ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Американо-китайское противостояние в области искусственного интеллекта

Производственная база микроэлектроники США

SEMI о состоянии полупроводниковой промышленности

SEMI о состоянии полупроводниковой промышленности

Перспективные разработки в области пьезоэлектрических MEMS-датчиков

Китайские поставщики материалов вместо японских – выбор южнокорейских изготовителей ИС

Некоторые аспекты развития 3D‑флэш-памяти NAND-типа

SMIC: передовые технологии, производственная база и государственное финансирование

Состояние и перспективы развития производственной базы микроэлектроники

Современное состояние производственной базы микроэлектроники

Состояние рынков интегральных схем, оборудования и пластин

Освоение КНР 14- и 7-нм технологических процессов

Сбываются ли планы КНР по обеспечению самодостаточности в области ИС?

Прогноз продаж полупроводникового оборудования

Тенденции развития современных производственных мощностей

Huawei остается ведущим поставщиком оборудования связи

SEMI о состоянии полупроводниковой промышленности

SEMI о состоянии полупроводниковой промышленности

Выпуск 10(6734) от 20 мая 2021 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

В прошлом выпуске мы начали публиковать ответ SEMI на запрос Министерства торговли США относительно существующих рисков в цепочке поставок полупроводниковых приборов и в сфере перспективных методов корпусирования ИС. Предлагаем вниманию читателей его продолжение.


Производство пластин

Кремниевые пластины – ​основа почти всех полупроводниковых приборов. Пластина не может быть изготовлена без изготовления кремниевого кристалла (слитка). Это означает, что весь процесс создания ИС, которая в конечном итоге станет компонентом более крупного электронного прибора, опирается на этот крошечный кусочек чистого кремния. Выращивание одного слитка может занять срок от недели до месяца – ​необходимое время определяется размером, качеством и спецификацией пластины. Один из наиболее распространенных методов, используемых для выращивания кристалла, называется метод Чохральского. В дополнение к необработанным кремниевым пластинам для некоторых ключевых применений все чаще используются некремниевые подложки и специально подготовленные кремниевые подложки с заданными свойствами. Подложки с заданными свойствами, включая «кремний-на-изоляторе» (КНИ/SOI) и карбид кремния (SiC), могут обес-печить значительные преимущества по затратам и производительности по сравнению с необработанными кремниевыми пластинами, а их производство может зависеть от уникальной цепочки поставок, которую следует учитывать.


Интеллектуальное производство

Интеллектуальное производство – ​концепция Industry 4.0 – ​способно обеспечить получение конкурентных преимуществ. Внедрение концепции Industry 4.0 будет опираться на улучшенное время безотказной работы производственных инструментов и техническое обслуживание по текущему состоянию (predictive maintenance), основанное на прогнозировании запаса надежности. Поскольку инструментальные средства для производства полупроводниковых приборов становятся все более сложными, необходимы новые подходы к автоматизации и визуализации обслуживания инструментов. Интеллектуальное производство может помочь обеспечить полную прослеживаемость производства в целях повышения безопасности цепочки поставок.


Гетерогенная интеграция и перспективные методы корпусирования

Перспективные методы корпусирования на основе кремниевых интерпозеров были освоены семь лет назад с целью обеспечить тесное соединение процессоров специализированных ИС (ASIC) с множественными блоками памяти с высокой пропускной способностью (HBM) в рамках гетерогенной интеграции. Они получили широкое распространение, поскольку пропускная способность становится все более важной для многих приложений.

В то время как кремниевые заводы осваивают технологические процессы с проектными нормами 7, 5 и 3 нм, их заказчики проектируют архитектуры и внедряют инновации для дезинтеграции монолитных конструкций типа «система-на-кристалле» (SOC) на более мелкие кристаллы (чиплеты), гетерогенно интегрированные в модуль. Например, fabless-фирма при проектировании центрального или графического процессора для вычислительного ядра (кристалла) использует проектные нормы 7 нм, а для кристалла устройств ввода–вывода – ​14 нм, благодаря чему обеспечивает высокую производительность и сокращение цикла выхода на рынок новой продукции.

Недавняя презентация Управления перспективных исследовательских проектов (DARPA) МО США «Ускорение инноваций в области электроники и фотоники для революционных микросистем» (Accelerating Electronics and Photonics Innovation for Revolutionary Microsystems) позиционировала гетерогенную интеграцию как четвертую волну, продлевающую действие закона Мура и расширяющую его влияние за счет стимулирования разнообразия технологий, материалов и функциональности.


Диффузионное соединение и корпусирование на уровне пластины

Технология 3D BC и корпусирование на уровне пластины, а также технология соединения пластин при помощи множественных этажированных непосредственных межсоединений (DBI) могут существенно повысить конкурентоспособность американских микроэлектронных технологий.


Сенсоризация

Сенсорные системы необходимы для всех коммерческих, потребительских и оборонных применений. Растущая тенденция сенсоризации будет только ускоряться во всех будущих промышленных и потребительских секторах, например в электромобилях и цифровом здравоохранении. США в этом плане подвержены риску, так как большинство датчиков производится за границей. Создание внутреннего потенциала для поставки передовых датчиков снизило бы этот риск. Сенсорные технологии имеют решающее значение для коммерческих и оборонных приложений Интернета вещей, искусственного интеллекта, краевых и легкотуманных вычислений, где данные интегрируются и предварительно обрабатываются перед отправкой в «облако».


SEE-испытания

Существующие в США установки тестирования по облучению тяжелыми ионами, необходимые для испытания радиационно стойких полупроводниковых приборов, не могут удовлетворить современные или будущие потребности в испытаниях на «повреждение в результате единичного события» (SEE). Существует менее полудюжины ускорительных лабораторий, способных производить ионные пучки с достаточным количеством видов ионов и энергий для удовлетворения потребностей SEE-испытаний. Эти объекты широко используются сообществом исследователей ядерной физики и всеми правительственными ведомствами США (включая НАСА, Министерство обороны, Министерство энергетики и т. д.), а также все большим числом коммерческих предприятий, стремящихся воспользоваться бизнес-возможностями, предоставляемыми доступом в космос. Современные ускорители тяжелых ионов для SEE-испытаний в университетах США и лабораториях Министерства энергетики имеют ограниченные возможности, и разрыв между спросом и предложением, как ожидается, будет в ближайшей перспективе нарастать. Непредсказуемое финансирование создает нестабильность работы испытательных установок, что имеет последствия для национальной безопасности.


Раздел III

Наличие ключевых наборов навыков и персонала, необходимых для поддержания конкурентоспособной полупроводниковой экосистемы США, включая национальное образование и производственные навыки рабочей силы, необходимые для производства полупроводниковых приборов.

Полупроводниковая промышленность опирается на высококвалифицированную рабочую силу. Компании должны привлекать и удерживать широкий круг людей, способных внедрять инновации, решать сложные проблемы и предвидеть будущие вызовы и перспективы в этом быстро меняющемся, технологически продвинутом секторе. В настоящее время в полупроводниковой промышленности вакантны десятки тысяч рабочих мест по всей цепочке поставок (одни только фирмы-члены SEMI имеют 23 тыс. вакансий на территории США), и дефицит рабочей силы, по прогнозам, будет расти и дальше. Развитие рабочей силы – ​неизменно одна из главных потребностей, выявленных компаниями-членами SEMI. Примерно 85 % респондентов в ходе одного из последних опросов в числе главных приоритетов, влияющих на устойчивость и будущий рост, назвали улучшение доступа к перспективным кадрам, их обучение и удержание.

Рабочая сила полупроводниковой промышленности в настоящее время не отражает существующего в США гендерного и расового разнообразия. Это значительная упущенная возможность, поскольку более разнородная рабочая сила увеличивает инновации, креативность и производительность. В ближайшие 10 лет рабочая сила в США станет более разнообразной, поэтому конвейер подготовки и совершенствования кадров должен стать более широким и инклюзивным, чтобы удовлетворить потребности отрасли. В США есть все необходимое для того, чтобы обеспечить конкурентоспособность экосистемы полупроводниковой промышленности, – ​сами рабочие, образовательные учреждения и американские компании. Однако существуют четыре проблемы, мешающие этому (табл. 1).


Таблица 1

Основные проблемы в области рабочей силы, сдерживающие обеспечение конкурентоспособности полупроводниковой промышленности США

Проблема

Суть проблемы

Гендерно-расовые ограничения в образовании

Исследования на протяжении десятилетий фиксируют недостаточное число девочек и цветных детей в классах школ К‑12*, обучаемых по программам STEM**. Это не стимулирует их к продолжению образования и карьеры в областях, связанных со STEM. Конкурентоспособность полупроводниковой промышленности в мировой экосистеме микроэлектроники требует разнородности работников, их талантов и перспектив. Предприятия с более разнородной рабочей силой имеют больше клиентов, отличаются более высокими доходами и прибылью, большей долей рынка, меньшим уровнем прогулов и текучки кадров, а также более высокой лояльностью сотрудников и клиентов. Необходимо устранить подобное неравенство на уровне К‑12 в школах по всей стране с помощью подготовки педагогов и культурно компетентных учебных программ для развития следующего поколения разнообразных технических работников, которые понадобятся отрасли по мере старения нынешней когорты квалифицированных кадров

Отсутствие узнаваемого и привлекательного бренда полупроводниковой промышленности

Многие потенциальные работники (как студенты, так и предпрофессиональные люди, желающие повысить квалификацию или переобучиться), которые могли бы подумать о карьере в полупроводниковой промышленности, не знают о наличии в ней многочисленных стабильных и прибыльных рабочих мест

Недостаток специализированных образовательных курсов

Множество колледжей и университетов обладают возможностями для подготовки кадров, связанных с проектированием, производством и дистрибуцией полупроводниковых приборов, но соответствующие курсы профессионального и технического образования (CTE) встречаются редко, а сертифицированные CTE-преподаватели – ​еще реже. Необходимо сделать такие тренинги более доступными для потенциальных работников, обеспечить поддержку во время обучения, чтобы дать возможность учащимся завершить курсы и затем связать их с фирмами, нуждающимися в кадрах. Также необходимо выявлять текущие пробелы в навыках на основе потребностей работодателей, разрабатывать тренинги, соответствующие этим навыкам, и развертывать эти тренинги как на виртуальных, так и на личных платформах

Пандемия COVID‑19

Пандемия COVID‑19 непропорционально сильно затронула женщин и цветных. По оценкам, каждая четвертая женщина рассматривает возможность ухода с работы из-за давления, оказываемого COVID‑19. В одном из университетов 20 % женщин-инженеров бросили учебу, чтобы заботиться о своих семьях. Женщины уходят или вытесняются из рабочей силы с пугающей скоростью, в то время как их численность, перспективы и навыки необходимы в отрасли. Важно предпринять шаги к тому, чтобы поддержать женщин, побудить их не бросать работу или учебу. Это поспособствует конкурентоспособности США в глобальном масштабе

* Школы K‑12 – ​образовательные учреждения, реализующие полный курс обучения по 12-летней программе от начальной до конца средней школы.

** STEM (science, technology, engineering and mathematics) – ​образовательные программы в области науки, технологии, техники и математики с использованием междисциплинарного проектного подхода. Реализуются неправительственной бесприбыльной организацией STEM Education Coalition.


Кроме того, некоторые полупроводниковые материалы и компоненты, такие как кварцевые изделия и распыляемые мишени, требуют для изготовления конечного продукта квалифицированных операторов-станочников. Хотя при обеспечении дополнительного спроса можно полагаться на зарубежные источники этих материалов и компонентов, любой заметный всплеск спроса способен вызвать напряженность в цепочке поставок.

Дефицит и задержки в цепочке поставок могут длиться от девяти месяцев до года, то есть время, необходимое для подготовки квалифицированного стеклодува горячего кварца или оператора-станочника.

SEMI взяла на себя обязательство использовать свое уникальное положение для развития и поддержания конвейера подготовки талантов для полупроводниковой промышленности. Запущенный в феврале 2019 г. портал SEMI Works (https://www.semi.org/en/workforce-development/semi-works) олицетворяет собой комплексный подход SEMI к развитию конвейера талантов отрасли. Программа направлена на формирование инфраструктуры для перехода от нынешнего фрагментарного подхода в обучении и образовании к взаимосвязанному подходу, который использует существующие региональные активы для создания интегрированного национального конвейера талантов.

В области перспективных методов корпусирования и гетерогенной интеграции солидный набор современных знаний предоставляет «Маршрутная карта [развития технологий и подходов] гетерогенной интеграции» (Heterogeneous Integration Roadmap). Она пригодна для обучения на уровне колледжа, краткого курса, самостоятельного изучения и, что важно, для формирования понимания того, как вся экосистема электроники работает в целом в таких сферах, как НИОКР и производство. Специалисты по корпусированию приходят из всех «слоев» академических дисциплин – ​электротехники, машиностроения, материаловедения, физики и химии. Область перспективных методов корпусирования быстро развивается. Изучение современных методов и технологий, знание того, в чем заключаются возможности и где находятся сдерживающие факторы, – ​первый шаг к инновациям и творчеству.

В ближайшей перспективе ключевую роль в поддержании квалифицированной и надежной рабочей силы полупроводниковой промышленности США будет играть иммиграционная политика. Высококвалифицированные рабочие иностранного происхождения важны для американских полупроводниковых компаний из-за длительного цикла обучения и подготовки, необходимых для работы в этой отрасли (привлечение уже готовых кадров позволяет избежать затрат времени и средств на обучение). По оценкам The Wall Street Journal, около 40 % высококвалифицированных работников полупроводниковой промышленности США, работающих в настоящее время, родились за пределами страны. Визы H1-B и дополнительные визы для прохождения практики (Optional Practical Training) помогают сохранить в США иностранных студентов, получивших образование по американским программам. Создание потенциала производства полупроводниковых приборов в США потребует не только инвестиций в развитие внутренних талантов, но и иммиграционной политики, которая позволит стране удерживать и нанимать высококвалифицированных иностранных рабочих, особенно в краткосрочной перспективе (при обучении американского молодого поколения в этой области).


Раздел IV

Риски или непредвиденные обстоятельства, способные нарушить цепочку поставок полупроводниковых приборов (включая риски в области обороны, разведки, кибербезопасности, национальной безопасности, здравоохранения, климата, окружающей среды, природных, рыночных, экономических, геополитических факторов, прав человека или принудительного труда).

Недавние события показали, как различные сбои могут повлиять на цепочку поставок полупроводниковых приборов. Риски цепочки поставок, связанные с глобальной пандемией, усугубляются дисбалансами рынка и предложения. Учитывая жизненно важное значение технологий, основанных на полупроводниковых приборах, SEMI обратилась к правительствам штатов и иностранным правительствам с просьбой классифицировать работников полупроводниковой промышленности, которые должны присутствовать на рабочем месте во время пандемии, в качестве основных работников. В значительной степени правительства разных стран мира классифицировали полупроводниковую промышленность как «важный бизнес», требующий обеспечения непрерывности операций. Наличие скоординированной глобальной, национальной и местной политики, касающейся необходимых поездок, вакцинации и мер безопасности объектов, имеет жизненно важное значение для устойчивости цепочки поставок.

Геополитическая напряженность в области контроля торговли и экспорта может вызвать глобальную цепную реакцию, и многие действия в этой области часто имеют непредвиденные последствия. Например, 9 января 2021 г. Министерство торговли КНР опубликовало «Правила о противодействии необоснованному экстерриториальному применению иностранного законодательства и других мер» (Rules on Counteracting Unjustified Extraterritorial Application of Foreign Legislation and Other Measures), которые позволяют китайским компаниям требовать возмещения убытков от иностранных компаний, соблюдающих экстерриториальные меры других стран. Это было воспринято как прямой ответ на меры экспортного контроля США в отношении китайских компаний, таких как Huawei, и создало серьезные опасения для неамериканских компаний, которые должны соблюдать экстерриториальные меры США. Кроме того, 1 декабря 2020 г. вступил в силу новый закон КНР о контроле экспорта, предоставляющий китайскому правительству юрисдикцию в отношении организаций или отдельных лиц за пределами Китая применительно к деятельности, которая ставит под угрозу национальную безопасность и интересы Китая или препятствует выполнению обязательств в области нераспространения (ядерного оружия и т. п.) или других международных обязательств. Действия по утверждению экстерриториальной юрисдикции и противодействию действиям по экстерриториальной юрисдикции со стороны других стран создают значительный риск для полупроводниковых компаний по всей цепочке поставок. Действительно, одновременно соблюдать как американское, так и китайское законодательство далеко не всегда возможно в силу их противоречий, что грозит нарушениями и санкциями.

Климатические риски включают крупные погодные явления, такие как тайфуны и ураганы, способные вызвать кратковременные перебои с поставками. Однако длительные засухи и лесные пожары также чреваты долгосрочными проблемами. Наличие чистой воды – ​один из ключевых факторов при производстве полупроводниковых приборов. Пожары, происходящие на расстоянии нескольких километров от завода по обработке пластин или предприятия по сборке, корпусированию и тестированию ИС, увеличивают количество загрязняющих частиц в атмосфере, что требует более тщательной фильтрации воздуха для чистых помещений. Пожары, перебои в подаче электроэнергии и землетрясения оказывают значительное влияние на полупроводниковую промышленность (табл. 2).


Таблица 2

Воздействие пожаров, землетрясений и перебОев в подаче электричества на полупроводниковую промышленность

Дата

Последствия

Пожары

1993 г.

Пожар и взрыв на химическом предприятии Sumitomo в Японии повлияли на производство полупроводниковых материалов и вызвали рост цен на полупроводниковые приборы

2020, 2021 гг.

Пожары на заводе подложек Umimicron (Тайвань) повлияли на глобальные мощности по сборке, корпусированию и тестированию полупроводниковых приборов

Март 2021 г.

Пожар на заводе Renesas может вызвать дальнейший рост дефицитности поставок ИС для автомобильной промышленности

Землетрясения

1999 г.

Землетрясение на Тайване привело к временному закрытию научно-промышленного парка Синьчжу, что повлекло серьезные сбои в цепочках поставок полупроводниковой промышленности (в парке расположены мощности крупнейших кремниевых заводов – ​TSMC и UMC, а также значительные мощности по сборке, корпусированию и тестированию ИС)

2011 г.

Землетрясение (и последовавшее цунами) в Японии оказало значительное влияние на производство пластин и других полупроводниковых материалов

Перебои подачи электричества

Февраль 2021 г.

Зимний шторм в Техасе привел к остановке производства и усугубил дефицит полупроводниковых приборов в США


Наконец, цепочка поставок жидких химикатов высокой чистоты (H2SO4, HCL, H2O2, H3PO4, NH4OH) работает с чрезвычайно малой рентабельностью, из-за чего североамериканские производители таких веществ воздерживаются от расширения местного производства. При этом дефицит поставок этих химикатов у американских производителей ИС по-прежнему возникает каждые два года, если не ежегодно.

Продолжение следует…


1. SEMI Provides U. S. Commerce Department with Analysis of Semiconductor Supply Chain Risks. Semiconductor Digest, April 7, 2021: https://www.semiconductor-digest.com/2021/04/07/semi-provides-u-s-commerce-department-with-analysis-of-semiconductor-supply-chain-risks/ 

2. Final SEMI Supply Chain Comments. SEMI, April 5, 2021: https://www.semi.org/sites/semi.org/files/2021–04/Apr%205 %20Final%20SEMI%20Supply%20Chain%20Comments.pdf 



ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

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