Что нам стоит дом построить?

Многие наверняка не раз задавались вопросом, почему процессоры, видеокарты и материнские платы которые мы покупаем в магазинах — разработаны и сделаны где угодно, только не в России? Почему так получается, неужели мы только нефть качать можем?

Сколько стоит запуск производства микросхемы, и почему при наличии 22нм фабрик, бОльшая часть микросхем по всему миру до сих пор делается на «устаревшем» 180нм-500нм оборудовании?

Как же работает микроэлектронное производство и сколько все это стоит?
Транзисторы на кремниевой пластине рисуются с помощью фотолитографии, с помощью аппаратов называемых степперами или сканерами. Степпер — рисует кадр (до 26×33мм) целиком, затем переходит на новую позицию. Сканер — одновременно сдвигает маску и пластину таким образом, чтобы в каждый момент рисовать только одну узкую «строку» в центре кадра, таким образом аберрации оптической системы меньше влияют на изображение.

Основные характеристики степперов/сканеров — длина волны света, на которой они работают (на ртутных лампах i-line — 365nm, затем на эксимерных лазерах — 248nm и 193nm), и численная апертура объектива. Чем короче длина волны, и чем больше апертура — тем меньшие детали могут быть нарисованы объективом в соответствии с дифракционным пределом:

Например, для одного из самых совершенных сканеров ASML NXT 1950i с длиной волны 193нм и численной апертурой 1.35, и k1=0.4(обычное значение для фотолитографии без «хитростей») получаем теоретическое разрешение 57нм. Применяя хитрости вроде фазовых масок, многократной экспозиции, оптической коррекции близости, off-axis illumination, поляризации света — получают минимальные элементы до 22нм.

Другие параметры степперов/сканеров — производительность (сколько пластин в час они могут обработать, до 220 пластин), и ошибка совмещения (на сколько нанометров в штуках промахивается позиционирование пластины относительно заданной позиции. На современных сканерах — до 3-5нм).

Степперы/сканеры печатают уменьшенное в 4–5 раз изображение вот такой маски (стеклянной пластинки с рисунком микросхемы, размер примерно 15×15см) в точно заданных местах.

Операцию печати рисунка (с разными масками) нужно повторить от ~10 (для самых простых и старых микросхем) до ~40 раз чтобы сформировать все нужные слои на микросхеме (начиная от самих транзисторов, и заканчивая 2–10 слоями металлических соединений). Между операциями фотолитографии пластины подвергаются различной обработке — их греют в печке до 1100 градусов, травят в растворах и плазме. На выходе остаётся пластину разрезать на отдельные кристаллы, протестировать и поместить в корпус.

«Крутость» технологии измеряют размером минимального рисуемого элемента (отдельные части транзистора, например затвор — могут быть как меньше так и больше этой цифры — т.е. это величина достаточно условная). Понятно что чем меньше транзисторы — тем быстрее работает микросхема, и больше кристаллов влезет на пластину (но не везде нужна максимальная скорость).

Сейчас начинается медленный и мучительный переход на EUV-литографию, с длиной волны 13.5nm и зеркальной оптикой. EUV сканеры пока дороже и медленнее обычных 193нм, и только-только начинают превосходить их по достижимому разрешению.

Сколько стоит свой процессор сделать?

Цифры — грубые оценки, точных нигде не скажут без NDA.

Лицензия софта на одно рабочее место разработчика микросхем — от 20’000 до 100’000$ в год и выше. Можно конечно и воровать, но за этим все вокруг следят.

Далее — изготовление масок. Они не должны иметь ни одного повреждения, и их изготовление обходится очень дорого: от ~7’000$ за комплект для микросхем на 1000нм, ~100’000$ для микросхем на 180нм и до ~5’000’000$ для микросхем на 32нм. А ведь микросхема с первого раза скорее всего не заработает — и после нахождения ошибки маски придётся переделывать. Частично с этой проблемой можно бороться размещая тестовые микросхемы от многих заказчиков на одном наборе масок — тогда все получат по чуть–чуть тестовых микросхем за 1/3–1/10 цены полного набора масок (это называют Shuttle или MPW — multi project wafer).

