eng
Выпуск #6/2018
В.Лучинин
Индустрия микро- и наносистем: от импортозамещения к технологическому суверенитету
Индустрия микро- и наносистем: от импортозамещения к технологическому суверенитету
Просмотры: 2762
Доминирующим фактором, определяющим развитие России в условиях глобальной конкуренции, является "технологический прорыв" как стратегический вектор позиционирования государства на рынках военной и гражданской продукции с целью защиты его жизненно важных интересов и перехода к новому технологическому укладу. В системе обеспечения технологической безопасности России в существующей и прогнозируемой системе отношений, в том числе с учетом приоритетов так называемой цифровой экономики, базовым элементом "мягкой силы" является интеллектуальный потенциал нации, инновационность и конкурентоспособность продукции микро- и наноиндустрии. Все вышесказанное интегрируется в рамках понятия "научно-технологический суверенитет" (от франц. la souverainetй – независимость, самостоятельность). В условиях глобализации неизбежно сокращение суверенитета, а интеллектуальная изоляция ведет к стагнации, поэтому необходимо обеспечить лидерство по ключевым направлениям, определяющим глобальную независимость, паритет и превосходство.
УДК 621.3, ВАК 05.27.01, DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.6.450.461
УДК 621.3, ВАК 05.27.01, DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.6.450.461
Теги: globalization independence intellectual isolation nanoindustry technological sovereignty глобализация интеллектуальная изоляция наноиндустрия независимость технологический суверенитет
Целью настоящей статьи является анализ базовых направлений парадигмы "технологического суверенитета" России применительно к развитию микро- и нанотехники как базиса инфо-, энерго- и биотехносферы шестого технологического уклада.
НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ БАЗИС
ШЕСТОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УКЛАДА.
МИКРО- И НАНОТЕХНИКА
Следует отметить, что движущими силами, определяющими динамику становления и развития нового технологического уклада, являются не только экономические стимулы, но и ряд базовых факторов, которые тесно связаны с такими понятиями, как национальная и технологическая безопасность, превосходство и паритет. Их обеспечение в рамках государственных интересов наряду с коммерциализацией продукции вносит значительный вклад в эволюции системообразующих технологий, определяющих облик нового технологического уклада (табл.1) [1]. Не обладая достаточной совокупностью знаний, необходимых для анализа всего комплекса технологий, которые определяют формирование шестого технологического уклада, обратимся лишь к направлениям микро- и наноинженерии.
В рамках анализа базовых тенденций развития естественно-научного базиса шестого технологического уклада следует отметить, что основным системным стратегическим направлением, по-видимому, станет активное использование ранее неизвестных свойств материалов и композиций, возникающих при переходе к объектам следующих видов:
• свойства которых зависят от размерного и конформационного факторов;
• представляющих собой интеграцию искусственно и естественно упорядоченных систем;
• интегрирующих материаловедческий базис неорганической и органической природы;
• в основе функционирования которых лежит комплекс кооперативно-синергетических процессов и явлений.
При решении задач по созданию и практическому использованию объектов с вышеуказанными свойствами необходимо определить и возможные приоритетные направления фундаментально-поисковых исследований для обеспечения интеллектуального базиса инноваций шестого технологического уклада:
• зависимость свойств материалов и систем от характеристических размеров;
• нетрадиционные виды симметрии и конформации с динамически перестраиваемой структурой;
• передача энергии, заряда и информации на основе кооперативных синергетических процессов;
• молекулярное распознавание как базис селективности и избирательности процессов;
• процессы самоформирования, самоупорядочения и самоорганизации;
• конвергентные системы – интеграция создаваемых человеком искусственных неорганических систем и объектов биоорганической природы.
Продуктовую модель микро- и нанотехники шестого технологического уклада определят следующие основные направления прикладных исследований:
• распределенные самоорганизующиеся рефлексивные информационные сети;
• полифункциональный адаптивный человеко-машинный интерфейс;
• искусственные органы и нефарамакологическая коррекция состояния биообъектов;
• робототехнические замещающие системы;
• бионические, в том числе когнитивные, алгоритмы и принципы функционирования.
В практику оценки технологий должен войти новый терминологический базис, определяющий их тактико-стратегическую значимость (критические технологии, технологии превосходства, непредвиденные технологии) и функционально-предметную направленность (мультидисциплинарные, природоподобные, бионические, когнитивные, биоинформационные, конвергентные, киберфизические). Так, развитие совокупности так называемых природоподобных конвергентных технологий определяет более глубокое познание и, безусловно, использование возможностей материального мира на микро- и особенно наноразмерных уровнях, когда фактически становится безразличной исходная принадлежность атома или молекулы к объекту органической или неорганической природы. Это создает предпосылку к синтезу искусственных, ранее не известных в природе, систем не просто по составу и (или) структуре, но и, в первую очередь, по свойствам, а, следовательно, функциональным возможностям. Для таких систем должен быть свойственен особый характер протекания процессов передачи энергии, заряда и конформационных изменений, отличающихся низким энергопотреблением, высокой скоростью и носящих признаки кооперативного синергетического процесса.
Требования к функциональным средам будущего, являющимся основой технологического прорыва в области электронной компонентной базы (ЭКБ) новых поколений включают сверхбольшую информационную емкость, высокую удельную энергонасыщенность, селективность к внешним воздействиям, ассоциативность и распределенность процессов обработки информации. В них также могут сочетаться процессы функционирования и самообновляющегося синтеза.
