От чипов до литографии

Хотел сегодня дорогих подписчиков "попугать" всё более реалистичным прогнозом дефолта "пузыря" ИИ-индустрии. Циферки нового будущего показать, душу покорябать ожиданием армагедона.

Но попалась интересная статейка. Зацепила. Про вчерашнее интервью и лидерство в мире микрочипов. Мнимое и реальное.

Итак, кремниевые мозги современного ИИ. Или откуда растут ноги.

Пока весь мир истерично гадает, лопнет ли пузырь ИИ, Китай и Россия, вливая миллиарды золотых монеток, не привлекая внимания строят чипы по технологии 20-летней давности. Провал? Или война? Тихая и незаметная обывателю война за выживание, а не за FPS в Cyberpunk?

Итак...

НЕМНОГО ИСТОРИИ ИЛИ ПРО "КАЛОШИ" ЛИТОГРАФИИ СОЮЗА

После того как Нойс и Килби умудрились масштабировать на пластине кремния дискретный транзистор мир незаметно захлестнула новая революция - революция микросхем или чипов. И забыв про сантиметры началась гонка нанометров.

Прадедушка современной электроники. Первый чип.

Почти все современные микросхемы производятся по планарной технологии. Это всего лишь означает, что элементы формируются слоями на плоской поверхности кремниевой пластины. Такой подход оказался наиболее удобным именно для массового производства: он позволяет одновременно создавать миллионы одинаковых элементов с высокой точностью и низкой стоимостью.

Пример простейшего решения по изготовлению транзистора по планарной схеме

Альтернативы существовали. В 1950–1960-х годах рассматривались объёмные структуры, в том числе различные варианты трёхмерной интеграции. Однако они либо оказались слишком дорогими, либо плохо масштабировались при массовом выпуске. В результате победила планарная технология, которая уже более полувека остаётся основой всей мировой микроэлектроники.

Как производят микросхемы? 

Долго и муторно. С большим процентом брака.

Производство начинается с выращивания сверхчистого монокристалла кремния. Из него нарезают пластины диаметром, как правило, 12 дюймов или 300 мм (правда есть и 8 дюймов и 18 дюймов, но сейчас одно уходит, а на второе массово перейти ещё не получается) , после чего на их поверхности десятки и сотни раз повторяются операции нанесения слоёв, литографии, травления, легирования и металлизации.

Так в современном процессоре количество таких технологических операций составляет от 60 до 150+ слоев.

Важно разделять три абсолютно разных понятия: слой транзисторов, слои металлических соединений и 3D-компоновку готовых кристаллов.

1. Слой транзисторов (Активный слой)

Вопреки популярному мифу, базовый функциональный слой в классическом процессоре по-прежнему всего один. 

• Он находится в самом низу кремниевого кристалла (так называемый FEOL — Front-End of Line).
• Именно здесь методом литографии формируются миллиарды крошечных транзисторов (в современных чипах используются трехмерные структуры FinFET или GAA/Nanosheet). 

2. Слои металлических соединений (Металл-стек)

Поскольку один транзистор сам по себе ничего не делает, их нужно связать друг с другом и с внешним миром сложнейшей сетью "проводов" из меди, кобальта или рутения. Этот этап называется BEOL (Back-End of Line).

• В современных процессорах (на техпроцессах от 3 нм до 1,4 нм) создается от 12 до 21+ слоев металлизации. 
• Для примера, у техпроцесса Intel 3 предлагаются конфигурации на 14, 18 или 21 металлический слой в зависимости от требуемой производительности чипа. 
• Чем выше слой от подложки, тем как правило толще и шире становятся соединительные дорожки (в самом низу они нанометровые, на самом верху — микронные).

3. Технологические маски и промежуточные слои

Чтобы вырастить эти 15–20 металлических уровней и один слой транзисторов, фабрике требуется провести сотни последовательных операций: нанесение диэлектриков, фоторезиста, травление, напыление металлов и полировка. Вот в итоге суммарное количество физически нанесенных слоев материала в процессе производства чипа и превышает 100–150 уровней. 

Кремниевый диск  ещё до распила на отдельные чипы

Для крупносерийного производства используются фотолитографические машины, которые проецируют изображение схемы на всю пластину с огромной скоростью. Слой за слоем. А потом их распахивают и режут. Именно так выпускаются процессоры, память и другие массовые изделия.

Ну приблизительно так их делают. Роботы

Для опытных образцов и малых серий часто применяется электронно-лучевая литография. Она позволяет рисовать структуру напрямую без фотошаблонов и обеспечивает очень высокую точность, но работает значительно медленнее и поэтому не подходит для массового производства.

Литографические машины: кто их создавал

Литография — сердце всей микроэлектроники. Именно она определяет, насколько маленькие транзисторы можно разместить на кристалле.

В 1960–1970-х годах лидерами были американские компании GCA, Perkin-Elmer и Ultratech. Именно они заложили основы промышленной фотолитографии.

Не-не-не, в этой гонке со своими калошами участвовал и СССР. И его интегральные микросхемы были самыми большими из интегральных схем! 

В рамках программы развития микроэлектроники в Зеленограде были созданы НИИМЭ, НИИТТ, «Микрон», «Ангстрем» и целый ряд специализированных предприятий. Одновременно велась разработка собственного технологического оборудования для производства микросхем, включая фотолитографические установки.

Одним из крупнейших производителей литографического оборудования социалистического блока стран стало минское предприятие «Планар». В 1970–1980-х годах оно выпускало установки совмещения и экспонирования, степперы и другое оборудование для предприятий микроэлектроники СССР. Последнее поколение советских фотолитографических установок было создано в конце 1980-х годов и по ряду решений находилось на мировом уровне своего времени.

Основная масса советской микроэлектроники работала на нормах 3–2 мкм, затем 1,5 мкм.
Самые современные советские производственные линии конца 1980-х были ориентированы на 1–0,8 мкм.
Степпер ЭМ-5084Б разработки «Планара» обеспечивал фотолитографическое разрешение 0,8 мкм. Для понимания 0,8 мкм обеспечивал передовой процессор Intel 80486  в 1989 году. А 0,6–0,5 мкм топовый Pentium в 1994–1995 годах.

А Союз... Союз, теперь оказывается, делать хорошо умел только калоши...

После распада Союза отрасль оказалась разделена между новыми государствами. Значительная часть компетенций по литографическому оборудованию осталась в Белоруссии на предприятии «Планар», тогда как основные производители микросхем сохранились в России и Белоруссии — «Микрон», «Ангстрем» и «Интеграл».

В 1980-х и 1990-х годах лидерство перешло к Японии. Компании Nikon и Canon создали целое поколение степперов и сканеров, на которых выпускалась значительная часть мировой электроники. Тогда Nikon первой вывела на рынок коммерчески успешный степпер нового поколения и долгое время считалась технологическим лидером отрасли.

Параллельно в Нидерландах появилась небольшая компания ASML, основанная в 1984 году как совместный проект Philips и ASMI. Сначала она выглядела аутсайдером по сравнению с японскими гигантами, однако сумела сделать ставку на новые поколения оборудования и постепенно заняла лидирующие позиции.

Сегодня рынок глубокого ультрафиолета (DUV) фактически делят три производителя: ASML, Nikon и Canon. Но в области экстремального ультрафиолета (EUV), необходимого для выпуска наиболее современных микросхем, сложилась уникальная ситуация — единственным промышленным производителем таких машин стала ASML.

Создание EUV-литографии потребовало более двадцати лет исследований, разработки специальных источников излучения, уникальной оптики, сверхточной механики и тысяч инженерных решений. В итоге стоимость одного современного EUV-комплекса достигла сотен миллионов долларов, а число компаний в мире, способных повторить такой проект с нуля, сегодня можно пересчитать по пальцам одной руки.

Если говорить именно о странах, которые способны самостоятельно выпускать полноценные фотолитографические установки для производства микросхем, то список сегодня очень короткий.
1. Нидерланды
Компания: ASML - единственный в мире производитель серийных EUV-литографов. Также выпускает самые современные DUV-сканеры. Само собой контролирует большую часть мирового рынка литографии.

Причём сама ASML собирает вокруг себя огромную международную кооперацию. Например, уникальную оптику для EUV-машин поставляет немецкая Zeiss, а многие ключевые компоненты разрабатываются компаниями из США, Японии и Европы.
2. Япония.  Компании: Nikon и Canon выпускают DUV-литографы, степперы и специализированные системы.EUV-программ у них сейчас нет.
3. Китай
Компания: SMEE. Не так давно ворвалась на рынок фотолитографии.  Ею серийно освоены машины для сравнительно крупных норм (около 90 нм).
Разрабатываются более современные DUV-системы, заявлены проекты вплоть до 28 нм, но они пока не достигли мирового уровня в массовом производстве.
4. Белоруссия
Компания: Планар. Наследник советской школы литографии. Производит установки совмещения, экспонирования, оборудование для микроэлектроники и ряда специальных применений.
Однако это не конкуренты современным ASML, Nikon или Canon на рынке передовых процессоров. Их ниша - более зрелые технологии, образование, специальная электроника и отдельные этапы производства.

Россия... Тут и сложно и интересно.

В Зеленограде (ЗНТЦ) без шума и пыли в эфире в 2025 году завершена разработка и начаты поставки отечественного фотолитографа с разрешением 350 нм. Машина прошла государственные испытания и уже поставляется предприятиям микроэлектроники.
Разработка велась совместно с белорусским «Планаром», то есть фактически опирается на общую советскую школу литографии.
Параллельно ведётся создание литографов уровня 130 нм с перспективой дальнейшего движения к 65 нм.
А что с США?
А вот США сегодня являются безусловным лидером по:
- проектированию микросхем;
- программам проектирования (EDA);
- лазерам;
- измерительному оборудованию;
- полупроводниковым материалам;
- многим ключевым компонентам литографов.
Но... но собственного производителя современных серийных фотолитографов уровня ASML у США сейчас нет. Компании вроде GCA и Perkin-Elmer когда-то были лидерами рынка, но затем уступили японцам, а позже ASML. И отказались от производства фотолитографических машин.

Теперь немного про реальность и современные технологии. Про ту самую новость.

ИТАК. АЛЕНЬКАЯ НО ВАЖНАЯ НОВОСТЬ

В России разработали собственную установку электронно-лучевой литографии, способную выпускать чипы на 150 нм. Её создал Зеленоградский нанотехнологический центр (ЗНТЦ).
Да, электронно-лучевая литография медленнее фотолитографии и не подходит для массового производства. Однако она идеальна для:
- научных исследований и прототипирования;
- мелкосерийного выпуска специализированных микросхем;
- космической и оборонной промышленности, где изготавливать дорогостоящие маски для каждого заказа экономически невыгодно.

НЮАНСЫ
Ну и чуть нюансов для понимания.
Техпроцесс 150 нм был анонсирован TSMC в 2000 году. Тогда же началось массовое производство, были выпущены первые чипы NVIDIA (GeForce 3 и чипы для Xbox).
Уже в 2001 году TSMC анонсировала техпроцесс 130 нм. Аналогичный переход сейчас прорабатывает ЗНТЦ (по данным открытых источников в разработке находится установка электронно-лучевой литографии с разрешением 130 нм, которую планируется запустить в 2027 году).
Тут следует уточнить - многие не знают: после 45 нм цифры в названии техпроцессов — это больше бренд поколения, а не геометрия затвора. TSMC называет свой техпроцесс "7 нм", но реальный минимальный шаг металла (metal pitch) там ~40 нм, а контактный шаг затвора — 57 нм. Плотность транзисторов — ~91 млн/мм².
У технологии "3 нм" плотность выше примерно в 2,5–3 раза, чем у "7 нм", но реальный шаг контактной ячейки там тоже около 45–50 нм.
TSMC достигла 45 нм к 2007–2008 годам. 

Если смотреть на цифры, то кажется что Россия (да и Китай) сегодня фатально отстаёт от мирового переднего края. Между ними примерно на два десятилетия. Много это или мало?
Для игрового процессора, видеокарты или построения сверхбольших LLM наверное пропасть.

Такзачем же Россия и Китай все вливают и вливают миллиарды так нужных зелёных бумажек в эти отстающие и отстающие технологии?

Игровые компьютеры, нет, на этих чипах не создать.

Но для микроэлектроники спутника, радара, промышленного контроллера, системы ПВО, космического аппарата или атомной станции - такие системы вполне рабочий и очень надежный уровень.

Несколько дней назад был пост про NVideo, которая выводит запрет на экспорт своих новых чипов в Китай. А то он слишком далеко вырвался в борьбе ИИ...

Вот и рвутся. Думают. Например, когда дядюшка Сэм из США ограничил поставки высокопроизводительных процессоров, Китай ответил созданием собственного семейства суперкомпьютерных процессоров Sunway.

Например топовый суперкомпьютер  Sunway TaihuLight построен на китайских процессорах SW26010 (ShenWei/Sunway). В системе установлено 40 960 таких чипов, каждый содержит 260 вычислительных ядер. Это полностью китайская разработка, ставшая символом технологической независимости КНР.

После SW26010 появился SW26010-Pro. Его используют в новых китайских экзафлопсных проектах (машинах класса 10¹⁸ операций в секунду). Это уже не копия западных решений, а собственная архитектура RISC с миллионами строк специализированного программного обеспечения.
Создатели Tianhe («Млечный путь») пошли другим путем. Здесь история интереснее. Да, ранние версии Tianhe использовали Intel Xeon и ускорители NVIDIA. После санкций Китай был вынужден перейти на собственные решения. В различных поколениях применялись китайские процессоры семейства Matrix, а также их отечественные ускорители и сетевые интерфейсы.
А что с ИИ-суперкомпьютерами?
Здесь Китай идёт другим путём. Если научные суперкомпьютеры строятся вокруг Sunway и специализированных процессоров, то ИИ-кластеры всё чаще собираются на:
- Huawei Ascend 910C и более новых Ascend;
- Baidu Kunlun;
- Alibaba T-Head/Zhenwu;
- Cambricon;
- Moore Threads;
- Enflame;
-Iluvatar CoreX.
То есть сегодня в Китае фактически существуют две параллельные экосистемы:
1) HPC (научные вычисления) — Sunway, ShenWei, Tianhe.
2) ИИ-вычисления — Ascend и другие китайские ускорители, которые должны заменить NVIDIA.

Нет, не самые передовые технологии, однако оказалось (если отбросить маркетинг) и их вполне достаточно для создания топовых машин петафлопсного и даже экзафлопсного класса.

А нейросети... нейросети вполне может оказаться, что строить значительно эффективнее на совсем других технологиях чем планарные. Да и смартфоны тоже...

Да, и Россия, и Китайотстали на 20 лет в гонке нанометров. Но вопрос не в строительстве игровых видеокарт. Вопрос...

У стран, кому завтра могут отключить не только почту от Google Market и Apple магазина, но и поставки электроники для оборону и медицины...

Для 150-нм чипа радиационная стойкость в космосе выше, чем у новейшего 3-нм "монстра". 

Китай уже собрал экзафлопсник на "древних" технологиях. Россия делает свой новый литограф. Нет, пока не для Марса - для Земли. 

И да, война идет не за нанометры. Третья мировая война идет за суверенитет на маленьком шарике "Земля".