30 потерянных лет. О российской микроэлектронике до и после 1991 г

Ещё несколько месяцев назад эта тема была интересна, пожалуй, только работающим в отрасли специалистам. Но теперь зарубежные технологически развитые страны отказались поставлять в Россию современные микросхемы, средства проектирования, оборудование и материалы для их производства - в общем, все те “блага цивилизации”, к которым у нас был свободный доступ в последние десятилетия. В этих новых условиях приходится задумываться - а что из всего этого мы сможем произвести самостоятельно? Какие технологии доступны отечественной промышленности?

У российской микроэлектроники два исторических этапа развития - 30 лет до 1992 года, и 30 лет после. На первом этапе в нашей стране была построена передовая, мирового уровня индустрия и научная школа, которая производила всё - материалы, промышленное оборудование, технологии и современные микросхемы. На втором этапе, за 30 последних лет, Россия оказалась отброшена на периферию мирового развития микроэлектроники. Похоже, правительство задумывается о возврате к “проверенным” практикам планового-целевого управления отраслью. Это заметил и высмеял даже “Коммерсант”.

Постараемся разобраться, как и почему это произошло, так ли плохо государственное управление отраслью, и что можно сделать в сложившихся обстоятельствах.

О себе

У меня профильное образование. В юности увлекался радиотехникой, имел радиолюбительский позывной и самодельный трансивер. После института работал инженером-исследователем в одном из московских НИИ, занимался программированием микроконтроллеров, DSP, немного проектированием аппаратуры. Брался за всё подряд, от перевода книги по VHDL до коммерческой разработки на C++/C#/JavaScript/Python… В 2010-х участвовал в проекте переноса технологии CMOS+EEPROM 180нм. В общем, скромные представления о проектировании чипа, его производстве, схемотехнике и программировании, руководстве коллективом - имею.

Цели работы

Почему важно взглянуть “правде в глаза”. Дело в том, что именно сейчас открывается  “окно возможностей”, и есть два магистральных пути, по которым могут пойти дела. Путь первый, самоочевидный. Столкнувшись с неизбежным, правительство уже готово накачивать деньгами разрозненные “группы влияния”, дельцов из частных и полугосударственных организаций, которые будут предлагать “импортозамещение” от оборудования фотолитографии и плазмохимического травления - до радстойких чипов и квантовых технологий. Будут рисоваться “дорожные карты”, появляться “стратегии до 2030 года” и тому подобные планы развития “нанотехнологий”. Именно по такому пути мы идём эти 30 лет, при скромных объёмах финансирования. Возможно, в правительстве полагают, что если “залить отрасль деньгами”, то это исправит положение дел. 

Но есть второй, сложный и тернистый путь. Путь, который позволил построить самодостаточную советскую индустрию за короткий исторический период. Её успехов никогда уже не удастся ни повторить ни превзойти, но именно отказ от этого пути отбросил нас в развитии на десятки лет. Этот путь - централизованное планирование и управление отраслью. И наша история, и зарубежный опыт показывают, что именно эту идею и нужно положить в основу Новой Индустриальной Политики нашего государства.

Деньги решают далеко не всё. Вот вам мнение Акио Мориты, основателя и руководителя компании Sony:

“...одна из крупнейших электрокомпаний Японии построила новую лабораторию…. Она была прекрасно спроектирована и оснащена новейшим оборудованием, ученые получили превосходную базу... Эта компания полагала, что если она выбросит кучу денег на ученых, то достигнет каких-то результатов. Лаборатория почти ничего не дала, если не считать того, что многие из ее сотрудников использовали свое время на проведение научных исследований для получения ученых степеней за счет компании… Правительство тоже идет по этому пути примерно с теми же результатами. ..я понял, что мы можем сконцентрировать свои усилия лишь тогда, когда у нас есть чёткая цель.” (С) Сделано в Японии

История вопроса

У советской микроэлектроники не было ни “дорожных карт”, ни “стратегий развития на 10 лет вперёд”, ни “технопарков”, ни даже “индустриальных партнёров”. Но у неё всегда была сильная научная школа и “чёткие цели”. С самого зарождения отрасли “драйверами” её развития была военная и ракетная техника.

Три ключевых министерства руководили всей отраслью: Минэлектронпром, Минрадиопром и Минприборостроения. Эта отрасль производила всё - от пассивной ЭКБ до процессоров, памяти и технологических установок фотолитографии. Полностью самостоятельно, в условиях американских санкций и строго экспортного контроля (гуглим КОКОМ). Вот воспоминания нобелевского лауреата Жореса Алфёрова:

“Ответом … на рождение Кремниевой долины явилось создание уже в 1962 году нового центра микроэлектроники под Москвой – Зеленограда с хорошо продуманной структурой. За очень короткое время были созданы новые крупные предприятия кремниевой микроэлектроники в Ленинграде, Минске, Риге, Воронеже, Киеве. Советская электронная империя имела высокотехнологичные КБ, НИИ и заводы во всех пятнадцати союзных республиках.

Уникальный центр в Минске «Планар» позволил создавать самое современное литографическое оборудование: генераторы изображения и степеры – установки для нанесения топологии кристаллов ИС (интегральных схем) на кремниевую пластину. ...В середине восьмидесятых министр электронной промышленности СССР В.Г. Колесников, встретившись со мной, сказал: «Знаете, Жорес Иванович! Я сегодня проснулся в холодном поту – мне приснилось, что «Планара» нет, а значит, нет электронной промышленности страны». Этот кошмарный сон реализовался в 1991 году с развалом СССР.” [“Власть без мозгов”]

Вот за что переживал министр - за фундамент отрасли, за производство средств производства - литографическое оборудование. Отраслью рулили люди с уникальным опытом, талантливые организаторы и учёные. Читая статьи министра Шокина, руководителя научного управления Пролейко, поражаешься уровню знаний и эрудиции. Например, в библиографии В.М. десятки трудов, в т.ч. книги по управлению качеством  и статьи по разным направлениям науки и техники.

Время упущенных возможностей

Думаю, именно так в будущем будут называть период с 1991 по 2015 год. Разогнали министерства, часть функций передали “департаменту радиоэлектронной промышленности” ДРЭП Минпромторга. Много учёных и инженеров (иногда целыми коллективами) - уехали за рубеж. Открыли внутренний рынок для западной техники и ЭКБ, что лишило смысла существования многих отечественных предприятий. Начался делёж, новые собственники и их представители "осели" в руководстве выживших компаний. Значительная часть машиностроения, не только электроники - находится в залоге у банков, существенная часть выручки идёт на покрытия процентов по займам, нет возможности вкладываться в техническое перевооружение.

Только ДРЭП Минпромторга - это не советское министерство. Он не владеет предприятиями, играет скромную роль "распределителя и контролёра" бюджетных средств - на ОКРы/НИОКРЫ, субсидии правительства, следит за соблюдением формальных требований. Вы взяли деньги на ОКР и не выполнили его? Нет проблем, если грамотно выстроить защиту в суде, Минпромторг не сможет взыскать с вас ни копейки! (гуглим “Минпромторг проиграл многомиллионный спор производителю микросхем”). В отличие от Минэлектронпрома, Минпромторг не может и не желает управлять отраслью, не способен определять направления развития науки и техники и грамотно вкладывать средства, выстраивать цепочки от производства базовой ЭКБ до сборочных производств и потребителя внутри РФ. 

Возьмём, к примеру, целевую программу "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники" на 2008-2015 годы", в которой Минпромторг значится и заказчиком, и разработчиком, и координатором. В целях программы записано:

"В 2011 году планируется достижение уровня технологии 0,13 мкм с последующим переходом к 2015 году до уровня технологии 0,045 мкм, что существенно сократит отставание российской электроники и радиоэлектроники от мировых показателей."

Собственного производства по техпроцессу 45 нм страна не увидела ни в 2015, не увидит и в 2025-м. А массовых изделий собственного производства по 0.13 мкм не было ни в 2011, ни в 2021 (через 10 лет). Поправьте меня пожалуйста в комментариях, если я ошибаюсь.

