Как устроена экосистема полупроводниковой индустрии

В прошлом году выходило много статей на темы, связанные с полупроводниковой индустрией: нехватка чипов, американский закон CHIPS, зависимость от Тайваня и TSMC, роль Китая, и т.д.



Несмотря на весь этот поток информации, мало кто понимает структуру этой индустрии. Для меня лучшим способом разобраться в чём-то сложном стало пошаговое построение диаграмм, описывающих нужную область знаний. Представляю вам небольшой обучающий материал в картинках о том, как работает индустрия.

Экосистема полупроводниковой индустрии

На наших глазах абсолютно всё переходит в цифровой вид. Полупроводниковые устройства – чипы, обрабатывающие цифровую информацию – проникли почти всюду. Они в компьютерах, автомобилях, бытовой технике, медицинском оборудовании, и т.п. В этом году компании из полупроводниковой индустрии планируют продать чипов на $600 млрд.

Картинка ниже, обрисовывающая структуру индустрии, довольно простая. Компании, входящие в эту экосистему, производят чипы (треугольник слева) и продают их другим компаниям и правительственным организациям (справа). Последние разрабатывают системы и устройства (айфоны, персоналки, самолёты, облачные серверы), в которые эти чипы встраиваются, и затем продают их потребителям, предприятиям и правительствам. Прибыль с продаж продуктов, содержащих чипы, исчисляется десятками триллионов долларов.

Но из-за своего большого размера индустрия остаётся загадочной для большинства людей. Представляя себе полупроводниковую индустрию, вы, вероятно, увидите внутренним взором работников в белых комбинезонах в чистой комнате с 12-дюймовой кремниевой пластиной-«вафлей» в руках. Но на самом деле на этих предприятиях работают с материалами поатомно, а стоимость постройки подобной фабрики исчисляется десятками миллиардов долларов. И, кстати, на этой «вафле» помещается два триллиона транзисторов.



Если заглянуть в простой треугольник, обозначающий полупроводниковую индустрию, вместо единственного производителя мы найдём там структуру из сотен взаимозависимых компаний. Целиком объять её довольно трудно, поэтому будем описывать её по частям. Это, конечно, будет упрощённое описание очень сложной индустрии.

Сегменты полупроводниковой индустрии

В полупроводниковой индустрии существуют компании семи типов. Каждый из этих типов передаёт ресурсы вверх по цепочке следующему, пока всё это не придёт на производство чипов («фабрику»), где собираются все схемы, оборудование и материалы, необходимые для производства. Если перечислять их снизу вверх, то это будет:

1. Сложные функциональные блоки (СФ-блоки).
2. Инструменты для автоматизации проектирования электронных устройств.
3. Специализированные материалы.
4. Оборудование для производства пластин.
5. Бесфабричные компании.
6. Производители интегральных устройств.
7. Фабрики по производству чипов.



Далее более подробно описывается каждый из этих сегментов.

Сложные функциональные блоки (СФ-блоки) или IP-ядра

• Права на схему чипа могут принадлежать одной компании.
• Некоторые компании продают лицензии на схемы своих чипов в виде блоков для широкого использования.
• Таких компаний около 150.
• К примеру, Apple покупает лицензии на СФ-блоки у ARM для создания своих микропроцессоров, которые затем используются в смартфонах и компьютерах.

Инструменты для автоматизации проектирования электронных устройств (EDA)

• Инженеры разрабатывают чипы (добавляя собственную функциональность поверх купленных СФ-блоков) при помощи специальных программ для автоматизации проектирования электронных устройств (EDA).
• В этой индустрии доминируют три американских производителя — Cadence, Mentor (ныне принадлежащая Siemens) и Synopsys.
• У крупной команды инженеров уходит по 2-3 года на разработку при помощи EDA сложного логического чипа, который затем в виде микропроцессора будет использоваться в телефоне, компьютере или сервере.

Диаграмма разработки чипа

Поскольку современные логические чипы постоянно усложняются, все компании-разработчики EDA начинают встраивать в свои продукты искусственный интеллект, чтобы автоматизировать и ускорить процесс разработки.

