фактор — стоимость: SiGe чипы можно производить на тех же линиях, которые используются при производстве чипов на базе обычных кремниевых пластин, таким образом отпадает необходимость в дорогом переоснащении производственного оборудования. По информации IBM, потенциальная скорость транзистора (не чипа!) с их технологией составляет сегодня 45-50 ГГц (что далеко не рекорд), ведутся работы над увеличением этой цифры до 120 ГГц. Впрочем, в ближайшие годы прихода SiGe в компьютер ждать не стоит — при тех скоростях, что потребуется PC чипам в ближайшем будущем вполне хватает кремния, легированного такими технологиями, как медные соединения или SOI.

Кремний на изоляторе (silicon-on-insulator, SOI)

Еще одна технология, позволяющая достаточно безболезненно повысить скорость чипов, не требуя от производителей отказаться от всех их сегодняшних наработок. Как и технология медных соединений, SOI позволяет создателям чипов убить двух зайцев одним выстрелом — поднять скорость, до 25 процентов, одновременно снизив энергопотребление. Что из себя представляет эта технология? Вспомним начало обработки кремниевой пластины — она покрывается тонкой пленкой окисла кремния. А в SOI к этому бутерброду добавляется еще один элемент — сверху опять наносится тонкий слой кремния:

Вот и получается — кремний на изоляторе. Зачем это понадобилось? Чтобы уменьшить емкость. В идеале МОП транзистор должен выключаться, как только будет исчезнет питание с затвора (или наоборот, появится, в случае с КМОП). Но наш мир далеко не идеален, это справедливо и в данном конкретном случае. На время срабатывания транзистора напрямую влияет емкость области между между измененными участками кремния, через которую и идет ток при включении транзистора. Он начинает и заканчивает идти не мгновенно, а только после, соответственно, зарядки и разрядки этой промежуточной зоны. Понятно, что чем меньше это время, тем быстрее работает транзистор, можно сказать, что тем меньше его инерция. Для того и придумана SOI — при наличии между измененными участками и основной массой кремния тонкой пластинки изолирующего вещества (окисел кремния, стекло, и т.д.), этот вопрос снимается и транзистор начинает работать заметно быстрее.

Основная сложность в данном случае, как и в случае с медными соединениями, заключается в разных физических свойствах вещества. Кремний, используемый в подложке — кристалл, пленка окислов — нет, и закрепить на ее поверхности, или же не поверхности другого изолятора еще один слой кристаллического кремния весьма трудно. Вот как раз проблема создания идеального слоя и заняла весьма много времени. Не так давно IBM уже продемонстрировала процессоры PowerPC и чипы SRAM, созданные с использованием этой технологии, просигнализировав этим о том, что SOI подошла к стадии возможности коммерческого применения. Совсем недавно, IBM объявила о том, что она достигла возможности сочетать SOI и медные соединения на одном чипе, пользуясь плюсами обеих технологий. Тем не менее, пока что никто кроме нее не заявил публично о намерении использовать эту технологию при производстве чипов, хотя о чем-то подобном речь идет.

Перовскиты

Поиски замены на роль изолирующей пленки на поверхности подложки идут давно, учитывая, что как и алюминий, диоксид кремния начинает сдавать в последнее время — при постоянном увеличении плотности транзисторов на чипе необходимо уменьшать толщину его изолирующего слоя, а этому есть предел, поставленный его электрическими свойствами, который уже довольно близок. Однако пока, несмотря на все попытки, SiO2 по прежнему находится на своем месте. В свое время IBM, предполагала использовать в этой роли полиамид, теперь пришла очередь Motorola выступить со своим вариантом — перовскиты.

Этот класс минералов в природе встречается довольно редко — Танзания, Бразилия и Канада, но может выращиваться искусственно. Кристаллы перовскитов отличаются очень высокими диэлектрическими свойствами: использованный Motorola титанат стронция превосходит по этому параметру диоксид кремния более чем на порядок. А это позволяет в три-четыре раза снизить толщину транзисторов по сравнению с использованием традиционного подхода. Что, в свою очередь, позволяет значительно снизить ток утечки, давая возможность заметно увеличить плотность транзисторов на чипе, одновременно сильно уменьшая его энергопотребление.

Пока что эта технология находится в достаточно ранней стадии разработки, однако Motorola уже продемонстрировала возможность нанесения пленки перовскитов на поверхность стандартной 20 см кремниевой пластины, а также рабочий КМОП транзистор, созданный на базе этой технологии.

Спасибо Игорю Чудакову за помощь в создании этой статьи

www.ixbt.com

Научные основы производственных технологий

Для развития промышленности характерны следующие тенденции: концентрация производства, механизация и автоматизация, рост производительности труда и повышение качества товаров.

В промышленности высокими темпами совершенствуется производство. Отдельные технологические операции выполняют непрерывно действующие поточные линии, в которых режимы и параметры процесса контролируются и регулируются автоматизированными устройствами и системами, включающими ЭВМ.

В осуществлении технического прогресса промышленность опирается на новейшие научно-технические разработки научных учреждений и организаций, обслуживающих различные отрасли индустрии. Научные исследования также ведутся в университетах и специализированных вузах.

Осуществлению технологических процессов способствует применение научных методов организации производства. Прирост выпуска товаров происходит в результате повышения производительности труда. Это достигается благодаря проведению комплекса мероприятий, обусловливающих технический прогресс в отраслях.

Неотъемлемой частью научно-технического прогресса является повышение качества и конкурентоспособности, особенно биологической ценности продуктов питания. В настоящее время решается задача достижения такого уровня производства основных пищевых продуктов на душу населения, при котором обеспечивалось бы рациональное питание, сбалансированное по незаменимым факторам.

В пищевой промышленности определилась тенденция на расширение ассортимента полуфабрикатов и готовых закусочных, первых, вторых и третьих блюд, особенно блюд быстрого приготовления, сухих завтраков. Расширяется выпуск продуктов детского и диетического питания, продуктов, предназначенных для различных групп населения.

Пищевые продукты вырабатываются из продуктов растениеводства и животноводства, имеющих сложный химический состав и строение. Сложны и технологические процессы превращения этого сырья в продукты питания. Высокое качество продовольственных товаров достигается благодаря применению современных методов обработки, основанных на законах физики и химии, механики и теплофизики, биохимии и микробиологии.

Наука о производственных технологиях призвана играть большую роль в интенсификации развития отраслей промышленности и тем самым способствовать удовлетворению потребностей населения в товарах.

proiz-teh.ru