Характеризуя перспективы развития микро- и наносистем применительно к техно- и биоотехносфере, безусловно, следует выделить три наиболее прогрессивных динамично развивающихся технологических направления:
• киберфизические технологии;
• бионические технологии;
• энергообеспечивающие рекуперирующие технологии.
Таким образом, целевые функции в рамках формирования VI технологического уклада на данный момент могут быть определены как достижение нового качества жизни в условиях цифровой трансформации общества с обеспечением коммуникабельности, кибер- и биобезопасности и генерации "человеческого капитала" нового поколения.
РОССИЙСКОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
МИКРО- И НАНОТЕХНИКИ В УСЛОВИЯХ
ГЛОБАЛЬНОЙ КОНКУРЕНЦИИ
Общая ситуация, характеризующая состав современной техносферы в рамках развития востребованной рынком индустрии, может быть определена в рамках совокупности следующих коммерческих и технологических подходов:
• технологии прорывов (интеллектуальное превосходство);
• технологии заимствования (приобретаемые, "воруемые" технологии);
• технологии оптимизации (усовершенствования);
• технологии кооперации (альянс-технологии).
Развитие и реализация всех перечисленных видов требует инвестиций. Стратегия технологического суверенитета, безопасности и конкурентоспособности определяет необходимость дифференцированного подхода и учета совокупности факторов:
• наличия научно-технологических заделов;
• принадлежности к базовым системообразующим технологиям различных отраслевых технологических платформ;
• универсальность и востребованность технологии ведомственными организациями, определяющими национальную, военную и техносферную безопасность государства;
• принадлежность к базовым технологиям с длительным горизонтом коммерческой реализации;
• доступность динамичной реализации собственных конкурентоспособных решений с формированием отечественных технологических ниш;
• отнесение технологий к особо чувствительным, находящихся под санкциями, исключающими возможность их заимствования;
• необходимость получения и доступность передовых зарубежных технологий;
• серийность продукции на базе развиваемой технологии;
• конкурентоспособность продукции на базе развиваемой технологии;
• экспортный потенциал продукции на базе развиваемой технологии.
Создание и адаптация базовых элементов индустрии электронной компонентной базы гармонизируются в рамках стратегии технологической независимости по критериям экономической эффективности, оперативности постановки на производство, широте номенклатуры и востребованной серийности, а также импортозамещению и импортонезависимости. Целесообразна структуризация инфраструктурного технологического базиса исходя из совокупности ранее перечисленных функций, которые он должен выполнять:
• системообразующие инфраструктурные серийные производства;
• гибкие адаптивные линии мелкосерийного многономенклатурного производства;
• технологические центры коллективного пользования контрактного производства;
• технологические центры коллективного пользования дорогостоящим "санкционным" и уникальным оборудованием;
• уникальные кооперационные кластеры технологических прорывов-превосходства.
В рамках анализа ключевых технологий, определяющих технологическую независимость могут быть определены следующие прослеживаемые в их эволюции базовые технологии:
• наноразмерные [2];
• печатные (гибкие, конформные);
• 2D- и 3D-интеграции (сборочные);
• гетерогенной мультифункциональной интеграции (оптоэлектронные, радиофотонные);
• мультидисциплинарной интеграции (киберфизические, бионические).
В качестве ответа на глобальные вызовы и угрозы с учетом технологической независимости при создании ЭКБ могут быть определены системные технологические приоритеты (табл.2).
Современный этап характеризуется бурным целенаправленным развитием природоподобных и трансдисциплинарных технологий [3], определяющих гармоничное сочетание искусственного и естественного интеллекта в таких областях, как:
• качество жизни человека – биотехносфера (технологии персонифицированной и прогностической медицины);
• эффективность человека в "цифровом мире" – инфотехносфера (человеко-машинный интерфейс, коммуникабельность и кибербезопасность);
• обеспечение человека ресурсами – энерготехносфера (чистая ресурсосберегающая энергия, рекуперация энергии из эфира и окружающей среды).
ЭЛЕКТРОННАЯ КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА
ДЛЯ ШЕСТОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УКЛАДА
Востребованность ЭКБ будет определяться исходя из особенностей рынка, ориентированного на оборонно-промышленный комплекс и, безусловно, развитие социально-ориентированных гражданских технологий. Наиболее широко используемой в мировой практике классификацией ЭКБ, позволяющей определить ее функциональное назначение, следует считать следующую:
• информационная электроника;
• силовая энергообеспечивающая электроника;
• микроволновая (СВЧ) электроника;
• оптоэлектроника (фотоника);
• микросистемная техника, включая сенсорику.
Для дополнительных уточнений широко используются понятия: наноэлектроника, плазменная электроника, вакуумная электроника, магнитоэлектроника, фотовольтаика, квантовая электроника, органическая электроника, биоэлектроника и др.
Чрезвычайно значимой альтернативой и определенным дополнением электроники с точки зрения генерации и обработки сигналов, передачи энергии и информации является фотоника. Дорожная карта "Развитие оптоэлектронных технологий (фотоника)" утверждена Распоряжением Правительства РФ от 24 июля 2013 года № 1305 пР с изменениями, утвержденными Распоряжением Правительства РФ от 23 июня 2016 года № 1299 пР. Фотоника определена как область науки и техники, связанная с генерацией и распространением потоков фотонов, управлением ими и использованием их взаимодействия с веществом. Продукция фотоники (фотонные устройства) – приборы и системы, для которых базовым процессом является передача энергии или информации потоком фотонов. Фактически, если отвлечься от множества понятий, используемых в рамках современной терминологии "фотоника" (иконика, когерентная оптика, квантовая оптика, нанофотоника, квантовая электроника, оптическая информатика, оптотехника, оптоэлектроника, фотовольтаика, радиофотоника, фотоинформатика, фотоэлектроника, интегральная оптика, волновая оптика, лазерная техника) и определить ее функциональное назначение, то условно можно выделить ряд значимых индустриальных направлений (табл.3).
Указанные технологии фотоники имеют широкие военный и гражданский рынки, однако с точки зрения перспективной ЭКБ особое внимание сейчас обращается на два направления: информационную и радиофотонику. Фундаментальные отличия электрона и фотона как носителей энергии и информации, а также переход от систем гальванических связей на оптические проявляются в первую очередь в быстродействии, широкополосности, помехозащищенности, информационной емкости. Ограничения, которые должны быть преодолены в рамках развития данных технологий тоже хорошо известны. Для радиофотоники – это аппаратный обратимый микро- наноинтерфейс, "электроника-оптика", а для информационной фотоники – адаптация классического материаловедческого базиса и технологии микро-, нано- и оптоэлектроники к решению задач создания оптических компьютерных платформ.
Особое место занимают технологии создания ЭКБ для сверхэкстремальных условий эксплуатации: аэрокосмической сферы, техногенно-опасных объектов, включая ядерную энергетику, химические производства, энергосети и транспортные средства с высоким уровнем электрических и магнитных полей, импульсных силовых энергогенерирующих и энергопреобразующих систем. Успех в данной сфере обеспечивается в первую очередь материаловедческой базой и компетенциями разработчика. Необходимые экстремальные параметры невозможно достичь на материалах низкого качества. Поддержание технологического потенциала, обеспечивающего независимость и безопасность государства в условиях реальных, практически бессрочных санкций должно рассматриваться как приоритетная задача с достижением полного суверенитета и импортонезависимости. В данном случае при оценке эффективности продукции в качестве критериев потребительских качеств доминируют интеллектуальный и инновационный потенциалы, значимость в решении задач обеспечения безопасности государства, человека и общества.
Характеризуя развитие технологий ЭКБ для социально-ориентированной сферы, отметим, что в рамках шестого технологического уклада, безусловно, получат свое развитие так называемые киберфизические технологии – Интернет вещей. В современном понимании это "Интернет людей", включая биомедицинские персонифицированные технологии прогностической медицины [4]: домашняя диагностика и нефармакологическая коррекция физиологического состояния, умная одежда, интеллектуальная кожа, сенсорно-корректирующие биоимпланты. Спрос на новое качество жизни и долголетие требует экономически доступного дружественного интерфейса "человек – сенсорно-информационная и корректирующая биотехническая среда". Персонифицированный, доступный для широкого круга пациентов биомедицинский мониторинг предопределил развитие крупносерийной индустрии сенсоров и меток с широким использованием печатных технологий [5] в сочетании с 2D- и 3D-сборкой, в том числе гибридных систем. Наряду с низкой себестоимостью продукции гибкая печатная электроника и фотоника обеспечивает конформную интеграцию в биообъекты и реализацию обмена по технологиям Интернета вещей. Фактически, жизнь человека должна стать первостепенным объектом технологических революций, и персонифицированный медико-биологический экспресс-мониторинг может рассматриваться как адаптированная киберфизическая технология.
ИНВЕСТИЦИИ В "ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ КАПИТАЛ"
Важнейшим элементом в достижении технологической независимости является изменение парадигмы кадрового обеспечения технологий, то есть инвестиций в "человеческий капитал". Современное состояние кадрового обеспечения высоких технологий характеризуется следующими чертами:
• общим снижением естественно-научного образовательного уровня выпускников школ, их недостаточной профессиональной ориентацией и низким уровнем мотивации;
• отставанием образовательной среды большинства вузов и, как следствие, профессионально-компетентностного уровня выпускников от реальных потребностей экономики;
• фактически потерей отраслевой и отсутствием корпоративной и индустриально-рыночно адаптированной науки;
• слабым использованием индустриально-промышленными партнерами кадрового потенциала, а также лабораторно-экспериментальной базы организаций Академии наук и вузов для проведения прикладных исследований и трансфера технологий;
• отсутствием координации программно-целевого планирования при реализации отраслевых программ с государственными инвестициями в науку и образование в форме проектов и грантов;
• отсутствием баз данных критических и востребованных технологий отраслевой направленности;
• отсутствием мотивационных механизмов для промышленных предприятий, обеспечивающих "превращение" научных подразделений вузов и Академии наук в отраслевые лаборатории для трансфера технологий и кадрового потенциала.
