Долгое время отсутствие озабоченности американских властей способностью китайских компаний получать литографическое оборудование из Японии строилось на убеждении в том, что местные производители предлагают решения преимущественно для зрелой литографии. Canon на этой неделе разрушила этот миф, начав поставлять оборудование для изготовления 5-нм чипов, но использующее иной принцип работы, нежели машины лидирующей в данной сфере ASML.

Источник изображений: Canon

По крайней мере, как поясняет Bloomberg, установка Canon FPA-1200NZ2C нового поколения позволяет наносить на кремниевые пластины рисунок с минимальными размерами в 14 нм, что позволяет получать чипы, которые по своим характеристикам соответствуют 5-нм аналогам ведущих мировых производителей, изготовленным с использованием так называемой EUV-литографии. За счёт последовательных улучшений и совершенствования данного оборудования Canon даже рассчитывает создать условия для выпуска 2-нм изделий на этих машинах. При этом сам по себе метод обработки кремниевых пластин, применяемый Canon, имеет больше общего с печатью, а не фотолитографией как таковой, поскольку для переноса микроскопических структур интегральных микросхем на кремниевую пластину принцип проекции изображения вообще не используется.

Относительная новизна технологии в данном контексте добавляет проблем американскому правительству, которое стремится запретить поставки в Китай любого оборудования, позволяющего местным компаниям выпускать передовые чипы. Определённые договорённости в сфере литографии между властями США и Японии уже достигнуты, но оборудование Canon нового типа ими не покрывается. Представители компании пока не комментируют, будут ли правила экспортного контроля Японии регламентировать возможность поставки такого оборудования в Китай.

Нанопечатная литография долгое время считалась более дешёвой альтернативой оптической литографии, и в прошлом с её использованием экспериментировали производители микросхем памяти типа SK hynix и Kioxia. Последняя даже испытывала оборудование Canon для нанопечатной литографии, прежде чем оно было готово к серийному производству. На том этапе к оборудованию потенциальным заказчиком выдвигались претензии, преимущественно заключавшиеся в высоком уровне брака продукции.

Конкурирующая ASML из Нидерландов до сих пор оставалась ведущим мировым производителем литографических систем, позволяющих выпускать чипы с технологическими нормами 5 нм и меньше. В текущем году она рассчитывает увеличить выручку на 30 %, а все заказы на своё оборудование сможет удовлетворить только в следующем, как минимум. Ещё в 2014 году компания Canon поглотила разработчика систем для нанопечатной литографии Molecular Imprints, и с тех пор прилагала серьёзные усилия к развитию соответствующих технологий. Первое за долгое время новое предприятие Canon по выпуску литографического оборудования к северу от Токио будет введено в строй в 2025 году. Свою продукцию Canon поставляет и для нужд тайваньской TSMC — крупнейшего контрактного производителя чипов в мире.

Чисто формально Samsung Electronics не только опередила TSMC по срокам внедрения 3-нм техпроцесса на несколько месяцев, но и существенно обогнала конкурентов по срокам перехода на использование транзисторов с круговым затвором (GAAFET). Южнокорейский производитель теперь надеется опередить соперников в сфере освоения 2-нм техпроцесса, пусть и в ущерб экспансии уже запущенной 3-нм технологии.

Источник изображения: Samsung Electronics

Как сообщает DigiTimes со ссылкой на корейское издание Money Today, которое ссылается на посвящённые в планы Samsung источники, контрактное подразделение корейского гиганта сейчас сосредотачивает свои ресурсы и усилия на ускорении освоения 2-нм технологии, даже если ради этого придётся пожертвовать масштабами внедрения 3-нм техпроцесса. Использовать его в массовом производстве Samsung начала ещё с конца июня 2022 года, но отставшая где-то на полгода TSMC всё равно заполучила большее количество заказчиков на эту ступень литографии.

Отраслевые эксперты ожидают, что 2-нм техпроцесс и его аналоги получат существенное распространение только в 2025 году. Если Samsung Electronics рассчитывает стать серьёзным игроком на рынке контрактного производства чипов с использованием передовой литографии, ей нужно активно осваивать 2-нм нормы уже сейчас. По данным TrendForce, в первом квартале этого года TSMC контролировала почти 60 % мирового рынка услуг по контрактному производству чипов. Руководство Samsung хотело бы видеть компанию в статусе технологического лидера в этой сфере максимум через пять лет. Способность успешно освоить 2-нм техпроцесс будет во многом определять достижимость этой цели.

