Да, в России скоро появится свой безмасочный литограф для производства чипов по нормам 28 и 16 нм

Вот те на... Сказочник что ли... или?..

Ещё не так давно я думал, что создать своё оборудование для производства процессоров наша страна не сможет вообще никогда, да и не станет даже пытаться заниматься этим делом. В крайнем случае, просто купит что-то окольными путями. Ведь годы разрухи и всеобщего упадка сделали своё дело и убили образование, науку и промышленность. В народе была весьма популярна идея о мировом разделении труда, выглядящая экономически просто шикарно. Делай только то, что умеешь лучше всего. Остальное тебе дадут в обмен на то, что ты сделал. Ага, «щаззз».

Идея работает только будучи облачённая в сферическую форму и помещённая в вакуум. А на практике это, увы, не работает по причине того, что: а) в мире отсутствует централизованное управление; б) страны не чувствуют себя единой общностью. Всё это приводит к постоянному перетягиванию одеяла на себя, конфликтам, постоянным недовольством более бедных или более зависимых стран своим положением, и т.д., и т.п. Идею более-менее можно реализовать лишь в пределах одной страны или одной общности. А весь мир в одну общность не загонишь — слишком уж он разный.

В общем, мировое разделение труда оказалось не такой прекрасной штукой, какой оно выглядело изначально, хотя некоторым странам, которые рулят процессом, оно давало определённую выгоду, хотя и увеличивало риски даже для них.

Итак, я был обыкновенным (хотя и довольно умеренным) всёпропальщиком, пока после 2014-го года против России не ввели санкции, объём которых постоянно рос, вследствие чего она не смогла закупать у США микроэлектронику для космических нужд. Вот тогда у меня затеплилась надежда, что животворящие санкции всё же заставят наше высшее руководство развивать собственную науку и промышленность.

Но даже тогда я понимал, что угнаться за мировыми лидерами в производстве, скажем, микропроцессоров, в обозримой перспективе не получится просто по объективным причинам. Почти весь мир прямо или косвенно финансирует производителя оборудования для производства микропроцессоров — нидерландскую компанию ASML, и почти весь мир заказывает печать микропроцессоров у тайваньской фабрики TSMC, которая и закупает это новейшее оборудование от ASML.

Собственными силами пока продолжают делать процессоры только такие гиганты, как Intel и Samsung, и то им непросто в этой конкуренции. Что уж говорить о России, не имеющей ничего, даже необходимых кадров.

Но знаете... всё оказалось не совсем так. Но обо всём по-порядку.

Разработка процессоров

Первое время российской юридически считалась техника, просто собранная из иностранных комплектующих, но внутри страны. Затем требования постепенно стали ужесточаться, и стали появляться производства по пайке своих материнских плат, хотя компонентная база была, и до сих пор есть, в основном китайская.

Сейчас же уже требуется, чтобы на материнской плате был и российский процессор. Но вот что означает — российский процессор? Удивительно, но оказывается, Россия разрабатывает таки собственные процессоры! Правда, печатаются они всё же не у нас...

Что касается процессоров Эльбрус российской разработки, то компания-разработчик этих процессоров растёт корнями ещё из СССР, и благодаря заказам от оборонки и в своё время сотрудничеству с компанией Sun Microsystems осталась на плаву и в дальнейшем смогла самостоятельно реализовать свою давнишнюю задумку — процессор Эльбрус с архитектурой ядер, основанной на принципах VLIW. Некоторые второстепенные блоки этого процессора до сих пор не собственные, а купленные по лицензии, но это уже не столь критично, когда ядра свои.

Процессоры Байкал тоже разработаны российскими специалистами, но в них больше лицензионных блоков, и что особенно обращает на себя внимание — у них лицензионные ядра от компании ARM. С одной стороны, это опасность отзыва лицензии, но с другой — большее количество программного обеспечения в мире, которое совместимо с этим процессором.

Также в России компания Yadro прикупила российскую же компанию Syntacore, оказывается разрабатывающую (внезапно) ядра системы команд RISC-V и собирается разработать третий процессор общего назначения с открытой системой команд RISC-V.

Так что с разработкой процессоров у нас всё относительно неплохо. Но вот что с их производством?

Да, мы можем производить микропроцессоры по технологическим нормам 90 нм и выше в то время, как на TSMC можно уже заказывать инженерные (небольшие) партии процессоров с технологическими нормами 3 нм. Скоро будет возможно заказывать и крупносерийные партии с этой технологической нормой. Поэтому современные серийные Байкалы и Эльбрусы, разработанные под нормы 28 нм, выпускаются в TSMC а не у нас. А поскольку серии процессоров относительно небольшие (десятки и сотни тысяч), то и себестоимость каждого процессора сильно выше, чем у их многомиллионных конкурентов.

Так что с производством чипов?

Благодаря достаточно длительным санкциям руководство страны всё же поняло, что санкции надолго, и приняло окончательное и твёрдое решение об импортозамещении ключевых компонентов микроэлектроники и производстве их на территории России. Твёрдость намерений подтверждается не только написанным в стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года, принятой в 2020-м году с приходом Мишустина, но и кучей всё новых и новых выходящих постановлений правительства на эту тему. Давно так упорно не били в одну точку.

В части микропроцессоров России нужно так или иначе решить задачу производства хотя бы части процессоров внутри страны объёмом, достаточным для покрытия ключевых критических областей. Как минимум, это серверы и системы хранения данных госструктур и компаний с госучастием. Бонусом могут идти и рабочие станции этих организаций.

Современное оборудование для печати процессоров производители нам продавать не хотят. Самим же такое оборудование в разумные сроки сделать практически невозможно, поскольку помимо всего прочего придётся использовать много уже запатентованных решений, которые нам скорее всего не продадут. А изобрести велосипед, который был бы не велосипедом, довольно сложно.

Кроме того, существующее оборудование подразумевает выпуск больших партий процессоров. Себестоимость процессора в малых партиях получается довольно высоким. Казалось бы, тупик.

Но выход обнаружился :-) Оказалось, что в России есть запатентованные наработки, которые можно применить, например, в безмасочной рентгеновской литографии, а эта технология позволяет печатать небольшие серии процессоров по умеренной себестоимости. Если в традиционной фотолитографии себестоимость одного чипа падает с увеличением серии, то в безмасочной литографии себестоимость чипа от их количества практически не меняется. Минусом такой технологии является на порядки меньшая производительность, но всё остальное — только плюсы, и одним из таких плюсов является на порядок меньшая стоимость самого оборудования.

Примечательно ещё и то, что в мире пока ещё нет такого оборудования, оно тоже ещё только разрабатывается, поэтому России будет легче в плане патентов, которых ещё относительно мало, а многие уже у России.

Так делается ли что-то реально?

Да! Но собирать информацию приходится по крупицам — деятельность сильно не афишируется, видимо, чтобы избежать раздувания «эффекта Рогозина».

Насколько мне удалось узнать исходя из доступной информации о некоторых конкурсных лотах, в России было проработано несколько финансируемых государством аванпроектов (технических предложений) по темам, целенаправленно связанным с безмасочной рентгеновской литографией.

Ключевые узлы безмасочного рентгеновского литографа — это источник рентгеновского излучения нужной длины волны и чип микрозеркал, формирующих изображение на фоторезисте. Об этом ниже.

Источник рентгеновского излучения

Уже в конце 2017-го года было выделено 300 млн. рублей и Национальным исследовательским университетом МИЭТ в сотрудничестве с ОАО «Научно-исследовательский институт полупроводникового машиностроения» и привлечением следующих соисполнителей:

• Институт физики микроструктур РАН
• АО «Завод ПРОТОН»
• ООО «Микрофотоника»
• ООО «СЕРТАЛ»
• АО «Научно-исследовательский институт точного машиностроения»
• ООО «Нанопромимпорт»

был выполнен проект по теме «Разработка источника мягкого рентгеновского излучения на основе матрицы микрофокусных рентгеновских трубок для безмасочного литографа с разрешением лучше 10 нм».

Цель проекта — поиск альтернативных методов безмасочной литографии, обеспечивающих одновременно и достаточную для индустриальных применений производительность, и нанометровое пространственное разрешение. Впервые предложен новый метод бесшаблонной нанолитографии, в которой в качестве «электронной» маски выступает микросхема микрофокусных рентгеновских трубок с «прострельной» мишенью.