В рамках реализуемых грантов и проектов, инвестируемых государством, в качестве базовых показателей используются не всегда адекватные критерии оценки, которые не отражают потребности реальной экономики и, в частности, индустриально-промышленной сферы. Новая образовательная парадигма профессионально-ориентированного образования должна включать ряд конкретных действий, гармонично воспринимаемых промышленностью и научно-образовательной средой:
• формулировка атласа новых востребованных профессий, включая так называемые "загоризонтные";
• определение госзаказа на перечень специалистов, направлений и профилей подготовки;
• оптимизация (селекция) профессиональных стандартов и их гармонизация с образовательными;
• формулировка требований к квалификации и ее независимой оценке;
• развитие представлений об индивидуальных профилях компетенций – то есть персонифицированных траекториях на рынке труда;
• анализ потребности в компетенциях "цифрового инженера" для различных сфер деятельности (научной, индустриальной, коммуникационно-информационной, бизнес-товарной).
Без вышеуказанных мероприятий невозможно сформировать эффективную современную образовательную парадигму, учитывающую профессиональную направленность. Это декламируют Минтруд, Фонд инфраструктурных и образовательных программ РОСНАНО и другие организации, действующие в национальной системе кадрового обеспечения и квалификации.
Обеспечение глобальной конкурентоспособности в области прорывных технологий, инновационной продукции и реализация задач технологической независимости (суверенитета) определяют необходимость, во-первых, резкого возрастания значимости интеллектуальной составляющей "человеческого капитала", доминирование в достижении эффективности труда индивидуального профессионального фактора, социальных и мотивационных аспектов деятельности (инновации должны иметь мотивации), во-вторых, сбалансированности финансирования при создании новых производственных мощностей, а также технологий и кадров научно-образовательных кластеров, осуществляющих трансфер знаний (соизмеримость вложений в материальную и интеллектуальную продукцию).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Базовая цель при достижении технологической независимости в рамках наукоемких технологий отечественной микро- и нанотехники – формирование новой индустриальной среды и механизма промышленно-научно-образовательного партнерства, ориентированных на конвергенцию наук и технологий для реализации междисциплинарных исследований и разработок, развитие персонализированного профессионально-ориентированного образования и обеспечения межотраслевой научно-инженерной деятельности на рынке наукоемкой продукции нового технологического уклада.
При этом решаются следующие задачи:
• реализация фундаментальных и поисковых исследований, определяющих технологии превосходства с длительным научно-технологическим горизонтом реализации и социально-экономической эффективностью;
• проведение прикладных исследований с селекцией, систематизацией и накоплением знаний в междисциплинарных областях, формирование конкурентоспособных технологических ниш с динамичной экспресс-трансформацией знаний от исследовательской стадии к производственной;
• предоставление современных профессионально-ориентированных образовательных услуг для формирования новой генерации профессиональной элиты как базиса обеспечения конкурентоспособности отечественной продукции и технологического суверенитета.
В качестве приоритетных направлений, требующих концентрации интеллектуальных, инфраструктурных и финансовых ресурсов, определяющих возможность реализации научно-технологических прорывов, длительных востребованных государством и обществом горизонтов индустриально-технологического развития, следует определить системное обеспечение технологического суверенитета в совокупности областей создания микро- и нанотехники:
• конформной персонализированной биотехносферы (технологии прогностической и персонифицированной медицины, пищевой и фармакологической безопасности);
• гармонизированной безопасной инфотехносферы (нейроморфные компьютерные платформы, Интернет вещей, кибербезопасность);
• эффективной ресурсосберегающей энерготехносферы (рекуперация энергии из эфира и окружающей среды).
Конечная цель гармонизирована с задачей по развитию на базе предприятий оборонно-промышленного комплекса производства гражданской наукоемкой продукции и может быть определена как генерация и трансфер знаний и технологий в наукоемкую инновационную сферу для обеспечения персонифицированной комфортной безопасной экономически эффективной среды обитания человека.
Можно отметить следующие угрозы и риски на этапе перехода РФ к шестому технологическому укладу и обеспечению технологического суверенитета:
• стагнация инновационных технологий (низкая эффективность экономических вложений);
• снижение качества человеческого капитала (общее снижение образовательного уровня и мотивации);
• заимствование базовых аппаратно-программных средств информационной инфраструктуры (угрозы информационной зависимости и терроризма);
• искусственное ускорение технической эволюции без оценки "опасности" создаваемых материалов и технологических процессов (экономическое стимулирование технологий, не прошедших "эволюционный отбор").
ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES
1. Лучинин В.В. Формирование шестого технологического уклада. Эволюция биотехносферы // Биотехносфера. 2011. № 1–2 (13–14). С. 5–12.
Luchinin V.V. Shaping the sixth technological mode. Biotechnosphere evolution. Biotekhnosfera. 2011. No. 1–2 (13–14). P. 5–12. (In Russian).
2. Кутузов В., Лучинин В. Реализация инновационного потенциала вуза. Нанотехнологическая платформа ЛЭТИ // НАНОИНДУСТРИЯ. 2012. № 7 (37). С. 34–39.
Kutuzov V., Luchinin V. Implementation of the innovation potential of an institution of higher education. Nanotechnological platform of "LETI". NANOINDUSTRY. 2012. No. 7 (37). P. 34–39.
3. Лучинин В.В. Социально-ориентированная микро- и нанотехника – мотивированные инвестиции в человеческий капитал // Биотехносфера. 2017. № 6 (54). С. 2–10.
Luchinin V.V. Socio-oriented micro- and nanotechnics-motivated investments in human capital. Biotekhnosfera. 2017. No. 6 (54). P. 2–10. (In Russian).
