ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Тайвань и американо-китайская борьба за лидерство в микроэлектронике

Стратегический план Made in China‑2025 вышел из-под контроля

Возвращение «блудных сыновей»

Краткий обзор работ в области 5G и значение миллиметрового диапазона

Производственная база микроэлектроники США

Состояние и планы развития ведущих кремниевых заводов

Европейские полупроводниковые фирмы открывают центры НИОКР в США

Краткий обзор деятельности ведущих кремниевых заводов

Siemens приобретает Avatar из-за ПО размещения и трассировки

Эксперты TSMC – о перспективах 2020 г.

Перспективы и проблемы развития рынка мощных SiC-приборов

Изменения в индустрии кремниевых заводов

Проблемы безопасности вычислений и связи

КНР готовится к технологическому «разводу» с США

SMIC: передовые технологии, производственная база и государственное финансирование

SMIC: передовые технологии, производственная база и государственное финансирование

Некоторые тенденции развития производственной базы микроэлектроники

Китайская технология 3D-флэш-памяти NAND-типа

Тенденции развития современных производственных мощностей

Достижения КНР в области индустрии ИС ЗУ

Intel принимает бизнес-модель IDM 2.0

GlobalFoundries и стимулирование производственной базы микроэлектроники в США

Состояние и планы развития ведущих кремниевых заводов

Состояние и планы развития ведущих кремниевых заводов

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

В 23 и 24 выпусках было начато рассмотрение перспективных планов ведущих кремниевых заводов, которые во все большей мере берут на себя роль производственной базы полупроводниковой промышленности. Каждый из них при выборе стратегий дальнейшего развития основывается на уже имеющихся возможностях, а также ищет новые направления и конечные рынки. В первой и второй частях статьи были описаны намерения TSMC, проведен анализ практики GlobalFоundries и представлены данные о Samsung Foundry. Завершающая часть посвящена китайскому кремниевому заводу Semiconductor Manufacturing International Co. (SMIC).


SMIC

В настоящее время в распоряжении SMIC имеется семь предприятий: три по обработке 200-мм пластин и четыре по обработке пластин диаметром 300 мм; 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 III КВ. 2020 Г.

Завод

Диаметр обрабатываемых пластин, мм

Технологический процесс

Мощность, тыс. пластин в месяц

Fab 2 P1, Пекин

300

55–180 нм

52

Fab 2 P2, Пекин

300

28–40 нм

50

Fab 1, Шанхай

200

90–350 нм

115

Fab 8 Р1, Шанхай

300

До 28 нм

2

Fab SN1, Шанхай

300

14 нм и менее

4

Fab 5, Шэньчжэнь

200

90–350 нм

55

Fab ?, Шэньчжэнь

300

?

?

Fab 7 P1, Тяньцзинь

200

90–350 нм

63

   

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 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 позиции пользуются большим спросом и, как ожидается, в ближайшие годы востребованность мощностей по обработке 200-мм пластин вырастет.

Сейчас мощностей SMIC по обработке 200‑мм пластин для обслуживания текущих клиентов хватает. Но по мере роста спроса производство будет необходимо расширять. Это будет нелегко, 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 подобных предприятий, которыми когда-то управлял 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 55–180 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 в месяц.

SMIC также эксплуатирует Fab 8 P1 в Шанхае. Его мощность по состоянию на I кв. 2020 г. 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, методики двойного, а тем более многократного формирования рисунка предполагают большее время нахождения обрабатываемых пластин 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, произведенных 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. Новейшие 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 требуют государственных инвестиций, 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 и уже в 2002-м внедрен 0,18-мкм логический процесс. К I кв. 2008 г. SMIC освоила большое число различных технологических процессов, реализуемых с использованием широкого спектра проектных норм. Она даже представила собственную 65-нм технологию. В 2012 г. SMIC начала изготавливать 40-нм ИС, в 2015-м 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, 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

12нм

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).


В настоящее время на зрелые технологии, характеризующиеся проектными нормами от 40/45 до 250/350 нм, приходится 92% доходов SMIC. На технологии с проектными нормами 28 и 14 нм – ​6,5 и 1,3% доходов соответственно. 14-нм FinFET-процесс SMIC уникален, и поиски клиентов, ищущих альтернативный источник снабжения микросхемами, реализованными по этой технологии, потребуют времени, учитывая ограниченный объем ориентированных на нее производственных мощностей. Первой фирмой, опробовавшей 14-нм процесс SMIC, стала HiSilicon. С использованием этого процесса 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 недоступен. 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, производство которых не требует новейших технологий 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 на базе 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%.

