Микроэлектронные макрориски*

То, что Россия отстала от мировых «передовиков производства» в микроэлектронике, не секрет. Учитывая, что без чипов сегодня не обходится ни одна отрасль народного хозяйства, включая оборонный сектор, отсутствие собственного производства чревато серьезными проблемами вплоть до потери суверенитета.

О том, почему и как мы оказались там, где оказались, какие действия предпринимаем для того, чтобы создать собственную электронную промышленность, и что уже сделали для этого, «Моноклю» рассказал Александр Кравцов, генеральный директор НИИ молекулярной электроники, одного из ведущих предприятий отрасли.

— Существует мнение, что самое сложное изделие, с учетом всей технологической цепочки, от материалов до станков, необходимых для его производства, — это авиационный двигатель. Предполагаю, что вы готовы оспорить это утверждение. Является ли чип более сложным изделием, нежели авиационный двигатель?

— Авиационный двигатель действительно одна из вершин инженерной мысли. Стран, которые умеют его создавать, — единицы, так же как и стран, владеющих микроэлектронными технологиями. И в обоих случаях Россия в их числе.

Можно сказать, что поскольку в авиационных двигателях применяется множество микросхем, то с их учетом они как бы сложнее. Но если отдельно рассмотреть производственные процессы, то, на мой взгляд, выпуск чипов — задача не менее сложная.

Первый момент: технологический цикл разработки и производства микросхемы состоит из нескольких тысяч операций. Не знаю, сколько в двигателестроении, но, думаю, цифра сопоставимая. Создание новой интегральной микросхемы требует глубокой научной проработки технологии, физических процессов на атомарном уровне, сложнейших особо чистых материалов, технологического оборудования, наконец, создания самой конструкции кристалла микросхемы с точки зрения схемотехники.

Второй: сложность создания и стоимость технологического оборудования и всей микроэлектронной фабрики, работающей по современным топологическим нормам, существенно выше стоимости предприятия по производству авиадвигателей. Думаю, что более высокая цена обусловлена большей сложностью технологических процессов.

— Чипы в двигателе, чипы везде… Может ли современный мир обойтись без микроэлектроники?

— Уже не сможет. Микроэлектроника присутствует практически в каждом повседневно используемом нами изделии. Понятно, что, условно говоря, в вилке или лопате чипов нет, хотя умные лопаты тоже могут появиться, если маркетологи сформируют спрос. В любой области нашей жизни использование микросхем стало уже данностью: мы носим с собой гаджеты, используем домашнюю технику, проводим медицинскую диагностику, применяем умные устройства на транспорте, в управлении городской средой и в системах обработки данных — везде.

— Почему так важно делать чипы по все меньшим и меньшим топологическим нормам — 180, 90, 65, 28 нанометров и уже даже два…

— И даже есть технологии на еще более малый уровень. Тут комплекс причин: энергопотребление, размеры и масса. Все хотят иметь легкие и компактные устройства, которые можно взять с собой и при этом не тащить электростанцию, которая будет их снабжать энергией. И еще быстродействие. Чем меньше размер одного элемента — транзистора, тем большее их количество можно разместить на единицу площади, а это означает увеличение производительности при том же размере готового чипа.

Таким образом, уменьшение топологических норм приводит к ускорению вычислений и уменьшению электропотребления. Например, по данным Минцифры и Аналитического центра при правительстве, к 2030 году энергопотребление дата-центров в стране вырастет минимум в два с половиной раза — с 1 до 2,5 гигаватта. Это примерно половина годовой мощности средней российской атомной станции. И для того, чтобы те же самые ЦОДы потребляли не десятки мегаватт электроэнергии, а единицы мегаватт, а в идеале и сотни киловатт, переход на более низкие топологические нормы — критическое условие. То же самое и с вашим смартфоном: чем меньше топологические нормы у его процессора и памяти, тем быстрее и/или дольше по времени на одной зарядке он будет работать.

В то же время есть отдельные типы изделий, производство которых ведется на определенных топологических нормах, и снижать их в ближайшей или длительной перспективе нет необходимости с точки зрения производственных затрат и стоимости конечного изделия. Например, для транспортных карт достаточно 180‒90 нанометров: эти нормы позволяют делать их с максимальной для этого типа изделия производительностью и экономической эффективностью. Хотя со временем, при снижении стоимости производства на более низких топологических нормах, перевод на них таких изделий становится целесообразным. То есть экономика играет значимую роль, хотя для некоторой продукции она остается вторичной — когда для потребителя важнее функциональность, а не стоимость.

— Почему?

— Могут быть условия, когда вам важнее очень быстро найти решение задачи. Если ваш искусственный интеллект принимает решения быстрее, чем искусственный интеллект условного конкурента, то экономика, благодаря которой вам это удалось, для вас уже не столь важна.

Каждому — свое

— Понятно. И какова сегодня ситуация в мировой микроэлектронике, кто лидер и где в ней наше место?

— Исторически сложилась определенная система централизации производства. Всем известная фабрика ТSМС на Тайване занимала около 70 процентов рынка производства полупроводников. Долгое время все считали, что без проблем могут в любой момент разместить там заказ и получить готовое изделие. Но сейчас мы видим начало процесса децентрализации отрасли. Страны, которые потребляют в большом количестве микросхемы для дальнейшего производства своих изделий, поняли, что нужно иметь собственное микроэлектронное производство, чтобы в какой-то момент не оказаться в ситуации, когда конечный продукт есть, а спроектированный микроэлектронный компонент туда не поставить, потому что по разным причинам невозможно его заказать. Соответственно, сейчас страны Европы, Азии и США активно инвестируют в собственные микроэлектронные производства.

Выбор топологических норм, под которые создается производство, зависит от потребностей и возможностей заказчика. США и Китай идут на низкие нормы — два нанометра, один, ноль целых семь десятых. Южная Корея туда же двигается.

Россия тоже изучает перспективы перехода на более низкие нормы, но при этом ориентируется и на реальные возможности нашей промышленности.

— Но у нас-то есть задача создать искусственный интеллект.

— Есть. И это реально выполнимая задача, для решения которой нужны время и инвестиции — именно то, что в свое время получили современные ведущие производители микроэлектроники.

— И что у нас сегодня происходит с точки зрения производства чипов и оборудования?

— Есть государственная программа развития микроэлектроники до 2030 года. В ней прописаны конкретные показатели, которых необходимо достичь. Есть задачи создать оборудование, особо чистые материалы, которые необходимы для производства, и они уже решаются. По этим направлениям разработаны и запущены синхронизированные программы, чтобы с готовностью нашей собственной технологии мы получили отечественные материалы и оборудование для ее внедрения в массовое производство.

К примеру, собственные фоторезисты (светочувствительные полимерные материалы, используемые при фотолитографии. — «Монокль») у нас уже есть на 180 и 90 нанометров, и мы смотрим на 65 нанометров и дальше на 28. И здесь мы уже опережаем по качеству материала Китай, который тоже ведет их разработку. По оборудованию есть задача создать линейку оборудования для кремниевых пластин диаметром 200 и 300 миллиметров для технологии уровня 28 нанометров.

Надо понимать, что 28 нанометров — это такая пограничная точка в планарной, то есть плоской, технологии производства интегральных микросхем. Дальше происходит переход на так называемые FinFET-транзисторы. Сейчас самая передовая технология в мире — это Gate-All-Around FinFET. По сути, это переход в некую 3D-структуру, то есть транзистор уже не плоский, а объемный, «многоэтажный». С одной стороны, это минимизация размера, а с другой — повышение плотности элементов, что дает быстродействие, увеличение эффективности.

— В мире по этой технологии уже есть производство. А у нас? Есть заделы?

— Да, есть. Мы ведем фундаментальные и прикладные научные исследования, касающиеся различных аспектов технологии, в том числе для топологических размеров 10 нанометров и меньше. Работа в этом направлении запланирована в программе развития микроэлектроники.