4. Кутузов В., Лучинин В., Юлдашев З. Реализация инновационного потенциала вуза: междисциплинарная платформа ЛЭТИ "Биотехносфера" // НАНОИНДУСТРИЯ. 2014. № 7 (57). С. 42–49.
Kutuzov V., Luchinin V., Yuldashev Z. Implementation of innovative potential of the university: Interdisciplinary platform Biotechnosphere. NANOINDUSTRY. 2014. No. 7 (57). P.42–49.
5. Лучинин В.В. Российский пилотный проект инжинирингового центра "гибкой печатной электроники и фотоники" // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. С. 456–462.
Luchinin V.V. Russian pilot project on engineering center "Flexible printed electronics and photonics". Nano- and microsystems technology. 2017. Vol. 19. No. 8. P. 456–462. (In Russian).
НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ БАЗИС
ШЕСТОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УКЛАДА.
МИКРО- И НАНОТЕХНИКА
Следует отметить, что движущими силами, определяющими динамику становления и развития нового технологического уклада, являются не только экономические стимулы, но и ряд базовых факторов, которые тесно связаны с такими понятиями, как национальная и технологическая безопасность, превосходство и паритет. Их обеспечение в рамках государственных интересов наряду с коммерциализацией продукции вносит значительный вклад в эволюции системообразующих технологий, определяющих облик нового технологического уклада (табл.1) [1]. Не обладая достаточной совокупностью знаний, необходимых для анализа всего комплекса технологий, которые определяют формирование шестого технологического уклада, обратимся лишь к направлениям микро- и наноинженерии.
В рамках анализа базовых тенденций развития естественно-научного базиса шестого технологического уклада следует отметить, что основным системным стратегическим направлением, по-видимому, станет активное использование ранее неизвестных свойств материалов и композиций, возникающих при переходе к объектам следующих видов:
• свойства которых зависят от размерного и конформационного факторов;
• представляющих собой интеграцию искусственно и естественно упорядоченных систем;
• интегрирующих материаловедческий базис неорганической и органической природы;
• в основе функционирования которых лежит комплекс кооперативно-синергетических процессов и явлений.
При решении задач по созданию и практическому использованию объектов с вышеуказанными свойствами необходимо определить и возможные приоритетные направления фундаментально-поисковых исследований для обеспечения интеллектуального базиса инноваций шестого технологического уклада:
• зависимость свойств материалов и систем от характеристических размеров;
• нетрадиционные виды симметрии и конформации с динамически перестраиваемой структурой;
• передача энергии, заряда и информации на основе кооперативных синергетических процессов;
• молекулярное распознавание как базис селективности и избирательности процессов;
• процессы самоформирования, самоупорядочения и самоорганизации;
• конвергентные системы – интеграция создаваемых человеком искусственных неорганических систем и объектов биоорганической природы.
Продуктовую модель микро- и нанотехники шестого технологического уклада определят следующие основные направления прикладных исследований:
• распределенные самоорганизующиеся рефлексивные информационные сети;
• полифункциональный адаптивный человеко-машинный интерфейс;
• искусственные органы и нефарамакологическая коррекция состояния биообъектов;
• робототехнические замещающие системы;
• бионические, в том числе когнитивные, алгоритмы и принципы функционирования.
В практику оценки технологий должен войти новый терминологический базис, определяющий их тактико-стратегическую значимость (критические технологии, технологии превосходства, непредвиденные технологии) и функционально-предметную направленность (мультидисциплинарные, природоподобные, бионические, когнитивные, биоинформационные, конвергентные, киберфизические). Так, развитие совокупности так называемых природоподобных конвергентных технологий определяет более глубокое познание и, безусловно, использование возможностей материального мира на микро- и особенно наноразмерных уровнях, когда фактически становится безразличной исходная принадлежность атома или молекулы к объекту органической или неорганической природы. Это создает предпосылку к синтезу искусственных, ранее не известных в природе, систем не просто по составу и (или) структуре, но и, в первую очередь, по свойствам, а, следовательно, функциональным возможностям. Для таких систем должен быть свойственен особый характер протекания процессов передачи энергии, заряда и конформационных изменений, отличающихся низким энергопотреблением, высокой скоростью и носящих признаки кооперативного синергетического процесса.
Требования к функциональным средам будущего, являющимся основой технологического прорыва в области электронной компонентной базы (ЭКБ) новых поколений включают сверхбольшую информационную емкость, высокую удельную энергонасыщенность, селективность к внешним воздействиям, ассоциативность и распределенность процессов обработки информации. В них также могут сочетаться процессы функционирования и самообновляющегося синтеза.
Характеризуя перспективы развития микро- и наносистем применительно к техно- и биоотехносфере, безусловно, следует выделить три наиболее прогрессивных динамично развивающихся технологических направления:
• киберфизические технологии;
• бионические технологии;
• энергообеспечивающие рекуперирующие технологии.
Таким образом, целевые функции в рамках формирования VI технологического уклада на данный момент могут быть определены как достижение нового качества жизни в условиях цифровой трансформации общества с обеспечением коммуникабельности, кибер- и биобезопасности и генерации "человеческого капитала" нового поколения.
РОССИЙСКОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
МИКРО- И НАНОТЕХНИКИ В УСЛОВИЯХ
ГЛОБАЛЬНОЙ КОНКУРЕНЦИИ
Общая ситуация, характеризующая состав современной техносферы в рамках развития востребованной рынком индустрии, может быть определена в рамках совокупности следующих коммерческих и технологических подходов:
• технологии прорывов (интеллектуальное превосходство);
• технологии заимствования (приобретаемые, "воруемые" технологии);
• технологии оптимизации (усовершенствования);
• технологии кооперации (альянс-технологии).
Развитие и реализация всех перечисленных видов требует инвестиций. Стратегия технологического суверенитета, безопасности и конкурентоспособности определяет необходимость дифференцированного подхода и учета совокупности факторов:
• наличия научно-технологических заделов;
• принадлежности к базовым системообразующим технологиям различных отраслевых технологических платформ;
• универсальность и востребованность технологии ведомственными организациями, определяющими национальную, военную и техносферную безопасность государства;
• принадлежность к базовым технологиям с длительным горизонтом коммерческой реализации;
• доступность динамичной реализации собственных конкурентоспособных решений с формированием отечественных технологических ниш;
• отнесение технологий к особо чувствительным, находящихся под санкциями, исключающими возможность их заимствования;
• необходимость получения и доступность передовых зарубежных технологий;
• серийность продукции на базе развиваемой технологии;
• конкурентоспособность продукции на базе развиваемой технологии;
• экспортный потенциал продукции на базе развиваемой технологии.
Создание и адаптация базовых элементов индустрии электронной компонентной базы гармонизируются в рамках стратегии технологической независимости по критериям экономической эффективности, оперативности постановки на производство, широте номенклатуры и востребованной серийности, а также импортозамещению и импортонезависимости. Целесообразна структуризация инфраструктурного технологического базиса исходя из совокупности ранее перечисленных функций, которые он должен выполнять:
• системообразующие инфраструктурные серийные производства;
• гибкие адаптивные линии мелкосерийного многономенклатурного производства;
• технологические центры коллективного пользования контрактного производства;
• технологические центры коллективного пользования дорогостоящим "санкционным" и уникальным оборудованием;
• уникальные кооперационные кластеры технологических прорывов-превосходства.
В рамках анализа ключевых технологий, определяющих технологическую независимость могут быть определены следующие прослеживаемые в их эволюции базовые технологии:
• наноразмерные [2];
• печатные (гибкие, конформные);
• 2D- и 3D-интеграции (сборочные);
• гетерогенной мультифункциональной интеграции (оптоэлектронные, радиофотонные);
• мультидисциплинарной интеграции (киберфизические, бионические).
В качестве ответа на глобальные вызовы и угрозы с учетом технологической независимости при создании ЭКБ могут быть определены системные технологические приоритеты (табл.2).
Современный этап характеризуется бурным целенаправленным развитием природоподобных и трансдисциплинарных технологий [3], определяющих гармоничное сочетание искусственного и естественного интеллекта в таких областях, как:
• качество жизни человека – биотехносфера (технологии персонифицированной и прогностической медицины);
• эффективность человека в "цифровом мире" – инфотехносфера (человеко-машинный интерфейс, коммуникабельность и кибербезопасность);
• обеспечение человека ресурсами – энерготехносфера (чистая ресурсосберегающая энергия, рекуперация энергии из эфира и окружающей среды).
ЭЛЕКТРОННАЯ КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА
ДЛЯ ШЕСТОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УКЛАДА
Востребованность ЭКБ будет определяться исходя из особенностей рынка, ориентированного на оборонно-промышленный комплекс и, безусловно, развитие социально-ориентированных гражданских технологий. Наиболее широко используемой в мировой практике классификацией ЭКБ, позволяющей определить ее функциональное назначение, следует считать следующую:
• информационная электроника;
• силовая энергообеспечивающая электроника;
• микроволновая (СВЧ) электроника;
• оптоэлектроника (фотоника);
• микросистемная техника, включая сенсорику.
Для дополнительных уточнений широко используются понятия: наноэлектроника, плазменная электроника, вакуумная электроника, магнитоэлектроника, фотовольтаика, квантовая электроника, органическая электроника, биоэлектроника и др.
Чрезвычайно значимой альтернативой и определенным дополнением электроники с точки зрения генерации и обработки сигналов, передачи энергии и информации является фотоника. Дорожная карта "Развитие оптоэлектронных технологий (фотоника)" утверждена Распоряжением Правительства РФ от 24 июля 2013 года № 1305 пР с изменениями, утвержденными Распоряжением Правительства РФ от 23 июня 2016 года № 1299 пР. Фотоника определена как область науки и техники, связанная с генерацией и распространением потоков фотонов, управлением ими и использованием их взаимодействия с веществом. Продукция фотоники (фотонные устройства) – приборы и системы, для которых базовым процессом является передача энергии или информации потоком фотонов. Фактически, если отвлечься от множества понятий, используемых в рамках современной терминологии "фотоника" (иконика, когерентная оптика, квантовая оптика, нанофотоника, квантовая электроника, оптическая информатика, оптотехника, оптоэлектроника, фотовольтаика, радиофотоника, фотоинформатика, фотоэлектроника, интегральная оптика, волновая оптика, лазерная техника) и определить ее функциональное назначение, то условно можно выделить ряд значимых индустриальных направлений (табл.3).
Указанные технологии фотоники имеют широкие военный и гражданский рынки, однако с точки зрения перспективной ЭКБ особое внимание сейчас обращается на два направления: информационную и радиофотонику. Фундаментальные отличия электрона и фотона как носителей энергии и информации, а также переход от систем гальванических связей на оптические проявляются в первую очередь в быстродействии, широкополосности, помехозащищенности, информационной емкости. Ограничения, которые должны быть преодолены в рамках развития данных технологий тоже хорошо известны. Для радиофотоники – это аппаратный обратимый микро- наноинтерфейс, "электроника-оптика", а для информационной фотоники – адаптация классического материаловедческого базиса и технологии микро-, нано- и оптоэлектроники к решению задач создания оптических компьютерных платформ.
Особое место занимают технологии создания ЭКБ для сверхэкстремальных условий эксплуатации: аэрокосмической сферы, техногенно-опасных объектов, включая ядерную энергетику, химические производства, энергосети и транспортные средства с высоким уровнем электрических и магнитных полей, импульсных силовых энергогенерирующих и энергопреобразующих систем. Успех в данной сфере обеспечивается в первую очередь материаловедческой базой и компетенциями разработчика. Необходимые экстремальные параметры невозможно достичь на материалах низкого качества. Поддержание технологического потенциала, обеспечивающего независимость и безопасность государства в условиях реальных, практически бессрочных санкций должно рассматриваться как приоритетная задача с достижением полного суверенитета и импортонезависимости. В данном случае при оценке эффективности продукции в качестве критериев потребительских качеств доминируют интеллектуальный и инновационный потенциалы, значимость в решении задач обеспечения безопасности государства, человека и общества.
Характеризуя развитие технологий ЭКБ для социально-ориентированной сферы, отметим, что в рамках шестого технологического уклада, безусловно, получат свое развитие так называемые киберфизические технологии – Интернет вещей. В современном понимании это "Интернет людей", включая биомедицинские персонифицированные технологии прогностической медицины [4]: домашняя диагностика и нефармакологическая коррекция физиологического состояния, умная одежда, интеллектуальная кожа, сенсорно-корректирующие биоимпланты. Спрос на новое качество жизни и долголетие требует экономически доступного дружественного интерфейса "человек – сенсорно-информационная и корректирующая биотехническая среда". Персонифицированный, доступный для широкого круга пациентов биомедицинский мониторинг предопределил развитие крупносерийной индустрии сенсоров и меток с широким использованием печатных технологий [5] в сочетании с 2D- и 3D-сборкой, в том числе гибридных систем. Наряду с низкой себестоимостью продукции гибкая печатная электроника и фотоника обеспечивает конформную интеграцию в биообъекты и реализацию обмена по технологиям Интернета вещей. Фактически, жизнь человека должна стать первостепенным объектом технологических революций, и персонифицированный медико-биологический экспресс-мониторинг может рассматриваться как адаптированная киберфизическая технология.
ИНВЕСТИЦИИ В "ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ КАПИТАЛ"
Важнейшим элементом в достижении технологической независимости является изменение парадигмы кадрового обеспечения технологий, то есть инвестиций в "человеческий капитал". Современное состояние кадрового обеспечения высоких технологий характеризуется следующими чертами:
• общим снижением естественно-научного образовательного уровня выпускников школ, их недостаточной профессиональной ориентацией и низким уровнем мотивации;
• отставанием образовательной среды большинства вузов и, как следствие, профессионально-компетентностного уровня выпускников от реальных потребностей экономики;
• фактически потерей отраслевой и отсутствием корпоративной и индустриально-рыночно адаптированной науки;
• слабым использованием индустриально-промышленными партнерами кадрового потенциала, а также лабораторно-экспериментальной базы организаций Академии наук и вузов для проведения прикладных исследований и трансфера технологий;
• отсутствием координации программно-целевого планирования при реализации отраслевых программ с государственными инвестициями в науку и образование в форме проектов и грантов;
• отсутствием баз данных критических и востребованных технологий отраслевой направленности;
• отсутствием мотивационных механизмов для промышленных предприятий, обеспечивающих "превращение" научных подразделений вузов и Академии наук в отраслевые лаборатории для трансфера технологий и кадрового потенциала.
В рамках реализуемых грантов и проектов, инвестируемых государством, в качестве базовых показателей используются не всегда адекватные критерии оценки, которые не отражают потребности реальной экономики и, в частности, индустриально-промышленной сферы. Новая образовательная парадигма профессионально-ориентированного образования должна включать ряд конкретных действий, гармонично воспринимаемых промышленностью и научно-образовательной средой:
• формулировка атласа новых востребованных профессий, включая так называемые "загоризонтные";
• определение госзаказа на перечень специалистов, направлений и профилей подготовки;
• оптимизация (селекция) профессиональных стандартов и их гармонизация с образовательными;
• формулировка требований к квалификации и ее независимой оценке;
• развитие представлений об индивидуальных профилях компетенций – то есть персонифицированных траекториях на рынке труда;
• анализ потребности в компетенциях "цифрового инженера" для различных сфер деятельности (научной, индустриальной, коммуникационно-информационной, бизнес-товарной).
Без вышеуказанных мероприятий невозможно сформировать эффективную современную образовательную парадигму, учитывающую профессиональную направленность. Это декламируют Минтруд, Фонд инфраструктурных и образовательных программ РОСНАНО и другие организации, действующие в национальной системе кадрового обеспечения и квалификации.