Итак, SMIC на годы отстает от TSMC в области новейших технологий с минимальными проектными нормами. 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 торгового баланса и таможенных тарифов, перекинулись на сферу высоких технологий, вопросы доступа к ним 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 компании [5].


Заключение

Итак, крупнейшим кремниевым заводом, обладающим наиболее передовыми технологическими процессами и наибольшими объемами продаж, по-прежнему остается тайваньская корпорация TSMC. Этот крупнейший в мире кремниевый завод благодаря достигнутому технологическому превосходству сумел по итогам III кв. 2020 г. получить огромный объем заказов на ИС для сетей и средств связи 5G, увеличив квартальную прибыль на 30%. Специалисты корпорации ожидают, что основным фактором роста доходов в ближайшие несколько лет будут ИС для высокопроизводительных вычислений (high-performance computing, HPC). По объему заказов они превзойдут ИС для смартфонов, являющихся в настоящий момент главной статьей прибыли.

После довольно резкого изменения своей стратегии в 2018 г. второй по величине «чистый» кремниевый завод, GlobalFoundries, в целом стал гораздо более осторожным. Этот контрактный производитель полупроводниковых приборов явно сделал ставку на технологии FD-SOI, и его платформа 22FDX выглядит успешной. В то же время GlobalFoundries не спешит выводить на рынок продукцию следующего поколения – ​12FDX, так как пока не предвидит высокого спроса на эту технологию.

Главной целью GlobalFoundries на ближайшее время, помимо совершенствования технологических процессов и наращивания объема продаж, стала подготовка к первоначальному публичному предложению своих акций (IPO) на бирже NASDAQ во второй половине 2022 г. Однако IPO будет осуществлено только после того, как корпорация достигнет определенных ее руководством финансовых показателей и завершит расширение производственных мощностей.

Корпорация Samsung, единственный IDM, не только оказывающий услуги кремниевого завода на свободных мощностях, но и создавший для этого специализированное автономное подразделение – ​Samsung Foundry, вышла в последнее время в число лидеров рынка услуг кремниевых заводов. Сейчас число линий Samsung в Южной Корее и США, оказывающих услуги кремниевого завода на пластинах диаметром 200 и 300 мм, достигло шести. При этом стоит отметить, что если на момент формирования автономного foundry-подразделения Samsung к нему относились только линии техасского комплекса, то сейчас в его распоряжении и линии в Южной Корее.

В 2021 г. Samsung планирует расширить свои 5-нм мощности. Это обусловлено ростом производственных заказов от nVidia на графические процессоры GeForce, основанные на архитектуре Hopper. Также по этим проектным нормам изготавливаются процессоры Snapdragon 885 для корпорации Qualcomm и собственные (Samsung) флагманские «системы-на-кристалле» (SoC) Exynos. Несмотря на это, Samsung, как ожидается, будет отставать от TSMC примерно на 20% с точки зрения мощностей по производству 5-нм ИС. В то же время на данный момент производить ИС с проектными нормами 7 нм и менее могут только TSMC и Samsung.

SMIC, крупнейший кремниевый завод КНР, обладающий наиболее передовыми в стране производственными мощностями по изготовлению ИС, – ​надежная опора национальных программ в области микроэлектроники. Однако введенные против него санкции США существенно осложняют освоение технологических процессов с проектными нормами менее 14/12 нм.

Специалисты SMIC при помощи установок DUV-литографии сумели изготовить ИС с проектными нормами 12 нм и работают над 7-нм процессом. Однако из-за невозможности (санкции!) получить из Голландии уже оплаченную установку EUV-литографии от фирмы ASML, опытные образцы ИС получаются существенно дороже, чем аналогичные ИС TSMC. Дело в том, что DUV-литография подразумевает использования методик как минимум двойного (а то и больше) формирования рисунка.

Как бы то ни было, у всех рассмотренных ведущих кремниевых заводов перспективы на 2021 г. выглядят достаточно обнадеживающими.


5. 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.