V tomto blogovom príspevku sa pozrieme na to, ako môže koncept zmeny paradigmy v Štruktúre vedeckých revolúcií ovplyvniť vývoj a budúcnosť polovodičového priemyslu.
Polovodičový priemysel z pohľadu The Structure of Scientific Revolutions
Od narodenia prvého človeka až po súčasnosť sa ľudstvo vyvíjalo rýchlym tempom. Hnacou silou tohto vývoja bola veda a technika, ktorá neustále viedla k novým objavom a inováciám. Primitívni ľudia, ktorí sa živili lovom a zberom, zmenili svoj spôsob života používaním ohňa a poľnohospodárska revolúcia umožnila ľuďom usadiť sa a podporila rozvoj civilizácie. Potom sme prostredníctvom priemyselnej revolúcie vytvorili efektívnejší výrobný systém av modernej dobe využívame technológie takmer vo všetkých aspektoch nášho každodenného života prostredníctvom prechodu na spoločnosť založenú na informáciách. Najmä od polovice 20. storočia sa zrýchlil rozvoj vedy a techniky, čo viedlo ku kvalitatívnym a kvantitatívnym zlepšeniam v našom živote.
Ako teda pokročil vývoj vedy a techniky? Thomas Kuhn vo svojej knihe The Structure of Scientific Revolutions tvrdil, že dejiny vedy sú neustálou transformáciou od jednej paradigmy k druhej prostredníctvom revolúcie. V skutočnosti sa veda a technika vyvinuli prostredníctvom série udalostí, ktoré možno nazvať revolúciou. Existovali kopernikovské a galileovské heliocentrické teórie a hlavné teórie ako Darwinova evolučná teória, Einsteinova teória relativity a kvantová mechanika viedli k rozvoju dnešnej vedy a techniky tým, že predstavili novú paradigmu.
Môže teda inžinierstvo aplikovať teóriu, ktorá vzišla zo štruktúry vedeckej revolúcie? Samozrejme, že môže. Veda a inžinierstvo spolu úzko súvisia, pretože inžinierstvo je disciplína, ktorá využíva vedecké teórie na vytváranie vecí, ktoré sú potrebné v reálnom živote. Keďže Štruktúra vedeckých revolúcií bola pôvodne napísaná s použitím prírodných vied ako príkladu, nie je bez výhrad, keď sa aplikuje na inžinierstvo. Domnievam sa však, že proces vytvárania novej normálnej vedeckej teórie prostredníctvom novej paradigmy možno aplikovať na inžinierstvo. Takže odteraz by som chcel aplikovať teóriu Štruktúry vedeckých revolúcií na môj odbor, elektrotechniku, konkrétne na oblasť polovodičov a integrovaných obvodov.
Zmena paradigmy v polovodičovom priemysle
Domnievam sa, že rozvoj oblasti obvodov v elektrotechnike začal vážne s vynálezom tranzistora. Slovami Thomasa Kuhna sa vynález tranzistora stal vedeckou revolúciou a otvoril novú paradigmu. Vynález tranzistora viedol k vynálezu počítača, ktorý mal zase zásadný vplyv na vytvorenie smartfónov, ktoré dnes používame. Po vynáleze tranzistora však elektrotechnika vstúpila do štádia normálnej vedy. Inými slovami, hlavnými smermi výskumu sa stal vývoj materiálov na efektívnejšie fungovanie tranzistorov a miniaturizácia a integrácia prvkov obvodu.
Ako vysvetľuje Moorov zákon, hustota integrácie polovodičových zariadení sa neustále zvyšuje. Tento vývoj však spadá do kategórie normálnej vedy, ktorá vedie skôr k postupnej miniaturizácii a zlepšovaniu výkonu ako k zmene paradigmy. Inovácie, ktoré sa vyskytujú v procese optimalizácie výkonu a miniaturizácie na základe existujúcich technológií a princípov, nie sú novou paradigmou, ale skôr nevyhnutným výsledkom aplikácie existujúcich teórií.
V polovodičovom priemysle sú v posledných rokoch čoraz zreteľnejšie známky krízy. Rast na trhu so smartfónmi dosiahol v roku 74.4 2010 %, no odvtedy sa spomalil a v roku 1 zaznamenal tempo rastu menej ako 2023 %. Je to znak toho, že trh dosiahol nasýtenie. Väčšina spotrebiteľov už vlastní smartfón a keďže sa technologická diferenciácia medzi novými modelmi znížila, znížil sa aj dopyt po aktualizáciách. Navyše inovatívne produkty, ako sú skladacie smartfóny, výrazne nezvrátili trend rastu trhu, čo odráža obmedzenia existujúcich technológií a súčasný nedostatok nových technológií.
V tejto súvislosti čelí aj polovodičový priemysel limitom, ktoré predpovedá Mooreov zákon. Miniaturizácia zariadení dosahuje svoj limit a ďalšie zvýšenie hustoty integrácie si vyžiada obrovské náklady. Niektorí odborníci tvrdia, že miniaturizácia a zlepšovanie integrácie v polovodičovom priemysle už nie sú efektívne. To naznačuje možnosť, že čoskoro môžeme čeliť kríze v normálnej vede. Ak bude kríza v normálnej vede pokračovať, nevyhnutne sa objaví nová paradigma. V polovodičovom priemysle sa vyvíjajú nové technológie na vyriešenie tejto krízy a je vysoko pravdepodobné, že budúca paradigma polovodičov sa vytvorí okolo 3D polovodičov, kvantových výpočtov a nanotechnológií.
Budúce vyhliadky polovodičového priemyslu
Ak sa na súčasnú situáciu pozrieme ako na začiatok krízy v polovodičovom a obvodovom priemysle, ako sa bude vyvíjať budúcnosť? Podľa štruktúry vedeckej revolúcie sa na začiatku krízy mnohí výskumníci snažia zachovať existujúcu normálnu vedu. Postupom času sa však šíri názor, že normálna veda už nestačí na vysvetlenie zložitých prírodných javov, a objavuje sa revolučná teória, ktorá zakladá novú paradigmu. Tento proces je možné použiť aj v polovodičovom priemysle.
Samozrejme, existujúca výskumná paradigma bude zatiaľ zachovaná. Miniaturizácia polovodičových zariadení bude pokračovať a elektronické produkty ako smartfóny a počítače sa budú vyvíjať tak, aby boli menšie a rýchlejšie. Ak sa však veľkosť strojov používaných ľuďmi miniaturizuje nad určitú hranicu, môže to byť nepohodlné a nevyhnutne sa objavia technologické obmedzenia. Keď sa dosiahnu tieto limity, objaví sa nová paradigma, ktorá nahradí existujúcu normálnu vedu.
Dôvod, prečo sa môžeme na budúcnosť polovodičového priemyslu pozerať pozitívne, je ten, že ľudia už urobili veľa inovácií v procese neustáleho vývoja nových technológií a riešení problémov. Ak vezmeme do úvahy radikálne zmeny, ktoré nastali na začiatku 20. storočia od používania jednoduchých strojov poháňaných elektrickou energiou až po vynález tranzistorov a integrovaných obvodov, existuje veľká šanca, že podobné úrovne inovácií sa budú aj naďalej objavovať v polovodičovom priemysle.
Záver
Doteraz sme analyzovali minulosť, súčasnosť a budúcnosť polovodičového priemyslu na základe teórie štruktúry vedeckých revolúcií Thomasa Kuhna. Polovodičový priemysel v súčasnosti naráža na hranice miniaturizácie a integrácie, čo možno interpretovať ako začiatok krízy normálnej vedy. Táto kríza však môže byť príležitosťou viesť k prechodu na novú paradigmu a polovodičový priemysel bude naďalej rásť prostredníctvom revolučných zmien.
Túto budúcnosť majú na svedomí aj naši študenti elektrotechnického zamerania. Najväčšou zodpovednosťou študentov nášho odboru je objavovať nové paradigmy a rozvíjať schopnosť ich implementovať do reality. Musíme pokračovať vo výskume a inováciách, aby sa elektrotechnický a polovodičový priemysel mohol naďalej rozvíjať.
