Как построить полупроводниковую фабрику

Фабрика для производства самых современных микросхем стоит около $25 млрд и требует редкого оборудования для EUV-литографии, которое производит только одна компания в мире, ASML. Причём всего 40–50 машин в год, а заказы расписаны на несколько лет вперёд.

Опыт строительства новой фабрики Intel в 2024 году показывает, почему такое не может позволить себе Китай или другая страна. Это самый передовой хайтек, основанный на последних достижениях физики, на коммерческих секретах и производственных ноу-хау.

Стоимость строительства новой фабрики постоянно растёт. Если в 1970-е годы можно было уложиться в $31 млн (это в современных долларах, с учётом инфляции), то теперь типичный бюджет вырос до $25 млрд и больше. Именно столько стоят последние заводы Samsung и Intel.

Такая высокая стоимость обусловлена исключительной сложностью оборудования для производства микросхем. Достаточно взглянуть под микроскопом на современную микросхему, чтобы оценить сложность техпроцесса:

Вот как это выглядит на схеме с подписями для каждого слоя:

Изображённый интерконнект Intel 4 состоит из 15 слоёв металлической проводки. Эти проводники соединяются друг с другом и с полупроводниковыми компонентами через отверстия в слоях (vias).

Все эти слои изготавливаются по очереди, друг за другом. Техпроцесс состоит из нескольких десятков циклов, где каждый включает более десятка основных операций: подготовка подложки, формирование на поверхности подложки слоя необходимого материала с заданной структурой, создание защитного слоя, нанесение слоя фоторезиста, совмещение изображений по знакам совмещения и экспонирование рисунка окон на слой фоторезиста и т. д.

Каждая процедура требует специального оборудования и особых условий для выполнения, а также множества вспомогательных процессов. Например, химико-механической полировки (CMP):

Фотолитография — это лишь один из множества процессов, которые выполняются на фабрике:

Сам по себе большой объём операций не объясняет стоимость завода $25 млрд. В конце концов, некоторые устройства требуют ещё больше этапов. Если сравнить, то сложные механические часы начала 20 века состоят из 150 деталей, для производства которых требовалось более 3700 операций, тоже немало. Но для микросхем гораздо важнее точность и условия производства. Например, нескольких атомов меди с дверной ручки на перчатке работника достаточно, чтобы испортить рабочий материал.

Первые производители микросхем отмечали, что на их процессы влияли, среди прочего, фаза луны, недавнее посещение работниками туалета и даже менструальные циклы женщин-работниц.

В 90-е годы Intel обнаружила, что даже самое безобидное изменение оборудования — например, использование немного более длинной трубы или кабеля, — может вызвать сбои в процессе на новых фабриках и привести к снижению выхода продукции на месяцы или годы. Тогда компания внедрила процесс Copy EXACTLY! — новые фабрики строили абсолютно идентично существующим, вплоть до цвета и марки краски на стенах.

Вот почему здесь всё так сложно и дорого. Это действительно самые сложные техпроцессы, которые придумало и внедрило человечество для массового производства. И на каждом этапе требуются сложные машины, которые производятся небольшой группой специализированных компаний, таких как ASML, Lam Research, Applied Materials и Tokyo Electron, и они стоят очень дорого. Основные машины могут стоить от $5 до $10 млн, некоторые более $100 млн, а современные EUV-литографы ASML — более $400 млн.

Современные «гигафабрики» производят сотни миллионов чипов в год, каждый из которых содержит миллиарды транзисторов. Это гигантские производства, оценить масштаб которых можно на фотографиях со строительства:

При огромных масштабах производство требует почти непостижимых уровней точности. Манипулирование огромными объёмами материалов на атомном уровне, многократно и надёжно 24/7 — чрезвычайно дорогостоящее предприятие.

ASML, монополист экстремального ультрафиолета

Для производства современных микросхем нужны литографы передового уровня. Поэтому главное условие для современной фабрики — договориться с ASML на поставки оборудования для EUV. Компания производит считанные единицы такого оборудования:

В интервью FT директор компании, 42-летний французский физик Кристоф Фуке (Christophe Fouquet), выдал несколько интересных фактов о компании. Например, что ASML дистанцируется от современного ИИ-пузыря, хотя по факту находится в его центре как производитель ключевого оборудования. За последний год акции выросли на 88%, а капитализация ASML достигла €591 млрд.

В ASML работает половина жителей голландского городка Вельдховена (население 47 902), и ещё 25 тыс. человек из других городов. Компания позиционирует свой бизнес как максимально открытый, объединяющий сотни производителей компонентов со всего мира.

Литограф ASML класса High-NA EUV называют самой сложной машиной в истории человечества. Одна установка содержит более 100 тыс. деталей от 200 основных поставщиков и более 2000 компаний: оптика Zeiss, лазеры Trumpf, мехатроника VDL, стоимость от $350 до $400 млн. Если у поставщика финансовые проблемы, то корпорация ASML может купить его, как сделала в 2013 году с производителем лазеров Cymer.

Из-за сложной цепочки поставок ASML не может увеличить производство литографов, как бы сама этого ни хотела.

Директор ASML также упоминает несогласованные санкции, которые запретили ASML продавать EUV-литографы в Китай, но в то же время разрешают американской компании Nvidia поставлять туда некоторые EUV-чипы, сделанные на этих литографах. В своё время США надавили на ЕС и правительство Нидерландов, чтобы наложить экспортные ограничения на ASML.

По словам Фуке, слишком жёсткие санкции стимулируют Китай к разработке собственного оборудования для литографии.

Конкуренты ASML

Основные конкуренты — японские корпорации Nikon и Canon — пока не освоили технологию EUV и сосредоточены на производстве литографов предыдущего поколения DUV (deep ultraviolet, глубокий ультрафиолет).

Китайская Yuliangsheng тоже недавно наладила производство DUV-литографов. Это дочерняя компания стартапа SiCarrier, у которого тесные связи с Huawei. Ей помогает Shanghai Micro Electronics Equipment, старый и известный производитель литографов.

Huawei и её дочерние компании очень активно строят новые полупроводниковые фабрики. Это говорит о настоящем буме в полупроводниковой отрасли страны в последние годы, особенно на фоне популярности ИИ-технологий и торговых санкций, которые стимулировали импортозамещение.

DUV-литограф уже опробовали на фабриках Huawei и SMIC, пока что на простых микросхемах. До конца 2026 года Yuliangsheng планирует изготовить 12 таких машин. Предзаказы уже оформили китайские производители памяти CXMT и YMTC. По мнению независимых экспертов, китайским литографам потребуется минимум несколько лет отладки и тестирования, чтобы выйти на уровень производства аналогов от ASML.

По словам двух источников, SMIC тестировала китайский DUV-литограф 28 нм, и с помощью мультипаттернинга получала на нём чипы уровня 7 нм.

В целом, именно Huawei возглавляет процесс по объединению китайских поставщиков компонентов и производителей чипов. Её венчурное подразделение Habo и фонд Shenzhen Yuanzhi Xinghuo инвестируют в производителей комплектующих в областях, где нет китайских аналогов. Например, в литографах Yuliangsheng тоже используется сверхточная немецкая оптика Zeiss, но Huawei инвестирует в местного производителя Fujian Zhiqi Photonics, который пытается выпускать оптику аналогичного качества.

Кроме оптики, в Китае нет производителей ещё одного ключевого компонента литографов — источника света, то есть высокоточного лазера, который для ASML поставляют японская Gigaphoton и дочерняя Cymer. В этом направлении работает китайская RSLaser Opto-Electronics, тоже с инвестициями от Huawei. Тут дело не в большой мощности лазера, а в том, что очень сложно добиться его стабильной работы. Тем не менее, RSLaser поставляет лазеры для нынешних китайских DUV-литографов.

В Японии конкуренцию ASML составляет Nikon, которая продаёт свои ArF-литографы DUV дешевле, чем ASML.

В США тоже ищут способы избавиться от монополии ASML. Например, американский стартап Substrate изобрёл рентгеновскую литографию (X-Ray Lithography, XRL) как «более экономичную альтернативу EUV». И уже освоил на XRL техпроцесс 12 нм (пока только в лаборатории).

Сейчас Substrate привлекает инвестиции для строительства «полупроводниковой фабрики следующего поколения, чтобы вернуть США лидерство в отрасли».

Необходимые условия

Строительство передовой полупроводниковой фабрики (уровня TSMC или Intel) в России или подобной стране кажется абсолютной фантастикой. Наверное, даже в случае снятия санкций такое станет возможно только через несколько десятилетий (или столетий). Для этого нужны:

1. Глубокая интеграция в мировую экономику, потому что процесс производства глобализован (литография, химия и материалы, ПО), а экономика гигафабрики выходит в плюс только при сбыте продукции на мировом рынке. Как было сказано выше, без литографов передового уровня невозможно организовать производство современных микросхем.

2. Интеллектуальная собственность. Все современные архитектуры (ARM или x86) и технологии производства защищены миллионами международных патентов. Без лицензий невозможно производить современные потребительские чипы, а нелегально перенять эти технологии или воспроизвести «с нуля» практически невозможно.

3. Преодолеть технологический барьер. Запуск техпроцесса (например, 3 нм) — это сотни тысяч технологических секретов и ноу-хау: какая температура должна быть в камере до доли градуса, под каким углом пускать лазер, какую дозировку химии применять. TSMC и Samsung нарабатывали этот опыт десятилетиями.

4. Кадры. Для передовой фабрики нужны инженеры редких квалификаций, в том числе специалисты по квантовой физике, нанолитографии, плазмохимии, прецизионной механике. В мире существует жёсткая конкуренция за них. На данный момент в России нет школы подготовки специалистов для работы с суб-10-нанометровыми процессами. Требуется определённая концентрация высококвалифицированных специалистов, чтобы разработка передовых технологий стала возможной.

В отличие от России, китайские компании вполне имеют шансы догнать по уровню производства нынешних лидеров в микроэлектронике (TSMC, Samsung, Intel).

В Японии тоже есть пример Rapidus. Образованный в 2022 году стартап привлёк $15 млрд государственного финансирования и обещает построить фабрику с техпроцессом 2 нм во второй половине 2027 года. Япония мечтает вернуть себе лидерство на мировом рынке производства микросхем: в 1980-е её доля составляла около 50%, а сейчас всего 10%.

Чтобы обеспечить заказы на производство, Rapidus даже помогает потенциальным клиентам разрабатывать чипы: для этого она заключила контракты с 17 фирмами-разработчиками микросхем. Rapidus рассчитывает на тех 20% заказчиков, которые не попадают в план производства TSMC, тоже расписанный на годы вперёд. На фоне ИИ-бума сейчас очень большой спрос на передовые микросхемы и разнообразные ИИ-ускорители (TPU, NPU и др.).

Перспективы России

В России передовое производство 2–3 нм в обозримом будущем невозможно, по мнению специалистов. С другой стороны, вполне реально организовать выпуск микросхем по «старым» техпроцессам 65 или 90 нм, на них тоже большой спрос. Как было сказано выше, литографы DUV уже производят в Китае. Их можно импортировать.

При этом для современных чипов в России есть «бесфабричные» разработчики, которые заказывают производство на стороне. Они продолжают работу. Например, недавно стало известно о планах разработки российского ИИ-ускорителя. Как сообщается, задел для этого проекта есть у нескольких компаний — «Байкал электроникс» с направлением Baikal-AI, НТЦ «Модуль» с архитектурой NeuroMatrix и «Хайтэк» с решениями для запуска уже обученных нейросетей. Эксперты оценивают, что «бюджета в 15 млрд руб. будет достаточно для разработки одного-двух конкурентоспособных решений по модели бесфабричного производства».