Как работает микроэлектронное производство и что нам стоит дом построить?

[ Версия для печати ]
Добавить в Facebook Добавить в Twitter Добавить в Вконтакте Добавить в Одноклассники
Страницы: (5) [1] 2 3 ... Последняя »  К последнему непрочитанному [ ОТВЕТИТЬ ] [ НОВАЯ ТЕМА ]
Arty1970
7.08.2016 - 03:38
Статус: Online


КОТ, Просто КОТ

Регистрация: 10.03.11
Сообщений: 5143
292
Многие наверняка не раз задавались вопросом, почему процессоры, видеокарты и материнские платы которые мы покупаем в магазинах — разработаны и сделаны где угодно, только не в России? Почему так получается, неужели мы только нефть качать можем?

Сколько стоит запуск производства микросхемы, и почему при наличии 22нм фабрик, бОльшая часть микросхем по всему миру до сих пор делается на «устаревшем» 180нм-500нм оборудовании?

Ответы на эти и многие другие вопросы под катом.


Как работает микроэлектронное производство и что нам стоит дом построить?
 
[^]
Yap
[x]



Продам слона

Регистрация: 10.12.04
Сообщений: 1488
 
[^]
Arty1970
7.08.2016 - 03:38
Статус: Online


КОТ, Просто КОТ

Регистрация: 10.03.11
Сообщений: 5143
Как же работает микроэлектронное производство и сколько все это стоит?
Транзисторы на кремниевой пластине рисуются с помощью фотолитографии, с помощью аппаратов называемых степперами или сканерами. Степпер — рисует кадр (до 26x33мм) целиком, затем переходит на новую позицию. Сканер — одновременно сдвигает маску и пластину таким образом, чтобы в каждый момент рисовать только одну узкую «строку» в центре кадра, таким образом аберрации оптической системы меньше влияют на изображение.


Как работает микроэлектронное производство и что нам стоит дом построить?
 
[^]
Arty1970
7.08.2016 - 03:38
Статус: Online


КОТ, Просто КОТ

Регистрация: 10.03.11
Сообщений: 5143
Основные характеристики степперов/сканеров — длина волны света, на которой они работают (на ртутных лампах i-line — 365nm, затем на эксимерных лазерах — 248nm и 193nm), и численная апертура объектива. Чем короче длина волны, и чем больше апертура — тем меньшие детали могут быть нарисованы объективом в соответствии с дифракционным пределом:



Например, для одного из самых совершенных сканеров ASML NXT 1950i с длиной волны 193нм и численной апертурой 1.35, и k1=0.4(обычное значение для фотолитографии без «хитростей») получаем теоретическое разрешение 57нм. Применяя хитрости вроде фазовых масок, многократной экспозиции, оптической коррекции близости, off-axis illumination, поляризации света — получают минимальные элементы до 22нм.

Другие параметры степперов/сканеров — производительность (сколько пластин в час они могут обработать, до 220 пластин), и ошибка совмещения (на сколько нанометров в штуках промахивается позиционирование пластины относительно заданной позиции. На современных сканерах — до 3-5нм).

Степперы/сканеры печатают уменьшенное в 4–5 раз изображение вот такой маски (стеклянной пластинки с рисунком микросхемы, размер примерно 15x15см) в точно заданных местах.

Как работает микроэлектронное производство и что нам стоит дом построить?
 
[^]
Arty1970
7.08.2016 - 03:38
Статус: Online


КОТ, Просто КОТ

Регистрация: 10.03.11
Сообщений: 5143
Операцию печати рисунка (с разными масками) нужно повторить от ~10 (для самых простых и старых микросхем) до ~40 раз чтобы сформировать все нужные слои на микросхеме (начиная от самих транзисторов, и заканчивая 2–10 слоями металлических соединений). Между операциями фотолитографии пластины подвергаются различной обработке — их греют в печке до 1100 градусов, травят в растворах и плазме. На выходе остаётся пластину разрезать на отдельные кристаллы, протестировать и поместить в корпус.

«Крутость» технологии измеряют размером минимального рисуемого элемента (отдельные части транзистора, например затвор — могут быть как меньше так и больше этой цифры — т.е. это величина достаточно условная). Понятно что чем меньше транзисторы — тем быстрее работает микросхема, и больше кристаллов влезет на пластину (но не везде нужна максимальная скорость).

Сейчас начинается медленный и мучительный переход на EUV-литографию, с длиной волны 13.5nm и зеркальной оптикой. EUV сканеры пока дороже и медленнее обычных 193нм, и только-только начинают превосходить их по достижимому разрешению.
 
[^]
Arty1970
7.08.2016 - 03:39
Статус: Online


КОТ, Просто КОТ

Регистрация: 10.03.11
Сообщений: 5143
Сколько стоит свой процессор сделать?

Цифры — грубые оценки, точных нигде не скажут без NDA.

Лицензия софта на одно рабочее место разработчика микросхем — от 20'000 до 100'000$ в год и выше. Можно конечно и воровать, но за этим все вокруг следят.

Далее — изготовление масок. Они не должны иметь ни одного повреждения, и их изготовление обходится очень дорого: от ~7'000$ за комплект для микросхем на 1000нм, ~100'000$ для микросхем на 180нм и до ~5'000'000$ для микросхем на 32нм. А ведь микросхема с первого раза скорее всего не заработает — и после нахождения ошибки маски придётся переделывать. Частично с этой проблемой можно бороться размещая тестовые микросхемы от многих заказчиков на одном наборе масок — тогда все получат по чуть–чуть тестовых микросхем за 1/3–1/10 цены полного набора масок (это называют Shuttle или MPW — multi project wafer).

Каждая произведённая пластина стоит от 100–400$ для старых технологий на 1000нм, ~1000$ на 180нм и до ~5000$ для самых современных (помимо нанометров тут оказывает влияние и сложность технологии — простая логика дешевле, флеш память дороже, но не в разы). Тут также важно помнить и о размере пластин: самые современные производства сейчас работают с пластинами диаметром 300мм — они по площади примерно вдвое больше пластин на 200мм (которые сейчас используются в России на Микроне, Интеграле и в туманном будущем на Ангстрем-Т), а последние примерно вдвое больше ещё более старых 150мм. Пластины бОльшего размера позволяют получать микросхемы меньшей стоимости при большИх заказах т.к. количество телодвижений для изготовления 100 пластин примерно одинаковое, независимо от диаметра (это одна из причин планируемого перехода передовых производств на пластины диаметром 450мм в 2018 году по оптимистичным оценкам).

Допустим мы хотим разработать x86-совместимый процессор (или любую другую относительно сложную микросхему), по более-менее современной коммерчески доступной технологии 28/32нм (22нм хоть и существует, но коммерческие заказы пока не разместить — так что доступ к технологиям иногда как любовь: за деньги не продается). Вопрос со стоимостью патентов опустим, это вообще очень печальная тема. Предположим, для разработки нужно 200 мифических человеко-лет (это если мы делаем скромный процессор, не претендующий на первое место).

Лицензии на софт — 50k$*100 = 5 млн$ (грубая оценка, не всем нужны лицензии).
Зарплата разработчиков — допустим 3k$*1,5(налоги)*12*200 = 10.8 млн$
Тестовые запуски в MPW — 2*1.5 млн$
Изготовление масок для серийного производства 2*5млн$ = 10 млн$ (2 — потому что как ни старайся — с первого раза не выйдет)

Итого — 28.8 млн$

Это было то, что называется Non-recurring engineering (NRE) — единоразовые затраты, которые не зависят от объема производства, и успеха всего мероприятия.

Если процессор у нас получился площадью 200мм2, пластины по технологии 32нм диаметром 300мм стоят 5000$, то с пластины у нас получится 70690/200 = 350 кристаллов (оценка сверху), из которых работать допустим будет 300. Т.е. себестоимость кристалла — 16.6$, 20$ после корпусировки. За сколько теперь такой процессор можно будет продавать? 50$? 100$? Отнимем налоги и наценку магазинов…

И вот теперь вопрос — сколько же нужно продать таких процессоров, чтобы окупить наши NRE, проценты по кредитам, налоги и проч? Миллион? 5 миллионов? А главный вопрос — есть ли какие-то гарантии, что эти 5 миллионов процессоров удастся продать, учитывая что конкурентам ничего не стоит произвести на 5 миллионов больше их уже готового продукта?

Вот такой вот адский бизнес получается — огромные капитальные расходы, огромные риски и умеренная прибыль в лучшем случае.

Китай — решил проблему по своему, они решили во все школы поставить компьютеры со своими процессорами и Linux — и проблема с объёмами производства решена ((1) (2)).

Таким образом, главный вопрос при создании микросхем — это не как и где произвести, а как разработать и кому потом продать миллионы штук получившейся продукции?
 
[^]
Arty1970
7.08.2016 - 03:39
Статус: Online


КОТ, Просто КОТ

Регистрация: 10.03.11
Сообщений: 5143
А сколько стоит завод построить?

Стоимость современного завода подбирается к отметке 5 млрд$ и выше. Такая сумма получается потому, что стоимость лицензий и некоторых других фиксированных расходов не сильно зависит от объёмов производства — и выгодно иметь большие производства, чтобы затраты «размазывались» по бОльшему объёму продукции. А каждый современный сканер (который собственно рисует эти 22–32нм детали) стоит 60–100млн $ (на большом заводе их может быть пара десятков). В принципе, 5млрд — не такие большие деньги в масштабах страны. Но естественно, никто не потратит 5 млрд без чёткого плана по возврату инвестиций. А ситуация там такая — несмотря на всю сложность индустрии, только монополисты работают с видимой прибылью (TSMC, Intel, Samsung и немногие другие), остальные еле сводят концы с концами.

Это просто не укладывалось у меня в голове — как же так, вкладывать миллиарды, и едва–едва их отбивать? Оказалось, все просто — по всему миру микроэлектроника жесточайше дотируемая отрасль — заводы постоянно выклянчивают освобождение от налогов, льготные кредиты и демпингуют (в Китае пошли ещё дальше — SMIC заводы строит за государственный счёт, и потом ими «управляет» — это у них называется Reverse Build-Operate-Transfer). После появления каждой новой технологии (45нм, 32нм...) — первые заводы-монополисты обладающие ей и рубят основную прибыль, а те, кто приходят на 2-5-10 лет позже старта — вынуждены работать практически по себестоимости. В результате денег тут заработать крайне сложно (без монополии и без дотаций).

Это похоже поняли и в России — и проекты больших микроэлектронных заводов пока отложили, и строят маленькие производства — чтобы если и терять деньги, то терять их мало. А даже 3000 пластин в месяц, производимых на Микроне — это с головой покрывает объёмы потребления билетов Метрополитена и оборонки (кристалл билета метро имеет размеры 0.6x0.6мм, на одной 200мм пластине получается 87'000 билетов в метро — но о грустной истории с билетами метро я расскажу в одной из следующих статей).

Вопреки расхожему мнению, особых ограничений на продажу оборудования для микроэлектроники в Россию нет — на поправку Джексона — Вэника в США ежегодно накладывается президентский мораторий, и нужно только получать обычное разрешение на экспорт. Сами производители оборудования кровно заинтересованы заработать побольше денег, и сами пинают со своей стороны выдачу разрешений. Но естественно, без денег никто ничего не делает. Так что за ваши деньги — любой каприз.

Но нужно помнить и о том, что свой завод не гарантирует полной независимости производства, и не дешевле производства за рубежом: основную стоимость составляют технологии/лицензии и стоимость закупаемого оборудования — а если своих технологий и оборудования нет, и все импортировать — то и дешевле получится не может. Многие расходные материалы также в любом случае придется импортировать. Отдельный больной вопрос — производство масок, только очень крупные фабрики могут иметь «своё» производство масок.
 
[^]
Arty1970
7.08.2016 - 03:39
Статус: Online


КОТ, Просто КОТ

Регистрация: 10.03.11
Сообщений: 5143
А сколько нанометров нужно для счастья?

Многим кажется — вот, у Intel–а 22нм, а у нас 90нм — как мы безнадежно отстали, подайте трактор… Но есть и другая сторона медали: посмотрите например на ту же материнскую плату: там сотни полупроводниковых приборов — MOSFET–ы, драйверы, микросхемы питания, всякая вспомогательная мелочь — почти для всех из них хватает и 1000нм технологии. Вся промышленная электроника, и микросхемы для космоса и военных — это практически в 100% случаев технологии 180нм и толще. Таким образом, самые последние технологии нужны лишь для центральных процессоров (которые делать очень сложно/дорого из–за высоких рисков и высокого порога выхода на рынок), и различных «жопогреек» (айфонов и проч). Если вдруг случится война, и Россия лишится импорта — без «жопогреек» прожить можно будет, а вот без промышленной, космической и военной электроники — нет. Т.е. по факту мы видим, что критичные для страны вещи по возможности делают в России (или закупают впрок), а то, без чего можно будет прожить в крайнем случае — импортируем.

Есть и другие факторы — та же стоимость масок. Если нам нужно сделать простую микросхему, то делать для её изготовления по 32нм маски стоимостью 5 млн $ — может быть выгодно если эту микросхему потом производить тиражом в десятки и сотни миллионов копий. А если нам нужно всего 100'000 микросхем — выгоднее экономить на масках, и выпускать микросхему по самой «толстой» технологии. Кроме этого, на микросхеме есть контактные площадки, к которым подсоединяются выводы микросхем — их уменьшать некуда, и следовательно, если площадь микросхемы сравнима с площадью контактных площадок — то делать микросхему по более тонкой технологии также нет смысла (если конечно «толстые нормы» удовлетворяют требованиям по скорости и энергопотреблению).

В результате — подавляющее большинство микросхем в мире делается по «толстым» технологиям (350–500нм и толще), и миллиарды микросхем уходящие на экспорт с Российских заводов (правда в основном в виде пластин) — вполне себе востребованы и продаются (так что в материнских платах и сотовых телефонах есть наши микросхемы и силовые транзисторы — но под зарубежными именами).

Ну и наконец, американский F–22 Raptor до недавнего времени летал на процессоре Intel 960mx, разработанном в 1984–м году, производство в США тогда было по нормам 1000–1500nm — никто особо не жужжал о том, что американцы ставят в самолеты отсталую электронику (хотя ладно, немного жужжали). Главное ведь не нанометры, а соответствие конечного продукта техзаданию.
 
[^]
Arty1970
7.08.2016 - 03:40
Статус: Online


КОТ, Просто КОТ

Регистрация: 10.03.11
Сообщений: 5143
Резюме

Рыночная экономика эльфов и микроэлектронное производство — слабо совместимые вещи. Чем больше копаешься — тем меньше видно рынка, больше дотаций, картельных сговоров, патентных ограничений и прочих радостей «свободного рынка». Бизнес в этой отрасли — это одна большая головная боль, с огромными рисками, постоянными кризисами перепроизводства и прибылью только у монополистов.

Не удивительно, что в России стараются иметь маленькое, но своё производство, чтобы сохраняя независимость, терять меньше денег. Ни о какой прибыли на рыночных условиях говорить не приходится.

Ну и не для всех микросхем нужно 22-32нм производство, подавляющее большинство микросхем выгоднее производить на более старом 180-500нм оборудовании из-за стоимости масок и объемов производства.


VIA
 
[^]
4ifir
7.08.2016 - 03:49
35
Статус: Offline


крепкий чай

Регистрация: 3.04.12
Сообщений: 1199
спасибо, познавательно
 
[^]
Belbo
7.08.2016 - 03:50
7
Статус: Offline


lupus pilum mutat non mentem

Регистрация: 8.03.13
Сообщений: 75
Спасибо, было интересно почитать! Зелень
 
[^]
Arty1970
7.08.2016 - 03:56
10
Статус: Online


КОТ, Просто КОТ

Регистрация: 10.03.11
Сообщений: 5143
4ifir
Спасибо ) Мне тоже очень статейка понравилась) Решил поделиться.
 
[^]
7FL
7.08.2016 - 04:00
4
Статус: Offline


Ярила

Регистрация: 29.06.15
Сообщений: 5802
Arty1970
Спасибо. Действительно интересно! agree.gif
 
[^]
diogen2006
7.08.2016 - 04:06
11
Статус: Offline


Шутник

Регистрация: 28.05.15
Сообщений: 45
В детали сильно не вдавался, т.к. я совсем не специалист, но автору огромное спасибо за объяснение.
 
[^]
MiKra
7.08.2016 - 04:09
5
Статус: Offline


Ярила

Регистрация: 30.05.16
Сообщений: 4287
Спасибо, буду знать))
 
[^]
Нанонимно
7.08.2016 - 04:10
2
Статус: Offline


Герцог Мира

Регистрация: 3.10.15
Сообщений: 4992
Всепропальщикам бесполезно что-либо объяснять, всё на уровне не логики, а эмоций
 
[^]
Recept
7.08.2016 - 04:18
5
Статус: Offline


Приколист

Регистрация: 24.01.16
Сообщений: 235
ТС , Спасибо , даже мои мозги , даже с утра , вроде зашевелились .
Тут уже написали , что интересно , так еще и разжевано для восприятия
 
[^]
Бляяя
7.08.2016 - 04:18
-4
Статус: Offline


Весельчак

Регистрация: 19.03.10
Сообщений: 106
Статья 2012 года... faceoff.gif
 
[^]
ДзядзяФедя
7.08.2016 - 04:25
22
Статус: Offline


Oculus Inferno

Регистрация: 28.01.11
Сообщений: 138
Цитата (Бляяя @ 6.08.2016 - 16:18)
Статья 2012 года... faceoff.gif

т.е. за четыре года мы уже рванули в космос и яблони цветут в Большом Красном Пятне?
 
[^]
acidez
7.08.2016 - 04:26
4
Статус: Offline


Шутник

Регистрация: 23.07.14
Сообщений: 37
Цитата
Китай — решил проблему по своему, они решили во все школы поставить компьютеры со своими процессорами и Linux — и проблема с объёмами производства решена ((1) (2)).

Хитрожопость кетайцев, просто поражает lol.gif
 
[^]
OVS075
7.08.2016 - 04:33
33
Статус: Offline


Балагур

Регистрация: 18.02.12
Сообщений: 898
Цитата (acidez @ 7.08.2016 - 10:26)
Цитата
Китай — решил проблему по своему, они решили во все школы поставить компьютеры со своими процессорами и Linux — и проблема с объёмами производства решена ((1) (2)).

Хитрожопость кетайцев, просто поражает lol.gif

Не хитрожопость, а продуманность государства. Бабло не банком, а реальному производству.

Отправлено с мобильного клиента YAPik+

Это сообщение отредактировал OVS075 - 7.08.2016 - 04:33
 
[^]
W1n
7.08.2016 - 04:37
18
Статус: Offline


Ярила

Регистрация: 16.02.13
Сообщений: 1019
Цитата (Бляяя @ 7.08.2016 - 04:18)
Статья 2012 года... faceoff.gif

Тем временем, пендосы уже вовсю выпускают 14нм и целятся к 10нм, и это уже предел технологии. А дальше, в любом случае, освоение новой технологии и полная монополизация рынка. Какие у нас могут быть перспективы? А никаких.
 
[^]
bash1026
7.08.2016 - 04:40
13
Статус: Online


Пофигист

Регистрация: 7.11.09
Сообщений: 448
Цитата (Бляяя @ 7.08.2016 - 04:18)
Статья 2012 года... faceoff.gif

А там нм каждый год меняй и смысл тот же останется. И действительно для космоса противопоказаны мелкие топологии. Один пролёт частицы и хана кристаллу.
Я, в отличии от урапатриотов, вижу просерание собственных научных разработок. Купить линию и даже запустить - большого ума не надо. А наши пластины подходят только под толстенные микросхемы. С 80-х годов чище их делать не стали. Вот процент брака поэтому конский.
 
[^]
SpiritX64
7.08.2016 - 04:49
3
Статус: Offline


Балагур

Регистрация: 2.06.14
Сообщений: 954
Цитата (W1n @ 7.08.2016 - 04:37)
Цитата (Бляяя @ 7.08.2016 - 04:18)
Статья 2012 года... faceoff.gif

Тем временем, пендосы уже вовсю выпускают 14нм и целятся к 10нм, и это уже предел технологии. А дальше, в любом случае, освоение новой технологии и полная монополизация рынка. Какие у нас могут быть перспективы? А никаких.

Цитата
Многим кажется — вот, у Intel–а 22нм, а у нас 90нм — как мы безнадежно отстали, подайте трактор… Но есть и другая сторона медали: посмотрите например на ту же материнскую плату: там сотни полупроводниковых приборов — MOSFET–ы, драйверы, микросхемы питания, всякая вспомогательная мелочь — почти для всех из них хватает и 1000нм технологии.
 
[^]
AlexDLM
7.08.2016 - 04:50
5
Статус: Offline


Как же это ох..о накатить с утра водчары

Регистрация: 3.04.10
Сообщений: 1982
Цитата (Arty1970 @ 7.08.2016 - 05:56)
4ifir
Спасибо ) Мне тоже очень статейка понравилась) Решил поделиться.

Действительно, статья интересная. Но старая пипец.
http://www.yaplakal.com/forum2/topic492953.html
 
[^]
W1n
7.08.2016 - 05:15
40
Статус: Offline


Ярила

Регистрация: 16.02.13
Сообщений: 1019
SpiritX64
Чем меньше технологии, тем выше кпд! Будь то полезная нагрузка на ракете, или вес электронной начинки самолета, наконец тот же 25кг накопитель может быть 15кг! Если есть технология, то уже в процессе эксплуатации допиливается надежность. В статье скромно написали, что рапторы до недавнего времени летали на старых процессорах, но уже получается как четыре года летают на современных процессорах.
Вот и сами сравните чисто теоретически, два одинаковых самолета, один с электроникой 70ых годов, второй с современной начнкой. У какого самолета будет больше возможностей? У современного, это очевидно! Вопрос в надежности, но такой же вопрос уже стоял в 70ых годах и был решен, значит и сейчас можно решить. Наверно, сейчас нет нужды внедрять все гражданские технологии в военку и космос, потому что это одни убытки бесполезные.
Если завтра обама(Япония, Корея, Китай, Европа и Сша) объявит полную блокаду России? Лет пять протянем на запасах электроники, потом что? Китайцы не продадут, т.к у них самих только ширпотреб, да им выгодно, что бы мы сгинули. Есть реальный вариант, скатиться по уровню жизни лет на сорок назад, когда электронный калькулятор был пиком развития науки. Но и большей части советского наследия уже нет, даже калькулятор тяжело будет собрать.
Какой выход? Уж точно не сидеть сложа руки. Надо налаживать производство элементарных вещей. Холодильники, телевизоры, телефоны, мебель, окна, да блять что угодно. Хотя бы начать с тех же станков, что бы собирать элементарные вещи. Да какой там, нахуй никому не надо. Только вот сомневаюсь, что лет через двадцать, когда советское железо догниет, наша страна останется в тех же границах.
 
[^]
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии. Авторизуйтесь, пожалуйста, или зарегистрируйтесь, если не зарегистрированы.
1 Пользователей читают эту тему (1 Гостей и 0 Скрытых Пользователей) Просмотры темы: 29707
0 Пользователей:
Страницы: (5) [1] 2 3 ... Последняя » [ ОТВЕТИТЬ ] [ НОВАЯ ТЕМА ]


 
 



Активные темы








Наверх