CC BY
5РЕИНЖИНИРИНГ ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
В.А. МИСНИК,
Рязанский государственный радиотехнический университет
В Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации до 2020 года определены основные стратегические ориентиры долгосрочного социально-экономического развития страны, вызовы предстоящего долгосрочного периода и целевые ориентиры развития. В ней отмечается, что к середине текущего десятилетия российская экономика стоит перед долговременными системными вызовами, первый из которых - усиление глобальной конкуренции. Этот вызов требует перестройки российской экономики, повышения ее конкурентоспособности, способности к инновационному обновлению и привлечению инвестиций.
Вторым вызовом является новая волна технологических изменений. И здесь Россия имеет возможность обеспечить технологические лидерство по ряду важнейший направлений, сформировать комплекс высокотехнологичных отраслей и расширить позиции на мировом рынке наукоемкой продукции.
В Концепции долгосрочного социально-экономического развития страны указано, что: "в то же время отставание в развитии новых технологий последнего поколения может резко снизить глобальную конкурентоспособность российской экономики и отбросить ее на периферию мирового развития".
Для устранения этой угрозы, как один из целевых ориентиров, взят курс на инновационное лидерство России в мире, на занятие значимого места на рынке высокотехнологичных товаров (не менее 10%).
Системное достижение поставленной цели требует перехода российской экономики на инновационный социально-ориентированный тип роста, имеющий ряд качественных и количественных характеристик, отражающих важнейшие факторы роста, в том числе:
- диверсификацию экономики, где ведущая роль перейдет к отраслям "экономики знаний" и высокотехнологичным отраслям промышленности (доля этого сектора ВВП должна составлять не менее 17-20%);
- высокую инновационную активность компаний, ведущую к обновлению ассортимента продукции, освоению новых технологий, новых форм организации производства и бизнеса. Так, планируется, что доля инновационной продукции в объеме выпуска составит 25-35% (2005 г. - 2,5%), а
доля промышленных предприятий, осуществляющих технологические инновации, возрастет до 40-50% (2005 г. - 9,3%);
- активизацию фундаментальных прикладных исследований и разработок при кардинальном повышении их результативности.
Важнейшим направлением является диверсификация экономики на основе инновационного технологического развития, что позволит обеспечить "встраивание России в глобальный оборот высокотехнологичной продукции и технологий". Все это ставит задачу реструктуризации промышленности и производства. Как вытекает из вышесказанного, реструктуризация промышленности без ориентации на базовые инновационные технологии не будет эффективной.
Под такими технологиями следует понимать технологии, которые обеспечат национальную безопасность страны, ее социальное развитие, производство и сбыт конкурентоспособной продукции на внутреннем и внешнем рынках.
В Послании Президента РФ Федеральному собранию РФ 2007 г. подчеркивалось, что одной из важнейших задач развития экономики на современном этапе является "модернизация и развитие высокотехнологичных производств", при этом "основной ролью государства должно стать содействие бизнесу в создании новых, по-настоящему современных производств." Здесь же отмечалось, что " ... нанотехнологии уже становятся ключевым направлением развития современной промышленности и науки. На их основе в долгосрочной перспективе мы в состоянии обеспечить повышение качества жизни наших людей, национальную безопасность и поддержание высоких темпов экономического роста".
В 2007 г. в РФ была утверждена стратегия развития наноиндустрии, определяющая главные приоритеты и организационно-правовые механизмы наноотрасли. Объем федерального финансирования с учетом федеральных целевых программ на ее развитие составит около 180 млрд. руб., что сопоставимо с общим финансированием науки. В то же время Правительство США увеличило уровень государственного финансирования исследований нанотехнологий (ННТ) в течение 4-х лет до $ 3,7 млрд.
Предприятия промышленности и, в первую очередь, машиностроения, должны быть готовы к реинжинирингу производства в связи с освоение нанотехнологий, так как по оценкам экспертов уже через 5 лет вся промышленность будет развиваться с их использованием.
Сложность проблемы заключается в качественном отличии нанотех-нологий от "традиционных технологий", применяемых на предприятиях. Нанотехнологии - это совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной структурой. Все разработки, как правило, носят закрытый характер. Многие находятся на уровне исследований, что и определяет малую степень изученности темы, в том числе требований к материально-
техническому, информационному, кадровому и организационному обеспечению работ, связанных с нанотехнологиями.
Нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это в сотни раз меньше длины волны видимого света, что сопоставимо с размерами атомов. Переход от "микро" к "нано" уже не количественный, а качественный - от манипуляций веществом к манипуляциям отдельными атомами.
Его осуществление потребует совершенно иных (по сравнению с "традиционными" технологиями) материально-технического, информационного, организационно-правового, кадрового и проч. обеспечения.
Недавно был принят "Закон о нанотехнологиях", создается Всероссийская корпорация нанотехнологий, финансирование которой во многом пойдет за счет бюджетных средств (на эти цели из Федерального бюджета будет выделено не менее 130 млрд. руб.). Но, как отмечалось Президентом РФ, необходимо создать все условия для развития наноиндустрии и роста негосударственных инвестиций.
В настоящий момент, на наш взгляд, наиболее подготовленными к началу поэтапного освоения нанотехнологий являются предприятия бывшего оборонного комплекса, обладающие наиболее развитым научно-производственным и кадровым потенциалом. Осуществляя поэтапно реинжиниринг производства, они смогут постепенно перейти к новым эффективным революционным технологиям, позволяющим производить как качественно лучшую продукцию, так и продукцию, не имеющую по своим свойствам современных аналогов, что является необходимым требованием повышения конкурентоспособности в условиях научно-технической революции.
Если исторически возможность исследования нанообъектов появилась впервые в 1931 г., когда немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, позволивший исследовать нанообъекты, то уже с 2000 г. отмечают начало эры гибридной наноэлектроники и происходит интенсивная подготовка к созданию наноэлектронных элементов и различных функциональных устройств (от простейших до нанокомпью-теров).
Кроме наноэлектроники на основе нанотехнологии наиболее активно развиваются: микро- и наноробототехника, позволяющие создать миниатюрные исполнительные механизмы с быстродействием в миллионы раз выше существующих и более сложные робототехнические системы с распределёнными механическими устройствами; интегральная нанооптоэлек-троника, дающая возможность создать солнечные элементы с КПД в 4 раза больше существующих, светодиоды и лазеры с перестраиваемым от инфракрасного до ультрафиолетового спектром излучения, высокоэффективные транспаранты и функциональные оптические приборы.
Осознание стратегической важности нанотехнологий привело к тому, что в разных странах на уровне правительств и крупнейших фирм созданы и успешно выполняются программы работ по нанотехнологиям.
В России фундаментальные исследования по нанотехнологии проводятся по нескольким программам. Наиболее крупные из них: программа "Физика наноструктур", руководимая академиком Ж.И. Алферовым, и "Перспективные технологии и устройства в микро- и наноэлектронике", руководимая академиком К.А. Валиевым.
О некоторых достижениях российской наноиндустрии можно сказать следующее.
Достигнуты высокие результаты в области создания нанотехнологи-ческих приборов и установок. Были развиты основы микромеханики и разработаны сканирующие зондовые, туннельные и атомносиловые микроскопы (концерн "Наноиндустрия", фирма НТ МДТ, HTE, НИИФП им. Ф.В.Лукина и др.).
Отечественные ученые создали собственные теоретические и экспериментальные заделы в области твердотельных элементов квантовых компьютеров, квантовой связи, квантовой криптографии. Технологии атомного масштаба (0,5-0,1 нм) открывают абсолютно новые перспективы в этой сфере.
Разрабатываются новые методы получения наноматериалов: синтез и компактирование ультрадисперсных порошков, получение наноматериалов методами интенсивной пластической деформации, кристаллизация из аморфного состояния, пленочная нанотехнология.
Проводятся материаловедческие работы в области "интеллектуальных материалов", ультрадисперсного состояния и супрамолекулярной химии, коллоидных систем, а также разрабатываются теоретические принципы строения частиц с наноразмерами, учитывающие размер как физико-химический фактор.
В области медицины, генетики и экологии также ведутся исследования и разработки наносистем. Созданы образцы так называемых "биочипов", разработаны технологии выделения мономолекулярных кристаллических упорядоченных белковых структур бактериального происхождения и их использования в области микроэлектроники, микро- и наномеханиче-ских устройств, биосенсоров, биотехнологии.
Результаты анализа свидетельствуют, что отечественные разработки находятся на уровне мировых достижений. Но при очевидных успехах российской науки в области нанотехнологических исследований наша страна пока не может вплотную заняться их массовым промышленным внедрением.
Положительным фактором в этом вопросе является высокий кадровый и научно-технологический потенциал России, базирующийся на её известных интеллектуальных преимуществах. Но в то же время, полностью
отсутствуют наработки, связанные с организационно-производственно-финансовыми аспектами перехода предприятия на нанотехнологии.
Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:
- изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;
- разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;
- непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего.
Реализация всех этих направлений уже началась. Почти десять лет назад были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборки из них определенных конструкций, разработаны и изготовлены первые наноэлектронные элементы.
Нанотехнологии - это технологии манипулирования веществом на уровне атомов и молекул с целью получения продуктов с наперед заданной структурой. Их качественное отличие от "объемных" технологий определяет качественное отличие используемых ресурсов, в том числе, приборов, инструментов, материалов, информационных средств и пр.
В настоящий момент главным оборудованием нанотехнологий являются сканирующие зондовые микроскопы, наиболее популярны среди которых туннельный и атомносиловой микроскопы.
Применяемое при нанотехнологиях оборудование определяет особые требования к организации производства, в том числе, необходимы дополнительно вибро-, термо- и шумо-изоляционные установки. Для работы на атомном уровне микроскопы должны находиться в глубоком вакууме и при сверхнизких температурах. Все это самым непосредственным образом сказывается на их размерах и стоимости - микроскоп среднего уровня занимает много места и стоит сотни тысяч долларов.
Возможности нанотехнологии неисчерпаемы. Оптимисты считают периодом расцвета практических нанотехнологий первую четверть наступившего века. Пессимисты отодвигают срок до середины века. Что касается сырьевой проблемы, то для постройки большинства объектов нанороботы будут использовать несколько самых распространенных типов атомов: углерод, водород, кремний, азот, кислород, сера, и др. в меньшем количестве.
Чтобы материалы обладали высоким качеством, они должны быть хорошо структурированы на уровне атомов и молекул. Одним из нанотех-нологических способов создания таких заданных структур является самосборка.
Самосборка широко распространена в живой природе. Структура всех тканей определяется их самосборкой из клеток, структура самих кле-
ток определяется самосборкой из отдельных молекул и т.д. Изобретение нанотрубки привело к решению этой проблемы.
Нанотрубка - это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. Она обладает необычайными свойствами. Так, например, нанотрубки в 50-100 раз прочнее стали и имеют в шесть раз меньшую плотность! Модуль Юнга - уровень сопротивления материала деформации - у нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон. Нанотрубки бывают самой разной формы: однослойные и многослойные, прямые и спиральные. Кроме того, они демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств.
Заполняя пустоты в нанотрубках различными веществами ("интерка-ляция", т.е. внедрение) можно качественно изменить электрические свойства материалов (даже превратить изолятор в сверхпроводник), а также повлиять на другие свойства изделия.
Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники. На их основе изготовлены новые элементы для компьютеров. Эти элементы обеспечивают уменьшение устройств по сравнению с кремниевыми на несколько порядков. Нанотрубки в наноэлектронике применяются для создания полупроводниковых гетеро-структур, т.е. структур типа "металл-полупроводник" или стык двух разных полупроводников (нанотранзисторы). Перспективы их использования многообразны и широко представлены в публикациях.
Таким образом, традиционного инструментария и технических средств в нанотехнологиях нет, а следовательно, меняется вся организация инструментального и обслуживающего хозяйства предприятия, информационная система и пр.
Необходимость коренных изменений в деятельности предприятия, связанных с переходом от традиционных технологий к нанотехнологиям, можно проиллюстрировать на частном примере, сравнив вышесказанное (оборудование, инструментарий, сырье и пр. при ННТ) с существующей организацией выполнения заказа на продукты инструментального производства на машиностроительном предприятии при "объемных" технологиях, приведенной на рис. 1.
Соответственно, при "объемных" технологиях предприятия могут использовать различные информационные системы, такие как "SyteLine ERP", "LogyCom ASTRUM", "1С:Предприятие 8.0. Управление производственным предприятием", системы автоматизированного проектирования "AutoCad", "P-Cad", "Компас 3D", "T-Flex", "SolidWorks" и пр.
Заказы
Технологический отдел
Цех - заказчик
j____Информация
_I_
Бюро технического контроля
Рис. 1. Существующая структура выполнения заказа инструментального производства
на машиностроительном предприятии.
Но в общем виде схема потоков информации комплекса инструментального обслуживания при использовании традиционных технологий на машиностроительном предприятии представлена на рис. 2.
Разработка наносистем требует мощного математического аппарата и компьютерного моделирования. Уже созданы соответствующие программы и идут работы в этом направлении.
Существуют несколько основных типов математического моделирования в нанотехнологии:
- визуализационное, позволяющее рассмотреть наноструктуру, увидеть химические элементы, связи и группы и экспортировать результаты в графический файл. Примером может служить программа RasMol;
- вычислительное моделирование, использующее математическое моделирование методами квантовой механики, молекулярной динамики и различные статистические подходы. С их помощью можно увидеть не только трехмерную модель объекта, но и его поведение при воздействии температуры, электромагнитных полей, гамма-квантов, и др. Одна из существующих программ - Chem3D;
- инженерное моделирование, помогающее нанотехнологу создавать наносистемы, которые затем можно испытать, подвергая различным тестам. Примером может служить иерархический язык описания наноструктур nanoML (на основе языка XML), разработанный компанией NanoTitan. Он позволяет описать наносистему на молекулярном уровне, а также опре-
делить ее основные электрические, оптические, физические свойства, информацию о применении, авторских правах изобретателя и др.
Рис. 2. Схема потоков информации комплекса инструментального обслуживания при использовании традиционных технологий.
В настоящее время уже разработано и внедрено большое количество альтернативных способов массового производства наноструктур. К ним относятся: электроосаждение, мягкая и перьевая нанолитография, биосинтез и пр. Но массовое производство нанопродуктов с использованием сканирующих микроскопов и пр. проблематично. В то же время, предлагаются различные проекты нанофабрики для производства различных предметов, в том числе, на базе конвергентной и параллельной наносборки.
Прогнозируется, что промышленная установка нанофабрики будет
17
весить всего 1 грамм, обладать более 10 наноманипуляторами, дающими возможность производить запрограммированную продукцию в требуемом объеме.
Ключевым устройством нанофабрики станут фабрикаторы, представляющие собой управляемые наноустройства, способные комбинировать атомы друг с другом. По сути - это те же наноманипуляторы, связанные с компьютером и линией доставки сырья. Нанофабрике вследствие ее высокой мощности потребуется соответствующая система охлаждения, а также система связи с центральным компьютером и система транспортировки готовой продукции. К нанофабрике будут присоединены баллоны с сырьем (молекулами и атомами) и охладители, а также интерфейс для проектирования продукта. Такая фабрика будет полностью автоматизирована, соединена с персональным компьютером, образуя производственный комплекс. С появлением таких комплексов производственный процесс сведется к разработке самого продукта или скачиванию его чертежей из Интернета.
Таким образом, реинжиниринг предприятия при переходе на ННТ потребует радикальной перестройки, перепроектирования и внедрения организационно-технологических и структурных изменений производственных и обслуживающих систем с целью улучшения главных показателей деятельности предприятия.
В зависимости от возможностей предприятия может осуществляться поэтапный переход от совокупности локальных решений к интегрированным (встроенным инновационным решениям с гибким принципом организации на основе адаптивных сетевых и матричных структур), а в итоге - к совокупным интегрированным инновационным системам, организованным как иерархия систем адаптивного горизонтального типа, обеспечивающих, по мнению специалистов, максимальную эффективность.
Освоение нанотехнологий на предприятии потребует осуществления:
- технологического реинжиниринга (в том числе, разработку или куплю-продажу технологий, патентов, ноу-хау и пр.);
- организационный (организационно-производственный) реинжиниринг (функционально-структурное перепроектирование предприятия, его процессов и структур);
- реинжиниринг бизнес-процессов (в том числе процедур планирования и контроля, политики финансирования, распределения, взаимодействия, структуры подчинения, областей полномочий и ответственности и др.).
В случае перехода на ННТ и производства качественно новой продукции предприятие не просто будет адаптировано к требованиям научно-технического прогресса и времени, но и начнет активно влиять на внешнюю среду за счет высоких конкурентных преимуществ на основе ННТ, инновационной монополии, экспансии на новые рынки.
Состояние российских предприятий машиностроения на современном этапе не позволяет осуществить кардинальный комплексный скачкообразный переход на новые высокие технологии, включая ННТ, и полно-
стью использовать комплексный реинжиниринг. Поэтому считаем целесообразным на данном этапе развития использовать мероприятия организационно-технологического реинжиниринга, основанного на структурных инновационных инвестиционных проектах освоения и внедрения ННТ, по-требующих, в первую очередь:
- определение масштаба изменений и конечных целей проекта на основе использования функционально-стоимостного, функционально-структурного, матричного, инновационного, информационного, инвестиционного анализа и т.д.;
- проектирование новых производственных процессов на основе применения ННТ;
- совершенствование организационных структур и технико-организационного уровня производства, формирование технического, ресурсного, научного, кадрового компонентов производственных систем;
- проектирование инфраструктуры и технико-экономического окружения новой производственной системы;
- разработку методов оптимизации и моделей вариантов производственных и деловых процессов;
- обеспечение ресурсами реинжиниринговых мероприятий, в том числе, определение источников и методов их финансирования.
При организации, проектировании, финансировании мероприятий реинжиниринга, связанного с ННТ, необходим целевой программный или проектный подход, что вытекает из самой сущности реинжиниринга.
Таким образом, рассматривать проблемы реинжиниринга производства при переходе к нанотехнологиям - это значит учитывать его необходимость и все факторы, на него влияющие, работать на опережение, чтобы быть готовым к новым требованиям научно-технической революции.
Литература
1. Путин В.В. Послание президента РФ Федеральному собранию 2007. www.kreml.org.
2. Концепция долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации до 2020 г.
3. Нанотехнология - история. http://www.natech.info. 2007.
4. Оликевич А. Прецизионное и метрологическое оборудование для нанотехнологий. http://www.nanonewsnet.ru/articles/2007.
5. Свириденко Ю. Прогноз развития нанотехнологий с 2003 по 2050 гг. http://www.nanonewsnet.ru/articles/2007.
6. Обзор проекта нанофабрики Криса Феникса, директора CRN по разработкам. http://www.nanonewsnet.ru/articles/2007.
7. Гринберг А.С., Горбачев Н.Н., Бондаренко А.С. Информационные технологии управления: Учеб. пособие для вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004.
8. Медынский В.Г., Ильдеменов С.В. Реинжиниринг инновационного предпринимательства: Учебное пособие для вузов / Под ред. В. А. Ирикова. М.: ЮНИТИ, 1999.
9. Оголева Л.Н. Реинжиниринг производства: Учебное пособие. М.: КНОРУС, 2005.
10. Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. Большое в малом. www.nanonewsnet.ru. 2007.
11. Свириденко Ю. Математическое моделирование в нанотехноло-гиях с помощью программы ш^Хр^те^ www.nanonewsnet.ru. 2007.
12. Механоэлектрические микро- и нанорепликаторы и экспоненциальное производство. www.foresight.org/Conferences/MNT8/Papers. 2006.
