Процессоры как ключ к могуществу Глеб МОРДОВЦЕВ, ИТ-специалист
Современный мир, а также мир будущего невозможно представить без компьютерных технологий, основу которых составляют процессоры. Термины чип, полупроводник, контроллер и др. давно вышли из сферы технического знания, а то, что они обозначают, стало фактором не только повседневной жизни, но даже большой политики. Впрочем, процессоры нас интересуют сугубо с инженерной и экономической точек зрения.
Чудо инженерной мысли
Процессор — это обычно маленькое, но очень сложное устройство, мозг компьютера или смартфона. Электронная схема, которая выполняет огромное количество операций в маленький отрезок времени. Если постоянная память отвечает за длительное хранение данных, а оперативная — за запущенные в конкретный момент программы, то процессор — это центр мгновенных вычислений. Что бы вы ни сделали на своем телефоне — запустили игру, ответили на звонок или просто бесцельно нажали на экран, — все это обрабатывается в процессоре.
Мощный процессор — необходимая деталь для любого устройства сложнее холодильника. Строго говоря, в холодильниках тоже установлены процессоры, но требования к ним намного ниже и устройство их проще. Процессоры обычно называют микроконтроллерами. Они конструируются для выполнения специфических задач и не могут быть использованы в более сложной технике. Вытащить микроконтроллер из стиральной машины и вставить в ракету — это фантазия.
Как любое другое электронное устройство, процессор состоит из транзисторов — маленьких деталей, способных пропускать или нет электрический заряд через себя. Устройство постоянной памяти отличается от устройства процессора, но кирпичики, из которых оба созданы, одинаковы по сути. Ядра процессора — это тоже схемы из транзисторов, удивительно маленьких, работающих поразительно быстро и слаженно.
Процессор характеризует множество параметров: количество ядер, кэш-память, базовая частота. Все это необходимо учитывать при покупке компьютера, чтобы знать, какую скорость вычислений он может развить. А с точки зрения производства гораздо важнее параметр той машины, которая способна этот процессор напечатать. То есть техпроцесс, который определяет, насколько тонкий и точный инструмент используется для нанесения схемы процессора на кремниевую плиту, насколько детально можно нарисовать транзисторы и связывающие их дорожки на исчезающе маленькой пластинке. Чем меньше значение техпроцесса, тем лучше. И именно в этом параметре кроется вся сложность создания компьютерных мозгов.
Разделение труда
Как в мире организовано производство процессоров? В 1980-х годах занимающиеся этим непростым делом компании назывались IDM (Integrated Device Manufactured). Они делали все самостоятельно: разрабатывали, производили и продавали процессоры. Самым ярким примером такого типа бизнеса, дожившего до наших дней, остается Intel. Однако около 20 лет назад многие компании осознали, что полный производственный цикл очень тяжел финансово и доступен только сверхгигантам. Игроки рынка разделились на тех, кто разрабатывает процессоры (Fabless), и тех, кто их производит (Foundry). Новая практика довольно быстро показала свою устойчивость, и сейчас она широко распространена в мире. В частности, известная AMD — это Fabless, у нее нет своих производственных мощностей. Завод в Дрездене компания давно продала, теперь им владеет отдельная Foundry под названием Global Foundries. В России появились фирмы, работающие по той же модели, — например, «Миландр», «Микрон», «Байкал электроникс», «Эльбрус» и др.
На Тайване расположено самое крупное и высокотехнологичное Foundry в мире — TSMC. Ее завод производит 60–80 % всей микроэлектроники планеты. Там размещают заказы огромное количество компаний, в том числе российские. Если же говорить о локальном производстве процессоров, то здесь ситуация сложнее. Сейчас в России единственный полноценно работающий завод — это «Микрон». К ним можно прийти со своей схемой процессора или микросхемы, и они создадут готовый продукт. Но технологии, имеющиеся у «Микрона», в данный момент позволяют достичь техпроцесса лишь в 65 нм (100 нанометров = 0,0000001 миллиметра. — Ред.). При том что в декабре 2022 года TSMC объявила, что добилась уровня техпроцесса в 3 нм. Нетрудно догадаться, что там, где есть возможность производить чипы в 20 раз точнее, уровень технологического прогресса будет на порядок выше.
Текущее состояние высокопроизводительных процессоров общего назначения «Эльбрус» и «Байкал» — уровень Intel 10-летней давности. Звучит пессимистично, но на самом деле это большое достижение, потому что у российских команд намного меньше ресурсов и инфраструктуры. Так, процессор Baikal-M для ноутбуков вряд ли сможет тягаться с аналогичными устройствами Intel. Он гораздо более скромный чип, но и требуется не для портативной электроники, а для станков, роутеров и промышленного оборудования. Такой чип можно смело сравнивать с западными аналогами. Если и проиграет в сравнении основных характеристик производительности, то ненамного. Дизайн процессоров в России также находится на хорошем уровне. Если обеспечивать отечественные Fabless-компании ресурсами и поддержкой, то в течение нескольких лет они смогут разработать очень конкурентные устройства. В 2021 году этим начала заниматься YADRO, приобрела компанию Syntacore, занимающуюся разработкой процессорных ядер на базе архитектуры RISC-V, чтобы с их помощью спроектировать собственный серверный процессор.
Но спроектировать процессор — это только половина работы. Его нужно произвести.
Миллион задач в секунду
Можно ли построить Foundry-завод, способный тягаться с тайваньским гигантом? Некоторые государства строят подобные предприятия, чтобы иметь возможность печатать собственные чипы как для внутреннего пользования, так и для экспорта. Помимо TSMC, на технологическом острие находятся Samsung и Intel, и в целом по миру можно насчитать десяток производств по самым передовым проектным нормам. Проблема в том, что их строительство обходится очень дорого. Современный Foundry-завод стоит десятки миллиардов долларов. В прошлом году Intel объявил о постройке новой фабрики в Германии. Только первая очередь оценивается в 17 миллиардов.
Почему так дорого? Потому что печать процессоров — это работа с невероятно маленькими деталями с помощью тончайших инструментов. Представьте себе, что нужно зафиксировать пластину в пространстве с точностью в несколько нанометров, чтобы максимально точно нарисовать на ней схему из транзисторов. Даже проезжающий в трех кварталах трамвай создаст достаточную вибрацию, чтобы нарушить весь процесс. Фундамент, на котором стоит станок, уже представляет из себя огромную технологическую сложность.
Предположим, что новенький завод построен, несмотря на астрономическую стоимость. Но кто продаст оборудование? Как показывает практика последних лет, запрет на продажу технологий некоторому кругу стран — это вполне реальный сценарий. Например, Китай еще в 2018 году отключили от поставок современных микросхем по требованию США. Поэтому Поднебесная своими усилиями производит процессоры для строящихся заводов, но пока уровня техпроцесса ниже 45 нм ей добиться не удалось. Красноречивый пример: несколько лет назад Huawei был одним из мировых лидеров в сфере мобильных телефонов. Их знаменитый Kirin производился на TSMC. Больше такого процессора не существует.
На планете нет страны, которая в одиночку способна производить всю линейку приборов и станков для печати процессоров. Даже в США, где создается очень много полупроводникового оборудования, нет производства фотолитографических систем, ключевого инструмента, который определяет техпроцесс.
Фотолитография — это процесс вытравливания в пластине тонких дорожек, на которые впоследствии лучом ультрафиолетового света наносятся различные металлы. Толщина такого луча и есть техпроцесс. Оборудование для фотолитографии сейчас делают всего в двух странах — Нидерландах и Японии.
В Нидерландах расположена компания ASML, несомненный лидер рынка. Около 80% фотолитографических машин, работающих по всему миру, созданы именно там. Конкуренцию пытаются составлять японские Nikon и Canon. Как утверждает генеральный директор ООО «Маппер» (полупроводниковая фабрика по контрактному производству микроэлектромеханических систем) Денис Шамирян, оборудование Canon по сравнению с ASML выглядит примитивно. Nikon продвинулась дальше, но по качеству все равно сильно уступает европейцам. Официальный Токио поддерживает компании на плаву фактически только для того, чтобы ASML не стала монополистом. Так что помните: небольшие Нидерланды — это не только милые тюльпаны и послушание большому заокеанскому брату, это ключевая и самостоятельная фигура на доске сверхсовременных технологий.
У станков ASML тиражи довольно маленькие, потому очень дорогие. Чтобы достичь нынешних результатов, человечество потратило десятки лет. Повторить прорыв самостоятельно означает пройти весь путь, который уже пройден с 1960-х годов.
Один станок для экстремальной ультрафиолетовой фотолиторафии, позволяющий достичь техпроцесса в несколько нанометров, стоит около 200 миллионов долларов. На фабрику их нужно несколько. Причем литография — лишь одна из нескольких десятков технологических операций, необходимых для производства процессоров. И жизненно важно, чтобы все взаимосвязанные операции были сделаны с высокой точностью и минимально допустимой ошибкой на каждом шаге.
