В России создадут собственные литографы, поможет ли это отечественной микроэлектронике?

Дисклэймер

^{Всё далее изложенное - не более чем моё личное мнение и мои наблюдения. Я хотя и не имею прямого отношения к отрасли, по основному образованию не иначе как «инженер-специалист проектирования и технологии радиоэлектронных средств», а значит в вопросе что-то да понимаю, но, безусловно, могу и заблуждаться, как минимум потому как с профессией напрямую не связан уже много лет.}

В чём, собственно, проблема?

Главная наша проблема в том, что "вдруг оказалось", что Россия не способна производить современные чипы. Говоря начистоту вообще производить в массовых объёмах электронику для РФ оказалось затруднительно, но сейчас речь про полупроводники. Под видом "импортозамещения" предлагалось развивать "fabless-модель"...

«А что такого, это лучше чем ничего, вон Broadcom или ARM Limited вообще фабрик не имеют, но распространены по всему миру...»

Да, разумеется, это про последние "Байкалы" и "Эльбрусы". Вообще, например, Эльбрус-4С (65 нм) в Зеленограде даже какое-то время производили, но новые процессоры, которые проектировали под 28 нм техпроцесс, заказывали уже у тайваньской TSMC. А потом почему-то для многих стало неожиданностью, что, оказывается, Тайвань себя Китаем вовсе не считает (на самом деле всё ещё веселей, они наоборот считают себя единственным настоящим Китаем, но сейчас и не о об этом тоже). Так или иначе, получилось, что влияние штатов на этот маленький остров оказалось достаточным чтобы они отказались вообще от всех заказов для РФ.

Вот вам и весь "fabless".

Насколько всё же глубока эта кроличья нора?

После всех этих замечательных новостей, надежды оставались уже на чисто китайскую SMIC. Только вот у китайцев тоже до сих пор нет собственного оборудования для передовых техпроцессов. Речь о тех самых литографах, о которых упомянуто в заголовке, и хотя в случае нашей промышленности речь идёт именно о "степперах", современные установки правильней называть "сканерами". Как всем интересующимся уже, полагаю, известно - основная загвоздка в том, что топология самых современных чипов выполняется с настолько маленьким размером элементов, что проецирование рисунка нужного размера на подложку уже практически невозможно с помощью "традиционных" источников света из-за дифракционного предела. Техпроцессы "на острие науки" нынче используют EUV-фотолитографию (т.н. фотолитография в глубоком ультрафиолете), а она требует особых источников света с длинной волны приближающейся к рентгеновскому спектру, что в свою очередь предъявляет особые требования к используемому фоторезисту, а также требует специальной оптики и т.д. и т.п...

Чтобы было понятно насколько это наукоёмкий процесс, рекомендую почитать следующие материалы:

1. В общем про микроэлектронное производство (там вообще аж три статьи, в которых много интересного) и про современные проектные нормы.

2. Про рентгеновскую оптику.

3. Про сами лазеры: раз и два.

У нас на данный момент нет ни готовых собственных коммерческих лазеров, ни оптики, не то что готовых литографов...

Передовые сканеры для подобных технологий на данный момент производит только нидерландская ASML и свою топовую продукцию они кому попало не продают, т.к. вовсю работают со штатами, а значит под риском санкций ничего продавать ни Китаю, ни России не будут (про то как SMIC пытались купить новую установку и что из этого вышло есть даже отдельная история). Это значит, что быстро нарастить собственное производство Китай тоже не может.

Хуже того, некоторые СМИ сообщают, что американцы уже обращались и к китайским компаниям (в частности SMIC и Lenovo) c просьбой отказать России в сотрудничестве. Но, судя по последней риторике Китая и их отношениями со штатами, гораздо большей проблемой может стать то, что для SMIC сейчас собственный рынок будет приоритетней, чем экспорт в РФ (не забываем про мировой дефицит полупроводников).

Как я уже написал выше - у самой SMIC банально нет возможности быстро создать производство по передовым технологиям. На их фабриках на данный момент доступны следующие техпроцессы (также приведён процент по выручке за третий квартал 2021):

* Данные по мощностям весьма наколеночные (кроме 14/28 нм), поскольку на своём сайте SMIC указывает производительность каждой фабрики и доступный для производства на ней диапазон, по факту там получается несколько больше.

