Как развивается мировой рынок микросхем и чего теперь ждать в России
Микросхемы повсюду: процессоры в смартфонах и компьютерах, микроконтроллеры, управляющие стиральными машинками, автомобильными двигателями, лифтами, даже современными «умными» лампочками. Объем мирового рынка полупроводниковых приборов в 2021 году составил $555 млрд — это на 26,2% больше, чем в 2020 году, а объем рынка потребительской электроники — более $1 трлн. В то время как рынок нефти и газа в среднем ежегодно растет на 12,3%, полупроводники уже называют «новой нефтью».
Краткая история микроэлектронной отрасли
Микроэлектронная индустрия относительно молода: первый транзистор появился в 1948 году, активное развитие коммерческой микроэлектроники началось в США в конце 1950-х, с микроэлектроникой же в значительной степени связаны «экономические чудеса» в азиатских странах — Японии, Южной Корее, Сингапуре и Тайване.
В 1960-е годы новые микроэлектронные компании появлялись по всему миру. Для создания успешной компании было вполне достаточно восьми толковых студентов и инвестиций, которые они могли привлечь. На эти вложения можно было оборудовать собственное производство. Через десять лет оборудование стало настолько сложнее и дороже, что стартапам пришлось использовать мощности больших компаний.
Многие слышали о законе Мура, говорящем, что число транзисторов на чипе должно удваиваться каждые полтора года. Несколько меньше известен второй закон Мура, гласящий: удваиваться должна также и стоимость постройки современной микроэлектронной фабрики. Сейчас эта цифра перевалила за $10 млрд, и уже к середине 1980-х годов иметь собственное производство совершенно стало слишком дорого для начинающих компаний.
Примерно тогда же американский инженер китайского происхождения Моррис Чан вместо того, чтобы выйти на пенсию, переехал из США на Тайвань в самый разгар трансформации местной экономики. В 1987 году Чан основал компанию Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), бизнес-моделью которой был полный отказ от разработки собственных продуктов и работа исключительно над заказами других компаний, не имеющих собственного производства. Такой подход оказался выгоден обеим сторонам: стартапы, занимающиеся разработкой, смогли сэкономить огромное количество денег и начать делать востребованные продукты с очень скромными ресурсами, а TSMC смогла уменьшить себестоимость производства за счет больших совокупных тиражей. Итогом 30 лет развития этого подхода стало практически универсальное разделение труда и узкая специализация.
Другой итог — глобализация: тайваньские фабрики открыты для всех желающих из любой точки земного шара. Это привело ко всемирному расцвету так называемых «бесфабричных» (fabless) компаний. Размер этих компаний может быть любым, от гигантов типа NVIDIA и AMD до крошечных команд из 10–20 человек. Успех модели контрактного производства был столь оглушительным, что прямо сейчас TSMC находится в десятке самых дорогих компаний мира вместе с пятью своими клиентами (Apple, Google, NVIDIA, Tesla, Amazon — все они разрабатывают собственные микросхемы и производят их на TSMC). На сегодняшний день на Тайване производится пятая часть всех микросхем мира по объему и еще больше — в денежном выражении, потому что именно тайваньские фабрики являются наиболее передовыми, и их продукция стоит дороже всего. Влияние Тайваня на глобальные экономические цепочки огромно, и правительство страны умело пользуется этим фактом для того, чтобы обеспечить себе защиту от притязаний со стороны континентального Китая.
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 еще и продать — а для этого нужно понять, какие именно микросхемы востребованы. Организация серийного производства, маркетинг, техподдержка — это очень большие задачи, которые в России часто недооценивают. 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.
В итоге многие разработчики микросхем могут себе позволить купить большую часть строительных блоков, потратив собственные силы и время только на то, что они умеют лучше всего и что делает их продукт уникальным. В некоторых случаях, впрочем, уникальность продукта может быть не в каком-то дополнительном блоке, а в знании, какая именно комбинация блоков будет хорошо продаваться. Классический пример такого подхода — российская компания «Байкал электроникс», в сжатые сроки выпустившая несколько хороших продуктов в том числе благодаря широкому использованию купленных на стороне IP.
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.
Технологическое оборудование не ограничено литографией — машины для травления, имплантации, напыления и других операций тоже сложны и дороги, хоть и менее интересны широкой аудитории. Квазимонополия голландской компании ASML в литографии относительно на слуху, но и во всех остальных технологических операциях поставщиков можно пересчитать на пальцах — LAM Research, Applied Materials, Tokyo Electron и несколько других компаний, исключительно американских и японских.
Дальше в цепочке поставок следуют многочисленные субподрядчики. Например, некоторые части для оптических систем ASML поставляет немецкая компания Carl Zeiss, источники излучения — американская Cymer.
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. Собственный китайский литограф на 28 нм уже который год находится на финальной стадии, а Huawei начали строить «независимое от Запада» производство микросхем по нормам 45 нм. 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 сложно 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 и весьма вероятно будут вынуждены соблюдать санкции. Кроме того, почти все китайские фабрики работают на западный рынок, и партнерство с Россией может быть для них риском. То же справедливо и для иностранных компаний, взаимодействующих с российской электронной промышленностью: Россия составляет 1–2% мирового рынка готовой электроники и всего 0,1–0,2% от рынка микросхем. 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.
«Микрон» обладает мощностями по крайней мере на два порядка меньшими, чем потребности российского рынка. Опубликованный 24 апреля 2022 года нацпроект по развитию электроники предусматривает постройку новых производств и выход на проектные нормы 28 нм к 2030 году, однако уже существующие российские процессоры спроектированы по более новой технологии (16 нм для «Эльбрус-16» и «Baikal-S»).
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 как иностранными клиентами, и ситуация, когда критичный экспорт будет запрещен российским правительством. Например, по оценкам тайваньских экспертов, на Россию приходится до 70% экспорта неона, и власти США считают, что Россия может ограничить поставки газа в ответ на санкции.
Неон — побочный продукт сталелитейной промышленности, и заводы по его получению и очистке обычно соседствуют с металлургическими предприятиями, которых много в России. Однако Россия не располагает мощностями по очистке газа и поэтому не влияет на предложение очищенного неона. Практически весь рынок очистки был примерно поровну поделен между китайскими и украинскими предприятиями, в частности, одесским «Криоионом» и мариупольским «Ингазом». При этом китайские предприятия ориентированы на использование в основном китайского же сырья, тогда как российский неон экспортировался на мировой рынок преимущественно через украинские очистительные компании, которые прямо сейчас полностью прекратили работу, а в будущем, вероятно, постараются отойти от сотрудничества с российскими поставщиками.
Сокращение предложения очищенного неона в два раза, безусловно, сказалось на рынке и вызвало рост цен, однако запасы на ближайшее будущее у всех основных производителей микросхем есть, а ASML еще с 2015 года реализует программу по сокращению потребления неона своими литографами. Также ожидается, что перенастройка оборудования для уменьшения частоты замены газовой смеси и внедрение повторной очистки газовой смеси позволит удовлетворить потребности отрасли исключительно китайскими поставками.
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.