ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Будущее ДОЗУ

Samsung оптимизирует производственную деятельность

Новый алгоритм оценки эффективности ускорителей искусственного интеллекта

Перспективы развития рынка схем памяти

Динамическая флэш-память от Unisantis Electronics

SMIC: передовые технологии, производственная база и государственное финансирование

SMIC: передовые технологии, производственная база и государственное финансирование

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

Краткий обзор деятельности ведущих кремниевых заводов

Тайвань и американо-китайская борьба за лидерство в микроэлектронике

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

Достижения КНР в области индустрии ИС ЗУ

Достижения КНР в области индустрии ИС ЗУ

Выпуск 25(6724) от 24 декабря 2020 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Схемы памяти – ​один из ключевых рынков современных обществ, управляемых данными. Благодаря им обеспечивается развитие таких сфер, как мобильная электроника, облачные вычисления, искусственный интеллект (ИИ) и Интернет вещей. Основные типы памяти – ​ДОЗУ (энергозависимые ЗУ) и флэш-память NAND-типа (энергонезависимые ЗУ), в 2019 г. на них пришлось 96% всего рынка автономных схем памяти емкостью 107 млрд долл. Крупнейший региональный рынок ИС ЗУ – ​КНР (более 1/3 мировых продаж ДОЗУ и NAND-флэш).

КНР стала одним из основных рынков схем памяти благодаря высокому спросу со стороны производителей мобильной электроники (включая смартфоны), ПК, серверов и твердотельных накопителей (SSD), транспортных средств. Ожидается, что в обозримом будущем такая ситуация сохранится. В настоящее время на рынке КНР потребляется 1/3 всех производимых в мире ИС как ДОЗУ, так и флэш-памяти NAND-типа (рис. 1).



Источник: Yole Développement

Рисунок 1. Географическая структура рынка ДОЗУ и флэш-памяти NAND-типа в 2019 г.


Центральные и местные власти (руководство провинций и крупных городов), привлекая частных инвесторов, давно вкладывают миллиарды долларов в развитие местной полупроводниковой промышленности. Цель – ​преодоление разрыва между потреблением и внутренним производством. Важной инициативой в этом направлении стал принятый в 2015 г. государственный план «Сделано в Китае – ​2025» (齌国薴謾2025), одна из задач которого заявлена как увеличение доли произведенных в стране ИС в их общем потреблении с менее чем 20% в 2015 г. до 70% в 2025‑м. В рамках реализации данного плана в 19 провинциях и крупных городах были созданы инвестиционные фонды развития микроэлектроники. Их общий объем (без учета средств центрального правительства) составил 90 млрд долл. Несмотря на противодействие западных стран, КНР по-прежнему стремится реализовать план «Сделано в Китае – ​2025». При этом в стране достигнуто четкое осознание того, что создание и эксплуатация современных заводов по обработке пластин – ​сложная и комплексная задача, решить которую только путем выделения необходимых финансовых средств невозможно. В частности, сектор схем памяти представляет собой высококонкурентный и сложный рынок, что обусловлено высокой сложностью производства 3D-схем флэш-памяти NAND-типа и ИС ДОЗУ. Среди ключевых проблем данного рынка – ​наличие перспективных полупроводниковых технологий и достаточного числа высококвалифицированных работников. Здесь следует отметить, что иностранные правительства запрещают крупнейшим производителям ИС, таким как Micron, Samsung и SK Hynix, предоставлять лицензии на технологии перспективных ИС ЗУ китайским фирмам, а также создавать с ними совместные предприятия, предполагающие использование подобных технологий. Кроме того, правительства США, европейских стран, Японии, Южной Кореи, Тайваня часто блокируют сделки китайских фирм по приобретению иностранных компаний, обладающих современными и перспективными технологиями.

В настоящее время китайские поставщики конечных электронных систем вынуждены закупать бóльшую часть требующихся им ИС ДОЗУ и флэш-памяти NAND-типа у ведущих зарубежных поставщиков, таких как Micron, Intel и Western Digital (США), Samsung и SK Hynix (Южная Корея), Kioxia (Япония, ранее полупроводниковое отделение конгломерата Toshiba). Эти фирмы значительно опережают китайские компании с точки зрения технологического развития и обладают агрессивными планами масштабирования. Отмечается, что в 2019 г. производители как ДОЗУ, так и флэш-памяти NAND-типа (Samsung, SK Hynix и Micron) продали китайским производителям около 30% произведенных ими схем памяти. «Чистые» производители флэш-памяти NAND-типа, такие как Kioxia, Western Digital и Intel, поставили в КНР в среднем более 30% произведенных ими схем (рис. 2).



Источник: Yole Développement

Рисунок 2. Продажи ДОЗУ и флэш-памяти NAND-типа ведущими поставщиками


На фоне эскалации торговых противоречий с Западом процесс формирования самостоятельной экосистемы полупроводниковой промышленности в КНР значительно ускорился. Разумеется, ведущие в отрасли страны могут затормозить этот процесс с помощью торговых ограничений, но делать это им придется за свой счет. Китайские производители ИС зависят от зарубежных поставщиков современного оборудования для изготовления полупроводниковых приборов, так как местные фирмы пока не в состоянии изготавливать подобные инструментальные средства – ​разрыв слишком велик, его невозможно преодолеть за несколько лет. Таким образом, в обозримом будущем КНР останется одним из основных рынков сбыта для крупнейших поставщиков оборудования по обработке пластин – ​таких как американские Applied Materials, Lam Research, KLA Tencor, европейские ASML и EVG, японские Canon и Tokyo Electron. Торговые ограничения и запреты на передачу технологий со стороны США могут резко ограничить рынок, обслуживаемый поставщиками оборудования для производства ИС, и повлиять на способность китайских фирм изготавливать ИС ЗУ. Кроме того, если возможности американских поставщиков оборудования реализовывать свою продукцию в КНР будут ограничены, им придется искать новых клиентов, а их место на китайском рынке займут южнокорейские или японские поставщики. Китайские же производители электронных систем могут столкнуться с ростом цен на ИС ЗУ, так как число их поставщиков сократится.


Обзор действующих в КНР поставщиков ИС ЗУ

На территории КНР силами как иностранных, так и местных изготовителей производится несколько типов ИС ЗУ. Крупнейшие иностранные корпорации, изготавливающие в Китае большие объемы схем ДОЗУ и флэш-памяти NAND-типа, – ​Intel, Samsung и SK Hynix. Завод SK Hynix в Уси обрабатывает в месяц 200 тыс. пластин, на которых формируются кристаллы ДОЗУ. Заводы Intel (Сиань) и Samsung (Далянь) производят 3D-флэш-память NAND-типа. Их мощность составляет 120 тыс. и 65 тыс. пластин в месяц соответственно.

Две наиболее конкурентоспособные местные компании – ​Yangtze Memory Technologies (YMTC) и ChangXin Memory Technologies (CXMT). YMTC стала ведущим китайским производителем флэш-памяти и сейчас осуществляет малосерийное производство 64-уровневых NAND ИС, поставляемых местным производителям (в том числе поставщикам SSD). В стадии освоения находятся 128-уровневые приборы, начало их отгрузок запланировано на 2021 г. Что касается компании CXMT, то это наиболее передовой китайский поставщик, который недавно вывел на рынок DDR4 ДОЗУ емкостью 8 Гбит, изготовленные по техпроцессу 10G1 (проектные нормы 19 нм). Обе фирмы в 2019 г. затратили на производственное оборудование около 1,5 млрд долл.

Среди китайских изготовителей ДОЗУ заслуживают упоминания еще две фирмы – ​Fujian Jinhua Integrated Circuit Co. (JHICC) и Tsinghua Unigroup. Корпорация JHICC разрабатывала ДОЗУ совместно с тайваньской фирмой UMC (№ 3 в рейтинге «чистых» кремниевых заводов). Однако в октябре 2018 г. у JHICC начались трудности, так как министерство торговли США включило ее в перечень фирм, которым запрещено поставлять ПО и электронные компоненты американских фирм из-за подозрений в нарушении прав на интеллектуальную собственность. Часть вклада UMC в совместные проекты относилась к «запрещенным позициям», поэтому сотрудничество JHICC и UMC было осложнено.

Tsinghua Unigroup – ​это хорошо известный государственный промышленный конгломерат и инвестиционная группа, осуществляющая свою деятельность в рамках национальной стратегии развития микроэлектронной промышленности. Группа контролирует ряд китайских фирм, среди которых YMTC, Xi’an UniIC Semiconductors, UNIC Memory Technology (недавно переведенные в другие дочерние компании) и Unimos Microelectronics (ранее ChipMos, Шанхай). В 2015 г. Tsinghua Unigroup сделала предложение о покупке американской корпорации Micron Technologies за 23 млрд долл. с целью приобретения технологий и сложнофункциональных (СФ) блоков, необходимых для производства современных ДОЗУ и флэш-памяти NAND-типа, однако предложение было отклонено руководством Micron по настоянию правительства США. Точно так же китайская группа пыталась приобрести 20% акций SK Hynix за 5,3 млрд долл, но это предложение было отклонено советом директоров южнокорейской фирмы при поддержке официального Сеула. В конце 2018 г. Tsinghua Unigroup начала строительство заводов по обработке 300-мм пластин в Нанкине и Чэнду. На первом предполагается производить 3D-флэш-память NAND-типа и ДОЗУ, а на втором – ​только 3D-NAND. Кроме того, в июле 2019 г. Tsinghua Unigroup сформировала в Пекине новую бизнес-группу Ziguang, специализирующуюся на ДОЗУ.

Отметим, что если производство ДОЗУ и флэш-памяти NAND-типа в КНР только начинает развиваться, то в области флэш-памяти NOR-типа страна занимает одну из ведущих позиций. Это обусловлено хорошо развитой местной цепочкой поставок и деятельностью одной из крупнейших китайских fabless-фирм – ​GigaDevice. По итогам 2019 г. она занимала третье место в мире по поставкам флэш-памяти NOR-типа с последовательным периферийным интерфейсом (SPI) и четвертое место в мире по поставкам NOR-флэш в целом (после Winbond, Macronix и Cypress).

Наконец, в КНР осуществляются мероприятия по коммерциализации новых технологий энергонезависимой памяти (NVM). К ним относятся магнитная память на эффекте переключения спинового момента электрона (STT-MRAM), память на эффекте изменения фазового состояния (PCM) и резистивные ОЗУ (ReRAM). Дислокация некоторых поставщиков NVM показана на рис. 3.



Источник: Yole Développement

Рисунок 3. Дислокация местных и зарубежных производителей схем памяти на территории КНР

* PCM (Phase-Change Memory) - память на эффекте изменения фазового состояния.

** MRAM (magnetoresistive random-access memory) – магниторезистивная (энергонезависимая) оперативная память.


Китай выбрал лидеров в области ДОЗУ и NAND-флэш

Как уже говорилось, национальными лидерами в производстве схем ДОЗУ и NAND-флэш стали корпорации YMTC и CXMT. На рынках NOR-флэш и энергонезависимой памяти ведущие позиции принадлежат фирме GigaDevice.


YMTC

Компания YMTC, также известная как Yangtze River Storage, была основана в 2016 г. с общим бюджетом в 24 млрд долл. Штаб-квартира фирмы расположена в Ухане, там же размещен самый современный в КНР завод по выпуску 3D-флэш-памяти NAND-типа. Его проектная мощность – ​300 тыс. пластин диаметром 300 мм в месяц, численность персонала – ​4 тыс. человек. Фирма YMTC управляется конгломератом Tsinghua Unigroup, владеющим 51% пакета акций. Вскоре после своего основания YMTC поглотила кремниевый завод Wuhan Xinxin Semiconductor Manufacturing Co. (XMC) с целью использования его мощностей по обработке 300-мм пластин. Как известно, XMC стал первым в КНР производителем формирователей сигналов изображения на основе TSV-технологии. Этот кремниевый завод также тесно сотрудничает с американской корпорацией Spansion (Саннивэйл, шт. Калифорния, крупнейший в мире поставщик флэш-памяти NOR-типа), которая недавно объединилась с корпорацией Cypress для разработки и производства 32-уровневых схем флэш-памяти NAND-типа. Одной из ключевых вех в развитии YMTC стало освоение в 2018 г. технологии этажирования пластин Xtacking™, применяемой на XMC с 2012 г. В рамках этой технологии матрица ячеек 3D-флэш-памяти NAND-типа формируется на одной пластине, а КМОП логические схемы – ​на другой, после чего обе пластины соединяются при помощи гибридного процессора. Утверждается, что технология Xtacking™ обеспечивает увеличенное быстродействие устройств ввода–вывода, бóльшую емкость кристалла, сокращение циклов разработки и производства.

В сентябре 2019 г. YMTC начала массовое производство 64-уровневых 3D-NAND-флэш с использованием технологии Xtacking™. Тогда же руководство компании заявило об отказе от разработки и производства 96-уровневых приборов и непосредственном переходе на 128-уровневые приборы. Это делается с целью догнать ведущих мировых поставщиков 3D-флэш-памяти NAND-типа, которые собираются наращивать производство первого поколения приборов, число слоев в которых превышает 100 (1xxL 3D-NAND-флэш) (рис. 4). Следует отметить, что YMTC уже начала разработку 128-слойных схем, опытные образцы которых на основе четырехуровневых ячеек (QLC, ячейки, способные хранить 4 бита данных на разных уровнях) емкостью 1,33 Тбит уже прошли верификацию у нескольких фирм-партнеров. При этом отраслевые аналитики указывают, что вспышка пандемии COVID‑19, произошедшая в Ухане в январе 2020 г., не повлияла на маршрутную карту развития YMTC.



Источник: Yole Développement

Рисунок 4. Графики развития и вывода на рынок ДОЗУ и 3D флэш-памяти NAND-типа основных производителей

* 32L (48 L, ... 136 L) – число уровней 3D-ИС флэш-памяти NAND-типа.

** 2/1 x, y, z – поколения технологических процессов 20-нм/10-нм классов. На примере процессов 10-нм класса (топологии от 19 до 10 нм) обозначаются как 1x, 1y и 1z. Так, у корпорации Samsung техпроцессу 1x-nm 10-нм класса соответствуют нормы 18 нм, техпроцессу 1y-nm – 17- или 16-нм нормы, а техпроцессу 1z-nm – 16/15-нм или даже 13-нм нормы. Общий принцип: первое поколение

(x) – базовый процесс, второе поколение (y) –процесс наибольшей производительности (у процессоров быстродействие, у схем памяти – отношение емкости и пропускной способности), третье поколение (z) – наименьшая потребляемая мощность. При масштабировании наблюдается увеличение выхода годных кристаллов с одной пластины (в случае 10-нм класса у Samsung – на 20%).

Однако в ряде случаев или у ряда фирм переход от поколения x к поколениям y и z может осуществляться без масштабирования, т. е. на одной и той же топологической норме.


В мае 2020 г. фирма Phison (Синьчжу, Тайвань) объявила, что ее контроллеры поддерживают 3D-NAND-флэш компании YMTC. Это открыло путь на мировой рынок твердотельным накопителям (SSD) на основе китайских ИС. Предполагается, что YMTC вскоре может приступить к выпуску собственных SSD на основе 64-уровневых 3D-схем флэш-памяти NAND-типа. Эти SSD первоначально будут ориентированы на производителей ПК, расположенных в КНР. Сейчас ИС от YMTC используются в SSD двух китайских фирм – ​Lexar фирмы Longsys Electronics и Gloway фирмы Power Electronic Technology.

В нынешних условиях жесткой ценовой конкуренции выход YMTC на рынок схем флэш-памяти NAND-типа рассматривается как возможный побудительный импульс нового витка консолидации рынка. Отраслевые аналитики отмечают, что китайские производители конечных электронных систем и продуктов окажут поддержку 3D-NAND-схемам YMTC независимо от уровня их качества. В то же время правительство КНР намерено оказывать устойчивую финансовую поддержку YMTC, так как рассматривает компанию в качестве одного из ведущих национальных производителей схем памяти.


CXMT

Корпорация CXMT, ранее известная как Innotron, Hefei RuiLi или Hefei ChangXin, была основана в 2017 г. в Хэфэе (провинция Аньхой) государственной инвестиционной группой Hefei Industry Investment Group (HIIG). В том же году на создание завода по обработке 300-мм пластин и производству ДОЗУ плановой мощностью в 120 тыс. пластин ежемесячно было выделено 7,2 млрд долл. В III кв. 2019 г. в строй была введена первая очередь предприятия мощностью 40 тыс. пластин в месяц. В настоящее время на CXMT работает около 3 тыс. человек, более 75% из них – ​инженерный персонал, занятый в различных проектах НИОКР. Корпорация обладает широким портфелем интеллектуальной собственности, включая СФ-блоки, первоначально разработанные немецкой корпорацией Qimonda, а также имеет доступ к 10 млн документов, охватывающих системы моделирования, проектирования, производства, управления, контроля качества, методики коррекции оптической близости (ОРС), тестирования в различных режимах, корпусирования и т. п. Кроме того, в апреле 2020 г. CXMT подписала лицензионное соглашение с корпорацией Rambus (Лос-Альтос, шт. Калифорния, США).

Первоначальная цель CXMT – ​захват части внутреннего рынка ДОЗУ. Ее кристаллы ИС уже используются в модулях памяти Longsys и Gloway. Второй по величине поставщик модулей памяти, фирма ADATA Technology, уже включила кристаллы ДОЗУ фирмы CXMT в свои DDR4-модули емкостью 8 Гбит для DIMM-изделий, ориентированных на китайский рынок настольных ПК и лэптопов.

К 2021 г. CXMT планирует завершить разработку своего 17-нм технологического процесса. Кроме того:

в среднесрочной перспективе фирма намерена использовать технологию на основе материалов с высокой диэлектрической проницаемостью и металлических затворов (HKMG), а также технологию разрядной шины с воздушным зазором (air-gap bit line);

в долгосрочной перспективе найдут применение технологии с вертикальными конденсаторами и круговыми затворами, EUV-литография.

Однако технологический отрыв CXMT от ведущих поставщиков ДОЗУ достаточно велик – ​более двух лет. Соответственно, стать в ближайшие годы конкурентоспособным игроком мирового рынка ДОЗУ у CXMT не получится.


GigaDevice Semiconductor

Фирма GigaDevice Semiconductor со штаб-квартирой в Пекине была основана в 2005 г. Она работает по fabless-модели, поддерживая устойчивые связи со своими партнерами – ​кремниевыми заводами и фирмами, специализирующимися на сборке, корпусировании и тестировании ИС. Основной foundry-партнер GigaDevice – ​крупнейший китайский кремниевый завод Semiconductor Manufacturing International Co. (SMIC), выпускающий ежемесячно 25 тыс. пластин со сформированными кристаллами флэш-памяти NOR-типа. Текущий ассортимент GigaDevice представлен флэш-памятью NOR-типа емкостью от 512 Кбит до 512 Мбит (серийное производство) и 1–2‑Гбит (опытные образцы), флэш-памятью NAND-типа на одноуровневых ячейках (SLC-NAND) емкостью 1–8 Гбит и микроконтроллерами. Компания также создала совместно с Rambus предприятие Reliance Memory. СП сосредоточится на разработке новых типов памяти, в основном резистивных ОЗУ (ReRAM). Недавно GigaDevice получила лицензии на более чем 180 связанных с технологией ReRAM патентов и патентных заявок фирм Rambus и Reliance Memory.

Доходы от продаж GigaDevice увеличились в 2019 г. на 64% и составили около 460 млн долл. Руководство фирмы намерено расширять ее деятельность. С этой целью в 2017 г. было заключено 5-летнее соглашение о совместных разработках 19-нм технологического процесса изготовления ДОЗУ с HIIG и CXMT. Общий объем инвестиций по проекту составляет 2,7 млрд долл. (HIIG вложила 80%, GigaDevice – ​20%). Доступ к технологии ДОЗУ, наряду с имеющимися у компании технологиями флэш-памяти NOR-типа и SLC-NAND, может превратить GigaDevice в нового крупного игрока индустрии схем памяти Китая.


3D-NAND-флэш – ​только начало

Китайские игроки начинают угрожать равновесию рынка схем памяти и могут спровоцировать глубокие изменения его структуры. Наиболее вероятным кандидатом на успех представляется корпорация YMTC – ​благодаря значительной поддержке со стороны государственных инвестиционных фондов и рывку в области НИОКР и производственных мощностей. По оценкам фирмы Yole Développement (Лион, Франция), YMTC может в 2021 г. претендовать на 4% мирового рынка флэш-памяти NAND-типа. Китайским производителям ДОЗУ для достижения сопоставимых результатов потребуется больше времени. Формирование кристаллов ДОЗУ на пластинах становится все сложнее – ​самый современный китайский производитель ИС этого типа отстает от зарубежных конкурентов более чем на два года и сейчас только наращивает производство ДОЗУ по 19-нм техпроцессу. Отраслевые аналитики полагают, что китайским поставщикам ДОЗУ потребуется еще несколько лет для того, чтобы догнать зарубежных конкурентов, при этом без сохранения существенной государственной поддержки им не обойтись.

В настоящее время приоритет явно отдается базовым, общепринятым технологиям схем памяти. Они имеют решающее значение для быстрого развития секторов центров обработки данных (ЦОД) и мобильной электроники. На проекты разработки и производства перспективных 3D-схем флэш-памяти NAND-типа и ДОЗУ приходится бóльшая часть финансовых ресурсов индустрии. Инвестиции в другие сектора и технологии ИС ЗУ либо ограничены, либо сосредоточены в основном на наиболее перспективных игроках. Однако КНР не упускает из виду развивающийся сектор схем энергонезависимой памяти. В стране инициирован ряд проектов, направленных на приобретение новых ноу-хау и СФ-блоков в области таких типов памяти, а также на разработку технологических процессов и продуктов. Это поможет китайским производителям лучше подготовиться к ожидаемым изменениям на рынке полупроводниковых ИС ЗУ. Здесь наиболее устойчивым сектором является флэш-память NOR-типа – ​благодаря хорошо развитой местной цепочке поставок и деятельности фирмы GigaDevice Semiconductor.


Bertolazzi Simone. Amid COVID19 and Trade War, China Continues to Advance Its Semiconductor Memory Industry. Semiconductor Digest, November 23, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/11/23/amid-covid‑19-and-trade-war-china-continues-to-advance-its-semiconductor-memory-industry/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

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