ВЫБОР РЕДАКЦИИ

США: стимулирование развития микроэлектроники и эффективность санкций

Тайвань и американо-китайская борьба за лидерство в микроэлектронике

Новые стимулирующие меры для развития производственной базы полупроводниковой промышленности в США

Современное состояние китайской микроэлектроники

КНР готовится к технологическому «разводу» с США

Шесть чувств и не только…

Современное состояние производственной базы микроэлектроники

Некоторые аспекты американо-китайской «технологической холодной войны»

Некоторые тенденции развития производственной базы микроэлектроники

Сбываются ли планы КНР по обеспечению самодостаточности в области ИС?

Новый план стимулирования НИОКР в США на 34 млрд долл.

Прогноз продаж полупроводникового оборудования

Производственная база микроэлектроники США

Ренессанс полупроводниковых технологий

Проблемы развития микроэлектроники КНР

Министерство обороны США расширяет возможности корпорации SkyWater Technology

Проблемы развития микроэлектроники КНР

ЕС выделяет 2 млрд евро на повышение квалификации занятых в микроэлектронной отрасли

В КНР начался второй этап работы «Большого фонда» развития микроэлектроники

Методика оценки экологичности производства ИС

Состояние и перспективы развития производственной базы микроэлектроники

Состояние и перспективы микроэлектроники США

Состояние и перспективы микроэлектроники США

Выпуск 1(6725) от 14 января 2021 г.
РУБРИКА: БИЗНЕС

Пандемия COVID‑19 и американо-китайская холодная технологическая война с новой силой поставили вопрос о необходимости развития производственной базы микроэлектроники в США. В течение 2020 г. в Конгрессе рассматривалось несколько законопроектов о стимулировании развития национальной полупроводниковой промышленности. Вместе с тем американское сообщество высокотехнологичных отраслей признает и необходимость международного сотрудничества (со странами-союзниками).

Пандемия COVID‑19 позволила всему миру остро осознать ценность полупроводниковых технологий. Именно на их основе организуется удаленная работа с использованием с широкополосного Интернета, телемедицина, виртуальные конференции, игры, облачные вычисления и т. п. Полупроводниковые технологии также являются обеспечивающими для других развертываемых перспективных технологий, таких как сети и средства связи 5G, самоуправляемые автомобили, искусственный интеллект, виртуальная реальность и многое другое. Резкий рост спроса на ИС, вызванный пандемией, приведет к увеличению глобальных расходов на оборудование заводов по обработке пластин – ​на 8% в 2020 г. и на 13% в 2021-м.

Пандемия также обнажила хрупкость цепочки поставок, сильно зависящей от состояния мировой торговли. Особенно наглядно это демонстрируется зависимостью США от товаров, произведенных в КНР и других странах Азии. Так, в разгар пандемии оказалось, что 90% американских фармацевтических препаратов производятся в Китае.

Может ли производство американских полупроводниковых приборов постигнуть та же участь? Уже сейчас многие полупроводниковые фирмы США производят свои современные ИС на производственных мощностях крупнейшего в мире кремниевого завода – ​Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC). В начале 2020 г. корпорация Intel, наиболее технически передовой производитель полупроводниковых приборов в США, заявила, что рассматривает возможность перехода на fab-lite-модель, и, соответственно, передачи на аутсорсинг TSMC некоторых типов своих ИС. Позднее Intel заявила, что продает свое отделение по производству ИС ЗУ южнокорейской компании SK Hynix.

В то же время КНР, считающая информационные и полупроводниковые технологии необходимыми для своего выживания, тратит более 100 млрд долл. на создание собственных технологий проектирования и производства ИС в рамках общенационального плана «Сделано в Китае – ​2025» (齌国薴謾2025). Китай в настоящее время потребляет около 60% мирового производства полупроводниковых приборов, но производит при этом только 15%. При этом тот факт, что Поднебесная рассматривает Тайвань как «мятежную провинцию», заставляет многих в США задумываться, не окажется ли Америка во все более опасном положении, когда речь зайдет о будущем полупроводниковых технологий. И вопрос состоит не в том, что будет, если Тайвань станет частью Китая, а в том, когда это произойдет – ​через 5, 10 или 50 лет? Отмечается, что, если Китай получит Тайвань, это позволит ему мгновенно добиться господства в мировой полупроводниковой промышленности.

Это одна из причин, по которой США пытались и пытаются ограничить доступ Huawei (и другим наиболее технически развитым китайским электронным корпорациям) к современным ИС с проектными нормами 22 нм и менее. Китайским микроэлектронным корпорациям, таким как крупнейший китайский (и четвертый в мире) кремниевый завод Shanghai Manufacturing International Co. (SMIC), таким же образом ограничивается доступ к передовым инструментальным средствам производства ИС. Теперь при заключении сделок на поставки современного полупровод-никового оборудования в КНР американские поставщики, наподобие Applied Materials, KLA-Tencor, Lam Research и др., должны получать соответствующие лицензии.

Власти США не только пытаются вернуть на национальную территорию производственные мощности американских полупроводниковых фирм, но и привлекают иностранные фирмы. Так, в июне 2020 г. TSMC объявила о планах (утверждают, что корпорацию принудили к этому американцы) построить в штате Аризона современный полупроводниковый завод по обработке 300-мм пластин и выпуску ИС по 5-нм технологическому процессу. Стоимость проекта – ​12 млрд долл., мощность – ​20 тыс. пластин, начатых обработкой, в месяц, запуск в эксплуатацию планируется в 2024 г. Правда, планы могут измениться – ​так, например, тайваньская компания Foxconn обещала в 2018 г. инвестировать 10 млрд долл. в производственный комплекс по производству ЖК-дисплеев в штате Висконсин, площадью 1,86 тыс. м2 на 13 тыс. рабочих мест, но так и не сделала этого.


Необходимость федеральных стимулов для развития производства ИС в США

В сентябре 2020 г. Ассоциация полупроводниковой промышленности (SIA) США совместно с Boston Consulting Group (BCG) опубликовала исследование, анализирующее влияние предлагаемых федеральных стимулов на развитие производства полупроводниковых приборов в США. В докладе, озаглавленном «Государственное стимулирование и конкурентоспособность США в области производства полупроводниковых приборов» (Government Incentives and U. S. Competitiveness in Semiconductor Manufacturing), говорится, что надежные федеральные меры стимулирования могут изменить многолетнюю тенденцию снижения производства ИС в Америке и помочь создать 19 новых крупных предприятий по производству полупроводниковых приборов (+70 тыс. высокооплачиваемых рабочих мест) в стране в течение следующих 10 лет (см. таблицу).


Таблица

Потенциальное воздействие новых государственных мер стимулирования на производственную базу микроэлектроники США

Тенденции периода 2010–2020 гг.

Фактические показатели 2010–2020 гг.

Прогноз на период 2020–2030 гг.

Статус-кво

Сценарии новых мер стимулирования

Программа на 20 млрд долл.

Программа на 50 млрд долл.

Доля США в мировой производственной базе, %*

Без учета КНР, %

10

12

6 ↓

12

14 ↑

24

24 ↑

41

Место США в мировом рейтинге по доле новых мощностей**

Без учета КНР

5

4

5 ≈

4

3 ↑

2

2 ↑

1

Число новых заводов по обработке пластин, построенных в США***

9

9 ≈

14 ↑

19 ↑

↓ – ​снижение

≈ – ​сохранение примерно того же уровня

↑ – ​увеличение


* С учетом приращения мощностей в следующие 10 лет.

** Новые мощности, требующиеся промышленности для удовлетворения ожидаемого спроса.

*** Нормализованное значение исходя из мощности обработки пластин около 75 тыс. шт. в месяц (для периода 2020–2030 гг.). Фактическое число построенных в США заводов по обработке пластин в 2010–2020 гг. – 19 (исключая экспериментальные и очень маленькие). Средняя мощность обработки – ​40 тыс. пластин в месяц.


Комментируя исследование SIA и BCG, отраслевые специалисты отметили, что федеральные меры стимулирования производства полупроводниковых приборов в США – ​это инвестиции в экономическую мощь Америки, национальную безопасность, надежность цепочки поставок и борьбу с пандемией. С помощью быстрых и амбициозных действий правительство США может помочь не только переломить многолетнюю тенденцию снижения доли страны в мировом производстве ИС (которая сейчас составляет всего 12%), но и сделать Америку одним из самых привлекательных мест в мире для производства полупроводниковых приборов.


Основные результаты исследования

Наличие достаточной современной производственной базы микроэлектроники имеет решающее значение для обеспечения экономической конкурентоспособности Америки, национальной безопасности и устойчивости цепочки поставок. Укреп-ление сферы производства ИС в США поможет стране обогнать мир в области перспективных стратегических технологиях, которые будут определять глобальное экономическое и военное лидерство на десятилетия вперед – ​искусственном интеллекте, сетях и средствах связи 5G, квантовых вычислениях и т. д. Производство бóльших объемов полупроводниковых приборов на национальной территории также сделает американские цепочки поставок более устойчивыми к будущим глобальным кризисам и обеспечит возможность США производить современные ИС, необходимые для военной и критической инфраструктуры.

Доля США в мировом производстве полупроводниковых приборов резко упала в последние десятилетия главным образом потому, что правительства конкурирующих стран предлагали значительные пакеты мер стимулирования, а правительство США – ​нет. В то время как на долю фирм со штаб-квартирами в США приходится 48% мировых продаж ИС, на долю расположенных в США заводов по обработке пластин, включая принадлежащие фирмам со штаб-квартирами за рубежом, приходится всего 12% мировых мощностей по производству ИС – ​по сравнению с 37% в 1990 г. В настоящее время 75% мирового производства ИС сосредоточено в странах Восточной Азии. По прогнозам, к 2030 г. самая большая в мире доля в производстве ИС будет у КНР – ​благодаря примерно 100 млрд долл. правительственных субсидий. Сооружение нового завода по обработке пластин (в зависимости от типа) в США стоит примерно на 30% дороже, чем на Тайване, в Южной Корее или Сингапуре, и на 37–50% дороже, чем в КНР. Около 40–70% этой разницы в затратах напрямую связано с мерами государственного стимулирования.

Существенные федеральные меры стимулирования производства полупровод-никовых приборов необходимы для укрепления национальной безопасности, привлечения значительных объемов производственных мощностей микроэлектроники в США и создания десятков тысяч американских рабочих мест. Для того чтобы превратить США из непривлекательной в наиболее привлекательную (за исключением Китая) зону по производству полупроводниковых приборов, необходимы федеральные гранты на развитие производственных мощностей и налоговые льготы на общую сумму 20–50 млрд долл. Это позволит создать в США 19 заводов по обработке пластин в течение следующих 10 лет, что на 27% больше, чем их нынешнее число (70). Федеральное стимулирование производства позволит создать в США до 70 тыс. высокооплачиваемых рабочих мест – ​от высокообразованного инженерно-технического до вспомогательного персонала на заводах по обработке пластин и у поставщиков материалов. Ожидается, что в следующем десятилетии производственная база мировой полупроводниковой промышленности увеличится на 56%. Если правительство США осуществит федеральные инвестиции в размере 50 млрд долл., то на американские фирмы придется почти четверть новых мировых производственных мощностей (которые еще не планируются и не сооружаются) по сравнению с 6%, если правительство ничего не предпримет.

В докладе также упоминается ряд других областей, в которых действия правительства могли бы помочь процветанию внутреннего производства полупроводниковых приборов. К ним относятся фундаментальные исследования в области материаловедения и базовых технологических процессов, подготовка высококвалифицированных кадров, меры по сохранению лидерства США в области НИОКР и обеспечению доступа на мировые рынки.


Законодательная активность

В течение 2020 г. на рассмотрении Конгресса США находился ряд законопроектов, реализация которых может способствовать развитию производственной базы микроэлектроники в США. К ним относятся проект «Закона о стимулировании разработки и производства полупроводниковых приборов в Америке» (Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors for America Act, CHIPS for America Act), проект «Закона об американских кремниевых заводах» (American Foundries Act) и «Закон о полномочиях в сфере национальной обороны» (National Defense Authorization Act, NDAA).

CHIPS for America Act предусматривает ряд федеральных инвестиций для развития американской производственной базы микроэлектроники, включая 10 млрд долл. на новую программу федеральных грантов, которая будет стимулировать создание новых отечественных предприятий.

Специалисты SIA отмечают, что решающее значение для развития инновационного процесса в микроэлектронике имеют инвестиции в программы НИОКР. Американские полупроводниковые фирмы инвестируют в них примерно пятую часть выручки (почти 40 млрд долл. в 2019 г.) – ​это второй по величине показатель среди всех отраслей промышленности. Однако инвестиции федерального правительства в полупроводниковые НИОКР составляют лишь небольшую долю от общего объема национальных затрат на эти цели. Такая ситуация наблюдается в течение многих лет, в то время как КНР и другие страны увеличивают свои государственные инвестиции в НИОКР.

CHIPS for America Act позволит направлять значительные средства на исследования в области полупроводниковых приборов и стимулирование разработки прорывных технологий микроэлектроники таким федеральным ведомствам, как Министерство обороны, Национальный научный фонд (NSF) и Министерство энергетики. Законопроект предусматривает создание Национального центра полупроводниковых технологий (National Semiconductor Technology Center), специализирующегося на проведении исследований и создании опытных образцов перспективных ИС, а также создание центра разработки перспективных методов корпусирования полупроводниковых приборов. Эти инвестиции необходимы для обеспечения возможностей американских фирм поддерживать свое технологическое превосходство в области полупроводниковых материалов, технологических процессов, архитектуры, проектирования и приложений.

Представленный в июне 2020 г. проект «Закона об американских кремниевых заводах» также предусматривает федеральные инвестиции в полупроводниковые производство и НИОКР на общую сумму в десятки миллиардов долларов.

По данным SIA, в настоящее время коммерческие предприятия по производству полупроводниковых приборов есть в 18 штатах. По итогам 2019 г. полупроводниковые приборы являлись пятой статьей экспорта страны в стоимостном выражении. В тоже время в ряде других стран были введены существенные меры стимулирования производства ИС. Из-за этого и из-за отсутствия аналогичных федеральных мер стимулирования рост производства ИС в США отстает от показателей этих стран.

Проект «Закона об американских кремниевых заводах» предусматривает ряд федеральных инвестиционных программ для развития в США производства полупроводниковых приборов. К ним относится программа федеральных грантов в размере 15 млрд долл., которая призвана стимулировать создание новых отечественных предприятий по производству ИС и проведению программ НИОКР. Законопроект резервирует 5 млрд долл. на частно-государственное сотрудничество при строительстве или модернизации заводов по обработке пластин, ориентированных на производство полупроводниковых приборов для систем обеспечения национальной безопасности, разведки и критической инфраструктуры, санкционирует новые федеральные инвестиции в размере 5 млрд долл. для содействия полупроводниковым исследованиям Министерства обороны, NSF, Министерства энергетики и Национального института стандартов и технологий (NIST), а также обязывает Управление по разработке политики в области науки и техники Белого дома создать план финансирования работ по продвижению полупроводниковых приборов следующего поколения в координации с федеральными исследовательскими агентствами и частнопромышленным сектором.

В июле 2020 г. Палата представителей приняла «Закон о полномочиях в сфере национальной обороны», в который включена поправка, призывающая к созданию программы федеральных грантов для содействия производству полупроводниковых приборов, а также к осуществлению федеральных инвестиций в полупроводниковые НИОКР.


Десятилетний план SIA

В середине октября 2020 г. SIA и корпорация Semiconductor Research (SRC)опубликовали предварительный обзор намеченного к реализации «Десятилетнего плана развития полупроводниковых приборов» (Decadal Plan for Semiconductors), в котором излагаются приоритеты исследований в области ИС и финансирования в течение следующего десятилетия. Предполагается, что запланированные мероприятия помогут укрепить конкурентоспособность полупроводниковых технологий США и стимулировать развитие в сфере перспективных технологий, таких как искусственный интеллект, квантовые вычисления, современные беспроводные средства связи.

Данный план разработан при участии широкого круга специалистов академических, правительственных и промышленных кругов. В нем выделены пять «сейсмических сдвигов», определяющих будущее микроэлектронных технологий, и содержится призыв ежегодно выделять федеральные инвестиции в размере 3,4 млрд долл. в течение следующего десятилетия для финансирования полупроводниковых НИОКР по этим пяти направлениям.

В «Десятилетнем плане…» содержатся конкретные рекомендации относительно того, как следует распределять предполагаемое финансирование НИОКР в области полупроводниковых приборов и технологий с учетом «сейсмических сдвигов»:

интеллектуальное сенсорное восприятие: необходимы фундаментальные прорывы в области аналогового аппаратного обес-печения для создания более интеллектуальных интерфейсов типа «мир–машина», способных чувствовать, воспринимать окружающую среду и входящую информацию и формулировать мотивировку решений (рассуждать);

память и хранилища данных: рост спроса на ИС ЗУ и средства хранения данных будет опережать мировые отгрузки полупроводниковых приборов, открывая возможности для радикально новых решений в области схем памяти и хранилищ данных;

средства связи: для создания постоянно доступных средств и возможностей связи требуются новые исследования, направленные на устранение дисбаланса между возможностями средств связи и передачи данных с одной стороны и постоянно увеличивающейся скоростью генерации данных с другой стороны;

безопасность: для решения возникающих проблем безопасности в сильно взаимосвязанных системах и в средствах искусственного интеллекта необходимы прорывные исследования в области аппаратного обеспечения;

энергоэффективность: постоянно растущая потребность в энергии для осуществления вычислений создает новые риски, в то время как новые вычислительные парадигмы предлагают возможности с резко возросшей энергоэффективностью.

Представители SRC отмечают, что «Десятилетний план…» дает возможность претворить в реальность неограниченный потенциал полупроводниковых технологий и основанных на них новых приложениях, такие как искусственный интеллект, квантовые вычисления и перспективные средства связи и т. п. Это, в свою очередь, обеспечит получение неисчислимых социальных выгод.


Аргументы в пользу международного сотрудничества

Еще одно исследование опубликовал в сентябре 2020 г. Фонд информационных технологий и инноваций (Information Technology and Innovation Foundation, ITIF), позиционирующий себя как бесприбыльный «мозговой центр» в области научно-технической политики, выступающий за расширение международного сотрудничества. В докладе, озаглавленном «Достижение лидерства в области полупроводниковых приборов на основе сотрудничества» (An Allied Approach to Semiconductor Leadership), отмечается, что страны, стремящиеся к самодостаточности в экосистеме полупроводниковых приборов, создают угрозу собственной конкурентоспособности, поскольку преуспеть во всем в таком сложном секторе, опираясь только на собственные силы, практически невозможно. Для достижения лидирующих позиций необходимо сотрудничать с союзниками-единомышленниками в развитии технологий и инфраструктуры, выверять защитные (протекционистские) меры, такие как экспортный контроль и рассмотрение заявок на осуществление иностранных капиталовложений, а также поддерживать торговлю, основанную на общепризнанных правилах.

В исследовании подчеркивается сложность производственного процесса и цепочки поставок. Действительно, стандартный производственный процесс усредненной конечной электронной системы может включать в себя многочисленные перемещения комплектующих по различным странам мира. Это происходит потому, что различные операции изготовления полупроводниковых приборов и ИС, начиная от формирования транзисторной структуры до операций резки пластины на кристаллы, их сборки, корпусирования и тестирования осуществляются на производственных мощностях, расположенных по всему миру. Таким образом, входящие в конечную электронную систему полупроводниковые приборы в процессе изготовления этой системы (длительностью более 100 дней) могут более 70 раз пересекать государственные границы, а общая дальность их перемещений сравнима с тремя кругосветными путешествиями.

Некоторые полупроводниковые корпорации обладают очень сложными цепочками поставок. Например, Intel принадлежат 15 заводов по обработке пластин в 10 странах (в том числе четыре в США), а ее полная цепочка поставок включает в себя более 11 тыс. компаний из 90 с лишним стран. Южнокорейская компания Samsung поддерживает устойчивые связи с более чем 2,5 тыс. глобальных поставщиков, а у SK Hynix их около 1,2 тыс. Тайваньская TSMC управляет двумя десятками заводов по обработке пластин на разных континентах, обрабатывая ежегодно 12 млн пластин с использованием 270 различных кремниевых технологий, которые поддерживают изготовление 10,7 тыс. изделий клиентов компании. При этом число поставщиков TSMC превышает 3 тыс. фирм по всему миру.

Авторы исследования ITIF отмечают, что, хотя национальная политика важна для стимулирования НИОКР и производства полупроводниковых приборов, власти стран, являющихся основными производителями в данной отрасли, также должны осознавать, что самодостаточность не может и не должна быть целью развития. Непрерывный рост затрат, сложности и масштабов, необходимых для реализации инновационного процесса и производства полупроводниковых приборов означают, что ни одна страна не может позволить себе делать все это в одиночку. Страны-единомышленники должны объединиться в целях поддержания открытой торговли и справедливой экономической конкуренции, а также сотрудничать таким образом, чтобы коллективно повышать конкурентоспособность своих полупроводниковых секторов обрабатывающей промышленности.

Каждый сегмент глобальной цепочки создания стоимости полупроводниковых приборов включает в себя в среднем около 25 стран, непосредственно вовлеченных в цепочку поставок, и 23 страны, вовлеченных в нее косвенно. В такой среде успешность реализации инновациионного процесса в сфере полупроводниковых приборов зависит от многочисленных ученых, исследователей и инженеров из разных стран, работающих совместно в международных компаниях, университетах, правительственных учреждениях, исследовательских институтах и государственно-частных исследовательских консорциумах.

Специалисты ITIF отмечают, что полупроводниковая промышленность обладает огромным инновационным потенциалом, позволяющим улучшить жизнь будущих поколений. Этот потенциал будет открываться быстрее и с большим эффектом, если страны-единомышленники найдут конструктивные способы совместной деятельности. Одновременно каждой стране по отдельности лучше сосредоточиться на разработке и проведении в жизнь политики, которая сделает эти страны привлекательной средой для полупроводниковых приборов и других секторов перспективных технологий. Подобная политика подразумевает формирование режима надежной защиты прав интеллектуальной собственности и законодательно оформленных мер стимулирования развития высоких технологий, обеспечение доступа к высококвалифицированной рабочей силе, а также создание благоприятных налоговых и инвестиционных условий. Вместе сильные игроки образуют прочные партнерские отношения. В полупроводниковой промышленности важно, чтобы каждая страна в этой глобальной гонке способствовала созданию условий, способствующих реализации прорывных технологий на благо всего мира.


Semiconductor Manufacturing in the U. S. Semiconductor Digest, December 17, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/12/17/semiconductor-manufacturing-in-the-u-s/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