Suwerenność technologiczna jest dziś bezpośrednim synonimem bezpieczeństwa narodowego. We współczesnym świecie zdolność narodu do samodzielnego projektowania, produkowania i zabezpieczania kluczowych technologii definiuje jego siłę, odporność i niezależność. Historia suwerenności technologicznej Stanów Zjednoczonych Ameryki jest w dużej mierze spleciona z rozwojem technologii półprzewodnikowych. Pobudzone pilnością Zimnej Wojny i "wyścigu kosmicznego", amerykańskie inwestycje doprowadziły do wynalezienia układu scalonego (IC) i technologii CMOS (komplementarny metal-tlenek-półprzewodnik) pod koniec lat 50. i na początku lat 60. XX wieku. To położyło fundamenty pod elektronikę o niskim poborze mocy i wysokiej gęstości. To, co nastąpiło później, było niczym innym jak transformacją całego społeczeństwa – od pierwszych wielkich komputerów po dzisiejsze zaawansowane systemy obronne, infrastrukturę cybernetyczną, opiekę zdrowotną i biotechnologię, każdy sektor, który chroni, podtrzymuje i ulepsza ludzkie życie, opiera się teraz na mocy obliczeniowej.

W miarę jak świat zmierza ku erze, która przekracza ograniczenia tradycyjnej technologii CMOS, produkcja w warunkach mikrograwitacji jawi się jako kluczowy motor dla nowych paradygmatów obliczeniowych. Należą do nich obliczenia kwantowe, które wykorzystują zasady mechaniki kwantowej, oraz obliczenia neuromorficzne, które naśladują strukturę i funkcję ludzkiego mózgu. Aby pójść naprzód na tej nowej granicy, Stany Zjednoczone muszą ponownie objąć wiodącą rolę. Tym razem następny wielki skok dokonuje się poza granicami Ziemi.

Korzenie rewolucji cyfrowej: Od tranzystorów do Księżyca

Półprzewodniki pojawiły się w USA początkowo jako kluczowy atut bezpieczeństwa narodowego. W 1947 roku w sterylnych pomieszczeniach Bell Labs, William Shockley, wraz z Johnem Bardeenem i Walterem Brattainem, wynalazł tranzystor, maleńki komponent, który miał zastąpić nieporęczne i zawodne lampy próżniowe. Ten wynalazek był dopiero początkiem. Dziesięć lat później amerykańscy pionierzy, tacy jak Jack Kilby z Texas Instruments i Robert Noyce z Fairchild Semiconductor, niezależnie opracowali układ scalony, umieszczając wiele tranzystorów na jednej płytce materiału półprzewodnikowego, najczęściej krzemu. Umożliwiło to radykalną miniaturyzację komputerów i położyło podwaliny pod przewagę technologiczną nad geopolitycznymi rywalami. Te wynalazki nie tylko zrewolucjonizowały elektronikę, ale stworzyły całą nowoczesną branżę półprzewodnikową, zapoczątkowując to, co dziś znamy jako erę cyfrową.

Do 1969 roku Apollo Guidance Computer (AGC), komputer, który bezpiecznie sprowadził ludzi na Księżyc, stał się jednym z pierwszych wielkich przykładów wykorzystania układów scalonych w systemie o kluczowym znaczeniu. W tamtym czasie AGC był cudem techniki. Chociaż według dzisiejszych standardów jego moc obliczeniowa była skromna, porównywalna z pierwszą generacją komputerów domowych z końca lat 70., w tamtych czasach stanowił szczyt inżynierii. To właśnie sukces misji Apollo zademonstrował niezawodność i potencjał technologii IC, po czym nastąpiło jej szybkie przejście z wyłącznie zastosowań obronnych i lotniczych do komercyjnych – od wielkich komputerów mainframe, przez kieszonkowe kalkulatory po wczesne systemy cyfrowe. Od napędzania Apollo po umożliwianie zaawansowanych systemów komunikacyjnych i obrazowania, technologia półprzewodnikowa napędzała niemal każdy skok w nauce i bezpieczeństwie. Ten sukces nie był przypadkowy; był wynikiem spójnej wizji narodowej, która zjednoczyła przemysł, środowisko akademickie i rząd wokół wspólnego celu – innowacji dla bezpieczeństwa i dobrobytu.

Osiągnięte granice: Dlaczego Ziemia już nie wystarcza?

W ciągu ostatnich sześciu dekad to zaangażowanie w innowacje utrzymywało USA na czele rozwoju kluczowych technologii. Jednak krajobraz przywództwa technologicznego się zmienia. Produkcja układów scalonych na Ziemi zbliża się do swoich fundamentalnych granic fizycznych i ekonomicznych. Słynne prawo Moore'a, które przewiduje podwajanie liczby tranzystorów na chipie co dwa lata, zwalnia. Inżynierowie borykają się z problemami takimi jak tunelowanie kwantowe, gdzie elektrony "przechodzą" przez bariery, które powinny je zatrzymać, oraz nadmierne nagrzewanie się na coraz mniejszych i gęstszych chipach. Jednocześnie popyt na mocniejsze, bardziej energooszczędne i wyspecjalizowane chipy, takie jak te odporne na promieniowanie do zastosowań wojskowych i kosmicznych, rośnie wykładniczo. Aby utrzymać swoją przewagę, Stany Zjednoczone muszą przyjąć granicę, którą już pomogły ustanowić: badania i rozwój półprzewodników w kosmosie.

