Перспективы развития микроэлектроники кратко

Обновлено: 04.07.2024

По российской индустрии эти ограничения ударят довольно сильно, в то время как для Intel, AMD и TSMC последствия будут незначительными, говорят аналитики, так как доля России в мировом объеме продаж микрочипов — 0,1%.

История вопроса

Незаменимая TSMC

В условиях санкций Россия может пока покупать чипы у Китая, однако, учитывая глобальный дефицит микроэлектроники, КНР сможет в ближайшее время поставить в Россию только микросхемы относительно низкого класса, так на передовые продукты очередь от 20 до 52 недель. Приостановка сотрудничества с тайваньским производителем замедлит развитие отечественной индустрии. Кроме того, большинство альтернативных поставщиков так или иначе используют американские технологии при производстве, что будет вынуждать фабрики отказывать российским компаниям в заключении контрактов.

Если Россия и захочет в условиях санкций заняться изготовлением передовых микрочипов на своей территории, этот процесс, вероятно, займет десятилетия. Даже США, которые боятся экспортной зависимости от ключевых технологий пока не могут эффективно перенести сборочные линии передовых процессоров на свою территорию, так как это может привести к падению качества из-за сложной многоэтапной системы производства (последняя доходит до 1500 шагов), пишет The Time.

Несмотря на желание российских чиновников покупать высокотехнологичную продукцию в КНР, китайские производители не смогут быстро перестроить цепочки и оперативно начать поставки российской оборонной промышленности. В Китае, как и в США, уже давно рассматривают зависимость от импорта микросхем как серьезную угрозу национальной безопасности, а за последние пять лет страна добилась больших успехов в импортозамещении и разработке собственных продуктов.

Тем не менее сам потенциал китайской отрасли остается низким по сравнению с американской, так как большинство передовых решений и технологий по производству микроэлектроники находятся под экспортным контролем Соединенных Штатов, что заметно ограничивает темп развития национальной промышленности КНР. Благодаря государственной поддержке и стимулам высокотехнологичная промышленность Китая растет большими темпами, но мировая доля страны в экспорте микросхем остается незначительной. Но ограничения, наложенные на Россию с целью перекрыть ей доступ к глобальному рынку высоких технологий, еще больше ускорят стремление Китая к самостоятельности в полупроводниковой промышленности, о чем уже говорят китайские эксперты.

Чем это грозит

SMIC вряд ли откажет российским компаниям в размещении заказов на их производственных мощностях по политическим причинам, но с китайской компанией все не так просто. Хотя SMIC сама находится под санкциями с 2020 года, ряд американских компаний, например Lam Research, Entegris Inc., Qualcomm Inc. и Applied Materials Inc., с разрешения Бюро промышленности и безопасности США сотрудничают с китайским производителем и предоставляют ему технологии для изготовления микроэлектроники. То есть при желании Соединенные Штаты могут запретить SMIC поставлять компоненты в Россию.

Списки микросхем, подлежащих замещению путем закупки в Китае, сейчас засекречены. Оценить масштабы проблемы, с которой столкнется российская промышленность, можно только в общих чертах. Так, усилия по импортозамещению с 2014 года частично увенчались успехом, хотя за них пришлось заплатить снижением объема высокотехнологичного экспорта (в первую очередь оборонного).

Также экспортные ограничения могут ударить и по развитию гражданской авиации в России, вероятно, поставив под вопрос успех программ производства российских пассажирских самолетов Sukhoi Superjet 100 и МС-21. Если раньше поставки западной электроники для российских гражданских самолетов были под большим вопросом, то в свете нынешних санкций сотрудничество в области гражданской авиации с США и странами ЕС выглядит нереалистичным.

Однако государственные органы (в первую очередь силовые) в основном опираются на чипы более старых поколений, которые Россия частично может производить сама и закупать у других стран. Во всяком случае, пока Китай, который сам страдает от санкций со стороны США, будет в этом заинтересован.

Действительно, все былые громкие заявления о прорывах типа планшетов от Роснано, ё-мобилей от Прохорова и йота-фонов от Йоты сошли на нет. Всё, хоть чем-то похожее на микроэлектронику, оказывалось китайской поделкой. Выделяемые деньги на различные проекты в сфере IT выливались после реализации этих проектов в какое-то никому не нужное недоразумение типа поисковых систем Спутник и т.п.. Отсюда и логичные утверждения о том, что все выделяемые на микроэлектронику деньги всё равно попилят и опять ничего не будет.

Часть общества считает, что для поднятия микроэлектроники просто надо выделять на неё реально большие деньги, а другая — что выделять не надо, потому что всё равно всё попилят. Со всем спектром мнений на этот счёт вы можете ознакомиться в комментариях к этой статье :-)))

В общем, консенсуса в обществе не было и нет.

Кстати, распил распилу рознь. Распилом до кучи часто называют просто недостаточно эффективное использование средств. В результате деньги потрачены неэффективно, но какой-то выхлоп всё же есть и какие-никакие компетенции по теме всё же получены. Поэтому в таких случаях нельзя сказать, что эффекта нет совсем. Поэтому, давайте не будем бросаться словами и называть всё, что только можно, распилом.

