Добиться полного самообеспечения потребностей своей страны полупроводниковыми чипами — пожалуй, мечта любого государства, особенно в наши неспокойные времена. От обороны и космоса до искусственного интеллекта и электронных гаджетов — чипы требуются буквально везде. Однако такую задачу, по причине её невероятной сложности и дороговизны, на данный момент в мире не сумел выполнить никто: ни США, ни Китай, ни Европа, ни Япония. Так что нравится не нравится, а современная полупроводниковая промышленность — история глобальная.
Недостаток этого очевиден: отсутствие самодостаточности в случае кризиса может привести к дефициту чипов в той или иной стране, а то и во всём мире в целом. Но у целого ряда стран есть и весьма эффективное средство защиты своих интересов: практически полный контроль в тех или иных категориях производственной цепочки.
Возьмём Японию. Эта страна не производит ультрапередовые фотолитографы экстремального ультрафиолета (EUV): на это способна одна-единственная в мире компания, нидерландская ASML. Однако японская компания Tokyo Electron является монопольным поставщиком установок нанесения фоторезиста/проявки для таких литографов. Поэтому фотолитографический EUV кластер может работать только при условии голландско-японского сотрудничества. Более того, японские производители TOK, JSR и Shin-Etsu являются мировыми доминантами в области поставок продуктов чистой химии, в том числе фоторезистов. Без этих химикатов ни один фотолитограф работать не сможет.
С другой стороны, как следует научиться управляться с фотолитографическими кластерами и отработать производственные техпроцессы — дело очень непростое. Главный исследовательский и учебный центр по этой части располагается в бельгийском городе Лёвен. Речь идёт о знаменитом IMEC, буквально нашпигованном самым передовым оборудованием для производства микросхем со всего мира.
А что американцы? Высокотехнологические компании этой страны прежде всего налегают на разработку систем автоматического проектирования (САПР) микросхем и на разработку самих микросхем. Три американских разработчика САПР: Cadence, Synopsys и Siemens EDA (бывшая Mentor Graphics) контролируют три четверти мирового рынка такого софта. Без использования тех или иных инструментов проектирования этих компаний создать сегодня передовую микросхему попросту невозможно.
По части разработки микросхем американские компании также мировые лидеры: Qualcomm, Broadcom, Nvidia, AMD, — список таких компаний очень длинный. Физическое производство спроектированных микросхем американцы предпочитают передавать на аутсорс тайваньским контрактным производителям, прежде всего TSMC.
Кстати, Тайвань недаром называет свою полупроводниковую промышленности «кремниевым щитом», намекая, что в случае обострения отношений с материковым Китаем западным странам, и прежде всего США, хочешь не хочешь, а придётся этот остров поддержать. Ведь порядка 90% ультрасовременных логических микрочипов, изготавливаемых по техпроцессам в несколько нанометров с использованием EUV фотолитографов, приозводятся именно силами TSMC.
Конечно, кроме TSMC чипы по «тонким» техпроцессам производят Samsung Electronics и Intel, но их объёмы и ассортимент не идут ни в какое сравнение с тайваньским передовиком. Строительство современной полупроводниковой фабрики занимает несколько лет и обходится в несколько десятков миллиардов долларов. Да и никто, кроме TSMC, так эффективно эти фабрики строить не способен. И это не говоря о сотнях тысячах высококвалифицированных специалистов. Так что заменить тайваньцев попросту некем.
Корейцы тоже смогли обеспечить своё место под полупроводниковым солнцем. Во-первых, Samsung Electronics является единственной компанией, способной хоть в некоторой степени конкурировать с TSMC в области контрактного производства передовых логических чипов. Ведь Intel сфокусирован на производстве прежде всего собственных микросхем, разработанной на х86 архитектуре, тогда как контрактные заказчики свои микросхемы разрабатывают прежде всего на архитектуре британской Arm. Поэтому выбор для бесфабричных компаний, желающих обзавестись ультрапередовыми чипами, фактически сводится к выбору между TSMC и Samsung.
А вот в том, что касается компьтерной памяти, как DRAM (оперативной), так и NAND (постоянной), здесь южнокорейские Samsung Electronics и SK Hynix впереди планеты всей: около двух третей мирового производства этих устройств приходится на долю двух корейских передовиков, а если говорить об ультрапередовых микросхемах HBM (модификация DRAM с высокой пропускной способностью), ключевых компонентов для графических карт искусственного интеллекта., то и того больше.
А какова ситуация в России? Что мы делаем такого сейчас или можем сделать в будущем, без чего мировая полупроводниковая промышленность обойтись не сможет? Прямо сейчас мы являемся одним из мировых лидеров по производству инертных газов: неона, аргона, гелия, криптона, ксенона. К примеру, уже сейчас Россия способна обеспечить четверть мировой потребности в неоне. В последние годы был достигнут недюжинный прогресс в повышении степени очистки инертных газов до уровня, необходимого полупроводниковой промышленности.
Где конкретно применяются инертные газы в полупроводниковом производстве? Гелий — ключевой материал в охлаждении полупроводниковых пластин при высокотемпературных процессах, таких как травление и осаждение. Ксенон, аргон и неон — незаменимы при изготовлении эксимерных лазеров для фотолитографов глубокого ультрафиолета.
Микросхемы космического класса стараются изготавливать не на обычных подложках из монокристаллического кремния, а на более продвинутых системах, таких как кремний-на-изоляторе и кремний-на-сапфире. Это делает микросхемы более устойчивыми к воздействию космических лучей. А кто яавляется безусловным мировым лидером в производстве синтетических сапфировых подложек? Конечно наш ставропольский завод «Монокристалл». Не говоря уже о том, что сапфировые подложки вовсю применяются в производстве светодиодов, а сапфировое стекло защищает экраны фотокамер смартфонов и циферблаты смарт-часов (высокого класса, разумеется).
Следует отметить и наши успехи в разработке оригинальных фотолитографов экстремального ультрафиолета (EUV). Наш передовик в этой области, нижегородский Институт физики микроструктур не просто идёт по следам мирового монополиста, нидерландской ASML, а реально «идёт своим путём». Ведь ASML импользует чрезвычайно сложные, дорогие, громоздкие и энергоёмкие машины, работающие на оловянном источнике 13,5 нм излучения. Наши учёные предложили гораздо более экономичное решение на основе ксенонового источника 11,2 нм излучения. Менее производительный, но зато более недорогой фотолитограф вполне способен поменять правила игры на мировом полупроводниковом рынке.
Конечно, для этого его нужно сначала сделать. Но наша машина уже давно существует не только на бумаге. Уже изготовлены и многослойные зеркала (основа оптической системы), и фильтры, и высокотехнологичная защитная плёнка, и стенд ксенонового источника излучения. Можно только представить, сколько будет желающих из самых разных стран мира обзавестись такой техникой после её появления. Ведь ASML сейчас устанавливает просто космические цены на свои EUV машины (сотни миллионов долларов за единицу) и к тому же продаёт их далеко не всем желающим.
В общем, возможность порадовать собственную микроэлектронику, а заодно и мировую, у нас есть. Будем надеяться, что эта радость не заставит себя долго ждать.
Статью про техпроцессы микросхем для космоса можно прочитать в премиум-разделе канала «Фотолитограф»: