ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Состояние и перспективы развития производственной базы микроэлектроники

Современное состояние производственной базы микроэлектроники

Состояние рынков интегральных схем, оборудования и пластин

Освоение КНР 14- и 7-нм технологических процессов

Сбываются ли планы КНР по обеспечению самодостаточности в области ИС?

Прогноз продаж полупроводникового оборудования

Тенденции развития современных производственных мощностей

Huawei остается ведущим поставщиком оборудования связи

SEMI о состоянии полупроводниковой промышленности

SEMI о состоянии полупроводниковой промышленности

SEMI о состоянии полупроводниковой промышленности

Некоторые аспекты развития 3D‑флэш-памяти NAND-типа

Краткий обзор деятельности ведущих кремниевых заводов

Тайвань и американо-китайская борьба за лидерство в микроэлектронике

КНР готовится к технологическому «разводу» с США

SMIC: передовые технологии, производственная база и государственное финансирование

Некоторые тенденции развития производственной базы микроэлектроники

Возвращение «блудных сыновей»

Китайская технология 3D-флэш-памяти NAND-типа

Состояние и планы развития ведущих кремниевых заводов

Достижения КНР в области индустрии ИС ЗУ

Состояние и планы развития ведущих кремниевых заводов

Intel принимает бизнес-модель IDM 2.0

GlobalFoundries и стимулирование производственной базы микроэлектроники в США

США: стимулирование развития микроэлектроники и эффективность санкций

SIA и BCG оценили предполагаемые меры стимулирования развития микроэлектроники в США

Борьба между США и Китаем за лидерство в сфере искусственного интеллекта

Новый план стимулирования НИОКР в США на 34 млрд долл.

Перспективы рынка СФ‑блоков до 2027 г.

Европейские полупроводниковые фирмы открывают центры НИОКР в США

О перспективах рынка потребительской электроники

SMIC: передовые технологии, производственная база и государственное финансирование

SMIC: передовые технологии, производственная база и государственное финансирование

Выпуск 15 (6714) от 06 августа 2020 г.
РУБРИКА: ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ БАЗА

Крупнейший кремниевый завод КНР, корпорация Semiconductor Manufacturing International Corp. (SMIC), начала производство 14-нм ИС, благодаря чему вошла в ограниченный круг изготовителей, способных производить микросхемы с использованием FinFET-процесса. Сейчас SMIC готовится разместить свои акции на 7 млрд долл. с целью обеспечить возможность дальнейшего инвестирования своей деятельности. Однако американская администрация предпринимает меры, препятствующие получению китайским производителем новейшего технологического оборудования для производства перспективных «систем-на-кристалле».

SMIC – не только ведущий китайский контрактный производитель изделий микроэлектроники. Корпорация обладает наиболее сложными технологическими процессами и является одной из технологических опор реализации государственной программы «Сделано в Китае-2025» (2025). SMIC серьезно относится к конкуренции с крупнейшим в мире «чистым» кремниевым заводом Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) и Samsung Foundry (автономное подразделение Samsung, №4 в рейтинге кремниевых заводов) в наступающую эру EUV-литографии, однако получить уже оплаченное оборудование у производящей EUV-системы голландской корпорации ASML не удалось из-за запрета США.

Между тем американские ограничения запрещают ведущим кремниевым заводам, в первую очередь TSMC, изготавливать ИС для Huawei Technologies, спроектированные ее подразделением HiSilicon. Теперь Huawei придется найти другой способ получать необходимые ей процессоры.


Бизнес-модель SMIC

TSMC – крупнейший в мире кремниевый завод. По объему прибыли он в три раза превосходит Samsung Foundry. В свою очередь, доходы автономного подразделения корпорации Samsung более чем в три раза превышают доходы GlobalFoundries и UMC, занимающих третье и четвертое место соответственно. SMIC, занимающий пятое место в рейтинге кремниевых заводов, отстает от последних двух.

В отличие от GlobalFoundries и UMC, которые решили сосредоточиться на специализированных производственных технологиях, SMIC по-прежнему ставит перед собой цель освоения новейших технологических процессов с минимальными проектными нормами. Теоретически компания может конкурировать с более финансово мощными лидерами рынка – TSMC и Samsung Foundry.

Разработка передовых уровней технологических процессов23 стоит миллиарды долларов и требует создания капиталоемких заводов по обработке 300-мм пластин (также стоящих миллиарды долларов), а также достаточно длительного срока окупаемости инвестиций. Именно поэтому многие ведущие производители полупроводниковых приборов в последние годы отказались от участия в гонке за масштабирование – освоение все меньших проектных норм. С этой точки зрения усилия SMIC в области масштабирования могут показаться удивительными, но у них есть свое объяснение. Китайская корпорация реализует уникальную бизнес-модель, предполагающую серьезные объемы финансирования со стороны местных властей, правительств провинций и центрального правительства, государственных предприятий, а также создание совместных предприятий с крупными транснациональными корпорациями. Такой подход позволяет SMIC существенно сократить собственные капитальные затраты и расходы на НИОКР.

Получение льгот от центральных и местных властей при строительстве заводов по обработке пластин не редкость для производителей ИС – ими пользовались корпорации AMD, GlobalFoundries и Intel. Производство полупроводниковых приборов прямо или косвенно порождает большое число высокооплачиваемых рабочих мест, поэтому власти обычно склонны стимулировать компании строить микроэлектронные производства на своей территории. Между тем даже предоставление значительных стимулирующих мер, льгот и налоговых скидок не избавляет такие корпорации от необходимости тратить миллиарды долларов собственных средств на сооружение новых предприятий.

SMIC демонстрирует другой подход – корпорация использует амбиции местных китайских властей, пытающихся привлечь на свою территорию как можно больше высокотехнологичных фирм с целью создания научно-производственных кластеров и хорошо оплачиваемых рабочих мест. Вместо того чтобы просить о предоставлении пакета мер стимулирования, SMIC сотрудничает с местными властями, осуществляющими совместно-долевые инвестиции в производственные мощности корпорации. Такая модель получила название «обратная BOT».

В настоящее время SMIC стремится сохранить контрольный пакет акций во всех своих заводах по обработке пластин (что не всегда удается). В 2000-х гг., когда корпорация только начала работать, действовала практика, согласно которой власти провинций и крупных городов строили на свои средства заводы по обработке пластин и передавали их под управление SMIC (в отличие от заводов, построенных на собственные средства SMIC, такие предприятия назывались «виртуальными»). Подобные партнерские отношения значительно снижают потребности SMIC в капитале и дают ей ряд преимуществ перед конкурентами.

Однако указанная модель не лишена сюрпризов: стоимость современного завода по обработке пластин может легко превышать 10 млрд долл., и местные власти не всегда готовы инвестировать половину суммы. В результате SMIC вынуждена обращаться к правительству провинции или центральному правительству, в ведении которых находятся фонды содействия развитию микроэлектроники с привлечением частных средств. Например, в мае 2020 г. SMIC получила от двух подобных китайских фондов около 2,25 млрд долл. на расширение мощностей по производству 12- и 14-нм ИС на своем шанхайском заводе (Fab SN1). При этом она потеряла контрольный пакет акций в фирме SMSC, владеющей заводом, однако продолжит его эксплуатировать.

В современной полупроводниковой промышленности совместная поисково-исследовательская деятельность широко распространена: существуют многочисленные научно-исследовательские альянсы, изучающие перспективные материалы и транзисторные структуры. В результате формируется основа коммерциализации новых технологических уровней, но для этого обычно требуется дополнительное время. Примером может служить «Исследовательский альянс» (Research Alliance) под руководством корпорации IBM. В ходе совместных работ партнеры по альянсу на территории нанотехнологического комплекса Политехнического института Университета штата Нью-Йорк (Олбани, шт. Нью-Йорк, США) в 2017 г. разработали основы создания технологического процесса формирования кремниевых нанолистовых полевых транзисторов с круговым затвором (GAAFET). Они также продемонстрировали обоснованность такого подхода для процессов с 5-нм проектными нормами. Корпорация GlobalFoundries позднее отказалась от дальнейшего масштабирования и сосредоточилась на специализированных технологиях. В то же время Samsung Foundry огласил планы использования технологии MBCFET с использованием кремниевых нанолистов для изготовления 3-нм ИС в период 2022–2023 гг.

SMIC реализует обширные программы НИОКР и в последние годы наращивает их финансирование. Корпорация также сотрудничает с Межуниверситетским центром микроэлектроники (IMEC, Левен, Бельгия) и Институтом микроэлектроники АН КНР (                    ). Кроме того, SMIC взаимодействует и с собственными клиентами (включая корпорации Huawei Technologies и Qualcomm) и партнерами (например, Brite Semiconductor и CEVA) в деле разработки современных технологических уровней и платформ. Это позволяет в еще большей степени оптимизировать расходы и добиться совершенствования предлагаемых услуг. Более того, подобное взаимодействие подтверждает, что крупные игроки, такие как Huawei и Qualcomm, действительно заинтересованы в успехах SMIC и производстве его ИС, необходимых им на территории Китая.

Разработка современных технологических процессов обходится в миллиарды долларов. Несмотря на то что SMIC применяет различные способы оптимизации расходов, текущие затраты требуют дополнительных средств. Стремясь привлечь средства на реализацию программы НИОКР и расширение производственных мощностей, SMIC планирует в конце 2020 г. осуществить на Шанхайской бирже новое IPO. Предполагается, что 40% полученных денег будет использовано на новое оборудование для шанхайского завода по обработке 300-мм пластин (Fab SN1), 20% – на НИОКР по перспективным и зрелым технологическим уровням, а остальное – на пополнение оборотных средств. Если все удастся, это будет большой успех – в 2019 г. SMIC уже потратила на НИОКР 629 млн долл.


Производственные мощности SMIC

В настоящее время в распоряжении SMIC имеется семь предприятий: три по обработке 200-мм пластин и четыре по обработке пластин диаметром 300 мм. Кроме того, предполагается создание еще одного 300-мм предприятия (табл. 1). Помимо этого, в 2016 г. корпорация приобрела 70% кремниевого завода LFoundry (Авеццано, Италия) с целью выйти на рынок ИС для автомобильной электроники, однако в 2019 г. по неизвестной причине этот пакет акций был продан. Учитывая бизнес-модель SMIC, это далеко не первый случай, когда корпорация продает свою долю в управляемых ею объектах.


ТАБЛИЦА 1

ЗАВОДЫ ПО ОБРАБОТКЕ ПЛАСТИН SMIC ПО СОСТОЯНИЮ НА I КВ. 2020 Г.

Завод

Диаметр обрабатываемых пластин, мм

Технологический процесс

Мощность, тыс. пластин в месяц

Fab 2 P1, Пекин

300

55–180 нм

52,0

Fab 2 P2, Пекин

300

28–40 нм

50,0

Fab 1, Шанхай

200

90–350 нм

115,0

Fab 8 Р1, Шанхай

300

До 28 нм

2,0

Fab SN1, Шанхай

300

14 нм и менее

4,0

Fab 5, Шэньчжэнь

200

90–350 нм

55,0

Fab ?, Шэньчжэнь

300

Fab 7 P1, Тяньцзинь

200

90–350 нм

63,0


Первыми после создания SMIC мощностями стали предприятия по обработке 200-мм пластин с использованием зрелых, проверенных технологий. Первый такой завод был введен в строй – благодаря помощи властей Шанхая – в 2001 г., через 13 месяцев после учреждения SMIC. В 2008 г. корпорация приступила к строительству первого в стране завода по обработке 300-мм пластин и производству логических ИС. Это еще один показатель того, насколько быстро развивалась SMIC в то время.

В наши дни заводы по обработке 200-мм пластин используются SMIC для изготовления ИС по зрелым логическим процессам, а также по специализированным технологиям с различными проектными нормами. По специализированным технологиям изготавливаются цифро-аналоговые ИС и радиоприборы, MEMS, ИС управления режимом электропитания и энергонезависимые ИС ЗУ. Все эти приборы пользуются большим спросом и, как ожидается, в ближайшие годы рыночная популярность мощностей по обработке 200-мм пластин вырастет. Сейчас мощностей SMIC по обработке 200-мм пластин хватает для обслуживания текущих клиентов. Но по мере роста спроса производство будет необходимо расширять. Это нелегкая задача, учитывая дефицит соответствующего оборудования, как нового, так и бывшего в использовании.

Опыт освоения обработки пластин диаметром 300-мм у SMIC противоречив. Такие заводы гораздо дороже строить, оснащать и эксплуатировать. Некоторые подобные предприятия, которыми когда-то управляла SMIC, пришлось продать из-за убыточности. В данный момент в распоряжении крупнейшего китайского кремниевого завода есть пять предприятий, обрабатывающих 300-мм пластины. Два из них расположены недалеко от Пекина:

Fab 2 P1 производит ИС с топологиями от 55 до 180 нм, его мощность – 52 тыс. пластин, начатых обработкой, в месяц;

Fab 2 P2 изготавливает ИС с топологиями 28 и 40 нм (причем оборудование для изготовления 28-нм микросхем может применяться и для производства 40-нм приборов), его мощность – 50 тыс. пластин.

SMIC также эксплуатирует Fab 8 P1 в Шанхае, его мощность по состоянию на I кв. 2020 г. составляет пока всего 2 тыс. пластин, начатых обработкой, в месяц.

Мощности заводов по обработке 300-мм пластин у SMIC не так велики, как у «гигафабрик» TSMC. Хотя здесь надо заметить, что производительность сильно зависит от используемых технологических процессов. Например, применение методик двойного, а тем более множественного формирования рисунка подразумевает, что обрабатываемые пластины долгое время находятся в чистых комнатах. Увеличение объемов производства приводит к снижению удельных затрат (именно поэтому «гигафабрикам» TSMC легче снизить издержки производства на одну пластину), но в то же время требует огромных первоначальных инвестиций, а также гарантированно высокого коэффициента использования оборудования. С этой точки зрения ориентация на эксплуатацию заводов среднего размера, изготавливающих ИС по зрелым технологиям, может оказаться правильной идеей для SMIC, учитывая тот факт, что львиная доля доходов корпорации в настоящее время поступает от реализации ИС, изготовленных по хорошо зарекомендовавшим себя процессам.

Руководство SMIC осознает, что при освоении перспективных технологических процессов с минимальными проектными нормами подобный кремниевый завод будет нуждаться в более крупных объемах производства для обеспечения рентабельности. Последние предприятия, построенные корпорацией в Пекине и Шанхае, огромны и могут вместить большой парк технологического оборудования. Например, завод по обработке 300-мм пластин Fab SN1 в Шанхае после полного оснащения и увеличения мощности до 70 тыс. пластин, начатых обработкой, в месяц будет стоить около 10 млрд долл. Разумеется, подобные предприятия нуждаются в государственных инвестициях, что несколько меняет первоначальную бизнес-модель SMIC по взаимодействию с местными властями.


Технологии SMIC

Когда речь заходит об освоении новых технологических процессов, успехи SMIC впечатляют. Действительно, в 2001 г. на первом заводе корпорации, Fab 1, был освоен 0,25-мкм технологический процесс. Здесь же уже в 2002 г. был внедрен 0,18-мкм процесс. К I кв. 2008 г. SMIC освоила множество технологических процессов, реализуемых с использованием широкого спектра проектных норм, и даже представила собственную 65-нм технологию. В конце концов SMIC начала изготавливать в 2012 г. 40-нм ИС, в 2015 приступила к выпуску линейки 28-нм приборов, а под занавес 2019-го предложила заказчикам 14-нм ИС, реализованные по FinFET-технологии. При всем этом ведущий китайский кремниевый завод всегда отставал от лидера рынка кремниевых заводов, тайваньской корпорации TSMC, примерно на четыре года (табл. 2).


ТАБЛИЦА 2

СОПОСТАВЛЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ TSMC И SMIC ПО ПЕРВОНАЧАЛЬНОМУ ОСВОЕНИЮ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА

Технология

65 нм

40/45 нм

28 нм HKMG*

14/16 нм

12 нм

7 нм DUV**

7 нм EUV

TSMC

II кв. 2006

IV кв. 2008

IV кв. 2011

II кв. 2015

IV кв. 2017

II кв. 2018

II кв. 2019

SMIC

III кв. 2010

IV кв. 2012

III кв. 2015

IV кв. 2019

IV кв. 2021(?)

Отставание

4 года и квартал

4 года

4 года

4 года и 2 квартала

3 года и 2 квартала


* HKMG (high-k metal gate, process) – процесс формирования ИС с металлическим затвором и высоким значением диэлектрической проницаемости диэлектрика.

** DUV (deep ultraviolet) – «глубокий» ультрафиолет, излучение эксимерных лазеров с длинами волн от 248 до 193 нм, используемое в литографических системах для формирования минимальных размеров топологических элементов ИС порядка 90 нм и менее (до уровня 45–10 нм, далее предполагается использовать EUV-литографию).


Разработка технологических процессов требует больших финансовых ресурсов и жестких технических условий. Для ускорения разработки и минимизации рисков SMIC на заре своей истории наняла сотни бывших инженерно-технических специалистов TSMC. В целях еще большего снижения рисков корпорация «попросила» некоторых из них «поделиться» секретами производства TSMC, знаниями о технологических процессах, ноу-хау и прочими вещами, способствующими успешному внедрению новых технологий. Кроме того, SMIC заключила лицензионные соглашения с Chartered Semiconductor Manufacturing (CSM, ныне часть GlobalFoundries) по 180-нм процессу и с корпорацией IBM по 40/45-, 32- и 28-нм процессам. Полученные от других фирм производственные процессы и связанные с ними технологии принесли китайской корпорации необходимую интеллектуальную собственность (сложнофункциональные (СФ) блоки). В свою очередь, это позволило привлечь клиентов, нуждавшихся в дополнительных источниках ИС, произведенных по подобным технологиям (в том числе зрелым), при этом без существенной перепроектировки. Все эти действия в совокупности позволили SMIC добиться впечатляющих успехов на рынке услуг кремниевых заводов. В 2005 г. она заняла четвертое место в рейтинге крупнейших кремниевых заводов мира – после TSMC, UMC и Chartered.

Разумеется, столь резкий взлет, как и способы, благодаря которым он был достигнут, не остались незамеченными со стороны TSMC. Она дважды обвиняла SMIC в краже секретов производства и получала различные компенсации в рамках мировых соглашений (табл. 3). В итоге TSMC стали принадлежать 9,54% акций SMIC, но затем эта доля уменьшилась из-за дополнительного финансирования корпорации со стороны различных государственных компаний КНР.


ТАБЛИЦА 3

СУДЕБНЫЕ ТЯЖБЫ SMIC И TSMC, ИХ РЕЗУЛЬТАТЫ

Истец

Обвинение

Ответчик

Меры возмещения ущерба

TSMC, начало 2005 г.

Незаконное использование 0,18-мкм производственного процесса и сопутствующих технологий

SMIC

Выплата 175 млн долл. по мировому соглашению (конец 2005 г.)

TSMC, 2006 г.

Незаконное копирование 0,13-мкм производственного процесса и связанных с ним технологий

SMIC

Выплата 200 млн долл. по мировому соглашению. Предоставление TSMC 8% акций SMIC и опцион на покупку еще 2% акций (конец 2009 г.)


Стратегическая цель SMIC всегда состояла в том, чтобы разрабатывать все необходимое внутри корпорации – несмотря на то что в начале своего развития она получала необходимые технологии за счет покупки лицензий у своих конкурентов, а иногда и с использованием спорных методов. В целях обеспечения внутрикорпоративной разработки перспективных технологий SMIC «выращивала» специалистов в области микроэлектроники, заключала договоры о подготовке кадров с национальными и зарубежными университетами, а также нанимала высококвалифицированных сотрудников, которые затем помогали обучать местные кадры. Например, в 2001–2003 гг. SMIC пригласила из-за рубежа около 400 инженерно-технических работников, которые, помимо работы на корпорацию, обучили еще 800 китайских специалистов. С другой стороны, когда крупные зарубежные микроэлектронные корпорации открывали в КНР свои производственно-сбытовые подразделения, они приглашали на работу специалистов SMIC.

К 2010–2011 гг. в составе SMIC было сформировано и работало несколько групп, специализировавшихся на различных программах НИОКР, осуществлявшихся в сотрудничестве с партнерами из внешних фирм и организаций. Такая научно-исследовательская деятельность позволяет разрабатывать дифференцированные процессы, ориентированные на конкретные области применения, а также снижать риски, связанные с подобными разработками. Например, SMIC стала одной из первых фирм, представивших 28-нм поликремниевую SiON-технологию, а также первой представила 7-нм технологический уровень для недорогих приложений. Данная технология, возможно, будет конкурировать с 8LPP технологическим процессом Samsung Foundry и, в конечном итоге, с процессом 12LP+ корпорации GlobalFoundries.

Хотя SMIC всегда отставала от TSMC с точки зрения передовых технологических процессов, она всегда могла предложить конкурентоспособные цены, дифференциацию продукции, комплексную цепочку поставок. Это всегда привлекало ее клиентов, таких как HiSilicon, Qualcomm и Fingerprint Cards. По состоянию на I кв. 2020 г. на зрелые технологии, характеризующиеся проектными нормами от 40/45 до 250/350 нм, приходилось 92% доходов SMIC. На технологии с проектными нормами 28 и 14 нм – 6,5 и 1,3% доходов соответственно. Первой фирмой, опробовавшей 14-нм процесс SMIC, стала HiSilicon: для нее были изготовлены «системы-на-кристалле» (SoC) Kirin 710A – прикладные процессоры для младших моделей смартфонов. Первоначально HiSilicon с 2018 г. выпускала эти SoC по 12-нм процессу на производственных мощностях TSMC, но теперь этот источник из-за американских санкций стал для подразделения Huawei недоступным. Кроме того, благодаря возможностям диверсификации, предлагаемым SMIC, сфера использования SoC Kirin может быть расширена за счет промышленной электроники.

Довольно медленный рост доли 28-нм и 14-нм ИС в совокупных доходах SMIC и доминирование зрелых технологий показывают, что корпорация ориентируется на ИС, при производстве которых не обязательно использовать новейшие технологии с минимальными проектными нормами. Например, многие микросхемы для средств связи, автомобильной, потребительской и промышленной электроники имеют довольно длительный жизненный цикл. Кроме того, многие китайские разработчики предпочитают проектировать ИС с использованием проверенных, хорошо отработанных технологических уровней. Этими факторами, в частности, объясняется высокий коэффициент использования производственных мощностей SMIC – в I кв. 2020 г. он составил 98,5%. При этом 14-нм FinFET-процесс SMIC уникален, и компании пока не удается привлечь клиентов, ищущих второй источник снабжения микросхемами, реализованными по этой технологии. Для ее распространения SMIC, учитывая ограниченные производственные мощности, ориентированные на указанную технологию, потребуется время.

Итак, в сфере новейших технологий с минимальными проектными нормами SMIC отстает от TSMC на годы. В обычное время на преодоление этого разрыва могло бы понадобиться по меньшей мере десятилетие. Однако ни у SMIC, ни у КНР в целом этого десятилетия нет. Усиливающиеся американо-китайские противоречия, начавшись с торговли и таможенных тарифов, перекинулись на сферу высоких технологий, вопросы доступа и обладания ими. Формирующиеся в связи с этим мегатенденции в области промышленности (и не только промышленности) таят в себе как небывалые возможности для развития SMIC, так и серьезные проблемы, вплоть до угрозы выживанию корпорации.

Продолжение статьи читайте в следующем выпуске.


Shilov Anton. SMIC: Advanced Process Technologies and Gov’t Funding. EE Times, July 13, 2020: https://www.eetimes.com/smic-advanced-process-technologies-and-govt-funding


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 23(6747) от 25 ноября 2021 г. г.