Одновременно нужно менять внешние условия для разработчиков и производителей, которые сталкиваются с неподъёмной конкуренцией с уже раскрученным до предела производителями зарубежной микроэлектроники. Например, стимулировать спрос внутри страны государственными субсидиями и госзакупками.

Предпосылки перемен. Послание Президента 2018.

Помимо демонстрации вооружений, президент заявил также о важности внедрения цифровых технологий в экономику , о необходимости создания собственных цифровых платформ , совместимых с глобальным информационным пространством, о возможностях внедрения сетей передачи данных пятого поколения , о центрах хранения, обработки, передачи и надёжной защиты информационных массивов, так называемых больших данных . и т.п. А всё это имело смысл совместить с развитием собственной микроэлектроники, чтобы потраченные на оборудование деньги по-максимуму остались внутри собственной экономики.

Начало изменений. Продавливание МВФ.

Я раньше не понимал, почему государство не вкладывает огромные накопленные резервы в собственную науку, технологии и промышленность. Ведь только производя самостоятельно можно сократить траты на покупку извне, а в своём пределе и зарабатывать, продавая готовый продукт вовне! Но события последнего времени внесли для меня ясность, расставив всё по своим местам.

Многие считают, что виной всему коррупция чиновников. Но это, ребятки, ширма, за которой прячется главная беда России — несуверенность её финансовой системы. Россия банально несуверенна. Она не может по своему усмотрению распоряжаться собственными деньгами (например, накопленными в ФНБ, Фонде Национального Благосостояния). Ими управляет МВФ (Международный Валютный Фонд) и успешность нашего технологического и промышленного развития в первую очередь зависит от того, насколько сильно мы сможем его прогнуть.

Ещё в мае 2019-го года МВФ заявлял:

Официальным органам рекомендуется воздерживаться от квазибюджетных операций со средствами ФНБ, а следует продолжать инвестировать их в качественные иностранные активы (даже после достижения ликвидной части фонда 7% ВВП), чтобы сберечь ресурсы для будущих поколений и избежать процикличности.

Другими словами, нам было открытым текстом велено продолжать инвестировать в иностранные активы! Руководитель миссии МВФ Джеймс Роаф прямо заявил (извините за непричёсанный перевод):

Возникает вопрос, что будет происходить после достижения уровня в 7% ВВП. Мы видим какие-то аргументы, которые могут оправдать и то, что эти средства по превышении этого уровня могут инвестироваться в более долгосрочные активы какие-то за рубежом. Вряд ли имело бы смысл это инвестировать во внутреннюю экономику. Необходимо сберегать эти средства, может быть, вкладывая в зарубежные активы.

То есть, они не краснея велят нам тратить свои средства на развитие иностранных экономик и, видите ли, не видит смысла инвестировать в собственную экономику ! Честно говоря, когда я об этом прочитал, я поперхнулся от их наглости.

Но, видимо, во второй половине 2019-го года начало что-то происходить, и под давлением неких неизвестных мне обстоятельств уже в ноябре 2019-го года позиция МВФ была немного скорректирована. МВФ по-прежнему за инвестирование в зарубежные активы, но уже мимоходом допускает и другие варианты :

Бюджетное правило, в соответствии с которым нефтяные сверхдоходы автоматически инвестировались в зарубежные активы через ФНБ, успешно справлялось с задачей накопления национального богатства и защиты экономики от колебаний цен на нефть, что способствовало росту ненефтегазовой экономики. Чтобы сохранить этот положительный эффект, средства ФНБ следует продолжать инвестировать в зарубежные активы и после достижения ликвидной частью фонда порога в 7% ВВП. Любое использование ресурсов ФНБ внутри страны должно быть ограничено жесткими лимитами и строгими правилами управления фондом, обеспечивающими эффективный отбор проектов и рыночную доходность вложений.

То есть, появилась небольшая слабинка, хотя и с оговоркой того, что любое инвестирование в собственную экономику должно быть ограничено жёсткими лимитами и строгими правилами. Но упоминание про жёсткие правила выглядит уже на этом фоне, как просто попытка сохранить лицо.

Назначение Мишустина.

Если раньше я ещё сомневался, что первично, Мишустин или решение о смене финансовой политики, о котором я скажу чуть позже, то теперь всё больше убеждаюсь, что первично было всё же решение о смене политики, и специально под неё уже в январе 2020-го года поставили Мишустина, как человека, готового в этой новой реальности работать наиболее эффективно.

Тут же была утверждена Стратегия развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года . Довольно интересное чтиво, советую найти и почитать.

Пандемия короновируса, конечно, сильно смазала планы страны. Она отвлекла на себя и внимание и финансы. Но то, с какой лёгкостью прижимистый в лучших традициях Кудрина Силуанов расставался теперь с деньгами удивляла.

Неудивительно, что пики заболеваемости Россия прошла экономически, в целом, относительно неплохо. А кое-какой крупный бизнес даже неплохо наварился, о чём не так давно с неудовольствием высказывался даже Путин.

Покупка Сбера.

Не знаю, стоит ли эта странная сделка в одном ряду с предыдущим событием, но в апреле 2020-го года государство внезапно выкупило контрольный пакет акций крупнейшего банка России — Сбера, чьи активы двухкратно превышают активы ближайшего банка-конкурента, ВТБ. Покупка была произведена у Центробанка России с туманными формулировками о неких конфликтах интересов, которые раньше почему-то никого не смущали.

Про эту сделку много чего говорили, и что государство по факту зачем-то перекладывает деньги из одного кармана в другой, и что государство выкупило крупнейший банк у несуверенного Центрабанка, подчиняющегося МВФ, и т.п. Но факт остаётся фактом — пошла какая-то движуха в верхних эшелонах финансовой сферы.

Отказ от доллара

В июне 2021 года, то есть, прямо сейчас, Минфин меняет структуру ФНБ, обнуляя долю доллара. Ничего себе. Доллары заменяют вложениями в евро, золото и юань, которые увеличат на пять процентов каждое. Таким образом, доля евро составит 40 процентов, юаня — 30, золота — 20, а британского фунта и японской иены — по пять процентов.

Постановления Правительства

Стратегия развития электронной промышленности не вышла сама по себе. Документ с подобным названием выпускался и при премьере Медведеве, но был экстренно заменён не дожидаясь срока планирования до 2025 года. Это было сделано в соответствии с поручением президента России по результатам проверки исполнения законодательства и решений президента, направленных на развитие электронной промышленности и электронной компонентной базы, от 21 июня 2019 года.

В отличие от предыдущей стратегии, новая стала подкрепляться большим количеством новых Постановлений Правительства, а также существенными изменениями в старых, призванных довольно жёстко стимулировать спрос на российскую продукцию а также дающих возможность получения субсидий на НИОКР на средства производства до 90% (ПП2136), на НИОКР электронной компонентной базы и модулей на её основе до 90%, на разработку радиоэлектронного оборудования до 70% (ПП109).

Кроме того, теперь государство оплачивает до 50% затрат на внедрение решений на базе отечественных процессоров. То есть, напополам с государством (такого я ещё не припомню) финансируются компании, которые будут соединять потребителя, производителя оборудования, производителя процессора для этого оборудования и производителя программного обеспечения для этого оборудования. Которые будут собирать статистику по спросу и формулировать потребности рынка, формировать конечный заказ, каким именно должен быть процессор, чтобы его лучше продавать.

В общей сложности на всю микроэлектронику на 3 года выделяется 279 млрд рублей .

Смена формы финансирования

Если ранее государство точечно финансировало разработку и производство, скажем, процессоров, выступая в роли их прямого и конечного заказчика, то с 2021-го года принято решение коммерциализировать его разработку и выпуск. Теперь государство является заказчиком конечного оборудования — серверов, рабочих станций и т.п. на базе отечественных процессоров.

Смысл — максимально эффективно профинансировать всю цепочку производителей, по-максимуму исключив себя из мелких коммерческих взаимоотношений, сузив тем самым поле для распила. Выделяется сумма — будьте добры поставить готовый продукт. За эффективность вложений теперь борется сам бизнес, чтобы максимизировать свою прибыль, которую затем можно будет вложить в разработку нового оборудования с целью остаться на плаву и смочь произвести уже следующий заказ.

Построенная на этих принципах модель поможет производственному бизнесу раскрутиться, увеличить серийность выпускаемой продукции, снизить её себестоимость и в перспективе постепенно выйти на коммерческий гражданский рынок.

Что происходит уже сейчас

Скептики ругаются, что во всех своих статьях я пишу только о будущем. Типа, так же всегда писали и до этого, но в итоге ничего не осуществлялось. Так в чём же отличие моих статей от других?

То, что читали скептики — это журналистские восторги по поводу каких-то отдельных громких высказываний чиновников и руководителей и обмусоливание их слов на голом месте. До 2020-го года другого и не было. Было слишком мало объективных предпосылок для того, чтобы можно было надеяться, что процесс действительно пошёл. Не было базы, не было серьёзной масштабной государственной поддержки. Были точечные вливания в виде финансирования Сколково, которые мало к чему привели.

Начиная с 2020-го года уже стали видны серьёзные намерения властей решить, наконец, вопрос с микроэлектроникой. Достала, она, видимо всех вконец. В этот раз написана не только Стратегия , и не только ужесточены старые и написаны новые Постановления Правительства , но и стала видна реальная массированная работа по продавливанию задуманного.

Кроме того, создаётся множество т.н. дизайн-центров и центров коллективного проектирования для разработки микроэлектроники. К 2024 г. (да, я опять о будущем, но ведь не на пустом месте) благодаря им планируется подготовить около шести тысяч высококвалифицированных специалистов отрасли. Планируется организовать не менее 300 таких центров по всей стране. Поскольку часть таких центров уже есть , то будут появляться и другие, не сомневайтесь. Даже если их будет меньше, а квалификация подготовленных там специалистов будет не топовой, выхлоп от этого всё равно будет. Это уже не точечные эксперименты, это осмысленная массовая политика.

