Výzkum polovodičů a čipů na VUT: Propojení fakult, výzkumu a průmyslu

V době, kdy polovodiče a čipy patří mezi strategické priority Evropské unie i České republiky, zaujímá Vysoké učení technické v Brně významnou pozici ve vzdělávání odborníků i ve výzkumu v této oblasti. Na několika fakultách a ve výzkumném centru CEITEC VUT probíhá intenzivní práce na různých aspektech polovodičových technologií.

Různé druhy čipů navržené na Ústavu mikroelektroniky na FEKT VUT. | Autor: Jakub Rozboud

„Na trhu chybí okolo tří tisíc odborníků v Česku a až padesát tisíc specialistů v rámci Evropy," upozorňuje Vilém Kledrowetz z Ústavu mikroelektroniky FEKT VUT v již dříve zveřejněném článku. „Je to pochopitelné, protože rozmach čipů je obrovský. Máme je všude kolem sebe a snahou Evropy i Ameriky je oprostit se od závislosti na Asii," dodává.

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií – výuka nové generace odborníků

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií (FEKT VUT) hraje zásadní roli v přípravě odborníků na polovodičové technologie. V reakci na aktuální potřeby průmyslu zde vznikl nový bakalářský a magisterský studijní program Návrh čipů a moderní polovodičové technologie.

Část týmu Ústavu mikroelektroniky (zleva): Lukáš Fujcik, Pavel Šteffan, Jiří Háze, sedící Vilém Kledrowetz, garant nového studijního programu Návrh čipů a moderní polovodičové technologie. | Autor: Jakub Rozboud

Vilém Kledrowetz uvedl, že nový program vychází z již existujícího programu Mikroelektronika a technologie. Vysvětlil, že tento program se vyučuje už desítky let a bylo potřeba ho značným způsobem inovovat. Byla ponechána stejná kostra v podobě povinných všeobecných předmětů, ale odborné předměty byly inovovány a doplněny.

Program se vyznačuje progresivním přístupem k výuce. Odmítá zastaralé memorování definic ve prospěch metod inspirovaných zahraničím, jako jsou kolokvia a projektová výuka. Studenti tímto způsobem mají získat vedle odborných znalostí také dovednosti v oblasti týmové spolupráce, prezentace a obhajoby nápadů.

Jaké to je studovat mikroelektroniku a že ani z čistě technických oborů není třeba mít strach, přiblížila v rozhovoru Veronika Junasová, doktorandka z FEKT VUT.

Veronika Junasová vystudovala mikroelektroniku na FEKT VUT. | Autor: Jakub Rozboud

CEITEC VUT – špičková infrastruktura pro výzkum a vzdělávání

Laboratoř CEITEC Nano, součást velké výzkumné infrastruktury CzechNanoLab, představuje na VUT klíčové centrum pro výzkum polovodičů.

“Hlavní výhoda naší laboratoře je, že poskytuje veškeré potřebné vybavení 'pod jednou střechou', jde u nás kompletně vyrobit a případně analyzovat nanostruktury, nanosoučástky a čipy v rámci jednoho přístupu," vysvětluje Michal Urbánek, vedoucí CEITEC Nano a koordinátor CzechNanoLab. „Jako národní výzkumná infrastruktura poskytujeme přístup vědcům z mnoha institucí a firem jak českých tak zahraničních."

Michal Urbánek je koordinátorem infrastruktury CzechNanoLab+ a vedoucím CEITEC Nano. | Autor: CEITEC VUT

CEITEC Nano zároveň poskytuje své čisté laboratoře a špičkové vybavení pro výuku studentů mikroelektroniky i nově vznikajícího studijního programu Návrh čipů a moderní polovodičové technologie. „Pro studenty připravujeme praktikum, během kterého si v našich laboratořích vyrábí a testují svoje vlastní polovodičové čipy," doplňuje Michal Urbánek, který v lednu 2025 převzal z rukou primátorky Brna Cenu města Brna za významný přínos v oblasti technických věd.

CEITEC VUT se soustředí primárně na základní výzkum v oblastech „beyond-CMOS", tedy na možné budoucí technologie, které by mohly nahradit či doplnit technologie používané v polovodičovém průmyslu v současné době. Význam této práce podtrhuje i sám profesor Urbánek, který se osobně věnuje výzkumu v oblasti magnoniky.

CEITEC Nano je špičkové pracoviště pro výzkum v oblasti nanověd a nanotechnologií, otevřené pro všechny výzkumné a vývojové pracovníky jak z akademického, tak ze soukromého sektoru. | Autor: CEITEC VUT

„Já osobně se ve svém výzkumu věnuji Magnonice – nové technologii, která pro přenos informací a výpočty používá magnetických vln na místo elektrického proudu. Čipy založené na této technologii mohou být energeticky úspornější, protože se nezahřívají průchodem elektrického proudu, což je velký limit současných procesorů. Jde z velké části o základní výzkum, kde objevujeme a prozkoumáváme zcela nové fyzikální jevy, a mě baví dívat se do neznáma a posunovat hranice lidského poznání," říká Michal Urbánek.

Fakulta strojního inženýrství – dlouhá tradice spolupráce s průmyslem

Na Fakultě strojního inženýrství (FSI VUT) má výzkum polovodičů dlouhou tradici, zejména na Ústavu fyzikálního inženýrství (ÚFI). Jak uvádí Miroslav Kolíbal, tým ÚFI spolupracuje s polovodičovým průmyslem již přes 25 let.

„V Brně před rokem 1989 existovaly týmy, které se zabývaly technologiemi souvisejícími s polovodičovou výrobou. Tomáš Šikola po příchodu na Ústav fyzikálního inženýrství FSI z Tesly Brno inicioval výzkum a zejména instrumentální vývoj i v tomto směru. Přirozeným partnerem byla Tesla Sezam a Terosil v Rožnově pod Radhoštěm, dnes mezinárodní korporace onsemi, se kterou ÚFI spolupracuje přes 25 let," vysvětluje Miroslav Kolíbal.

Důležitou součástí práce ÚFI je také vzdělávání budoucích odborníků prostřednictvím studijního programu Fyzikální inženýrství a nanotechnologie. „Ze spolupráce s firmami, z projektů a snadné dostupnosti experimentálních zařízení těží zejména studenti studijního programu Fyzikální inženýrství a nanotechnologie na ÚFI," doplňuje profesor Kolíbal. „Studijní program nabízí předměty i v oblastech polovodičových technologií – ať už základy fyziky polovodičů, tak technologií používaných v polovodičové výrobě."

Tomáš Šikola, ředitel Ústavu fyzikálního inženýrství na FSI VUT a zároveň vedoucí výzkumné skupiny Příprava a charakterizace nanostruktur na CEITEC VUT. | Autor: Emil Gallik

„Na ÚFI každoročně v programu Fyzikální inženýrství promuje cca 25 studentů, kteří na pracovním trhu zmizí téměř okamžitě. Kapacitní navýšení tohoto a podobných programů na VUT je tak velkou výzvou, volající po zvýšené podpoře relevantních studijních programů, jejich materiálového a personálního zabezpečení," uvádí Tomáš Šikola, ředitel Ústavu fyzikálního inženýrství na FSI VUT a zároveň vedoucí výzkumné skupiny Příprava a charakterizace nanostruktur na CEITEC VUT.

„ÚFI se bude rovněž podílet na výuce nového studijního programu Návrhy čipů a moderní polovodičové technologie. Předměty zabezpečované ÚFI umožní studentům lepší porozumění fyzikálních principů technologie, charakterizace a funkčních vlastností polovodičů a jejich součástek," upřesňuje profesor Šikola zapojení FSI VUT do tohoto mezifakultního projektu.

