SMIC: История китайского конкурента TSMC
Введение
В истории современной микроэлектроники SMIC (Semiconductor Manufacturing International Corporation) занимает особое место. Это крупнейшая китайская контрактная фабрика чипов. История компании терниста и похожа на технологический триллер: тайваньский инженер, ушедший от лидера отрасли, судебная война с TSMC, санкции США, недоступные EUV-сканеры, и в итоге: выпуск 7-нм процессора, который стал символом китайского технологического упрямства. В этой статье мы пройдёмся по основным страницам истории китайского кремниевого гиганта.
Основатель китайской кремниевой фабрики
SMIC появилась 3 апреля 2000 года. Её основатель Ричард Чжан Цзуин, известный на Западе как Richard Chang, был инженером с многолетним опытом работы в Texas Instruments – одной из компаний, сформировавших современную полупроводниковую индустрию. Затем Чжан руководил тайваньской WSMC (Worldwide Semiconductor Manufacturing Corporation).
Ричард Чанг – отец китайской полупроводниковой промышленности. Источник:
В то время производство микросхем было почти полностью сосредоточено в США, Японии, Южной Корее и на Тайване. Китай уже производил огромные объемы электроники, но в основном собирал устройства из иностранных компонентов. Самые важные детали: процессоры, контроллеры памяти, радиочастотные чипы и микросхемы питания приходилось закупать за рубежом.
Чжан видел в этом не только рыночную нишу, но и стратегическую проблему. Его план состоял в том, чтобы построить современную кремниевую фабрику в материковом Китае и постепенно сформировать вокруг нее инженерную школу. После поглощения WSMC корпорацией TSMC этот план потерял поддержку на Тайване. Тогда Чжан переехал в Шанхай и собрал команду инженеров, многие из которых имели опыт работы в тайваньской и американской полупроводниковой промышленности.
SMIC создавалась в шанхайском технологическом районе Чжанцзян – будущей “кремниевой долине” Китая. Местные власти дали проекту землю, льготы и политическую поддержку. А международная регистрация и венчурное финансирование позволили привлечь зарубежный капитал. Уже в августе 2001 года компания начала устанавливать оборудование на первой фабрике, а в декабре получила первые работающие чипы.
Это был крайне быстрый старт для отрасли, где один завод стоит миллиарды долларов, а его запуск занимает годы.
Конфликт с TSMC
Быстрый рост SMIC вызвал тревогу у TSMC – тайваньской компании, которая к тому времени уже была главным мировым контрактным производителем микросхем. Конфликт стал особенно острым из-за перехода специалистов из Тайваня в Шанхай: в полупроводниковой индустрии инженер несет с собой не только опыт, но и знание сотен производственных нюансов, от параметров химического травления до настройки линий фотолитографии.
В декабре 2003 года TSMC подала иск против SMIC в США. Обвинения касались нарушения патентов и незаконного использования коммерческих тайн, связанных с техпроцессами 0,18 и 0,13 микрона. По позиции TSMC, сходство между отдельными технологическими решениями конкурента не могло быть случайным. В материалах дела фигурировали заявления бывших сотрудников и результаты сравнительных исследований чипов.
Зал Федерального окружного суда Северного округа Калифорнии, в который был подан первый иск. TSMC SMIC в систематической краже интеллектуальной собственности и найме более 100 бывших инженеров с целью незаконного копирования техпроцессов. Источник:
Для молодой SMIC это был удар в самый чувствительный момент. Компания как раз готовилась стать публичной, и судебный риск мог отпугнуть инвесторов.Тем не менее в 2004 году SMIC провела двойное IPO в Нью-Йорке и Гонконге. Общий объём размещения составил около 1,8 млрд долларов, однако непосредственно SMIC получила примерно 1,02 млрд долларов чистых поступлений: остальная сумма пришлась на продажу акций прежними акционерами и расходы на размещение.
Первый спор закончился мировым соглашением в 2005 году: SMIC обязалась выплатить TSMC 175 млн долларов в течение шести лет. Но мир продлился недолго. В 2006 году TSMC снова обратилась в суд, заявив, что SMIC нарушила условия предыдущего соглашения и продолжила использовать спорные технологии. SMIC, в свою очередь, пыталась оспорить действия TSMC через китайские суды, обвиняя оппонента в недобросовестной конкуренции.