Конечно, рано ещё говорить о конкурентоспособной серийной продукции в то время, когда её ещё нет или есть только малая её часть. Мы стоим у истоков, всё только зарождается. Со времени смены промышленной политики по микроэлектронике прошёл только 1 год .

Но уже сегодня просматриваются конкретные результаты вышеописанных действий властей. Растёт количество коммерческих компаний, уже занимающихся разработкой компьютеров на процессорах Эльбрус и Байкал. Расширяются линейки разрабатываемой и производимой продукции.

Так, недавно я уже писал об одной такой компании , которая приступила к проектированию гражданского ноутбука на процессоре Эльбрус 2С3 . До этого её продукция ограничивалась серверами на процессорах Эльбрус предыдущего поколения. Скорее всего и другие компании начали разработку устройств под новую линейку процессоров, в том числе и ноутбуков, просто утечек от них пока не было.

О том, что власти не оставят в покое этот вопрос и не пустят его на самотёк, говорят также и кадровые решения. Так, в Минцифре сейчас создаётся новый департамент . Ранее вопросы развития микроэлектронной промышленности находились только в ведении Минпромторга, а вопросы развития IT-сферы контролировал Минцифры. Новый департамент позволит решать проблемы индустрии комплексно.

Но без жёстких мер, например, при премьере Медведеве, ничего не получилось кроме точечных пробных вещей типа ЦОДа паспортно-визовой службы, работающего на Эльбрусах с 2017-го года. Поэтому только жёсткая принудиловка и допиливание ПО и железа на ходу. В других условиях это всё просто будет допиливаться десятилетиями. А в жёстких условиях мобилизации и оборудование и ПО достигнет мирового уровня уже в течение нескольких лет. Думаю, через 3-4 года уже можно будет получить удовлетворительный результат.

Заключение

Итак, вкратце перечислю последовательность событий, заставляющую серьёзно задуматься о происходящим. И касается это, очевидно, не только микроэлектроники.

К чему всё это приведёт? Реальный выхлоп ждём к 2024-му году.

На сегодня всё. Удачи вам, и не кашляйте. Ставьте лайк, если статья понравилась. Пишите своё мнение в комментариях и подписывайтесь на канал. Удачи! :-)

Стороны обсудили текущий процесс перехода оборудования и ПО в госструктурах и компаниях на импортонезависимые отечественные программно-аппаратные решения. Представители правительства в курсе, что сейчас этот процесс идет медленно и только в отдельных сегментах рынка, что недостаточно для полноценной миграции на отечественные разработки. Они пообещали со своей стороны форсировать перевод оборудования на отечественные решения во многих отраслях, включая промышленность и финансы.

В рамках конференции Минцифры и Минпромторг договорились с производителями электроники и разработчиками программного обеспечения, что они представят в ведомства свои конкретные предложения по дальнейшему развитию отечественной электронной промышленности. Эти меры после обсуждения будут внесены в новый национальный проект в сфере радиоэлектроники. Основные направления многомиллиардной господдержки по этому нацпроекту будут направлены на разработку и производство отечественного компьютерного оборудования для корпоративного и домашнего использования, навигационных приборов, медицинской электроники, интеллектуальных транспортных систем, программно-аппаратных комплексов в сфере искусственного интеллекта и больших данных.

Сейчас в нашей стране нет современных фабрик для производства монокристаллов GaAs и Ge, из которых делают пластины для производства микросхем. Эти пластины завозят из США и Европы. Минпромторг в конце сентября 2021 года выделил 1,2 млрд рублей на проведение опытно-конструкторской работы для разработки документации и изготовления опытного образца установки для выращивания монокристаллов арсенида галлия и германия (GaAs и Ge) диаметром 100 и 150 мм. В Минпромторге планируют получить опытный образец в 2025 году и с 2026 года начать внедрение установки в промышленную эксплуатацию. По мнению ведомства собственная установка для выращивания двух типов монокристаллов позволит снизить зависимость отрасли от иностранных поставщиков.

11 февраля СМИ сообщили, что Минцифры и Минпромторг обсудят с российскими производителями электроники риски введения технологических санкций против отечественной полупроводниковой отрасли, например, в части ограничения поставок готовой электроники, заказанных ранее на Тайване чипов и запрета на покупку оборудования для фабричного производства микросхем внутри страны, включая современные фотолитографические установки ASML и Applied Materials.

10 февраля СМИ рассказали, что администрация США призвала производителей микросхем готовиться к перебоям с поставками ключевых материалов для их изготовления из России — искать новых продавцов и диверсифицировать текущие цепочки поставок. Это произошло после того, как группа Techcet опубликовала отчет, в котором была обозначена зависимость многих производителей полупроводников от большого количества чистых химических материалов российского и украинского происхождения, включая палладий, гелий, неон, фтор и скандий.

Стоит отметить, что в американской статье российская микроэлектроника вообще не упоминается, при том что перспективам ее развития в других странах уделено много внимания, что и понятно: доля российской электроники в мировом производстве составляет какие-то доли процента. А ведь Советский Союз был второй или третьей микроэлектронной державой мира и единственной страной, выпускавшей практически всю номенклатуру изделий микроэлектроники и оборудования, необходимого для ее производства.

К сожалению, приходится констатировать, что в России в течение тридцати лет, прошедших после развала Советского Союза, практически никакого внимания микроэлектронике не уделялось

В начале статьи Эзелл отмечает, что полупроводниковая промышленность — одна из самых важных на сегодняшний день отраслей экономики, которая поддерживает современный цифровой мир и стимулирует инновации и производительность практически во всех остальных секторах экономики. Существует легенда, что примерно те же аргументы приводили Дэн Сяопину японские предприниматели, у которых он поинтересовался, какую отрасль промышленности Китаю стоит развивать в первую очередь. К сожалению, приходится констатировать, что в России в течение тридцати лет, прошедших после развала Советского Союза, практически никакого внимания микроэлектронике не уделялось. Факт запущенности микроэлектроники и электронной промышленности в целом в стране в очередной раз признал и председатель правительства РФ Михаил Мишустин на встрече с руководством Государственной думы и лидерами парламентских фракций 26 октября. И правительство приняло решение поддержать микроэлектронику: в этом году принята Стратегия развития электронной промышленности до 2030 года. В ее рамках предусмотрены серьезные вложения в эту отрасль: в ближайшие два года инфраструктурные инвестиции составят 142 млрд рублей, а общие инвестиции в отрасли, связанные с микроэлектроникой, до 2024 года намечены в размере примерно 266 млрд рублей.

Стивен Эзелл (Stephen Ezell), вице президент аналитического центра The Information Technology and Innovation Foundation (ITIF)

Что предлагает Стивен Эзелл для США

Основные выводы статьи Эзелла можно свести к следующим основным пунктам.

1. Растущие расходы, сложность и масштабы, необходимые для внедрения инноваций и производства полупроводников, означают, что ни одна страна или предприятие не может действовать в одиночку. Перед лицом вызовов со стороны Китая сотрудничество в области полупроводников имеет решающее значение.

3. Некоторые страны сосредоточили свои усилия на создании своих внутренних полупроводниковых экосистем, но история успеха американской промышленности показывает, как эффективно использовать глобальные цепочки поставок для взаимной выгоды.

4. Страны, которые будут стремиться к самодостаточности в этом секторе, рискуют нанести значительный ущерб отрасли в своей стране, замедляя глобальные полупроводниковые инновации.

5. Соединенным Штатам следует увеличить финансирование совместных с их союзниками доконкурентных НИОКР и стимулы для увеличения внутреннего производства.

Обосновывая пункт 4 своих выводов, автор предлагает обратиться к сравнению путей развития микроэлектроники в США и Японии. Он напоминает, что еще в 1990-е между полупроводниковой промышленностью США и Японии был паритет с эквивалентным уровнем их доли на мировом рынке. С тех пор Соединенные Штаты (то есть предприятия со штаб-квартирой в США) сохранили около половины мирового рынка полупроводников, а доля Японии упала менее чем 10%.

Дело в том, что в 1990-е годы в этих странах, как и в СССР, производители микроэлектроники были вертикально интегрированными компаниями и включали в себя как разработку, так и производство, причем часто не только собственно ЭКБ, но и необходимого оборудования. Но с тех пор в США ситуация радикально изменилась: ключевой стала модель разделения компаний в микроэлектронике на fabless-компании, то есть те, которые занимаются только проектированием и продажей и владеют правами на свои разработки, и foundry — компании, производящие микроэлектронику. И одновременно выделилось в самостоятельную отрасль электронное машиностроение. Это, как указывает Эзелл, дало отрасли возможность распределить риски своих капитальных вложений, переложив их на производственные компании, причем в разных странах мира, позволяя им, особенно на Тайване, специализироваться на производстве, сборке, тестировании и упаковке, в то время как компании со штаб-квартирой в США в основном специализировались на проектной деятельности с более высокой добавленной стоимостью.

Принята Стратегия развития электронной промышленности до 2030 года, в рамках которой предусмотрены инфраструктурные инвестиции в размере 142 млрд рублей. Общие инвестиции в отрасли, связанные с микроэлектроникой, до 2024 года намечены в размере примерно 266 млрд рублей

В результате экосистема полупроводниковой промышленности в США из набора полностью интегрированных фирм, как это было в 1950–1970-е годы, превратилась в глобальный набор компаний, которые к 2010-м годам специализировались на отдельных видах деятельности, таких как НИОКР, проектирование, изготовление станков, компоненты, литейное производство, сборка, тестирование и упаковка.

