Экстремальный ультрафиолет
Полупроводниковая промышленность берет курс на экстремальный ультрафиолет — технологию для микроэлектроники нового поколения. Разбираемся, быть или не быть чипам техпроцесса 7 нм и кто в игре на этом зарождающемся рынке
Поворот к литографии экстремального ультрафиолета (EUV), с которым связывают очередную перезагрузку рынка полупроводников, начинался предсказуемо. Отрасль, как известно, развивается по закону Мура. В 1965 году Гордон Мур предположил, что число транзисторов на интегральной схеме должно увеличиваться каждые два года, а их размеры — уменьшаться, из-за чего мощность вычислительных устройств будет расти по экспоненте. Основные участники рынка давно ввязались в гонку за рост числа элементов на чипе и уменьшение размеров этих элементов. Пока позволяет физика, они дают закону Мура новые шансы. Цель — совершенствование микропроцессоров и памяти по ключевым параметрам: скорости работы и теплоотдаче. А это и есть главные козыри современной микроэлектроники.
За полувековой период действия закона Мура сменилось более двадцати этапов, на каждом из которых размеры транзисторов уменьшались примерно в 1,4 раза. Сегодняшняя планка миниатюризации, которую покоряют лидеры рынка, — семь миллиардных метра (7 нм) и ниже, в прошлом остаются рубежи 28, 32, 45, 65 нм, а если вернуться совсем к истокам, то в 1971 году нормой считался размер десять микрометров!
Базовая технология уменьшения структур — оптическая литография (DUV, Deep Ultra Violet), использующая длину волны 193 нм, начала буксовать после достижения размера транзистора 45 нм. Препятствие — законы оптики. Ограничение в том, что пучок света невозможно сфокусировать в бесконечно малую точку. Размер этой точки пропорционален длине волны излучения, и это определяет минимальный размер элементов структур, которые производятся при помощи фотолитографии. Чтобы и дальше уменьшать элементы заданного рисунка на пластине, требуется переходить к более короткой длине волны. Производители начали прибегать к всевозможным ухищрениям — в частности, увеличивать количество шагов литографии. Это временно решило задачу дальнейшего уменьшения размеров транзисторов, но технология производства стала слишком сложной и дорогой.
В конце концов появилась идея о замене DUV. В качестве альтернативы рассматривались электронная и ионная литография, трафаретная печать и литография экстремального ультрафиолета (EUV). Ставка была сделана именно на EUV. Этому способствовал сговор крупных компаний из США, Европы, Японии, Южной Кореи и Тайваня, представители которых работают над International Roadmap for Semiconductor Technology (Международный план развития полупроводниковой промышленности). В конце 1990-х годов они убедили всех, что именно литография экстремального ультрафиолета имеет преимущество по соотношению цена–качество и что именно в нее нужно вкладываться.
EUV опирается на длину волны 13,5 нм, за счет чего количество шагов литографии сокращается в разы, соответственно снижается стоимость и повышается производительность процесса. Она дает возможность создавать чипы со структурами 7 нм и открывает перспективы для последующего уменьшения этих элементов до 5 нм, 3 нм, а возможно, и 1 нм. Этому технологическому забегу отводят следующие несколько десятилетий полупроводниковой промышленности. В прогнозе компании TrendForce на 2020 год отмечается, что производству процессоров 7 нм не мешают даже торговые споры США и Китая, а до конца текущего года лидеры представят планы производства уже изделий 5 нм и запуска исследований техпроцессов 3 нм.
Новый рынок
Переключиться на экстремальный ультрафиолет оказалось непросто. Для этого требуется специальное литографическое оборудование, способное работать в коротковолновом диапазоне. Над его созданием работали в разных странах последние двадцать лет. С задачей справилась только одна компания — голландская ASML, в прошлом подразделение Philips.
В 1990–2000 годах на рынке литографического оборудования она конкурировала с японскими «тиграми» Canon и Nikon, которые на заре EUV-революции также заявляли о готовности создавать сканеры для самых передовых техпроцессов, но в итоге не довели cвои замыслы до промышленной реализации. По одной из версий, они не стали форсировать события по экономическим причинам, решив, что если путь сложный, непредсказуемый, да еще и затратный, то первопроходцем быть невыгодно. На эту тему есть и японская мудрость: «В игре всегда проигрывает тот, кто ошибется первым».
По другой версии, монополия ASML на рынке оборудования для экстремального ультрафиолета стала результатом договоренностей больших игроков полупроводникового рынка, которые намеренно придержали на старте японцев, обеспечив мощную поддержку европейской компании.
