НИИИС и микроэлектроника: подводные камни и попутные ветры


Текст: Надежда ФЕТИСОВА

Российская микроэлектроника сегодня напоминает внушительный, но сильно обветшавший корабль, попавший в шторм: предприятия лихорадит, многие оказались за бортом. Но те, кто сможет оседлать волну, в недалеком будущем станут лидерами и будут диктовать свои законы в этой сфере. НИИИС им. Ю. Е. Седакова рассчитывает оказаться в их числе, сделав ставку на концепцию мини-фабрик.

Фото: Страна Росатом
Еще на заре создания микроэлектроники как отрасли, в 1965 году, один из основателей корпорации Intel Гордон Мур — пророк и мессия этой области — сформулировал определение, ставшее известным как закон Мура: число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года, а их размеры — уменьшаться с той же скоростью.

Это стало аксиомой: в ­1960-х годах минимальный размер элементов микросхемы составлял 100 мкм, в начале 1970-х — до 3 мкм, а в конце 1970-х — начале 1980-х — до 0,1 мкм. В этот же период быстрыми темпами стали развиваться СБИС — сверхбольшие интегральные схемы. Более того, в последнее время появилась тенденция, названная More than Moore («больше, чем Мур»),— в соответствии с ней развитие микроэлектроники идет даже быстрее, чем предсказал ученый.

Сейчас ведущие мировые компании достигли уровня 20 нм, а Samsung и Intel заявили, что в 2018 году планируют начать производство чипов размером 7 нм. Мировой рынок полупроводников в 2013 году оценивался в $318 млрд, (в России в том же году эта цифра составляла чуть больше $2,5 млрд, и эксперты прогнозировали его рост до $1 трлн к 2025 году.

История отечественной микроэлектроники коррелирует с историей страны. В 1980-х годах отрасль переживала расцвет: СССР занимал второе место после США по производству военной электроники и третье (после США и Японии) — по общему объему производимой продукции. По оценкам экспертов, отставание советских разработок от американских составляло всего несколько лет. В начале 1990-х отрасль развалилась: финансирование научных разработок прекратилось, ведущие разработчики эмигрировали.

Результаты более чем плачевны: полная зависимость от импорта; острая нехватка полноценных фабрик по производству ЭКБ; существенное отставание в технологиях; проблемы с квалифицированными кадрами. Окончательно очевидным это стало в кризисном 2009 году: рост рынка сократился сразу на 35 %, объемы упали до $1406 млн (в 2008 году — $2163 млн). Сейчас эти показатели выправились, но не взлетели: объем рынка в 2015 году составлял $2786 млн, а по темпам роста не удалось достичь даже показателей 2002 года.

Российский рынок электронных компонентов имеет мизерные масштабы: по оценкам маркетинговых агентств, его объем составляет около 0,4 % мирового и 3,5 % европейского.

Крупных российских производителей ЭКБ можно пересчитать по пальцам, все основные сосредоточены в инновационном кластере Зеленограда: это предприятия «Микрон», «Протон», «Ангстрем», «Миландр»; еще есть минский «Интеграл» и другие. По словам экспертов, десять предприятий контролируют около 80 % рынка.

НИИИС им. Ю. Е. Седакова базируется в Нижнем Новгороде; у предприятия своя специфика — разработка ЭКБ для сферы критических технологий: оборонной, атомной, космической промышленности. «Разработанные и серийно освоенные микросхемы и полупроводниковые приборы НИИИСа успешно используются в бортовой аппаратуре спутниковой навигации, бортовых телеметрических приборах, системах регистрации особо важных параметров атомных станций, вычислительных системах», — рассказывает заместитель директора НИИИСа по микроэлектронике Сергей Булохов.

Главная особенность этой продукции — повышенная надежность: вся аппаратура — радиационно устойчивая, срок службы — от 25 лет. Продукция военного и спецназначения составляет более 40 % от всего рынка отечественной ЭКБ.
Технологии НИИИСа им. Ю.Е. Седакова
Серийно изготавливаются 62 типономинала радиационно стойкой ЭКБ, разрабатывается более 50 типономиналов:
  • схемы памяти;
  • ЭКБ для силовых применений;
  • базовые матричные кристаллы и ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы);
  • микропроцессоры и микроконтроллеры;
  • аналогово-цифровые и радиочастотные схемы;
  • изделия микросистемной техники.
Замещай и властвуй?
Импортозамещение — пожалуй, самая болезненная точка российской микроэлектроники.

«Доля применяемого импортного оборудования составляет от 50 до 100 %, — говорит С. Булохов. — Аналогичная ситуация с используемыми в производстве материалами и спецгазами, лишь четверть которых производится или планируется к производству в России».

В 2015 году доля отечественных компонентов на российском рынке составляла 33 % и оценивалась в $920 млн; импортных — соответственно 67 % и $1,8 млрд. Полная зависимость отечественного рынка от зарубежных поставщиков объясняется просто. Заказывать отечественные компоненты было невыгодно: потребности внутреннего рынка легко покрывались мировыми производителями, работавшими надежно, качественно, быстро. Внутреннее производство в таких условиях было неконкурентоспособным.

После введения санкций под запретом оказались многие жизненно важные для ЭКБ элементы. Под удар попали и гражданская, и стратегическая сферы микроэлектроники: в российских спутниках, например, подавляющая часть ЭКБ была импортного производства. Роскосмос провел инвентаризацию и унификацию компонентов, сократив их количество с 2000 до 150 — и эти 150 подлежат обязательной замене компонентами отечественного производства.

Несомненный плюс всей этой истории в том, что отечественные предприятия наконец начали производить собственную продукцию, которая, ввиду отсутствия импортных аналогов, стала пользоваться спросом.

В основном это касается производства микросхем. «Микрон», например, производит микросхемы по топологии 90 нм, а в 2015 году заявил, что получены тестовые образцы с нормами 65 нм. Правда, в массовое производство такие микросхемы пока не запущены.

НИИИС в этой гонке за нанометрами отстает: сейчас в производстве находятся микросхемы 350 нм, в разработке — 150 нм. Но для стратегической сферы совершенствовать технологии ухода в глубокие субмикроны не принципиально; более важные критерии здесь — абсолютная надежность и долгий срок службы.

НИИИС нашел свое конкурентное преимущество в другом — здесь организовано производство полного цикла. «В состав научно-производственной базы НИИИСа входят дизайн-центры, участок фотошаблонов, линии производства кристаллов микросхем, линии сборки микросхем в металлокерамические корпуса, участок изготовления изделий микросистемотехники, сертифицированный испытательный центр», — отмечает С. Булохов.

Другими словами, если обычно компоненты изготавливаются в одном месте (иногда и в нескольких), а испытания проходят в другом, то в НИИИСе заказчик получает уже сертифицированную и готовую к применению продукцию. Предприятие гарантирует итоговое качество продукта, потому что контролирует процесс на каждом этапе. Такого полномасштабного производства нигде в России больше не существует.

НИИИС выигрывает за счет своей универсальности: например, в области изготовления микросхем компании зеленоградского кластера — конкуренты; но эти же компании — основные потребители фотошаблонов, изготавливаемых в НИИИСе с 2013 года. До этого большинство фотошаблонов было импортного производства, а это негативно влияет на информационную безопасность объекта: нельзя гарантировать, что в фотошаблон не был заложен посторонний функционал, и надежность микросхемы оказывается под вопросом.

Основной конструкционный материал для изготовления субмикронных СБИС — гетероструктуры на основе кремния. Сейчас используются только импортные гетероструктуры. НИИИС планирует запустить участок производства гетероструктур в 2018 году, причем эксперты предприятия обещают, что отечественные аналоги не будут уступать зарубежным.

Еще один повод для гордости у НИИИСа — микроэлектромеханические системы (МЭМС/МСТ). «Технология микросистемной техники включена в перечень критических технологий Российской Федерации, — объясняет С. Булохов. — Изделия МЭМС/МСТ применяются в медицинской, автомобильной, космической и других отраслях промышленности, обладают значительным потенциалом для поставки гражданской продукции на международные рынки». И здесь у НИИИСа выигрышные позиции: в России изделия МЭМС/МСТ, кроме НИИИСа, выпускает только одно зеленоградское предприятие, а используются они повсеместно — и сейчас это в основном импортная продукция.

Мини-фабрики: свет в конце тоннеля
Несмотря на всю пропасть между российскими и зарубежными игроками рынка микроэлектроники, у них есть одна общая проблема.

Все разработчики и производители ЭКБ и радиоэлектронной аппаратуры (кроме массовых их видов) столкнулись с парадоксом: чем меньше суммарная площадь обрабатываемых пластин, тем выше стоимость их изготовления.

В 2015 году на зарубежных фабриках производство одной партии кристаллов СБИС с нормами 180 нм обходилось в 12–15 млн рублей, а 45 нм — уже в десять раз дороже, 150 млн рублей. И это не предел: стоимость пилотных проектов СБИС с нормами 28 нм составляет более $120 млн.

Производство такой дорогой продукции могло бы быть экономически оправдано большими объемами заказов. Но ситуация обратная: специализированные компоненты выпускаются очень небольшими сериями, иногда (например, для космической отрасли) — всего по несколько десятков штук. Из-за сложного дорогостоящего оборудования растет и стоимость самой фабрики: например, южнокорейская компания SK Hynix планирует потратить около $26 млрд на строительство двух новых заводов.

Такие суммы, чувствительные даже для мировых корпораций, для российских предприятий выглядят и вовсе космическими. «Входной билет» на рынок микроэлектроники с развитием технологий скоро смогут позволить себе лишь несколько гигантов. Российские предприятия явно не войдут в их число: производить продукцию широкой номенклатуры и малой серийности на крупном предприятии — экономическое безумие, такое предприятие будет вечно убыточным. «В результате действующие в России немногочисленные фабрики загружены практически до предела, а значительная часть отечественных центров проектирования производит свою продукцию на зарубежных фабриках», — резюмирует С. Булохов.

Но в НИИИСе уверены, что выход есть, и это мини-фабрики — компактные технологические линии для производства небольших партий электронных компонентов. Они занимают минимум площади: например, чтобы отказаться от «чистых комнат», в мини-фабах используются специальные транспортные контейнеры, обеспечивающие особо чистую мини-среду. «В результате стоимость оборудования для мини-фабрик почти в тысячу раз ниже по сравнению с обычным микроэлектронным производством», — комментирует С. Булохов. По оценкам экспертов, ориентировочная стоимость минифаба — от $12,5 млн, при этом стоимость одной производственной линии — всего $5 млн.

На Западе над этим направлением активно работают: Япония впервые продемонстрировала свой Minimal Fab еще в 2013 году, а в 2014-м прямо на двухдневной выставке развернула линию из 25 установок для полного цикла изготовления микросхем.

В России о преимуществах мини-фабов и необходимости их внедрения увлеченно спорят уже два года. О том, чтобы построить свои мини-фабрики, речи пока не идет — нет отлаженных технологий. Но ведущие предприятия сферы ЭКБ первые шаги уже сделали: например, МИЭТ и Корпорация развития Зеленограда в конце прошлого года подписали соглашение о сотрудничестве с двумя японскими компаниями: Yokogawa Solution Service Corporation и Tokyo Boeki Group.

Соглашение предусматривает создание совместного научно-исследовательского центра для проведения демонстраций и обучения технологиям мини-фабов, а также совместных разработок в этой области. Для НИИИСа с его мелкосерийными и многономенклатурными заказами мини-фабрика стала бы прекрасным решением, позволив в разы сократить затраты на производство. Но здесь, признавая всю потенциальную пользу мини-фабов, никаких конкретных решений пока не принимают.

Несмотря на серьезные проблемы, светлое будущее отечественной микроэлектроники вполне может наступить, считают эксперты НИИИСа. Однако для этого стратегические шаги необходимо предпринимать уже сейчас, говорит С. Булохов: «Количество применяемой российскими предприятиями импортной ЭКБ значительно превосходит возможности отечественных разработчиков и производителей, а значит, необходимо продолжение работ по унификации применяемой элементной базы.

Применение ЭКБ в космической аппаратуре требует решения проблемы испытаний ЭКБ (как уже серийно освоенной, так и разрабатываемой в рамках импортозамещения) на стойкость к тяжелым заряженным частицам».

Еще один важный вопрос — подготовка кадров. Сейчас предприятия сталкиваются с недостатком квалифицированных специалистов, а теоретическая база во многих вузах устарела. НИИИС работает и над этой проблемой: «В ведущих вузах Нижегородской области, НГТУ и ННГУ, созданы базовые кафедры микроэлектронного направления.
Обучение проводится с привлечением ведущих сотрудников НИИИСа, — рассказывает С. Булохов. — Помимо этого, действует система подготовки специалистов для НИИИСа, начиная со школьной скамьи: лицей — колледж — вуз — НИИИС».

У топ-менеджеров российских предприятий микроэлекроники весьма оптимистичные прогнозы на будущее. Генеральный директор холдинга «Росэлектроника» Игорь Козлов заявил, что к 2021 году замещение ЭКБ на российском рынке увеличится более чем в три раза, до 70 % с нынешних 20 %. При этом, по его словам, холдинг будет стремиться наращивать именно производство критической базы. Козлов считает, что в течение десяти лет отечественная электронная промышленность сможет конкурировать с зарубежными игроками.

В НИИИСе с этим прогнозом согласны, но с поправкой: эксперты предприятия считают, что реально конкурентоспособной может быть только критическая база. В гражданской — слишком сильные конкуренты. С. Булохов уверен, что со всеми вызовами предприятие справится: «НИИИС уверенно смотрит в будущее, осознавая свою важную роль в развитии отечественной радиоэлектронной промышленности».
Словарь
Интегральная микросхема — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковой подложке. Она преобразовывает и обрабатывает сигнал, имеет не менее пяти элементов, электрически соединенных между собой. Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) имеет более 10 тыс. элементов в кристалле.

Гетероструктура на основе кремния — кремниевая пластина, на которой выращивается кристалл. Ключевой элемент для изготовления микросхем.

Фотошаблон — пластина из прозрачного материала (чаще всего стекла), на которую нанесен рисунок в виде прозрачных и непрозрачных для излучения участков. В процессе фотолитографии детали рисунка фотошаблона переносятся на поверхность кремниевой пластины, покрытой слоем фоторезиста.

МЭМС/МСТ (микроэлектромеханические системы/ микросистемная техника) — устройства, объединяющие микроэлектронные и микромеханические компоненты. Значительно превосходят традиционные электромеханические устройства по надежности, времени срабатывания, потребляемой мощности и стоимости. МСТ-технология относится к числу критических.

ЭКБ — электронная компонентная база.

ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА