Как нам развивать микроэлектронику

В начале сентября госкорпорация «Ростех» опубликовала документ под длинным названием «“Дорожная карта” развития высокотехнологичной области “Новые поколения микроэлектроники и создание электронной компонентной базы”», который представляет собой план реализации государственной стратегии развития микроэлектроники. Так случилось, что практически одновременно на сайте известного американского аналитического центра The Information Technology and Innovation Foundation (ITIF), который специалисты признают самым авторитетным аналитическим центром в области научно-технической политики в мире, появилась статья известного специалиста в области микроэлектроники Стивена Эзелла An Allied Approach to Semiconductor Leadership, что с учетом ее содержания можно на русский перевести как «Международное сотрудничество как основа лидерства в микроэлектроники». Статья представляет рекомендации одного из самых авторитетных в мире аналитических центров к стратегии развития микроэлектроники в США и в мире. Интересно сравнить эти рекомендации и предложения «Ростеха» — конечно, понимая разницу в возможностях России и США.

Стоит отметить, что в американской статье российская микроэлектроника вообще не упоминается, при том что перспективам ее развития в других странах уделено много внимания, что и понятно: доля российской электроники в мировом производстве составляет какие-то доли процента. А ведь Советский Союз был второй или третьей микроэлектронной державой мира и единственной страной, выпускавшей практически всю номенклатуру изделий микроэлектроники и оборудования, необходимого для ее производства.

В начале статьи Эзелл отмечает, что полупроводниковая промышленность — одна из самых важных на сегодняшний день отраслей экономики, которая поддерживает современный цифровой мир и стимулирует инновации и производительность практически во всех остальных секторах экономики. Существует легенда, что примерно те же аргументы приводили Дэн Сяопину японские предприниматели, у которых он поинтересовался, какую отрасль промышленности Китаю стоит развивать в первую очередь. К сожалению, приходится констатировать, что в России в течение тридцати лет, прошедших после развала Советского Союза, практически никакого внимания микроэлектронике не уделялось. Факт запущенности микроэлектроники и электронной промышленности в целом в стране в очередной раз признал и председатель правительства РФ Михаил Мишустин на встрече с руководством Государственной думы и лидерами парламентских фракций 26 октября. И правительство приняло решение поддержать микроэлектронику: в этом году принята Стратегия развития электронной промышленности до 2030 года. В ее рамках предусмотрены серьезные вложения в эту отрасль: в ближайшие два года инфраструктурные инвестиции составят 142 млрд рублей, а общие инвестиции в отрасли, связанные с микроэлектроникой, до 2024 года намечены в размере примерно 266 млрд рублей.

 

Что предлагает Стивен Эзелл для США

Основные выводы статьи Эзелла можно свести к следующим основным пунктам.

1. Растущие расходы, сложность и масштабы, необходимые для внедрения инноваций и производства полупроводников, означают, что ни одна страна или предприятие не может действовать в одиночку. Перед лицом вызовов со стороны Китая сотрудничество в области полупроводников имеет решающее значение.

2. В каждом сегменте глобальной «полупроводниковой» производственно-сбытовой цепочки в среднем участвуют предприятия из 25 стран напрямую, а предприятия из 23 стран выполняют вспомогательные функции.

3. Некоторые страны сосредоточили свои усилия на создании своих внутренних полупроводниковых экосистем, но история успеха американской промышленности показывает, как эффективно использовать глобальные цепочки поставок для взаимной выгоды.

4. Страны, которые будут стремиться к самодостаточности в этом секторе, рискуют нанести значительный ущерб отрасли в своей стране, замедляя глобальные полупроводниковые инновации.

5. Соединенным Штатам следует увеличить финансирование совместных с их союзниками доконкурентных НИОКР и стимулы для увеличения внутреннего производства.

Обосновывая пункт 4 своих выводов, автор предлагает обратиться к сравнению путей развития микроэлектроники в США и Японии. Он напоминает, что еще в 1990-е между полупроводниковой промышленностью США и Японии был паритет с эквивалентным уровнем их доли на мировом рынке. С тех пор Соединенные Штаты (то есть предприятия со штаб-квартирой в США) сохранили около половины мирового рынка полупроводников, а доля Японии упала менее чем 10%.

Дело в том, что в 1990-е годы в этих странах, как и в СССР, производители микроэлектроники были вертикально интегрированными компаниями и включали в себя как разработку, так и производство, причем часто не только собственно ЭКБ, но и необходимого оборудования. Но с тех пор в США ситуация радикально изменилась: ключевой стала модель разделения компаний в микроэлектронике на fabless-компании, то есть те, которые занимаются только проектированием и продажей и владеют правами на свои разработки, и foundry — компании, производящие микроэлектронику. И одновременно выделилось в самостоятельную отрасль электронное машиностроение. Это, как указывает Эзелл, дало отрасли возможность распределить риски своих капитальных вложений, переложив их на производственные компании, причем в разных странах мира, позволяя им, особенно на Тайване, специализироваться на производстве, сборке, тестировании и упаковке, в то время как компании со штаб-квартирой в США в основном специализировались на проектной деятельности с более высокой добавленной стоимостью.

В результате экосистема полупроводниковой промышленности в США из набора полностью интегрированных фирм, как это было в 1950–1970-е годы, превратилась в глобальный набор компаний, которые к 2010-м годам специализировались на отдельных видах деятельности, таких как НИОКР, проектирование, изготовление станков, компоненты, литейное производство, сборка, тестирование и упаковка.

А японские компании, отмечает Эзелл, по-настоящему так и не воспользовались преимуществами глобальных цепочек создания стоимости, предпочитая держать бо́льшую часть своих производственных мощностей в Японии. За последние три десятилетия это привело к тому, что возникла принципиальная разница между полупроводниковыми секторами США и Японии: американские фирмы смогли поддерживать более низкие производственные затраты, что делало их более конкурентоспособными. А их специализированные производственные партнеры сосредоточились на усовершенствовании производственного процесса.

По мнению Эзелла, именно «глобальная кооперация стала ключом к лидерству США в этом секторе. А способность эффективно использовать международные цепочки поставок — это один из ключевых факторов американского лидерства в полупроводниковой промышленности». К тому же еще одним преимуществом рассредоточенности глобальных цепочек поставок полупроводников и множественности поставщиков является устойчивость такой системы к сбоям в цепочке поставок.

 

Российская стратегия

Внимательное прочтение отечественной стратегии развития микроэлектроники показывает, что о построении глобальных цепочек Россия не задумывается. Напротив, стремление построить у себя полный комплект фабрик на все проектные нормы, от 45 нм до 5 нм, чего пока нет даже у США, ясно говорит, что мы собираемся обеспечить полную автономию в разработке и производстве микроэлектроники. И понятно почему. Современная политическая обстановка, развернутые против России санкции, делают маловероятной возможность построения глобальных цепочек для российских компаний. Более того, российская стратегия фактически не предусматривает даже серьезного выхода отрасли на внешние рынки со своей продукцией. Если общий объем производства и продаж на внутреннем и внешнем рынках продукции, основывающейся в том числе на отечественных технологиях новых поколений микроэлектроники и создания ЭКБ, должен составить, согласно стратегии, 486,4 млрд рублей в 2024 году и 818,8 млрд рублей в 2030-м, то объем продаж этой продукции на внешнем рынке должен составить 20,4 млрд рублей в 2024 году и 48,8 млрд 2030-м. То есть в районе 5% от общего объема производства. Если исходить из соображений, высказанных Эзеллом, одно это делает российскую стратегию трудновыполнимой и экономически неэффективной. И это ставит перед российской микроэлектроникой задачу найти союзников для своего развития.

И такие союзники могут найтись. В первую очередь это, конечно, Китай, что видно даже из статьи Эзелла — хотя бы потому, что, призывая к глобальной кооперации, он имеет в виду европейских союзников США и дружественные страны на других континентах, заведомо исключая из этой кооперации Китай, что следует из первого пункта его выводов. И это исключение уже стало политикой нынешней американской администрации в отношении Китая и его компаний: не случайно администрация Трампа наложила санкции на ведущие китайские компании — производители микроэлектроники Fujian Jinhua Integrated Circuit Company и Huawei. А также оказала давление на ведущего мирового производителя фотолитографического оборудования, критически важного для производства микроэлектроники, голландскую компанию ASML, чтобы не допустить продажи этого оборудования китайским производителям микроэлектроники. Все это оправдывается противодействием нерыночной стратегии Китая по развитию своего полупроводникового сектора и его практике хищения интеллектуальной собственности. Ясно, что Штаты не позволят — уже не позволяют — и России приобрести такое оборудование.

При этом Эзелл отмечает резкий рост, как абсолютный, так и относительный, производства китайской микроэлектроники. Так, доля Китая в мировой добавленной стоимости в полупроводниковой промышленности с 2001 по 2016 год выросла почти в четыре раза, с 8 до 31%, в то время как доля Соединенных Штатов упала с 28 до 22%, Японии — с 30 до 8%. И Китай, в отличие от США, взял курс на самодостаточное развитие микроэлектроники, рассчитывая, видимо, на гигантский объем своего собственного рынка. Получится у него или нет, сказать пока невозможно, но ясно, что пока Китай зависит от поставок оборудования.

 

Планы Китая

В июне 2014 года китайское правительство опубликовало «Рекомендации по развитию национальной индустрии интегральных схем» («Национальный план ИС» Китая), в котором содержится призыв к инвестициям в размере 150 млрд долларов от центральных, провинциальных и муниципальных органов власти для содействия развитию полностью замкнутой экосистемы полупроводников в Китае. При этом Китай, как отмечает Эзелл, идеально подходит для того, чтобы стать самодостаточным во всех аспектах производства полупроводников — от НИОКР и проектирования до производства и ATP. И Эзелл в своей статье разворачивает впечатляющую картину предпринимаемых Китаем усилий в этом направлении. В рамках этого плана Китай хочет, чтобы 70% полупроводниковых чипов, используемых китайскими компаниями, к 2025 году производились внутри Китая. По оценкам Ассоциации полупроводниковой промышленности (SIA), в 2017 году Китай привлек 80 млрд долларов из запланированных 150 млрд. В октябре 2019 года Китай дополнил эти инвестиции, объявив о разработке нового национального полупроводника. Создан фонд в размере 204,2 млрд юаней (28,9 млрд долларов), финансируемый предприятиями, которые поддерживаются центральным и местным правительствами, включая Государственное управление табачной монополии на (STMA) и China Development Bank Corp. В начале 2020 года министерство промышленности и информационных технологий Китая объявило кампанию «Новая инфраструктура», направленную на то, чтобы в течение следующих пяти лет вложить не менее 1,4 трлн долларов в ИИ, центры обработки данных, мобильную связь и т. д. Для полупроводникового сектора Китая это важно, потому что в идеале инвестиции, сделанные через фонд, пойдут на цифровые технологии с использованием полупроводников китайского производства.

По состоянию на 2019 год на Китай приходилось 17% мирового производства полупроводниковых чипов, и ожидается, что эта доля вырастет до 28% к 2030 году, отчасти благодаря тому, что правительство Китая в настоящее время финансирует строительство более 60 новых полупроводниковых заводов.

Хотя аналитики ожидают, что к 2035 году КНР вряд ли достигнет своей цели — 70% самообеспеченности, а сможет удовлетворить не более 25–40% внутреннего спроса за счет полупроводников местного производства, Китай рассматривает полупроводниковый сектор как стержень своего цифрового развития и основу самых масштабных планов экономического роста. А, как отмечает Эзелл, Китай уже показал, что готов использовать все имеющиеся в его распоряжении инструменты для развития полупроводниковой промышленности мирового класса.

 

В одной лодке

Гигантский разрыв в производстве микроэлектроники между Китаем и Россией (в частности, по инвестициям в отрасль — на порядок, если не больше) не означает, что России нечего ему предложить. По многим направлениям электронной науки и технологии в России сохранились и продолжают развиваться серьезные научные школы при полной потере многих отраслей промышленности, которые необходимы для реализации достижений этих научных школ. Еще несколько лет назад президент Европейского отделения международной организации SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International) Хайнц Кундерт говорил в интервью журналу «Эксперт»: «Я знаю многих русских специалистов, некоторых на протяжении долгих лет. Они хорошие ученые, у них хорошие технологии. У Китая нет такой истории микроэлектроники, как у России. Поэтому положение России гораздо лучше, чем положение Китая. Они только начинают изучать отрасль, а у вас уже есть хорошие университеты и научные школы». При этом Кундерт упрекал российское правительство в недооценке значимости микроэлектроники для развития современной экономики. Появление стратегии говорит, что, возможно, наше правительство наконец задумалось об этом.

Конечно, Китай быстро развивается, но пока у России есть что предложить ему в науке и технологиях. И об одной из таких возможностей мы расскажем ниже.

Союзниками России в области развития микроэлектроники могли бы стать и другие развивающиеся страны. Странным образом представленная стратегия и «рабочая карта», в которых о таком сотрудничестве не упоминается, находятся в противоречии с заявленными намерениями развития систем 5G, а ведь ключевым элементом этих систем является микроэлектроника. Об этом говорил в интервью для общей статьи «Стимула» и «Эксперта» «Это сладкое слово 5G» начальник департамента радиоэлектронной промышленности Минпрома Василий Шпак: по его мнению, нам может помочь то, что большое количество стран в силу разных соображений не хотят попасть в зависимость от производителей оборудования, политически подконтрольных или США, или Китаю. Олигополия на рынке оборудования для сетей 5G не нравится многим политикам разных стран и многим операторам связи. «В этих условиях Россия может построить свой технологический контур телекоммуникационного оборудования 5G с участием этих третьих стран на принципах открытых стандартов OpenRAN. То есть России надо разрабатывать это оборудование не только для себя, но потенциально и для их рынка. Разрабатывать на принципах взаимности и кооперации. Например, на обязательстве не только развернуть связь у них на этом оборудовании, но и организовать его производство в этих странах».

Конечно, в этом случае мы вступим в конкуренцию с тем же Китаем, но, видимо, некое сочетание сотрудничества и конкуренции во взаимоотношениях с Китаем неизбежно.

Именно такой подход: завоевание новых рынков, и под это формирование планов развития микроэлектроники — только и может быть основой развития микроэлектроники, считает генеральный директор компании «Миландр» Михаил Павлюк: «Моя идея такая. Нужно нацелить промышленность на какой-то продукт, который в мире сегодня очень популярен и рынки которого еще не заняты. Тот же электромобиль, к тому же беспилотный. А его развитие потребует развития и спутниковой связи, и систем 5G».

Кстати сказать, именно такой подход способен прояснить, какая именно микроэлектроника нужна России, потому что нынешний замах на создание фабрик с проектными нормами вплоть до 5 нм не подкреплен в той же стратегии расчетами и объяснениями, для какой электронной аппаратуры, производимой именно в России, такая микроэлектроника нужна и на какие рынки она может рассчитывать.

Понятно, что США могут составлять планы развития микроэлектроники, не думая о рынках ее сбыта, перед ними весь мировой рынок. России развивать микроэлектронику без одновременного создания рынков, которые в ней нуждаются, — это пускать деньги на ветер.

У автономного развития микроэлектроники в России есть еще одно препятствие — фактическое отсутствие собственного электронного машиностроения, которого как отрасли в России не осталось, а то, что все-таки производится, годится лишь для мелких производств нестандартных устройств. Это общая проблема для нас с Китаем, для ее решения мы можем объединиться и на этой основе договориться о сотрудничестве в третьих странах.

 

Проблемы электронного машиностроения

В мирово электронном машиностроении произошли процессы специализации производства, характерные для микроэлектроники в целом и для большинства отраслей машиностроения, например станкостроения.

Эзелл в качестве примера приводит цепочку поставок, которые обеспечивают производство фотолитографических машин в крайнем ультрафиолетовом диапазоне на нидерландской фирме ASML, ведущего мирового производителя таких машин. Доля ASML на мировом рынке фотолитографических машин с 2005 года увеличилась вдвое и составила 62% (оставшуюся часть разделили ее конкуренты Canon и Nikon). При этом базирующаяся в Германии компания Carl Zeiss производит оптику для этих машин; VDL, нидерландская компания, производит роботизированные манипуляторы, которые загружают пластины в машину, а источники света — компания Cymer, расположенная в Сан-Диего, штат Калифорния. И сама EUV-технология, лежащая в основе современной фотолитографии, является результатом пятнадцатилетних исследований и совокупных инвестиций в исследования и разработки в размере около 20 млрд долларов, сделанных компаниями из разных стран, например Intel, Samsung и TSMC. По мнению Эзелла, без глобальных цепочек поставок и обеспечиваемой ими специализации быстрое развитие технологии EUV-литографии было бы невозможно.

Эзелл не случайно выбрал для иллюстрации развития электронного машиностроения пример именно фотолитографической машины. Дело в том, что в производстве процессоров можно выделить две ключевые технологии: фотолитография и травление. И без машин для их реализации современная микроэлектроника невозможна. А по оценкам специалистов, в себестоимости производства самых современных процессоров фотолитография составляет до 70%.

Но оказывается, что в России есть группы разработчиков, у которых имеются оригинальные предложения мирового уровня по разработке машин для выполнения этих операций.

Так, в НПП «Электронное специальное технологическое оборудование», одной из немногих компаний, занятых в России разработкой и изготовлением различных установок для производства электроники и микроэлектроники, разработана установка сухого травления, называемого также плазменным, которая обеспечивает получение самых высоких проектных норм. То есть эту задачу мы уже решили.

Что касается машины для фотолитографии, то несколько лет назад коллектив ученых из Института физики микроструктур (ИФМ) РАН в Нижнем Новгороде под руководством члена-корреспондента РАН Николая Салащенко совместно с группой разработчиков из Института спектроскопии РАН во главе с ведущим научным сотрудником Константином Кошелевым разработали ключевые элементы EUV-фотолитографа для производства микроэлектроники с самыми высокими проектными нормами: рентгенооптики и источника излучения — в интересах той самой ASML, о которой рассказывает Эзелла. В ИФМ был даже создан собственный демонстрационный образец такой установки. К сожалению, эти работы были остановлены. По мнению Николая Салащенко, стало понятно, что «страна не может потянуть эту работу в одиночку. Ведь Голландии фактически помогает весь мир». Но ученые не прекратили поиски более простого решения этой задачи.

Наш журнал уже рассказывал о работах, проводимых тем же коллективом Института физики микроструктур РАН, по созданию прорывной безмасочной фотолитографической установки, которая существенно проще и дешевле нидерландских разработок. И у ученых уже есть серьезные достижения.

К сожалению, некоторые разработки наших ученых и инженеров ушли за рубеж, хотя сотрудничество с этими группами специалистов все еще возможно. В ближайшее время мы расскажем еще об одном направлении разработок фотолитографических установок, основанное на использовании голографии, которое ведет — к сожалению, в Швейцарии — команда российских ученых и инженеров под руководством доктора физико-математических наук Вадима Раховского. И эта разработка тоже обещает быть значительно более простой и дешевой, чем голландские машины.

Мы рассказываем это в подтверждении нашего тезиса, что в России есть что предложить нашим возможным партнерам в развитии микроэлектроники. Причем это только одно направление, хотя и важнейшее, а в России занимаются решением и других задач микроэлектроники.

Главное — определиться, какая микроэлектроника нам нужна, кто может быть нашим партнером в ее развитии и на какие рынки мы можем рассчитывать. «Российским компаниям, — считает директор Ассоциации разработчиков и производителей электроники Иван Покровский, — необходимо предлагать себя в качестве участника международной кооперации и самим быть открытыми для предложений зарубежных партнеров. При этом важно определить, в каких технологических направлениях, в решении каких задач Россия может выступать одним из ведущих игроков, на этих задачах концентрироваться, в том числе в государственных инвестиционных программах. Во всех остальных направлениях поддерживать проекты зарубежных компаний, если они направлены на создание альтернатив и решают проблему монополизации. Только в широкой международной кооперации можно преодолеть технологическую зависимость от глобальных корпораций и перейти от угасания к развитию. России нельзя закрываться. Регулирование внутреннего рынка необходимо настраивать на привлечение партнеров к совместному развитию, но оставлять за собой создание конечных решений, не допускать доминирования зарубежных компаний на рынке оборудования и программно-аппаратных комплексов».