Финальная развязка пришлась на 2009 год. После решения американского суда в пользу TSMC стороны заключили новое мировое соглашение. SMIC обязалась выплатить TSMC $200 млн наличными, передать пакет собственных акций и выдать варранты, позволявшие TSMC увеличить долю в SMIC примерно до 10%. Совокупная оценка пакета урегулирования составляла около $290,2 млн. Вскоре после сделки Ричард Чжан оставил руководящие посты в компании.
Этот эпизод часто трактуют только как поражение SMIC. Но для компании он также стал болезненным уроком: нельзя построить самостоятельную индустрию, опираясь только на импорт кадров и быстрое копирование уже существующих решений. Нужны собственные исследования, десятилетия инженерной практики, поставщики материалов, школы технологов и тысячи специалистов по физике процессов.
Долгая дорога к 14 нанометрам
После конфликта с TSMC SMIC не стала немедленно догонять самые передовые фабрики мира. Компания сделала более прагматичный выбор: начала наращивать компетенции на зрелых техпроцессах: 65, 55, 40 и 28 нм. Для массовой электроники такие нормы всё ещё сохраняют актуальность.
На 28 нм и более крупных техпроцессах выпускают микроконтроллеры, автомобильные чипы, контроллеры питания, радиочастотные компоненты, датчики изображения, сетевое оборудование, SIM-контроллеры и огромное количество промышленной электроники. Именно такие микросхемы формируют основу современной цифровой инфраструктуры: автомобили, маршрутизаторы, терминалы оплаты, бытовая техника и телекоммуникационные сети используют их в огромных объемах.
В 2014 году SMIC заключила технологическое соглашение с Qualcomm и получила заказ на выпуск Snapdragon 410 по 28-нм техпроцессу. Для компании это имело символическое значение: один из крупнейших американских разработчиков мобильных чипов доверил изготовление серийного продукта китайской фабрике.
Следующий рубеж был намного сложнее. При переходе на узлы тоньше 20 нм классические плоские транзисторы начинают работать хуже: растут токи утечки, усложняется управление каналом, повышается тепловыделение. Решением стали FinFET-транзисторы: структуры, в которых затвор охватывает вертикальный “плавник” канала с нескольких сторон.
Схема FinFET с двумя канальными областями на боковых стенках плавника. Источник:
В 2017 году в SMIC пришел Лян Мон-Сонг, ранее работавший в TSMC и Samsung. Он считался одним из наиболее сильных специалистов по передовым технологическим процессам и FinFET. Его переход был важен не потому, что один человек способен создать техпроцесс, а потому, что он понимал, как выстроить весь цикл: исследования, опытные пластины, контроль дефектов, производство масок, проверку выхода годных кристаллов и запуск серийной линии.
В конце 2019 года SMIC сообщила о запуске серийного 14-нм FinFET-процесса. Для мировой индустрии, где TSMC и Samsung уже двигались к 7 нм и 5 нм, это не было передним краем технологий. Но для Китая это стало принципиальным достижением: впервые крупнейшая национальная фабрика освоила современную трехмерную транзисторную архитектуру в промышленном масштабе.
Экспортные ограничения США
В декабре 2020 года США внесли SMIC в Entity List – список организаций, для которых поставки американских технологий требуют отдельной лицензии. Особенно жёстко ограничения касались оборудования и компонентов, необходимых для выпуска чипов по нормам 10 нм и ниже.
Главной проблемой стала литография. Чтобы переносить схему будущего чипа на кремниевую пластину, фабрика использует свет и фотомаски. Чем мельче элементы схемы, тем труднее “нарисовать” их с достаточной точностью. Передовые фабрики используют EUV-литографию – экстремальный ультрафиолет с длиной волны 13,5 нм. Но уже заказанный EUV-сканер не доехал до SMIC в срок из-за "неустановленной причины" на складе поставщика ещё до того, как санкции 2020 года окончательно закрыли для компании доступ к таким технологиям.
Пожар на предприятии подрядчика ASML, уничтоживший компоненты для единственного заказанного SMIC EUV-сканера. Источник:
Машины EUV выпускает только нидерландская ASML. Они стоят свыше сотни миллионов долларов, содержат десятки тысяч компонентов и относятся к наиболее сложным промышленным системам в истории. Без них производство 5-нм, 3-нм и более совершенных чипов становится намного дороже и труднее. А SMIC так и не получила доступ к EUV-оборудованию из-за экспортных ограничений.
На первый взгляд это должно было поставить предел развитию компании. Но инженеры SMIC выбрали другой путь: не самый экономичный, зато технически возможный.
7 нанометров без EUV
Вместо EUV SMIC использовала DUV-литографию – глубокий ультрафиолет с длиной волны 193 нм. Это более старое поколение оборудования. Непосредственно “нарисовать” 7-нм структуру таким светом нельзя: длина волны слишком велика. Однако существует обходной метод – многократное формирование рисунка, или multi-patterning.
Наглядное отличие DUV с многократным формированием рисунка от EUV. Multi-patterning требует 4 маски для создания рисунка, тогда как EUV способен создать тот же рисунок, используя всего одну маску. Источник:
Упрощенно процесс выглядит так: вместо одного прохода литографической машины фабрика делает несколько. После каждого прохода добавляются промежуточные слои, производится травление, осаждение и выравнивание. Один крупный шаблон постепенно превращается в более плотную сетку проводников. В случае самосовмещенного четырехкратного формирования рисунка – SAQP, нужные линии фактически “выращиваются” через дополнительные диэлектрические спейсеры.
Метод работает, но имеет цену. Каждый дополнительный этап повышает вероятность дефекта, требует больше фотомасок, времени и химических процессов. Если EUV позволяет нанести критический слой относительно прямым маршрутом, DUV-мультипаттернинг превращает его в длинную инженерную цепочку. Поэтому цикл изготовления увеличивается, а выход годных кристаллов обычно ниже.
Тем не менее в 2022 году анализ TechInsights обнаружил 7-нм чип SMIC в оборудовании для майнинга криптовалют. А в августе 2023 года история получила неожиданный публичный финал: Huawei выпустила смартфон Mate 60 Pro с процессором Kirin 9000S. После разборки устройства TechInsights установила, что чип изготовлен SMIC по 7-нм техпроцессу N+2.
Для обычного пользователя смартфон выглядел просто как новый флагман Huawei. Но для специалистов это был политический и инженерный сигнал: Китай сумел создать сложный 5G-процессор на национальной фабрике, не имея доступа к EUV-сканерам. Технологически SMIC всё ещё отставала от TSMC и Samsung по плотности, экономичности и масштабу производства. Однако сам факт выпуска такого SoC показал, что санкции не остановили развитие, а сделали его более дорогим, медленным и изобретательным.
Заключение: Почему SMIC так важна
SMIC это не полноправный китайский аналог TSMC в полном смысле слова. TSMC остается значительно впереди по передовым узлам, объемам, выходу годных чипов и доступу к оборудованию. Но значение SMIC измеряется не только размером техпроцесса.
Компания создала для Китая собственную точку опоры в производстве микросхем. Она помогла сформировать спрос на локальные химические материалы, системы травления, установки осаждения, контрольно-измерительное оборудование и инженерные кадры. Вокруг SMIC растет экосистема, в которой участвуют китайские поставщики оборудования, включая SMEE, Naura и AMEC.
Её история показывает, что современная фабрика чипов – это не столько здание, станки и деньги. Сколько накопленная культура производства, точность на атомном уровне, дисциплина процессов и способность тысяч специалистов повторять один и тот же результат на миллионах транзисторов. SMIC начинала с догоняющего стартапа, пережила конфликт с самым сильным конкурентом отрасли, лишилась доступа к передовым инструментам, но всё же сумела создать работающий 7-нм маршрут.
Именно поэтому SMIC интересна: она стала родоначальником самостоятельной инженерной школы а не типовым производителем микросхем по лицензии.
