Elektronika, mikroelektronika, inovace a vzdělávání v 21. století Prof. Ing. Vladislav Musil, CSc. Vysoké učení technické v Brně Brno 18.3.2014
Podtitul Klikaté cesty k Unii inovací aneb Co jste chtěli vědět o mikroelektronice, inovacích a vzdělávání, ale báli jste se zeptat Strategie 2010 do roku 2020 vytvořit tzv. Unii inovací - zlepšit rámcové podmínky a přístup k financím pro výzkum a inovace v Evropě, aby inovativní nápady mohly být přeměněny na výrobky a služby, které pak vytvářejí růst a pracovní místa.
Inovace jsou horké a frekventované téma, skloňujeme je ve všech pádech, především v pádě pátém, kterým po nich voláme INOVACE zdokonalení, změna k lepšímu Teorie inovací je složitá - inovace produktu - obnova a rozšíření škály výrobků a služeb - inovace procesu - marketingová inovace - organizační inovace
Trocha opakování 1 Sčítání lidu 2011 10, 4 mil. obyvatel, z toho 4,7 mil. neodvádí daně maturitu má 2,5 mil. občanů lidé s vysokoškolským vzděláním - 1,1 mil. humanitní obory 188 tis. učitelé 182 tis. (z toho 43 tis. mužů) technici 177 tis. lékaři 87 tis. právníci 52 tis. Problematické srovnání s ostatními zeměmi Poznatek z praxe: Jen VŠ technických oborů a některé přírodovědné obory mají nedostatek kvalitních zájemců
Reálný výsledek humanizace společnosti
Zmenšený zájem o technické obory je pozorován v celé Evropě. Důvod: více příčin - celospolečenská situace, výdělkové možnosti manažeři, právníci, banky, nárůst sektoru služeb, vzestup duchovního rozměru společnosti a různých zelených hnutí, Řešení v USA: studenti z Číny a Koreje + kokain u manažerů U studentů a žáků pozorujeme, kteří se rozhodli pro technické obory, pozorujeme zájem hlavně o ICT ( ajťáci ). Na průmyslovkách obvykle ze 3 tříd je jen 1 elektrotechnická. Podpůrná okolnost vzdělání v informačních technologiích je levnější než v klasických oborech heslo doby: rozhodující část populace bude mít maturitu a bakalářský titul.
V ČR není stabilizován systém základní škola střední škola univerzita - je tu rozpor mezi anglosaským (VŠ) a rakousko-uherským systémem školství (ZŠ a SŠ) - papír má větší hodnotu než schopnost - zaučení a vyučení - průmyslovky kontra bakalářské studium - DNES 24.1.2014 V.Staněk SMC Industrial Automation: Pro nás absolvent VUT, který šel přes gympl, není tak cenný jak ten, který šel přes učební obor. - Naprosto rozporná stanoviska lidí z učilišť, středních škol, firem atd. nelze jednoduše hledat řešení.
Trocha opakování 2 Elektronika je tu s námi asi 110 let. Z toho asi prvních 50 let se vyvíjela jako analogová elektronika a od šedesátých let prudce nastupuje elektronika digitální souběžně s nástupem mikroelektroniky. Aplikace mikroelektroniky působí dvojím směrem: - inovačním efektem (nové generace výrobků) a - racionalizačním efektem (změna výrobních prostředků a technologických procesů, tj. nový způsob výroby a další tím vynucené změny).
Trocha opakování 3 Mikroelektronika se stala vedoucí oblastí elektroniky, rozhoduje o technické úrovni výrobků v nejširším slova smyslu. Ovlivňuje růst většiny průmyslových odvětví a oblastí života. Zřetelný je již dlouhodobě přínos ve dvou odvětvích: výpočetní a telekomunikační technika. Postupně očekáváme prudký růst v lékařské elektronice (snímací a zobrazovací technika), v automobilové technice (dálkové ovládání, senzory). Dále mobilní technologie (i tzv. nositelná elektronika) a spotřební elektronika.