А японские компании, отмечает Эзелл, по-настоящему так и не воспользовались преимуществами глобальных цепочек создания стоимости, предпочитая держать бо́льшую часть своих производственных мощностей в Японии. За последние три десятилетия это привело к тому, что возникла принципиальная разница между полупроводниковыми секторами США и Японии: американские фирмы смогли поддерживать более низкие производственные затраты, что делало их более конкурентоспособными. А их специализированные производственные партнеры сосредоточились на усовершенствовании производственного процесса.

Российская стратегия

Внимательное прочтение отечественной стратегии развития микроэлектроники показывает, что о построении глобальных цепочек Россия не задумывается. Напротив, стремление построить у себя полный комплект фабрик на все проектные нормы, от 45 нм до 5 нм, чего пока нет даже у США, ясно говорит, что мы собираемся обеспечить полную автономию в разработке и производстве микроэлектроники. И понятно почему. Современная политическая обстановка, развернутые против России санкции, делают маловероятной возможность построения глобальных цепочек для российских компаний. Более того, российская стратегия фактически не предусматривает даже серьезного выхода отрасли на внешние рынки со своей продукцией. Если общий объем производства и продаж на внутреннем и внешнем рынках продукции, основывающейся в том числе на отечественных технологиях новых поколений микроэлектроники и создания ЭКБ, должен составить, согласно стратегии, 486,4 млрд рублей в 2024 году и 818,8 млрд рублей в 2030-м, то объем продаж этой продукции на внешнем рынке должен составить 20,4 млрд рублей в 2024 году и 48,8 млрд 2030-м. То есть в районе 5% от общего объема производства. Если исходить из соображений, высказанных Эзеллом, одно это делает российскую стратегию трудновыполнимой и экономически неэффективной. И это ставит перед российской микроэлектроникой задачу найти союзников для своего развития.

Предложения по развитию российской микроэлектроники
— Определение перспективных направлений развития электронной промышленности.
— Увязывание развития микроэлектроники с развитием электронной промышленности и выбор направлений ее развития.
— Определение важнейших направлений развития технологий микроэлектроники, нуждающихся в самостоятельном развитии, и на этой основе — направлений самостоятельного развития электронного машиностроения.
— Поиск возможных зарубежных партнеров в развитии электронной промышленности, микроэлектроники и электронного машиностроения.
— Налаживание международной кооперации.

И такие союзники могут найтись. В первую очередь это, конечно, Китай, что видно даже из статьи Эзелла — хотя бы потому, что, призывая к глобальной кооперации, он имеет в виду европейских союзников США и дружественные страны на других континентах, заведомо исключая из этой кооперации Китай, что следует из первого пункта его выводов. И это исключение уже стало политикой нынешней американской администрации в отношении Китая и его компаний: не случайно администрация Трампа наложила санкции на ведущие китайские компании — производители микроэлектроники Fujian Jinhua Integrated Circuit Company и Huawei. А также оказала давление на ведущего мирового производителя фотолитографического оборудования, критически важного для производства микроэлектроники, голландскую компанию ASML, чтобы не допустить продажи этого оборудования китайским производителям микроэлектроники. Все это оправдывается противодействием нерыночной стратегии Китая по развитию своего полупроводникового сектора и его практике хищения интеллектуальной собственности. Ясно, что Штаты не позволят — уже не позволяют — и России приобрести такое оборудование.

Японские компании по-настоящему так и не воспользовались преимуществами глобальных цепочек создания стоимости, предпочитая держать большую часть своих производственных мощностей в Японии

При этом Эзелл отмечает резкий рост, как абсолютный, так и относительный, производства китайской микроэлектроники. Так, доля Китая в мировой добавленной стоимости в полупроводниковой промышленности с 2001 по 2016 год выросла почти в четыре раза, с 8 до 31%, в то время как доля Соединенных Штатов упала с 28 до 22%, Японии — с 30 до 8%. И Китай, в отличие от США, взял курс на самодостаточное развитие микроэлектроники, рассчитывая, видимо, на гигантский объем своего собственного рынка. Получится у него или нет, сказать пока невозможно, но ясно, что пока Китай зависит от поставок оборудования.

Планы Китая

По состоянию на 2019 год на Китай приходилось 17% мирового производства полупроводниковых чипов, и ожидается, что эта доля вырастет до 28% к 2030 году, отчасти благодаря тому, что правительство Китая в настоящее время финансирует строительство более 60 новых полупроводниковых заводов.

Хотя аналитики ожидают, что к 2035 году КНР вряд ли достигнет своей цели — 70% самообеспеченности, а сможет удовлетворить не более 25–40% внутреннего спроса за счет полупроводников местного производства, Китай рассматривает полупроводниковый сектор как стержень своего цифрового развития и основу самых масштабных планов экономического роста. А, как отмечает Эзелл, Китай уже показал, что готов использовать все имеющиеся в его распоряжении инструменты для развития полупроводниковой промышленности мирового класса.

В одной лодке

Конечно, Китай быстро развивается, но пока у России есть что предложить ему в науке и технологиях. И об одной из таких возможностей мы расскажем ниже.

Главное — определиться какая микроэлектроника нам нужна, кто может быть нашим партнером в ее развитии и на какие рынки мы можем рассчитывать

Конечно, в этом случае мы вступим в конкуренцию с тем же Китаем, но, видимо, некое сочетание сотрудничества и конкуренции во взаимоотношениях с Китаем неизбежно.

Кстати сказать, именно такой подход способен прояснить, какая именно микроэлектроника нужна России, потому что нынешний замах на создание фабрик с проектными нормами вплоть до 5 нм не подкреплен в той же стратегии расчетами и объяснениями, для какой электронной аппаратуры, производимой именно в России, такая микроэлектроника нужна и на какие рынки она может рассчитывать.

Понятно, что США могут составлять планы развития микроэлектроники, не думая о рынках ее сбыта, перед ними весь мировой рынок. России развивать микроэлектронику без одновременного создания рынков, которые в ней нуждаются, — это пускать деньги на ветер.

У автономного развития микроэлектроники в России есть еще одно препятствие — фактическое отсутствие собственного электронного машиностроения, которого как отрасли в России не осталось, а то, что все-таки производится, годится лишь для мелких производств нестандартных устройств. Это общая проблема для нас с Китаем, для ее решения мы можем объединиться и на этой основе договориться о сотрудничестве в третьих странах.

Проблемы электронного машиностроения

В мирово электронном машиностроении произошли процессы специализации производства, характерные для микроэлектроники в целом и для большинства отраслей машиностроения, например станкостроения.

Эзелл в качестве примера приводит цепочку поставок, которые обеспечивают производство фотолитографических машин в крайнем ультрафиолетовом диапазоне на нидерландской фирме ASML, ведущего мирового производителя таких машин. Доля ASML на мировом рынке фотолитографических машин с 2005 года увеличилась вдвое и составила 62% (оставшуюся часть разделили ее конкуренты Canon и Nikon). При этом базирующаяся в Германии компания Carl Zeiss производит оптику для этих машин; VDL, нидерландская компания, производит роботизированные манипуляторы, которые загружают пластины в машину, а источники света — компания Cymer, расположенная в Сан-Диего, штат Калифорния. И сама EUV-технология , лежащая в основе современной фотолитографии, является результатом пятнадцатилетних исследований и совокупных инвестиций в исследования и разработки в размере около 20 млрд долларов, сделанных компаниями из разных стран, например Intel, Samsung и TSMC. По мнению Эзелла, без глобальных цепочек поставок и обеспечиваемой ими специализации быстрое развитие технологии EUV-литографии было бы невозможно.

Эзелл не случайно выбрал для иллюстрации развития электронного машиностроения пример именно фотолитографической машины. Дело в том, что в производстве процессоров можно выделить две ключевые технологии: фотолитография и травление. И без машин для их реализации современная микроэлектроника невозможна. А по оценкам специалистов, в себестоимости производства самых современных процессоров фотолитография составляет до 70%.

Но оказывается, что в России есть группы разработчиков, у которых имеются оригинальные предложения мирового уровня по разработке машин для выполнения этих операций.

Оказывается, в России есть группы разработчиков, у которых имеются оригинальные предложения мирового уровня по разработке машин для выполнения этих операций

Наш журнал уже рассказывал о работах, проводимых тем же коллективом Института физики микроструктур РАН, по созданию прорывной безмасочной фотолитографической установки, которая существенно проще и дешевле нидерландских разработок. И у ученых уже есть серьезные достижения.

К сожалению, некоторые разработки наших ученых и инженеров ушли за рубеж, хотя сотрудничество с этими группами специалистов все еще возможно. В ближайшее время мы расскажем еще об одном направлении разработок фотолитографических установок, основанное на использовании голографии, которое ведет — к сожалению, в Швейцарии — команда российских ученых и инженеров под руководством доктора физико-математических наук Вадима Раховского. И эта разработка тоже обещает быть значительно более простой и дешевой, чем голландские машины.

Мы рассказываем это в подтверждении нашего тезиса, что в России есть что предложить нашим возможным партнерам в развитии микроэлектроники. Причем это только одно направление, хотя и важнейшее, а в России занимаются решением и других задач микроэлектроники.

IMEC является одним из крупных международных исследовательских институтов по изучению и внедрению перспективных приборов и технологий для микро и наноэлектроники. IMEC насчитывает в своём штате порядка 2000 человек и имеет множество филиалов в таких странах как Тайвань, Китай, США, Индия, Япония и т.д. со штаб-квартирой в Бельгии.