Не знаю кто отвечает за реализацию ФЦП, даже слова этого не нашёл. Вот в “Положении о Министерстве электронной промышленности” 1969 года ответственность чётко закреплена:

Министерство электронной промышленности несет ответственность за состояние и дальнейшее развитие порученной ему отрасли, научно-технический прогресс и технический уровень производства...

9. Министр электронной промышленности несет персональную ответственность за выполнение возложенных на Министерство задач и обязанностей, устанавливает степень ответственности заместителей Министра... 

Да, за последние десятилетия удалось сохранить часть советского потенциала: и науку, и кое-какие предприятия. Кое-что даже построили. Но давайте посмотрим повнимательнее, что именно.

Микрон

В 1995 запустили новый цех по производству микросхем на пластинах 150мм, топология 0.8 мкм. Это было совместное российско-китайское предприятие “Корона - Семикондактор”. На что нужно обратить внимание: небольшая по зарубежным меркам мощность выпуска (мощность типового завода за рубежом - 20 тыс. пластин/месяц), и преимущественно отечественное оборудование, отечественные материалы: кремний, чистая химия, газы. Производственные участки оснащались оборудованием, произведённым в России. В 2000-х годах продукция этой линейки была востребована на китайском рынке: Китай только приступил к строительству собственных полупроводниковых заводов, но во всю наращивал выпуск недорогой потребительской электроники. Нехватку собственных микросхем компенсировал импорт чипов “Микрона”. Так вот, и цех и всё советское оборудование до сих пор неплохо работает, выпуская востребованную на внутреннем рынке продукцию. Вот он, уровень науки и техники.

Затем 15 лет тишины. В 2009 совместно с STMicroelectronics запустили производство 200 мм, топология 180 нм, технологии CMOS + EEPROM. Именно по этой технологии производится банковская карта “МИР”, карта метро, полис ОМС. В 2012 у той же ST приобрели лицензию на технологию 90нм, но никакого массового продукта по этой технологии пока не появилось. Опять стоит обратить внимание на мощность производства - скромные 1500 пл/месяц (ссылка). И всё оборудование, материалы, технология - полностью зарубежного производства. Россия к этому времени уже не производила ни собственного оборудования, ни материалов, ни технологий. 

Здесь необходимо сделать важное замечание. Типовой завод 200/300 мм строится так, чтобы выпускать 20000-30000 тыс пластин в месяц. Где-то с 20 тыс. получается адекватная рынку себестоимость. Почти никому не приходит в голову строить производство мощностью 1,5 тысячи пластин. Ведь это значит - неконкурентная себестоимость, длительный цикл производства. Сломалась ключевая установка - вся линия встала. Как работать в условиях отсутствия поддержки производителей оборудования и будущих “санкций” - никто не думал. К этому времени руководство страны уже отказалось - и от “отсталой” идеологии прошлого, и от защиты своей промышленности и рынка, от разумного управления промышленностью. И таки построило линию! А вот Китай со своими “отсталой” плановой экономикой к 2010 году уже производил 2,000,000 (прописью: два миллиона) пластин в месяц (10% мировых мощностей).

Ну хорошо, построили. Тут бы начать импортозамещение, активно разрабатывать отечественные аналоги микросхем, востребованных смежными предприятиями. Но эти потребители уже "сидят на импорте". Приходится искать свою нишу, и, к сожалению, загружать линию бесполезными для экономики вещами - полисом ОМС, электронным паспортом... Можно было бы загрузить и полезным изделием - картой МИР. Но нужна ли отечественная карта, если есть дешёвый импортный чип?

Ангстрем-Т

Прекрасная в своей основе идея - перенести готовый завод, оборудование, и что ещё более важно - технологию CMOS 90нм, разбилась о суровою реальность: новых “собственников” и “эффективный частный капитал”. В 2015, через 8 лет после старта проекта, против России были введены санкции США, западные компании и специалисты, помогавшие запускать оборудование - отказали в помощи. К чести инженеров Ангстрем-Т, что-то запустить всё же удалось, но производить востребованную продукцию получилось только "на бумаге". Предприятие обанкротилось.

Крокус-нано

В недавно вышедшей на Хабре, очень хорошей статье, об этом предприятии сказано как о “единственной в России фабрике на 300 мм пластинах с работающей технологией 65 нм.”. Это похоже на заблуждение. Как пишет сам автор, "Крокус" выполняет только финишные операции, цикл BEOL. Но для изготовления транзисторов нужно ещё и другое оборудование! И 65 нм - это ещё не технология, а размер (затвора транзистора). Работающая технология - это CMOS, память EEPROM...

Вот если бы Крокус лицензировал хотя бы CMOS, закупил раз в 20 больше нужного оборудования, за 2-3 года вышел на > 3000 пл/мес - это была бы фабрика. Создаётся впечатление, что настоящей целью было создание условий для “утечки мозгов” за рубеж.

НИМЭ РАН

Судя по сайту организации, тут есть оборудование 300 мм, для научной площадки очень даже неплохое, но нет массового производства.

Производство фотошаблонов, кремния, химии и спец. газов

Всё это есть за рубежом ;). И без подсказок извне понятно, что вкладываться в организацию инфраструктуры по производству материалов здесь - невыгодно... Дешевле брать за границей. Кое-какие материалы наша страна, всё же, производит. Как вы наверняка уже поняли - на тех мощностях, что достались от советской эпохи. Производство кристаллов не может обойтись без сверхчистой химии, газов, мишеней AL/CU и других материалов. Если не возвести инфраструктуру по производству материалов, современной топологии фотошаблонов и прочего - внутри страны, всегда будет угроза остановки производства из-за прекращения зарубежных поставок.

Промежуточный итог

Оглядываясь назад, принимая во внимание последние события с заморозкой активов ЦБ на 300 млрд долларов, поражаешься, насколько бестолково для отечественной микроэлектронной промышленности прошли 25 лет до первых санкций 2015 года, и 7 лет после. Сколько можно было бы сделать, если бы индустрия была под централизованным управлением в руках толковых и преданных России управленцев Минэлектронпрома!.

Даже вложив в микроэлектронику 20% от потерянных теперь для нас средств - можно было получить настоящую индустрию, наладить производство современной ЭКБ, массовую вычислительную технику (все эти “Байкалы”,  “Элвисы” и “Эльбрусы”), сетевое и прочее оборудование для критической инфраструктуры. 

Что осталось от вложенных 50 млрд. $ зимней олимпиады в Сочи в 2014 году? Роза Хутор? Да на эти деньги можно было перевооружить, дооснастить действующие предприятия радиоэлектронного комплекса, построить к 2014 году 2-3 завода по топовым техпроцессам на 15-20 тыс. пластин/месяц, если думать не об олимпиаде, а о будущем страны.

Ещё с 2015 нужно было переориентироваться на Китай - и в оборудовании и материалах. Но сделать это можно было лишь силами правительства, привязав объёмы экспортируемых нами энергоресурсов - к импорту нужных технологий.

Сегодня мир выпускает 20,000,000 пл/мес, за последние 20 лет введены в строй более ста заводов 300 мм суммарной мощность около 12,000,000 пл/мес.

В это время в Китае

Китайская компартия развивает экономику плановыми методами, т.е. разрабатывает пятилетние планы развития страны при участии академии наук и отраслевых ведомств, которые потом утверждаются Собранием народных представителей. Именно планирование и целенаправленные вложения в микроэлектронику позволило Китаю за короткий исторический срок, по сути с нуля, создать эту отрасль. Если до 1980 года в Китае не существовало микроэлектронной промышленности и еще в 1994 году только два завода фирмы Hua Jing Electronics Group выпускали МОП БИС с минимальными размерами элементов 3 мкм, то к 2001 году интегральные схемы производили уже 36 заводов. На шести из них на 150 и 200мм пластинах выпускались микросхемы по 0,5–0,35 мкм технологии (см. табл.). Всё благодаря 9-му пятилетнему плану Китая (1995–2000 гг.), одной из главных задач которого было стимулирование отечественного производства ИС и уменьшение зависимости радиоэлектронной промышленности страны от импорта полупроводников.

(Ссылка на оригинал статьи)

В каждую последующую пятилетку Китай ставил всё более и более амбициозные цели. В таблице ниже показаны конкретные задачи полупроводниковой промышленности КНР в IX–XIII пятилетках, которые неукоснительно выполнялись. С каждой пятилеткой страна впитывала передовой зарубежный опыт, училась самостоятельно проектировать всё более совершенные чипы, сокращала отставание в технологиях, выпускала всё больше микросхем. 

(Ссылка на оригинал статьи)

Страна целенаправленно подготавливала инженерные и научные кадры, создавала компании по производству технологического оборудования! По началу - локализация, потом копирование зарубежных установок, причём по каждому направлению одновременно работает несколько коллективов. К 2016 страна научилась самостоятельно производить оборудование 200 и 300мм для большинства техпроцессов (за исключением измерительного оборудования, статья на semi).

Для полноты картины - столько Китай выпускает по STEM-дисциплинам (наука, технологии, инженерия, математика) на 2016 год (ссылка). Эта сила - 4 млн инженеров в год - и обеспечивает Китаю опережающее развитие науки и техники.

Франция

Лет 10 назад у меня была возможность поинтересовался у вице-президента STMicroelectronics Алана Эстье - как они умудряются конкурировать с Китаем и развивать во Франции микроэлектронику, с их, в общем-то, скромными возможностями? Правительство финансирует R&D, а мы доводим эти технологии до массового рынка, - примерно так ответил он. 

И это никакой не секрет скажу вам. Во Франции есть государственная корпорация CEA, типа нашего "Росатома", в которую входит CEA-Leti - передовой научно-исследовательский институт в Гренобле. Этот институт и является источником новых технологий. А STMicroelectronics - между прочим, его spin-off (как нынче модно сказывать).

Франция является развитой ядерной державой мира, самостоятельно выпускает и кремниевые чипы, и собственные авто, авиацию и атомные подводные лодки. И это заслуга не “частного капитала”, а прежде всего умных людей в госструктурах. Эта страна тоже использует зарубежное производственное оборудование, но в части технологий ушла далеко вперёд России.

США

О возможных причинах мирового технологического лидерства США можно рассуждать долго. Что думают об этом сами американцы, можно прочесть здесь: “Scoring 50 Years of US Industrial Policy, 1970–2020”. Этот фундаментальный труд посвящён, как следует из названия - “промышленной политике государства”. С первых строк вы узнаете, что

Сторонники мобилизации государственной поддержки американского производства, и создания внутригосударственной «промышленной политики» — могут этого и не осознавать, но они используют подход, впервые предложенный в 1791 году Александром Гамильтоном, легендарным отцом-основателем и министром финансов при президенте Джордже Вашингтоне. 

Из раздела .посвященного полупроводниковой индустрии (semiconductors) вы узнаете, что многие достижения в микроэлектронике - это прямая государственная поддержка, финансирование и планирование. В частности, DARPA профинансировала:

• Глобальная спутниковая навигация (1960 г.)

• Компьютерная мышь (1964 г.)

• Арпанет, предшественник Интернета (1969)

• Арсенид галлия для полупроводниковых микросхем (1972 г.)

• Создание СБИС на MOS-транзисторах (1981 г.)

• Миниатюрные GPS-приемники (1983 г.)

• Системы высокой четкости, используемые в телевизорах (1989 г.)

• Интеграция полупроводников в масштабе пластины (1989 г.)

• Микроэлектромеханические системы (МЭМС) (1994 г.)

В США осознали возрастающую роль Китая в полупроводниках и подготовили закон CHIPS Act, предусматривающий строительство новых производственных мощностей.

