От нефтянки до наночипов

Вы знаете, какой толщины элементы у современных чипов для компьютеров и смартфонов? Мне казалось, что речь идет о долях миллиметра – примерно как волос. На самом деле структуры микропроцессоров тоньше человеческого волоса в 30 тыс. (!) раз. А чтобы сделать один такой микрочип, требуется от 300 до 500 операций, рассказал мой собеседник Даурен Имангужин, инженер-исследователь. Откуда он это знает, станет понятно немного позже.

Баллы, гранты и стипендии

Даурен Имангужин родился в нефтяной столице Казахстана – Атырау. Учился он в казахско-турецком лицее (КТЛ), был отличником, участвовал в олимпиадах по химии, что, по его словам, до сих пор помогает ему в работе.

«С детства я был увлечен машинами, мог различить марку и модель каждого автомобиля, который видел на улицах Атырау», – вспоминает Даурен. В 2008 году юноша окончил КТЛ с наградой «Алтын белгі» и сумел поступить в Казахстанско-Британский технический университет. Он намеревался стать машиностроителем – из-за своей давней страсти, но получил грант на специальность «нефтегазовое дело».

«От своего одноклассника я узнал о программе «Болашак» и решил подать документы летом, до начала учебы в университете, – рассказывает собеседник. – Ключевым условием была сдача теста TOEFL на высокий балл. На тот момент подготовительных курсов было немного, но мне удалось найти подходящие. За один семестр интенсивной подготовки я набрал нужный результат и стал обладателем стипендии».

По программе «Болашак» Даурен в сентябре 2009 года отправился на языковой курс в американский штат Индиана и параллельно с изучением английского начал подавать заявки в университеты – уже на ту специальность, о которой мечтал, – «машиностроение». Получил приглашения от четырех вузов. «Одним из них был Университет Иллинойса в Урбана-Шампейн, UIUC. Выбор для меня был очевиден: UIUC как ведущий университет в области инженерных наук полностью соответствовал моим целям и ожиданиям», – объясняет Даурен.

Одиночество в Иллинойсе

Казалось бы, учись и радуйся, но казахстанец решил усложнить себе задачу – окончить бакалавриат за три года вместо четырех. «Для этого мне пришлось брать дополнительные предметы, многие из которых были техническими, что сделало нагрузку особенно тяжелой. Интенсивный график почти не оставлял времени для отдыха, – возвращается в прошлое собеседник. – Еще одной сложностью было то, что я был единственным студентом из Казахстана в своей специальности. Это затрудняло поиск партнеров для совместной учебы (study group). Отсутствие общего культурного фона порой затрудняло налаживание контактов с однокурсниками». Но ничего не остановило казахстанца – он окончил учебу и вернулся на родину.

Первым местом работы для Имангужина стала нефтяная компания «Тенгизшевройл». «Я связался с выпускником КТЛ, который согласился лично передать мое резюме в печатном виде, – объясняет свое везение Даурен. – К моему удивлению, меня пригласили на стажировку. Позже мой руководитель в шутку сказал, что я получил эту возможность, потому что руководитель отдела тоже был выпускником UIUC, как и я. Хотя это было сказано в шутку, я верю, что мое обучение в UIUC действительно могло помочь выделить мое резюме среди множества других».

За первой стажировкой последовала вторая, и в 2013 году, после окончания университета, Даурен поступил в ТШО на постоянную работу. «Я начал свою карьеру на Тенгизе, одном из крупнейших нефтяных месторождений мира. Как инженер-механик в отделе проектирования и строительства производственных объектов, я руководил проектами по поддержанию надежности газоперерабатывающих заводов, отвечая за капиталовложения на сумму более $50 млн», – не без гордости рассказывает Имангужин.

Затем его послужной список пополнился малым инвестиционным проектом, которым он руководил три года – начиная от выбора альтернатив до ввода в эксплуатацию и запуска. Более 20 специалистов под его началом успешно реализовали проект. И в этой точке Даурен снова решил усложнить себе жизнь.

В рассаднике «нобелей»

«В 2021 году, когда мне было за 30, воспитывая двоих детей, я решился оставить перспективную работу в «Тенгизшевройле» и поступить в магистратуру Калифорнийского университета в Беркли».

На вопрос, что заставило его это сделать, Даурен объясняет: «С тех пор как я учился в бакалавриате, у меня всегда был сильный интерес к области механики жидкости и газа. Мой последний проект в ТШО был связан с многокомпонентными потоками и вычислительной гидродинамикой. Будучи руководителем проекта, я консультировался с местными специалистами и экспертами Chevron и понял, что мне не хватает технических навыков. Когда началась пандемия, я расценил это как отличную возможность действовать».

Сначала казахстанец обратился за советом к профессору в «родном» UIUC, но тот поставил под сомнение, что Даурен сможет вернуться к академической учебе спустя восемь лет после окончания университета. Имангужин стал искать другие варианты и нашел профессора в Беркли, который проводил исследования в области многокомпонентных потоков.

Почему казахстанца приняли в один из самых сильных в мире исследовательских университетов, где было открыто пять элементов таблицы Менделеева и где работали или учились 60 нобелевских лауреатов? Даурен Имангужин считает, что причина не только в его отличных оценках, соответствующем опыте, рекомендациях коллег и преподавателей UIUC. Но и в том, что он сумел показать свою страсть к направлению, которое является приоритетным и для Беркли, – механике жидкости.

Мелочь, а приятно

Окончив магистратуру в Беркли, Имангужин поступил на работу в отдел НИОКР компании Applied Materials, где, по его выражению, «был очарован миниатюрным миром микросхем». Сейчас он работает над созданием технологий и процессов, которые «сделают возможным производство более быстрых и энергоэффективных чипов». Чтобы объяснить, над чем конкретно, Даурен рисует схему из трех уровней. На первом – компании вроде Apple, Google, Tesla, Microsoft. Например, Apple использует чип A18, который производится «по 3-нм-техпроцессам». Инженер сравнивает этот чип с целым городом, уместившимся на площади меньше ногтя.

«Чтобы понять, насколько мал 3-нм-процесс, представьте себе: диаметр человеческого волоса составляет 80 000–100 000 нанометров. Такой уровень миниатюризации позволяет создавать чрезвычайно плотные схемы, размещая больше транзисторов на том же пространстве, что делает чипы не только более быстрыми, но и более энергоэффективными, – снова погружается в технические детали Даурен. – С увеличением числа транзисторов задачи выполняются быстрее, а сам чип потребляет меньше энергии, что приводит к более долгому времени работы от батареи и лучшей общей производительности устройства».

Для примера собеседник берет первый iPhone и 16-й. Если на первоначальном устройстве использовался чип A4, изготовленный по 45-нм-технологии, то нынешний айфон имеет Apple A18, изготовленный по процессу 3-нм, благодаря чему такие задачи, как рендеринг HD-видео или загрузка передового AR-приложения, выполняются за доли секунды.

Если Apple разрабатывает микропроцессоры, то производят их – на «втором этаже» – другие предприятия, например TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) и Samsung. На «третьем уровне» – компании вроде Applied Materials, где работает Имангужин. Они разрабатывают технологии и оборудование для изготовителей чипов. «Наши машины наносят слои материалов толщиной всего в несколько атомов, вырезают узоры на кремниевых пластинах и проверяют чипы, чтобы убедиться в их качестве», – гордится Даурен.

«Газовая камера» для чипов

Как считает Имангужин, технологии, которыми сейчас занимается его компания, в ближайшие пять лет изменят будущее полупроводниковой индустрии.

«Я участвую в создании модулей и химических систем, обеспечивающих точность производства чипов на уровне атомных слоев, – продолжает поражать воображение собеседник. – Моя задача – проектировать, тестировать и совершенствовать технологические камеры, которые обеспечивают ключевые этапы, такие как травление и осаждение. Каждый этап должен быть повторен несколько раз, чтобы создать сложные миниатюрные структуры, которые составляют современный микрочип».

Геометрия полупроводниковых устройств сегодня исчисляется величинами от семи до трех нанометров, и по мере уменьшения задача заполнить материалами отверстия и канавки в чипах становится все более сложной, продолжает собеседник. «Отношение глубины к ширине этих структур часто приводит к таким проблемам, как образование пустот или швов в материале», – говорит он. Даурен как раз и работает над тем, чтобы не допустить такого.

«В рамках моего последнего проекта я сосредоточился на разработке систем подачи газов для процессов, которые направлены на создание высококачественных беспустотных и бесшовных материалов для заполнения зазоров. Эти процессы требуют точного контроля над скоростью потока газов и их составом для достижения направленного осаждения и предотвращения проблем, таких как образование нависающих элементов на входах в зазоры. Тонкости подачи газов важны для того, чтобы процесс осаждения был равномерным, эффективным и без дефектов, таких как пустоты или швы, что критически важно для высокой производительности и надежности современных чипов», – отмечает инженер.

Полупроводники – это «нефть» XXI века, уверен казахстанец, и не он один: мировой рынок чипов, по прогнозам, увеличится с $600 млрд в 2022 году до более $1 трлн к 2030 году, показывая ежегодный рост около 12 %.

До сверхпроводимости ещё далеко

Воодушевление Даурена понятно, ведь полупроводники – его профессия. Но уже не первый год в науке идут разговоры о создании сверхпроводников, способных работать при комнатной температуре. Сверхпроводники – это материалы, через которые электрический ток проходит без потерь, не встречая сопротивления. Сейчас такие свойства могут иметь материалы при очень низких температурах (ниже –100С). Считается, что открытие сверхпроводимости в «обычных» условиях произведет революцию в технологиях.

«Я не думаю, что внедрение сверхпроводников при комнатной температуре произойдет в ближайшие пять лет. Даже в долгосрочной перспективе такие материалы могут столкнуться с серьезными трудностями, такими как масштабируемость и совместимость с существующей инфраструктурой полупроводников», – возражает инженер.

Чтобы было понятнее, он приводит в пример переход от алюминия к меди для межсоединений в производстве полупроводников. Процесс занял около 30 лет, начиная с первых исследований и заканчивая широким внедрением.

«Это был постепенный переход, требовавший преодоления значительных технических и логистических сложностей, включая разработку новых методов производства и решений для обеспечения совместимости, – говорит Даурен. – И даже если сверхпроводники при комнатной температуре станут возможными, их интеграция в полупроводниковую отрасль, скорее всего, займет значительное время, требуя серьезных технологических достижений и адаптации текущих производственных процессов».

Так что для тех нынешних выпускников, кто решит последовать примеру Даурена, поле деятельности обеспечено на долгие годы.

«Сегодня многие молодые специалисты из Казахстана работают в международных неф­тегазовых компаниях, я надеюсь, мы увидим схожую тенденцию в сфере полупроводников, – говорит он. – Если создать условия для того, чтобы больше молодых специалистов стремились развиваться в этой области, Казахстан сможет внести значимый вклад в ее развитие».