Работы по проекту продолжались около трёх лет и были закончены 30 июня 2020 года. Правда, они не будут положены в основу создания первого литографа, поскольку для него, как мы позже увидим, будет использоваться не матрица микрофокусных рентгеновских трубок, а более классический вариант — синхротронный или плазменный источник излучения плюс микрозеркала. Думаю, это обусловлено большей проработанностью второго варианта, чем «альтернативного» первого, не дающего, видимо принципиальных преимуществ.

Чип микрозеркал

Первой ласточкой был проект с шифром «Филлит-А», который выполнил ФТИАН им. К.А. Валиева РАН. Проект назывался «Разработка технического облика динамической маски на основе чипа микрозеркал для бесшаблонной литографии в рентгеновском диапазоне». Проводились работы по нанесению диэлектрического покрытия методом атомно-слоевого осаждения на микрооптоэлектромеханические системы (МОЭМС).

В установке безмасочной рентгеновской литографии МОЭМС выполняет функцию фотошаблона: топология чипа кодируется состоянием МОЭМС-пикселей (микрозеркал), отражающих лучи, идущие от источника излучения, и формирующих изображение на фоторезисте. Использование МОЭМС облегчено тем, что в России уже есть их производство.

Рразмер пикселя у серийно выпускаемых России МОЭМС составляет около 10×10 мкм. Специалисты считают, что возможно, создать МОЭМС и с размером пикселя 4 мкм, хотя для этого нужно решить ряд проблем.

Затем был проект с шифром «Филлит-А2», который на основе предыдущего проекта «Филлит-А» выполнил ИФМ РАН. Проект назывался «Определение технической возможности и путей создания ключевых элементов рентгеновской оптики для бесшаблонной литографии».

В ходе выполнения проекта были оптимизированы условия нанесения, материалы и толщины диэлектрического атомно-слоевого покрытия на МОЭМС микрозеркал. Было получено 18 образцов МОЭМС с нанесенным атомно-слоевым покрытием, пригодных для дальнейшего использования в рамках проекта, и не менее пяти кремниевых пластин с нанесенным атомно-слоевым покрытием.

Затем был проект «Филлит-А3», информации по которому мне найти не удалось. Если у кого-нибудь есть информация по этому проекту и соответствующие ссылки, прошу оставить их в комментариях, было бы очень интересно ознакомиться. Хорошо бы найти госзакупки по всем трём шифрам — у меня этого почему-то не получилось.

И вот совсем недавно, 28 сентября 2021 года, на торговой площадке «Росэлторг» появился примечательный лот на 670 млн. рублей от Министерства промышленности и торговли Российской Федерации: НИР (научно-исследовательская работа) «Разработка установки безмасочной рентгеновской нанолитографии на основе МЭМС (микроэлектромеханической системы) динамической маски для формирования наноструктур с размерами от 13 нм и ниже на базе синхротронного и/или плазменного источника», шифр «Рентген-Литограф».

По сути, это уже исследование возможности разработки безмасочного рентгеновского литографа для формирования элементов по проектным технологическим нормам 28 нм и 16 нм.

Сроком завершения работ значится 30 ноября 2022 года. Результатом работ будет разработка ТЗ (технического задания) на ОКР (опытно-конструкторские работы).

Чуть подробнее этот лот я описал в прошлой статье «Будут ли в России делать оборудование для производства чипов по нормам 28 нм и менее?», посмотрите, довольно интересно.

29 октября 2021 года заказ достался Национальному исследовательскому университету «Московский институт электронной техники». При этом, согласно конкурсной документации, он обязан заключить с Фондом перспективных исследований безвозмездный лицензионный договор на использование в своей научно-исследовательской работе научно-технических результатов и результатов интеллектуальной деятельности, полученных в рамках аванпроектов Фонда перспективных исследований (шифр «Филлит-А», «Филлит-А2», «Филлит-А3»), о которых я рассказывал выше. То есть, видно, что идёт последовательная работа во вполне определённом направлении.

Заключение

В общем, всё идёт к тому, что в районе 2024-2025 годов (по моим оценкам) у России будет свой первый прототип безмасочного литографа для производства чипов по нормам 28 нм и 16 нм, а работы по дальнейшему уменьшению техпроцесса, несомненно, продолжатся.