Оглавление
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
Так, в НПП «Электронное специальное технологическое оборудование», одной из немногих компаний, занятых в России разработкой и изготовлением различных установок для производства электроники и микроэлектроники, разработана установка сухого травления, называемого также плазменным, которая обеспечивает получение самых высоких проектных норм. То есть эту задачу мы уже решили.
Что касается машины для фотолитографии, то несколько лет назад коллектив ученых из Института физики микроструктур (ИФМ) РАН в Нижнем Новгороде под руководством члена-корреспондента РАН Николая Салащенко совместно с группой разработчиков из Института спектроскопии РАН во главе с ведущим научным сотрудником Константином Кошелевым разработали ключевые элементы EUV-фотолитографа для производства микроэлектроники с самыми высокими проектными нормами: рентгенооптики и источника излучения — в интересах той самой ASML, о которой рассказывает Эзелла. В ИФМ был даже создан собственный демонстрационный образец такой установки. К сожалению, эти работы были остановлены. По мнению Николая Салащенко, стало понятно, что «страна не может потянуть эту работу в одиночку. Ведь Голландии фактически помогает весь мир». Но ученые не прекратили поиски более простого решения этой задачи.
Наш журнал уже рассказывало 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.
Директор Ассоциации разработчиков и производителей электроники Иван Покровский
АРПЭ
Иван Покровский
В одной лодке
Гигантский разрыв в производстве микроэлектроники между Китаем и Россией (в частности, по инвестициям в отрасль — на порядок, если не больше) не означает, что России нечего ему предложить. По многим направлениям электронной науки и технологии в России сохранились и продолжают развиваться серьезные научные школы при полной потере многих отраслей промышленности, которые необходимы для реализации достижений этих научных школ. Еще несколько лет назад президент Европейского отделения международной организации SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International) Хайнц Кундерт говорил в интервью журналу «Эксперт»: «Я знаю многих русских специалистов, некоторых на протяжении долгих лет. Они хорошие ученые, у них хорошие технологии. У Китая нет такой истории микроэлектроники, как у России. Поэтому положение России гораздо лучше, чем положение Китая. Они только начинают изучать отрасль, а у вас уже есть хорошие университеты и научные школы». При этом Кундерт упрекал российское правительство в недооценке значимости микроэлектроники для развития современной экономики. Появление стратегии говорит, что, возможно, наше правительство наконец задумалось об этом.
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
Союзниками России в области развития микроэлектроники могли бы стать и другие развивающиеся страны. Странным образом представленная стратегия и «рабочая карта», в которых о таком сотрудничестве не упоминается, находятся в противоречии с заявленными намерениями развития систем 5G, а ведь ключевым элементом этих систем является микроэлектроника. Об этом говорил в интервью для общей статьи «Стимула» и «Эксперта» «Это сладкое слово 5G» начальник департамента радиоэлектронной промышленности Минпрома Василий Шпак: по его мнению, нам может помочь то, что большое количество стран в силу разных соображений не хотят попасть в зависимость от производителей оборудования, политически подконтрольных или США, или Китаю. Олигополия на рынке оборудования для сетей 5G не нравится многим политикам разных стран и многим операторам связи. «В этих условиях Россия может построить свой технологический контур телекоммуникационного оборудования 5G с участием этих третьих стран на принципах открытых стандартов OpenRAN. То есть России надо разрабатывать это оборудование не только для себя, но потенциально и для их рынка. Разрабатывать на принципах взаимности и кооперации. Например, на обязательстве не только развернуть связь у них на этом оборудовании, но и организовать его производство в этих странах».
Конечно, в этом случае мы вступим в конкуренцию с тем же Китаем, но, видимо, некое сочетание сотрудничества и конкуренции во взаимоотношениях с Китаем неизбежно.
Генеральный директор компании «Миландр» Михаил Павлюк
Дмитрий Лыков
Именно такой подход: завоевание новых рынков, и под это формирование планов развития микроэлектроники — только и может быть основой развития микроэлектроники, считает генеральный директор компании «Миландр» Михаил Павлюк: «Моя идея такая. Нужно нацелить промышленность на какой-то продукт, который в мире сегодня очень популярен и рынки которого еще не заняты. Тот же электромобиль, к тому же беспилотный. А его развитие потребует развития и спутниковой связи, и систем 5G».
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.
Фотолитографическая машина в крайнем ультрафиолетовом диапазоне нидерландской фирмы ASML
ASML
Часто задаваемые вопросы
Сапфировые подложки
Отвечая на вопрос контролирования России рынка сапфировых подложек и остальных компонентов для производства процессоров: сапфировые подложки для микросхем вышли из активного употребления в военной микроэлектронике примерно тридцать лет назад. В гражданской микроэлектронике они никогда широко не использовались. Россия не обладает никакими возможностями давления на мировую микроэлектронику через запреты на экспорт какой-то своей продукции.
Неон
Злободневный вопрос по поводу самого критичного компонента микроэлектронного производства, поставленного под угрозу действиями России — неон. Крупнейшие поставщики очищенного промышленного неона — компании «Ингаз» (Мариуполь) и «Криоин» (Одесса). Обе эти компании сейчас не работают, а до войны активно применяли российское сырье. Прекращение поставок этого сырья вынудит потребителей искать других поставщиков, вероятно более дорогих. Но никакими принципиальными проблемами мировому рынку эта ситуация не грозит, потому что ведущая роль российского сырья была обусловлена его дешевизной, а не эксклюзивностью.