И хотя данные не точны, из этих соотношений следует простой факт - основную часть прибыли для SMIC до сих пор создают "устаревшие техпроцессы", что, в свою очередь означает, что большая часть их мощностей до сих пор производит чипы по тем самым устаревшим техпроцессам из нижней части таблицы...

Вообще-то есть сообщения, что SMIC собирается улучшить свою 14 нм линию и в результате они смогут производить чипы по улучшенному техпроцессу, якобы «эквивалентному 8 нм от Samsung», причём всё это без использования оборудования ASML. Только вот по новостям от самой SMIC предназначаться это производство будет для «дешёвых чипов» (надо полагать речь, например, о памяти), а кроме того, эта единственная линия ситуацию никак не изменит и, как можно заключить из текущих объёмов производства, даже без всяких санкций воспользоваться их 14/28 нм нам вряд ли светит, по крайней мере в ближайшее время - Китай будет в первую очередь удовлетворять собственные потребности в полупроводниках.

Кто в во всём этом виноват, решите сами. В целом, если осмотреть трезвым взглядом промышленность страны, можно догадаться. Тем не менее, я считаю что невзирая на общую картину не малая в этом вина и тех, кто убеждал людей принимающих решения в том как хорош fabless.

Так или иначе, имеем то что имеем. Чтобы создать производство современных чипов нужны не только литографы, нужно различное вспомогательное оборудование, нужно изготавливать сами маски для этих степперов, что тоже крайне дорого, в конце концов нужно ПО для всего этого, ну и т.п.

Когда в вопросе начинаешь разбираться, выясняется, что какое-то оборудование для производства чипов у РФ всё же есть, но тут очень много всяких "но".

Если судить по открытым данным, фабрик, способных производить чипы по техпроцессам ниже 90 нм у нас в лучшем случае всего пара. Причём одно из них - Crocus Nano Electronics, судя по их сайту, по техпроцессам 90/55 нм может производить только MRAM, что хоть и прикольно само по себе, но применимость подобной памяти, надо полагать, сильно зависит от её особенностей, да и одной памятью всех потребностей никак не закрыть. Вторая фабрика это Микрон с его «ФАБ 200» и 65 нм.

Вообще про Микрон писали, что литограф, который им удалось купить несколько лет назад это PAS 5500/1150C от ASML и в его характеристиках заявлены нормы ≤ 90 нм, но благодаря модернизации удалось получить 65 нм.

Ещё есть бывший «Ангстрем-Т» (ныне «НМ-Тех») на оборудовании которого вроде как была возможность выпускать чипы вплоть до 90 нм. Но после всех злоключений и банкротств ещё непонятно когда эту линию наконец запустят, так что её вообще нет смысла учитывать.

Пусть суммарно Микрон с Крокусом дадут, в лучшем случае, 7000 пластин в месяц. Просто для сравнения одна только Fab-15 у TSMC по некоторым сообщениям может выдавать до 100 000 пластин в месяц (а теперь посмотрите сколько всего у TSMC фабрик и начнёте понимать масштаб проблемы). Причём, это даже без учёта того что у Микрона пластины 200 мм, а у TSMC 300 мм, т.е. разрыв в количестве продукции ещё более существенный, чем может показаться на первый взгляд (иначе говоря там пропасть, а не разрыв, но об этом мы поговорим далее).

Естественно, одной микроэлектроникой дело не ограничивается. Как все мы знаем, несколько лет назад у нас будто бы начали активно проводить политику "импортозамещения". Результатом этой политики стало обогащение причастных и какие-то показательные единичные "успехи". Почему я пишу об этом в таком ключе? Потому что с этой ситуацией я столкнулся сам ещё когда работал в отрасли. А очень кстати, в начале этого года хабраюзер @zatim написал весьма наглядную статью, иллюстрирующую положение дел по "импортозамещению" радиокомпонентов сейчас. Когда я её читал, меня не покидало ощущение что некоторые абзацы он, что называется, "с языка снял". Короче, ситуация с прошлого десятилетия особо не поменялась. Впрочем, думаю тут ни для кого это новостью не является, ресурс всё-таки почти профильный.

