Российские процессоры в условиях санкций и СВО

После начала специальной военной операции (СВО) западные страны начали вводить санкции против России, выводить из страны свои подразделения и сворачивать взаимодействие с российскими компаниями. Не обошло стороной это и микроэлектронику.

Наиболее производительные микросхемы, разрабатываемые в России, производились на мощностях крупнейшего в мире производителя чипов — компании Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC).

Российские компании «МЦСТ», «Байкал Электроникс» и ряд других работают по принципу центров разработки микросхем без собственных производственных мощностей. Выпускать требовательные к тонкости технологического процесса полупроводниковые изделия в России на данный момент невозможно в связи с отсутствием мощностей с возможностью массового выпуска продукции с технологическими нормами ниже 90 нм.

Несмотря на то, что TSMC является крупнейшим производителем чипов, всем спектром оборудования, химии, других компонентов и расходных материалов, необходимых для производства микросхем, компания не обладает. Кроме того, TSMC технологически зависит от международного научно-исследовательского центра Interuniversity Microelectronics Centre (imec), расположенного в Бельгии, а также ряда компаний из США, например, Applied Materials.

Как следствие, уже в конце февраля 2022 года компания прекратила поставки полупроводниковой продукции российским клиентам. По информации от участников рынка, TSMC не только перестала принимать заказы от компаний из России, но и не осуществила поставки по уже имеющимся заказам после начала СВО и введения санкций.

Возможно ли перебраться к китайцам?

В России разрабатывается несколько разнообразных линеек высокопроизводительных вычислительных микросхем. Среди центральных процессоров общего назначения (GP CPU) наиболее известны линейки «Байкал» и «Эльбрус». Среди относительно новых GP CPU серийно выпускались Baikal-M разработки компании «Байкал Электроникс», «Эльбрус-8С» и «Эльбрус-8СВ» компании МЦСТ. Эти микросхемы спроектированы под нормы 28 нм. Более свежие изделия, уже имеющиеся «в железе», но не вышедшие на стадию массового производства — серверные Baikal-S, «Эльбрус-16С», процессоры для ноутбуков и встраиваемых решений Baikal-L и «Эльбрус-2С3» спроектированы под технологические нормы 16 нм.

Ведущие китайские производители микроэлектроники, такие как Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC), имеют возможность выпускать микросхемы с технологическими нормами до 14 нм с хорошим процентом выхода годных изделий. Судя по ряду свидетельств, в Китае возможно производство чипов и по нормам 7 нм, но стоимость, объем и процент выхода годных изделий не общеизвестны.

Сложность переноса производства российских изделий связана как минимум с двумя крупными факторами

Первый — технологический. Производство чипов — сложнейший процесс с большим числом операций, выстроенный у каждого производителя по-своему. Перенос производства с мощностей одной компании на другую требует переделки проекта и производственной документации. По словам технического директора «Байкал Электроникс» Григория Хренова, перенести производство серверного процессора Baikal-S, спроектированного под нормы 16 нм, это «переделать все».

Второй — политико-экономический. Китайские производители микросхем так же, как и TSMC, покупают оборудование, расходные материалы и компоненты, технологии у поставщиков из разных стран мира. Крупнейшие китайские компании отрасли находятся под западными санкциями, но не все зависимости таким образом перекрываются. Ведение дел с российскими компаниями — это риски новых санкций и нарушения цепочек поставок. При этом потребители электроники из России и экономически связанных стран не формируют на данный момент большой спрос. Заказы на изделия формируются средствами компаний-разработчиков и под потенциальный спрос. Китайские производители при такой кооперации имели бы существенные риски при объеме заказов в тысячи или десятки тысяч микросхем.

Другие вычислительные микросхемы

Помимо GP CPU в составе вычислительной техники широко используются и другие микросхемы, требовательные к тонкости технологического процесса. Это графические процессоры (GPU), нейропроцессоры (NPU), микросхемы оперативной памяти, чипы постоянной флеш-памяти и другие решения.

Высокопроизводительные GPU в России не разрабатываются, как и микросхемы памяти для мощных изделий. Есть интегрированные графические решения. Например, в системе на кристалле «Эльбрус-2С3» есть встроенный графический процессор.

NPU есть. НТЦ «Модуль» с 90-х годов разрабатывает собственную архитектуру NeuroMatrix, на базе которой строятся вычислительные ядра, относящиеся к классу сигнальных процессоров. Флагманская микросхема современного поколения — К1879ВМ8Я. На ее основе есть несколько решений, активно используемых в различных практических решениях. Чипы изготавливаются по технологическим нормам 28 нм и не могут производиться в России, как и все изделия на основе NeuroMatrix, разработанные после 2013 года.

На форуме «Микроэлектроника 2023» компания представила серию решений на базе тензорного процессора собственной разработки с производительностью 24,5 трлн целочисленных операций в секунду.

ООО «Мотив-НВ» на форуме «Микроэлектроника 2023» представила прототип системы анализа видео на базе энергоэффективного чипа на собственной архитектуре. Разработка ориентирована в первую очередь на компактные встраиваемые решения, такие как беспилотные системы.

Оригинальные решения

На том же форуме МГТУ им. Баумана представил процессор, реализующий дискретную математику. Процессор хорошо подходит для аппаратной обработки очень больших графов. Авторы считают, что такие решения понадобятся при реализации сильного искусственного интеллекта (ИИ).

Что возможно производить в России?

Наиболее тонкий массовый технологический процесс в России, реализуемый на мощностях ПАО «Микрон», — 90 нм. Мелкосерийное производство возможно с нормами до 65 нм. Основная продукция «Микрона» исполняется в диапазоне технологических норм от 250 до 90 нм.

На этих техпроцессах выпускаются чипы для банковских и транспортных карт, SIM-карты, микроконтроллеры, значительная часть автомобильной и иной транспортной электроники и многое другое.

«Микрон», в частности, в конце 2023 года представил контроллер и семейство продуктов на его основе на «открытой» архитектуре RISC-V — MIK32 «Амур». Контроллер позволяет строить с его использованием периферийные устройства для сферы интернета вещей, промышленности и других задач.

Производственные мощности крупнейшего в стране производителя чипов расширяются. Только за 2023 год выпуск чипов для банковских карт и документов вырос в 2,6 раза. В 2024 году планируется еще увеличить производство по техпроцессам 180–90 нм на 50–70%. Компания планирует достигнуть этого за счет оптимизации использования существующего оборудования и ввода в эксплуатацию нового.

Сообщается, что оборудование с 2023 года завод покупает в Китае

Помимо процесса изготовления микросхем, который сам по себе включает сотни технологических операций с использованием огромной номенклатуры оборудования и материалов, выпуск микроэлектроники связан с корпусированием изделий, тестированием, построением аппаратной и программной инфраструктуры, без которых изделия будут бесполезны.

«Микрон» предоставляет услуги по корпусированию и тестированию микросхем. Помимо этого на рынке есть компания GS Nanotech, занятая корпусированием памяти и иных микросхем для собственной продукции и на заказ.

Расширяется производство печатных плат и монтаж компонентов на них. Наиболее известный контрактный производитель — «Резонит».

На выставке «ExpoElectronica 2024» было представлено оборудование для производства печатных плат компаний СПБЦ Элма и ЗАО «Новатор». Также были продемонстрированы бесшумные системы отвода тепла для серверного и иного оборудования от ООО «Теркон-КТТ».

Кадровые вопросы

Многие участники отрасли отмечают дефицит кадров. Кадровая проблема в отрасли существует не только в России, но и мире в целом. Однако масштабы разные. Если в Китае заявляют о нехватке около 500 тыс. специалистов, то в России речь идет в лучшем случае о тысячах. Вопрос привлечения новых специалистов компании отрасли решают во многом за счет взаимодействия с высшими учебными заведениями, однако подготовить большое число перспективных студентов относительно небольшие организации не могут. Несмотря на то что кадровый состав отрасли постепенно растет, на системном уровне задачу сложно назвать решенной.

Тенденции и перспективы развития производства

В апреле 2024 года портал CNews опубликовал интервью с заместителем министра промышленности и торговли России Василием Шпаком. Шпак курирует в РФ микроэлектронную отрасль.

Чиновник отметил, что развивать отрасль в рамках только одной страны с населением в 140 млн человек невыгодно. Нужна емкость рынка хотя бы в 400–450 млн человек. Он сообщил, что готовится экономическая зона с общими технологическими интересами, которая будет включать ЕАЭС, Узбекистан, Иран, арабские страны, вероятно, Турцию. С Китаем планируется выстраивать «равносторонние отношения». Возможно взаимодействие с Индией. Технологическая зона с нужной емкостью необходима, по его словам, для совместной разработки, обмена компетенциями, для окупаемости разработок на совместном рынке.

Параллельно идет разработка необходимых материалов, реагентов, компонентов, оборудования, — всего, что нужно для производства микросхем. Всего планируется разработать свыше 100 видов оборудования, более 250 материалов и 350 химических веществ. На данный момент запущены 40 проектов по разработке оборудования, 39 по материалам и химическим реагентам. Также развиваются собственные средства проектирования.

Шпак сообщил, что на данный момент реализуются проекты по подготовке производства порядка 100 материалов. На текущий год запланированы разработки по еще 100 материалам. Около 10 материалов планируется начать производить до конца 2024 года, в 2025 году — еще 60 материалов.