По мнению IMEC, согласно анализу мировых рынков в микроэлектронике на ближайшие десять лет намечаются следующие тренды:

Закон Мура, согласно которому количество транзисторов на кристалле интегральной схемы увеличивается в два раза каждые 24 месяца, всё ещё остаётся актуальным. Это будет возможно благодаря EUV (Extreme ultraviolet)-фотолитографии и внедрению новой архитектуры логических ячеек. EUV-фотолитография позволит получать структуры с топологической нормой до 7 нм за одну фотолитографию, что снизит итоговую стоимость конечного продукта. Но одной только EUV-фотолитографии недостаточно, архитектура транзистора играет не меньшую роль в увеличении плотности компоновки. На сегодняшний день основными архитектурным решением для транзисторов в интегральных микросхемах являются FinFET-транзисторы (рис. 1). Они позволяют перевести горизонтальную составляющую занимаемой площади в вертикальную, а также уменьшить количество транзисторов на логическую ячейку за счёт перехода на CFET 4T-архитектору с вертикальной интеграцией транзисторов p- и n-типа.
Закон масштабирования Деннарда говорит об увеличении производительность за счёт уменьшения топологических размеров транзисторов и увеличения рабочей частоты. Масштабирование размеров транзисторов на 30 % (коэффициент 0,7) позволяет уменьшить занимаемую площадь на 50 %, уменьшить задержки на 30 %, а как результат увеличить рабочую частоту на 40 %. За счёт масштабирования рабочее напряжение уменьшается на 30 %, а общее энергопотребление кристалла снижается на 50 %. При современном уровне топологических норм масштабирование рабочего напряжения транзисторов согласно закону Деннарда при фиксированном энергопотреблении становится затруднительным, а узким местом в улучшении характеристик интегральных микросхем являются BEOL-процессы. Решением служит улучшение значений контактных сопротивления (выбор металла для формирования контакта сток-исток) и использование nanosheet и forksheet-конструкции транзисторов, позволяющих улучшить распределение мощности. В свою очередь CFET-архитектура обеспечивает гибкость в формировании p- и n- областей с высокой подвижность основных носителей, а использование 2D-материалов, таких как дисульфид вольфрама (WS₂), для силицидирования затвора позволяет уменьшить RC-составляющую. Ещё одна составляющая улучшения характеристик интегральных схем — уменьшение геометрии величины сопротивления переходных отверстий в диэлектрике (VIA) путём использования гибридной металлизации с применением таких материалов, как рутений и молибден. Снизить ёмкостную составляющую поможет использование воздушных зазоров вместо low-k диэлектриков. . В тоже время перспективным направлением является замена классической меди для снижения величины сопротивления металлизации.
Гетерогенная интеграция. Следующее важное конструктивное решение по улучшению характеристик современных интегральных микросхем это увеличение степени гетерогенной интеграции (рис. 2). Переход от процессов сборки на основе бампирования с применением распределяющих подложек — интерпозеров (2.5D) — к процессам бондирования в комбинации с бампированием (3D) позволяет повысить производительность систем, уменьшить занимаемую площадь и улучшить масштабируемость многокристальных систем или систем с кристаллами с большой площадью. IMEC продемонстрировала плотность компоновки микробампов с шагом до 7 мкм, что позволяет полностью раскрыть потенциал TSV-технологии и увеличить плотность соединений между кристалл/кристалл или кристалл/Si-интерпозер.
Энергонезависимая память. Относительно низкий рост мирового рынка памяти в 2020 году был вызван ситуацией в мире с COVID-19. Благодаря энергонезависимой памяти на базе магниторезистивной оперативной памяти (MRAM) и памяти с изменением фазового состояния (PCM) в 2021 году планируется рост рынка более чем на 50 %. Запоминающие устройства на базе NAND продолжат рост без кардинальных изменений в архитектуре в течение ближайших пяти лет.

На данный момент NAND-память содержит до 128 слоёв, и дальнейший рост будет реализовываться путём увеличения количества слоев, уменьшения сопротивления металлизации за счёт применения рутения, поиска новых межслойных диэлектриков, замены в архитектуре памяти классических планарных транзисторов на FinFET и последующего исследования и внедрениия транзисторов на базе сигнетоэлектриков FeFET.

Масштабирование DRAM-памяти и последующий шаг для развития этого направления — это переход на EUV-фотолитографию. Samsung уже анонсировал EUV DRAM с топологической нормой 10 нм. Помимо EUV-фотолитографии, применяется 3D-NAND компоновка с размещением элементов памяти на периферии, что накладывает свои ограничения на температурные режимы формирования транзисторных структур. Для решения данной проблемы применяются транзисторы на базе оксида индия, галлия и цинка IGZO с длиной затвора до 40 нм.

Современные серверы с искусственным интеллектом для вычислений используют графические процессоры (GPU) или специализированные микросхемы (ASIC) и имеют энергетическую эффективность порядка 1 — 100 тера (10 12 ) операций в секунду на Ватт (Tops/W). Для увеличения показателя эффективности планируется применять системы, где вычисления будут проводиться в оперативной памяти (compute-in-memory). В 2019 году IMEC продемонстрировал аналогичное решение на базе SRAM-памяти по технологии FD-SOI с топологической нормой 22 нм, что позволило получить эффективность порядка 1 000 Tops/W. В будущем планируется применять для compute-in-memory энергонезависимую память по технологии SOT-MRAM, FeFET и IGZO.

Читайте также: