Микроэлектроника в России до и после 24.02.2022
В свете последних событий (для потомков: гуглим Россия, Украина, 24 февраля 2022), приведших к введению санкций против России в сфере высоких технологий и, в частности, микроэлектроники, я часто слышу вопрос: а что дальше? В каком сейчас состоянии российское микроэлектронное производство? Россия сможет создать полностью локальное производство чипов?
Сразу оговорюсь, что данная статья не претендует на всесторонний независимый анализ ситуации, а отражает мою личную точку зрения, основанную во многом не на открытых источниках, а на опыте: более 20 лет в индустрии, 15 лет за границей, как в R&D (IMEC), так и на массовом производстве (Global Foundries) плюс 8 лет в России (запуск с нуля завода по производству МЭМС ), личном общении, мнении других специалистов; в общем всём том, доказательств чему найти нельзя или очень сложно. Поэтому пруфов предоставлять не буду – каждый имеет собственную точку зрения и право ее высказывать (по крайней мере пока).
Говорить я буду только про технологии производства, так как сам я бывший технолог, к дизайну отношения никогда не имел и фразы типа «лицензирование ядер процессора» для меня темны и непонятны.
Статья состоит из трех частей:
Анализ текущих производителей
Размышления на тему полностью локального производства микроэлектроники
Попытка заглянуть в будущее
Анализ текущей ситуации
Для начала давайте посмотрим на текущих производителей микроэлектроники. Я буду говорить только о более-менее современных фабриках, способных выпускать микросхемы по техпроцессу 180 нм и ниже. Чтобы было понятно, я буду приводить примеры процессоров, произведенных по определенной технологии, данные взяты из Википедии там в статье есть справа колоночка со всеми техпроцессами, можно кликнуть и посмотреть, что по этому техпроцессу (и когда) производилось. Так вот, 180 нм – это начало 2000-x, процессоры типа Intel Celeron и PlayStation 2. Всякие старые советские заводы (типа НЗПП ), работающие по технологиям больше микрона, рассматривать не будем (например, Intel 80286 был сделан по технологии 1.5 мкм).
Небольшая оговорка про размер пластин. Современное производство работает либо на 200 мм (до 90 нм), либо на 300 мм (65 нм и ниже) кремниевых пластинах. Наиболее продвинутое оборудование для технологий меньше 65 нм существует только в варианте 300 мм. Поэтому сделать высокие технологии на 200 мм пластинах не получится. А оборудование для 300 мм пластин существенно (в разы) дороже оборудования для 200 мм пластин.
Итак, что мы имеем на сегодняшний момент.
Микрон
Микрон — это наиболее живое микроэлектронное производство в России. Работают на 200 мм пластинах, обладают технологией 180 нм (в массовом производстве), 90 нм (не уверен, что в сильно массовом, но могу ошибаться; 90 нм – это Intel Celeron M/D, AMD Athlon 64), 65 нм (тут у меня большие сомнения что там есть массовое производство; 65 нм — это AMD Turion 64 X2, Microsoft Xbox 360 «Falcon»). Я в свое время участвовал в попытках разработки технологии 65 нм на 200 мм пластинах (IMEC, Бельгия), но оборудование не тянуло, поэтому 65 нм техпроцесс был перенесен на 300 мм оборудование.
Производит Микрон в больших объемах в основном чипы для банковских карт, паспортов, билетов в метро и т.д. В небольших объемах производят то, за что попали под санкции. Находятся под санкциями довольно давно, так что уже как-то научились с этим справляться. Оборот более 6 млрд рублей, из них примерно половину они зарабатывают сами, остальное докидывает государство (например, в виде субсидий по 109 постановлению Минпромторга – Микрон там всегда среди получателей субсидий).
Ангстрем-Т
Не путайте с просто Ангстремом (без Т) – Ангстрем это как раз старое советское производство, они делали чипы для советских калькуляторов и игры «Ну погоди» — если кто настолько стар, чтобы ее помнить, там волк яйца из-под куриц ловил. Ангстрем до сих пор жив и производит продукцию (понятное дело, не для калькуляторов).
История Ангстрема-Т началась в 2007 году, когда Global Foundries (тогда это был еще завод AMD – Fab36, Дрезден), начал переход на 300 мм пластины и продал все оборудование и технологии на 200 мм Ангстрему-Т: 130 нм (уровень AMD Athlon MP Thoroughbred) полная документация на техпроцесс с гарантией выхода годных и 90 нм – разработана, но еще не в массовом производстве. На тот момент это были довольно свежие технологии. Но дальше что-то пошло не так. Оборудование застряло на складе в Роттердаме, и когда я пришел работать на Global Foundries в 2011 году, это было уже притчей во языцех – как они продали оборудование в российскую компанию, но оно, вместо того, чтобы использоваться, уже 4 года гниет на складе. Гнило оно еще где-то до 2014, после чего все-таки приехало в Россию. В Зеленограде был построен завод, практически точная копия дрезденского, они даже построили собственную электростанцию, чтобы покупать не электричество, а газ и вырабатывать электроэнергию своими силами, чтобы не зависеть от перебоев с электроэнергией. Так же сделано в Дрездене, правда, немцы ухитрились сами себе отключить электричество на заводе (как раз в мое дежурство) – но это уже другая история.
Так вот, завод был построен, оборудование завезено, я там был и испытывал дежавю после Дрездена – все точно так же, установки на тех же местах, с теми же кодовыми названиями.
То есть, выглядело там все более-менее нормально, но вот с руководством там какая-то странная история. У меня есть целая коллекция визиток генеральных директоров Ангстрема –Т одинакового дизайна, только фамилии разные – они там менялись постоянно (вместе со всей командой). Как-то раз общался с одним из замов, он меня спросил, как у нас устроен контроль качества, я рассказал, он начал смеяться и сказал, что я ничего не понимаю в контроле качества. Ну, у нас контроль качества устроен по тем же принципам, по которым я в Германии делал чипы модемов для Qualcomm для пятых айфонов, Эппл вроде на качество не жаловался. Так что я пожал плечами, но спорить не стал. Еще как-то раз я беседовал с VP sales ASML, он интересовался, как там дела у Ангстрема-Т и сказал, что так как их сканеры простояли 7 лет на складе, запустить их будет очень сложно и предложил сдать старые сканеры в трейд-ин, а в Ангстрем-Т поставить более новые с доплатой. Я пересказал этот разговор руководству Ангстрема-Т и сказал, что по моему мнению это неплохая опция – они получат быстрый результат лучшего качества, пусть и за дополнительные деньги. Руководство Ангстрема-Т сказало, что оно ничего про это предложение не знает. Странно, подумал я, какой-то левый чувак вроде меня знает, а те, кому это предлагали и для кого это должно быть важно – нет.
Итог – с момента покупки линии прошло уже 15 лет, производство до сих пор не работает. Заработает ли когда-нибудь, мне не ведомо. На данный момент предприятие обанкротилось.
Крокус наноэлектроника
Но, до того, как это стало ясно, Роснано решило проинвестировать в фабрику 300 мм по техпроцессу 65 нм на территории России. Вы можете как угодно иронизировать над Роснано, но на данный момент это единственная в России фабрика на 300 мм пластинах с работающей технологией 65 нм. Правда, есть нюанс.
В исходной модели предполагалось, что MRAM ячейки будут изготавливаться на уровнях металлизации (так называемый back end). Так как сами транзисторы (front end) можно изготовить на любой фабрике, это легко доступный товар, было решено не тратиться на фабрику полного цикла, а построить часть фабрики, которая будет содержать только know-how по изготовлению MRAM. Замечу, кстати, что оборудование для front end стоит гораздо дороже (его там просто больше всякого разного, а для back end много, в принципе, не нужно). Так что исходная модель выглядела так:
Строим полу-фабрику (только back-end) за разумные деньги
Покупаем пластины c front end за небольшие деньги на мировом рынке
Добавляем MRAM back-end
Продаём за большие деньги на мировом рынке
Если бы MRAM технология заработала, это было бы очень красивое решение. Но она не заработала (причем не только у Крокуса), и Крокус превратился в эдакий чемодан без ручки.
С одной стороны, он не является полноценной фабрикой, так как не делает транзисторы (front end), а заказывать на иностранной фабрике front end а потом доделывать у себя бессмысленно, проще сразу заказать на иностранной фабрике полный цикл. Если же тебе откажут в полном цикле, то откажут и в половине цикла.
С другой стороны, это единственное в России работающее производство на 300 мм пластинах по 65 нм техпроцессу, с возможностью дальнейшей модернизации до 45 нм и, может быть, до 32 нм.
То есть, и убить жалко, и что дальше делать – непонятно. Достроить до полной фабрики? Но это огромные инвестиции, да и место там физически не особо есть под полную фабрику. То есть, надо переносить. А если переносить – не проще ли с нуля тогда построить? (обычно проще). А обанкротить – рука не поднимается.
Годовой оборот Крокуса – это где-то миллиард рублей, сами они зарабатывали процентов десять (в основном разовые заказы на напыление магнитных материалов для иностранных заказчиков – российских нет, так как в России нет 300 мм фабрик).
Новый завод в Зеленограде
Про него мало что известно. Размер пластин 300 мм, техпроцесс 65 нм – 45 нм (First generation Intel Core i3, i5 and i7). Строить его планировали уже давно, вот например, новость (неизвестной датировки), что к 2014 году должны построить. Строить собиралась компания Ситроникс, но ничего внятного нагуглить не удается. Несколько лет назад мне из правительства присылали на экспертизу техзадание на завод, я почитал – написано было грамотно, явно писали люди, которые знали, что они делали. По слухам, строительство идет, с привлечением китайских подрядчиков (вроде как UMC — правда, это Тайвань). Больше ничего сказать не могу. Что из этого получится, тоже не понятно.
На Микроне теоретически можно производить что-то уровня Intel Celeron/AMD Athlon 64 (техпроцесс 90 нм, середина 2000-х). Чтобы двигаться дальше, нужен завод на 300 мм, а его в полностью функциональном состоянии нет.
Можно ли полностью локализовать производство микроэлектроники по современному техпроцессу?
Короткий ответ: нет.
Более подробный ответ: Ни одна страна в мире не сможет локализовать производство микроэлектроники по техпроцессу меньше 90 нм. Наладить что-то вроде микронной технологии (контактная литография, жидкостное травление, ручные операции) на коленке еще как-то можно, но это будет уровень 8086/80286 или ZX Spectrum.
Развернутый ответ. Для успешного микроэлектронного производства необходимы следующие факторы:
Наличие рынка сбыта
Наличие производственного оборудования
Наличие компетентного персонала
Наличие сырья, материалов и расходников
Давайте разберем каждый аспект подробнее.
Рынки сбыта
Казалось бы, какие рынки сбыта – если надо сделать, значит надо, не считаясь с затратами. Проблема в том, что сам полупроводниковый завод – это только верхушка айсберга. И не считаясь с затратами придется пилить весь айсберг, а это очень и очень много денег.
Все привыкли к тому, что полупроводниковые чипы очень дёшевы. Почему они получаются дешевыми, я писал в другой статье. Многие ошибочно полагают, что достаточно поставить завод на территории России и мы получим такие же дешевые чипы, только произведенные дома. К сожалению, это не так. Полупроводниковый завод сжирает огромное количество денег, независимо от того, производит он что-то или нет. То есть, чтобы один чип был дешевым, нужно это огромное количество денег разделить на огромное количество чипов (десятки миллионов для завода средней руки). А их надо куда-то сбывать. Если сбыть их некуда (российский рынок не такой большой), то завод будет нести убытки, которые либо должно покрыть государство субсидиями (тогда чипы будут дешевыми для потребителя), либо сами потребители (тогда чипы будут очень дорогими). То есть, если вы хотите делать по настоящему дешевые чипы, вам нужно их продавать всему миру.
Следующий слой айсберга – это оборудование. Заводу нужно примерно десяток установок одного типа (например, литографии, или травления), а типов таких десятки (если не сотни). Производителю оборудования одного типа не интересен рынок из десяти штук – опять, либо оборудование будет золотым для завода, либо производителя оборудования должно субсидировать государство. Либо фабрик должно быть много, тогда у производителя оборудования появляется рынок сбыта и его продукция дешевеет. Но много фабрик нам не нужно – мы с одной то не знаем, куда чипы девать. То есть, если вы хотите сделать относительно недорогое оборудование (относительно недорогое – это значит что, например, установка фотолитографии стоит примерно как Боинг), его нужно продавать по всему миру.
Следующий слой айсберга – комплектующие для оборудования – электроника, насосы, роботы и т.д. Тут та же история – для десятков/сотен единиц оборудования много насосов не нужно, и мы опять утыкаемся либо в высокую стоимость, либо в необходимость продавать на мировом рынке.
И такая же история будет со всем остальным: с кремниевыми пластинами, химикатами, системой водоподготовки. Все, что будет уникальным для нашего производства, будет дико дорогим, так как больше мы это никому не продадим (ну либо мы торгуем со всем миром).
Еще один момент. Один завод не может производить всю микроэлектронную номенклатуру. То есть и процессоры, и оперативную память, и флеш-память, и микроконтроллеры и радиомодемы и т.д. и т.п. в один завод не втиснуть. Производство оперативной памяти – это вообще отдельная отрасль микроэлектроники с отдельными заводами, техпроцессами и игроками. В свое время немцы пытались сыграть в эту игру, Infineon отпочковал компанию Qimonda, которая должна была заняться производством оперативной памяти. Не получилось. Себестоимость чипа памяти, произведенной на Qimonda была равна стоимости чипа памяти Samsung на прилавке в магазине. Qimonda обанкротилась.
То есть, чтобы иметь полностью локализованное производство, нужно иметь несколько заводов. И куда-то продавать продукцию этих заводов. Либо содержать эти заводы, работающие с минимальной загрузкой. Справедливости ради отмечу, что много заводов создадут хоть какой-то спрос на оборудование и сырье.
Давайте примерно прикинем, сколько это стоит. Для примера, Интел строит новый завод в Германии за 17 млрд долларов. Нужно несколько заводов, допустим это будет $50-60 млрд. Для сравнения, это расходы на оборону в России в 2020 г. Вся экосистема, я думаю, будет стоить как минимум на порядок больше, то есть $500-600 млрд. Это уже треть ВВП России. А ведь такая экосистема может обойтись и дороже, чем на порядок.
В итоге, создать и содержать полностью локализованное производство – это ОЧЕНЬ дорого.
Производственное оборудование
Допустим, мы где-то нашли квадрилиарды денег и можем себе позволить все. Первое что нужно – это оборудование. Замечу, что на данный момент нет ни одной страны в мире, которая производила бы все оборудование, необходимое для микроэлектронного производства по технологиям 45 нм и ниже. Даже США, которые производят львиную долю полупроводникового оборудования, не производят машины фотолитографии. Их производят либо Нидерланды (ASML), либо Япония (Nikon, Canon). Applied Materials (США), один из крупнейших (а может и крупнейший) производитель оборудования, обычно хвастается, что может поставить полную линейку оборудования только из своих машин, но всегда добавляет: кроме фотолитографии.
Сделать оборудование для современного полупроводникового производства очень трудно, а самому с нуля – невозможно. Тут есть два момента.
Во-вторых, современное оборудование – это фактически конструктор лего, в котором 90% блоков стандартных (роботы, вакуумные насосы, котроллеры газовых потоков и т.д. и т.п.) и 10% — это ноу-хау компании, на которое и тратится основное время и деньги при разработке. Насколько мне известно, компоненты полупроводникового оборудования необходимого качества в России не производятся.
Можно, конечно, попробовать все сделать самому – но это как раз одна из причин, почему прогорела наша родительская компания Mapper Lithography: они все пытались сделать сами: блоки питания, ВЧ генераторы, написать свой софт и т.д. В итоге машина работала час, потом ломалась и ее неделю чинили.
Также нужно не забыть, что помимо производственного оборудования необходимо вспомогательное: системы водоподготовки (и это не на кухне фильтр поставить), компрессоры для сжатого воздуха, генераторы азота и т.д. и т.п. Это все тоже нужно где-то брать, сейчас эта техника вся импортная.
Вывод: можно что-то попытаться сделать, если есть доступ к стандартным комплектующим высокого качества, если еще и комплектующие самому делать, то на мой взгляд, это невозможно. Плюс к этому то, что я писал в разделе про рынки сбыта, даже если сделать оборудование, то кому продавать, одному заводу? Но, хотя можно попытаться продавать в Китай – там фабрик много.
Компетентный персонал
Это видится наименьшей из проблем, но есть нюанс. В принципе, российские ВУЗы выпускают достаточное количество специалистов, которые после нескольких лет обучения вполне способны работать на современном производстве. Это подтверждается и опытом нашей компании и тем фактом, что многие специалисты российского происхождения работают на зарубежных полупроводниковых производствах (я и сам там работал, и многих русских знаю, кто работает).
Теперь про нюансы: во-первых, специалистов нужно обучить, доморощенные специалисты получаются плохо, особенно в области культуры производства и менеджмента качества. По моему опыту, качество – это головная боль российских компаний. Все могут наклепать аналоговнетов в единственном экземпляре, но вот поставлять продукцию устойчивого качества получается мало у кого. При наличии руководства/ведущих инженеров имеющих зарубежный опыт работы поставить менеджмент качества не составляет большого труда, но у чисто российских компаний это получается плохо. Помните, как я писал выше что производственное руководство Ангстрем-Т посмеялось над нашей системой менеджмента качества? Вот это как раз про то. В общем, иностранные (либо экспаты, либо россияне с зарубежным опытом, вроде меня) специалисты могут приехать и научить, вопрос, как их теперь заманить?
Второй нюанс: как только инженеры-технологи становятся более-менее опытными специалистами (несколько лет опыта на нормальном производстве), они тут же начинают смотреть за рубеж. Инженер-технолог на полупроводниковом производстве в Европе получает 3-4 тыс евро на руки (для понимания уровня расходов приведу в пример Дрезден: съем 3-комнатной квартиры 700-800 евро, питание 200-250 евро на человека, одежда раза в полтора дешевле, чем в Москве). В итоге происходит постоянная утечка кадров, так как за рубежом инженеры-технологи нужны всегда (хоть и не так остро, как IT специалисты), а платить как за рубежом мы, к сожалению, себе позволить не можем.
В итоге, для нашего гипотетического завода мы должны пригласить иностранных специалистов с их технологиями управления, а потом удержать своих специалистов от эмиграции.
Сырьё и материалы
Для работы завода нам понадобятся кремниевые пластины, жидкая химия (особенно фоторезист), газы, всякая мелочевка (типа перчаток, масок, пинцетов и т.д.). Причем все это не абы какого качества, а очень высокой степени очистки, мелочевка совместимая с чистыми помещениями и т.д. Со всем этим ситуация в России не то, чтобы очень радужная. Интересный пример с масками. Когда начался ковид, наш поставщик масок (специальных для чистых комнат, обычные медицинские там не подходят) сказал, что они все мощности бросили на медицинские маски и специальных теперь не будет. Пришлось изобретать многоразовые и стирать. В России такие маски не производят.
Пытались работать с отечественным фоторезистом. То пузыри, то мусор, то к пластине не липнет. Каждая партия отличается от предыдущей, приходилось каждый раз подстраивать параметры процесса для новой партии. Приходил в негодность за два месяца до срока годности (иногда, а иногда даже после истечения срока годности был нормальный). В общем, поиграли в рулетку где-то годик, перешли на американский. Настроили процесс один раз и забыли про проблемы. И это был фоторезист на микронные размеры. Как обстоят дела с российским фоторезистом на технологии менее 65 нм – я не знаю.
Кремниевые пластины. Есть прекрасная российская компания, которая их производит. Номенклатура не очень большая, но самые ходовые размеры есть. Качество хорошее. Но, как обычно, есть нюанс. Пластины нарезаются из импортных кремниевых слитков, на импортном оборудовании с использованием импортных расходников (запас которых, как нам сообщили на два месяца, новых поставок пока нет). То есть, если мы хотим полностью локализованное производство нам нужно наладить еще производство слитков (для этого тоже нужно оборудование разработать и произвести), производство машин для резки, шлифовки и полировки и расходников к ним.
Фотошаблоны. В России есть производство фотошаблонов на более старые технологии (точно не на 45 нм и ниже), ну и, естественно, на импортных стеклах и импортном оборудовании. Производство современных фотошаблонов – это тоже целая индустрия, производителей в мире не так много (один из примеров компания AMTC в Дрездене). Там тоже нужно оборудование, сырье и материалы и т.д. и т.п.
Выводы
Нельзя просто взять и построить завод по производству микроэлектроники. Для такого завода нужна огромная экосистема (потребители (много потребителей), оборудование, сырье и материалы, кадры). Недавно была переводная статья про такую экосистему Причем экосистема эта очень хрупкая, при исчезновении хотя бы одного компонента вся система рушится. Создать такую экосистему полностью изолированную от внешнего мира на мой взгляд, невозможно.
И что дальше?
Короткий ответ: я не знаю.
Как это могло бы выглядеть? При интеграции в мировую микроэлектронную экосистему (имея возможность покупать оборудование, сырье и материалы и возможность продавать продукцию) выбрать нишу, в которой нет жесточайшей конкуренции (как в производстве памяти и процессоров) и пытаться занять там свою долю играя на более низкой стоимости труда и уникальных системных решениях толковых местных инженеров. Например, в области ВЧ микроэлектроники. Насколько я знаю, в уже упоминавшемся Ангстреме-Т есть (были?) неплохие наработки по таким направлениям, а они могли бы быть востребованы в IoT, который растет довольно быстрыми темпами. Ну или какую-нибудь силовую интегральную электронику. Или интегральную фотонику. Имея пару высокотехнологичных заводов, встроенных в мировую экосистему, можно уже и какие-то вещи делать, которые не хочется, чтобы другие видели.
За железным занавесом (имеется в виду полная локализация от начала до конца) можно делать только что-то вроде 80286 процессоров за огромные деньги, не более того. Я думаю, глобализация потому и происходит, что в одиночку выше определенного технологического предела продвинуться невозможно – ни одна страна не потянет, только всем миром. Будем ли мы частью этого мира – это отдельный вопрос.
Микроэлектроника как важнейшая отрасль науки
Лемешев, А. А. Микроэлектроника как важнейшая отрасль науки / А. А. Лемешев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 49 (339). — С. 40-42. — URL: https://moluch.ru/archive/339/76090/ (дата обращения: 17.10.2022).
В статье автор прослеживает цепочку развития электроники от громоздких ламп до элементов размеров, относящихся к нано миру.
Ключевые слова: микроэлектроника, транзистор, наноэлектроника.