Так или иначе, в 2012 году американская корпорация Intel, южнокорейская Samsung Electronics и тайваньская TSMC направили 1,38 млрд евро инвестиций именно в ASML, на создание работающего прототипа системы для EUV. Первые образцы тестировал международный микро- и наноэлектронный научно-исследовательский центр IMEC, после чего они были доработаны и проданы TSMC, которая несколько лет испытывала их на реальных производствах.
Так начал формироваться рынок литографии экстремального ультрафиолета. Он сегментировался на компоненты для EUV (фоторезисты, маски, материалы, оптика) и созданные по новой технологии микропроцессоры и память. В настоящее время первый сегмент представляют восемь крупных производителей, в их числе Canon и Nikon, которые не отказались от планов создания EUVсканеров и, по некоторым данным, уже имеют лабораторные образцы, а также еще один японский «монстр» Toshiba, партнер ASML немецкая компания Carl Zeiss и др. Во втором сегменте всего три компании: Intel, Samsung, TSMC. Суммарная капитализация группы компаний, работающих в обоих сегментах, уже составляет почти триллион долларов.
Компания Research and Markets прогнозирует в ближайшие пять лет совокупный рост рынка EUV на 26,9%, при этом потенциал роста сегмента процессоров и памяти, созданных с применением EUV, оценивается в 26,3%. Наибольшие темпы роста продемонстрируют рынки США (30,1%) и Китая (25,9%). Среди европейских стран значительный прирост обеспечит Германия.
Восточный экспресс
Создатели компонентов оборудования — это «рабочие лошадки» рынка литографии экстремального ультрафиолета, а «короли» — производители микропроцессоров и памяти, использующие новую технологию в готовых изделиях. Среди них на пик прогресса забралась уже упоминавшаяся здесь «большая тройка» — TSMC, Samsung и Intel. Еще недавно в одном ряду с ними была фабрика GlobalFoundries («дочка» AMD, владелец Advanced Technology Investment Company, ОАЭ), но в 2018 году ее руководство заявило, что по экономическим причинам отказывается от конкурентной борьбы в секторе EUV и сворачивает разработку технологического процесса 7 нм.
Сегодня тайваньский гигант, которому перешло большинство контрактов после схода с дистанции GlobalFoundries, снимает первые сливки с рынка. Согласно отчетам TSMC, на конец прошлого года в линейке компании было 50 моделей процессоров на основе литографии экстремального ультрафиолета, а к концу 2019 года эта цифра должна удвоиться.
По оценкам аналитиков IC Insights, продажи TSMC во второй половине 2019 года вырастут на 32%, что более чем в три раза превысит средние темпы роста по отрасли, а доходы от реализации продукции 7 нм составят 26% всех доходов, или 8,9 млрд долларов. Эксперты отмечают, что причина такого взлета — растущий спрос на процессоры 7 нм для новых смартфонов Apple и Huawei. Более того, восьми процентов производственных мощностей, которые TSMC отводит под передовые техпроцессы, явно не хватает для удовлетворения аппетитов заказчиков. Впрочем, едва ли у кого возникнут сомнения в том, что тайваньцы сумеют догнать кривую спроса. Они уже строят новые линии не только под актуальный техпроцесс 7 нм, но и под 5 нм, об освоении которого заявили в апреле 2019 года, раскрыв при этом сумму инвестиций: 25 млрд долларов.
В ближайшие годы соперничать с TSMC на равных сможет лишь один тяжеловес — южнокорейский флагман Samsung Electronics. Это не просто фабрика, а уже вертикально интегрированная компания — у нее есть все: и собственные заводы, и научно-исследовательские лаборатории. В конце 2018 года, с отставанием на считаные месяцы от TSMC, компания заявила о запуске производства 7 нм чипов с использованием EUV. А в середине 2019 года, через несколько дней после аналогичного заявления главного конкурента, Samsung удивил всех новостью о полной готовности к выпуску процессоров по 5-нм и 3-нм технологиям. И TSMC, и Samsung явно торопятся опередить друг друга. Эстафету на 7 нм выиграли тайваньцы, но в погоне за 5 нм, сулящими полупроводниковым конвейерам еще более стремительный рост прибылей, вполне может произойти смена лидера. Ожидается, что чипы со структурами 5 нм появятся на рынке в конце 2020 года. Стадии готовности продуктов компании держат в секрете.
Отстает от лидеров американская Intel, у которой так же, как у Samsung, есть и производство, и наука. Компания не жалела инвестиций на раннем этапе EUV. Но американцы застряли на переходе к 10 нм. О своих намерениях выпускать процессоры по технологии 7 нм представители Intel рапортуют регулярно, последний раз такое заявление было сделано весной текущего года. На встрече с инвесторами курирующий инженерные разработки Венкате Рендучинтале заверил, что первые продукты 7 нм компании появятся в 2021 году, а годом ранее Intel порадует рынок процессорами 10 нм. Тем не менее реальных образцов от Intel пока нет.
Экстремально дорого
Затраты на НИОКР и производство в области EUV велики, и это сдерживает инвестиции. По данным компании Gartner, если проектирование микросхем со структурами 28 нм обходится компаниям в сумму от пяти до десяти миллионов долларов, то стоимость разработки систем 7 нм начинается от 120 млн долларов. Полноценная производственная EUV-линия обойдется примерно в шесть миллиардов долларов. Именно столько вложила Samsung Electronics в открытое в 2019 году в городе Хвасоне (Южная Корея) производство чипов на базе EUV. К факторам со знаком «минус» можно отнести и ограниченную доступность литографического оборудования, которое производится в штучных экземплярах стоимостью от ста миллионов долларов.
Так что в противовес закону Мура можно вывести еще одну закономерность: при уменьшении размеров техпроцессов экспоненциально уменьшается и число компаний, желающих в это вкладываться. По крайней мере, на ранних этапах.
Среди потенциальных участников перспективного рынка можно отметить китайскую компанию SMIC, которая в 2020 году только планирует начать производство чипов 12 нм. GlobalFoundries, пока отказавшаяся от перехода на EUV, обещает представить процессор 12 нм только в 2021 году. Пластины с топологией 16 нм выпускает американская фабрика Micron, представители которой не раз публично заявляли, что пока не видят экономической целесообразности в использовании EUV-литографии для производства своего основного продукта — памяти. При этом они не отрицают, что думают о переходе на передовые техпроцессы в будущем и уже приобрели сканер для экспериментов со сверхжестким ультрафиолетом.
Интерес к оборудованию EUV, как отмечает компания ASML, растет. В первом квартале 2019 года было продано четыре EUV-сканера, во втором уже семь, и еще три заказаны в производство. Имена партнеров в ASML не раскрывают. Известно лишь, что пока это не китайские компании. Отношения с представителями Китая у ASML омрачились в 2015 году после скандала с кражей интеллектуальной собственности по EUV-технологиям якобы китайскими сотрудниками, работавшими в то время в голландской компании. Однако в 2019 году производитель оборудования сделал публичное заявление, что по итогам расследования не имеет претензий исключительно к китайцам, хищениями якобы занималась интернациональная команда, в которую входили в том числе американцы. ASML, напротив, рассчитывает на широкую поставку в Китай оборудования для EUV, но прежде желает убедиться, что власти страны усилили законодательство, направленное на защиту интеллектуальной собственности иностранных компаний.
Отечественные нанометры
Российский задел по EUV пока связан прежде всего с фундаментальной наукой и компонентной базой. Исследовательские группы по EUV работают в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН, Институте прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН, НИИ ядерной физики имени Д. В. Скобельцына (МГУ), Институте спектроскопии РАН, Институте физики микроструктур РАН, Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе РАН. В основном они ведут проекты, связанные с источниками EUVизлучения и оптикой для данного спектрального диапазона.
На базе этих групп созданы частные компании, в которых ведется разработка технологий, связанных с фотолитографией экстремального ультрафиолета, и мелкосерийное производство некоторых высокотехнологичных продуктов. Это, к примеру, компания «ЭУФ Лабс», которая разрабатывает технологии промышленных источников EUV-излучения и производит лабораторные образцы. Это «РнД-ИСАН», занятая в спектральном приборостроении. Можно также отметить производство оптических элементов для EUV-излучения на базе Института физики микроструктур РАН в Нижнем Новгороде.
Пока все отечественные продукты для экстремальной фотолитографии — штучные, уникальные изделия, оптимизированные под конкретную рабочую задачу. Сколько их производится, кто их покупает на международном рынке и какой доход они приносят своим создателям — коммерческая тайна.
«У нас нет публичности, поскольку мы работаем на только зарождающемся высокотехнологическом рынке, где все хотят сохранять опережающий потенциал и не демонстрировать направления, которые они считают перспективными, — делится с “Экспертом” директор по развитию “ЭУФ Лабс” Вячеслав Медведев. — Международные патенты есть, без этого существовать невозможно. В нашем маленьком сегменте рынка тоже есть конкуренция. Мы знаем несколько небольших компаний из Штатов, Европы и Японии — они конкуренты именно для нас. Поэтому мы не афишируем, сколько, куда и чего продаем. Кроме того, есть соглашение, по которому мы не имеем права делать себе репутацию на именах своих контрагентов».
Российские производители чипов далеки от покорения планки 7 нм. Доля России на мировом рынке полупроводников не более 0,2%, а минимальный топологический размер элементов, к которому только подбираются наши производители, — 65 нм. Такой технологией владеет фабрика «Микрон», как заявлено на ее сайте.
О планах перехода на новые технологические нормы в августе 2019 года заявило Министерство промышленности и торговли РФ. Оно представило проект стратегии развития электронной промышленности РФ на период до 2030 года, в котором на 2022–2025 годы предусмотрено «освоение производства микроэлектронной продукции на технологическом уровне 28 нм и ниже, а разработки — на уровне 14 нм и ниже». Задач овладеть фотолитографией экстремального ультрафиолета государство перед производителями пока не ставит.
По мнению опрошенных нами экспертов, преодоление отечественными полупроводниковыми компаниями отставания по нанометрам зависит как раз от государства и от общего состояния экономики страны. Российские реалии таковы, что именно в этом секторе государство играет решающую роль в формировании спроса.
«У нас, к сожалению, нет полных производственных цепочек и промышленности, которая массово производит радиоэлектронную аппаратуру: телефоны, ноутбуки, бытовую электронику. Основная причина — нет инвесторов, готовых рискнуть вложить десятки миллионов долларов в подобные проекты при наличии уже налаженных поставок такой электроники из Азии. Соответственно, отсутствует и внутренний рынок, который обеспечил бы гарантированный спрос на процессоры нового поколения. Поэтому ставить целью выпуск самых современных процессоров, не имея всего остального, некорректно. Да и он будет дороже импортных аналогов из-за малосерийности. Если представить, что мы выпустили миллион чипов 7 нм, то куда мы их поставим? У нас нет производства конечных изделий, работающих на этих процессорах. Пойдем на мировой рынок, чтобы конкурировать с Samsung или Intel и их бюджетами и действующими контрактами? Это бессмысленно. У нас есть конкурентоспособная, востребованная промышленностью продукция, в том числе экспортная, но это не процессоры 7 нм. Нужно разрабатывать и производить то, что ты сможешь продать, иначе это просто выброшенные деньги», — считает директор по коммуникациям и связям с органами государственной власти АО «НИИ молекулярной электроники» Алексей Дианов.
Руководитель отдела технической поддержки Baikal Electronics (компания работает в том числе по контрактам с TSMC) Роман Ставцев отмечает, что технология EUV уже перешла из разряда «нечто уникальное» в разряд массового производства, и со временем почти все компании перейдут на ее использование, но он не верит, что в обозримом будущем, скажем в течение десяти лет, российские компании ее освоят. «Наши возможности обусловлены главным образом потребностями отечественного рынка и доступностью этой технологии для компаний из России. Это дорогая технология, и переход на ее использование должен иметь обоснования. Создание EUV-систем, достаточно надежных для того, чтобы они могли работать на фабрике 24 часа в день, 365 дней в году, — невероятно сложный процесс с инженерной точки зрения. Кроме того, само устройство очень громоздкое и требует как особых условий транспортировки, так и наличия определенных мощностей», — считает Роман Ставцев.
По мнению Константина Петросянца, профессора Московского института электроники и математики имени А. Н. Тихонова, отечественной полупроводниковой индустрии нужен хороший импульс, чтобы сократить отставание по введению более современных стандартов производства. Серьезной проблемой при переходе на техпроцессы меньших размеров он также называет приобретение и установку оборудования.
Вице-президент фонда «Сколково», до 2011 года директор по внешним исследованиям российского подразделения компании Intel Николай Суетин оценивает отставание производственного сектора России по данному направлению в восемь-девять поколений. Но сокращение разрыва он считает возможным. «Если в мире это уже сделано, то, очевидно, и у нас реально. Весь вопрос в стоимости и окупаемости. С последним могут быть проблемы. Кроме того, в настоящее время закупить необходимое оборудование тоже будет непросто. Об инвестициях можно будет рассуждать, когда будет сформулировано техническое задание на создаваемое производство», — комментирует Николай Суетин.
Как бы ни был дорог EUV-процесс, рано или поздно вся полупроводниковая промышленность в мире перейдет на использование новой технологии — большинство экспертов в этом не сомневаются. Поймает ли волну нового ультрафиолета отечественная индустрия, вопрос пока открытый. Однако запрос на новые суперпроизводительные устройства — смартфоны ли это или оборудование для интернета вещей — точно повысит планку производительности чипов. Стратегические успехи России в этой области зависят не только от поддержки Минпромторга, но в целом от лояльности законодательства отечественным производителям, приумножения научно-технических кадров в уже имеющихся НИИ, а также инвестиций и льгот, без которых на рентабельность выйти никак не получится.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl