Мы все знаем, что при производстве чипов ключевым элементом производственной линии является фотолитограф, который, собственно, и задаёт рисунок слоёв микросхемы на пластине из кремния.

В погоне за увеличением быстродействия электронной схемы чипа, производители стараются сделать соединения между транзисторами в чипе как можно короче.

Уменьшение длины соединений на 30% может снизить задержку на 40–50%, что критично для высокочастотных процессоров.

Формула задержки сигнала: t ∝ R_уд ⋅ C_уд ⋅ L²

где:

R_уд​ — сопротивление на единицу длины (Ом/м),

C_уд​ — ёмкость на единицу длины (Ф/м),

L — длина проводника (м).

Пример расчета:

Для медного проводника на кристалле (техпроцесс 7 нм):

0.69 — приближённое значение ln⁡(2), возникающее при расчёте времени достижения 50% уровня напряжения в RC-цепи.

R_уд = 0.1 Ом/мкм,

C_уд = 0.2 фФ/мкм,

L = 100 мкм

t ≈ 0.69 ⋅ 0.1 ⋅ 0.2 ⋅ 10⁻¹⁵ ⋅ 100² = 1.38 пс.

Реальные расчёты сложнее: учитываются паразитная индуктивность, температурные эффекты, вариации техпроцесса. Для точного моделирования используются программы вроде SPICE или ANSYS и учитываются эффекты близости проводников, влияние подложки, тепловые деформации и т.п.

Также стараются снизить перегрев процессора на высоких частотах, приводящий к его разрушению. Для этого снижают управляющие и коммутируемые токи внутри микросхемы за счёт уменьшения размера самих транзисторов. При этом, чем меньше транзистор, тем, к сожалению, сложнее эффективно им управлять.

Вышеуказанный нюанс приводит к изменению их конструкции от планарной (плоскостной, где поперёк относительно плоского канала кладётся относительно плоский затвор сверху) к трёхмерной, где канал пытаются поставить на ребро, чтобы максимально обложить его затвором с трёх сторон для увеличения эффективности его работы (FinFET, 22/16/14 нм — 5/4 нм, 2011—2023 годы), и далее, к конструкции, где канал вообще делится на несколько параллельных, проложенных друг над другом, что позволяет окружить их затвором со всех сторон (GAAFET, MBCFET, 3 нм — 1 нм).

Как дальнейшие шаги по уплотнению транзисторов для дальнейшего сокращения длин соединительных проводников, рассматривается вертикальное размещение комплементарных пар транзисторов n-FET и p-FET (CFET, <1 нм, после 2030 года).

Как следствие вышеупомянутых шагов, снижается и общее электропотребление всей микросхемы. Из-за снижения тепловыделения появляется возможность увеличить количество транзисторов в ядрах, увеличивая тем самым их вычислительную мощь и количество самих ядер в процессоре.

Поэтому идёт постоянное утоньшение техпроцесса несмотря на возрастание его стоимости. Чтобы производство микросхем по техпроцессам ниже 5 нм было экономически выгодным, требуются фотолитографы, работающие на длине волны, соответствующей экстремальному ультрафиолету (EUV).

Прежние фотолитографы, работающие в диапазоне глубокого ультрафиолета (DUV), из-за дифракции (отклонения от законов геометрической оптики при распространении волн) не могут формировать столь мелкие элементы за приемлемые деньги. Для борьбы с дифракцией требуется кратное увеличение шагов техпроцесса, что увеличивает стоимость и количество брака.

Поэтому в техпроцессе производства микросхем по нормам 7 нм и ниже для формирования наиболее тонких слоёв уже целесообразно использовать EUV-литографы. В техпроцессе 5 нм и 4 нм это уже около 10-14 слоёв, а в техпроцессе 3 нм это более 20 слоёв из нескольких десятков.

Но проблема заключается не только в стоимости EUV-фотолитографа от Нидерландской компании ASML. Даже имея такую машину, очень сложно наладить сам техпроцесс производства так, чтобы он давал на выходе нужное количество годных изделий.

Так, за топовые техпроцессы сегодня борются всего три фабрики... ну ладно, четыре — TSMC, Samsung, Intel и IBM/Rapidus. Все они используют EUV-фотолитографы от Нидерландской ASML. Но только TSMC на сегодняшний день сумел приемлемо наладить свой техпроцесс 2 нм.