Ну и раз уж вспомнили "импортозамещение", несколько лет назад была ещё одна "великолепная" история, связанная с моим любимым Роснано. Помимо "традиционной" масочной фотолитографии, существует ещё перспективное направление безмасочной многолучевой литографии. Там есть свои плюсы и минусы, но в целом технология, похоже, будет развиваться. Так вот, в 2013-м году это самое Роснано вложило 40 млн. евро в компанию Mapper Lithography и если верить рассказу одного из участников процесса, основным условием было только то «что завод будет построен в России». Условие-то замечательное, только вот уже в 2018 компания была признана банкротом, а интеллектуальные права выкуплены ASML. Вот такое у Роснано «инвестирование».

Вообще-то интересно, что случилось с самой фабрикой, ведь производство Mapper Lithography располагалось там же, где находится Crocus Nano - в Технополисе «Москва» на территории бывшего завода АЗЛК, хотя судя по всему Crocus начинали раньше, но, имхо, было бы разумно с их стороны выкупить мощности разорившейся компании...

...

Как можно судить по комментариям, в сообществе сейчас царит почти тотальный пессимизм касательно отечественной полупроводниковой отрасли. В целом, из описанного выше, я думаю, можно понять почему.

Не всё так плохо, как кажется на первый взгляд

Итак, хорошие новости всё же есть и, в принципе, их достаточно чтоб не впадать в панику, и не вопить что «нас ждёт каменный век», как это сейчас происходит повсеместно в комментариях.

Итак, мы наконец добрались до новости из заголовка. В России наконец-то озаботились разработкой собственных литографов. И это уже не просто разговоры, а два конкурса Минпромторга на разработку отечественных установок для печати микросхем на кремниевых пластинах (первый с уровнем топологии до 130 нм, второй — до 350нм), которые прошли осенью 2021 года и по ним уже определён поставщик.

Минуса тут два - самый очевидный в том, что готовы опытные экземпляры для 130 нм будут только через четыре года, а второе это то что подложки там планируется использовать не больше 200 мм. Понятно, что при плохом сценарии нам ждать минимум ещё лет шесть в лучшем случае до запуска производства на собственном оборудовании. Это, конечно паршиво, но всё же лучше чем ничего.

С другой стороны, в конце 2020-го года стало известно, что Китайский производитель литографических установок Shanghai Micro Electronic Equipment уже к 2023-му году обещает начать производство собственных литрографов для 28 нм техпроцесса. А "степперы" для 90 нм техпроцесса доступны уже сейчас. Таким образом, для каких-то срочных задач мы можем начать строить линии уже сейчас, пусть и на китайском оборудовании, вопрос только в деньгах. Если представить, что в экстренных условиях РФ будет способна построить свои фабрики на китайском оборудовании за два года (а я не вижу объективных причин для обратного), то получается уже к 2025-му году мы сможем производить чипы с 28 нм топологией и это уже не выглядит катастрофой.

Отдельно хочу попросить вас, товарищи, давайте не будем пускаться в размышления в духе «это технологии десятилетней давности, а через три года мы отстанем ещё лет на десять». В реальности всё не так просто и даже у топовых производителей прогресс сейчас существенно замедлился, так что при хорошем сценарии мы, конечно, будем отставать, но уже не так фатально, кроме того у нас наконец-то появится своя база для дальнейшего прогресса. Кроме того, есть существенные аргументы в пользу того, что дефицит полупроводников, который уже всем набил оскомину, не закончится ни в этом году, ни в следующем - в том числе и потому что Россия и Украина были одними из крупнейших поставщиков неона во всём мире. Неон это инертный газ, необходимый для полупроводниковой промышленности, а сейчас с этим экспортом будет понятно что.

Ну а всё-таки, что мы можем производить уже сейчас, если «прям припрёт»?

Чтобы попробовать прикинуть (очень примерно, естественно) сколько продукции можно производить на текущих мощностях, для примера зададимся параметрами того, что мы имеем сейчас.

