Микросхемы повсюду: процессоры в смартфонах и компьютерах, микроконтроллеры, управляющие стиральными машинками, автомобильными двигателями, лифтами, даже современными «умными» лампочками. Глобальный дефицит микросхем, вызванный пандемией, до сих пор создает непростые времена. И это на фоне роста мирового рынка полупроводниковых приборов на 26,2% по сравнению с прошлым годом.
Экосистема разработки микросхем
Современная разработка микросхем — это сильно автоматизированный процесс, обеспечиваемый сложным американским программным обеспечением. Фабрика предоставляет описания стандартных элементов технологии, библиотеки с цифровыми вентилями, память и другие базовые блоки, а дизайнеры компании сначала создают электрическую схему или ее логическое описание на специальном языке проектирования аппаратуры, внешне похожем на высокоуровневый язык программирования, после чего преобразуют это описание в топологию — по сути, послойный набор рисунков того, как физически должен выглядеть кристалл. Топология проверяется на соответствие правилам проектирования, также предоставленным фабрикой, после чего из нее делаются шаблоны для фотолитографии.
Разделение труда не заканчивается на линии «разработка-производство». Микросхему надо ее еще и продать — а для этого надо понять, какие именно микросхемы востребованы. Поэтому разработка разделилась на две ветки — создание готовых продуктов и запчастей для них. В каждой микросхеме есть какая-то особенная функциональность, но очень многие блоки одинаковые, и их можно переиспользовать из проекта в проект. Такие блоки в индустрии принято называть IP-блоками (от англ. intellectual property, «интеллектуальная собственность»), и спрос на такие блоки настолько высок, что с годами сформировался целый рынок и множество компаний, не производящих собственные продукты, а делающих базовые блоки для них. Самая известная из таких компания — британская ARM, создающая микропроцессорные ядра и лицензирующая их сотням компаний по всему миру. Например, ядра ARM стоят в 99% смартфонов.
Контрактные фабрики, в свою очередь, не тратят силы и средства на дизайн множества микросхем, а занимаются только улучшением производственного процесса. При этом они не разрабатывают производственное оборудование сами, а покупают его, собирая свой уникальный маршрут при помощи доступных на рынке элементов. Стоимость отдельных станков легко может составлять десятки или даже сотни миллионов долларов, а необходимый уровень инвестиций для разработки этих станков таков, что конкурентам приходится объединяться в отраслевые консорциумы, чтобы профинансировать такие проекты. Например, долями в крупнейшем разработчике ASML в один из периодов одновременно владели Intel, Samsung и TSMC.
Деглобализация рынка микрочипов
В 2018 году обострилось торговое противостояние США и Китая, и многие страны переоценили геополитические риски. Микроэлектроника, сильно зависимая от Тайваня, стала одной из ключевых тем деглобализации. Правительство США выделило $52 млрд на развитие собственного микроэлектронного производства и размещение на своей территории заводов TSMC и Samsung. Евросоюз выделил сравнимую сумму на создание передового производства в Европе — им займется Intel в немецком Магдебурге. Меньшие, но значительные для своих экономик суммы выделили Япония и некоторые другие страны. При этом речь идет не о полной локализации всего производственного цикла, а только о переносе акцентов в географическом распределении финальных стадий производства. Речь не идет ни о новых разработках производственного оборудования, ни о принципиальном изменении географии цепочки поставок: современная микроэлектроника все еще остается очень глобализованной отраслью.
Единственное исключение — Китай, который уже много лет работает над программой практически полного импортозамещения микроэлектроники, включая все необходимое для этого машиностроение. Впрочем, достигнув довольно серьезных успехов в сокращении разрыва и локализации производства, в последние пару лет Китай явно испытывает сложности с тем, чтобы пройти несколько последних шагов. Если мы сравниваем китайскую промышленность с общемировой, то TSMC уже начали выпускать микросхемы с нормами 4 нм, а в Китае вот уже несколько лет лучшими доступными проектными нормами остаются 14 нм, причем сделанные с использованием оборудования ASML. Успехи и неудачи китайского подхода демонстрируют сложность задачи импортозамещения даже для самой большой экономики мира.
Российская микроэлектроника: курс на импортозамещение
Первой системной попыткой поднять отрасль была принятая правительством в 2007 году «Стратегия развития электронной промышленности России на период до 2025 года», в рамках которой было прописано несколько подпрограмм, ни одна из которых не достигла заявленных целей ни по технологическому уровню, ни по объемам продаж — запланированных к 2015 году ₽300 млрд не достигли в 2020 году. Программы развития неоднократно корректировались, текущая рассчитана на срок от 2020 до 2030 года.
Даже в лучшие годы речь шла о финансировании только отдельных «флагманских» проектов, например, покупки на завод «Микрон» копии французской фабрики STM или многолетнего развития микропроцессоров «Эльбрус» — и именно о государственном финансировании, в основном завязанном на нужды оборонно-промышленного комплекса.
Большинство нашумевших проектов нескольких последних лет рассчитаны в первую очередь не на открытый рынок, а на закупки со стороны госструктур. Так, процессоры «Эльбрус» и «Байкал» целятся в «автоматизированные рабочие места», системы хранения данных, серверы и другие корпоративные продукты. «Миландр» производит микроконтроллеры для счетчиков электроэнергии, «Элвис-неотек» — процессоры для камер наружного наблюдения.
Основная причина отсутствия частной и ориентированной на рынок микроэлектроники в России — ее низкая инвестиционная привлекательность по сравнению с ИТ. Стартовые инвестиции даже для очень маленьких проектов исчисляются миллионами долларов, а реалистичный срок выхода компании на самоокупаемость — порядка семи лет. В России практически невозможно иметь такой горизонт планирования, поэтому логично, что существующие проекты ориентированы в первую очередь на госзаказ и использование административного ресурса для привлечения якорных клиентов. Весь 2021 год не утихали дискуссии по поводу сроков обязательного внедрения российских микропроцессоров в системы хранения данных и критериев оценки отечественного происхождения той или иной аппаратуры.
Еще одним следствием хронического недофинансирования отрасли стала закономерная ориентация на fabless-модель. Годовые вложения в разработку Intel составляют $15 млрд, в то время как годовые вложения во всю российскую микроэлектронику, согласно принятой в позапрошлом году «Стратегии развития электронной промышленности до 2030 года», в 15 раз меньше — ₽75 млрд, что, впрочем, заметно больше по сравнению с предыдущими годами.
В начале 2000-х разработка в России с последующим производством за границей позволила дать дизайнерам опыт работы с современными технологиями. Вероятно, предполагалось, что со временем эти современные технологии станут доступны и в России, но на практике этого так и не случилось. Тем не менее, по состоянию на середину февраля 2022 года, в России имелась хорошая инженерная школа и несколько десятков больших и маленьких команд, разрабатывающих цифровые схемы мирового уровня, в том числе по проектным нормам 7 нм и 5 нм. Эти компании были полностью встроены в мировую экосистему: заказывали производство на Тайване, в Германии, в Малайзии, Сингапуре и других странах, покупали IP-блоки в Великобритании, Франции и США, пользовались американским ПО для разработки и верификации. Но речь всегда шла об отдельных критически важных проектах, а не о создании широкой линейки потребительских микросхем и даже не о закрытии всех потребностей оборонно-промышленного комплекса.
Рынок микропроцессоров представлен сразу «Эльбрусом» и «Байкалом», при этом до сих пор нет отечественных программируемых микросхем FPGA (field-programmable gate array, программируемых пользователем вентильных матриц), ограниченный выбор аналого-цифровых преобразователей. Если же говорить о микросхемах, полностью разработанных и произведенных на территории России, то самые маленькие проектные нормы, доступные для серийного производства — это 180 нм и 90 нм, а самые передовые микросхемы — билеты для метрополитена и аналоги американских аэрокосмических микросхем двадцатилетней давности.
Что происходит с отраслью сейчас
На сегодняшний день все крупные фабрики и поставщики ушли с российского рынка или объявили, что будут соблюдать многочисленные санкции, под которыми находятся не только поставки для российского ВПК и госструктур, но и завод «Микрон», а также разработчик «Эльбрусов» МЦСТ и «Байкал электроникс». С вебсайтов большинства не попавших под санкции микроэлектронных компаний пропала значительная часть информации, касающаяся сотрудничества с иностранными фабриками. В среднесрочной перспективе возможно сотрудничество с Китаем, но китайские производства все еще зависимы от американских технологий. Уйти с такого рынка большинству производителей проще, чем решать возникающие репутационные и санкционные проблемы. Об уходе из России уже объявили Intel, AMD, NVIDIA, крупнейший поставщик промышленных чипов Infineon и другие компании. Многие сделали это несмотря на то, что их продукция не попадает под санкции, из которых исключена потребительская электроника, такая как компоненты для компьютеров и телефонов.
«Микрон» находится под санкциями с 2014 года, «НМ-тех» (наследник «Ангстрема-Т») попал под недавние санкции, наложенные на «ВЭБ.РФ». Несмотря на то, что оба производства физически находятся в Зеленограде, они использовали значительное количество импортного сырья и расходных материалов, и существенная часть этих материалов не была после 2014 года ни локализована, ни замещена на материалы китайского производства. Сейчас производство продолжается, но стоит вопрос восполнения санкционных потерь.
Ситуация с вовлечением российских производственных компаний в мировую экосистему остается неясной. Этих компаний и так считанные единицы, например «ЭуФ Лабс» занимается отдельными деталями литографов и сотрудничает с ASML, ставропольский «Монокристалл» занимает почти половину мирового рынка сапфировых подложек для светодиодов, а российский неон активно используется как расходный материал для литографов. Вполне вероятны и ситуация, когда российские компании будут выдавливаться из цепочек поставок иностранными клиентами.
Аналогичная ситуация складывается и с другими статьями чувствительного для мировой микроэлектроники экспорта — его ограничения могут быть неприятны и скажутся на ценах, но не приведут к коллапсу мирового рынка и потому не могут быть использованы на государственном уровне для получения реальных политических выгод.
По материалам РБК