Обеспечение глобальной конкурентоспособности в области прорывных технологий, инновационной продукции и реализация задач технологической независимости (суверенитета) определяют необходимость, во-первых, резкого возрастания значимости интеллектуальной составляющей "человеческого капитала", доминирование в достижении эффективности труда индивидуального профессионального фактора, социальных и мотивационных аспектов деятельности (инновации должны иметь мотивации), во-вторых, сбалансированности финансирования при создании новых производственных мощностей, а также технологий и кадров научно-образовательных кластеров, осуществляющих трансфер знаний (соизмеримость вложений в материальную и интеллектуальную продукцию).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Базовая цель при достижении технологической независимости в рамках наукоемких технологий отечественной микро- и нанотехники – формирование новой индустриальной среды и механизма промышленно-научно-образовательного партнерства, ориентированных на конвергенцию наук и технологий для реализации междисциплинарных исследований и разработок, развитие персонализированного профессионально-ориентированного образования и обеспечения межотраслевой научно-инженерной деятельности на рынке наукоемкой продукции нового технологического уклада.
При этом решаются следующие задачи:
• реализация фундаментальных и поисковых исследований, определяющих технологии превосходства с длительным научно-технологическим горизонтом реализации и социально-экономической эффективностью;
• проведение прикладных исследований с селекцией, систематизацией и накоплением знаний в междисциплинарных областях, формирование конкурентоспособных технологических ниш с динамичной экспресс-трансформацией знаний от исследовательской стадии к производственной;
• предоставление современных профессионально-ориентированных образовательных услуг для формирования новой генерации профессиональной элиты как базиса обеспечения конкурентоспособности отечественной продукции и технологического суверенитета.
В качестве приоритетных направлений, требующих концентрации интеллектуальных, инфраструктурных и финансовых ресурсов, определяющих возможность реализации научно-технологических прорывов, длительных востребованных государством и обществом горизонтов индустриально-технологического развития, следует определить системное обеспечение технологического суверенитета в совокупности областей создания микро- и нанотехники:
• конформной персонализированной биотехносферы (технологии прогностической и персонифицированной медицины, пищевой и фармакологической безопасности);
• гармонизированной безопасной инфотехносферы (нейроморфные компьютерные платформы, Интернет вещей, кибербезопасность);
• эффективной ресурсосберегающей энерготехносферы (рекуперация энергии из эфира и окружающей среды).
Конечная цель гармонизирована с задачей по развитию на базе предприятий оборонно-промышленного комплекса производства гражданской наукоемкой продукции и может быть определена как генерация и трансфер знаний и технологий в наукоемкую инновационную сферу для обеспечения персонифицированной комфортной безопасной экономически эффективной среды обитания человека.
Можно отметить следующие угрозы и риски на этапе перехода РФ к шестому технологическому укладу и обеспечению технологического суверенитета:
• стагнация инновационных технологий (низкая эффективность экономических вложений);
• снижение качества человеческого капитала (общее снижение образовательного уровня и мотивации);
• заимствование базовых аппаратно-программных средств информационной инфраструктуры (угрозы информационной зависимости и терроризма);
• искусственное ускорение технической эволюции без оценки "опасности" создаваемых материалов и технологических процессов (экономическое стимулирование технологий, не прошедших "эволюционный отбор").
ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES
1. Лучинин В.В. Формирование шестого технологического уклада. Эволюция биотехносферы // Биотехносфера. 2011. № 1–2 (13–14). С. 5–12.
Luchinin V.V. Shaping the sixth technological mode. Biotechnosphere evolution. Biotekhnosfera. 2011. No. 1–2 (13–14). P. 5–12. (In Russian).
2. Кутузов В., Лучинин В. Реализация инновационного потенциала вуза. Нанотехнологическая платформа ЛЭТИ // НАНОИНДУСТРИЯ. 2012. № 7 (37). С. 34–39.
Kutuzov V., Luchinin V. Implementation of the innovation potential of an institution of higher education. Nanotechnological platform of "LETI". NANOINDUSTRY. 2012. No. 7 (37). P. 34–39.
3. Лучинин В.В. Социально-ориентированная микро- и нанотехника – мотивированные инвестиции в человеческий капитал // Биотехносфера. 2017. № 6 (54). С. 2–10.
Luchinin V.V. Socio-oriented micro- and nanotechnics-motivated investments in human capital. Biotekhnosfera. 2017. No. 6 (54). P. 2–10. (In Russian).
4. Кутузов В., Лучинин В., Юлдашев З. Реализация инновационного потенциала вуза: междисциплинарная платформа ЛЭТИ "Биотехносфера" // НАНОИНДУСТРИЯ. 2014. № 7 (57). С. 42–49.
Kutuzov V., Luchinin V., Yuldashev Z. Implementation of innovative potential of the university: Interdisciplinary platform Biotechnosphere. NANOINDUSTRY. 2014. No. 7 (57). P.42–49.
5. Лучинин В.В. Российский пилотный проект инжинирингового центра "гибкой печатной электроники и фотоники" // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. С. 456–462.
Luchinin V.V. Russian pilot project on engineering center "Flexible printed electronics and photonics". Nano- and microsystems technology. 2017. Vol. 19. No. 8. P. 456–462. (In Russian).
Отзывы читателей
