Есть ли перспективы у российской электроники?

Электроника сегодня применяется практически во всех сферах жизни и деятельности человека. Без нее, в частности, не могут существовать критически важные отрасли экономики, не может быть обеспечена обороноспособность: классическая, продовольственная, информационная и иная.

Микросхемы, особенно такие сложные, как контроллеры постоянных накопителей, центральные процессоры, промышленные контроллеры и многие другие зачастую могут реагировать на внешние управляющие сигналы. В некоторых микросхемах находят закладки производителя.

Если производитель американский, то и закладки американские, если китайский — соответственно. Поэтому даже в гипотетической ситуации партнерских отношений между странами и честной глобальной конкуренции имеет смысл обеспечивать обороноспособность и критически важные отрасли электроникой собственной разработки.

В ситуации, когда Россию вновь называют на Западе одним из основных врагов, собственная электроника становится жизненно необходимой. Причем не только разработка, но и производство.

Государственные цели к 2030 году

17 января 2020 года вышло в свет распоряжение правительства РФ № 20-р «О Стратегии развития электронной промышленности РФ на период до 2030 г. и плане мероприятий по ее реализации». Распоряжение разработано в соответствии с федеральным законом «О стратегическом планировании в Российской Федерации» и реализует ряд иных государственных стратегий, а также послание президента России Владимира Путина Федеральному Собранию от 20 февраля 2019 года.

В распоряжении указывается, что на данный момент в электронной отрасли России задействовано 1600 — 1700 предприятий. Они обеспечивают 1,8% внутреннего валового продукта (ВВП). Уровень добавленной стоимости составляет 60–80%.

По состоянию на 2019 год организаций с государственным участием — 422, с частным российским капиталом — 1200 (преимущественного малый и средний бизнес), с иностранным капиталом — 30. При этом организации с иностранным капиталом обеспечивают 23% отраслевой выручки.

В документе упоминается, что «Особое место в структуре отрасли занимают организации микроэлектронной промышленности, представленные 10 организациями, осуществляющими серийное производство микроэлектроники, и 65 дизайн-центрами, осуществляющими работы по проектированию и созданию микроэлектронной продукции, обладающими необходимыми кадрами, оборудованием и технологиями».

Объем выручки отрасли в период с 2008 по 2018 года составил 1,868 трлн рублей. Доля гражданской продукции — 50,3%.

Общее количество сотрудников организаций отрасли составляет около 290 тыс. человек. Средний возраст работников отрасли составляет 45 — 50 лет. При этом характерна низкая доля специалистов среднего возраста.

По мнению правительства РФ «Основным проблемным вопросом производственно-технологического характера в отрасли остается дефицит современного российского производственного, контрольно-измерительного и испытательного оборудования, что оказывает существенное влияние на освоение производства конкурентоспособной высокотехнологичной электронной продукции».

Ключевые отраслевые цели к 2030 году, согласно распоряжению:
• Увеличение доли отрасли в ВВП до 3,5%.
• Достижение доли российской гражданской электроники на внутреннем рынке — 57,4%.
• Достижение суммарной доли российской электроники на внутреннем рынке — 59,1%.
• Увеличение годовой выработки на одного сотрудника отрасли с текущих 4,8 млн до 12,5 млн рублей.
• Увеличение объема экспорта российской электроники с $4,16 млрд до $12,02 млрд.
• Ликвидация кадровых проблем.
• Разработка необходимых отраслевых стандартов.
• Обеспечение материально-технической, информационной и управленческой базы для ключевых отраслевых процессов.
• Обеспечение производства микросхем по технологическим нормам 65 — 45 нм, 28 нм, 14 — 12 нм и 7 — 5 нм.
• Обеспечение разработки и производства: центральных процессоров, контроллеров, оперативной памяти, силовой электроники, фотоники и аналоговой оптической электроники, экранов (включая OLED), твердотельных накопителей, систем аппаратного шифрования и ряда других электронных устройств и компонентов.
• Обеспечение разработки и производства материалов для производства электроники.

Заявленные цели не дадут России конкурировать наравне с передовыми странами в гражданском секторе, однако позволят, в случае их реализации, обеспечить определенный уровень безопасности и самостоятельности.

Методы достижения заявленных целей, предполагаемое финансирование и другие практические вопросы в документе не описаны.

Прежде чем рассмотреть текущее состояние отрасли и перспективы, важно разобраться с циклом проектирования и производства электроники на наиболее наглядном примере вычислительной техники.

Цикл разработки и производства микросхем

Цикл разработки и производства микросхем на стандартной основе в виде пластин из монокристаллического кремния можно разделить на следующие этапы:

Разработка:
• Проектирование микросхемы.
• Реализация и отладка прототипа микросхемы на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС).
• Подготовка производственной документации.
• Создание фотолитографических шаблонов.
• Выпуск опытной партии. Тестирование опытных экземпляров, передача их партнерам-разработчикам готовых решений или узлов.

