Российская электроника: проблемы, успехи и перспективы.

Статья состоит из трех частей:

• Анализ текущих производителей
  


• Размышления на тему полностью локального производства микроэлектроники
  


• Попытка заглянуть в будущее
  

Анализ текущей ситуации
Итак, что мы имеем на сегодняшний момент.
Микрон
Микрон - это наиболее живое микроэлектронное производство в России. Работают на 200 мм пластинах, обладают технологией 180 нм (в массовом производстве), 90 нм (не уверен, что в сильно массовом, но могу ошибаться; 90 нм – это Intel Celeron M/D, AMD Athlon 64), 65 нм (тут у меня большие сомнения что там есть массовое производство; 65 нм - это AMD Turion 64 X2, Microsoft Xbox 360 "Falcon"). Я в свое время участвовал в попытках разработки технологии 65 нм на 200 мм пластинах (IMEC, Бельгия), но оборудование не тянуло, поэтому 65 нм техпроцесс был перенесен на 300 мм оборудование.
Производит Микрон в больших объемах в основном чипы для банковских карт, паспортов, билетов в метро и т.д. В небольших объемах производят то, за что попали под санкции. Находятся под санкциями довольно давно, так что уже как-то научились с этим справляться. Оборот более 6 млрд рублей, из них примерно половину они зарабатывают сами, остальное докидывает государство (например, в виде субсидий по 109 постановлению Минпромторга – Микрон там всегда среди получателей субсидий).
Ангстрем-Т
Не путайте с просто Ангстремом (без Т) – Ангстрем это как раз старое советское производство, они делали чипы для советских калькуляторов и игры «Ну погоди» - если кто настолько стар, чтобы ее помнить, там волк яйца из-под куриц ловил. Ангстрем до сих пор жив и производит продукцию (понятное дело, не для калькуляторов).
История Ангстрема-Т началась в 2007 году, когда Global Foundries (тогда это был еще завод AMD – Fab36, Дрезден), начал переход на 300 мм пластины и продал все оборудование и технологии на 200 мм Ангстрему-Т: 130 нм (уровень AMD Athlon MP Thoroughbred) полная документация на техпроцесс с гарантией выхода годных и 90 нм – разработана, но еще не в массовом производстве. На тот момент это были довольно свежие технологии. Но дальше что-то пошло не так. Оборудование застряло на складе в Роттердаме, и когда я пришел работать на Global Foundries в 2011 году, это было уже притчей во языцех – как они продали оборудование в российскую компанию, но оно, вместо того, чтобы использоваться, уже 4 года гниет на складе. Гнило оно еще где-то до 2014, после чего все-таки приехало в Россию. В Зеленограде был построен завод, практически точная копия дрезденского, они даже построили собственную электростанцию, чтобы покупать не электричество, а газ и вырабатывать электроэнергию своими силами, чтобы не зависеть от перебоев с электроэнергией. Так же сделано в Дрездене, правда, немцы ухитрились сами себе отключить электричество на заводе (как раз в мое дежурство) – но это уже другая история.
Так вот, завод был построен, оборудование завезено, я там был и испытывал дежавю после Дрездена – все точно так же, установки на тех же местах, с теми же кодовыми названиями.
То есть, выглядело там все более-менее нормально, но вот с руководством там какая-то странная история. 
Итог – с момента покупки линии прошло уже 15 лет, производство до сих пор не работает. Заработает ли когда-нибудь, мне не ведомо. На данный момент предприятие обанкротилось.
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.
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.
Можно ли полностью локализовать производство микроэлектроники по современному техпроцессу?
Короткий ответ: нет.
Более подробный ответ: Ни одна страна в мире не сможет локализовать производство микроэлектроники по техпроцессу меньше 90 нм. Наладить что-то вроде микронной технологии (контактная литография, жидкостное травление, ручные операции) на коленке еще как-то можно, но это будет уровень 8086/80286 или ZX Spectrum.
Развернутый ответ. Для успешного микроэлектронного производства необходимы следующие факторы:

• Наличие рынка сбыта
  


• Наличие производственного оборудования
  


• Наличие компетентного персонала
  


• Наличие сырья, материалов и расходников
  

Давайте разберем каждый аспект подробнее.
Рынки сбыта
Казалось бы, какие рынки сбыта – если надо сделать, значит надо, не считаясь с затратами. Проблема в том, что сам полупроводниковый завод – это только верхушка айсберга. И не считаясь с затратами придется пилить весь айсберг, а это очень и очень много денег.\ То есть, если вы хотите сделать относительно недорогое оборудование (относительно недорогое – это значит что, например, установка фотолитографии стоит примерно как Боинг), его нужно продавать по всему миру.
Следующий слой айсберга – комплектующие для оборудования – электроника, насосы, роботы и т.д. Тут та же история – для десятков/сотен единиц оборудования много насосов не нужно, и мы опять утыкаемся либо в высокую стоимость, либо в необходимость продавать на мировом рынке.
И такая же история будет со всем остальным: с кремниевыми пластинами, химикатами, системой водоподготовки. Все, что будет уникальным для нашего производства, будет дико дорогим, так как больше мы это никому не продадим (ну либо мы торгуем со всем миром).
Еще один момент. Один завод не может производить всю микроэлектронную номенклатуру. То есть и процессоры, и оперативную память, и флеш-память, и микроконтроллеры и радиомодемы и т.д. и т.п. в один завод не втиснуть. Производство оперативной памяти – это вообще отдельная отрасль микроэлектроники с отдельными заводами, техпроцессами и игроками. В свое время немцы пытались сыграть в эту игру, Infineon отпочковал компанию Qimonda, которая должна была заняться производством оперативной памяти. Не получилось. Себестоимость чипа памяти, произведенной на Qimonda была равна стоимости чипа памяти Samsung на прилавке в магазине. Qimonda обанкротилась.
То есть, чтобы иметь полностью локализованное производство, нужно иметь несколько заводов. И куда-то продавать продукцию этих заводов. Либо содержать эти заводы, работающие с минимальной загрузкой. Справедливости ради отмечу, что много заводов создадут хоть какой-то спрос на оборудование и сырье.
Давайте примерно прикинем, сколько это стоит. Для примера, Интел строит новый завод в Германии за 17 млрд долларов. Нужно несколько заводов, допустим это будет $50-60 млрд. Для сравнения, это расходы на оборону в России в 2020 г. Вся экосистема, я думаю, будет стоить как минимум на порядок больше, то есть $500-600 млрд. Это уже треть ВВП России. А ведь такая экосистема может обойтись и дороже, чем на порядок.
В итоге, создать и содержать полностью локализованное производство – это ОЧЕНЬ дорого.
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.
Компетентный персонал\
 В общем, иностранные (либо экспаты, либо россияне с зарубежным опытом, вроде меня) специалисты могут приехать и научить, вопрос, как их теперь заманить?
Второй нюанс: как только инженеры-технологи становятся более-менее опытными специалистами (несколько лет опыта на нормальном производстве), они тут же начинают смотреть за рубеж.
В итоге, для нашего гипотетического завода мы должны пригласить иностранных специалистов с их технологиями управления, а потом удержать своих специалистов от эмиграции.
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.
Выводы
Нельзя просто взять и построить завод по производству микроэлектроники. Для такого завода нужна огромная экосистема (потребители (много потребителей), оборудование, сырье и материалы, кадры). Недавно была переводная статья про такую экосистему  Причем экосистема эта очень хрупкая, при исчезновении хотя бы одного компонента вся система рушится. Создать такую экосистему полностью изолированную от внешнего мира на мой взгляд, невозможно.
И что дальше?
Короткий ответ: я не знаю.\\\

Поставки полупроводниковой продукции в обе страны с Тайваня запрещаются в следующих случаях:

• Чипом достигается уровень быстродействия 5 гигафлопс и выше, либо арифметическое логическое устройство имеет разрядность 32 бит и выше;
  


• тактовая частота электронного компонента превышает 25 МГц;
  


• один или более портов или интерфейсов обеспечивает скорость передачи между компонентами свыше 2,5 Мбайт/с.
  

Дополнительно в Россию и Беларусь запрещается поставка микросхем, имеющих более 144 контактов. Кроме того, с Тайваня нельзя будет поставлять в указанные страны оборудование для оптической и рентгеновской литографии, которое используется для производства микросхем. Машины для прямого последовательного шагового экспонирования, сканнеры, электронно-сканирующий микроскопы для автоматической проверки микрочипов согласно шаблонам — также находятся под запретом экспорта в Россию и Беларусь.

Уйти от тонких нанометров

«Сейчас у нас есть PDK [Process Design Kit — правила проектирования для дизайн-центров от конкретной фабрики] уровня 250нм, 180нм, 90нм, — сообщила Карина Абагян, директор по стратегическому развитию „Микрон“. — Существуют методы, позволяющие дизайн-центрам, во-первых, уйти от тонких нанометров, вернуться назад — при этом повысится доступность отечественных фабрик (180нм есть на „Микроне“, 130нм планирует делать НМ-Тех), — а во-вторых, улучшить экономику, потому что стоимость комплекта масок несопоставима для тонких нанометров».

В числе методов для «снижения нанометров» в производстве Карина Абагян упомянула дезинтеграцию чипа, сделанного на тонких нанометрах, на несколько чипов, которые можно изготовить на разных поколениях технологий — «Например, легко вычленяется аналоговая обработка, почти всегда можно выделить оперативную память, энергонезависимую память — и таким образом из нескольких кусочков создать чип. Это тенденция технологии чиплетов, она пока на рынке идет достаточно плохо, но проблема, наверное, будет преодолена».

Среди других методов — оптимизация системного и пользовательского ПО, переход от аналоговой обработки к цифровой на более поздней стадии работы с данными, изменение архитектуры системы — перенос хранения и обработки из дата-центров на терминальные устройства, использование новой элементной базы (мемристоров, квантовой ЭКБ).

«Чего нам сейчас не хватает как заводу? Много научных исследований и разработок дизайн-центров не адаптировано к нашим технологиям и производственным возможностям, — поделилась Карина Абагян. — Призываю всю аудиторию сотрудничать с нами, адаптироваться под наши технологии и эти технологии развивать. И, конечно, нужно участвовать в международной кооперации — ни одна страна не обеспечивает себя полностью всеми технологиями, и в любых „холодных“ условиях всё равно надо закладывать сотрудничество».

На вопрос слушателя о том, как обстоят дела с технологией 65 нм на «Микроне» — «На сайте Микрона указано, что технология 65 нм „в разработке: проходит квалификацию и освоение в производстве“, это длится уже много лет» — представитель завода ответила, что для полномасштабного запуска этой технологии «Микрону» необходим новый фаб, работающий на пластинах диаметром 300 мм. Существующее производство действует на 200 мм пластинах — для них технологии 65 нм проверялись только на уровне R&D, в качестве подготовки к переходу на пластины 300 мм.

«Таким образом, пока мы не поставим фабрику 300 мм, нормы 65нм вряд ли станут массово доступны для дизайн-центров. Сейчас основная масса пластин у нас выпускается по технологии 180нм» , — подытожила Карина Абагян.


Перенести силовую и СВЧ электронику

Морис Гафаров, директор проектно-технологического комплекса завода «Ангстрем», продолжил разговор о переносе в Россию производства электронных компонентов, в частности, силовой электроники — «Ангстрем» производит и экспортирует её уже более 25 лет.

«Любой проект аналоговой техники можно реализовать разными способами, если есть ограничения по нормам производства, — заявил он. — И при анализе проектов мы часто наблюдаем избыточность в решении определенных проблем — например, аналоговые схемы делаются на 90нм, но их можно реализовать и на 130 или 180нм, или даже 250нм, получив при этом те же самые ТТХ. Если проанализировать годовой график загрузки запусков в режиме фаундри какой-нибудь известной полупроводниковой фабрики, то мы увидим, что даже по нормам 350-180нм они загружены полностью, и в основном это изделия силовой электроники и автоэлектроники».


В последнее время, по словам Мориса Гафарова, на «Ангстрем» обращаются многие компании из секторов автоэлектроники и телекоммуникаций с вопросами о замене импортных чипов на аналоги. При этом подавляющее число микросхем в их списке — силовая электроника. При помощи той или иной технологии их можно изготавливать в России, где на сегодняшний день есть оборудование на 130нм, 90нм, 180нм.

«Мы также сталкиваемся с тем, что много решений по силовой электронике, таких как драйверы мощных моторов, светодиоды, AC-DC, часто избыточно реализуются на нормах 130нм в силу отсутствия на фабрике норм 350 или 250нм, — отметил представитель „Ангстрема“. — Мы в порядке эксперимента делали образцы, и у нас получались по параметрам то же самое на нормах 350 или 250 нм».

Производство СВЧ-модулей на импортных компонентах в России достаточно развито, сейчас самое время перейти ко второму этапу — производству целой серии СВЧ-микросхем для удовлетворения растущего гражданского рынка, считает Морис Гафаров — «Как я слышал, на Микроне планируется к развитию структура кремний-германий, которая имеется большую перспективу для реализации СВЧ систем-на-кристалле».

Отечественные компетенции по технологиями СВЧ и High Voltage, по мнению Гафарова, необходимо перенести со старых норм в 500нм на техпроцессы Микрона (250, 180нм) или НМ-Тех (130нм) — «Если мы сделаем это, у нас появится рынок, потому что тот же Китай к нам активно обращается по разработке и поставке High Voltage схем».


Дискуссия прошла в рамках Саммита дизайн-центров электроники 25-26 мая, который, как заявляют организатор — Ассоциация «Консорциум дизайн-центров и предприятий радиоэлектронной промышленности», стал первой в России онлайн-площадкой для диалога в формате «без галстуков» по актуальным вопросам развития дизайн-центров электроники в контексте построения цифрового общества на основе российских разработок. Мероприятия транслировались онлайн и были бесплатными для всех участников. Модераторами сессий выступили руководители ведущих дизайн-центров России и организаций-потребителей электроники, представители органов власти и ключевые участники стратегического планирования отрасли.