Каждая произведённая пластина стоит от 100–400$ для старых технологий на 1000нм, ~1000$ на 180нм и до ~5000$ для самых современных (помимо нанометров тут оказывает влияние и сложность технологии — простая логика дешевле, флеш память дороже, но не в разы). Тут также важно помнить и о размере пластин: самые современные производства сейчас работают с пластинами диаметром 300мм — они по площади примерно вдвое больше пластин на 200мм (которые сейчас используются в России на Микроне, Интеграле и в туманном будущем на Ангстрем-Т), а последние примерно вдвое больше ещё более старых 150мм. Пластины бОльшего размера позволяют получать микросхемы меньшей стоимости при большИх заказах т.к. количество телодвижений для изготовления 100 пластин примерно одинаковое, независимо от диаметра (это одна из причин планируемого перехода передовых производств на пластины диаметром 450мм в 2018 году по оптимистичным оценкам).

Допустим мы хотим разработать x86-совместимый процессор (или любую другую относительно сложную микросхему), по более-менее современной коммерчески доступной технологии 28/32нм (22нм хоть и существует, но коммерческие заказы пока не разместить — так что доступ к технологиям иногда как любовь: за деньги не продается). Вопрос со стоимостью патентов опустим, это вообще очень печальная тема. Предположим, для разработки нужно 200 мифических человеко-лет (это если мы делаем скромный процессор, не претендующий на первое место).

Лицензии на софт — 50k$*100 = 5 млн$ (грубая оценка, не всем нужны лицензии).
Зарплата разработчиков — допустим 3k$*1,5(налоги)*12*200 = 10.8 млн$
Тестовые запуски в MPW — 2*1.5 млн$
Изготовление масок для серийного производства 2*5млн$ = 10 млн$ (2 — потому что как ни старайся — с первого раза не выйдет)

Итого — 28.8 млн$

Это было то, что называется Non-recurring engineering (NRE) — единоразовые затраты, которые не зависят от объема производства, и успеха всего мероприятия.

Если процессор у нас получился площадью 200мм2, пластины по технологии 32нм диаметром 300мм стоят 5000$, то с пластины у нас получится 70690/200 = 350 кристаллов (оценка сверху), из которых работать допустим будет 300. Т.е. себестоимость кристалла — 16.6$, 20$ после корпусировки. За сколько теперь такой процессор можно будет продавать? 50$? 100$? Отнимем налоги и наценку магазинов…

И вот теперь вопрос — сколько же нужно продать таких процессоров, чтобы окупить наши NRE, проценты по кредитам, налоги и проч? Миллион? 5 миллионов? А главный вопрос — есть ли какие-то гарантии, что эти 5 миллионов процессоров удастся продать, учитывая что конкурентам ничего не стоит произвести на 5 миллионов больше их уже готового продукта?

Вот такой вот адский бизнес получается — огромные капитальные расходы, огромные риски и умеренная прибыль в лучшем случае.

Китай — решил проблему по своему, они решили во все школы поставить компьютеры со своими процессорами и Linux — и проблема с объёмами производства решена ((1) (2)).

Таким образом, главный вопрос при создании микросхем — это не как и где произвести, а как разработать и кому потом продать миллионы штук получившейся продукции?

А сколько стоит завод построить?

Стоимость современного завода подбирается к отметке 5 млрд$ и выше. Такая сумма получается потому, что стоимость лицензий и некоторых других фиксированных расходов не сильно зависит от объёмов производства — и выгодно иметь большие производства, чтобы затраты «размазывались» по бОльшему объёму продукции. А каждый современный сканер (который собственно рисует эти 22–32нм детали) стоит 60–100млн $ (на большом заводе их может быть пара десятков). В принципе, 5млрд — не такие большие деньги в масштабах страны. Но естественно, никто не потратит 5 млрд без чёткого плана по возврату инвестиций. А ситуация там такая — несмотря на всю сложность индустрии, только монополисты работают с видимой прибылью (TSMC, Intel, Samsung и немногие другие), остальные еле сводят концы с концами.

Это просто не укладывалось у меня в голове — как же так, вкладывать миллиарды, и едва–едва их отбивать? Оказалось, все просто — по всему миру микроэлектроника жесточайше дотируемая отрасль — заводы постоянно выклянчивают освобождение от налогов, льготные кредиты и демпингуют (в Китае пошли ещё дальше — SMIC заводы строит за государственный счёт, и потом ими «управляет» — это у них называется Reverse Build-Operate-Transfer). После появления каждой новой технологии (45нм, 32нм…) — первые заводы-монополисты обладающие ей и рубят основную прибыль, а те, кто приходят на 2-5-10 лет позже старта — вынуждены работать практически по себестоимости. В результате денег тут заработать крайне сложно (без монополии и без дотаций).

Это похоже поняли и в России — и проекты больших микроэлектронных заводов пока отложили, и строят маленькие производства — чтобы если и терять деньги, то терять их мало. А даже 3000 пластин в месяц, производимых на Микроне — это с головой покрывает объёмы потребления билетов Метрополитена и оборонки (кристалл билета метро имеет размеры 0.6×0.6мм, на одной 200мм пластине получается 87’000 билетов в метро — но о грустной истории с билетами метро я расскажу в одной из следующих статей).

Вопреки расхожему мнению, особых ограничений на продажу оборудования для микроэлектроники в Россию нет — на поправку Джексона — Вэника в США ежегодно накладывается президентский мораторий, и нужно только получать обычное разрешение на экспорт. Сами производители оборудования кровно заинтересованы заработать побольше денег, и сами пинают со своей стороны выдачу разрешений. Но естественно, без денег никто ничего не делает. Так что за ваши деньги — любой каприз.

Но нужно помнить и о том, что свой завод не гарантирует полной независимости производства, и не дешевле производства за рубежом: основную стоимость составляют технологии/лицензии и стоимость закупаемого оборудования — а если своих технологий и оборудования нет, и все импортировать — то и дешевле получится не может. Многие расходные материалы также в любом случае придется импортировать. Отдельный больной вопрос — производство масок, только очень крупные фабрики могут иметь «своё» производство масок.

А сколько нанометров нужно для счастья?

Многим кажется — вот, у Intel–а 22нм, а у нас 90нм — как мы безнадежно отстали, подайте трактор… Но есть и другая сторона медали: посмотрите например на ту же материнскую плату: там сотни полупроводниковых приборов — MOSFET–ы, драйверы, микросхемы питания, всякая вспомогательная мелочь — почти для всех из них хватает и 1000нм технологии. Вся промышленная электроника, и микросхемы для космоса и военных — это практически в 100% случаев технологии 180нм и толще. Таким образом, самые последние технологии нужны лишь для центральных процессоров (которые делать очень сложно/дорого из–за высоких рисков и высокого порога выхода на рынок), и различных «жопогреек» (айфонов и проч). Если вдруг случится война, и Россия лишится импорта — без «жопогреек» прожить можно будет, а вот без промышленной, космической и военной электроники — нет. Т.е. по факту мы видим, что критичные для страны вещи по возможности делают в России (или закупают впрок), а то, без чего можно будет прожить в крайнем случае — импортируем.

Есть и другие факторы — та же стоимость масок. Если нам нужно сделать простую микросхему, то делать для её изготовления по 32нм маски стоимостью 5 млн $ — может быть выгодно если эту микросхему потом производить тиражом в десятки и сотни миллионов копий. А если нам нужно всего 100’000 микросхем — выгоднее экономить на масках, и выпускать микросхему по самой «толстой» технологии. Кроме этого, на микросхеме есть контактные площадки, к которым подсоединяются выводы микросхем — их уменьшать некуда, и следовательно, если площадь микросхемы сравнима с площадью контактных площадок — то делать микросхему по более тонкой технологии также нет смысла (если конечно «толстые нормы» удовлетворяют требованиям по скорости и энергопотреблению).

В результате — подавляющее большинство микросхем в мире делается по «толстым» технологиям (350–500нм и толще), и миллиарды микросхем уходящие на экспорт с Российских заводов (правда в основном в виде пластин) — вполне себе востребованы и продаются (так что в материнских платах и сотовых телефонах есть наши микросхемы и силовые транзисторы — но под зарубежными именами).

Ну и наконец, американский F–22 Raptor до недавнего времени летал на процессоре Intel 960mx, разработанном в 1984–м году, производство в США тогда было по нормам 1000–1500nm — никто особо не жужжал о том, что американцы ставят в самолеты отсталую электронику (хотя ладно, немного жужжали). Главное ведь не нанометры, а соответствие конечного продукта техзаданию.

Резюме

Рыночная экономика эльфов и микроэлектронное производство — слабо совместимые вещи. Чем больше копаешься — тем меньше видно рынка, больше дотаций, картельных сговоров, патентных ограничений и прочих радостей «свободного рынка». Бизнес в этой отрасли — это одна большая головная боль, с огромными рисками, постоянными кризисами перепроизводства и прибылью только у монополистов.

Не удивительно, что в России стараются иметь маленькое, но своё производство, чтобы сохраняя независимость, терять меньше денег. Ни о какой прибыли на рыночных условиях говорить не приходится.

Ну и не для всех микросхем нужно 22-32нм производство, подавляющее большинство микросхем выгоднее производить на более старом 180-500нм оборудовании из-за стоимости масок и объемов производства.

Источник материала
Материал: Arty1970
Настоящий материал самостоятельно опубликован в нашем сообществе пользователем ilja68 на основании действующей редакции Пользовательского Соглашения. Если вы считаете, что такая публикация нарушает ваши авторские и/или смежные права, вам необходимо сообщить об этом администрации сайта на EMAIL abuse@newru.org с указанием адреса (URL) страницы, содержащей спорный материал. Нарушение будет в кратчайшие сроки устранено, виновные наказаны.

комментариев 26

  1. Ричъ:

    Афтр…
    Вот серцем чую — познавательно и поучительно.
    Но нихъя не понимаю((((
    Не обессудь

    • DonR:

      Я так понял смысл таков, либерасты и тролли в очередной раз приседали нам на уши шито «про..Али все полимеры, страна бензоколонка, ничего не можете»,
      Ан нет, можем, но экономически пока нецелесообразно, процессоры пока получаем в рамках торговых отношений, более «толстые» элементы , от 80? нанометров лепим сами.

      Кстати, вроде здесь не было, материал не очень новый, но наши сделали прорыв, так сказать асимметричный ответ интелу в нише суперкомпьбтерных вычислений. Разработаны методы динамическоно создания и конфигурации процессоров на базе программи́руемой логи́ческой интегра́льной схе́мы (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD)
      Разработана теоретическая база, язык программирования. Пример реализации: из 1100 ПЛИС собран одностоечный супер вычислитель, , занимаемая площадь 1м кв, потребляемая мощность 130 кв, производительность 10 в 15 степени операций( 1 петафлопс). Аналогичный по производительности российский же суперкомпьютер Ломоносов на базе обычных процессоров, занимает 250 кв.м и потребляет 3 Мвт. Был на 94 месте в 2015.
      Еще один пример — информационно-управляющая система перспективного авиационного комплекса.

  2. BOMK:

    «Самолётик маленький, но свой» — старая песня.
    Сейчас уже становится ясно, что за этими технологиями — будущее. И хочешь не хочешь, придётся создавать своё и большое.
    Без этого — это уже прогрыш в будущих войнах, неважно кто останется после предстоящих разборок.
    Поэтому об окупаемости здесь уже речь идти просто не может, так как не может речь идти об окупаемости, например, стрелкового оружия или ракет.
    Оружие прежде всего делают для себя.
    Продать — это конечно хорошо, но если нет своего оружия, то нет и своего будущего.
    Продавать на этой территории потом уже будут другие, которые и вложатся, не ожидая прибыли.
    А оружие будущего — это электроника, процы, софт и т.д..

    • Tovbot:

      В статье вроде как внятно объяснили что основная масса критически важной микроэлектроники делается на «толстых» техпроцессах. «Тонкие» техпроцессы оправдываются только в случае крупносерийного производства с достаточно высокими требованиями к энергопотреблению. Прежде всего это разного рода процессоры для коммерческой вычислительной техники для массового и корпоративного рынков.
      Кроме того, там уже надвигается технологическая революция, потому как бесконечно утончать техпроцесс на нынешних кремниевых полупроводниках не получится. 3-5 нм это предел. Так что вполне вероятно что в течение десяти лет расклад на этом рынке может радикально измениться.

  3. Tovbot:

    Статья старая походу, там о 22нм процессе толкуют как о самом последнем, а ща уже вовсю в коммерческом использовании 14нм и в следующем году планируется запуск 10нм.
    Ну и лидер рынка контрактного производства — TSMC с более чем 50 процентами, остальные на ее фоне карлики. GloFo вот умудрилась не загнуться, отхватила у IBM целую команду спецов и теперь с их помощью разрабатывает 7нм техпроцесс, который планирует запустить в 2017 году. 14нм они внедрили Самсунговский кстати, корейцы в этом деле тоже в лидерах.

    • knifebot:

      а во что они внедрили то 14 и на что будет 7нм ?

      • Tovbot:

        GloFo уже производят для AMD видеочипы семейства Polaris. Ну и они же будут выпускать новое поколение процессоров Zen, которое стартует с начала будущего года. Там же стартуют новые видеокарты Вега от АМД.
        На 7нм они в 2018 планируют сначала выпускать вариацию GPU Vega для расчетов.

        • Proper:

          Для многих будет сюрпризом, что компания АМД вообще не имеет производства чипов. По сути, это просто ширма, эксплуатирующая старый бренд.

          • Tovbot:

            Дык сколько лет уже как они продали свои фабрики, лет десять кажется, если не больше. Собственно GloFo и есть бывшие фабрики AMD и у них там тесное сотрудничество, AMD имеет приоритет для GloFo.
            Еще одним сюрпризом кстати будет то, что GLoFo принадлежит арабам из ОАЭ:). Кстати отличный повод для либероидов позубоскалить, мол даже у арабов есть современное полупроводниковое производство, а у России нет:). Странно что до сих пор не использовали, видать тема специфическая, не всем близкая.

    • rlanry:

      Да, первоисточник — статья на Хабре 2012 года.

      • Tovbot:

        Ага, я сразу про ту статью и вспомнил как прочитал, даже подумал поискать ее и дать сюда ссылку, там хороший такой подробный расклад был.

  4. knifebot:

    Кто-то разве вообще ждет появления российского железа в чисто коммерческом раскладе ? Реально есть такие люди , которые ждут и желают появления русского интела , на котором можно будет играть в батлфилд ?

    меня в подобных обсуждениях всегда интересует откуда вообще рассуждения про рентабельность происходят. В смысле есть таки отрасли , где важно наличие , а не рентабельность. Если у тя критическая нужда , и разница между сделать самому и импортировать выражена не на порядки — то нужно делать конечно , при чем тут бизнес.

  5. BOMK:

    В любом случае, НАЧИНАТЬ что-то делать НУЖНО УЖЕ СЕГОДНЯ, «чтобы не было мучительно больно» за утерянные годы.
    Вот пример, как наш, пока друг, Китай подходит к этом вопросам:

    В 2010 году в Китае появился на свет первый суперкомпьютер Тяньхэ-1 с производительностью квадриллион вычислений в секунду. Тяньхэ-1 поддерживает выполнение различных задач, включая разведку нефти, производство оборудования высокого класса, биофармацевтику.
    Ежедневно Тяньхэ-1 осуществляет около 1400 задач, предоставляя свои мощности примерно тысяче клиентов.

    В ближайшие годы китайский государственный центр суперкомпьютеров, расположенный в городе Тяньцзинь, планирует разработать суперкомпьютер нового поколения, который будет в 1000 раз мощнее действующего Tianhe-1A и сможет выполнять квинтиллион (тысячу квадриллионов) операций в секунду. Базовые работы уже начаты в октябре месяце.

    https://clck.ru/ACGFn
    ———
    Кто нибудь реально представляет, что такое КВИНТИЛЛИОН?
    Я — не очень. :-)

    • Ричъ:

      Кто нибудь реально представляет, что такое КВИНТИЛЛИОН?©

      очень приблизительно. согласно легенде, мудрец Сета попросил у раджи Шерама 18 446 744 073 709 551 615 зерен пшеницы за придуманную им игру «Смерть раджи»(шахматы). Требуемое число было получено удвоением количества зёрен с каждым последующим переходом по всем клеткам шахматной доски с первой по 64-ю.
      Выполнение задачи предполагалось в случае, если ВСЮ поверхность Земли засеять зерном(сравнять горы, осушить моря, возродить пустыни и т.п) и снять урожай.

    • Tovbot:

      Начинать что? Разработку своих процессоров? Для этого не нужны большие фабрики для их производства. Большинство разработчиков процессоров отлично обходится без фабрик. Если вдруг сможем создать свой коммерчески интересный процессор — ничто не мешает разместить его производство на той же TSMC. А в ограниченных количествах для целей военки или космоса к примеру — можно силами наших заводов обойтись.

      • Proper:

        На самом деле никто не мешает и той же военке использовать чипы, заказанные и сделанные на TSMC.

        Россказни про «они прекратят поставки» — это забавный бред, поскольку поставки могут прекратиться и в самой России (например, сгорит завод). От прекращения поставок страхуются, закупая одномоментно чипов сразу на весь объем производства.

        Объясняю. Вот, скажем, нам нужны процессоры для системы наведения ракет для истребителей. Запланировано построить для нужд ВВС РФ 150 самолетов Т-50 и 300 самолетов Як-130 — итого нам надо будет всего 450 систем наведения. Заложим тройной запас в запчасти и на возможную постройку дополнительных машин — это всего 1350 штук процессоров. Купили 1500 штук на склад — и забыли об этой проблеме.

        Это в любом случае придется делать, поскольку жизненный цикл вооружений и прочих подобных систем гораздо дольше, чем продолжается выпуск процессоров. Помните, как для Шаттлов НАСА покупала старые процы на Ебее? Их никто от поставок не отрезал — просто эти процы давно прекращены производством, и плевать все хотели на потребности НАСА. Лохи в НАСА не заложили сразу запас на склад — вот и страдали.

        Ну а россказни про «закладки в кристалле» — это еще более веселый бред. Микроскоп вам в руки — и верифицируйте шаблоны.

        • Tovbot:

          Кстати разумно, закупил запчасти сразу на весь объем производства и жизненный цикл. Это же не коммерческое предприятие где стремятся минимизировать запасы.

    • Небритое прямоходящее:

      Спасибо, кэп. Ваши комментарии реально доставляют.

  6. Joog:

    «экономически пока нецелесообразно» ну да, проще на али купить китайский ширпотреб, перемаркировать под военную приёмку и рад.стойкость и потом пихать в ту же оружейку и космос. PROFIT в чистом виде для всех кроме эксплуанантов. Сам в теме (и образование соотв.), по ушам ездить не надо. В городе 2 завода военной электроники так работают (радары и связь).

  7. Tovbot:

    Кстати, шикарная тема:

    «Группа исследователей из лаборатории в Беркли им. Лоуренса предложила структуру транзистора, размеры затвора которого снижены до 1 нм. Это тоже один из вариантов, как продолжить работу закона Мура после того, как обычный кремний перестанет двигать развитие электронных компонентов. В качестве затвора «1-нм транзистора» выбрана обычная углеродная нанотрубка.»

    Подробнее: https://www.overclockers.ru/hardnews/79789/uchenye-predlozhili-umenshit-zatvor-tranzistora-do-1-nm.html

    Самый смак этой новости в следующей фотке с первоисточника:
    http://img.deusm.com/eetimes/2016/10/1330619/rcj_Nanometer-Transistor_3.jpg
    На фотке изображены разработчики новой технологии: профессор Berkeley Lab Ali Javey и его студент Sujay Desai. Американцы, фигли)))

    И вот так там повсеместно — рабочие места в IT сфере в США стремительно захватывают китайцы и индусы.

    • Henren:

      Да там так было еще тогда, когда я и не родился.