Производство:
• Производство монокристаллического кремния необходимой чистоты. Чем меньше техпроцесс, тем меньше примесей должно быть в кристалле кремния.
• Нарезка кристалла на пластины. Механическая обработка пластин. На выходе должна получиться пластина со строго заданной геометрией, требуемыми кристаллографической ориентацией и классом чистоты поверхности.
• Химическая очистка и травление требуемого рельефа поверхности.
• Эпитаксиальное наращивание полупроводниковой структуры на поверхности пластины. Сама пластина служит подложкой.
• Термохимический процесс получения маскирующего покрытия. Процесс необходим для защиты полупроводникового слоя от попадания примесей. Попадание примесей может повлиять на электрические свойства полупроводника и привести к неработоспособности микросхемы.
• Фотолитографический процесс. Он позволяет получить на поверхности подложки требуемый рисунок будущей микросхемы.
  • Нанесение и сушка фоторезистивного слоя.
  • Экспонирование фоторезиста глубоким ультрафиолетом (DUV-литография) или жестким ультрафиолетом, близким к рентгеновскому излучению (EUV-литография).
  • Проявление фоторезиста и его отмывка.
  • Травление фоторезиста.
  • Удаление фоторезиста и очистка подложки.
• Введение активных примесей методом термической диффузии для получения p и n-переходов.
• Формирование переходных контактов.
• Металлизация поверхности медью.
• Гидромеханическая или иная очистка пластин с готовыми кристаллами.
• Тестирование и отбраковка кристаллов.
• Механическая резка пластины на отдельные кристаллы.
• Контроль и упаковка.

Некоторые этапы выполняются десятки раз для создания пластины с готовыми чипами.

Производство микросхем — технически очень сложный процесс, зависимый от производства различных чистых материалов, дорогостоящего оборудования и технологий, которые есть лишь в некоторых странах мира.

В России не производятся достаточно чистые для передовых техпроцессов монокристаллический кремний и газы.

У нас также отсутствует производство требуемого оборудования. Передовое оборудование для литографии стоит огромных денег. Один современный фотолитографический сканер (степпер) может стоить до €100 млн и выше.

Но это не главная проблема. Важнее то, что их России попросту не продадут. Передовое оборудование производятся нидерландской ASML, а также японскими Canon и Nikon. Все производители литографического оборудования используют лицензированные американские технологии, что ставит их в дополнительную зависимость от США. К примеру, компания ASML готова поставлять оборудование для EUV-литографии крупнейшему китайскому производителю чипов SMIC, но не может это сделать из-за политических решений.

Россия входит в число стран, которым запрещено продавать передовое литографическое оборудование.

Что проектируется в России?

В России разрабатывается достаточно большая номенклатура микросхем. Если говорить о наиболее сложных микросхемах вычислительной техники, то разрабатываются центральные процессоры, нейропроцессоры, контроллеры твердотельных накопителей и многое другое.

Часть вычислительных микросхем построено на базе лицензируемых ядер. К примеру, в процессорах разработки «Байкал Электроникс» применяется архитектура ARM. Также ARM используется в качестве управляющего ядра нейропроцессоров NeuroMatrix разработки НТЦ «Модуль» и в ряде других изделий.

При этом архитектура блоков ускорения работы технологий искусственного интеллекта (нейросетей) в NeuroMatrix собственной разработки. В России разрабатывается и центральный процессор на собственной архитектуре — это семейство «Эльбрус» от АО «МЦСТ».

На данный момент реализован достаточный перечень необходимых компонентов для построения вычислительных систем от планшетов и ноутбуков до высокопроизводительных серверов и систем хранения данных. Единственная значимая подсистема компьютерной техники, которая пока не представлена отечественными разработчиками — это производительный графический адаптер.

Конечно, есть множество иных направлений микроэлектроники, однако именно вычислительная техника становится сегодня все более подударной. В том числе из-за разрыва отношений с западным миром с одновременной технологической зависимостью. В то же время этот сегмент электроники одновременно и технически сложный, и применяется в большинстве областей жизни и обеспечения безопасности государства.

Экосистема компонентов вычислительной техники российской разработки имеет на данный момент и еще один важный недостаток. Недостаток программного обеспечения, либо его неоптимальное выполнение на отечественной вычислительной технике. Однако этот сектор постепенно заполняется необходимой продукцией. И меры государственной поддержки ИТ-отрасли ускоряют процесс.

Отечественное микроэлектронное производство

Большая часть отечественных компонентов вычислительной техники актуального поколения спроектирована под технологический процесс производства 28 нм. Находящееся на этапе доработки вычислительные микросхемы спроектированы уже под более тонкие нормы. Так процессоры семейства «Эльбрус» шестого поколения должны производиться по техпроцессу 16 нм. Седьмое поколение «Эльбрусов» проектируется под техпроцесс 7 нм.