В рамках 3-нм технологии, как отмечают южнокорейские СМИ, компании TSMC и Samsung располагают сопоставимым уровнем выхода годной продукции, от 50 до 60 %, но если первая сосредоточилась на расширении производственных мощностей данного профиля, то вторая уже размышляет о переходе на 2-нм технологию. Ведётся заблаговременная работа с потенциальными клиентами, которые в будущем могли бы заказывать у неё выпуск 2-нм продукции по собственным проектам. В отличие от TSMC, компании Samsung в рамках 2-нм технологии не нужно впервые применять структуру транзисторов GAAFET, поскольку она была внедрена ещё на этапе 3-нм техпроцесса. При этом TSMC может начать тестовое производство 2-нм чипов уже в этом году, а ещё угрозу обеим старожилам рынка представляет быстрый прогресс Intel в этой сфере.

Несмотря на активную закупку ещё не попавшего под санкции зарубежного оборудования китайскими производителями чипов и некоторому прогрессу в части его импортозамещения, местная полупроводниковая промышленность всё ещё не может похвастать наличием адекватной для последующего прогресса производственной базой. Всё передовое оборудование китайского производства сосредоточено в научных лабораториях, а не на предприятиях отрасли.

Источник изображения: Bloomberg

Об этом, как поясняет South China Morning Post, на отраслевом мероприятии в августе рассказал заместитель председателя Китайской ассоциации производителей оборудования для выпуска электроники. Ли Цзиньсян (Li Jinxiang) дал понять, что китайской полупроводниковой отрасли предстоит преодолеть долгий путь, прежде чем удастся снизить зависимость от импортного оборудования. Ни одна из производственных линий на территории Китая, как он отметил, не оснащена литографической системой отечественного производства, поскольку основная их часть имеет статус прототипов и используется для научных изысканий.

Возможно, именно на этом убеждении основаны и выводы американских чиновников, которые после выхода на рынок смартфона Huawei Mate 60 Pro на базе выпущенного в условиях санкций китайского 7-нм процессора HiSilicon Kirin 9000s запустили собственное расследование. По словам министра торговли США Джины Раймондо (Gina Raimondo), это расследование установило, что у Китая нет возможности выпускать 7-нм чипы в массовых масштабах, если опираться на имеющиеся в распоряжении США доказательства.

Безусловно, Китай долгие годы пытается разработать собственные литографические системы передового класса, но лучшие модели полностью китайского оборудования этого типа, которые выпускает шанхайская компанией SMEE, сейчас способны работать только с 90-нм литографическими нормами. В этом отношении такой сканер на порядок уступает возможностям как японских, так и нидерландских образцов. Впрочем, китайские эксперты утверждают, что возлагать всю вину за отставание на туже компанию SMEE было бы несправедливо. Литографическая система состоит из множества компонентов, которые поставляются сторонними компаниями, и поставщики SMEE тоже заметно отстают от западных конкурентов. Сама компания только к концу года начнёт поставлять литографические системы, способные работать с 28-нм технологией. Чтобы продвинуться дальше возможности выпуска 7-нм чипов по обходным технологиям, как считают эксперты, китайским поставщикам нужно существенно продвинуться по всем ключевым компонентам.

По прогнозам аналитиков Albright Stonebridge Group, пройдёт не менее четырёх или пяти лет, прежде чем применимая в условиях массового производства литографическая система класса EUV появится в Китае стараниями местных разработчиков оборудования, полагающихся исключительно на локальных поставщиков компонентов. Лидером в поставках таких литографических сканеров на мировом рынке является компания ASML из Нидерландов, но власти этой страны запретили ей снабжать таким оборудованием китайских клиентов ещё в 2019 году, а теперь новые санкции готовятся расширить перечень запретов на более зрелую технику.

Во время пандемии расширение предприятий Intel в Ирландии сталкивалось с проблемами и задержками, а в декабре прошлого года часть местных сотрудников было решено отправить в длительный неоплачиваемый отпуск, но тогда же стало известно об успешном включении первого литографического сканера для работы с EUV, установленного на предприятии Fab 34. На этой неделе компания объявит о запуске серийного выпуска чипов по технологии Intel 4 в Ирландии.

Источник изображения: Intel

Пока что на сайте Intel красуется лишь лаконичный пресс-релиз, предвосхищающий соответствующее мероприятие, которое будет транслироваться 29 сентября. В эту пятницу, если верить заявлениям компании, её руководство примет участие в церемонии запуска массового производства полупроводниковых изделий по техпроцессу Intel 4 на территории Ирландии в Лейкслипе. Впервые в Европе, тем самым, будет налажен выпуск компонентов с использованием сверхжёсткого ультрафиолетового излучения (EUV).

В пресс-релизе отмечается, что данный технологический этап позволит Intel создавать лидирующие продукты: от процессоров для ПК, поддерживающих работу с командами для систем искусственного интеллекта (намёк делается на Meteor Lake) до чипов, работающих в составе крупнейших центров обработки данных в мире. Считается, что выпускать процессоры по технологии Intel 4, помимо Ирландии, компания будет также на предприятии в американском штате Орегон. В ближайшие годы EUV-оборудование для серийного производства чипов будет использоваться в США, Тайване, Южной Корее и Ирландии, во второй половине десятилетия к ним присоединится и Япония.

В условиях запрета на поставку в Китай EUV-сканеров компании ASML, китайским производителям придётся создавать собственные инструменты для литографии в сверхжёстком ультрафиолете для выпуска самых передовых чипов. Поскольку Китай в этом заметно отстаёт, он может выбрать другой путь для достижения цели и, в конечном итоге, может даже превзойти западные технологии. Этим путём обещают стать синхротронные источники света, мощность которых превзойдёт возможности плазменных лазеров ASML.

Электроны из накопительного кольца возбуждают лазерное излучение в сверхжёстком ультрафиолете. Источник: Tsinghua University

Синхротронные источники света — это обычно кольцевые ускорители электронов. Кольцо служит накопителем электронов, которые для формирования стабильного пучка сверхжёсткого ультрафиолетового излучения выводятся из него через специальную установку, в которой возникает когерентное излучение на длине волны лазера (плюс гармоники). В сканерах ASML излучение возникает из возникающей в процессе испарения капли олова плазмы. Очевидно, что во втором случае можно создать компактную литографическую машину, а при использовании синхротрона придётся строить фактически завод.

По оценкам китайских источников, для формирования EUV-излучения мощностью около 1 кВт потребуется создать накопительное кольцо диаметром от 100 до 150 м (не говоря о вспомогательных установках и строениях). Этой мощности хватит для производства чипов с технологическими нормами до 2 нм. Компания ASML сейчас массово производит передовые литографические EUV-сканеры мощностью до 500 Вт, что обеспечивает выпуск 3-нм чипов. Перед ней также стоит задача разработки более мощных источников EUV-света, которая по сложности не так уж далеко от китайских проектов EUV-«пушки».

Для обычной коммерческой компании, такой, как ASML, проект синхротрона как источника EUV-света неприемлем. Он тянет за собой большие затраты на создание объёмной инфраструктуры. В США, кстати, в лаборатории SLAC изучали возможность использования синхротронов для полупроводниковой литографии, но признали его неперспективным. В Китае же, где ресурсов и рабочей силы в избытке, построить завод с ускорительной установкой особого труда не составит. Если верить источникам, место для EUV-«пушки» уже подобрано. Её начнут строить в Сюньгане.

За последние два года вышло немало статей на тему создания стабильных микропучков для производства EUV-излучения (steady-state microbunching, SSMB). Большинство работ принадлежит китайским авторам. Также в Китае прошли тематические конференции на эту тему. Понятно, что для создания законченной инфраструктуры по производству чипов с использованием EUV-излучения потребуется намного больше усилий, чем постройка синхротрона. Прежде всего, это научная работа на многие годы вперёд. Китай показывает решимость пройти этот путь, а это дорого стоит.

Россия, кстати, тоже может пойти по этому пути. В ближайшие годы в стране начнут строить достаточно много синхротронов для решения целого спектра задач от материаловедения до фармацевтики. Из одного из них вполне может родиться проект фабрики по выпуску чипов с использованием синхротронных ускорителей.

До сих пор с той или иной уверенностью отраслевые источники говорили преимущественно о присутствии Apple в перечне заказчиков TSMC, использующих 3-нм техпроцесс. На этой неделе решила «выйти из тени» компания MediaTek, которая призналась, что 3-нм чипы семейства Dimensity пропишутся в готовых электронных устройствах со второй половины следующего года.

Источник изображения: MediaTek

TSMC и MediaTek соответствующее совместное заявление сделали на этой неделе, как сообщает издание Nikkei Asian Review. Первое поколение 3-нм чипов MediaTek будет использоваться не только в составе смартфонов различных марок, но и планшетах, бортовых системах автомобилей и других устройствах. Ключевыми клиентами MediaTek в сегменте смартфонов являются Samsung Electronics, а также китайские марки Xiaomi, Vivo и OPPO. Скорее всего, 3-нм чипы MediaTek нового поколения пропишутся в новых устройствах этих марок.

Данное заявление сделано весьма своевременно, учитывая высокий интерес общественности к прецеденту с появлением флагманского смартфона Huawei Mate 60 Pro на базе таинственного процессора HiSilicon Kirin 9000S неустановленного происхождения. Некоторые источники приписывают китайской компании SMIC способность выпускать 7-нм чипы в обход американских санкций, а американские чиновники уже призывают полностью перекрыть экспорт технологий из США для нужд Huawei и SMIC. Напоминание о технологическом превосходстве тайваньских MediaTek и TSMC в такой ситуации кажется весьма уместным с идеологической точки зрения.

До сих пор считалось, что также в числе первых заказчиков TSMC на выпуск 3-нм чипом будут Qualcomm, AMD, Intel и NVIDIA, но пока из тени официально вышли только Apple и MediaTek. С переходом на 3-нм техпроцесс второго поколения количество клиентов TSMC на данном направлении должно увеличиться.

Литографические машины, сочетающие работу со сверхжёстким ультрафиолетовым излучением (EUV) и высокое значение числовой апертуры (High NA), являются необходимым инструментом для освоения так называемых «ангстремных» техпроцессов с нормами менее 2 нм, поэтому способность ASML наладить поставки таких систем до конца текущего года имеет критическое значение для её клиентов.

Источник изображения: ASML

Напомним, что Intel в своё время заявила о намерениях получить одну из первых таких систем (TWINSCAN EXE:5200) и установить её на строящемся предприятии в Огайо до конца 2024 года, чтобы к 2025 году наладить с её помощью выпуск компонентов по технологии Intel 18A. Стоимость одного сканера нового поколения достигает $340 млн против типичных для систем текущего поколения $150 млн.

Как отмечает Reuters, генеральный директор ASML Петер Веннинк (Peter Wennink) признался, что даже возникшие задержки не помешают компании отправить клиентам первые пилотные системы с высокой числовой апертурой до конца текущего года. Некоторые из поставщиков, по его словам, испытывали некоторые проблемы с наращиванием объёмов производства необходимых компонентов, а также качеством продукции, и это привело к небольшим задержкам. Но даже в таких условиях первый экземпляр новой литографической системы будет отгружен до конца текущего года, как заверил руководитель ASML.

Отдельно он отметил, что рост выручки компании на 30 % в текущем году будет обусловлен преимущественно увеличением объёмов продаж оборудования для работы с глубокой ультрафиолетовой литографией (DUV), которое, помимо прочих, востребовано китайскими клиентами. Такое оборудование в структуре выручки ASML даже перевесит более передовое для работы с EUV-литографией. Впрочем, по словам Веннинка, в следующем году перекос будет устранён, поскольку новые предприятия на Тайване и в США будут требовать поставок более современного оборудования.

С первого сентября власти Нидерландов должны ужесточить ограничения в отношении поставок в Китай оборудования, предназначенного для работы с глубоким ультрафиолетовым излучением (DUV). Поскольку об этих намерениях было известно заблаговременно, китайские производители чипов с января по июль увеличили импорт оборудования из Нидерландов на 64,8 % до $2,58 млрд.

Источник изображения: ASML

Напомним, что ASML является главным поставщиком литографических сканеров, необходимых для изготовления полупроводниковой продукции, и власти Нидерландов ещё с 2019 года ограничивают поставки их отдельных типов в Китай. Сперва запреты касались передовых сканеров, работающих со сверхжёстким ультрафиолетовым излучением (EUV), но в этом году они распространятся и на более массовые DUV-сканеры. По данным JW Insights, за семь месяцев этого года импорт литографического оборудования из Нидерландов в Китай вырос в денежном выражении на 64,8 % до $2,58 млрд.

Ирония судьбы заключается в том, что в январе представители ASML упомянули $2,36 млрд в качестве ориентира по выручке на китайском направлении для всего 2023 года. Получается, что прогноз был превышен за первые семь месяцев года на весомые $220 млн. Китайский рынок, по прогнозу ASML, должен в этом году формировать около 14 % всей выручки компании. За один только июль в Китай было ввезено оборудования из Нидерландов на $626 млн, что почти в восемь раз больше результатов аналогичного месяца прошлого года.

С первого сентября ASML потребуются выдаваемые властями Нидерландов экспортные лицензии для поставки самых передовых DUV-сканеров в Китай, хотя по основной части ассортимента оборудования ничего не изменится. В этом месяце китайские СМИ сообщили, что китайский производитель литографического оборудования сможет предложить «суверенное» решение для выпуска 28-нм чипов до конца текущего года. Хотя такую возможность наверняка будут приветствовать все китайские производители чипов, заменить отечественными аналогами всё литографическое оборудования в обозримой перспективе они не смогут. По этой причине до введения в действие новых ограничений они активно закупают оборудование из Нидерландов.

Так называемое второе поколение 3-нм техпроцесса в исполнении TSMC обычно фигурировало во внутренних документах тайваньской компании под обозначением N3E и было привязано по срокам внедрения ко второй половине 2023 года. На минувшей квартальной конференции представители TSMC уточнили, что к массовому производству чипов по технологии N3E компания будет готова приступить в четвёртом квартале текущего года.

Источник изображения: TSMC

Генеральный директор TSMC Си-Си Вэй (C.C. Wei) на отчётом мероприятии в конце этой недели заявил буквально следующее: «N3E расширяет наше семейство N3 за счёт возросшего быстродействия, сниженного энергопотребления и уровня выхода годной продукции, а также обеспечивает полную поддержку платформ как в сегменте высокопроизводительных вычислений, так и для применения в смартфонах. N3E прошёл квалификационные тесты, достиг целевых показателей по быстродействию и уровню брака, в массовое производство он будет запущен в четвёртом квартале этого года».

Напомним, если базовый вариант техпроцесса N3, который компания TSMC использует для массового производства компонентов по заказу той же Apple с конца прошлого года, обеспечивает снижение энергопотребления до 25–30 %, улучшение производительности на 10–15 % и экономию площади кристалла до 42 % по сравнению с техпроцессом N5, то в случае с N3E за счёт некоторого уменьшения плотности размещения транзисторов (на 7,8 % по сравнению с N3) предлагает более высокий уровень выхода годной продукции и упрощение самого производства, что благоприятно сказывается и на себестоимости продукции. Кроме того, N3E увеличивает экономию в энергопотреблении до 32 % по сравнению с N5, а производительность транзисторов возрастает на 18 % вместо 15 % у базового N3.

По сути, N3E лишь немногим жертвует с точки зрения плотности размещения транзисторов по сравнению с N5: она увеличивается в 1,6 раза вместо 1,7 раз у более дорогого в производстве N3. Как ожидается, N3E сможет привлечь большее количество клиентов к услугам TSMC, чем это удалось N3. Впрочем, даже базовый вариант своего 3-нм техпроцесса руководство компании считает лучшим на рынке с точки зрения производительности, плотности размещения транзисторов и энергопотребления, а потому подчёркивает, что во второй половине текущего года объёмы выпуска чипов с его использованием заметно возрастут, причём как в сегменте высокопроизводительных вычислений, так и в сегменте смартфонов.

Руководство TSMC на этой неделе также выразило надежду, что семейство 3-нм техпроцессов в исполнении компании сформирует долговременный спрос со стороны клиентов, и этот технологический цикл будет долгоиграющим с точки зрения продолжительности присутствия на рынке. Базовый техпроцесс N3 к концу этого года будет формировать от 4 до 6 % совокупной выручки компании, хотя пока в отчётности TSMC он вообще не упоминается, хотя фактически используется в серийном производстве с начала текущего года, как минимум.

Этими двумя разновидностями 3-нм техпроцесса TSMC ограничиваться не собирается. Ко второй половине следующего года компания готовится освоить техпроцесс N3P, который снизит энергопотребление на 5–10 % по сравнению с N3E, поднимет быстродействие на 5 % и на 4 % увеличит плотность размещения транзисторов. К 2025 году специально для самых производительных чипов будет внедрён техпроцесс N3X, который позволит применять более высокие напряжения и поднимет быстродействие как минимум на 5 %, но ценой более высокого энергопотребления по сравнению с N3P. Зато плотность размещения транзисторов «трогать» не будут, и она останется на одном уровне с N3P. С этой точки зрения жизненный цикл 3-нм техпроцессов в производственной программе TSMC действительно будет продолжительным.