Inovace obvodů pro počítače zdroj: www.ibm.com
Současný stav: Polovodičové struktury se svými rozměry dostávají do oblasti nanostruktur a technologie do oblasti nanotechnologií. υαυωσ =
Některé obecnější tendence v elektrotechnickém průmyslu Moorův zákon Složitost čipů roky - index růstu 4 x za 3 Minimální rozměr struktury 0,5 x za 3 roky Plocha čipu - index růstu - index růstu 2 x za 6 roků
Rockův zákon: Investice do nových zařízení na výrobu čipů se zdvojnásobuje každé 4 roky. Metcalfeův zákon: Míra užitečnosti dané technologie se rovná čtverci počtu uživatelů. Varianta: Inovace se stává úspěšnou, když osloví ¼ potenciálních uživatelů. (př. Paegas)
Obecné schéma vývoje technických objektů, kdy až s časovým zpožděním po rozvoji technologie, návrhu a aplikacích se rozvíjí metodika výuky
Inovace v mikroelektronice Nižší řády: Větší rychlost nebo výkon u mikroprocesorů Větší kapacita pamětí u pamětí DRAM a FLASH Vyšší řády: Signálově smíšené integrované obvody SoC = System-on-Chip Optoelektronické systémy MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) Mikrofluidické systémy Součástky na SiC a GaN
Vývoj technologických procesů u firmy Intel rozměr 45 nm 32 nm 22 nm 14 nm 10 nm první výroba 2007 2009 2011 (2013) (2015) Nové procesory fy Intel označení Sandy Bridge výrobní proces typ tranzistoru Ivy Bridge a Haswell Broadwell 32 nm 22 nm 14 nm 2D (planární) 3D (Tri-gate) 3D (Tri-gate)
S rozvojem procesorů pro mobilní zařízení kolem roku 2000 Intel opustil strategii stále rostoucího taktovacího kmitočtu a začal vyvíjet vícejádrové procesory s nižší spotřebou výkonu. V roce 2003 to byl procesor Centrino s jádrem Banias (řeka v severním Izraeli). Byl vyvinut v pobočce Intelu v Haifě a uvádí se, že jeho hlavní problém nebyl v technickém řešení, ale jak přesvědčit akcionáře, že si někdo takový procesor koupí, když je vlastně v rozporu i s Mooreovým zákonem. V současné době je pro mobilní aplikace určen procesor Atom a pilně se pracuje na procesoru Quark pro tzv. nositelnou elektroniku. Odbyt PC a notebooků již 3 roky klesá, rostou smartphony a tablety. Jiný příklad: Inovované disky SSD jsou pomalejší, ale levnější.
Další zajímavostí u firmy Intel je dvojstupňový proces poeticky nazvaný podle tikání hodinek. Proces Tik-Tak. V první fázi přijde změna výrobního procesu, tedy tzv. Tick, ve druhé fázi pak přechod na novou architekturu, tedy tzv. Tock. U technologie 32 nm bylo původní jádro Nethhalem (45 nm) nejprve vyrobeno v technologii 32 nm (pod názvem Westmere) a následně ve stejné technologii bylo předpracováno pod jménem Sandy Bridge. V jedné fázi tedy dělají jen jednu skupinu změn (buď technologie, nebo obvodové řešení/architektura). Obdobně u technologie 22 nm jádro Ivy Bridge (přepracované Sandy Bridge) bude nahrazené jádrem Haswell. V souvislosti s nástupem technologie 22 nm se očekával přechod na wafery 450 mm, ten je opožděn nejméně o 5 let, protože ještě nezačala ani stavba potřebné továrny.
Geografické rozložení příjmů firmy Intel Intel Annual Report 2011 http://www.intc.com/intelar2011/introduction/financial
Jak je to s inovacemi ve vztahu k vědě a technologii? Tradiční schéma: myšlenka základní výzkum aplikovaný výzkum průmyslový vývoj inovovaný produkt Situace na začátku 21. století Názor popularizátorů vědy a techniky, že inovace neplynou z vědy, ale z technologie. Dokonce se poměr obrací i ve vztahu vědy a technologie věda je dcerou technologie. Dílčí závěr: Inovace nemusí mít žádnou přímou souvislost s výzkumem, zejména tím základním. Představa, že lze nalít dotační (státní) peníze do vědy, která je veřejným statkem, a z vědeckých ústavů budou plynule vycházet technologie a inovace, je jednostranná. Příklady: elektronová litografie, GaAs x Si,
Matt Ridley: Racionální optimista. Argo 2013 Nepřetržitě běžící stroj inovací nevděčí za svou existenci ani vědě (která z něj těží víc, než k němu přispívá), ani penězům (které nejsou vždy limitujícím faktorem), ani patentům (které často překážejí), ani vládám (které v inovacích vůbec nevynikají). Není to proces směřující shora dolů, Je to spíše směna myšlenek a nápadů, co stojí u zrodu inovací.