В нынешней микросхеме содержится около 90 % таблицы Менделеева. Чтобы правильно сделать чип, все сырье должно быть сверхчистым. Например, кремниевая пластина, на которую наносятся транзисторы, — это очень тонкий блин диаметром 30 см. Чтобы его сделать, нужно вырастить кристалл кремния идеальной чистоты и очень большого размера. Это технологически сложно и дорого, ведь практически нигде больше не требуется такая колоссальная степень очистки, как при производстве процессоров. Более того, кристалл потребуется очень аккуратно разрезать на блины, затем отшлифовать, добившись идеально ровной поверхности. Ровной настолько, что, если увеличить одну пластину до размеров Германии, перепад высот должен составлять не более одного сантиметра.
Дальше — больше. Для фотолитографии нужен фоторезист. Это фоточувствительный материал, который наносят на пластину, и при засветке он меняет свои свойства так, что после проявки остается рисунок микросхемы. Производителей фоторезистов очень мало. Существуют и отечественные представители, но продукт они производят из импортного сырья.
Для работы на фабрике требуется специальная одежда, ведь в производственных помещениях должно быть гораздо чище, чем в операционных. Любая пылинка, попавшая на процессор, может привести его в негодность, а это огромные финансовые потери. В помещениях запрещены любые натуральные материалы, разрешен только пластик. Даже бумага используется специальная из полимеров. На руках у сотрудников всегда должны быть перчатки, на лицах специальные маски, более непроницаемые, чем медицинские. И даже чем противогаз!
Специальную одежду нужно стирать тоже специально. Обычная машина не подходит, нужна спроектированная так, чтобы не оставалось ворсинок. Одна такая «мечта хозяйки» стоит около 10 тысяч евро. Гель для стирки тоже нужен специальный, и его придется покупать за границей, потому что в России его не делают. Да и зачем открывать собственное производство, если геля нужно всего 10 литров в год. Ах да, после стиральной машины потребуется сушильная. И тоже специальная!
В общем, куда ни кинь, всюду целая пропасть потребностей. Для того и существует мировое разделение труда, где каждый хорошо делает свою часть работы.
Скованные одной цепью
Завод микроэлектроники требует много вложений не только при постройке, но и во время эксплуатации — вне зависимости от того, работает он или простаивает. Полупроводниковое оборудование нельзя выключать. Иначе оно выйдет из рабочего режима, а вернуть все назад очень тяжело. Например, широко используются вакуумные насосы. Они потребляют 80 % электроэнергии и включены круглосуточно. Если испортить вакуум в рабочей камере, придется целую неделю откачивать воздух до нужной кондиции. Траты на энергию и поддержание аппаратуры в рабочем состоянии непомерно высоки. И, конечно, это отражается на конечной стоимости продукции.
Старший разработчик аналоговых микросхем Валерий Шунков считает, что тиражи отечественных процессоров мизерные, потому что отсутствуют рынки сбыта. Пока нет рынков, нет больших тиражей и низких цен, а пока нет низких цен — нет рынков сбыта. Они находятся в замкнутом круге. Последние несколько лет ситуация начала сдвигаться за счет того, что госструктуры имеют возможность закупать большое количество процессоров по не совсем рыночным ценам. По сути, государство выступает якорным клиентом для отечественных производителей, чтобы позволить им нарастить тиражи. Тайвань может позволить себе низкие цены, ведь он создает процессоры для всего мира, и Россия покупает меньше процента от его объемов.
Процессор — это настоящее чудо. Одни инженеры научились буквально печатать микроскопические транзисторы на кремнии с помощью тонкого луча света. Другие научились делать машины для этого. Третьи придумали сложную архитектуру транзисторов, которые печатаются первыми на машинах вторых. В результате многолетнего упорного труда и слаженной работы создаются устройства, способные решать миллионы задач за секунды. Они доступны каждому, и от них критически зависит работа всего жизненно важного оборудования: медицинского, военного, промышленного.
Существовать в авангарде технологического прогресса можно только командой. Россия в этой сборной хоть и новичок, но с большим потенциалом и чертами сложившегося игрока. Если не держать ее на скамье запасных, а ввести в основной состав, то выиграет вся команда. То есть мощь процессоров станет еще доступнее и откроется дверь в новую эпоху.
Статья была опубликована в журнале «Человек и мир. Диалог», № 2 (11), апрель – июнь 2023 г.