Fakulta informačních technologií – zpracování komplexity

Svůj příspěvek k vývoji čipů přináší i Fakulta informačních technologií VUT (FIT VUT), která se zaměřuje především na vyšší úrovně abstrakce při návrhu čipů.

„Misí FITu v oblasti polovodičových technologií je hlavně vyrovnat se s komplexitou současných čipů. Není v silách žádného člověka, aby dokázal zvládnout sám tak složité struktury navrhovat, verifikovat, diagnostikovat," vysvětluje Richard Růžička, proděkan pro magisterské studium na FIT VUT. „Role FIT je zejména na vyšších úrovních abstrakce, než jsou jednotlivé tranzistory na čipu. Právě v tomto směru přispívá i naše fakulta do studijního programu Návrh čipů a moderní polovodičové technologie, který se otevírá na FEKT."

Na FIT VUT působí několik výzkumných skupin, jejichž výsledky lze přímo na čipech uplatnit. Mezi nejvýznamnější patří Výzkumná skupina Evolvable Hardware, Výzkumná skupina Spolehlivé číslicové systémy a Výzkumná skupina akcelerovaných síťových technologií. Tyto skupiny se zabývají například vývojem vysoce optimalizovaného hardwaru, návrhem a realizací moderních číslicových systémů s důrazem na spolehlivost a bezpečnost nebo hardwarovou akcelerací zařízení a systémů pro monitorování sítí.

Univerzitní spin-off DYNANIC pocházející z FIT VUT vyvinul technologii, která umožňuje efektivně využívat programovatelné čipy. | Autor: Archiv DYNANIC

FIT VUT také dosahuje skvělých výsledků v oblasti vývoje superrychlých čipových karet založených na technologii FPGA. Tuto technologii přivezl před více než dvaceti lety do Brna dnes již docent Otto Fučík z FIT VUT ze své stáže v USA. Položil tak základy úspěšného ekosystému, na kterém se podařilo vybudovat významné počiny a přitáhnout k nim pozornost největších technologických gigantů.

Mezifakultní spolupráce a propojení s průmyslem

Klíčovým aspektem rozvoje polovodičových technologií na VUT je propojení mezi fakultami i s průmyslovými partnery.

Do výuky se zapojují odborníci jak z různých fakult VUT, z CEITEC VUT, tak z průmyslové sféry. „Některé předměty budou přednášet specialisté z firem. Na výuce se budou podílet například zaměstnanci z Thermo Fisher Scientific, onsemi či Codasipu. Studenti tak získají poznatky přímo z praxe i od univerzitních expertů z různých oblastí, a zároveň mají firmy možnost sledovat práci studentů a případně je oslovit s nabídkou zaměstnání,” dodává Vilém Kledrowetz.

Profesor Šikola zdůrazňuje potřebu dalšího prohloubení této spolupráce: „Interdisciplinární charakter nutného vzdělání v těchto high-tech oblastech (ÚFI - zejména materiálový výzkum a vývoj instrumentace, FEKT VUT - návrh čipů) volá po vytvoření mnohem významnější, sjednocené platformy."

Mezinárodní spolupráce a příležitosti pro studenty

VUT je také členem Czech National Semiconductor Cluster – sdružení firem, výzkumných organizací a vysokých škol v oblasti moderních polovodičů. To otevírá studentům další možnosti.

„Díky tomu mají naši studenti obrovské možnosti cestovat na různá zahraniční pracoviště. V lednu tak například odjelo šest našich doktorandů na Tchaj-wan, kde se budou učit, jak implementovat umělou inteligenci na čip nebo o kybernetické bezpečnosti v rámci čipů," uzavírá Vilém Kledrowetz.

Vysoké učení technické v Brně tak představuje komplexní ekosystém pro výzkum a vývoj v oblasti polovodičů a čipů, který propojuje špičkové laboratoře, kvalitní vzdělávání a spolupráci s průmyslem. V době, kdy Evropa usiluje o posílení své pozice v polovodičovém průmyslu, je role VUT v přípravě odborníků a ve výzkumu nových technologií velmi významná.