Согласно дорожной карте, сначала планируется выйти на возможность изготовления всего необходимого для производства чипов по технологическим нормам 180 нм. К 2030 году планируется иметь до 70% своего из всего требуемого для производства.

Горизонт планирования — 28 нм

«Но могу сказать, что если есть оборудование, которое производит 28 нанометров, то получится сделать и 14, чуть сложнее маршрут, экспонирование, совмещение, но сделать это возможно. На 14 нанометрах можно создать устройство, аналогичное по функционалу десятому айфону. С точки зрения вычислительной техники, чем тоньше норма, тем меньше процессор. Чем меньше процессор, тем меньше он потребляет энергии и тем дороже стоит», — добавил он.

Ранее генеральный директор «Байкал Электроникс» Андрей Евдокимов в диалоге с блогером-популяризатором российской электроники Максимом Горшениным отметил, что сейчас нужна возможность производства по нормам 28 нм. «28 нм — хорошая технология, устоявшаяся, рабочая. На 28-й технологии еще планарные транзисторы. Когда мы переходим с 28 нм на 16 нм, начинаются FinFET. FinFET отличаются тем, что гораздо ниже ток утечки и гораздо компактнее получаются структуры. При этом все еще используется литография старая. То есть это не EUV (фотолитография в экстремальном ультрафиолете), а DUV (литография в глубоком ультрафиолете). Еще прошлая литография. На наш взгляд, это такое сочетание, которое, с одной стороны, использует потенциал всех тридцатилетних наработок в плане DUV, с другой стороны, обеспечивает качественные продукты. 28 нм — точно да, 16 нм — совсем идеально», — заявил он.

В 2024 году ожидается выпуск первого с советских времен промышленного литографа. Пока под нормы 350 нм. К 2026 году планируется получить литограф на 130 нм. Опытно-конструкторские работы (ОКР) по оборудованию для норм 90–65 нм планируется запустить лишь в текущем году. Он отметил, что реализуется программа взаимодействия с Белоруссией, которая еще с советских времен является одним из центров производства микроэлектроники.

Зам. министра намекнул на потенциальные возможности производства требовательных к нормам микросхем: «С началом специальной военной операции то самое международное разделение труда для нас рухнуло, нам был закрыт доступ на иностранные фабрики, но не всё так трагично, мы ищем варианты и находим — не стоим на месте, двигаемся. Очень аккуратно говорю, чтобы лишний раз ничего не вспыхнуло».

Компании-разработчики микросхем, которые нельзя произвести, развивают экосистему

Невозможность выпуска наиболее производительных решений сместила фокус деятельности разработчиков микросхем (дизайн-центров). Такие компании продолжают дальнейшие разработки своих основных линеек продуктов, но гораздо больше усилий, чем ранее, направлено на опытное применение созданных на таких чипах изделий, устранение выявленных проблем, создание экосистемы промышленного применения.

Вычислительное устройство — это не только аппаратура, но огромный комплекс программного обеспечения (ПО), умение организаций применять комплекс средств, проверка имеющихся и перспективных решений на готовность работы на конкретной аппаратной основе, производительность и стабильность функционирования. Большие усилия прикладываются для решения именно этого комплекса проблем.

Подводя итоги

На форуме «Микроэлектроника 2022» демонстрация новых разработок сочеталась с унынием по поводу потери и без того ограниченных возможностей покупки оборудования за рубежом, потери возможности контрактного производства на мощностях TSMC и так далее. Год спустя это уныние удалось преодолеть, при этом динамика отрасли стала заметно выше, чем до начала СВО. Например, в 2023 году рост объема производства компьютеров, электронных и оптических изделий по сравнению с 2022 годом составил 132,8%.

Вместе с тем отрасль не построена как таковая. Идет постепенное собирание отдельных имеющихся «технологических островков» в единую систему. Причем собирание идет не только государственными силами в рамках программы «Развития электронного машиностроения на период до 2030 года», но и в значительной степени силами участников рынка, организующихся в альянсы.

Производственные возможности серьезно отстают от потребностей. Это касается номенклатуры выпускаемого оборудования, материалов, реагентов, программного обеспечения, формирования собственных рынков сбыта, чистоты изготавливаемых материалов, тонкости технологических процессов, подготовки кадров и многого другого.

Государство в лице Минпромторга реализует карту развития электронного машиностроения в стране, признавая важность задачи. Но весь механизм работает в рамках рыночной модели. Задачи реализуют частные или частно-государственные компании. Государство пытается организовать рынок в единую систему, отрегулировать, очистить от недобросовестных игроков, направить на выполнение общей задачи. Государство может регулировать рынок в сторону развития электронного машиностроения, но не развивать отрасль плановым образом. Большой вопрос, даст ли такой мягкий подход возможность ответить на вызовы в условиях СВО, западных санкций и иных угроз.