• Эльбрус-4С имеет кристалл площадью 380 мм²

• На пластину диаметром 200 мм влезет, грубо, 70 таких чипов (по краям чипы не размещают)

• На мощностях Микрона (техпроцесс для Эльбрус-4С) судя по открытой инфорации можно выпускать максимум до 4000 пластин в месяц

При таких вводных и выходе годных, условно в 80%, теоретически (!) можно производить до 224 тысяч (!) чипов в месяц. И это, как вы уже, надеюсь, поняли, без учёта микрочипов, которые можно выполнять по более грубым проектным нормам. В принципе, это конечно, не мировые масштабы, но нам и не надо сейчас соревноваться с TSMC, нам бы собственные потребности покрывать для начала.

Тут кто-то возразит мол «как же закрыть потребности устаревшим железом, оно же медленное», приводя в пример недавние пассажи "специалистов", которые изрекали перлы в духе «мы удивлены что оно вообще работает». Падение качества ПО - это отдельная больная тема, надеюсь сообществу это хорошо известно. И уж точно не тем ребятам, которые развивают кучу ПО, но ни одно не делают действительно качественным, говорить о том что они удивлены. Я, признаться, до сих пор каждый раз когда пользуюсь их продуктами удивляюсь, что оно каким-то чудом работает.

Нормально пишите - нормально будет.

Обратите внимание, тут не идёт никакой речи об окупаемости (вот, кстати, занимательные расчёты на эту тему). Я надеюсь, до всех уже дошло, что мы сейчас не в том положении и это не та отрасль, в которой вообще приемлемо на данный момент говорить о какой-то прибыли. Лет через пять обсудим этот вопрос.

Кстати, на этом хорошие новости не заканчиваются. Дело в том, что объективно неверно называть оборудование для производства 90-65 нм окончательно устаревшим. Тонкий нюанс заключается в том, что в этом оборудовании используется источник излучения с длиной волны 193 нм, но с помощью различных технологических ухищрений (двойная экспозиция, шаблоны с фазовым сдвигом, иммерсионная литография и т.п.) можно добиться повышения разрешения вплоть до 22 нм, хотя и со значительным снижением процента годных чипов.

Для лучшего понимания ситуации в завершение приведу немного статистики.

Самых свежих данных найти не смог, но на конец 2020-го года распределение производственных мощностей по миру выглядело следующим образом:

Также приведу примеры чипов, на которые мы вынуждены ориентироваться и техпроцессы по которым они изготавливаются, чтобы было хотя бы примерное понимание картины.

* Выбор чипов в таблице почти произволен и ни на что не намекает.

Вместо заключения

Не следует считать, будто мы находимся в технологическом вакууме. К примеру у нас есть даже собственные разработки в области тех самых рентгеновских лазеров: вот, например, опытная установка в Институте Ядерной Физики в Новосибирске.

Ещё у нас, например, есть MultiClet, тоже весьма интересная разработка (вот статья о том что это такое вообще), хотя новостей от них давно не было (надеюсь у них всё хорошо). На мой взгляд это отличный кандидат для инвестиций.

Да и вообще-то в принципе, много чего интересного у нас делают, те же Байкалы...

Моё мнение таково - сейчас наше правительство, наконец должно прозреть. Деньги у нас пока есть, и судя по тому что запад не отказывается от закупок наших углеводородов, по крайней мере какое-то время деньги ещё будут. И если сейчас направить эти деньги в нужное русло - в промышленность, в разработки, на зарплаты инженерам (что особенно важно), то мы можем действительно стать полноценной технологической державой, а не декорацией с артефактами советской цивилизации.

Какое будущее нас ждёт - зависит от нашего с вами подхода, от того что мы будем делать дальше. Я уверен, если все причастные (а где их больше, чем на Хабре?) будут смотреть на это как на вызов - у нас всё получится. Если же вместо этого единственным механизмом регуляции экономики так и останется жонглирование ставкой, а специалистам не начнут наконец-то платить вменяемые зарплаты - тут уж сами додумайте.

_{P.S. Новому WYSIWYG-редактору я со всей силы желаю сгореть в аду.}