Технологический прогресс последнего десятилетия сыграл важную роль в развитии современного общества, постоянно поставляя товары более высокого качества, доступные на массовых рынках. Инновации сформировали наше общество в том виде, в каком мы его знаем, которое иначе было бы совершенно другим — от простых покупок до достижений современной медицины, от чрезвычайно успешной индустрии развлечений до высокоразвитой системы образования — все это было бы невозможно без прочной основы — современной техники
Интенсивные усилия профессионалов в области электроники, направленные на повышение надежности и производительности продуктов при одновременном уменьшении их размера и стоимости, привели к результатам, которые вряд ли кто-либо мог бы предсказать, но которые мы все сейчас наблюдаем. На самом деле многие думают, что электроника произвела революцию в истории человечества и сформировала наше будущее в то что мы сейчас видим на каждом углу. На протяжении многих лет мы наблюдали эволюцию электронных компонентов, которые уменьшались в размерах, выполняя все более сложные электронные функции на все более высоких скоростях. Все началось с разработки транзистора.
До изобретения транзистора в 1947 году его функцию в электронной схеме могла выполнять только электронная лампа.
Было обнаружено, что у вакуумных ламп есть несколько встроенных проблем. Основная проблема с этими лампами заключалась в том, что они выделяли много тепла, требовали времени прогрева от 1 до 2 минут, а также большого напряжения источника питания 300 Вольт постоянного тока и более. Другая проблема заключалась в том, что две идентичные лампы имели разные выходные и рабочие характеристики, поэтому от разработчиков требовалось создать схемы, которые могли бы работать с любой лампой определенного типа. Это означало, что для настройки схемы на выходные характеристики, необходимые для используемой лампы, часто требовались дополнительные компоненты.
Первые транзисторы не имели заметного преимущества по размеру перед самыми маленькими лампами и были более дорогими. Самым большим преимуществом транзистора перед лучшими электронными лампами было то, что он потреблял гораздо меньше энергии, чем электронная лампа. Кроме того, они обеспечивали большую надежность и более длительный срок службы. Однако потребовались годы, чтобы продемонстрировать другие преимущества транзистора перед электронными лампами.
Появление микроэлектронных схем по большей части не изменило характер основных функциональных единиц: микроэлектронные устройства по-прежнему состояли из транзисторов, резисторов, конденсаторов и подобных компонентов. Основное отличие состоит в том, что все эти элементы и их соединения теперь изготавливаются на единой подложке за одну серию операций.
Развитие микроэлектроники зависело от изобретения методов изготовления различных функциональных блоков на кристалле полупроводниковых материалов. В частности, все больше функций передается элементам схемы, которые работают лучше всего: транзисторам. Было разработано несколько видов микроэлектронных транзисторов, и для каждого из них были разработаны семейства связанных элементов схем и схемных схем.
Биполярный транзистор был изобретен в 1948 году. В этом типе транзисторов в их работе участвуют носители заряда обеих полярностей. Их также называют переходными транзисторами. Транзисторы NPN и PNP составляют класс устройств, называемых переходными транзисторами.
Второй тип транзистора был фактически разработан почти за 25 лет до биполярных устройств, но его массовое производство не было практичным до начала 1960-х годов. Это полевой транзистор. В микроэлектронике широко используется полевой транзистор металл-оксид-полупроводник. Этот термин относится к трем материалам, использованным в его конструкции, и обозначается аббревиатурой MOSFET.
Два основных типа транзисторов, биполярные и MOSFET, делят микроэлектронные схемы на два больших семейства. Сегодня наибольшая плотность элементов схемы на кристалле может быть достигнута с помощью новой технологии MOSFET.
Сегодня отдельная интегральная схема на кристалле может теперь включать в себя больше электронных элементов, чем наиболее сложное электронное оборудование, которое могло быть построено в 1950 году.
За первые 15 лет с момента создания интегральных схем количество транзисторов, которые можно разместить на одном кристалле, ежегодно удваивалось. Схема 1980 года имеет плотность около 70К на чип.
Первые поколения серийно выпускаемых микроэлектронных устройств теперь называются малоразмерными интегральными схемами (МИС). Схема, определяющая логическую матрицу, должна была быть обеспечена внешними проводниками. Устройства с более чем 10 вентилей на кристалле, но менее чем с 200 — это интегральные схемы среднего размера (СИС). Верхняя граница технологии средних интегральных схем отмечена микросхемами, которые содержат полный арифметико-логический блок (АЛУ). Это устройство принимает два операнда в качестве входных данных и может выполнять с ними любую из дюжины или около того операций. Операции включают в себя сложение, вычитание, сравнение, логические «и» и «или» и сдвиг на один бит влево или вправо.
Большая интегральная схема (БИС) содержит десятки тысяч элементов, но каждый элемент настолько мал, что вся схема обычно занимает менее четверти дюйма на стороне. Интегральные схемы эволюционируют от больших к сверхбольшим (СБИС).
С тех пор, как транзистор был изобретен более 80 лет назад, в электронике была тенденция к созданию все меньших и меньших размеров изделий с использованием меньшего количества микросхем большей сложности и меньших «функциональных» размеров. Разработка интегральных схем и запоминающих устройств продолжала развиваться с экспоненциальной скоростью. В настоящее время на каждое последовательное уменьшение вдвое размера компонентов уходит два-три года.
Наноэлектроника — это использование нанотехнологий в электронных компонентах, особенно в транзисторах. Хотя термин нанотехнология обычно определяется как использование технологии размером менее 100 нанометров, наноэлектроника часто относится к транзисторным устройствам, которые настолько малы, что взаимодействия и квантово-механические свойства требуют тщательного изучения. В результате существующие транзисторы подпадают под эту категорию, даже несмотря на то, что эти устройства производятся по технологии 65 или 45 нанометров. Наноэлектронику иногда считают прорывной технологией, потому что нынешние элементы значительно отличаются от традиционных транзисторов. Некоторые из этих элементов включают: гибридную молекулярную/полупроводниковую электронику, одномерные нанотрубки/нанопроволоки или передовую молекулярную электронику. Хотя все это многообещающе на будущее, они все еще находятся в стадии разработки и, скорее всего, в скором будущем будут интегрированы в многие передовые разработки в сфере микроэлектроники.
Споры о социальных последствиях микроэлектроники и наноэлектроники продолжаются. Прошлое показало нам, как переход от старых технологий к микроэлектронике повлиял на все аспекты жизни, от уровня жизни до занятости.
Человечество сейчас находится на пороге еще одного важного изменения — перехода от использования микроэлектроники к более новой технологии наноэлектроники, а это означает еще одно влияние на все, что мы знаем. На этот раз влияние на занятость будет глубоким, но его трудно предсказать, потому что разные сектора затронуты по-разному. Наноэлектроника окажет значительное влияние на полупроводниковую промышленность. Все связанные с электроникой элементы, такие как запоминающие устройства, устройства хранения, устройства отображения и устройства связи, будут унесены волной наноэлектроники.
Каждое устройство, от транзисторов до компьютеров, в которые они умещаются, подвергнется трансформации. Устройства нано-масштаба позволят создать новый мир инновационных продуктов, таких как биосенсоры, молекулярная память, электронные продукты на основе спина.
Почему в России не производят микроэлектронику
Наверняка каждый когда-либо задавался вопросом — почему в России (по большому счету, во всех странах бывшего СССР) не делают высокотехнологичные продукты? Нет своих смартфонов, компьютеров и даже просто процессоров. Если быть точным, свое процессоры в России есть — тот же “Эльбрус” и “Байкал”, но вот по производительности они уступают даже сильно устаревшим процессорам Intel, причем выпускаются в Тайване. А в связи с вводом санкций, их производство вообще остановлено, так как в них используется архитектура ARM. Другими словами, ни один крупный производитель микроэлектроники выпускать их больше не будет, чтобы не на влечь на себя гнев западного мира. Всему этому есть вполне объективные причины, и далее мы постараемся рассмотреть основные из них.
В России нет собственного современного производства микроэлектроники
Патенты и конкуренция
Некоторые страны уже много лет занимают лидерские позиции на рынке микроэлектроники. При этом все свои технологии они “закрывают” патентами, в результате чего не позволяют делать то, что ими уже сделано. А если и позволяют, то ставят бизнес в зависимость от других государств.
Ярким тому примером являются российские процессоры “Эльбрус” и “Байкал”, производство которых оказалось под большой угрозой. Китайские производители не станут их выпускать вопреки санкциям, так как сами работают по зарубежным патентам. По этой причине в России в ближайшее время ожидается дефицит электроники и бытовой техники.
Все существующие технологии имеют патенты, которые принадлежат зарубежным компаниям
В результате выйти на рынок с аналогичным продуктом, в настоящее время, крайне сложно. Для этого необходимо разрабатывать совершенно новые технологии, либо риски сделают развитие бизнеса сомнительной затеей.
Экономика против микроэлектроники в России
Бизнес всегда стремится к тому, чтобы получить максимум прибыли с минимальными вложениями и рисками. Высокотехнологичный бизнес этим требованиям совершенно не соответствует. Он требует больших вложений, сроки его окупаемости крайне высокие, а в добавок еще присутствуют большие риски.
Некоторые государства повышают привлекательность высокотехнологичного бизнеса дотациями, госконтрактами в военной и гражданской сфере. Это дает некоторый толчок его развитию, особенно в ситуации, когда в стальном бизнесе остается мало места.
Производство микроэлектроники требует больших вложений средств
В России же низкотехнологичный бизнес по ряду причин может быть гораздо более прибыльным. В результате с экономической точки зрения разработка микроэлектроники является бессмысленным занятием, особенно в краткосрочной перспективе.
Отсутствие капитала у отечественных производителей
Открыть высокотехнологичный бизнес невозможно без больших финансовых вложений. Причем, в отличие от производства того же кирпича, успех в высокотехнологичном бизнесе зависит не от качества оборудования, а от людей. Они должны обладать хорошим техническим образованием, а желательно, еще и опытом. Привлечь таких специалистов из крупных компаний дорого и сложно.
С одной стороны, денег в России достаточно, но они сконцентрированы в руках людей, которые занимаются обычным бизнесом. Разбираться в тонкостях микроэлектроники и рисковать им попросту не интересно и не выгодно.
ВНИМАНИЕ! Мы видим, что вы еще не подписались на наш Яндекс.Дзен-канал. Обязательно подпишитесь, чтобы иметь доступ к важной информации, которую мы не публикуем на сайте.
Наследие 90-х годов
В России, как и в остальных странах СНГ, был приватизирован и начал развиваться простой бизнес. Крупные бизнесмены занимались получением сверхприбылей в сжатые сроки. Впоследствии они стали лоббировать изменения законодательства, которые помогали сохранять высокие доходы в своих нишах бизнеса.
Что касается высоких технологий — государство науку практически не финансировало. Это привело к “утечке мозгов”. Многие специалисты оказались за рубежом, где вносили свой вклад в развитие иностранного высокотехнологичного бизнеса. Отечественный же высокотехнологичный бизнес оказался совершенно незащищенным.
iPhone 5 в 2013 году был выпущен с 28-нанометровым техпроцессом
Есть ли будущее у российских процессоров?
В Зеленограде в мае 2022 года было объявлено о начале строительства нового завода, на котором будут выпускаться процессоры. Речь о нем идет уже давно, и ожидалось, что запуск производства состоится только в 2030 году. Однако табличка на строительной площадке говорит о том, что завод будет построен в 2024 году.
На заводе будут выпускаться процессоры на 28 нм технологии. Для сравнения, завод TSMC, на котором до февраля 2022 года выпускались процессоры “Эльбрус” и “Байкал”, запускает 2-нанометровый техпроцесс. Чтобы было понятнее — 28-нанометровый техпроцесс использован в смартфоне iPhone 5, который был выпущен в 2013 году. Очевидно, конкурировать с зарубежными аналогами отечественные процессоры не смогут в ближайшем обозримом будущем. Да и в целом перспективы и российской микроэлектроники, учитывая все вышеперечисленные факторы, не обнадеживающие. Напоследок напомним, что кроме процессоров в России не производят ряд другой важной продукции. Будет ли она в дефиците? Узнайте об этом прямо сейчас.
3. МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Мировой опыт показывает, что успешное развитие современного индустриального общества возможно только на основе динамичного развития электроники н прежде всего наио- н микроэлектроники, которые, несомненно, являются технологическим лидером современности, так как основываются на практическом использовании нанвысших достижений передовых научных исследований (от фундаментальных физических и естественных наук до исследований деятельности мозга н принципов функционирования сложных мнкро- н макросистем), создает приборы с параметрами, близкими к предельным физическим характеристикам материалов, применяет наиболее передовые технологии получения н обработки материалов н структур (эпитаксия и вакуумное осаждение слоев, лазерные, нонные, плазменные, фотостнмулнроваиные процессы н т.д.).
Жесткие требования по обеспечению чистоты вызывают необходимость создания спецтехнологического оборудования с ннзкнм уровнем привносимой дефектности, разработки технологических процессов обработки пластин с контролируемой энергетикой н строительства специальных сверхчистых производств.
Из представленных в табл. 10 данных следует вывод, что стартовый капитал для развития современного микроэлектронного производства достаточно высок (2-3 млрд долл.) н задача создания новых электронных производств может быть решена только в рамках государственных программ. Именно такую политику реализовывало правительство Японии. которое в период развития микроэлектроники строило новые микроэлектронные производства за государственный счет н сдавала их в аренду частным фирмам. Микроэлектроника характеризуется нанвысшими не только техническими, ио и экономическими показателями. В табл. 11 приведены сравнительные обобщенные данные о деятельности ведущих фирм США.
Микроэлектроника несомненно лидирует по всем экономическим показателям, уступая только «вычислительной технике” по выработке на
8. Возрождение экономики России
Таблица 10. Стоимость субиикронных производств в США во второй половине 90-х годов Уровень технологии (мик размер, мкм) 0.8 0.5 0.35 0.25 0.18 Стоимость (млн 700-800 900-1200 1300-1500 1800-2000 2500 3000 долл.) стандартного производства ка 10 тыс. ПЛ^МСС-
Источинк; Рылеева С. Экономические показатели деятельности ведущих электронных фирм США в 1993-1995 гг. Н Зарубежная электронная техника. 1996. t*2.
Таблица 11. Показатели деятельности ведущих фирм США (по секторам электроники), 1994 г. Сектор электроники Годовой прирост. % Продажи на одного занятого, тыс. долл. Отношение издержек производства к продажам. % Отношение затрат иа НИОКРк продажам. % Военная техника и другое оборудование по заказам 7.7 141.2 78.6 6.2 Оборудование связи 26.3 172,2 60.8 5.6 Вычислительная техника 10.2 264.5 64.2 4.6 Бытовая аппаратура 17.2 121,9 69.3 5.6 Микроэлектроника 28.9 198.0 59.3 9.1 Прочие электронные компоненты Источник см. к табл. 10. 18.2 112.2 72,4 5.2 одного занятого.
На основании изложенного выше можно сделать ряд выводов: базовые микроэлектронные технологии составляют ядро комплекса — Интенсификация производства ? Рационализация и оптимизация производства
Повышение качества продукции 1 Рост эффективности и повышение потенциала производства 1 Экономия ресурсов Более высокая точность процессов
Качественно более высокий уровень производительных сил, оказывающий воздействие на уровень и образ жизни (удовлетворение потребностей), формирование внешнеэкежоми ческих связей, политическое и военно-стратегическое положение
Развитие производительных сил и материально-технической базы
Применение информационной техники для автоматизации произ водстеа. обработки данных, дальней связи
Создание материально’ технической базы для производства интегральных схем
Рис. 7. Взаимосвязи между компонентами микроэлектроники и другими элементами и факторами процесса воспроизводства
Приобретение комплектных технологий
? Приобретение лицензий и образцов •
Форм провалив народнохозяйственных условий производства
электронных технологий; микроэлектроника как отрасль производства отличается ианвысшимн в промышленности техинкоэкономнческими показателями и ее развитие может и должно быть использовано в качестве главного рычага подъема всего промышленного комплекса; на современном уровне развития отечественной электроники необходима национальная модель реформирования отрасли, опирающаяся на програм мио-целевое планирование н государственную поддержку развития (восстановления) приоритетных областей электроники н в первую очередь микроэлектроники.
На рис. 7 и в табл. 12 показаны эффект и воспроизводственные связи только одной из ключевых технологий двойного применения — технологии микроэлектроники.
Действующая в настоящее время президентская программа “Развн- Таблица 12. Двойные технологии иа базе микроэлектронных и наноэлектронных интегрированных технологий и устройств в России Базовые тс* но л огни
Гражданская продукция Авиация
Одновременное обкар) женис н слежение до 50 целей, снижение веса бортовой РЛС истребителей с 47 кг до 0,9 кг Космос Системы обнаружения, слежения н наведення t разрешением ооіми менее, срок службы до 50 лег
Связь Глобальные системы связи, кодирование и декодирование информации, системы спут-
Высокоинтегрирован- ньк субмикронные технологии СБИС и функциональных устройств на их основе, сквозные системы проектирования РЭС
Технологии сверхплотного монтажа, функциональные однокрнсталльные сис-
Гражданская и транспортная авиация Высоконадежные системы управления и контроля (5-6 кратное дублирование), навигационные системы
Космос Разведка полезных ископаемых. экологический мониторинг. контроль и предупреждение и стихийных бедствиях и катастрофах
Телекоммуникации, спутниковая радио- и телесвязь, индивидуальная космическая и групповой связи
Роботизированные оборонные комплексы иа основе искусственного интеллекта, самолеты и танкн- роботы, автоматизированные системы контроля и ведения военных действий
Наноэлектронкые технологии высокоинтегрированных комплексов РЭС
ннковой индивидуальной темы на основе супер
Высокоэффективные системы контроля н управления комплексами. энергосберегающие технологии Революционные преобразования в хранении и обработке информации, индивидуальные банки данных, доступ в глобальную информационную систему, самообучающиеся автоматы, автоматические системы на ос но вс искусственного интеллекта
Источники: Браун Аннелиэе, Хайдель Вальтраут. Хюбнер Вернер н др.
Микроэлектроника — ключевая технология.
тие электронной тсхннкн в России” направлена на поддержку базовых предприятий электронной промышленности, представляющей собой крупнейший научно-производственный комплекс. Следующий этап программного планирования — реализация аппаратурно ориентированного интеграционного подхода, который позволит, опираясь на базу электронной промышленности, развивать технологические решения микроэлектроники в рамках единого технологического цикла с ведущими предприятиями приборных отраслей (радиопромышленность, промышленность средств связи, авиационная, судостроительная, ракетно- космический комплекс), а также единый межотраслевой технологический комплекс, на выходе которого — ис только элементная база, ио и устройства и приборы новых поколений. “Сквозной маршрут” создания микроэлектронной аппаратуры уже освоен в ведущих приборостроительных отраслях. В Минатоме России действует целевая комплексная программа “Микроэлектроника, средства вычислительной техники и автоматизации”. К одним из се важнейших достоинств относятся внедрение комплексной технологии реализации и управления программами и проектами, увязанных по всему жизненному циклу конечной продукции от проведения иаучно-исследовательских работ до выпуска и реализации продукции. Этот подход позволяет организациоиио-экоиоми- чески увязать и взаимно заинтересовать научные институты и промышленные предприятия, сократить сроки внедрения научных результатов в производство, а также резко сократить совокупные затраты иа реализацию проектов.
Базовые технологии электроники, обеспечивающие мировой уровень элементной базы, служат основой создания функциональных электронных устройств Это суперЭВМ сверхвысокой производительности, графические станции, средства автоматизации, телекоммуникационные системы, сети связи и передачи данных иа основе волоконной оптики, а также товары народного потребления электронного профиля (аудио- и видеосистемы, телевизоры и др.) и сложная медицинская техника.
Пример микроэлектроники ие единичен; ои характерен для всего комплекса ключевых технологий. Наиболее точно интеграционный подход соответствует специфике и успешно реализуется в функцио- нально-ориентированной СВЧ-электроиике. Реализация программных мероприятии по всем направлениям микроэлектроники позволит обеспечить выпуск современной наукоемкой продукции с высоким экспортным потенциалом в техническом и качественном отношении соответствующей мировому уровню (а по отдельным технологиям даже превосходящей его). Высокая конкурентоспособность иа мировом и внутреннем рынках будет достигнута за счет существенного повышения качества, снижения себестоимости и трудоемкости, расширения областей применения, совершенствования массо-габаритных характеристик, повышения надежности и экологичности.
Создание высокоэффективного, с точки зрения экономики, технологического базиса микроэлектроники возможно только при условии развития всей инфраструктуры технологического обеспечения (сверхчистые производственные помещения, особо чистые материалы, прецизионное технологическое н аналитическое оборудование, системы автоматического управления производством).
В утилитарном плане при создании технологической системы необходимо учитывать демографические показатели, такие, как общая численность, распределение по регионам, возрастная структура, структура профессионала ой подготовки и образования, занятость, распределение доходов иа душу населения, обеспеченность тем или иным видом товаров и услуг и т.д. Наличие и учет этих показателей позволяют определить тот или иной главенствующий фактор для развития определенного вида товара, организации новых производств и т.п. Следует также учитывать, что микроэлектроника создаст элементный базис для систем электронизации общества, ведущей к облегчению условий труда, повышению уровня образования, улучшению условий жизни и отдыха, интеллектуализации всего общества. Необходимо также учитывать исторические традиции и культурные ценности общества, на-
Рис. 8. Влияние развития микроэлектронного базиса на экономику и социальную сферу
циональные и религиозные особенности. В истории известно достаточно примеров, когда традиции и сложившиеся в обществе представления сдерживали нововведения. Задача состоит в том, чтобы с учетом этих особенностей и соответствующей трансформацией общественного сознания ускорять нововведения. На рис. 8 представлена разработанная в рамках данной работы схема алияния развития микроэлектронного базиса на социальную сферу и экономику, позволяющая установить в рамках общей экономической системы основные связи, определяющие взаимное развитие микроэлектроники и отраслей экономики и социальной сферы.
Человечество к настоящему моменту осознало, что человеку как биологическому виду грозит вымирание в случае неограниченного развития его нерациональной производственной деятельности. Большинство современных технологий оказывают вредное воздействие на среду обитания человека и иа непосредственных участников технологического процесса, поэтому при отработке любой технологии важнейшим моментом является проведение полного описания загрязняющего действия технологического процесса и разработка адекватной системы нейтрализации этого воздействия, а также системы мероприятий защиты и восстановления. Преодоление сложившихся в обществе стереотипов “ужасной вредности” микроэлектронных производств является одной из важнейших задач при формировании технологической системы микроэлектроники Экологический аспект относится ис только к производственной сфере, ио и сфере применения; в некоторых случаях чрезмерное использование может оказать более пагубное действие, нежели сам процесс производства. Комплексное определение социально и биологически допустимых уровней ущерба, наносимого среде обитания и генофонду, должно стать основой обязательных ограничительных факторов развития технологий. По своей технической сути микроэлектронные технологии неизбежно приведут к внедрению понятия “экология изделия”, и решение задачи устранения самозагрязнсния “автоматически” решит и проблему защиты окружающей среды.