Новейшие чипы для микроэлектроники, известные как «рентгеновские» и имеющие топологический размер 7 нанометров, планируется производить в Соединенных Штатах к 2028 году. Администрация президента Дональда Трампа стремится к тому, чтобы это произошло, поскольку, по всей видимости, намерена добиться лидерства в тех областях, где США пока уступают. Корреспондент « МК» провел беседу с Евгением Горневым, академиком РАН и специалистом в области микро- и наноэлектроники, заместителем руководителя приоритетного технологического направления по электронным технологиям.
Растущий интерес к микроэлектронике обусловлен прогрессом в области искусственного интеллекта (ИИ), потребностью в создании значительного числа серверов, увеличением количества персональных устройств у населения и внедрением инновационных технологий в различные отрасли, такие как беспилотный транспорт. По данным на 2025 год, более половины мирового рынка контролируют Соединенные Штаты и Южная Корея. В то же время, лидерами по объему производственных мощностей выступают Китай, Тайвань и Южная Корея. Нидерландская компания ASML производит 90% современных фотолитографических систем, используемых для производства микросхем, а на Тайване находится крупнейший завод по производству микросхем, использующий эти системы – TSMC. Согласно публикациям в зарубежных СМИ, американские компании стремятся изменить эту ситуацию и, под руководством Трампа, добиться абсолютного лидерства во всех областях. К сожалению, Россия не упоминается в этих новостях в числе лидеров. Однако, как становится известно, российские микроэлектронщики не теряют надежды.
Транзистор в СССР создала студентка
– Евгений Сергеевич, ваш опыт работы в микроэлектронике насчитывает 60 лет. Прежде чем перейти к обсуждению текущей ситуации в России, давайте освежим в памяти читателей, с чего все начиналось.
– До 1991 года мировое производство микроэлектроники было сосредоточено в США, Японии и СССР. В Советском Союзе функционировало около ста организаций и научных институтов, специализирующихся на микроэлектронике. Советская промышленность в этой сфере держалась наравне с американской, а по некоторым направлениям даже превосходила ее. Главной нашей проблемой было отсутствие патентной защиты для разработанных решений. Так, о создании первой интегральной схемы американцы заявили 12 декабря 1958 года. Это была небольшая полоска германия с пятью вручную соединенными компонентами, продемонстрировавшая возможность создания всех элементов на одном полупроводниковом кристалле. И что интересно – спустя полгода у нас появилась своя микросхема, не похожая на разработку Джека Килби! В 1959 году группа молодых разработчиков КБ Рижского завода полупроводниковых приборов (Карнов, Осокин, Пахомов) создала образцы интегральной схемы (ИС) на германиевых транзисторах. Как это стало возможным? Лишь потому, что советские ученые уже обладали необходимыми знаниями в этой области, но не проявляли желания первыми публиковать свои достижения.
Аналогичная ситуация сложилась и с транзистором, информация о котором до нас дошла через шесть месяцев после публикации в США. Этот прибор был разработан еще в начале 1949 года под руководством Александра Красилова, работавшего в НИИ-35, и его студентки из МЭИ Сусанны Мадоян.
Ранее в стране развивалась сильная фундаментальная, академическая наука. Лауреаты Нобелевской премии, создатели транзисторов и микросхем, в своих выступлениях отмечали вклад советских ученых, поскольку основополагающие принципы были разработаны именно в нашей стране. Мы опережали других в теоретических исследованиях, однако отставали во внедрении из-за отсутствия системы защиты интеллектуальной собственности как в научной, так и в технологической сферах.
– Мы оплачивали американским компаниям лицензионные отчисления за использование патента, когда у нас начали производить собственные транзисторы?
– Конечно, нет! Все наши разработки были выполнены собственными силами. В 1990-е годы, когда границы открылись и американские специалисты начали активно сотрудничать с российскими институтами, они в первую очередь стремились убедиться, что мы не используем их технологии без разрешения.
– Нашли?
– Поиск не дал результатов – все разработки были выполнены нашими специалистами. Однако, они могли убедиться в этом еще в 1970-х годах, когда первый руководитель НИИ молекулярной электроники (НИИМЭ) Камиль Валиев посетил США, забрав с собой микросхемы, созданные в нашей стране. Изучив их, американские специалисты не обнаружили ничего, напоминающего их собственные разработки.
Хотя существует единая основа цифровой логики, наша архитектура всегда имела отличия от зарубежных аналогов.
– Как удавалось сохранять эффективность в работе и почему раньше не возникали подобные постоянные финансовые трудности?
– В распоряжении ведомства был обширный коллектив специалистов, и применялся подход, основанный на комплексности. Александр Иванович Шокин, занимавший в период наилучшего развития отрасли пост министра электронной промышленности, инициировал решение о создании каждого института в связке с действующим опытным заводом. Так, был учрежден НИИМЭ, а спустя два года – опытный завод «Микрон», НИИ точных технологий и сразу – «Ангстрем», НИИ точного машиностроения — завод «Элион», институт материаловедения — завод «Элма» и так далее. Каждая разработка проходила испытания при институтах и тут же ставилась на производство. Без этой комплексности у нас сейчас возникают большие трудности с внедрением наших разработок.
– Как финансировалось развитие всей необходимой инфраструктуры в Советском Союзе?
– Объясняю. В 70-е годы экономист Василий Леонтьев, ранее живший в нашей стране, был удостоен Нобелевской премии за исследование экономических балансов. Он начал разрабатывать эти балансы еще в Советском Союзе, в системе Госплана. Именно на этих балансах, определяющих необходимые ресурсы, места и сроки, строилась вся деятельность, и финансирование всегда обеспечивалось. К примеру, в начале 60-х годов было принято постановление правительства и ЦК КПСС о создании вычислительной системы «РЯД». Основная доля нагрузки приходилась на Советский Союз, а страны СЭВ (Совета экономической взаимопомощи — прим. автора) присоединялись к проекту. В этом постановлении подробно описывались все аспекты: от микросхем до готовых машин, с указанием количества и завода-изготовителя. Аналогичный подход применялся и к оборонным проектам. В рамках создания первых компьютеров были задействованы предприятия Кишинева, Вильнюса, Баку и Тбилиси. Если бы кто-то не выполнил поставленные задачи и не предоставил необходимый компонент – его партбилет следовало бы положить на стол, что означало бы прекращение карьерного роста и ограничение должности уровнем простого инженера.
Кто развалил микроэлектронику в стране
– Как же можно было все это развалить?
– Наиболее ощутимый ущерб нашей микроэлектронике был нанесен в период с 1991 по 1992 год, когда мы находились на одном уровне с ведущими мировыми компаниями в области разработок. В эпоху правления Горбачева, Чубайса и Гайдара все предприятия, занимавшиеся выпуском технологического оборудования, были закрыты, а оборудование научно-исследовательских институтов по электронике фактически отправлено на переплавку. Первоначально был ликвидирован Госплан, который осуществлял планирование и контроль, а затем последовал удар по микроэлектронике. Благодаря нынешнему президенту РАН, Геннадию Красникову, удалось сохранить единственную производственно-научную кооперацию – НИИМЭ. Были прекращены работы по ряду направлений, связанных с созданием материалов, машин-литографов, имплантеров, машин для травления, осаждения и множества других процессов, необходимых для изготовления микросхем, некоторые из них были уничтожены.
Сторонники реформ постоянно заявляли: «Нам ничего не требуется, все будет импортировано». Вспоминается, как Чубайс демонстрировал президенту некий прототип российского планшета. Однако, дальнейшего производства этой модели никто не заметил.
Российские специалисты приняли участие в создании наиболее совершенного лазера в мире
– С учетом того, что стало ясно о необходимости восстановления, какие задачи являются приоритетными?
– В настоящее время отсутствует необходимая комплексность, о которой я упоминал ранее. У нас успешно функционирует программа, направленная на обеспечение оборудованием для изготовления микросхем. Разработан литограф, создан первый образец. Однако дальнейший план, касающийся организации серийного производства, остается неясным. Единственным доступным предприятием является завод в Черноголовке, однако он уже работает на пределе возможностей.
– Поговаривают, услуги фотолитографов стоят недешево…
– Причина заключается в том, что интеллектуальная собственность составляет значительную часть их себестоимости. Когда институт поручает заводу разработку оборудования для изготовления микросхем, именно на этом этапе формируется ключевая идея и ноу-хау.
Именно поэтому рентгеновский литограф от компании ASML, активно обсуждаемый в настоящее время, оценивается в 380 млн долларов? Известно, что его разработка потребовала усилий около тридцати институтов и компаний, а также заняла более 30 лет. Среди разработчиков были и российские специалисты. Например, рентгеновский лазер был создан в Троицком институте, а также при участии специалистов из Нижнего Новгорода и других регионов.
– Какую выгоду получила Россия?
– Три десятилетия назад наши правительственные реформаторы не видели необходимости в этом… Только около десяти лет назад, когда проблема безопасности стала особенно острой, мы начали всерьез говорить о микроэлектронике и привели в порядок нашу электронно-компонентную базу для космоса (ЭКБ). К началу 2010-х годов у нас успешно реализовывалась программа по созданию собственной ЭКБ для Роскосмоса – российские компоненты составляли около 70-80% от общего объема.
Когда размер имеет значение
– При обсуждении микроэлектроники часто приводят цифры, характеризующие количество транзисторов, размещенных на кристалле. Достаточно ли нам текущих нанометров для современной электронной вычислительной базы?
– «Сегодня о существенных улучшениях в микроэлектронике не говорят, используя термины «16 нм», «10 нм», «7 нм», «5 нм», «3 нм». Эти обозначения являются лишь условными «марками» техпроцессов и не отражают фактические размеры транзисторов, используемых в микросхемах. Это, скорее, маркетинговые уловки, когда «уровни технологий» в нанометрах указывают на количество транзисторов, размещенных на кристалле, и не более того. Например, для компании TSMC «16 нм» соответствует плотности 28,9 миллиона транзисторов на один квадратный миллиметр площади чипа, «10 нм» – 52,5 млн транзисторов на кв. мм, «7 нм» – 91,2 млн на кв. мм, «5 нм» – 171,3 млн на кв. мм, «3 нм» – 291,2 на кв. мм. Таким образом, используя подобную линейную зависимость в логарифмическом масштабе, можно самостоятельно спрогнозировать плотность транзисторов для 2 нм, 1 нм и далее, по своему усмотрению. Для повышения их количества на единицу площади транзисторы изготавливаются двух- и трехэтажными.
Теперь поговорим о наших микросхемах, предназначенных для использования в космической отрасли. Нам удалось разработать электронику, отвечающую требованиям, предъявляемым к компонентам, функционирующим в космической среде. Речь идет о технологическом процессе с 180 нанометрами. Мы не стремимся к чрезмерному уменьшению размеров микросхем, поскольку приоритетным является обеспечение радиационной стойкости изделия. Однако, к сожалению, нынешнее руководство отрасли вновь решило закупать электронные компоненты за рубежом. Если ранее предпочтение отдавалось продукции из США, то теперь – из Китая. У меня был значительный опыт работы с китайскими партнерами, и я могу утверждать: если мы теперь будем ориентироваться на них, то рискуем повторить ошибки прошлого. Китайские компании – это прежде всего бизнес, и они осознают, что наши микросхемы, при условии их дальнейшего развития, могут превзойти их собственные. Поэтому их задача – предотвратить это. Мне остается неясным, почему наши заказчики вернулись к устаревшим практикам.
– Речь идет о размере транзисторов, когда мы упоминаем наши 180 нанометров?
– Это действительно так. Без указания названия техпроцесса это не имеет смысла, поскольку тип используемого транзистора отличается – он выполнен в плоскостной (планарной) структуре. На данном этапе у нас отсутствует необходимое оборудование для производства вертикальных схем.
– Где размер транзисторов имеет значение?
– В сущности, уменьшение размеров транзисторов, измеряемых в нанометрах, позволяет разместить большее их количество на кристалле, что приводит к повышению производительности и снижению энергопотребления устройства. Это особенно актуально, например, для ноутбуков и мобильных телефонов, поскольку способствует уменьшению их размеров. В настоящее время Соединенные Штаты Америки лидируют в плане разнообразия типов микросхем. Ведущая компания на сегодняшний день производит наиболее миниатюрные микросхемы с использованием технологического процесса с шириной контактного окна 28 нанометров. Увеличение количества кристаллов на единицу площади позволит расширить их функциональные возможности.
– Каковы возможности достижения ими при работе с новым рентгеновским литографом?
– Мы говорим о 7 нанометрах. В конце прошлого года компания ASML представила литограф, обеспечивающий такое разрешение. Следует помнить, что этот показатель характеризует не размер транзисторов, а лишь технологический процесс.
– За счет чего его усовершенствовали?
– Принцип действия литографа, в сущности, схож с работой фотоаппарата: световой поток, проходя через систему линз, воздействует на светочувствительный материал. Если традиционные фотоаппараты используют видимый свет, то литографы прошлых поколений применяли лазерное излучение с длиной волны 350 нанометров. Разрабатываемое в настоящее время в России оборудование использует волну в 192 нм, а технология EUV позволит создавать устройства, способные работать с длиной волны в 13,5 нанометров.
– Когда появится чипы по технологии EUV?
– Запуск производства первой партии чипов ожидается в течение двух-трех лет.
– Как это повлияет на наше понимание, например, электронных устройств?
– Благодаря новым микросхемам, ваш телефон сможет не просто делать фотографии, но и выполнять обработку больших объемов информации, подобно суперкомпьютеру. Таким образом, он превратится в мощный персональный компьютер, помещающийся в вашем кармане.
– Какую аналогию можно провести для понимания уровня плотности современных микросхем?
– Их концентрация и число, размещенные на кристалле микросхемы, начинают превосходить количество нейронов, присутствующих в человеческом мозге. Однако, если сравнивать с нейронами, их энергопотребление не отличается высокой эффективностью.
– Виден ли предел для дальнейшего уплотнения?
– Когда-то для хранения информации объемом всего 5 мегабит требовалась целая комната. В настоящее время несколько микросхем умещаются в одном планшете. Интересно, что стремление к уменьшению веса устройств по-прежнему актуально, поэтому существует потребность в снижении размеров или количества микросхем. Ограничений для этого процесса пока не установлено.
«Кадры решают все»
– Какие действия необходимо предпринять в России, чтобы существенно снизить технологическую зависимость?
– Необходимо решать задачи, связанные с собственным производством, закупкой оборудования и сверхчистых материалов. Важно уделить внимание системам автоматизированного проектирования (САПР), разработке собственных компьютеров, беспилотников и суперкомпьютеров, использующих отечественные, а не китайские микросхемы.
Жизнь подтверждает, что любые задачи можно выполнить, если уделить внимание вопросам формирования персонала. Фраза «Кадры решают все» принадлежит Иосифу Виссарионовичу Сталину, и с ней трудно не согласиться. Лидерам, занимающим высшие позиции, не обязательно разбираться в деталях технологических процессов, однако сотрудникам среднего звена, министерского уровня, необходимо понимать суть того, чем они руководят. В советское время в Министерстве электронной промышленности все должностные лица прошли путь от инженера до главного инженера или руководителя предприятия. Их было трудно ввести в заблуждение. А сейчас… Несколько лет назад я посетил министерство и подготовил презентацию с иллюстрациями для заместителя министра, после чего он сказал: «Зачем вы мне это демонстрируете? Я не компетентен в этой области, я – финансист». Хорошо, что он откровенно признался в этом, но сколько же тех, кто лишь создает видимость понимания!
– Если бы сейчас мы решили разработать мобильный телефон, использующий российские микросхемы и обладающий не уступающей американским и китайским технологиями, сколько времени это заняло бы?
– На какой длине волны будет функционировать новая машина?
– Результаты разработки покажут. Существует вероятность, что длина составит 11,2 нм.
– Действительно ли дискуссии, которые сейчас ведутся в правительстве США и освещаются зарубежными СМИ, способны обеспечить безоговорочное лидерство Соединенных Штатов в сфере микроэлектроники в ближайшие годы?
– Я полагаю, что Трамп стремится продемонстрировать Китаю свою доминирующую позицию. Возможно, он попытается сдержать влияние ASML, однако маловероятно, что кто-либо позволит ему ликвидировать эту компанию, поскольку она производит необходимое оборудование для множества стран.
– Как бы вы сегодня ответили тем, кто продолжает утверждать, что создание собственного промышленного производства микроэлектроники невыгодно и что мы будем закупать всю продукцию»?
– Я бы назвал это абсурд. И тот факт, что многие прикладные институты, организованные как акционерные общества, по-прежнему руководствуются законом об акционерных обществах, на мой взгляд, является принципиальной ошибкой. В этом законе одним из первоочередных положений указано, что приоритетная задача организации – извлечение прибыли. Возникает вопрос: о какой прибыли может идти речь в исследовательских институтах? Основная цель института – создание новых технологий и продуктов, а не максимизация прибыли.
В настоящее время происходят изменения в системе. На недавнем совещании у президента Российской Федерации было принято решение о формировании Межведомственного совета по микроэлектронике. Возглавят его советник президента Андрей Фурсенко и вице-премьер Денис Мантуров. Вероятно, ситуация все же изменится к лучшему.
Что такое чип, микросхема и топология микросхемы: справка «МК
Кристаллы, также известные как чипы, представляют собой незащищенные кремниевые элементы, содержащие транзисторы.
Интегральная микросхема (ИС) представляет собой кремниевый чип, содержащий транзисторы, диоды и резисторы, объединенные в единую структуру.
Структура микросхемы определяет взаимное расположение всех её компонентов. Её можно рассматривать как схему или чертёж, на основе которого производится изготовление микроэлектронного устройства.
Технологический процесс соответствует параметрам «контактного окна», к которому подключается транзистор.
Фотолитограф – это устройство, предназначенное для переноса микроскопических изображений элементов транзисторов на кремниевую пластину.
Автор: Наталья Веденеева