Sutilezas de producción microelectrónica

Muchos probablemente más de una vez se preguntó por qué los procesadores, tarjetas gráficas y placas base que compramos en las tiendas - diseñados y fabricados en cualquier lugar, pero no en Rusia? ¿Por qué es, en realidad, sólo podemos bomba de aceite?

¿Cuánto es el inicio de la producción de chips, y por qué, en presencia de 22 nm de la fábrica, la mayoría de los chips de todo el mundo todavía está en 180 nm-500 nm equipo "obsoleto"?

¿Cómo funciona la producción de microelectrónica y cuánto vale?

Los transistores se dibujan en la oblea por fotolitografía utilizando dispositivos llamados steppers o escáneres. Stepper - dibuja un marco (hasta 26x33mm) por completo, entonces se mueve a una nueva posición. Scanner - se desplaza simultáneamente y la placa de máscara de modo que en cada momento sólo un empate estrecha "fila" en el centro de la trama, por lo tanto la aberración del sistema óptico se ve menos afectada por la imagen. Principales steppers de características / escáneres - la longitud de onda de la luz, las que trabajan (por lámparas de mercurio i-line - 365 nm, entonces el láser excimer - 248 nm y 193 nm), y la apertura numérica de la lente. Cuanto más corta la longitud de onda, y la más grande de la abertura - los detalles más pequeños se pueden extraer de la lente de acuerdo con el límite de difracción:






Por ejemplo, uno de los escáneres más avanzados 1950i ASML NXT con una longitud de onda de 193 nm y una apertura numérica de 1.35, y k1 = 0,4 (valor normal para la fotolitografía no hay "trucos"), se obtiene la resolución teórica de 57nm. La aplicación de trucos como máscaras de fase, la exposición múltiple, la corrección de proximidad óptica, iluminación fuera de eje, la polarización de la luz - obtener hasta 22 elementos mínimos nm.

Otras opciones steppers / escáneres - rendimiento (cuántas planchas por hora que pueden procesar hasta 220 placas), y el error de alineación (cuántos nanómetros de piezas no alcanza la colocación de la placa con respecto a una posición dada en escáneres modernos -. A 3-5nm).

Steppers / escáneres de impresión reducida por 4-5 veces la imagen aquí es una máscara (una placa de vidrio con un tamaño de chip imagen aproximadamente 15x15sm) en localizaciones definidas con precisión.


Patrón de operación de impresión (con diferentes máscaras) debe repetirse por ~ 10 (para los chips más simples y viejos) a ~ 40 veces para formar todas las capas en el chip (a partir de los propios transistores, y terminando con 2-10 capas de compuestos metálicos). Entre los platos de fotolitografía operaciones sometidas a diversos tratamientos - calentar en el horno a 1100 grados, grabados en una solución y plasma. La salida permanece placa cortada en cristales individuales, y se coloca en una carcasa de prueba.

"Serenidad" medidas tecnológicas del tamaño del mínimo de los elementos dibujados (partes del transistor, como el obturador - puede ser menor o mayor que esta cifra - que es la cantidad suficiente condicional). Está claro que los transistores más pequeños - el más rápido el chip, y más cristales cabrán en la placa (pero no siempre se necesita la velocidad máxima)
.
Ahora comienza la transición lenta y dolorosa a EUV-litografía con una longitud de onda de 13.5nm y espejo óptica. Escáneres mientras más caras y más lentas que 193 nm de costumbre, y acaba de empezar a superarlos resolución alcanzable EUV.

¿Cuánto se haga su procesador?

Figuras - estimaciones aproximadas y exactas dicen a ninguna parte sin NDA.

Licencia de software por cada estación de trabajo fichas Desarrollador - de 20.000 a 100.000 dólares al año o más. Ciertamente, es posible y robar, pero detrás de todo esto alrededor de la pista.

Siguiente - hacer máscaras. Ellos no deben tener ningún daño, y su producción es muy caro: de ~ $ 7'000 por conjunto de chips en 1000 nm ~ $ 100.000 para fichas en 180nm y hasta ~ $ 5'000'000 de chips a 32nm . Pero el chip de la primera vez, probablemente no va a funcionar - y después de encontrar errores máscaras tienen que hacerlo de nuevo. Parcialmente este problema puede ser tratado mediante la colocación de los chips de prueba para muchos clientes en el mismo conjunto de máscaras - entonces todo el mundo va a conseguir un poco de chips de prueba de 1 / 3-1 / 10 Precio de juego completo de máscaras (esto se llama el traslado o MPW - múltiples oblea proyecto).

Cada placa se produce es de $ 100 a 400 para las tecnologías de edad en 1000 nm ~ $ 1000 a 180 nm y hasta ~ $ 5000 para los más modernos (aparte de nanómetros aquí tiene un impacto y complejidad de la tecnología - la simple lógica de memoria flash más barato es más caro, pero a veces ). Aquí también es importante recordar y sobre el tamaño de las placas: la producción más moderna ahora están trabajando con un diámetro de 300 placas mm - son aproximadamente el doble de la superficie de obleas de 200mm (que ahora se utilizan en la Rusia de Micron, integrales, y en el futuro tenue Angstrom-T), y el último aproximadamente el doble de los más mayores de 150 mm. Placa de gran tamaño le permite obtener los chips de bajo costo para grandes pedidos como número de gestos para la fabricación de placas de 100 es aproximadamente el mismo, independientemente del diámetro (que es una de las razones por la transición prevista para Manufactura Avanzada obleas de 450 mm en el año 2018 de acuerdo con las estimaciones más optimistas).

Supongamos que queremos desarrollar un procesador compatible x86 (o cualquier otra viruta relativamente compleja) en un más o menos moderna tecnología disponible en el mercado 28/32 nm (22 nm, aunque allí, pero las órdenes comerciales hasta el lugar - por lo que el acceso a la tecnología a veces es como el amor: el dinero no está a la venta). Pregunta al coste de las patentes omitidos, generalmente es un tema muy triste. Supongamos que usted necesita para desarrollar un míticos 200 personas-año (esto es, si hacemos un procesador modesto y no prevista en el primer lugar).

Las licencias de software - 50k $ * 100 = $ 5 millones (estimación aproximada, no todo el mundo necesita una licencia)
. Desarrolladores de Salario - dicen $ 3k * 1, 5 (impuestos) * 12 * 200 = 10.800.000 $
Prueba de funcionamiento en MPW - 2 * 1500000 $
Hacer máscaras para la producción en masa de 2 * 5 millones = $ 10 millones de dólares, (2 - porque no importa cuánto te esfuerces - vendrá la primera vez)

Total - 28.800.000 $

Era lo que se llama no recurrentes de ingeniería (NRE) - gastos no recurrentes que no dependen del volumen de producción, y el éxito del evento.

Si el procesador que han convertido la zona de 200mm2, la tecnología de placas de 300 mm de diámetro de 32 nm por valor de $ 5000, entonces tendría la placa 70690/200 = 350 cristales (enlace superior), de los cuales la obra dirá 300. Es decir, el coste del cristal - 16,6, $ 20 después de korpusirovki. ¿Cuánto se ha convertido en un procesador de este tipo puede ser vendido? $ 50? $ 100? Reste los impuestos y mark-up tiendas ...

Y ahora la pregunta - ¿cuánto vender estos procesadores para recuperar nuestra NRE, intereses sobre préstamos, impuestos, y así sucesivamente? Millones? 5 millones? Y la pregunta más importante - ¿hay alguna garantía de que estos procesadores 5.000.000 podrán vender, dado que la competencia no cuesta nada para producir 5 millones más que su producto terminado
?
Aquí es un infierno de un negocio resulta - enormes gastos de capital, grandes riesgos y beneficios razonables en el mejor.

China - resolvió el problema por su propio camino, decidieron poner todas las computadoras de la escuela con los procesadores y Linux - y el problema se resuelve con el volumen de producción ((1) (2)).

Por lo tanto, la cuestión principal al crear fichas - no cómo y dónde producir, y cómo desarrollar y que luego vender millones de unidades del producto resultante es? ¿Y cuánto cuesta construir una fábrica?

El costo de la moderna planta llega a alrededor de $ 5000 millones o más. Se obtiene Tal suma porque el costo de las licencias y otros costos fijos no dependen en gran medida del volumen de la producción - y ventajoso tener gran producción a costar "difuminada" en grandes volúmenes de producción. Y cada escáner moderno (que en realidad atrae a estos detalles 22-32nm) cuesta $ 60-100mln (la gran fábrica puede haber un par de docenas). En principio, 5mlrd - no tanto dinero en una escala nacional. Pero, por supuesto, nadie va a gastar 5000 millones sin un plan claro para el retorno de la inversión. Y es que hay una situación de este tipo - a pesar de la complejidad de la industria, sólo funcionan con un beneficio de monopolio aparente (TSMC, Intel, Samsung y algunos otros), otros apenas podían llegar a fin de mes.

Simplemente no encaja en mi cabeza - ¿cómo va a invertir miles de millones, y apenas para ganarles? Resultó todo es simple - la microelectrónica en todo el mundo la industria cruelmente subsidiado - plantas constantemente pidiendo la exención de impuestos y créditos fiscales y el dumping (en China han ido aún más lejos - planta SMIC se construyó con fondos públicos, y luego "gestionar" - lo llaman Reverse Build-Operate-Transfer). Después de la aparición de cada nueva tecnología (45 nm, 32 nm, ...) - los monopolistas primeras plantas tienen ella y cortan la renta básica, y los que vienen a 5.2.10 años después del comienzo - para trabajar prácticamente al costo. Como resultado, ganar dinero aquí es extremadamente difícil (sin monopolio y sin subsidios).

Parece que se ha realizado en Rusia - y los grandes proyectos de plantas de microelectrónica se ha aplazado, y construir la pequeña producción - a perder dinero y si se les pierde un poco. Y hasta 3.000 obleas por mes, producidos en Micron - una cabeza que cubre el volumen de consumo de boletos y cristal defensa Underground (boletos del metro, tiene un diámetro de 0.6x0.6mm, una oblea de 200 mm se obtiene 87'000 entradas en el metro - sino de la triste historia de entradas Metro voy a discutir en un próximo artículo).

Contrariamente a la creencia popular, las restricciones especiales sobre la venta de equipos para la microelectrónica en Rusia no es - se impone Vanik a la moratoria presidencial en Estados Unidos cada año, y sólo necesita recibir un permiso de exportación regulares - Jackson. Fabricantes de equipos sami tienen un gran interés para hacer más dinero, y patear a sí mismos por su parte permite. Pero, por supuesto, no hay dinero nadie hace nada. Así que para su dinero -. Todos los caprichos

Pero debemos recordar que su planta no garantiza la plena independencia de la producción, y la producción más barata en el extranjero: el costo principal es la tecnología / licencias y el costo del equipo comprado - y si su tecnología y equipo es no, y todas las importaciones - y luego conseguir más barato no se puede. Muchos suministros en todo caso tienen que ser importados. Punto delicado separado - la producción de máscaras, sólo muy grandes fábricas puede tener "su" producción de máscaras
.
¿Y cuántos nanómetros necesito para ser feliz?

Mucha gente piensa - es decir, de Intel y 22nm, 90nm y nosotros - estamos irremediablemente atrás, publicar un tractor ... Pero hay otra cara de la moneda: ven por ejemplo en la misma placa base: hay cientos de dispositivos semiconductores - MOSFET-s, conductores, suministro de chips detalle apoyo - casi todos ellos carecen de la tecnología y 1000 nm. Toda la electrónica industrial y circuitos integrados para el espacio y militar - es casi el 100% de la tecnología de 180nm y más grueso. Por lo tanto, se necesitan las últimas tecnologías sólo para CPUs (lo que hace muy difícil / costoso debido a los altos riesgos y alto umbral de mercado), y varios "zhopogreek" (iPhones, etc.). Si algo va Guerra, y Rusia perderá importación - sin "zhopogreek" puede vivir, pero sin el industrial, aeroespacial y electrónica militar - no. Es decir, de hecho, vemos que las cosas son fundamentales para el país tanto como sea posible hecho en Rusia (o comprar en la tienda), y luego, sin la cual no será posible vivir en casos extremos -. importación

Hay otros factores - el mismo costo de máscaras. Si tenemos que hacer un chip simple, hacer algo por su producción en la máscara de 32nm 5 millones de dólares - puede ser beneficioso si este chip luego producir una circulación de decenas y cientos de millones de copias. Y si tenemos que sólo 100.000 astillas - más rentables para ahorrar en máscaras y producir chips en la tecnología "de espesor". Además, el chip tiene almohadillas, que están conectados a los terminales de astillas - para reducirlos a ninguna parte, y, por consiguiente, si el área de chip comparable a la zona de placas de contacto - algo que hacer en una tecnología de chips más delgados también no tiene sentido (a menos que, por supuesto, "norma de espesor" cumplir con los requisitos velocidad y consumo de energía).

Como resultado de ello - la gran mayoría de los chips en el mundo se realiza mediante tecnologías "densas" (350-500nm y gruesa), y miles de millones de fichas que salen a la exportación a las plantas rusas (aunque en su mayoría en forma de placas) - bastante demanda y se vende (por lo que el padre tarjetas y los teléfonos celulares tienen nuestros chips y transistores de potencia - pero bajo nombres extranjeros)
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Por último, los EE.UU. F-22 Raptor, hasta que voló recientemente en un Intel 960mx procesador, desarrollado en 1984, la producción en los EE.UU. Fue entonces las normas 1000-1500nm - uno mucho zumbaban sobre lo que los estadounidenses pusieron en electrónica de aeronaves atrasados (aunque, bien, un poco zumbó). El hecho principal es no nanómetros, y la correspondencia de los términos finales de los productos de referencia.

Resumen

Elfos economía de mercado y de fabricación microelectrónica - cosas débilmente compatibles. Cuanto más dig - cuanto menos se puede ver el mercado, más subsidios, cárteles, restricciones de patentes, y otras alegrías del "libre mercado". Negocios en esta industria - es un gran dolor de cabeza, con enormes riesgos de crisis permanente de sobreproducción y ganancias sólo monopolistas.

No es de extrañar que en Rusia están tratando de tener un pequeño, pero su producción para mantener la independencia, para perder menos dinero. Ninguno de los cuales llegaron a las condiciones del mercado no pueden hablar.

Bueno, no todos los chips tienen que 22-32nm producción, la gran mayoría de la más rentable para producir patatas fritas en el equipo de 180-500nm mayores debido al costo de las máscaras y los volúmenes de producción.


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