Импортонезависимость микроэлектронной промышленности России



В статье рассматривается возможность возрождения микроэлектронной промышленности России.

Ключевые слова : микроэлектроника, импортонезависимость.

The article considers the possibility of independence of the microelectronic industry in Russia.

Keywords : microelectronics, import-independence.

После прошлого мирового дефицита полупроводниковой электроники, когда основные мощности TMSI были отданы основным игрокам рынка, а мелкие остались не у дел. А также на фоне текущего в России дефицита импортной техники, активно начала обсуждается идея ее импортозамещения и самостоятельного производства для госзакупок.

Собственное производство микроэлектроники в 70-х годах было в каждой крупной компании. Не секрет, что в СССР была довольно продвинутая отрасль микроэлектроники. В 80-х в мире появилась необходимость отделения разработки электроники от производства, и массового сконцентрированного производства разработок нескольких дизайн компаний на нескольких специализированных фабриках. Разделение производства — единственная возможность производить нанометровую микроэлектронику дизайн компаниям доступную для покупки на гражданском рынке и не быть убыточными. В СССР такой возможности не было, собственные фабрики всегда были в догоняющих.

Распад СССР пережили небольшое количество предприятий, Эльбрус, Кремний Эл и Интеграл в Белоруссии. Отрасль вспомнили в 2010 году.

Для начала крайне важно стоит разделить термины импортозамещение и импортонезависимость. Невозможность импротозамещения предопределена тем, что количество наименований для импорта увеличилось до нескольких тысяч. Микроэлектроника по современным техпроцессам не может быть произведена из-за отсутствия оборудования. Суперкомпьютеры используют преимущественно импортные компоненты, неподъемные для отечественной микроэлектроники. Импортозамещение в пустую сожжет финансы и силы отрасти, не создав ничего нового.

Импортонезависимость — гарантированная защищенность жизненно важной аппаратуры, вместо пустой и бездумной гонки импортозамещения [1]. Во-первых, чтобы обеспечить импортонезависимость, необходимо определить жизненно важные системы и то, что от них требуется.

Разделим их на гражданские, и промышленные. От гражданских решений требуется массовость и окупаемость, промышленные отличаются более узкой специализацией задач на первый план выходит защита от сбоев.

Сразу стоит поговорить о бэкдорах или «закладках» — магической кнопке, которой со спутника можно выключить все компьютеры на планете. Сигнал нужно подать более реальными методами. В реальности они являются ошибками микрокода и ошибками при проектировании, найти и воспользоваться ими может любой. Их часто находят в гражданской технике по причине чрезмерной сложности электроники, использующей сверхмалый техпроцесс и ее массовости. Промышленные предприятия и космическая инфраструктура отделены от интернета, атака на обычных пользователей бесполезна. Реальная проблема — это снижение надежности и пути ее снижения всем известны: например, не добавлять 1 % меди в алюминиевые соединения — срок службы сократится в 10 раз. Будут ли проверять — вопрос.

Это может быть критично если использовать массовые гражданские решения, не способные работать в не предназначенных для работы условиях. Например, изначально предназначенным для стиральных машин, но использующихся для аэрокосмической промышленности.

В мировом производстве 12 % — электроника для автомобильной промышленности по старым техническим нормам — это электропривод руля, АБС, патронник, блоки цифрового управления и самодиагностики, дисплеи вместо стрелочных приборов. В электромобилях к списку добавляется силовая электроника. В 2018 году рынок микросхем по доходам составил: 34 % память, 23 % логические компоненты, 15 % микропроцессоры, 12 % аналоговые, 8 % оптоэлектроника, 5 % дискретные компоненты, 3 % сенсоры. При этом 5 % рынка копеечных дискретных компонентов по количеству обогнали бы стодолларовые микропроцессоры. Самая большая доля у флэш-памяти. Так как для создания многоуровневого флэша нужны специализированные технологии и фабрики. Многоуровневый флэш — это оперативная память, твердотельные накопители, карты памяти. Логика — логические элементы микросхем. Оптоэлектронные компоненты — светодиоды и чувствительные элементы фото и видеокамер. Все они стали неотъемлемой частью современной техники [2].

