Пути возрождения российской микроэлектроники

	Игорь Дулькейт, к. т. н., старший научный сотрудник ОмГТУ;
	Сергей Завьялов, к. т. н., доцент ОмГТУ;
	Валерий Левченко, к. т. н., профессор ОмГТУ;
	Константин Мурасов, к. т. н., научный сотрудник ОмГТУ

Люди старшего поколения еще помнят ту эпоху СССР, когда наша держава обладала практически полной монополией на внутреннем рынке электронной компонентной базы. Сегодня мы, к сожалению, находимся совершенно в ином положении, когда повестку дня диктуют как западные, так и восточные производители микроэлектроники. Можно ли нам вернуть утраченные позиции и что для этого сегодня предпринимается на государственном уровне? Об этом нам рассказывают ученые Омского государственного технического университета.

В условиях «виртуализации» постиндустриальной экономики, в которой сырьевые отрасли отодвигаются на второй план, а на первое место постепенно выходят наукоемкие высокотехнологические производства, главным фактором развития являются уже не энерго-, а информационные носители. Сама информация становится экономической категорией, о чем свидетельствует стремительное развитие чисто информационных корпораций, таких как Microsoft, Google, Facebook и др.

При этом традиционно технологически совершенная военная техника перестала быть движущей силой технологического прогресса, уступив лидирующие позиции в плане потребления продуктов передовых технологий системам обработки, передачи и хранения информации [1]. Более того, толчком к бурному развитию информационных технологий послужили именно их выход за рамки военной техники и широкое распространение на рынке массового потребителя. Основой информационного общества является его глобальная цифровизация, базирующаяся на достижениях микроэлектроники.

Между тем сегодня проблема электронной компонентной базы (ЭКБ) в России приобрела такую остроту, что ставит под угрозу обеспечение национальной безопасности самого государства, что было отмечено в Указе Президента РФ от 12.05.2009 № 537 (ред. от 01.07.2014) «О Стратегии национальной безопасности Российской Федерации до 2020 года» и нашло свое отражение в приказе Министерства промышленности и торговли Российской Федерации от 31 марта 2015 г. № 662 «Об утверждении отраслевого плана мероприятий по импортозамещению в радиоэлектронной промышленности Российской Федерации», а также в новой редакции Военной доктрины Российской Федерации, утвержденной Президентом РФ 25.12.2014 № Пр-2976.

Историческая справка

В 2006 г. Юрий Иванович Борисов, будучи в то время начальником Управления радиоэлектронной промышленности и систем управления ФАП, отмечал [2], что отставание такой наукоемкой отрасли, как отечественная электроника и микроэлектроника, сформировалась еще в прошлом столетии.

Обусловлено это было прежде всего ставкой на простое копирование зарубежной ЭКБ с планируемым четырех-пятилетним отставанием в ущерб развитию в СССР собственных оригинальных разработок в микроэлектронике [1]. Это создавало практически запланированный разрыв, который в начале – середине 1980-х составлял пять-семь лет, но к середине 2000-х его уже было тяжело измерить годами [2].

Если в 1990 г. отечественная электронная промышленность почти на 100% обеспечивала нужды приборостроителей как в гражданской, так и в военной сферах, то в 2005 г. на гражданском рынке доля отечественной ЭКБ не превышала 5% (рис. 1). В военной области, интегрально по всей номенклатуре – от микроэлектроники до пассивных компонентов, СВЧ-приборов и т. п., доля отечественной продукции составила всего 35%, а по продукции микроэлектроники – менее 10% [2].

Таким образом, за 15 лет Россия прошла путь от практически полной монополии на внутреннем рынке ЭКБ к почти полной его потере [3]. Главной причиной этого стал ошибочный курс на развитие сборочных производств в России, что привело к крайне широкой номенклатуре ЭКБ при достаточно низкой потребности в них. Ни один тип электронных компонентов на российском рынке не являлся экономически привлекательным для производителей, а строительство крупного микроэлектронного производства в России было нерентабельно, поскольку российский внутренний рынок был слишком мал, а внешний рынок занят [4].

Рис. 1. Структура закупок микроэлектронной ЭКБ в России в 2005 г.

С целью изменить ситуацию в середине 2000-х были разработаны «Стратегия развития электронной промышленности России на период 2007–2011 годы» и Концепция подпрограммы «Развитие электронной компонентной базы» на 2007–2011 годы Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» на 2007–2011 годы». Как отмечал Ю.И. Борисов, принимавший непосредственное участие в разработке названных документов, их главным отличием от всех предыдущих аналогичных программ была ориентация на рынок [3]. То есть во главу угла ставилось не развитие микроэлектроники как таковой, а формирование прежде всего потребности в продукции микроэлектроники, ее тесной интеграции с приборостроительными отраслями промышленности.

Эта тенденция нашла свое продолжение в ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008–2015 гг. [5], положениями которой стали перенос этапа проектирования систем, выполняющих сложные функции, на этап проектирования СБИС, а также замена основного объема сборочных операций при выпуске аппаратуры процессами интеграции элементов при изготовлении сложнофункциональной ЭКБ, которая служит блоками и узлами аппаратуры или полностью реализует функции аппаратуры в составе одной СБИС «система на кристалле».

Тенденции развития мировой микроэлектроники

Не секрет, что толчок бурному развитию микроэлектроники дал ее выход на гражданский рынок. Как показывает мировая практика, оборонный заказ не превышает 10–15% всего объема продукции микроэлектроники [2], основные объемы ее рынка сегодня – это телекоммуникационные системы общего пользования, компьютерная и офисная техника. Не обходятся без микроэлектроники автомобилестроение, гражданские авиация и морской флот. В основе этого развития лежит снижение технологических норм, переход к субмикронным технологиям и выход на наноэлектронику.

При этом прослеживается одна устойчивая тенденция – уход от ЭКБ общего применения к специализированным сверхбольшим интегральным схемам (СБИС), реализующим концепцию «система на кристалле» (system-on-chip – SoC). В конечном счете это приведет к постепенному вытеснению с рынка универсальных ЭКБ общего применения, что резко меняет стратегию развития микроэлектроники. Традиционно разработчики в области микроэлектроники, исходя из доступных технологических норм, создавали универсальные ЭКБ, которые использовались при создании радиотехнических систем различного назначения, размещая их на печатных платах. Однако сегодня складывается ситуация, когда импортная ЭКБ, которая сейчас широко используется в нашей стране, исчезнет с мировых рынков в связи с нерентабельностью и массовым переходом крупнейших мировых производителей на конечные продукты – узкоспециализированные системы класса SoC [6].

Меняется сам подход к созданию радиотехнических систем. Разработчики оборудования, используя мощные специализированные системы автоматизированного проектирования (САПР), разрабатывают системы сразу на полупроводниковом уровне, применяя виртуальную ЭКБ в виде готовых сложных функциональных (СФ) или IP (Intellectual Property) ядер и блоков (рис. 2). При этом натурное макетирование заменяется математическим моделированием функционирования системы в целом и ее составных частей.

Активное использование цифровых методов обработки сигналов и повышение производительности вычислительных устройств позволяют значительно расширить функциональные возможности радиотехнических устройств, снимая аппаратные ограничения на их реализацию, которые определяли облик этих девайсов в прошлом. Сейчас широко применяется программно-конфигурируемое радиотехническое оборудование, которое позволяет программно менять принципы его функционирования и реализовывать на базе одной аппаратной платформы функции, которые ранее реализовывались разными устройствами. Сегодня функции мобильного телефона и персонального компьютера могут без проблем выполняться одним устройством.

Традиционно сложные цифровые блоки создаются на основе хорошо отлаженной (и потому сравнительно дешевой) кремниевой (Si) технологии, которая одновременно может использоваться и для разработки радиочастотных блоков. Так, в последние годы очень интенсивно развивается технология кремний-германий (SiGe), которая практически при такой же себестоимости микросхем позволила расширить диапазон их рабочих частот до десятков гигагерц – за счет предоставления возможности одновременного использования на одном кристалле и быстродействующих HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) и традиционных кремниевых КМОП (CMOS) структур.

Рис. 2. Принцип проектирования микросистем по технологии SoC с использованием виртуальных компонентов

Сложные технологические процессы на основе кремний-германия в настоящее время предоставляются несколькими американскими и европейскими компаниями, крупнейшими из которых являются IBM, Tower Jazz (США) и IHP (Германия).

(Так фабрики или компании? И может, производятся фабриками?)

Подобные технологические процессы позволяют использовать до семи слоев металлизации (схема слоев в поперечном разрезе приведена на рис. 3), что заметно упрощает процедуру разработки топологии, особенно когда речь идет о создании сверхвысокочастотных (СВЧ) микросхем.

Рис. 3. Структура слоев кристалла в поперечном разрезе

Такой подход реализуется, как правило, путем создания дизайн-центров, использующих «fabless-схему», т. е. специализируется только на разработке и продаже микроэлектроники, но не имеет собственных производственных мощностей, а пользуется услугами так называемых OEM-фабрик (Оriginal Еquipment Manufacturer) для производства.

Вторым направлением современного развития микроэлектроники является расширение диапазона рабочих частот, причем и аналоговых, и цифровых микросхем. Развитие в данном направлении идет по пути как совершенствования традиционных, так и поиска новых технологий. OEM-фабрики предоставляют широкий спектр технологических процессов, определяющих доступные заказчику полупроводниковые структуры и материалы. Основные среди них – кремний (Si), кремний-германий (SiGe), арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN) и фосфат индия (InP).

С точки зрения полупроводниковых материалов в настоящее время на рынке СВЧ электроники наиболее емкую нишу занимают GaAs-приборы: им принадлежит около 80% мирового рынка [7]. Такая ситуация легко объяснима: подвижность электронов в GaAs-транзисторах составляет 8500 см²/(В∙с) против 1350 см²/(В∙с) в кремнии, что значительно упрощает создание высокочастотных мощных GaAs радиоэлектронных приборов, к которым относятся, например, усилители мощности сотовых телефонов. Аналогичными свойствами обладают и технологии GaN и InP, которые сейчас широко применяются при разработке высокочастотных аналоговых блоков, оперирующих с сигналами относительно большой мощности. На рис. 4 проиллюстрированы мощности и рабочие частоты, используемые различными радиотехническими системами.

Вместе с тем, у данных технологий есть и один существенный недостаток: низкая степень интеграции активных элементов, которая не позволяет создавать на едином чипе системы на кристалле с интегрированной цифровой частью, состоящей обычно из десятков тысяч транзисторов.

Рис. 4. Мощность и рабочая частота устройств, используемых в различных радиотехнических системах

Высокая универсальность кремний-германиевых (Si-Ge) технологий позволяет совмещать на одной подложке гетероструктурные биполярные транзисторы на основе кремния с базовой областью, легированной германием, со стандартными КМОП-транзисторами. В результате миниатюризации гетероструктурных транзисторов промышленно освоены транзисторы с длиной эмиттера 130 нм и толщиной базовой области порядка 20 нм. Все это определило доминирование кремний-германиевых технологий. Кремний-германиевые технологии развиваются ведущими мировыми полупроводниковыми фабриками – TSMC, Intel, Tower Jazz, Motorolla, Hitachi, IHP и NXP.

В настоящее время прилагаются значительные усилия и для вывода на рынок новой GaN-on-Si технологии, позволяющей применять на кремниевых подложках нитридные гетероструктуры [8, 9]. Это открывает возможности создания на одном кристалле как высокоинтегрированной цифровой части, так и аналоговых блоков, способных функционировать на частотах, близких к террагерцовому диапазону.

Частотные свойства радиотехнических устройств, выполненных с использованием различных технологий, иллюстрируются рис. 5.

Рис. 5. Зависимость мощности от частоты в радиотехнических устройствах, выполненных по различным технологиям

Увеличение рабочих частот оказывает влияние еще на один параметр – энергопотребление (рис. 6), который наиболее критичен для портативных радиотехнических устройств.

Рис. 6. Зависимость рассеиваемой мощности от частоты для различных технологий

Перспективы российской микроэлектроники

Предпринятые с середины прошлого десятилетия усилия по восстановлению российской микроэлектронной промышленности сегодня начинают давать свои первые результаты.

Так, на совещании о перспективах развития гражданской микроэлектроники, которое Владимир Владимирович Путин провел в Кремле в марте 2018 г. [10], отмечалось, что с 2013 г. в России реализуется государственная программа «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013–2025 годы». В ее рамках на решение научных, технических и технологических задач из федерального бюджета за пять лет выделено более 62 млрд руб. Еще свыше 35 млрд привлечено в качестве внебюджетных средств. Это повысило конкурентоспособность отрасли и позволило увеличить за пять лет объем выпуска продукции радиоэлектроники в 3,5 раза [10]. Сейчас в отрасли работает 55 дизайн-центров, однако доля их гражданской продукции на внутреннем рынке ЭКБ пока, к сожалению, невелика – примерно 12%.

На этом же совещании отмечалось, что объем внутрироссийского рынка гражданской микроэлектроники весьма внушителен – около 120 млрд руб. По мнению экспертов, в ближайшие десятилетия он будет активно расти, в частности, с учетом цифровизации экономики, развития связи пятого поколения, Интернета вещей и робототехники.

Перспективы развития микроэлектроники в России обусловлены тремя взаимосвязанными факторами.

1. Геополитическая обстановка и вводимые в отношении России все новые и новые санкции перебороли сложившееся в 90-е гг. прошлого столетия ошибочное представление: «зачем создавать свое, если все можно купить за рубежом». Оказалось, не все и не всегда. Поэтому в результате реализации государственных программ импортозамещения в самых различных сферах, включая микроэлектронику, в отдельных направлениях, например вооружение и военная техника, появились изделия, выполненные полностью на отечественных компонентах. Поскольку санкции, по-видимому, надолго, то этот импульс также является долгосрочным.
2. Меняются принципы разработки радиотехнического оборудования. Расширение технологических возможностей по созданию функционально законченных устройств по технологии SoC и перспектива исчезновения с рынка ЭКБ общего применения заставляют разработчиков оборудования постепенно уходить от традиционных методов к проектированию систем на полупроводниковом уровне, с последующим производством специализированных СБИС на OEM-предприятиях.
3. Развитие в России дизайн-центров, которые должны выйти за пределы отрасли и стать основой любого радиотехнического предприятия, и увеличивающиеся объемы разработок СБИС создадут рынок для самих OEM-фабрик, стимулируя организацию в России полупроводникового производства с современными и перспективными технологическими нормами.

Еще одной обязательной составляющей развития отечественной микроэлектроники должна стать подготовка специалистов нужной квалификации в области разработки СБИС. Причем эта подготовка должна выйти за рамки профильных вузов по радиоэлектронике и проходить, в частности, в вузах, выпускающих специалистов радиотехнического профиля. Базироваться такая подготовка должна на НИОКР в области создания СБИС, выполняемых этими вузами.

В Омском государственном техническом университете (ОмГТУ) такая работа ведется. В частности, при написании настоящей статьи были использованы материалы, полученные в ходе выполнения НИР по разработке современной отечественной СВЧ ЭКБ на основе гетероструктур, с использованием современной технологии SiGe. Эта работа проводится в соответствии с соглашением с Минобрнауки России от 26.09.2017 г. № 14.574.21.0164, в рамках выполнения ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» (Уникальный идентификатор работ RFMEFI57417X0164).

Таким образом, взятый в середине двухтысячных годов при непосредственном участии Ю.И. Борисова курс на развитие в России микроэлектроники на рыночной основе уже сегодня дает свои результаты, а серьезная государственная поддержка, прежде всего финансовая, позволяет с оптимизмом смотреть в будущее.

Литература

1. Ануфриев В. Состояние российского сектора производства микросхем для радиосистем / В. Ануфриев // Электронные компоненты. 2005. № 5.
2. Концепция и стратегия развития электроники России. Круглый стол, приуроченный к десятилетию журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, технология, бизнес» // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, технология, бизнес. 2006. № 3.
3. Борисов Ю.И. Стратегия российской электроники: Повторение пройденного или новый шаг? // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, технология, бизнес. 2006. № 4.
4. Мартынов В. «Взгляд изнутри» на развитие российской электроники // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, технология, бизнес. 2005. № 4.
5. Федеральная целевая программа «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008–2015 гг. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://fcp.economy.gov.ru/cgi-bin/cis/fcp.cgi/Fcp/ViewFcp/View/2010/246/ (дата обращения: 09.2018).
6. Алексенко А.Г. Российская электроника: новая технология радиосвязи // А.Г. Алексенко, А.А. Галицын. Hано- и микросистемная техника. 2009. № 10.
7. Белоус А.И., Мерданов М.К., Шведов С.В. СВЧ-электроника в системах радиолокации и связи: Техническая энциклопедия / А.И. Белоус, М.К. Мерданов, С.В. Шведов. M.: Техносфера, 2016.
8. Lee J.-G., Lee H.-J., Cha H.-Y, Lee M., Ryoo Y., Seo K.-S., Mun J.-K. Field plated AlGaN/GaN-on-Si HEMTs for high voltage switching applications. Journal of the Korean Physical Society, Vol. 59, No. 3, September 2011.
9. Germain M., Derluyn J., Van Hove M., Medjdoub F., das J. et. al. GaN-on-Si for power conversion. GaNCS MANTECH Conference, May 17th-20th, 2010, Portland, Oregon, USA.
10. Совещание о перспективах развития гражданской микроэлектроники. Москва, Кремль 20 марта 2018 г. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.kremlin.ru/events/president/news/57098 (дата обращения: 09.2018).