Bez inovací to opravdu nepůjde! Vyspělá společnost se stává společností inovace a jenom trvalý technologický vývoj jí může zajistit budoucnost v tvrdé globální konkurenci. Odbornost a vynalézavost dnes vydělává mnohem více než v minulosti. Bohužel - Není přímá korelace mezi vyšší vzdělaností a ekonomickou výkonností země. Ministr Kopecký, 1950.
Čas pro inovace plyne rychle
Nositelé Nobelovy ceny na VUT v Brně Alan Heeger, 2008 Douglas Osheroff, 2011 Sheldon Glashow, 2012 George E Smith, 2013 Iniciativa firmy Honeywell
Nositel Nobelovy ceny Sheldon Glashow, 2012 Vyvíjí se věda náhodně, nebo podle promyšleného plánu? Immanuel Kant versus princové ze Serendipu Některé vědecké pokroky, například rentgenové paprsky a penicilin, přišly neplánovaně a nečekaně. Narazilo se na ně šťastnou náhodou. Jiné, jako například streptomycin a jaderné reaktory, jsou výsledkem cíleného výzkumu. Vznikly na základě pečlivého plánu, způsobem, který profesor Glashow označuje jako kantovský. Přednáška anekdotickou formou pojednává o některých dřívějších objevech a jejich prostřednictvím poukazuje na skutečnost, že důležité jsou oba přístupy. Jsou významné pro vědce, stejně jako pro vládní, akademické a průmyslové agentury, které se snaží podporovat vědecký a technický pokrok.
Víme jak na inovace?
Prof. Vladimír Mařík: Inovace nebudou bez motivace. Musíme vytvořit atmosféru poznání, že věda a technika jsou oblasti, které nás budou živit.
A co vysoké školství? Inovace nepůjdou také bez připravených absolventů technických oborů vysokých škol. Přehledový článek Petr Vysoký: Zamýšlení nad technickým vzděláváním. Sdělovací technika, 3/2014, str. 24-26 Ani já bych to nenapsal lépe.
University of Michigan Professor Wei Lu a jeho kolektiv
Pro informaci o situaci inovací v ČR je asi nejefektivnější cestou navštívit stránky Czechinvestu informace o úspěšných projektech v oblasti elektroniky - o investicích do výzkumu, vývoje a inovací - trendy a další zajímavosti
Závěr Prognóza do budoucnosti je optimistická. Neexistuje žádný zázračný recept na prosperitu a úspěch. ČR jako malý stát se nestane určujícím na poli elektroniky ani strojírenství, ale může získat přiměřený díl světové výroby a obchodu. I nadále bude platit, že za úspěchem (za inovacemi) stojí znalosti, tradice a nadkritická masa lidských a materiálních zdrojů. Univerzity mohou přispět především kvalitními absolventy a dále poznatky základního a aplikovaného výzkumu. Univerzity mají velké rezervy v zapojení studentů magisterského stupně do výzkumu a vývoje, příliš spoléhají na akademické pracovníky a výzkumníky, kteří jsou přetíženi. Není naděje (politická vůle), že by strukturované studium (bakalář-magistr) zaniklo. Musíme vyřešit profil bakaláře (v inženýrství) tak, aby byl použitelný pro praxi. Motivovat absolventy gymnázií ke studiu na technických oborech (jak? maskulinizací profesorského sboru?).
A vzdálenější budoucnost?
Vztah vysoké školy a průmyslové firmy A) Co očekává VŠ Finanční příspěvek pro činnost pracoviště Možnost získání moderního přístrojového vybavení laboratoří Rozšíření výuky o aplikované disciplíny přednášené odborníky z praxe
Vztah vysoké školy a průmyslové firmy B) Co neočekává VŠ Provádění rozsáhlých rutinních měření a testů Rychlé řešení technologických problémů ve spolupracující firmě Přípravu absolventů přesně odpovídající současným požadavkům spolupracující firmy
Vztah vysoké školy a průmyslové firmy C) Co očekává firma Rychlé řešení současných technologických problémů Provádění rutinních testů a měření, nejlépe na certifikovaném univerzitním pracovišti Výchovu absolventů okamžitě použitelných v technologickém procesu nebo v domácím vývojovém oddělení - náklady na vlastní školení nově přijatých absolventů jsou obvykle velmi vysoké, Spolupráci na vývoji nových technologií nebo výrobků V zahraničí je obvyklé zadávat vývojové projekty malým specializovaným firmám, které pracují ve vědeckých parcích při univerzitách.