Определение основных подходов к созданию гибкого мелкосерийного микроэлектронного производства в России

В странах мира – ведущих производителях микроэлектронной продукции, к числу которых относятся Тайвань, Южная Корея, Япония, США, Германия и др., основная часть производства (в стоимостном выражении) приходится на интегральные микросхемы, память и другие полупроводниковые приборы для смартфонов, персональных компьютеров всех видов, а также высокопроизводительных цифровых систем (в частности, серверов). Указанные группы микроэлектронной продукции имеют большое экономическое значение, формируют существенные объемы прибыли и вносят заметный вклад в рост мирового и странового производства, причем как напрямую, так и опосредованно – через связанные с микроэлектронной промышленностью производства. В настоящее время мировой объем последней составляет более 550 млрд долл.1, а суммарно с интегрированными производствами – около 5 трлн долл., из которых 3,2 трлн приходится на электронную промышленность2.

При этом основные потребности, определяющие технологическую безопасность и обороноспособность стран, в значительной степени удовлетворяются микроэлектронной продукцией, не относящейся к высокотехнологичной и выпускаемой ограниченными или малыми сериями. В частности, нужды автомобилестроения, машиностроения, военно-промышленного комплекса преимущественно покрываются микросхемами, изготовленными по проектным нормам 90 или 65 нм и более. Объемы микроэлектронной продукции, используемые в производстве промышленного оборудования, в автомобилестроении и в военном производстве, в сумме составляют лишь 25 % от общего объема потребления в мире3.

Определение подходов к обеспечению гибкости производства . Организация экономически эффективного мелкосерийного производства характеризуется несколькими особенностями, обуславливающими смещение приоритетов по сравнению с массовым выпуском типовой продукции. Главной из них является гибкость проектирования и производства.

Данное понятие в настоящее время интерпретируется множеством взаимодополняющих дефиниций, в рамках которых оно трактуется как способность производственной системы приспосабливаться к изменениям в объеме и номенклатуре выпускаемых изделий; как возможность быстрой переналадки или замены технологического оборудования; как вариативность производства, основанная на переключении между технологическими маршрутами, в том числе за счет их формирования из типовых комплексов. Выделяются такие аспекты гибкости, как производственная, технологическая, машинная, гибкость по номенклатуре, расширения системы и др. (Родионова, Луценко, 2012).

На практике гибкость производства достигается на основе двух основных подходов, которые можно условно назвать технологическим и организационным. Рассмотрим их на примере производства интегральных микросхем.

Технологический подход заключается в использовании более гибких способов производства, обеспечивающих переналадку оборудования на другой вид продукции (другую интегральную микросхему) с меньшими затратами времени и без осуществления дополнительных операций.

Предметом оптимизации являются три группы технологий:

• 1.    Решения, положенные в основу реализации заданного изделия. Гибкость и эффективность мелкосерийного производства интегральных микросхем в настоящее время обеспечиваются на базе двух основных технологических решений: использования программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) или применения полузаказных интегральных схем на основе базовых матричных кристаллов (БМК).

• 2.    Технологии, используемые в оборудовании для мелкосерийного микроэлектронного производства заданного изделия. Перспективным в этом отношении является переход от использования контактной фотолитографии с фотошаблонами к технологии безмаскового экспонирования (Maskless Exposure).

• 3.    Технологии, определяющие состав и структуру изделия с заданными эксплуатационными характеристиками. Значительные перспективы имеет подход к повышению гибкости производства за счет изменения самого изделия, в том числе архитектуры и положенных в его основу технологий. Сложность переналадки производства может быть существенно снижена, если архитектура конечной продукции формируется как комплекс стандартных функциональных блоков или конструкционных модулей. В какой-то мере таким свойством обладает любое стандартизированное производство, однако спектр стандартизации и унификации используемых функциональных блоков или конструкционных модулей может быть существенно расширен.

Наиболее перспективными в контексте первого являются схемы FPGA (field-programmable gate array) – задаваемые пользователем вентильные матрицы, которые могут перепрограммиро-ваться и менять топологию соединений в процессе использования, что обеспечивает очень высокую гибкость производства: оно может перенастраиваться быстро и с минимальными затратами. Ввиду специфики устройства ПЛИС их себестоимость в минимальной степени зависит от серийности производства, но является достаточно высокой. В результате их применение может быть экономически оправданным только для единичного производства или малых серий (например, в рамках исследований или опытного производства).

Для создания цифровых микросхем широко используются базовые матричные кристаллы (БМК, англ. ULA – Uncommitted Logic Array), которые являются универсальными кристаллами-заготовками для полузаказных интегральных схем, расположенных на полупроводниковой пластине. Изготовление конкретной БИС (большой интегральной схемы) на БМК осуществляется путем коммутации КМОП1-транзисторов с помощью однослойной или многослойной разводки. Как известно, полузаказная интегральная микросхема представляет собой совокупность заранее спроектированной постоянной части и переменной, структура которой определяется потребителем (Базовые матричные кристаллы и матричные БИС …, 1992). Себестоимость полузаказных интегральных микросхем намного ниже, чем ПЛИС, однако она остается существенно более высокой, чем у специализированных заказных больших интегральных схем (ASIC – application-specific integrated circuit), являющихся основой мирового микроэлектронного производства.

Примером существующего технологического оборудования, соответствующего потребностям мелкосерийного производства, является установка безмасочной фотолитографии Minimal Maskless Exposure (A), обеспечивающая ширину линии 0,5 мкм и работающая с пластинами 12,5 мм2.

В России в настоящее время отсутствует какое-либо производство литографического оборудования. Наиболее значимым проектом в этой области является степпер Зеленоградского нанотехнологического центра, который позволит выполнять фотолитографию с размером минимального конструкционного элемента 130 нм. Завершение проекта запланировано на 2026 г. Установка будет работать с пластинами 150 и 200 мм и иметь производительность до 100 пластин в час. Для мелкосерийного производства интегральных микросхем такое оборудование, однако, использовать будет нецелесообразно.

Проекты по разработке безмасочных установок рентгеновской фотолитографии в России также реализуются. В 2021 г. Минпромторг провел конкурс на выполнение НИР «Разработка установки безмасочной рентгеновской нанолитографии на основе МЭМС динамической маски для формирования наноструктур с размерами от 13 нм и ниже на базе синхротронного и/или плазменного источника», шифр «Рентген-Литограф»3. Победителем его стал Московский институт электронной техники (МИЭТ). Разрабатываемый литограф обеспечит работу по проектным нормам 28 и 16 нм на пластинах 300 мм с производительностью 0,1 пластин в час. Сроком завершения работ значилось 30 ноября 2022 г., однако пока они все еще не завершены, к числу исполнителей присоединился (в качестве субподрядчика для выполнения части работ) Институт физики микроструктур (ИФМ РАН).

Применительно к производству интегральных микросхем данный подход хорошо согласуется с развитием технологий сборки системы в корпусе (СвК, англ. SiP) от планарной (2D) до 3D-компоновки (Мейлицев, 2021). Эффективным решением комбинирования функциональных блоков или конструкционных модулей является использование 2.5D-компоновки, в том числе реализуемой на базе интерпозеров (Yang et al., 2023). В последнем случае открываются возможности управления свойствами изделия не только в результате варьирования полностью совместимых модулей и блоков со сходными технологическими параметрами, но и как итог объединения разнородных модулей и блоков, интегрируемых через специальные модули преобразования.

Организационный подход к повышению гибкости производства включает в себя несколько составляющих, основными из которых являются: распределение производства между несколькими интегрированными предприятиями и реорганизация их под мелкосерийный выпуск продукции.

Значительные возможности роста гибкости производства открывает использование вместо одного предприятия (с вариативными интеграционными связями с поставщиками материалов, комплектующих и оборудования) группы с постоянными интеграционными связями, которые задействуются по мере необходимости при производстве той или иной продукции. В этом случае не требуется обладание в рамках каждого предприятия максимально широким спектром технологий. Кроме того, на производственных мощностях такой интегрированной группы предприятий может одновременно реализовываться несколько технологических маршрутов. Указанная схема организации производства широко используется в высокотехнологичных производствах Японии, где она имеет характер объединения крупных фирм со средними и мелкими предприятиями и носит название «кэйрэцу» (Борисова и др., 2017).

Важной специфической чертой мелкосерийного производства является широкий спектр технологических компетенций, необходимых для выпуска изделий различного типа. В общем случае снижение серийности производства почти всегда сопровождается расширением номенклатуры продукции. Решение этой проблемы упрощается при замене одного предприятия на группу интегрированных, поскольку в этом случае возможно «разделение» между ними компетенций. Однако полного решения данная проблема не имеет. Рост себестоимости производства и увеличение доли затрат на разработку изделий и подготовку производства представляются неизбежными. Дополнительные затраты необходимо будет компенсировать за счет потребителя. В ряде случаев, когда продукция имеет стратегическое значение для обороноспособности и технологической независимости страны, проблема может решаться при участии государства.

Реорганизация производства под мелкосерийный выпуск продукции предполагает соответствующий выбор технологического оборудования (например, Minimal Fab), стратегии закупок материалов и комплектующих и более высокую себестоимость единицы продукции. В результате имеет место снижение требований к производительности производства, происходит повышение доли затрат времени на непроизводственные операции, в частности, на проектирование и подготовку производства. Достаточно распространенной практикой является отказ предприятий с мелкосерийным производством от постоянных долгосрочных партнеров ввиду невозможности обеспечить их регулярными заказами материалов и комплектующих, потребность в которых отличается слишком высокой вариативностью.

Критерии оценки эффективности мелкосерийного производства существенно дифференцированы от крупносерийного или массового производства.

В рамках логики максимизации рентабельности производства наиболее важным отличием выступает рост значимости затрат на подготовку производства, которые являются основной причиной роста себестоимости продукции. Основные пути снижения затрат на подготовку производства – технологические. Как уже было отмечено ранее, это использование БМК в составе полу-заказных интегральных микросхем, безмасочной фотолитографии, а также сборка микросхем в виде 2.5D-компоновки, в том числе с использованием интерпозеров.

С другой стороны, производство интегральных микросхем (например, военного назначения), выпускаемых минимальными сериями по несколько сотен или тысяч единиц, по умолчанию не может быть экономически эффективным с точки зрения стандартных подходов к оценке этого параметра. Одним из каналов его обеспечения должна быть государственная поддержка в виде прямых инвестиций, дотаций, компенсаций и налоговых преференций.

Оценка текущего производства в России . Современное производство интегральных микросхем в России можно условно разделить на два сегмента. Первый из них представлен производством интегральных микросхем, не имеющим в нашей стране полного цикла. Высокотехнологические работы (в частности, фотолитографию) отечественные производители (АО «ПКК Миландр», АО «МЦСТ», АО «Байкал Электроникс», АО НПЦ «ЭЛВИС») заказывают за рубежом. До недавнего времени основная их часть выполнялась TSMС (Тайвань), X-FAB (Германия) и др., в настоящее время исполнение заказов (под давлением США) приостановлено. Основную часть производства в данном сегменте составляют интегральные микросхемы и другая полупроводниковая продукция, используемая для промышленных приборов, микропроцессоров, компьютерных модулей и другой серийной коммерческой продукции.

Масштабы производств в данном сегменте совершенно недостаточны для России. Согласно собственной финансовой отчетности компаний за 2021 г., для АО «ПКК Миландр» выручка составила 3,36 млрд руб., чистая прибыль – 228 млн руб. (в 2020 г. аналогичные показатели имели значения 3,68 и 392 млн руб. соответственно), для АО «МЦСТ» – 1,19 млрд руб. и 77 млн руб. (в 2020 г. – 2,55 и 308 млн руб.). Прочие предприятия из первого сегмента существенно меньше и характеризуются сложным финансовым состоянием: для АО «Байкал Электроникс» выручка в 2021 г. составила 163 млн руб., чистый убыток – 194 млн руб. (в 2020 г. – 13,9 и 494 млн руб. соответственно), для АО НПЦ «ЭЛВИС» – 1,06 млрд руб. при чистой прибыли в 2,5 млн руб. (в 2020 г. – 2,39 и 237 млн руб.

соответственно)1. В 2022 г. ввиду прекращения поставок из-за рубежа существенная часть работ на этих предприятиях остановилась, в частности, на АО «МЦСТ» и АО «Байкал Электроникс» резко сокращено производство серверных процессоров (чипы «Эльбрус» и Baikal-S соответственно).

В сложившихся условиях санкционных ограничений, введенных против России, большой интерес представляет развитие производства процессоров RISC-V, имеющих открытую систему команд и архитектуру. Компания Cloudbear, российский разработчик микропроцессорных ядер с архитектурой RISC-V, согласно данным ее финансовой отчетности по итогам 2022 г. получила выручку в размере 224 млн руб. (в 2021 г. – 54 млн руб.) и чистую прибыль – 178 млн руб. (в 2021 г. – 11,5 млн руб.)2. Несмотря на значимость развития данной технологии в обеспечении промышленной независимости страны, она не решает проблему создания микропроцессоров с полным циклом производства – необходимость заказа литографических и ряда других высокотехнологичных работ у зарубежных исполнителей сохраняется.

Второй сегмент – это производство с полным циклом, включая литографию кристаллов на полупроводниковых пластинах. Объем второго сегмента сравнительно невелик и включает в себя АО «Микрон» и АО «Ангстрем» и частично (по отдельным группам продукции) АО НТЦ «Модуль». Большую часть продукции в нем составляют микросхемы специального назначения для военнопромышленного комплекса, космической промышленности и других стратегических отраслей.

Наиболее высоким потенциалом в настоящее время обладает АО «Микрон». Предприятие производит более 700 типономиналов продукции, включая интегральные схемы для защищенных носителей данных, идентификационных, платежных и транспортных документов, управления питанием и RFID-маркировки для различных отраслей цифровой экономики. АО «Микрон» – единственное в стране действующее производство интегральных схем с проектными нормами 18090-65 нанометров на пластинах диаметром 200 мм.

Объемы производства российских компаний, отнесенных нами ко второму сегменту, сравнительно невелики. Согласно данным финансовой отчетности компаний за 2021 г. для АО «Микрон» выручка составила 5,69 млрд руб., чистая прибыль – 258 млн руб. (в 2020 г. – 4,97 млрд руб. при чистом убытке в 2,51 млрд руб.); для АО «Ангстрем» – 2,20 и 39 млн руб. (в 2020 г. выручка – 1,44 млрд руб., чистый убыток – 693 млн руб.); для АО НТЦ «Модуль» – 2,57 и 240 млн руб. соответственно (в 2020 г. выручка – 2,41 млрд руб., чистая прибыль – 116 млн руб.)3.

Для мелкосерийного производства интегральных микросхем, как уже было отмечено, приоритетным является выпуск базовых матричных кристаллов. Производство такой продукции в настоящее время в России имеется на НПК «Технологический центр» (Зеленоград, г. Москва), АО «Ангстрем» (Зеленоград, г. Москва) и АО «НЗПП Восток» (г. Новосибирск). Производимые на этих предприятиях БМК используются в вычислительных системах специального назначения.

Наиболее высокий уровень компетенций в разработке и производстве базовых матричных кристаллов в России отмечается у компаний НПК «Технологический центр» и АО «Ангстрем».

В НПК «Технологический центр» БМК изготавливаются по КМОП-технологии по технологическим нормам: 180 нм (на объемном кремнии), 250 нм (на структурах «кремний на изоляторе») и 1,6 мкм (с поликремниевыми затворами, одним слоем металлизированной коммутации, с повышенной устойчивостью к внешним воздействующим факторам). Объем матричных кристаллов – до 1,2 млн условных вентилей. Также НПК «Технологический центр» обладает компетенциями в области систем автоматизированного проектирования (САПР) для разработки больших интегральных схем (БИС). В компании создан САПР БИС «Ковчег», позволяющий разрабатывать КМОП БИС на основе выпускаемых компанией БМК.

АО «Ангстрем» производит БМК для использования в вычислительных системах специального назначения, в том числе повышенной стойкости. Емкость их составляет (в зависимости от поколения и изделия) от 1,5 тыс. до 120 тыс. условных вентилей4.

Заключение . Исходя из проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

• 1.    Приоритетное значение для технологической безопасности и обороноспособности страны имеет производство микроэлектронной продукции для нужд военно-промышленного комплекса и других стратегических отраслей по проектным нормам 90/65 нм и более с ограниченной серийностью или мелкими объемами.

• 2.    Задача обеспечения гибкости производства, позволяющей снижать серийность выпуска микроэлектронной продукции, имеет комплексное решение, включающее в себя переход к тех-

• нологиям, для которых переналадка оборудования для выпуска другого вида продукции (с использованием иной интегральной микросхемы) требует меньших затрат – временных и производственных, а также распределение производства между несколькими интегрированными предприятиями и его реорганизацию под мелкосерийный выпуск продукции.

• 3.    В России в настоящее время ведутся работы по созданию технологического оборудования, необходимого для мелкосерийного производства интегральных микросхем в небольших объемах. Однозначно оценить перспективы этих работ пока не представляется возможным.

• 4.    Производственный потенциал в области выпуска интегральных микросхем в России крайне ограничен. Большая часть отечественных предприятий не имеет полного цикла производства и нуждается в передаче заказов на высокотехнологичные операции (фотолитографию и др.) за рубеж. В текущих условиях данная схема работы разрушается, организации вынуждены искать новых поставщиков.

• 5.    Комплекс компетенций, которыми обладают предприятия микроэлектронной промышленности России, имеющие полный цикл производства, достаточен для инициации процесса развития полностью отечественных интегральных микросхем. В краткосрочной и среднесрочной перспективе эта продукция будет выпускаться мелкими сериями и иметь сравнительно высокую себестоимость.