(ссылка) Доля мировых мощностей по производству полупроводников в США снизилась с 37 процентов в 1990 году до 12 процентов сегодня. Это снижение во многом связано со значительными субсидиями, предлагаемыми правительствами наших глобальных конкурентов, которые ставят США в невыгодное положение с точки зрения строительства новых заводов. Кроме того, федеральные инвестиции в исследования в области полупроводников остались на прежнем уровне, в то время как другие правительства вложили значительные средства в исследовательские инициативы для укрепления своих собственных возможностей в области полупроводников. Письмо SIA призывает президента Байдена уделить первоочередное внимание инвестициям в полупроводники, чтобы восстановить технологическое лидерство США и выполнить цели плана администрации Байдена «Восстановить лучше, чем было».

Как видим, полупроводниковые заводы появляются не сами по себе, а в результате грамотной государственной промышленной политики.

Выводы

Это лишь частное мнение.

1. За первые 30 лет кремниевой электроники Россия создала самодостаточную отрасль, самостоятельно производила оборудование, материалы, имела технологии на уровне западных стран. За последующие 30 лет - 1992 года, страна утратила эти возможности, не производит ни станки ни материалы, имеет слабые производственные мощности по технологии 20-ти летней давности (180нм).

 Причины:  

• по ошибке (глупость, вредительство?..) упразднены Минэлектронпром, Минрадиопром, Министерство приборостроения. Создаётся впечатление, что за Минпромторгом как-бы закреплена функция «инвестиционного управляющего» (финансирование и проверки формальных критериев/правил) – без ответственности за «возврат инвестиций».

• отказ от планового управления научно-техническим развитием отрасли 

• потеря большей части внутреннего рынка для собственного производителя (ВТО).

2) За последние 10 лет, не смотря на существенное финансирование, в России не запущено ни одного производства по современным технологическим нормам. В 2011 году - 90нм на "Микроне", но даже по этой технологии, похоже, не выпускается ни одного значимого продукта (Карта "Мир" - это 180нм, 2008 год). 

Причины: 

• отсутствие внятной научно-технической политики

• развитие модели fabless-компаний, финансирование зарубежных производителей

3) Без внешней помощи, т.е. зарубежных оборудования, технологий, материалов и средств проектирования - НЕЛЬЗЯ создать в РФ конкурентную микроэлектронику. 

Нужны:

• предметный план, предусматривающий строительство и освоение в РФ новых производств, использующих оборудование, материалы, технологии и проч. – производства КНР. Возможно, встраивание российской микроэлектронной промышленности в китайский рынок.

• государственный орган, ответственный перед политическим руководством за планирование отрасли и выполнение этого Плана

• политическая и финансовая поддержка этих процессов: нефть/газ/зерно/удобрения - в обмен на технологии/оборудование (как в первые пятилетки СССР).

Будущая стратегия

В 50-60-х годах, в т.н. «десятилетие дружбы», СССР построил в КНР 156 промышленных предприятий, заложив фундамент экономического роста Китая. Пришло время добиться «возврата долга», т.е. китайскими руками построить фундамент российской индустрии, в т. ч. микроэлектронной. 

У китайских 5-летних планов есть чему поучиться. По примеру уже “старших товарищей” придётся планировать отрасль не в рыночной парадигме, а иначе. Принятые нынче показатели: «доля рынка», «увеличение объёмов продаж», «объёмы финансирования», «количество центров проектирования» и т.п. - не годятся, поскольку не отражают возможности отрасли работать самостоятельно и производить нужную государству и рынку продукцию гражданского и военного назначения. Опираться надо на цифры, которые отражают достижение правильных целей: 

Показатель 1: уровень самообеспечения интегральными ИС; дискретной ЭКБ

Показатель 2: уровень технологий и типы изделий, освоенных в производстве

Показатель 3: количество новых производств, тыс. пластин/месяц

Показатель 4: доля самообеспечения оборудованием, материалами МЭ-производства

P.S. Пора расставаться с иллюзиями, что с периферии науки и техники нашу микроэлектронику вытянут "невидимая рука рынка" или "частный капитал". На советском наследии ещё можно ехать какое-то время, экспериментируя с "дешёвыми кредитами для отрасли", "нулевыми НДС" и тому подобными "мерами поддержки" - до полной остановки. Пришло время прочесть “Положение о Министерстве электронной промышленности” 1969 года, взять оттуда суть, и заняться делом.