Второе в вопросе импортонезависимости — это то, где производить. Мировое производство полупроводниковой продукции по регионам, в эквивалентных 200 мм пластин в месяц показывает, что из 19 миллионов пластин: 21,8 % — Тайвань, 21,3 %, — Корея, 16,8 % — Япония, 12,8 % — Америка, 12,5 % — Китай, 6 % — Европа, 8 % — остальные. Азия концентрирует примерно 63 % мирового производства пластин. Пластины и электроника, произведенные по меньшим техпроцессам, дороже и прибыли приносят больше. Во всем мире производство оборудования для литографии на малых техпроцессах на 90 % принадлежит ASML, Canon и Nikon отстают технологически и борются за рынок установок на более старых нормах [3].

Если изучить вопрос, то окажется что половина мирового производства делается по нормам 28нм и выше. Десять нанометров сгорят в космосе, не используется в автостроении, слишком дорого для бытовой техники. Они необходимы процессорам, банкам памяти и т. д., где нужны максимально низкое энергопотребление и одновременно экстремально высокая производительность.

Что хорошо для России в микроэлектронике нет устаревших производств — это многомиллиардный рынок, фабрики продолжают приносить прибыли после перепрофилирования. Устаревающее оборудование перенастраивают на производство силовой электроники, микроэлектромеханических систем, светодиодов, дискретных компонентов, микроконтроллеров и др. Типичное применение для оборудования работы с пластинами до 150 мм — переход на карбид кремния, востребованный в силовой электронике.

Несмотря на то, что вся российская микроэлектроника — это меньше процента от мировой все Российские производители выживают за счет государственных субсидий, поэтому стоит рассмотреть предприятия, которым предстоит обеспечивать импортонезависимость. Список дизайн фирм: МЦСТ, Миландр, Элвис, Байкал Электроникс.

Все производство микроэлектроники ведется на стандартных 200 мм пластинах для 90 нм и больше либо на более современном и дорогом для меньше 65нм только в виде 300 мм пластин. Это обусловлено тем, что малый техпроцесс на 200 мм пластинах воспроизвести не получится.

Крупнейшие производители микроэлектроники в России — это «Микрон» и «Миландр» оба имеют жизнеспособное серийное производство, приносящее прибыль.

«Микрон» обладает производством на 180 нм под производство радиочастотных меток (RFID), которые уже встроены в пластиковых картах, шубах, паспортах и т. д. Под 90 нм есть мелкосерийное производство. «Микрон» предоставляет мощности для множества российских компаний, являясь главным центром импортозамещения микросхем. Поэтому перечень производства крайне широк, а серии маленькие, поэтому для поддержания производства требуются обеспечить непрерывное производство полупроводников для оборудования и гражданские крупносерийные заказы. Техпроцесс 65нм находится «в освоении» с 2014 г.

«Миландр» успешно запустил производство большого количество микросхем, соответствующих 719 ПП РФ, в основном занят производством различных микроконтроллеров.

Второе по размерам производство микроэлектроники в России — брянская “Группа Кремний Эл” полностью ориентирована на нужды ВПК. Их продукция — транзисторы, диоды, силовые модули на их основе, а также простые аналоговые и силовые чипы, произведенные по 500нм.

Вторая категория предприятий, не смогли запустить производство. «Ангстрем-Т», обещавший запуск гражданского производства по нормам 90 и 130 нм на купленном у дрезденской фабрики AMD оборудовании [4]. В настоящий момент производство полностью так и не было запущено.

«Крокус электроника» — создана Роснано. Это специализированная фабрика для производства магниторезистивной памяти на 300 мм пластинах с работающей технологией 65 нм, с возможностью модернизации до 45 нм, но она не заработала (ото постигло многих разработчиков), для организации иного производства фабрика нуждается в модернизации.

Передавать производство в Китай — плохая идея, если SMIC вообще согласятся, потому что экспорт китайских микросхем в США на много больше, чем в Россию. Китай хочет выхода китайских компаний на международный рынок, их микроэлектроника превосходит российскую по ряду очевидных причин. Китай не отрезан от остального мира и мог пользоваться экспертизой других стран [5], привлекать иностранных специалистов. Российские компании для них очередной конкурент. Россия потеряет свои разработки, так как одна из причин их успеха хорошо построенная система реинжиниринга и собственной модификации технологий конкурентов, чем их и вытесняют. Китаю нет экономического смысла сотрудничества с Россией, а риски от этого будут для каждого колоссальные.

Для технологии собственных литографических машин в одиночку потребуются десятилетия, требуется специалисты, а наши учебные заведения не могут обеспечить количество специалистов. На стороне современных импортных литографических машин уже стоят коллективные ресурсы и десятилетия эволюции. Понадобится 8 лет [5], чтобы научиться делать аналог PAS 5500, учитывая, что эта машина для литографии уже устарела. Без иностранного оборудования и комплектующих сейчас практически никакое производство микроэлектроники с применением малого техпроцесса невозможно, сейчас за этим оборудованием развернулась настоящая охота.

Очередная проблема в российской электронике — острый кадровый голод. Особенно не хватает разработчиков интегральных схем. Такая ситуация сложилась из-за, отсутствия финансирования в течении десятилетия. Специалистов мало, из-за недостаточного финансирования они пытаются уйти. Согласно плану, к 2030 году количество дизайн-центров должно возрасти до 300. В каждом из них планируется создать команду из ста человек. Получается, что требуемое число профильных специалистов составляет минимум 30 000 человек.

Учитывая все сказанное выше, производство современной микроэлектроники коллективно развивалось несколько десятилетий. Это большие коллективные финансовые и научные вложения, выделяющие это направление в мире. Учитывая стоимость для покупателя не только производство, но и рынок.

Оптимальный путь — временно отказаться от производства некоторых разработок: процессоров и т. д. Ввиду отсутствия мощностей, работающих с техпроцессом 28 нм и ниже [6], а также неспособности поддерживать работу ведомств так же, как импортные. После испытаний процессоров: ВТБ, ДИТ Москвы, «Ростелеком», «Росатом», «Ростех», АК АЛРОСА, «Почта России», Сбер, МВД, дата центры, Роскосмос и др. остались не довольны их текущим сочетанием высокой цены, скромных возможностей и количеством ПО, которое может с ними работать. Они ждут, когда на рынке появятся свои решения, которые хотя бы будут не отставать от импортных на порядок. Уже производится большое количество отечественных микросхем, соответствующих 719 ПП РФ [7]. Это показывает возможности местной разработки и производства. Есть множество других направлений не на кремнии.

Одна фабрика не может произвести всю микроэлектронику: процессоры, оперативную память, флэш-память, микроконтроллеры, модемы и т. п. Для возможности локализации производства, нужно иметь множество заводов, которые создадут спрос на техническое оборудование и сырье. А также продавать результат работы этих заводов.

Ни одна страна в мире не имеет возможности локализовать производство микроэлектроники по техпроцессу тоньше 90 нм. Чтобы получить полный цикл разработки и производства в одной стране, нужно иметь множество фабрик, которые создадут хоть малый рынок на спрос, оборудование и сырье. А также где-то продать готовый товар с этих заводов нормального качества и по приемлемой для покупателя цене. Другой путь — поддерживать эти производства на минимальной нагрузке, что делают в России. Нельзя взять и просто построить завод по производству микроэлектроники. Для всей отрасли требуется огромная и при этом тонкая и хрупкая экосистема.

Литература:

1. Импортозамещение и импортонезависимость в производстве отечественной электроники. — Текст: электронный // Хабр: [сайт]. — 2017. — URL: https://habr.com/ru/post/403141 (дата обращения: 06.11.2022).
2. Hennesy, J. L. A New Golden Age for Computer Architecture / J. L. Hennesy, D. A. Patterson // Communications of the ACM, 2019. — V. 62. — № 2. — Pp. 48–60. — DOI 10.1145/3282307.
3. Что еще труднее купить, чем микросхемы? Оборудование для их производства. — Текст: электронный / ООО «Миран» // Хабр: [сайт]. — 2021. — URL: https://habr.com/ru/company/dcmiran/blog/588308 (дата обращения: 06.11.2022).
4. Кто есть кто в мировой микроэлектронике. — Текст: электронный // Хабр: [сайт]. — 2020. — URL: https://habr.com/ru/post/486326 (дата обращения: 06.11.2022).
5. Будущее российской микроэлектроники. — Текст: электронный // Хабр: [сайт]. — 2022. — URL: https://habr.com/ru/post/661637 (дата обращения: 06.11.2022).
6. В России начали строить фабрику для выпуска 28-нм чипов. — Текст: электронный / У. Малышева; ООО «Селектел» // Хабр: [сайт]. — 2022. — URL: https://habr.com/ru/company/selectel/blog/664260 (дата обращения: 06.11.2022).
7. Обзор списка отечественных микросхем, соответствующих 719 ПП РФ. Часть 2. — Текст: электронный / АО «ПКК Миландр» // Хабр: [сайт]. — 2021. — URL: https://habr.com/ru/company/milandr/blog/588496 (дата обращения: 06.11.2022).