Специальные материалы и химикаты

Пока что все наши чипы существуют только в компьютере. Чтобы превратить их в нечто осязаемое, их нужно физически изготовить на фабрике. Фабрикам для производства чипов нужно закупить специальные материалы и химикаты:

• Кремниевые пластины – а для их производства нужны печи для выращивания кристаллов.
• Более 100 газов – широкого применения (кислород, азот, двуокись углерода, водород, аргон, гелий) и экзотические/токсичные (фтор, трёхфтористый азот, арсенид водорода, фосфин, трифторид бора, диборан, моносилан, и так далее).
• Жидкости (фоторезисты, покрытия, суспензии для химической полировки металлов).
• Фотошаблоны.
• Оборудование для работы с пластинами, их резки.
• Генераторы радиосигналов.

Оборудование для производства пластин

• Эти машины физически производят чипы.
• В индустрии доминирует пять компаний: Applied Materials, KLA, LAM, Tokyo Electron и ASML.
• Это одни из самых сложных и дорогих машин на планете. Они принимают на вход заготовку из кремния и манипулируют ею на атомном уровне, как на поверхности, так и под нею.
• Позже я расскажу, как эти машины используются.

Бесфабричные компании

• Системные компании (Apple, Qualcomm, Nvidia, Amazon, Facebook, и т.д.), ранее использовавшие готовые чипы, сегодня разрабатывают собственные.
• Они создают схемы чипов (при помощи СФ-блоков и собственных наработок), а потом отправляют их на фабрики для производства.
• Они могут использовать полученные чипы эксклюзивно для своих устройств – как это делают Apple, Google, Amazon.
• Или же продавать чипы всем – как AMD, Nvidia, Qualcomm, Broadcom.
• У них нет собственного оборудования для производства чипов и они не закупают специальные материалы и химикаты.
• Они используют СФ-блоки и инструменты для автоматизации проектирования электронных устройств для разработки чипов.

1

Производители интегральных устройств

• Производители интегральных устройств разрабатывают, производят на своих фабриках и продают собственные чипы.
• Они не делают чипы для других компаний (хотя в последнее время эта схема меняется).
• Они делятся на три категории – производители памяти (Micron, SK Hynix), логики (Intel) и аналоговых устройств (TI, Analog Devices).
• У них есть свои фабрики, но они могут пользоваться и другими производствами.
• Они используют СФ-блоки и EDA для разработки чипов.
• Они покупают оборудование для производства пластин, используют специализированные материалы и химикаты.
• Средняя стоимость выпуска современного чипа (по технологии 3 нм) составляет порядка $500 млн.

Фабрики чипов

• Фабрики производят чипы для заказчиков.
• Они покупают и интегрируют оборудование у разных производителей.
• Они разрабатывают уникальные процессы производства чипов на этом оборудовании.
• Они не разрабатывают сами чипы.
• В области производства лидирует тайваньская TSMC, на втором месте – Samsung.
• Некоторые фабрики специализируются на производстве чипов для аналогового оборудования, источников питания, радиооборудования, дисплеев, военных нужд и пр.
• Постройка фабрики по производству чипов нового поколения (3 нм) стоит порядка $20 млрд.

Производственные цеха

• Это то место, где производятся чипы.
• Они есть у производителей интегральных устройств (IDM) и у фабрик. Разница только в том, делают они чипы на заказ или продают сами.
• Производственный цех для чипов можно сравнить с типографским цехом:

1. Автор пишет книгу в текстовом процессоре, а инженер разрабатывает чип в программе для автоматизации проектирования электронных устройств.
2. Автор заключает договор с издателем, специализирующимся в конкретном жанре, и отправляет текст в типографию. Инженер выбирает производственный цех, подходящий для нужного типа чипа (память, логика, радио, аналоговый).
3. Типографский цех закупает бумагу и чернила. Производственный цех закупает кремний, химикаты, газы.
4. Типографский цех закупает печатное оборудование, прессы, переплётные и обрезочные машины. Производственный цех закупает оборудование для производства пластин, травления, нанесения покрытия, литографии, проверки и упаковки.
5. Для печати книги используется офсетная печать, перенос на плёнку, обрезка, светокопия, изготовление пластин, переплёт. В сложном процессе производства чипов используется травление и литография. Это что-то вроде офсетной печати на атомном уровне. Затем пластины режутся и чипы упаковывают в корпуса.
6. Типография выдаёт миллионы копий одной и той же книги. Производственный цех выдаёт миллионы копий одного и того же чипа.



Звучит довольно просто, но на деле всё очень сложно. Чипы – наиболее сложный из производимых человечеством продуктов. На диаграмме ниже показана упрощённая схема производства чипов – в реальности в ней более 1000 этапов.

Проблемы производственных цехов

• Чем плотнее становятся чипы (с триллионами транзисторов на единой подложке), тем быстрее растёт стоимость производственного цеха. Сейчас постройка одного цеха стоит более $10 млрд.
• Одна из причин роста цен – рост стоимости оборудования.
• Только одна машина для передовой литографии от нидерландской компании ASML стоит $150 млн.
• В цехе должно находиться порядка 500 машин (конечно, не все они такие дорогие, как машина от ASML).
• Устройство цеха чрезвычайно сложное. Чистая комната, где делают чипы – это только верхушка айсберга, состоящего из сложной системы труб, подающих машинам газы, энергию, жидкости в нужное время и при нужной температуре.
• Поскольку для того, чтобы оставаться на переднем крае производства, требуются миллиарды, многие компании вышли из этой гонки. В 2001 году самые передовые чипы производило 17 компаний. Сегодня их осталось две – Samsung в Корее и TSMC на Тайване.
• То, что Китай считает Тайвань своей провинцией, может стать проблемой для США.

Что будет дальше по технологиям

Если производить более плотные, быстрые и энергоэффективные чипы становится всё сложнее – что нас ждёт в будущем?

• Вместо того, чтобы взваливать всю работу на один процессор, разработчики размещают несколько специализированных процессоров внутри одного чипа.
• Чипы памяти уплотняются путём увеличения количества слоёв – их уже более 100 штук.
• Чипы разрабатывать всё сложнее, команды разработки постоянно растут. Компании, разрабатывающие EDA, встраивают в свою продукцию ИИ, автоматизирующий части процесса разработки.
• Производители оборудования для работы с пластинами разрабатывают новинки с тем, чтобы производственные цеха тратили меньше энергии, работали быстрее, эффективнее использовали производственные площади и быстрее доводили продукт до рынка.

Что будет дальше по бизнесу

Бизнес-модель производителей интегральных устройств (IDM) – таких, как Intel – быстро меняется. В прошлом вертикальная интеграция, когда у фирмы были собственные средства разработки и цеха, давала серьёзное конкурентное преимущество. Сегодня это недостаток.

У фабрик есть экономия на масштабе и стандартизации. Вместо того, чтобы изобретать всё самостоятельно, они могут использовать в своей экосистеме весь стек инноваций, и сконцентрироваться только на производстве.

AMD продемонстрировала, что можно перейти от модели IDM к модели бесфабричной компании. Intel пока пытается сделать это. В качестве фабрики для производства чипов они будут использовать TSMC, а также строить собственные фабрики.

Что будет дальше по геополитике

Контроль производства передовых чипов в XXI веке можно сравнить с контролем поставок нефти в XX. Страна, контролирующая это производство, может придушить военную и экономическую мощь других стран.

• Обеспечение непрерывных поставок чипов становится вопросом национального приоритета. Самая крупная статья Китая по импорту, выраженная в деньгах – это чипы, а не нефть.
• Сегодня США и Китай стараются как можно быстрее развязать свои экосистемы по производству полупроводников. Китай вкладывает более $100 млрд в строительство китайских производств, и пытается организовать местное производство оборудования для работы с пластинами и EDA.
• В последние десятилетия США перенесли производственные мощности в Азию. Сегодня США пытаются вернуть производства чипов обратно.

Индустрия, которая когда-то интересовала только технологов, сегодня становится предметом конкуренции крупнейших держав.