Эволюция микроэлектроники

Современный российский атомный проект включает не только реакторные технологии и ядерный топливный цикл, но и широкий спектр цифровых решений: цифровые двойники, системы управления на основе искусственного интеллекта (ИИ), суперкомпьютерное моделирование, робототехнику и сенсорные системы. Все они базируются на микроэлектронике. Направление «Критическая информационная инфраструктура» — одно из приоритетных в стратегии научно-технологического развития госкорпорации. Среди ключевых целей направления — разработка и серийное производство гетерогенных вычислительных систем, то есть сложных программно-аппаратных комплексов, объединяющих различные типы вычислительных архитектур. «Росатом» выступает одновременно как крупный заказчик электронной компонентной базы, как разработчик специализированных решений и как интегратор сложных технологических систем. Современные микросхемы — основа квантовых вычислений, новых материалов, систем управления и обеспечения безопасности атомной инфраструктуры.

В этом контексте «Росатому», решающему государственные задачи в сфере технологического суверенитета, требуются компетенции в области электронной компонентной базы, понимание структуры глобального рынка полупроводников, логики его развития, технологических и экономических ограничений.

Знание исторического контекста позволяет корректно интерпретировать структуру отрасли и расстановку сил на рынке.

А. Прохоров представил эволюцию полупроводниковых электронных компонентов в виде дерева. Его «корни» — изобретение первого точечного транзистора в 1947 году (Bell Labs). Это событие стало отправной точкой для развития индустрии. «Ствол» — логические компоненты, микроконтроллеры, микропроцессоры и направление снижения топологических норм, от грубых до самых тонких. В разные периоды появились ответвления: оптоэлектронные полупроводники, сенсоры, радиочастотные компоненты, интегральные схемы памяти, силовые элементы.

Как «приготовить» микросхему
Для того чтобы спроектировать современную микросхему с миллиардами транзисторов, нужны специализированные системы автоматизированного проектирования — EDA (Electronic Design Automation). Для ее производства требуются сырье, расходные материалы и сложное оборудование. Следующие этапы — сборка и тестирование. На каждом этапе свои сложности.

С помощью EDA разрабатывают схемы, размещают элементы на кристалле или плате, проверяют электрические и технологические правила и т. д. Также нужны IP-ядра. Это сложнофункциональные блоки, например, процессорное ядро, контроллер памяти, интерфейс PCIe, USB. С помощью EDA их интегрируют в различные проекты. Стоимость разработки передовой микросхемы исчисляется миллионами долларов и зависит от технологического процесса и нормы: при переходе от 65-нанометровой технологии к 5-нанометровой стоимость взлетает примерно в 20 раз.

Изготовление микросхемы — долгий и филигранный процесс. Пластины выпиливаются из слитка, полируются и утончаются. Затем на них наносится покрытие (например, на поверхности кремниевых пластин формируется слой диоксида кремния). Следующие шаги — нанесение фоторезиста и литография. Последняя напоминает обычную, но добавляется принцип фотографии: при печати с негатива изображение проецируется на фотобумагу с увеличением. В микроэлектронике образец крупнее рисунка на пластине, поэтому изображение при переносе на фоторезист уменьшается. Фоторезист проявляется: засвеченные области, в зависимости от применяемой технологии, либо ослабляются, либо, наоборот, становятся более устойчивыми. Так на фоторезисте формируется заданный рисунок. Затем часть фоторезиста удаляется травлением, и рисунок структуры переносится на слой материала под фоторезистом.

Следующий этап — ионная имплантация. Пластину кремния обстреливают пучком ионов, например, бора или фосфора. Они влетают в наружный слой кристалла и встраиваются в его решетку. Вследствие этого меняются электрические свойства кремния: появляются зоны p-типа (с «дырочной» проводимостью) и n-типа (с электронной проводимостью). Благодаря их чередованию формируется основа логических элементов и памяти в микросхемах. Фоторезист удаляется, и цикл повторяется — от 10 до 100 раз. После завершения последнего выполняется дайсинг — разделение пластины на кристаллы. Последние этапы — тестирование, сборка и корпусирование.

Особенности технологий
Для того чтобы получить монокристалл, надо в тигель с расплавом поликристаллического кремния опустить затравку с нужной кристаллической решеткой. Тигель вращается вместе с затравкой, и из расплава вытягивается монокристалл. Постепенно он превращается в большой слиток длиной до двух метров и массой в несколько сот килограммов. Слиток распиливают на пластины, в зависимости от диаметра имеющие разную толщину. Наиболее массовые сейчас — порядка 0,7 мм.

Как происходит фотолитографический процесс? Между источником излучения и пластиной расположена маска. Пластина находится на степпере, который последовательно перемещает ее, засвечивая отдельные области, пока вся пластина не окажется покрыта рисунком микросхем. Структура многослойная. Нижний уровень — транзисторы, выше — локальные и глобальные межсоединения. Это многослойная сетка проводников, разделенных диэлектриком. Передовая технология сегодня — литография на длине волны 13,5 нанометра. Этот размер сопоставим с молекулами ДНК и других крупных молекул. Литографическая установка оснащена сложной оптической системой, сферическими зеркалами, системой фокусировки луча. Ее стоимость — от $ 150 млн до $ 400 млн. Только одна компания в мире владеет этой технологией.

Как менялся рынок
Мировой рынок полупроводниковых электронных компонентов зародился примерно в конце 1960-х — начале 1970-х годов. На его объемы и темпы роста сильно влияют новые технологии. Так, появление персональных компьютеров спровоцировало среднегодовой рост рынка примерно на 18% в течение 1980−1988 годов. Интернет и веб-технологии дали рост порядка 6%. Они оказывали наибольшее влияние с 1990-х до начала 2010-х. Знаковые события того периода — выход Intel Pentium и первого графического процессора GeForce 256 компании NVidia. Мобильные технологии обеспечили среднегодовой рост примерно 4% с 2010 года. Тогда вышел iPhone4, изменивший представления о дизайне устройства и его возможностях в плане фото и видео. В 2024—2025 годах рост подталкивал интернет вещей. Сейчас это делает искусственный интеллект. Исторически резкие просадки рынка обусловлены внешними факторами: крахом доткомов в 2001 году, мировым финансовым кризисом 2008 года, пандемией ковида в 2020 году.

Оперативная память и интегральные схемы
Параллельно эволюционировали микросхемы оперативной памяти. В 1947 году появились первые идеи, в 1956-м — программируемая память только для чтения (ROM). В 1960-х появились статическая и динамическая оперативные памяти, в 1971-м — стираемая память (EPROM), которую можно перепрограммировать. В 1980-х родилась ее «преемница» — флеш-память, более массовая, дешевая и удобная: из нее можно стирать и записывать в нее блоки информации, она работает в переносных устройствах (на «флешках»).

Эволюционировали также интегральные схемы. Мир перешел на них с дискретных транзисторов в 1950—1960-х годах. Если в 1960-х годах на одной схеме размещали десятки транзисторов, то сегодня — миллиарды. Это стало возможным благодаря уменьшению топологических норм транзисторов с 75 мкм в 1950-х годах до сегодняшних 2 нм. Плотность транзисторов на интегральной схеме до 2005 года росла со скоростью, предсказанной Гордоном Муром (см. «Закон Мура»), затем процесс вышел на плато.

Начиная с середины 2000-х годов масштабирование транзисторов стало проблематичным из-за технологических и физических ограничений, таких как рост токов утечки и плотности тепловыделения. Из-за этого индустрия перешла к системному масштабированию. Повышение производительности теперь достигается не только за счет уменьшения размеров элементов, но и за счет архитектурной оптимизации, специализации вычислений и усложнения интеграции.

Так, традиционная планарная схема (все элементы [исток, затвор, сток] транзистора находятся в одной плоскости) примерно с 2000 года уступила технологии FinFET (от англ. fin — плавник). Канал формируется в виде вертикально ориентированного «плавника», охватывающего затвор с трех сторон. Такая архитектура позволила уменьшить токи утечки, повысить управляемость каналом и создать более миниатюрные устройства — это уже 3D-структура. Следующий этап — появление в 2020 году технологии GAAFET (Gate All Around FET), когда затвор охватывает проводник в виде нанопроволоки со всех четырех сторон. Это еще значительнее снижает утечки и повышает эффективность. Модификация этой технологии — MBCFET (Multi-Bridge Channel FET), где используются нанолисты или наноленты, также полностью охватываемые затвором.

Значимую роль в системном масштабировании сыграло развитие технологий корпусирования. Эволюция прошла путь от традиционного выводного монтажа к поверхностному, корпусам с матричным расположением выводов. Сейчас доминирует трехмерная интеграция с использованием сквозных кремниевых переходов, известных как TSV (Through-Silicon Vias). В совокупности все эти трансформации позволили повысить плотность интеграции и производительность без пропорционального уменьшения размеров транзисторов.

До 2 нм и меньше
Ведущие производители полупроводниковой продукции, такие как TSMC, Samsung Electronics и Intel, конкурируют за внедрение так называемых технологических узлов 2 нм и ниже — в ближайшие пару лет они хотят достичь размерности 1,6−1,4 нм.

На рынке полупроводниковых компонентов интегральные схемы занимают 85%, а дискретные, сенсорные и оптоэлектронные компоненты в совокупности — 15%. Цифровые интегральные схемы охватывают около 60% рынка, аналоговые — 25%. В свою очередь, сегмент цифровых интегральных микросхем делится на логические микросхемы (NIC-сектор, включающий микропроцессоры и микроконтроллеры) и микросхемы памяти.

Ключевые драйверы роста рынка — ИИ, высокопроизводительные вычисления и специализированные ускорители, включая графические и тензорные процессоры. По итогам 2025 года мировой рынок полупроводников оценивался примерно в $ 800 млрд и, согласно прогнозам, к 2030 году может превысить $ 1 трлн.