Итоги 2024 года в микроэлектронике

Ну что, 2024 год заканчивается, все подводят итоги года. Давайте тоже пробежимся по итогам года в микроэлектронике. 

Мы пройдемся и по инвестициям в эту отрасль, по текущим показателям техпроцессов и ожидаемых технологических прорывах, поговорим что делают разные страны для поддержки этой отрасли. 

Раньше развитие технологий форсировалось в основном военной промышленностью, еще в 10 лет назад преподаватели в университетах любили ссылаться на то, что все новейшие технологии сначала применяются в военной сфере, потом идут в авиацию и после уже приходят в быт. Однако уже тогда эта парадигма была изменена, как минимум в сфере полупроводников и производства чипов. 

С момента популяризации персональных компьютеров, ноутбуков в сфере микроэлектроники начали появляться деньги на развитие полученные от “свободного” рынка, а началом производства видеоускорителей и смартфонов - все кратно умножилось. 

С тех пор началась технологическая гонка “сделать меньше и лучше”, которая развивает индустрию производства чипов и каждый год в этом направлении происходят новые разработки за которыми следят мир и после эти достижению используются уже в другой технике. Все это конечно в конечном счете связано не только просто с открытиями смартфона или персонального компьютера, это связано с развитием все индустрии и спроса которая вокруг этого крутиться: цифровизация и оптимизация бизнеса, видеоигры, графика, безопасность, криптовалюты и пр. 

Техпроцессы 2024 года

Тайваньский TSMC, мировой лидер в производстве чипов,  в этом году выпускал чипы графических процессоров для Nvidia и AMD с техпроцессами 4 и 5-нм соответственно, SoC для смартфонов Xiaomi, Honor и Nothing Phone2 на технологии 4нм и прорыв года - это чип для A18 Bionic для iPhone 16 и Apple M3 Pro компьютеров Apple на технологии 3-нм. А вот процессор от MediaTek на -3нм Dimensity 9400 так и не показался нам на смартфонах в этом году.

Samsung Foundry выпускал процессоры для Samsung Galaxy S24 и Google Pixel 9 на технологии 4 нм, а Intel Foundry Services – видеоускоритель Intel Arc A770 6-нм и процессоры Intel  Core i3-i9 -14 поколения на  Raptor Lake Refresh (10-нм), Core Ultra (5/7/9) на Meteor Lake (7-нм) и новую линейку Core Ultra в октябре на Arrow Lake (3-нм)

Выпуском чипов по высоким технологиям особо больше никто не отличился, но что касается развития и перспективы то гонка продолжается. Казалось бы, в такой упорной борьбе новичкам не место, однако не тут то было, но обо всем по порядку. 

Уменьшение техпроцесса

 Тайваньская компания TSMC планирует запустить массовое производство 2-нм чипов к концу 2025 года, а к концу 2026 года - чипов, изготовленных по технологии A16 (1,6-нм). TSMC фокусируется на разработке транзисторов с кольцевым затвором (GAAFET) и технологии обратной подачи питания (BSPDN). В GAAFET канал полностью окружён затвором (gate), что позволяет лучше контролировать поток заряда. Это улучшение по сравнению с FinFET, где затвор "обволакивает" канал с трёх сторон. BSPDN (Back-Side Power Delivery Network) — это инновационная технология подачи питания в чипах, где питание проходит по обратной стороне пластины, а не через верхние слои.

Intel также активно инвестирует в разработку собственных GAAFET-транзисторов (RibbonFET) и технологии PowerVia, аналогичной BSPDN. Компания обещает в 2025 году процессоры выполненные по 2-нм техпроцессу, используя технологию RibbonFET. 

ASML – компания, которая единственная является поставщиком оборудования для EUV (Extreme Ultraviolet) литографии, еще в 2023 году представила свою технологию High-NA EUV. Эта технология является эволюцией существующей EUV литографии и направлена на преодоление ограничений современных методов производства полупроводников, для того чтобы закон Мура по уменьшению проводников продолжал работать. В декабре 2023 года ASML отправила первые модули системы TWINSCAN EXE:5000 компании Intel, что знаменует собой значительный шаг в развитии технологии. Ожидается, что High-NA EUV литография будет внедрена в массовое производство в период с 2025 по 2026 годы. 

Снижение затрат EUV литографии

В мае 2024 года профессор Цумору Синтаке из Окинавского института науки и технологий (OIST) представил революционную технологию экстремальной ультрафиолетовой (EUV) литографии, превосходящую традиционные методы. Новая технология базируется на инновационной оптической конструкции, позволяющей использовать источники излучения с значительно меньшей мощностью. Это решение не только снижает затраты, но и повышает надежность оборудования, увеличивая срок его службы. Ключевыми достижениями стали разработка оптической системы с двумя зеркалами и метод эффективного направления EUV-излучения, исключающий блокировку оптического пути. Новаторский подход профессора Синтаке открыл перспективы для более экономичных и устойчивых технологий в полупроводниковой индустрии.

В России также разрабатывается EUV-литография с длиной волны 11,2-нм, которая, как ожидается, будет дешевле и проще в производстве, чем установки ASML, все также из-за снижения мощности “излучателя”. При средней мощности лазера 3,6 кВт ожидаемая производительность на длине волны 11,2-нм будет меньше примерно в 2,7 раза, чем у ASML-литографа, но и они честно заявляют что им такие объемы как производят TSMC и некуда сбывать. Заявляется что к 2028 году смогут производить чипы по технологии 7-нм. Производство российского оборудования для выпуска чипов с топологией 350 нм начнется в 2024 г., а 130 нм — в 2026 г, тестовые испытания в составе литографа назначены на 2025 г. В течении трех лет на это потратят 100 млрд руб.

Новые проводники

Исследователи из Технологического института Джорджии создали первый в мире функциональный полупроводник из графена, который обладает в 10 раз большей подвижностью, чем кремний. Этот материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, отличается уникальной кристаллической структурой и минимальным сопротивлением, но ранее не использовался в электронике из-за отсутствия «запрещённой зоны», необходимой для включения и выключения транзисторов. Исследователи решили эту проблему, сплавив графен с карбидом кремния с помощью инновационного процесса нагрева и легирования, что позволило создать функциональный полупроводник, который можно интегрировать в существующие производственные процессы. 

Новые игроки на рынке микроэлектроники

Японская компания Rapidus, созданная консорциумом крупнейших японских корпораций, получила государственные субсидии в $65 млрд до 2030 года в том числе для разработки и производства 2-нм чипов. В декабре 2024 года компания установила первую в Японии EUV-литографическую машину ASML NXE:3800E для массового производства полупроводников. Ожидается, что 2-нм чипы Rapidus будут иметь на 45% лучшую производительность и потреблять на 75% меньше энергии по сравнению с 7-нм чипами. Среди крупных японских корпораций, поддерживающих Rapidus, — Toyota, Sony, NTT, NEC, SoftBank, Denso и Kioxia. Цели Rapidus - уменьшить зависимость Японии от импорта полупроводников и участвовать в глобальных цепочках поставок для обеспечения высокотехнологичных отраслей, таких как автомобильная промышленность, телекоммуникации и искусственный интеллект.

Власти Южной Кореи рассматривают возможность создания собственной компании-производителя чипов "KSMC" для конкуренции с TSMC, что потребует инвестиций в размере $13,9 млрд. По прогнозам, всего за 20 лет — к 2045 году — они дадут экономическую выгоду на сумму 300 трлн вон ($208,7 млрд). То есть каждый вложенный доллар вернется в 15-кратном размере. Ожидается, что KSMC будет заниматься как созданием передовых чипов, так и производством их по зрелым технологиям.

Гонка не для всех 

Кроме передовых компаний также существуют обычные компании которые занимаются производством по старым технологиям и им бежать не нужно, заказы также есть? например автомобильная сфера, коммуникации, тяжелое машиностроение не нуждаются в снижении размера электроники, они спокойно снабжают своими заказами такие малознакомые для любителей смартфонов и видеокарт компании как GlobalFoundries, UMC, TowerSemiconductor. При этом это не является “отставанием” - это своя ниша, которая также востребована и в которую вкладываются. 

В рамках программы CHIPS and Science Act GlobalFoundries получила до $1,5 млрд на расширение своих производственных мощностей в Мальте, штат Нью-Йорк, и модернизацию завода в Вермонте. Эти инвестиции направлены на увеличение выпуска чипов для автомобильной промышленности и других критически важных отраслей. В целом у этой компании проектов на 10 лет и на общий объем инвестиций в $13 млрд.  При этом текущие технологии - 12 нм, 14 нм, 28 нм и выше. 

Инвестиции в США

Вообще программа CHIPS and Science Act направлена на восстановлению лидерства США в производстве полупроводников, укрепление экономики и национальной безопасность страны - ее объем $52,7 млрд. Деньги идут на производство полупроводников, научные исследования и разработки, а также рабочую силу. В 2024 году Intel получила до $7,86 млрд на строительство заводов по производству чипов в четырёх штатах США, TSMC - $6,6 млрд для своего производственного комплекса в Финиксе, Аризона. Samsung Electronics - $6,4 млрд для расширения производства в Остине, Micron Technology - $6,1 млрд для проекта в штате Нью-Йорк. Администрация президента США в августе 2024 года отчиталась о том, что благодаря их поддержке компании объявили об инвестициях в размере более 395 миллиардов долларов в полупроводники и электронику, а также о создании более 115 000 рабочих мест. 

Что у Китая?

Китай сталкивается с ограничениями США на экспорт технологий и оборудования, что вынуждают страну ускорять локализацию производства. В страну ASML не поставляет оборудование для EUV литографии, только DUV (Deep Ultraviolet), а правительство США давит на нидерландскую компанию для того чтобы она и вовсе прекратило обслуживание этих аппаратов. Кроме того, объем финансирования в отрасли за первые 11 месяцев 2024 года снизился на 32,4%, что объясняется избыточными мощностями для зрелых техпроцессов и внешними санкциями. Однако Китай инвестировал $25 млрд в закупку оборудования для производства микросхем за первое полугодие. В рамках этой стратегии Китай запустил 18 новых фабрик, увеличив производственные мощности на 13% — до 8,6 млн пластин в месяц. Дополнительно был создан государственный фонд с уставным капиталом $47,5 млрд для поддержки полупроводниковой отрасли. Такие компании, как HiSilicon и SMIC, сократили технологический разрыв с мировыми лидерами который по оценкам Китая составляет 3 года, а по оценки главы ASML Кристоф Фуке - 10-15 лет. 

Итоги

В 2024 году микроэлектроника продолжила стремительное развитие: лидеры отрасли (TSMC, Intel, Samsung) внедряли передовые техпроцессы, Япония и Южная Корея сделали шаги в сторону независимости в производстве чипов, а США стимулировали отрасль программой CHIPS and Science Act. Китай, несмотря на санкции, расширил локальное производство, но сохраняет технологическое отставание. Зрелые технологии остаются востребованными в автомобильной и машиностроительной отраслях, обеспечивая устойчивость ниши. Страны и компании инвестировали в микроэлектронику, а глобальная конкуренция усиливалась и похоже будет продолжать это делать. 

Рынок “литографов” по прежнему в руках ASML, Nikon и Canon, а самые передовые микросхемы выпускают TSMC, Samsung Foundry, Intel Foundry Services на оборудовании все той же ASML.