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-первых, современные производители оборудования прошли огромный путь в десятки лет, улучшая и совершенствуя свое оборудование. Для примера, голландский производитель фотолитографического оборудования компания ASML потратила около 15 лет, чтобы довести до ума установку EUV. Первый прототип был поставлен в IMEC (где я тогда работал) в начале двухтысячных, а на рынок она вышла несколько лет назад (это я еще не знаю, сколько времени у них заняло первый прототип сделать). Это при том, что у ASML огромный опыт в разработке и производстве машин фотолитографии и их R&D бюджет составляет порядка миллиарда евро в год (я думаю, львиная доля этого бюджета уходила и уходит на EUV).
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.
Оборудование
Производство микросхем является непростой задачей, но благо у человека имеются те технологии, которые максимально упрощают задачу производства. Несмотря на сложность, ежедневно выпускается огромное количество микросхем по всему миру. Они постоянно совершенствуются, приобретают новые особенности и повышенные характеристики. Как же появляются эти маленькие, но умные системы? В этом помогает оборудование для производства микросхем, о котором, собственно, говорится далее.
При создании микросхем используются системы электрохимического осаждения, камеры отмывки, лабораторные окислительные камеры, системы электроосаждения меди, фотолитографическое и другое технологическое оборудование.
Фотолитографическое оборудование является самым дорогим и точным в машиностроении. Оно отвечает за создание изображений на кремниевой подложке для выработки намеченной топологии микросхемы. На тонкий слой материала наносится фоторезист, впоследствии подвергающийся облучению фотошаблоном и оптической системой. В процессе работы оборудования идет уменьшение размеров элементов рисунка.
В системах позиционирования ведущую роль играет линейный электродвигатель и лазерный интерферометр, имеющие часто обратную связь. Но, например, в технологии, разработанной московской лабораторией «Амфора», такая связь отсутствует. Это отечественное оборудование имеет более точное перемещение и плавное повторение с обеих сторон, что исключает возможность люфта.
Специальные фильтры защищают маску от нагревания, исходящего от области глубокого ультрафиолета, перенося температуру за 1000 градусов на протяжении долгих месяцев работы.
Низкоэнергетичные ионы осваивают в нанесении на многослойные покрытия. Ранее эта работа выполнялась исключительно методом магнетронного распыления.
Крокус наноэлектроника
Исходная идея Крокуса – это производство MRAM – магниторезистивной памяти. Не буду углубляться в детали, вкратце – вы получаете энергонезависимую память (как на флешках) которая работает со скоростью оперативки (как DRAM). От этого сочетания слюнки текут у многих, поэтому многие пытались ее сделать (я точно знаю про Sony и Infineon). Проблема оказалось в том, что теоретически все красиво, но в реальности получилось не очень, точнее, получилось, но вот быстродействие оказалось на уровне обычной флеш памяти, а флеш память уже есть, зачем городить еще одну технологию для того, что уже прекрасно работает?
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
· PROFIT!
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 техпроцесу, 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).
В итоге, после долгих мытарств, Роснано продало Крокус одной большой госкорпорации. Они там будут делать квантовые компьютеры. Не спрашивайте меня, что это значит.
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.
Итог
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.
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.
Китай
Сейчас все крупные мировые фабрики экстренно отказались от всех связей с Россией на какое-то время, но совершенно не факт, что это ситуация продлится вечно.
А для Байкалов и Эльбрусов основными крупными заказчиками являются госструктуры. И если американцы захотят следить за тем, чтобы российские госструктуры не получали микропроцессоров, то китайская полупроводниковая фабрика SMIC, являющаяся на данный момент флагманом в континентальном Китае и работающая по большей части на японском и нидерландском оборудовании, не будет сотрудничать с Байкалом и МЦСТ.
Китай в бОльшей степени зависит от мнения Америки, соответственно SMIC скорее всего не будет ссориться с США из-за России, потому что объём экспорта китайских микросхем в Штаты на много порядков больше, чем в Россию. Ничего личного, просто бизнес. Нет никакого экономического смысла сотрудничества с Россией, а риски от этого будут колоссальные.
Таблица с экспортом Китая по странам в долларах США
Итог
В России можно и нужно было делать много хорошего и интересного. Тот же «Байкал» был прекрасным начинанием, и «Миландр» делал много интересного, и, скажем, НИИЭТ начал очень интересное движение с новым директором. Но никому в правительстве и среди частных инвесторов до этого не было дела, пока гром не грянул. Точнее, пока гром не был самостоятельно создан. Хочется в этой ситуации выразить глубокое уважение российским дизайн-центрам, а также всем, кто причастен к развитию микроэлектроники в России. Для процветания современной технологической отрасли нужны люди, нужны доверие и коммуникация с развитыми странами. В нынешнем положении России это находится под вопросом и привлекательность развития этой отрасли в других странах для талантливых инженеров будет наиболее вероятностным итогом.
Процессор новый русской мыслиПроизведен тайваньской фирмойТриумфы в воздухе завислиПрорыв наш оказался ширмой
И больше нет процессоров в РоссииИ нет машин, нет даже поездовТолько война, о ней мы не просилиИ неизвестность будет — сто пудов…
Эта тема закрыта для публикации ответов.