TSMC

В декабре 2024-го года сообщалось, что тестовый запуск производства на TSMC 2-нанометровых чипов уже показал результат, близкий к приемлемому для массового производства — 60% и выше.

Внутри фабрики TSMC

Как правило, для массового производства чипа заводу требуется выход годной продукции 70% или выше. При выходе годной продукции 60% в ходе этих 2-нм тестовых запусков TSMC должна будет выйти на приемлемый уровень уже в этом, 2025-м году и, очевидно, выйдет.

Samsung

Samsung же продолжает сталкиваться с низким выходом годных чипов на 2-нм техпроцессе, которая, по слухам, составляет всего от 10% до 20%. Чтобы сконцентрировать усилия, он даже отказывается от работ по своему следующему техпроцессу 1,4 нм.

Фабрика Samsung

Более того, продолжаются проблемы и с предыдущим техпроцессом 3 нм, который тоже всё ещё не могут довести до ума из-за высокого процента брака и недостаточной энергоэффективности.

Intel

У Intel тоже не всё в порядке. Выпуск мобильных процессоров Panther Lake по техпроцессу 1,8 нм (18Å) был запланирован на конец 2025-го года, но теперь они выйдут только в первом квартале 2026-го, что также свидетельствует о некоторых проблемах.

Ранее они акцентировались на техпроцессе 20Å (2 нм), но, видимо, ощутили в моменте своё отставание в этом техпроцессе от конкурентов и поэтому в массовом производстве решили сразу перейти к доработке техпроцесса 18Å.

IBM/Rapidus

Это совместный японско-американский проект по созданию 2 нм чипов к 2027 году. Он заметно отстаёт по времени от вышеперечисленной тройки, и пока его можно не принимать во внимание.

Фабрика ещё строится.

Что всё это значит?

Для организации успешного производства чипов недостаточно иметь соответствующее оборудование, позволяющее создавать микроструктуры на поверхности кремниевой пластины. Нужен ещё отлаженный техпроцесс, включающий в себя массу тонких нюансов, доступный только для профессиональных научных коллективов с большим опытом.

Поэтому, при появлении в России собственных фотолитографов и другого оборудования технологической линии а также чистой химии, не стоит ждать мгновенного промышленного производства микропроцессоров. Впереди у коллективов фабрик длительный труд по созданию и отладке техпроцесса, наработка опыта.

Кстати, это можно проиллюстрировать на примере построенного в России фотолитографа для техпроцесса 350 нм, который разрабатывался под управлением «ЗНТЦ». Сам литограф был построен белорусской компанией Планар, в то время, как ЗНТЦ занимался постановкой самого техпроцесса, позволяющего получать чипы по нормам 350 нм на этом оборудовании.

Очевидно, что при появлении в России рентгеновского фотолитографа и построения литографической линии на его основе, на нём сначала будут осваиваться «простые» техпроцессы с планарной (плоской) архитектурой транзисторов: 90—28 нм. И лишь следующим шагом будет переход к трёхмерным транзисторам FitFET и техпроцессам 22—7 нм.

Что касается подхода российского техпроцесса к лидерам гонки, то я думаю, это может произойти только в том случае, если это по каким-то причинам станет экономически выгодно. В ином случае для покрытия основных нужд, России вполне достаточно отставать от лидеров на 3-4 поколения, тем более, что разница в производительности между этими поколениями будет продолжать падать:

• 28 нм → 14 нм, +40% (частота), -50% (энергопотребление), 2011–2014

• 14 нм → 10 нм, +15–20% (частота), -30% (энергопотребление), 2016–2018

• 7 нм → 5 нм, +5–10% (частота), -20–25% (энергопотребление), 2020–2022

• 3 нм → 2 нм, +3–7% (частота), -15–20% (энергопотребление), 2025–2026

Но даже до такого отставания нам ещё работать и работать.

Выводы

Конечно же, и Intel, и Samsung справятся со всеми своими проблемами. Если почитать СМИ за прошедшие годы, то можно заметить, что проблемы в разное время возникали у всех, и у TSMC в том числе. Идёт естественная конкурентная борьба, и никто не собирается сдаваться.

Более того, несмотря на тенденцию в последнее десятилетие к уменьшению количества фабрик, которым доступен топовый техпроцесс, мы начинаем наблюдать и обратное явление, например, появление фабрики Rapidus в Японии.

Вполне возможно, дальнейшая фрагментация мира повлечёт за собой возникновение всё новых фабрик а также центров создания EUV-фотолитографов для них, учитывая усилия в этом направлении Китая и России.

Развитие мира идёт линейно только на протяжении относительно коротких в историческом смысле отрезков времени. Потом всегда случается нечто, что переворачивает текущее поступательное развитие либо в связи с каким-нибудь техническим прорывом, либо из-за резко изменившихся условий глобальной политики. Поэтому прогнозировать события путём простой экстраполяции и сравнений невозможно на длинных отрезках времени.

В настоящее время мир переживает сразу двойной удар — политическую фрагментацию мира и внедрение уже вполне вменяемого нейросетевого искусственного интеллекта в науку и на производство. Поэтому, как сложатся обстоятельства, какие возможности получит наука и где будет Россия через 5-10 лет предсказать сегодня просто невозможно.

Можно допускать как полную остановку развития фотолитографических технологий в России ввиду неограниченного доступа к Китайским фабрикам или фабрикам США, так и Российское лидерство в этих технологиях на пространствах Евразии и даже во всём мире, учитывая имеющиеся у нас наработки по рентгеновскому литографу на более короткой чем за рубежом длине волны.

А вдруг нам и объектив с высокой числовой апертурой при каких-то обстоятельствах станет экономически выгоден? Напомню, что увеличение числовой апертуры (NA) с 0.33 до 0.55 (High-NA EUV) улучшает разрешение фотолитографа на ~70%.

В настоящее время для фотолитографов ASML разрабатывается объектив с апертурой >0,6 (Hyper-NA EUV) для техпроцеесов <1 нм, но они все используют длину волны 13,5 нм, что больше 11,2 нм, предполагающейся сегодня у нас. А значит, при прочих равных, лидерство по разрешению может появиться у нас. Хорошо бы, это могло бы частично компенсировать наши проблемы с недостаточным опытом специалистов-технологов.

Заключение

В интересное время живём, товарищи... Живём в то время, когда становится точно неизвестно, куда это всё выльется. Но нужно быть оптимистами, формируя правильный боевой настрой у молодых специалистов (чтобы не уезжали), которые через несколько лет и будут определять направление этого потока )))

А что делается для того, чтобы у нас эти молодые специалисты появлялись?

• Имеются государственные программы:

• — Проект «Наука и университеты» (нацпроект до 2030 г.) с финансированием исследований и созданием молодёжных лабораторий.

• — Стипендии и гранты (например, «Российский научный фонд», «Мегагранты»).

• — Программы поддержки аспирантов (повышение стипендий до 30–50 тыс. рублей).

• Имеются также и образовательные инициативы:

• — Усиление физико-математических школ (СУНЦ, «Сириус», «Физтех-лицей»).

• — Рост числа участников олимпиад по физике (Всероссийская олимпиада, «Физтех», «Курчатов»).

• Растёт инфраструктура:

• — Создание научно-образовательных центров (НОЦ) в регионах (например, в Сарове, Новосибирске).

• — Развитие мегаустановок (синхротроны, лазерные комплексы), привлекающих молодых исследователей.

Между тем, продолжаются и отрицательные явления:

• Миграция учёных:

• — Согласно опросам (например, НИУ ВШЭ, 2022–2023), около 15–20% молодых физиков рассматривают возможность работы за рубежом из-за лучших условий и финансирования.

• Финансирование науки:

• — Доля расходов на науку в ВВП России сегодня составляет ~1% (для сравнения: Южная Корея — 4.8%, Германия — 3.1%). При этом президент России установил показатель увеличения расходов на науку до 2% ВВП к 2030 году.

• Учитывая, что ВВП (ППС) Кореи 2794 млрд. долларов а России 6452 млрд. долларов, то в абсолютных цифрах к 2030 году будет примерный паритет с Кореей. Но учитывая уже в разы большее количество специалистов и компетенций в Корее, хотелось бы уж на науку тратить побольше запланированных 2%, причём уже сейчас. Хотя, допускаю, что существенная доля науки финансируется по военным программам.

• Зарплаты в академической сфере:

• — Средняя зарплата научного сотрудника в России — 50–70 тыс. рублей, что ниже, чем в IT или инженерии.

В итоге получается, что пока число молодых физиков у нас растёт очень умеренно, и этого, к сожалению, явно недостаточно для реального технологического подъёма. Однако внутри физического сообщества наблюдается переток из классической фундаментальной физики в прикладные направления (квантовые технологии, фотоника), что в короткой перспективе может дать нам некоторый положительный эффект. Как думаете?