Mikrograwitacja jako nowy paradygmat: Produkcja na niskiej orbicie okołoziemskiej

Warunki mikrograwitacji na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) oferują radykalnie odmienne środowisko do badań i rozwoju półprzewodników. Zredukowane siły grawitacyjne, które powodują konwekcję i sedymentację na Ziemi, w kosmosie prawie nie istnieją. Pozwala to na znacznie bardziej jednolity wzrost kryształów, co skutkuje kryształami półprzewodnikowymi o znacznie niższej gęstości defektów i unikalnym układzie atomowym. Materiały kwantowe zachowują się w nowy sposób, umożliwiając tworzenie architektur, które są niezwykle trudne, jeśli nie niemożliwe, do odtworzenia na Ziemi. Naukowcy badali te efekty już od lat 80. XX wieku, a do wczesnych lat 2000. ustrukturyzowane badania nad półprzewodnikami były już prowadzone na misjach promu kosmicznego, a później na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS).

Narodowe Laboratorium ISS: Kuźnia przyszłych technologii

Od samego początku Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) stała się kluczową platformą do rozwijania materiałów dla komputerów nowej generacji, w tym półprzewodników. W 2011 roku utworzono Centrum na rzecz Postępu Nauki w Kosmosie (CASIS®), aby zarządzać amerykańskim Laboratorium Narodowym na ISS, z wyraźną wizją rozwoju badań i rozwoju w dziedzinach służących zarówno interesom komercyjnym, jak i narodowym. Przy wsparciu NASA, CASIS umożliwił badaczom z agencji rządowych, środowiska akademickiego i przemysłu badanie wpływu mikrograwitacji na wzrost kryształów, osadzanie cienkich warstw i właściwości splątania kwantowego. Wysiłek ten wykracza poza zwykłe badania naukowe; bezpośrednio wspiera konkurencyjność gospodarczą i odporność narodową. Nasze najbardziej zaawansowane systemy, platformy autonomiczne, bezpieczna komunikacja i czujniki nowej generacji zależą od wydajności i precyzji mikroelektroniki. W miarę rozwoju zdolności produkcyjnych w kosmosie na całym świecie, USA odgrywają kluczową rolę w postępie innowacji w materiałach i urządzeniach.

Nowy wyścig kosmiczny: Geopolityczny imperatyw innowacji

Tak jak wystrzelenie Sputnika w 1957 roku skatalizowało USA do dotarcia na Księżyc w 1969 roku, tak dzisiejsze globalne zmiany muszą pobudzić nowy "wyścig kosmiczny". Tym razem celem nie jest tylko eksploracja kosmosu, ale także produkcja przyszłości w jego wnętrzu. Narody takie jak Chiny zidentyfikowały produkcję półprzewodników w kosmosie jako strategiczny priorytet i szybko postępują w tej dziedzinie, budując własną stację kosmiczną i prowadząc odpowiednie eksperymenty. W tej rywalizacji USA pomagają kształtować przyszłość produkcji półprzewodników w kosmosie, wspierając innowacje poprzez strategiczne inwestycje i badania. Utrzymanie tego impetu będzie kluczowe dla długoterminowego przywództwa w tej dziedzinie. Obejmuje to skoordynowany wysiłek narodowy na rzecz inwestowania w orbitalną infrastrukturę B+R, wspieranie partnerstw publiczno-prywatnych i utrzymywanie platform takich jak ISS i jej następcy.

Strategiczna odpowiedź Ameryki: Od ustawy CHIPS do orbity

Patrząc w przyszłość na następne 50 lat, półprzewodniki produkowane w kosmosie prawdopodobnie odegrają kluczową rolę w bezpieczeństwie narodowym. Dobra wiadomość jest taka, że nie zaczynamy od zera. Programy realizowane przez NASA, Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności (DARPA), Narodową Fundację Nauki (NSF) i niedawną ustawę CHIPS and Science Act kładą podwaliny pod komercyjne i narodowe zastosowania produkcji w kosmosie. Ustawa CHIPS, warta setki miliardów dolarów, ma na celu ożywienie krajowej produkcji chipów i wspieranie badań podstawowych. Inicjatywy te muszą zostać rozszerzone i przyspieszone. Musimy traktować mikrograwitację nie tylko jako środowisko badawcze, ale jako rozszerzenie ekosystemu innowacji, który od zawsze wyróżniał USA. Stany Zjednoczone posiadają głębię naukową, infrastrukturę komercyjną i historyczny impet, by ponownie objąć przywództwo. To, czego teraz potrzeba, to trwały nacisk i strategiczna koordynacja. Ceną opóźnienia nie jest tylko stracona szansa; będzie to niebezpieczna słabość.

Tak jak w 1969 roku nie mogliśmy przewidzieć, że te same układy scalone używane w Apollo Guidance Computer pewnego dnia będą napędzać każdy telefon, samochód i satelitę, tak dzisiaj nie możemy w pełni przewidzieć wpływu półprzewodników umożliwionych przez mikrograwitację. Jak słynnie powiedział wynalazca William Shockley: "Wiedzieliśmy, że trzymamy nowy świat za ogon." Dziś, z przełomami w produkcji kosmicznej i obliczeniach post-CMOS na horyzoncie, znowu trzymamy nowy świat za ogon. Ludzie, którzy dziś kształtują fundamenty pod technologie obliczeniowe i produkcję w kosmosie, będą kształtować przyszłość naszego globalnego bezpieczeństwa i dobrobytu. Nadszedł czas, aby przejąć przywództwo w produkcji półprzewodników w kosmosie z tym samym duchem i determinacją co w 1969 roku.

Źródło: ISS National Laboratory