Освоение перспективных технологических процессов и рентабельность производства

Освоение перспективных технологических процессов и рентабельность производства

Выпуск 6(6730) от 25 марта 2021 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Дальнейшее освоение новейших технологических процессов и масштабирование ИС требуют огромных средств. Не все фирмы способны позволить себе это. Кроме того, существует тесная связь между обладанием новейшими технологическими процессами и рентабельностью.

Рыночный успех и расширение использования ИС в значительной степени зависели и зависят от способности производителей микросхем продолжать наращивать их производительность и функциональность по приемлемым ценам. Снижение удельной стоимости ИС (в пересчете на функцию или производительность) неизбежно связано с арсеналом технологий и методов обработки пластин, расширяющимся по мере того, как массово используемые КМОП-процессы достигают своих теоретических, практических и экономических пределов.

В январе 2021 г. исследовательская корпорация IC Insights представила очередное исследование, в котором оценила освоение ведущими производителями ИС перспективных технологий и рентабельность их производства. Известно, что многие fabless‑фирмы уже способны проектировать ИС (включая высокопроизводительные микропроцессоры, маломощные прикладные процессоры и другие перспективные логические устройства) с использованием 7‑нм и 5‑нм технологических процессов. Однако производить их в настоящее время могут только TSMC (крупнейший в мире кремниевый завод) и Samsung (один из крупнейших в мире IDM, использующий также бизнес--модель кремниевого завода). Корпорация Intel, многие годы бывшая лидером в области разработки и освоения новейших технологических процессов, отстает от них – ​переход на 7‑нм проектные нормы с использованием EUV‑литографии намечен на 2022 г. (рис. 1) [1].



Источник: IC Insights, данные компаний

Примечание: Определения «поколение технологического процесса» и «начало массового производства» у разных фирм не совпадают. Сильное влияние на них оказывают маркетинговые соображения, поэтому данные определения могут рассматриваться как ориентировочные.

Рисунок 1. Маршрутная карта освоения перспективных процессов поставщиками логических приборов, схем памяти и кремниевых заводов (массово-поточное производство)

* FinFET – полевой МОП транзистор с двумя изолированными затворами, созданный на КНИ подложке; затвор расположен на двух, трех или четырех сторонах канала или окружает канал, формируя таким образом структуру двойного затвора.

** FD-SOI (fully depleted SOI) – полностью обедненный КНИ («кремний-на-изоляторе»).

*** GAA (gate-all-around) – транзисторы с круговым затвором.


Трудности, с которыми корпорация Intel столкнулась при освоении 10‑нм процессов, привели к отставанию от Samsung и TSMC. Сейчас даже стоит вопрос, не превратится ли Intel в fabless--фирму. По мнению ряда специалистов, долгосрочная стратегия корпорации будет гибридной:

по многим изделиям Intel будет вести обработку пластин на собственных производственных мощностях по собственным технологическим процессам;

отношения с кремниевыми заводами будут поддерживаться по тем изделиям, где это будет выгодно [2].

Предполагается, что в 2022 г. Intel будет заказывать TSMC производство своих центральных процессоров по 4‑нм процессу (возможно размещение аналогичных заказов на мощностях foundry--отделения Samsung), для чего TSMC построит отдельный завод по обработке 300‑мм пластин [3]. В целом Intel уже предпринимает шаги по избавлению от собственных производственных мощностей. Так, корпорация продает свое подразделение по производству флэш-памяти NAND-типа и твердотельных накопителей (SSD) южнокорейской фирме SK Hynix за 9 млрд долл. [4].

Правда, принятие в рамках оборонного бюджета на 2021 г. «Закона о стимулировании разработки и производства полупроводниковых приборов в Америке» (Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors for America Act, CHIPS for America Act) может существенно способствовать улучшению положения Intel и сохранить компанию в качестве крупнейшего IDM. Закон предусматривает предоставление американским полупроводниковым фирмам, создающим производственные мощности на территории США, инвестиционного налогового вычета, субсидий на создание этих мощностей, налоговых скидок и грантов на проведение НИОКР [5, 6].

Как известно, корпорация Samsung стала единственным IDM, не только оказывающим услуги кремниевого завода на свободных мощностях, но и создавшим для этого специализированное автономное подразделение – ​Samsung Foundry. 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 ранее к автономному foundry--подразделению (на момент его формирования) Samsung относились только линии комплекса в Остине (шт. Техас, США), то сейчас в его распоряжении находятся и линии в Южной Корее. В январе 2021 г. Samsung заявила о намерении создать на территории комплекса в Остине новый завод по обработке 300‑мм пластин и выпуску ИС по 3‑нм техпроцессу. Строительство предполагается начать в 2021 г., установка основного оборудования начнется с 2022‑го, а эксплуатация – ​в 2023‑м. Ориентировочный бюджет – ​10 млрд долл., конечная сумма и реализация плана в целом зависят от переговоров с властями штата и федеральными властями (льготы, субсидии).

Samsung намерена использовать в своих интересах согласованные усилия правительства США по противодействию растущей экономической мощи КНР и возвращению в страну части передовых производственных мощностей, которые в последние десятилетия были выведены в азиатские страны. Есть надежда, что это оживит проектирование и производство ИС в США. Технологические проблемы корпорации Intel и ее потенциальная зависимость от TSMC и Samsung в области производства ИС подчеркивают степень прогресса этих азиатских фирм в последние годы [7]. В 2022 г. корпорация Samsung намерена освоить производство 3‑нм ИС с использованием транзисторов с круговым затвором (GAA), в то время как TSMC начнет производить 3‑нм ИС на FinFET-транзисторах, и только потом перейдет к GAA-транзисторам.

В настоящее время лидером по инвестициям в новейшие производственные мощности остается корпорация TSMC. В 2021 г. она планирует капитальные затраты на эти цели в размере от 25 млрд до 28 млрд долл. (2020 г. – 17,2 млрд долл.) [8].

В отличие от Intel, Samsung и TSMC корпорации GlobalFoundries и UMC еще несколько лет назад отказались от дальнейшего масштабирования ИС в пользу глубокой модернизации процессов уровня 22/20 нм. Предельными для себя они определили процессы с проектными нормами 14/12 нм. Если говорить о GlobalFoundries, то после довольно резкого изменения своей стратегии в 2018 г. этот второй по величине «чистый» кремниевый завод в целом стал гораздо более осторожным. Он явно сделал ставку на технологии FD-SOI, и его платформа 22FDX пользуется большим успехом. В то же время GlobalFoundries не спешит выводить на рынок технологию 12FDX, так как пока не предвидит сильного спроса на нее. Главная цель GlobalFoundries в ближайшее время, помимо совершенствования технологических процессов и наращивания объема продаж, – ​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 [9].

SMIC, крупнейший кремниевый завод КНР, обладающий наиболее передовыми в стране производственными мощностями по изготовлению ИС, представляет собой надежную опору выполнения национальных программ в области микроэлектроники, таких как план «Сделано в Китае 2025» (齌国薴謾2025). Однако введенные против него санкции США существенно осложняют освоение технологических процессов с проектными нормами менее 14/12 нм. Специалисты SMIC сумели изготовить при помощи установок DUV-литографии 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. DUV-литография требует использования методик как минимум двой-ного (а то и больше) формирования рисунка [10].

Вопросы рентабельности производства ИС можно решать как за счет глубокой модернизации зрелых процессов (если на реализованные по ним ИС есть устойчивый спрос), так и за счет освоения новых технологий с меньшими проектными нормами. ИС, изготовленные по перспективным технологиям, пользуются преимуществами премиальных цен, а пластины, обработанные с использованием подобных технологий, отличаются наибольшей ценой.



Источник: IC Insights

Рисунок 2. Динамика средней цены обработанных пластин основных кремниевых заводов


Действительно, в мире кремниевых заводов производство ИС по перспективным технологическим процессам имеет явное ценовое преимущество. Так, в 2020 г. корпорация TSMC была единственным «чистым» кремниевым заводом, производящим ИС как по 7‑нм, так и 5‑нм проектным нормам. Не случайно цена на ее пластины в 2020 г. значительно возросла – ​до 1634 долл., что на 66% больше, чем у GlobalFoundries и более чем вдвое превысило цены на пластины UMC и SMIC. Этому способствовало и то, что многие ведущие fabless--фирмы (из них 16 – ​с доходом более 1,0 млрд долл.) буквально выстроились в очередь, чтобы их новейшие ИС были изготовлены с использованием самых передовых процессов.

Подводя итоги, можно сказать, что независимо от типа ИС микроэлектронная (полупроводниковая) промышленность эволюционировала до такой степени, что только очень небольшая группа компаний может разрабатывать перспективные технологические процессы и производить по ним ИС. При этом производство ИС по более зрелым процессам также востребовано, и глубокая модернизация таких процессов позволяет сохранять рентабельность [1].


1. Revenue per Wafer Climbs As Demand Surges for 5nm/7nm IC Processes. IC Insights. Research Bulletin, March 4, 2021: https://www.icinsights.com/news/bulletins/Revenue--Per--Wafer--Climbs--As--Demand--Surges--For

2. Hackenberg Tom. Intel Turns to TSMC: Another Step Towards Fabless? i--Micronews, January 21, 2021: https://www.i-micronews.com/intel--turns-to-tsmc-another-step-towards--fabless/

3. For the Release of 4 nm Intel Products, TSMC Will Have to Allocate an Entire Enterprise. World Today News, January 9, 2021: https://www.world--today-news.com/for-the-releaseof4

4. Hamblen Matt. Intel Agrees to Sell its NAND Unit to SK Hynix for $9B. Fierce Electronics. October 19, 2020: https://www.fierceelectronics.com/electronics/intel-talks-to-sell-its-nand-unit-to-sk-hynix?mkt_tok

5. SEMI Applauds President Biden, Bipartisan Congressional Leaders for Supporting Semiconductor Supply Chain Incentives. Semiconductor Digest, February 25, 2021: https://www.semiconductor--digest.com/semi-applauds--president-biden--bipartisan-congressional--lead

6. Semiconductor Industry Leaders Urge President Biden to Prioritize Funding for Semiconductor Manufacturing, Research. Semiconductor Digest, February 15, 2021: https://www.semiconductor--digest.com/semiconductor--industry-leaders-urge-president--biden-to-prior

7. Kim Sohee, King Ian. Samsung Considers $10 Billion Texas Chipmaking Plant, Sources Say. Bloomberg, January 22, 2021: https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-01-22/samsung-is-said-to-consider

8. Patterson Alan. TSMC to Raise $9 Billion for Expansion Amid Shortages. EE Times, February 11, 2021: https://www.eetimes.com/tsmc-to-raise

9. Shilov Anton. GlobalFoundries Offers Ambitious Tech Plans, While Eying an IPO. EE Times, November 21, 2020: https://www.eetimes.com/globalfoundries--offers-ambitious-tech-plans--while-eying-an-ipo/?utm_source

10. 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 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.