Передовым российским производителем электронных компонентов является группа компаний «Микрон». «Микрон» производит значительную номенклатуру электронных изделий общих тиражом свыше 4 млрд изделий в год по техпроцессам до 65 нм.

Но требуется-то 28 нм, 16 нм/14 нм и в перспективе 7 нм. В России можно изготовить некоторые вычислительные системы военного и космического назначения. Там, как правило, безопасность является более важным фактором, чем вычислительная производительность. В других областях экономики, в критически важных областях, нужна производительная современная электроника.

Сейчас передовая российская электроника выпускается на мощностях зарубежных контрактных производителей. В первую очередь, на мощностях Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). История с запретом TSMC заключать новые контракты с китайской компанией Huawei под угрозой санкций США учит, что в ключевой момент политическое решение окажется весомее, чем экономическая целесообразность.

Если США это потребуется, то российские компании отлучат от тайваньских контрактных производителей. Что останется? Южная Корея и компания Samsung столь же подтверждены давлению США. Единственной возможностью в таком случае станут китайские контрактные производители. Например, Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC). С потерей времени на переподготовку производственной документации и ее освоение со стороны SMIC.

Кроме того, во-первых, мощности SMIC загружены китайскими потребностями. Во-вторых, нужна ли России настолько сильная, ввиду отсутствия альтернатив, зависимость от Китая?

От обещаний к отсутствию результатов

В 2015 году представитель «Микрона» сообщал, что инвестиции в создание производства 28 нм обойдется в $1,5 млрд. С одной стороны, это микроскопическая сумма для обеспечения государственной безопасности при несомненной пользе для экономики, с другой — отдельная отечественная компания из отрасли электроники такой проект потянуть не может, не хватит ресурсов. Проект так и не был реализован.

По планам Минпромторга, в период с 2017 по 2020 годы в России должны были быть построены производственные мощности для выпуска чипов по техпроцессам 28 нм, 16 нм и 10 нм. Однако на 2021 год передовым российским техпроцессом все еще является 65 нм, и сама по себе ситуация не изменится.

Определенные надежды можно было бы возлагать на текущий мировой дефицит микросхем. Крупнейшие в мире производители чипов инвестируют десятки и сотни миллиардов долларов в развитие основных фондов из-за дефицита мощностей. Такое расширение производств на фоне временного характера ряда проблем, приведших к дефициту, с большой вероятностью обернется кризисом перепроизводства. Из кризиса можно было бы извлечь пользу, выкупив часть более или менее современного оборудования и переманив хотя бы минимальное число требуемых специалистов.

Однако в текущей ситуации новой холодной войны такой маневр становится попросту невозможным. Россия назначена коллективным Западом в качестве одной из стран-источников зла. Продажа передовых технологий и оборудования не будет согласована на политическом уровне.

Без развития производственных возможностей, без тенденций в сторону решения этой проблемы привлечение высококлассных специалистов из других стран имеет мало смысла. Только в образовательных целях. Да, дефицит специалистов в российской электронике существует и большой, но кадры не столь нужны, если у отрасли не будет будущего.

Без руки государства у российской электроники нет будущего

Американская полупроводниковая отрасль строилась как огромный государственный проект с триллионными инвестициями и контролем. Догоняющий мировых лидеров Китай вывел связанные специальности в первую категорию образовательных дисциплин, инвестирует почти $1,5 трлн в развитие отрасли и предпринимает другие шаги для построения собственной передовой электроники. Даже передовые в отдельных сегментах электроники Тайвань, Япония и Южная Корея запланировали значительные вложения в отрасль на уровне государства.

Может ли Россия рассчитывать при столь наглядных примерах, что производство электроники возникнет само, что достаточно мер поддержки отечественных разработчиков и производителей в виде норм по доле российской вычислительной техники в государственных организациях? Вопрос риторический.

Отрасль может развиваться только при государственном планировании, контроле и огромных инвестициях. Вероятно, в триллионы рублей. Необходимо использовать все возможности, вплоть до политических, чтобы получить необходимые оборудование и кадры. Интенсивно развивать систему подготовки новых специалистов. Государство должно ответить на вопрос, стоит ли безопасность огромных усилий? Если да, то действовать. Пока все необходимые решительные шаги ограничиваются планами и проектами.

И есть ли она — единая политическая воля? Когда Минэкономразвития критикует Минпромторг за размытость требований по импортозамещению в электронике и ИТ — это справедливо и правильно. Требования должны быть уточнены. Но критика за избыточные требования несостоятельна. Либо ускоренное развитие с упором на самостоятельность, либо отсутствие издержек. Если эти издержки угрожают бизнесу, а частный бизнес так важен, то государство должно помочь преодолеть трудности.

А отдельные частные и государственные компании продолжат заниматься тем, чем уже занимаются — проектировать электронику, формировать рынок и экосистему.