Шаг за шагом

— Мы идем к созданию линейки оборудования для производства чипов по топологическим нормам 28 нанометров к 2030 году. А нам хватит этого, чтобы закрыть свои потребности?

— Тут вопрос дискуссионный. Я бы ответил так: текущие задачи мы в той или иной степени, конечно, решим. И уже решаем. Понятно, что всегда хочется лучшего, хочется смотреть «на перспективу». У нас есть дизайн-центры, которые уже проектируют процессоры и на более низких топологических нормах. По-хорошему, для развития нам, конечно, нужно идти в нормы ниже 28 нанометров, но это поступательное движение, которое надо осуществлять на регулярной основе с соответствующим финансированием, выделением ресурсов и пониманием, что на реализацию нужно время.

К сожалению, технологии за один год не осваиваются, фабрики за один год не строятся. Например, у большинства крупнейших мировых производителей разработка и внедрение техпроцесса 28 нанометров заняли примерно четыре года. Понятно, что у нас на старте совершенно разные ресурсы и доступ к технологиям, но с учетом нашей научной базы и хода уже ведущихся работ мы смотрим в будущее с оптимизмом.

— И со 180 нельзя прыгнуть сразу в пять, три нанометра или ниже?

— Нельзя. Мы уже обсудили, что необходим переход к совершенно новой технологии FinFET, а потом еще и к другим. Это все потребует новых материалов, нового комплекса оборудования, новых технологических операций, которые надо разработать, освоить производство, в итоге это новые заводы.

На тех заводах, что есть сейчас, в соответствии с программой развития планируется дойти вначале до 28 нанометров, обновив технологическое оборудование и создав новые химические материалы. Таким образом, со своей стороны мы решим задачу, поставленную правительством: обеспечить собственной электроникой автомобилестроение, авиастроение и другие отрасли.

— И какова здесь роль НИИМЭ?

— Мы занимаемся разработкой технологий. Наши специалисты проводят фундаментальные исследования, ставят эксперименты, подбирают технологические процессы, находят материалы и выстраивают весь комплекс для каждой топологической нормы.

Мало разработать и поставить базовую технологию. К примеру, энергонезависимая память нужна? Для некоторых изделий нужна. А какая? Как ее реализовать? Это добавление к базовой технологии производства чипов дополнительных операций, дополнительных элементов, которые формируются в различных слоях. Все это надо отрабатывать, проверять, как они совместно работают, и уже потом реализовывать конкретные технологии и ставить технологические линии.

— Сейчас вы над чем работаете?

— У нас идут работы по различным опциям и технологиям для обеспечения производства полупроводниковой продукции по топологическим нормам 180 и 90 нанометров на существующих в России и Беларуси предприятиях.

— Но оно есть и работает… Или это что-то дополнительное?

— Да, это дополнительные технологические опции, которые необходимы для чипов, востребованных со стороны самых разных конечных потребителей электронной аппаратуры. Например, криогенная микроэлектроника, то есть работающая в очень низком температурном диапазоне, требует особо стойкой электроники. Или доработка уже существующей технологии с тем, чтобы повысить скорость вычислений. Есть так называемая опция Low Power, при которой потребление энергии у микросхем низкое, но и скорость вычислений меньше. Мы дорабатываем техпроцесс для повышения быстродействия. Это возможно, но требует серьезной работы.

Плюс у нас есть задача разработки как отдельных операций, так и сборки технологии в целом для топологических норм 28 нанометров и задела для 14 нанометров. И нужно понимать, что для каждой операции надо еще разработать и создать и/или подобрать материалы, которые потом будут использоваться в производстве, и так далее. Это очень сложная комплексная задача.

— Материалы известны или вам нужно создать новые?

— Если мы говорим про технологии, которые уже существуют в мире, то они более или менее известны, и вопрос только в их доступности. Где-то можно повторить, где-то, допустим, доступен материал с чуть другими свойствами. С ним процесс тоже можно реализовать, но к нему нужно подобрать в пару уже другой материал или изменить параметры технологического процесса, в котором он участвует, чтобы на выходе получить требуемые параметры структуры.

Изначально, когда строились существующие сегодня в стране фабрики, все оборудование, вся химия, все материалы закупались за рубежом. Начиная с 2014 года начались ограничения по поставкам, и пришлось искать альтернативных поставщиков. Дальше материалы начали заканчиваться даже у альтернативных поставщиков. С 2016 года мы начали разрабатывать собственные материалы. В конце 2024 года у нас появился отечественный фоторезист для технологии 90 нанометров, не уступающий зарубежному. «Микрон» его уже использует. В прошлом году закончилась работа по созданию фоторезистов для 180 нанометров.

Для понимания: создание фоторезиста — это создание не одного материала, а целого комплекса материалов, который на выходе позволяет проводить фотолитографию — основной процесс в микроэлектронном производстве. Эти сложные и наукоемкие работы ведутся совместно с институтами Академии наук и с российскими производственными площадками. Такая кооперация позволила получить отечественные материалы. На сегодня благодаря такой работе на технологии 180 нанометров существенное количество зарубежных материалов уже заменены на отечественные. Работаем и над заменой в 90-нанометровом процессе. Задача — до 2030 года иметь стопроцентную замену на отечественные материалы на технологии вплоть до 90 нанометров.

— А ниже? На 65 и далее?

— Эти работы сейчас ставятся на исследования, чтобы к моменту появления соответствующих отечественных технологий у нас уже были критически важные материалы.

Можем, если захотим

— Что касается оборудования для производства микроэлектроники. В конце прошлого года НИИМЭ и НИИТМ представили две уже работающие установки — плазмохимического осаждения и плазмохимического травления, необходимые для выпуска микросхем по топологическим нормам 65 нанометров с возможностью дальнейшего снижения до 28 нанометров. Реальный прорыв. Но главное, что стоимость проекта по созданию этих установок, учитывая их сложность и важность для технологии, была сравнительно небольшой для такой работы — порядка двух с половиной миллиардов рублей. И тут у меня возникает вопрос: ваши институты существуют давно, деньги невеликие, почему раньше-то не делали?

— Тут ситуация следующая. Раньше не делалось, потому что для коммерческих предприятий, которые могли бы выступать заказчиком, это достаточно большие деньги. Разработка оборудования такого класса — это все-таки государственная задача. Потом, просто создание таких установок без программы развития, нацеленной на создание полноценной производственной линии, и при ограничениях на выход на международный рынок не имело смысла.

Работы начались после запуска государственной программы электронного машиностроения, по результатам которой мы должны получить полностью отечественные линейки на кремниевых пластинах диаметром 200 и 300 миллиметров.

Вторая проблема — это опыт и люди. Браться за такую сложную работу было рискованно. Специалистов, которые обладают опытом создания таких установок, в стране осталось очень мало, буквально единицы. Есть специалисты и коллективы, которые работают на зарубежных машинах и обслуживают их, но у них нет знаний и опыта именно в их создании — это доступно только разработчикам. У нас в стране фактически сорок лет не готовили специалистов для своего электронного машиностроения. Только сейчас начинаем восстанавливать и научную, и производственную школы… Поэтому никто и не брался. И отдельные текущие работы, которые мы инициативно начинаем, тоже довольно рискованны по этим же причинам.

— Но вы же взялись…

— Мы взялись, когда появилось финансирование и нам дали возможность объединить ресурсы нескольких компаний для получения результата. Плюс была обозначена реальная потребность в этих установках. До этого очень долгое время была позиция: «А зачем нам свое технологическое оборудование? Мы его купим за рубежом, это и дешевле, и проще». Отсутствие финансирования, кадров, недоверие, проблемы с внедрением останавливали потенциальных разработчиков. А тут всем стало очевидно: без своего технологического оборудования остановится вообще все. В общем, сложилось в какой-то момент.

— Продолжим про деньги. Насколько я понимаю, в мире главный инвестор в микроэлектронику — государство.

— Все правильно.

— И у нас как с этим?

— У нас ситуация сильно изменилась за последнее время. Отношение государства к отрасли с момента, когда начались санкции и стало понятно, что без суверенной микроэлектроники нам трудно будет выстоять, существенно изменилось. Но объемы инвестиций все равно несопоставимы с тем, что происходит в мире. Вложения китайцев, европейцев, американцев на порядки больше.

— Конечно, можно, наверное, завалить, что называется, деньгами, но будет ли результат? Вы же говорите, что есть проблема с кадрами…

— Есть такая проблема, но она осознана и началось поступательное движение. Последние два года я наблюдаю очень позитивную тенденцию привлечения молодых специалистов в микроэлектронику. По-хорошему, нужно обучать студентов и молодежь на имеющемся опыте. Но поскольку у нас был провал, сейчас мы одновременно создаем новое оборудование и в процессе еще и выращиваем кадры. Наши высококвалифицированные специалисты несут эту двойную нагрузку, за что я им искренне благодарен. Необходимо также создавать для обучения тестовые площадки, на которых не только проводить тестирование оборудования, но и обучать работать молодых специалистов. И такая работа уже тоже начата.

— Сегодня довольно активно используется реверс-инжиниринг: взяли изделие, разобрали, что-то повторили, где-то улучшили… В электронном машиностроении такое возможно?

— Частично его можно использовать. Когда разрабатывается новое изделие, но есть аналог, то он исследуется для сокращения времени на разработку. Не секрет, что китайцы уже давно по такому пути идут. Но чтобы повторить, нужно в деталях понимать, как работает аналог. При его работе используются физические процессы, под которые отдельные компоненты установки нужно разрабатывать самостоятельно и полностью с нуля с учетом особенностей процесса и применяемых материалов. Например, в нашей установке плазмохимического травления — это реактор.

— Наша цель — создать полную технологическую цепочку по производству чипов…

— Идеальный вариант, да.

— А окупятся ли затраты на это? И в чем будет выражаться эта окупаемость?

— Окупаемость может быть в том, что наша экономика будет независима от поставок зарубежного микроэлектронного оборудования, комплектующих, оснастки. Наше производство будет работать самостоятельно. Тут нет окупаемости по учебнику: нам выделили денег, мы создали на них машины, которые продали с прибылью. Окупаемость будет в том, что созданные нами установки встанут на замену зарубежным, выбывшим из технологической линейки, и на них в течение десяти лет будет производиться продукция, которую нам купить точно не дадут, но без которой страна жить не может.

— Многие производители, обосновывая свое нежелание что-либо производить, сетуют на то, что российский рынок слишком мал. Мол, сделать можем, но изделие будет «золотым», так как объем рынка слишком мал, а затраты на производстве велики. А как с нашим рынком микроэлектроники — его величина позволит отбить затраты на создание собственного производства микросхем?

— Наш рынок сложно сравнивать с китайским, тем более с общемировым. Да, он маленький, поэтому коммерчески успешные продукты становятся такими благодаря поставкам на экспорт. Но задачи, которые решает национальная микроэлектроника, в первую очередь связаны с обеспечением элементной базой критической инфраструктуры, где можно заплатить более высокую цену, но иметь меньше проблем с точки зрения безопасности.

— Есть дружественные страны. Делегация НИИМЭ недавно была в Индии, которая тоже хочет иметь собственную микроэлектронную промышленность. Есть у нас возможность выйти за пределы собственного рынка?

— На мой взгляд, есть. Мы уже затрагивали тему процесса деглобализации в микроэлектронике. Раньше страны использовали, к примеру, американское или европейское оборудование, а сейчас испытывают проблемы с его поставкой и обслуживанием. Пересаживаться на чье-то другое, например китайское, им тоже не очень-то хочется — они пытаются создать свое. Поэтому нам надо искать ниши, куда мы можем зайти, где мы обладаем соответствующими компетенциями. Это если говорить о готовой продукции. Другой вариант — находить новые формы кооперации, возможно передавая партнерам больше знаний и самостоятельности для организации производств у них на месте.

Не только нанометры

— В конце года прошла информация, что в Китае собран прототип современной литографической машины для работы по технологии экстремального ультрафиолета (EUV). И если до этого в Китае не было массового производства чипов по техпроцессу ниже 14 нанометров, то теперь может появиться — до двух нанометров. И это, как пишут, угроза для монополии голландской ASML. Кто сегодня претендует на лидерство в электронном машиностроении? И где мы в этой гонке?

— Лидеры остаются примерно те же. Это США, Китай, Южная Корея. В конце года японцы порадовали: сказали, что смогли получить литограф на низкие топологические нормы на уровне ASML, но более дешевый и простой.

Компании Canon и Nikon длительное время выпускали установки для фотолитографии, но в какой-то момент проиграли борьбу с ASML и вообще закрыли производство оборудования. У них долго не было установок под низкие топологические нормы, но теперь получен хороший результат с точки зрения норм и гораздо ниже по цене, чем голландское оборудование.

Что касается нас, то программы развития есть: мы идем в более низкие топологические нормы, чем текущие, но не передовые, исследуем альтернативные варианты. Мы с вами говорим про кремниевую электронику, но ведь есть сейчас варианты перехода в отдельных специализированных нишах в фотонику, в квантовые технологии, где мы сейчас на острие технологического прогресса.

— Насколько реально использовать фотонику для повседневной жизни?

— Фотонные вычисления — это когда вы электричество заменяете на свет. Помните, как развивались линии связи: сначала был медный кабель, а потом оптоволокно. Фотоника показывает преимущество в скорости и объемах передачи данных. Существует определенный класс задач, где фотоника уже дает преимущество, но мы в ближайшее время не перейдем полностью на фотонные вычисления.

— Но вычислитель можно создать на этом принципе?

— Вот это еще не доказано (смеется), но работы ведутся. Есть специализированные вычислители, где происходит умножение матрицы на вектор. Это делала компания Lightmatter, например. Тут вопрос больше в том, что свет не сохраняет свое состояние. Если вы начали вычислять, то вы не можете остановиться и сохранить данные. Для этого вам надо перейти в электронику. А переход в электронику — это потеря времени и энергопотребление. Поэтому пока глобального преимущества фотонные вычисления не показывают.

Если мы говорим про квантовые технологии, то здесь есть определенный класс задач, где они могут быть востребованы, но говорить, что квантовые вычисления глобально все заменят, тоже нельзя. Кремниевая микроэлектроника будет жить еще долго.

— И поэтому нам в кремниевой электронике надо чего-то добиваться…

— Надо добиваться, надо идти и не отставать. Нам необязательно стремиться реализовывать самые передовые нормы, но нужно иметь достаточный уровень, чтобы покрывать собственные потребности, в первую очередь в обеспечении безопасности.

— Но вы в самом начале сказали, что работающий на передовых нормах искусственный интеллект быстрее. Соответственно, все-таки получается, что нам нужны низкие нормы, для того чтобы наш интеллект побил их интеллект.

— Давайте не забывать, что искусственный интеллект — это не только аппаратная часть, но и программная. У нас очень хорошие программисты, способные создать более оптимальную программную часть, чем у наших потенциальных партнеров-конкурентов. И эффективно работать она сможет на той элементной базе, которую мы уже освоили в производстве или находимся в процессе освоения.

В свое время у нас микроконтроллеры были восьми- и шестнадцатиразрядные. Когда появились тридцатидвухразрядные, все про восьмиразрядные забыли. Однако те задачи, которые решались на тридцатидвухразрядных, вполне можно было решить и на восьмиразрядных просто за счет оптимизации софта. Но по этому пути не пошли: зачем? Вот никто этим и не занимался. Но с учетом оптимизации получается выигрыш и по стоимости, и по размеру чипа. То есть создание софта, который оптимально и эффективно использует доступные ресурсы, — это такая же важная задачей, как и развитие технологий производства микроэлектроники.