ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Тайвань и американо-китайская борьба за лидерство в микроэлектронике

SMIC: передовые технологии, производственная база и государственное финансирование

О перспективах рынка потребительской электроники

SIA и BCG оценили предполагаемые меры стимулирования развития микроэлектроники в США

Сбываются ли планы КНР по обеспечению самодостаточности в области ИС?

США: стимулирование развития микроэлектроники и эффективность санкций

Борьба между США и Китаем за лидерство в сфере искусственного интеллекта

Новый план стимулирования НИОКР в США на 34 млрд долл.

Достижения КНР в области индустрии ИС ЗУ

Перспективы рынка СФ‑блоков до 2027 г.

Европейские полупроводниковые фирмы открывают центры НИОКР в США

IMEC разрабатывает процесс интеграции 2D-материалов на 300-мм пластинах

Краткий обзор деятельности ведущих кремниевых заводов

Возобновление доступа к материалам Solid State Technology

FanFET – новая транзисторная структура для 3D-флэш-памяти NAND-типа

Данные технологического процесса как средство повышения выхода годных

Производственная база микроэлектроники США

Маршрутная карта развития FEOL-, MEOL- и BEOL-процессов

Материалы 66-й международной конференции по электронным приборам

Маршрутная карта развития FEOL-, MEOL- и BEOL-процессов

Методика оценки экологичности производства ИС

Материалы 66-й международной конференции по электронным приборам

КНР готовится к технологическому «разводу» с США

Некоторые тенденции развития производственной базы микроэлектроники

Возвращение «блудных сыновей»

Китайская технология 3D-флэш-памяти NAND-типа

Состояние и планы развития ведущих кремниевых заводов

Тенденции развития современных производственных мощностей

Состояние и планы развития ведущих кремниевых заводов

Intel принимает бизнес-модель IDM 2.0

GlobalFoundries и стимулирование производственной базы микроэлектроники в США

SMIC: передовые технологии, производственная база и государственное финансирование

SMIC: передовые технологии, производственная база и государственное финансирование

Выпуск 16 (6715) от 20 августа 2020 г.
РУБРИКА: ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ БАЗА

Во второй части статьи (см. первую часть статьи) о развитии крупнейшего кремниевого завода КНР, корпорации Semiconductor Manufacturing International Corp. (SMIC), рассматриваются вопросы разработки центральных процессоров, программ НИОКР SMIC, процесс ее превращения из транснациональной корпорации в практически полностью государственную корпорацию и стоящие перед ней проблемы.

Ряд мегатенденций, формирующихся в настоящее время, окажут трансформационное воздействие на общество и обеспечат новые возможности развития высокотехнологичным компаниям. Так, появление сетей и средств связи 5G будет стимулировать спрос на приложения с поддержкой 5G, а также различные «системы-на-кристалле» (SoC) для краевых вычислений. Однако темпы роста спроса на эти приложения и SoC в значительной степени будет зависеть от темпов развертывания инфраструктуры 5G. Еще две проявляющиеся мегатенденции связаны с искусственным интеллектом (ИИ) и высокопроизводительными вычислительными приложениями (HPC). Развитию этих технологий безусловно будут способствовать преимущества 5G, хотя взаимодействие указанных мегатенденций не обязательно проявится сразу. Для развития 5G, ИИ, HPC и краевых вычислений потребуется колоссальное количество ИС, поэтому все кремниевые заводы рассчитывают на увеличение объемов заказов. При этом на дальнейшее развитие корпорации SMIC могут оказать влияние и некоторые дополнительные факторы.

Стремительное развитие КНР в последние десятилетия породило массовую потребность в полупроводниковых приборах и стимулировало создание в стране множества фирм-разработчиков ИС. По данным China Renaissance Securities, число таких форм резко возросло – ​с 736 в 2015 г. до 1780 в 2017‑м. Между тем подавляющее большинство ИС (в том числе разработанных на местном уровне), которые используют китайские производители конечных электронных систем, как правило, производятся за пределами страны. С этой точки зрения любое нарушение нормальной цепочки поставок открывает новые возможности для производителей полупроводниковых приборов, расположенных в Китае, таких как SMIC и Hua Hong. Однако есть одна загвоздка: эти производители должны предлагать продукцию мирового класса, реализованную, в том числе, по новейшим технологическим уровням, и конкурентоспособные цены.

Недавно правительство США ввело новые санкции против корпорации Huawei Technologies. Теперь любой поставщик ИС, использующий для их производства изготовленные в Америке инструментальные средства, перед продажей таких приборов Huawei должен получить лицензию. Стратегическая цель Министерства торговли США – ​как можно больше усложнить приобретение корпорацией Huawei современных полупроводниковых приборов.

Если подобная лицензия не будет выдана или не будут изменены правила, итогом станет запрет любому производителю ИС – ​включая такие кремниевые заводы, как TSMC и Samsung Foundry (автономное подразделение Samsung Electronics), – ​работать с Huawei, что поставит под угрозу само выживание данной корпорации. В то же время жесткие санкции заставляют других китайских производителей ИС и конечных электронных систем пересмотреть свою зависимость от зарубежных поставщиков, что хорошо для SMIC.

Fabless-фирма HiSilicon (подразделение Huawei) стала первым китайским разработчиком SoC, бросившим вызов корпорациям Apple, Qualcomm и Samsung Electronics в области разработки прикладных процессоров. Ей удалось создать собственные прикладные процессоры (прежде всего для Huawei), ориентированные на флагманские смартфоны и обладающие действительно конкурентоспособной производительностью и набором функций. В Китае есть и другие проектировщики SoC с аналогичными амбициями, включая Oppo (по крайней мере по слухам), Unisoc и Xiaomi, и это лишь некоторые из них. В настоящее время они вынуждены передавать производство своих процессоров на аутсорсинг тайваньским TSMC или UMC, поскольку у них нет производственной альтернативы на материковой части Китая. SMIC, будучи ведущим контрактным производителем полупроводниковых приборов КНР, станет первым кандидатом на получение их заказов, как только обзаведется необходимыми технологиями и производственными мощностями.

По мнению специалистов China Renaissance Securities, пул отечественных талантов в области проектирования микросхем остается ключевым фактором, помогающим SMIC как ведущему национальному кремниевому заводу продвигать свою маршрутную карту развития FinFET-технологии за пределы 12/14-нм проектных норм, в область собственных технологий N+1/N+2. Последние предложения корпорации эквивалентны приборам основных конкурентов, изготовляемых по 8/7-нм процессам (включая 8LPP) без использования EUV-литографии. Это, вместе с тем фактом, что инструментальные средства, применяемые для производства 12/14-нм-ИС, в 80% случаев пригодны для процессов N+1/N+2, должно обеспечить SMIC комфортную работу при потенциальном увеличении капиталовложений в 2020 г. до уровня более 4,5 млрд долл.


Ситуация с центральными процессорами

В последние годы, после введения США ограничений по поставкам в КНР центральных процессоров (CPU), в стране возникло несколько разработчиков таких приборов. Их CPU основаны на архитектурах ARM или x86 и обеспечивают довольно многообещающую производительность, хотя и производятся в основном на мощностях GlobalFoundries, TSMC и UMC. Китайские разработчики CPU появились как раз вовремя, если иметь в виду формирующиеся мегатенденции в областях 5G, ИИ и HPC. Поэтому есть основания полагать, что как только SMIC получит соответствующие технологии и возможности поточно-массового производства ИС с их использованием, местные проектировщики CPU станут его клиентами с довольно обширными финансовыми ресурсами (поскольку, в отличие от разработчиков SoC для мобильных применений, в этой сфере нет жесткой конкуренции). Даже сегодня SMIC может извлечь выгоду из обслуживания приложений  5G, ИИ и HPC, поскольку каждая SoC нуждается в кристаллах ИС управления режимом электропитания, а каждый смартфон нуждается в модулях входных радиочастотных каскадов. Кроме того, есть множество новых применений, в которых не обязательно использовать ИС, реализованные по минимальным проектным нормам.

В плане освоения новых технологических процессов со все меньшими топологиями SMIC не стоит на месте. В последние годы корпорация довольно быстро наращивает свои расходы на НИОКР. В 2014 г. на эти цели было потрачено 189,7 млн долл., или 9,5% доходов от продаж. Пять лет спустя, в 2019 г., компания ассигновала уже 629 млн долл. или 20,7% прибыли (см. таблицу). Увеличение расходов на НИОКР способствует ускорению реализации маршрутной карты развития производственных технологий SMIC.


Таблица

Динамика затрат SMIC на НИОКР

Показатель

2014 г.

2015 г.

2016 г.

2017 г.

2018 г.

2019 г.

Затраты, млн долл.

187,9

237,2

318,2

427,1

558,1

629,0

Доля затрат в доходах, %

9,5

10,6

10,9

13,8

16,6

20,7



В области передовых производственных процессов с минимальными проектными нормами SMIC вряд ли сумеет в ближайшее время бросить вызов TSMC и Samsung Foundry. При этом корпорация, вероятно, выиграет от того, что и GlobalFoundries, и UMC теперь сосредоточены на технологиях, ориентированных на специализированные приложения. GlobalFoundries продолжит предлагать свои технологии с малой потребляемой мощностью (low power, LP) – ​14LPP, 12LP и 12LP+, которые будут конкурировать с производственными технологиями SMIC14/12-нм и N+1. Однако технология N+2 при должной агрессивности способна вывести SMIC в другую, более высокую лигу.

Конкурентоспособные технологические процессы важны, но важны и производственные мощности. В IV кв. 2019 г. производственная мощность SMIC по 14-нм процессам составляла всего около 1 тыс. пластин, начатых обработкой, в месяц. В марте 2020 г. этот показатель вырос до 4 тыс. пластин, в июле, как ожидается, увеличится до 9 тыс., а концу 2020 г. – ​до 15 тыс. пластин.

Отзывы клиентов о 14-нм процессе SMIC положительны. С его использованием изготавливаются ИС как для средств связи, так и для автомобильной электроники, включая младшие модели прикладных процессоров, процессоры канала прямой (безмодуляционной) передачи сигнала и ИС для потребительской электроники. Понимая свои довольно хорошие перспективы, SMIC резко увеличила капитальные вложения в 2020 г. – ​с 3,2 млрд до 4,3 млрд долл. Прямо сейчас для расширения своих производственных возможностей компания нуждается в оборудовании для 14‑нм- и 28-нм процессов (а также 7-нм процесса через пару лет), поэтому ей желательно как можно скорее приобрести передовые инструментальные средства DUV-литографии.

Когда дело дойдет до финансирования, SMIC сможет использовать деньги, которые собирается получить за выпуск дополнительных акций на Шанхайской фондовой бирже. Если потребуются дополнительные средства, есть вариант обратиться в государственные фонды, но это будет означать увеличение доли государства в структуре акций SMIC. Аналитики считают, что китайские власти намерены сделать SMIC более конкурентоспособной, поэтому будут ее финансировать. В том, что касается денег, проблем возникнуть не должно, а вот усиление государственного контроля над корпорацией может их породить.

Министерство промышленности и информационных технологий КНР (MIIT) во время пресс-конференции Государственного совета 20 января 2020 г. подтвердило приверженность политике централизации ресурсов и помощи на раннем этапе компаниям, действующим в капиталоемких сегментах цепочки поставок ИС (то есть производства). Таким образом повышается конкурентоспособность этих компаний на мировом рынке – ​в противовес созданию большого количества новых фирм, порождающему порочную конкуренцию внутри экосистемы на стадии наращивания потенциала. В сфере кремниевых заводов это хорошая новость для таких известных производителей, как SMIC и Hua Hong.


От транснациональной корпорации к почти полностью контролируемой государством компании

Корпорация SMIC была основана в апреле 2000 г. ветераном полупроводниковой промышленности Ричардом Ченом (Richard Chang). Он родился в КНР, окончил один из тайваньских университетов и аспирантуру в США, а затем в течение 20 лет работал на корпорацию Texas Instruments, поучаствовав за это время в строительстве и эксплуатации 10 заводов по обработке пластин в разных странах. Для создания SMIC в сжатые сроки Чен привлек финансирование от нескольких частных и институциональных инвесторов, включая китайские банки, инвестиционные подразделения муниципальных правительств КНР, тайваньских (даже несмотря на то, что все инвестиции в КНР должны были быть одобрены правительством Тайваня) и американских инвесторов. До первоначального предложения акций IPO на фондовых биржах Гонконга и Нью-Йорка в 2004 г. SMIC привлекла около 2,5 млрд долл. В начале 2000-х гг. это была транснациональная корпорация со штаб-квартирой в Шанхае, заводами по обработке пластин, расположенными исключительно в КНР, а также представительствами в Италии, США, Японии и на Тайване (см. рисунок).

Теперь все изменилось. Когда SMIC стала в 2004 г. акционерным обществом открытого типа, выяснилось, что китайское государство владеет примерно 14,75% ее акций. К середине 2012 г. доля КНР в SMIC выросла до 36,9%, а к концу 2018-го правительство контролировало по меньшей мере 46,36% корпорации. SMIC обслуживает клиентов со всего мира, но более 60% ее выручки в I кв. 2020 г. поступило от заказчиков со штаб-квартирой в КНР. Финансовые аналитики считают, что, несмотря на массовые вливания со стороны государства, SMIC все еще формально не контролируется правительством и является независимым акционерным обществом. Между тем зарубежные инвесторы, такие как международные банки или корпорация TSMC, сейчас либо владеют очень маленькими долями SMIC, либо полностью распродали их.

Устойчивая финансовая поддержка имеет решающее значение для SMIC, но получение денег от различных контролируемых правительством организаций увеличивает риски попадания под санкции США.



Источник: EE Times

Дислокация подразделений SMIC


Проблемы SMIC

В то время как число контрактных производителей полупроводниковых приборов, способных производить ИС с минимальными проектными нормами, за последние 10 лет сократилось, конкуренция между оставшимися игроками в значительной степени усилилась. Основные fabless-разработчики ИС заинтересованы в наиболее передовых технологических процессах, высоком выходе годных и производственных мощностях, достаточных для удовлетворения потребности в выпуске новейших смартфонов, продающихся в огромных количествах. Фактически в наши дни, для того чтобы остаться в игре, необходимо обладать передовыми технологиями с высоким выходом годных, огромными производственными мощностями, предоставлять заказчикам конкурентоспособные услуги, а также обзавестись достаточным количеством клиентов с большими финансовыми ресурсами, средства которых можно привлекать на максимально ранних этапах разработки и освоения перспективных технологий.

Современная маршрутная карта технологического развития SMIC включает в себя производственные процессы, использующие транзисторы FinFET и DUV-литографию. В 2019 г. корпорация купила у фирмы ASML установку EUV-литографии, работающую в предельной УФ-области спектра с длиной волны 13,5 нм, но она до сих пор не поставлена. Представители ASML (монопольного производителя этого оборудования) утверждают, что для поставки EUV-установки китайской фирме – ​неважно какой – ​компания должна получить лицензию голландского правительства. Интересно, что, хотя источники излучения для DUV-сканеров ASML, а также генераторы капель (олова) для EUV-сканеров производятся в США и затем поставляются в Нидерланды, на них не требуется экспортная лицензия правительства США (но их нельзя использовать для производства ИС для Huawei).

В отсутствие оборудования EUV-литографии маршрутная карта SMIC за пределами технологий N+1 и N+2 на данном этапе не может быть сформулирована, поэтому с точки зрения развития технологий перспективы после 2022–2023 гг. остаются неясными. Между тем, чтобы лучше конкурировать с более крупными корпорациями в ближайшие два-три года, SMIC необходимо закупить DUV-сканеры и другое оборудование для увеличения мощности своих заводов по обработке пластин, предназначенных для изготовления ИС по перспективным технологиям (например, 14/12 нм, а также N+1/N+2).

Для продажи китайским компаниям (включая SMIC) нового DUV-оборудования, произведенного в Нидерландах, ASML не нужна экспортная лицензия. Однако не все так просто. В случае экспорта ASML восстановленных DUV-систем американского происхождения компании необходима экспортная лицензия США. При этом большинство восстановленных DUV-систем поставляются из Нидерландов.

Стремясь закупить оборудование, основанное на разработанных в США технологиях, SMIC еще в начале 2000-х гг. убедила американское правительство в том, что она никогда не производила ИС для китайской армии, и приняла меры к соблюдению американских норм экспортного контроля. В результате корпорация была подписана на специальную всеобъемлющую лицензию (special comprehensive license, SCL), выданную американской корпорации Applied Materials в 2003 г. В 2007-м SMIC стала аттестованным конечным пользователем (validated end-user, VEU) экспортируемых в КНР американских технологий. Обе лицензии устранили индивидуальные экспортные лицензионные требования к SMIC по поставкам товаров, подпадающим под нормы экспортного контроля. Это значительно сократило сроки выполнения заказов при приобретении китайской корпорацией инструментальных средств. К сожалению, программа SCL в 2015 г. была законсервирована, а сроки действия всех SCL истекли в 2016-м. В том же году SMIC по какой-то причине попросила исключить ее из перечня VEU. С этой точки зрения у SMIC могут возникнуть трудности с приобретением бывшего в использовании оборудования американского происхождения, хотя она не будет иметь никаких проблем с получением нового оборудования ASML из Нидерландов. Кроме того, на оборудование, произведенное американскими компаниями, потребуется экспортная лицензия, а «гонконгская лазейка» для китайских производителей полупроводниковых приборов отныне недоступна.

Судя по тому, что SMIC собирает миллиарды долларов для наращивания производственных мощностей, у нее, конечно, есть план приобретения инструментальных средств. Однако закупка некоторых видов оборудования, произведенного в США, может оказаться сложной задачей с неопределенными сроками реализации. Кроме того, существуют риски, связанные с санкциями администрации Трампа относительно финансирования подконтрольных правительству КНР структур.

Как и другие кремниевые заводы, SMIC полагается на так называемых альфа-клиентов, внедряющих в свою продукцию ИС, реализованные по новейшим технологиям с минимальными проектными нормами, на самых ранних этапах освоения таких технологий. Кроме того, альфа-клиенты помогают оптимизировать новые технологии с целью максимизации выхода годных и других критических параметров. Так, 28-нм технологический процесс SMIC был разработан в первую очередь с учетом потребностей корпорации Qualcomm, в то время как 14-нм процесс был оптимизирован под нужды HiSilicon. Поскольку работать с этим полупроводниковым подразделением Huawei рискованно, освоение и совершенствование 14/12-нм процессов SMIC замедлится, если только кремниевый завод не найдет другого партнера. В Китае, по мнению аналитиков, достаточно компаний, заинтересованных в перспективных технологических процессах с минимальными топологиями и способных помочь SMIC, – ​но налаживание взаимодействия с ними требует времени.

Эксперты China Renaissance Securities полагают, что даже в отсутствие совместной работы HiSilicon и SMIC по оптимизации технологических параметров 12/14-нм процессов и выхода годных влияние ситуации будет крат-ковременным, поскольку в Китае есть фирмы, обладающие опытом сотрудничества с TSMC по технологиям с проектными нормами до 5 нм. Отсутствие совместных работ HiSilicon и SMIC может ускорить рост китайских fabless-стартапов, ориентированных на внутренний рынок, таких как Alchip и VeriSilicon.

SMIC необходимо ускорить свое технологическое развитие, чтобы в ближайшие годы сократить и даже ликвидировать четырехлетнее отставание от TSMC. Для этого следует использовать преимущества, предоставляемые развитием сфер ИИ и HPC, а также мегатенденций развития китайской полупроводниковой промышленности. С этой точки зрения чем скорее SMIC найдет крупных клиентов, заинтересованных в ее FinFET-технологиях, тем лучше. Между тем прямо сейчас SMIC не обладает существенными мощностями по производству ИС с использованием FinFET, что ограничивает ее возможности конкурировать за крупные заказы, которые в основном и являются источником финансирования перспективных программ НИОКР.


Заключение

На протяжении всей своей истории SMIC демонстрировала очень быстрое развитие: в финансировании ее заводов по обработке пластин участвовали правительства провинций и крупных городов КНР, к тому же для многих клиентов она сумела стать альтернативным источником услуг кремниевого завода. Эта модель позволила SMIC оставить позади многие кремниевые заводы как с точки зрения освоения перспективных технологий, так и с точки зрения расширения производственных мощностей. Кроме того, SMIC сумела вой-ти в ограниченный круг обладателей производственных FinFET-технологий. Ситуация резко изменилась в эпоху FinFET – ​постройка заводов по обработке пластин стали настолько дорогой, что SMIC теперь нуждается в дополнительной поддержке со стороны государства. При этом новые технологические уровни SMIC отличаются от аналогичных процессов, предлагаемых другими фирмами, из-за чего корпорация больше не может рассматриваться в качестве второго источника услуг кремниевого завода.

На данный момент SMIC реализует многообещающие программы НИОКР, разработала четкую маршрутную карту развития на несколько лет вперед, а также обладает широкой базой потенциальных клиентов из Китая и других стран, намеренных воспользоваться преимуществами надвигающихся мегатенденций в области 5G, ИИ и HPC. Однако предпринятые США меры экспортного регулирования значительно замедляют усилия корпорации по освоению EUV-литографии, препятствуя приобретению соответствующего сканера. Кроме того, чтобы окупить свои затраты на НИОКР в области 12-нм, N+1, N+2 и других перспективных процессов, SMIC будет нуждаться в существенном расширении производственных мощностей для изготовления больших объемов ИС.

Без передовых технологий и конкурентоспособных объемов производства ИС, которые будут интересны крупным производителям, SMIC вряд ли сможет проложить себе путь в будущее, характеризующееся развитием технологий полевых транзисторов с круговым затвором (GAAFET) и EUV-литографии. Таким образом, корпорация сейчас находится в драматической точке своей истории. Чтобы оснастить свои заводы передовым оборудованием, SMIC до конца 2020 г. разместит новые акции на шанхайской фондовой бирже. В конечном итоге ей также может понадобиться взять кредиты или подать заявку на дополнительное финансирование организациями, участвующими в национальной программе «Сделано в Китае – 2025» (齌国薴謾2025).

Получение слишком большой государственной помощи в условиях американо-китайской торговой войны означает дополнительные риски для SMIC. Но без сочетания передовых технологических процессов и производственных мощностей компания потеряет все шансы сократить разрыв с TSMC и Samsung Foundry и в конечном итоге будет вынуждена сосредоточиться на специализированных технологиях и нишевых рынках.

Сумеет ли руководство SMIC найти правильный баланс между финансированием сторонними организациями и снижением рисков, станет понятно в течение нескольких предстоящих кварталов. Ясно одно: даже имея блестящие перспективы, SMIC для продолжения развития будет нуждаться во все больших объемах капитала из внешних источников.


Shilov Anton. SMIC: Advanced Process Technologies and Gov’t Funding. EE Times, July 17, 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.