eng
Выпуск #2/2025
М. Макушин
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ: ДО 2027 ГОДА УСТОЙЧИВЫЙ РОСТ ЗАКУПОК
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ: ДО 2027 ГОДА УСТОЙЧИВЫЙ РОСТ ЗАКУПОК
Просмотры: 839
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.243.2.80.92
Мировая полупроводниковая промышленность вступает в новый инвестиционный цикл: в период с 2025 по 2027 год на закупку оборудования планируется израсходовать около
400 млрд долл. Рост инвестиций обусловлен увеличивающимся спросом на перспективные полупроводниковые технологии.
Мировая полупроводниковая промышленность вступает в новый инвестиционный цикл: в период с 2025 по 2027 год на закупку оборудования планируется израсходовать около
400 млрд долл. Рост инвестиций обусловлен увеличивающимся спросом на перспективные полупроводниковые технологии.
Теги: 300 mm wafers 300-мм пластины advanced technologies investments silicon fabs инвестиции кремниевые заводы перспективные технологии
Полупроводниковое оборудование: до 2027 года устойчивый рост закупок
М. Макушин
Оборудование, наряду с проектированием и материалами, является одним из ключевых элементов полупроводниковой промышленности. Обычно больший спрос предъявляется на оборудование для изготовления перспективных полупроводниковых приборов. Но остается место спросу и на устаревшее оборудование.
По затратам на покупку оборудования можно оценить текущую стадию циклично развивающейся полупроводниковой промышленности.
В последние годы происходит быстрое внедрение новых высокотехнологичных приложений, охватывающих самые разные отрасли экономики. Эти приложения и их аппаратное обеспечение требуют разработки новых архитектур полупроводниковых приборов, прежде всего ИС. Также увеличивается потребность в новых материалах и более совершенных инструментальных средствах САПР. Все это вместе взятое приводит к необходимости разработки и внедрения нового полупроводникового оборудования, осуществления соответствующих затрат. Вместе с тем на рынке остается достаточно приложений и отраслей, в которых применяются предшествующие поколения полупроводниковых приборов. Такие приложения и отрасли являются базой спроса на более «возрастное» оборудование.
Рост расходов на оборудование заводов
по обработке 300-мм пластин
Мировая полупроводниковая промышленность вступает в кардинально новый инвестиционный цикл: в период с 2025 по 2027 год на закупку оборудования для заводов
по обработке 300-мм планируется израсходовать около 400 млрд долл. Такой рост инвестиций обусловлен быстро увеличивающимся спросом на перспективные полупровод-
никовые технологии, включая искусственный интеллект (ИИ), автомобильную электронику и Интернет вещей (IoT). По мере развития цифровой экономики потребность в высокопроизводительных ИС достигла беспрецедентного уровня, что требует значительных инвестиций в расширение производственных мощностей.
Основные ожидания – устойчивый
рост закупок оборудования
Международная организация поставщиков полупроводниковых оборудования и материалов (SEMI) прогнозирует, что затраты изготовителей полупроводниковых приборов на закупку оборудования заводов по обработке 300-мм пластин увеличатся с 99,3 млрд долл. в 2024 го
ду до 140,8 млрд долл. в 2027 году. При этом в 2016 году эти расходы не превышали 40 млрд долл., а в 2025 году годовые затраты на оборудование впервые превысят 100 млрд долл. (рис. 1). Ожидания устойчивого роста отражают активную реакцию отрасли как на сиюминутный, так и на долгосрочный спрос на перспективные полупроводниковые технологии. Считается, что это позволит производителям идти в ногу с меняющимися потребностями рынка [1].
Движущие силы роста закупок оборудования
ИИ и машинное обучение
Быстрое развитие технологий ИИ стимулирует рост спроса на мощные процессоры, способные выполнять сложные вычисления. По мере распространения ИИ в таких секторах экономики, как здравоохранение, финансы и т.д., увеличивается потребность в специализированных ИС, таких как графические процессоры (GPU) и тензорные процессоры (TPUi). Это стимулирует инвестиции в передовые производственные технологии.
Облачные вычисления и центры обработки данных
Развитие облачных сервисов вынуждает производителей ИС инвестировать в перспективные технологические процессы с минимальными проектными нормами – для повышения производительности. Крупным компаниям, таким как Amazon и Google, требуются ИС с малым временем задержки, способные справиться с крупномасштабными рабочими нагрузками. Это увеличивает спрос на решения в области схем памяти с высокой пропускной способностью и соответствующих систем хранения данных.
Автомобильная электроника
Переход к электромобилям и перспективным системам помощи водителю стимулирует беспрецедентный спрос на полупроводниковые приборы. Все более важное значение приобретают высоконадежные ИС, обеспечивающие безопасность, высокие эксплуатационные характеристики бортовой электроники и возможность подключения к внешним сетям. В связи с этим изготовители ИС для автомобильной электроники стремятся расширить свои производственные возможности, для чего необходимо новейшее производственное оборудование.
IoT
Стремительное расширение использования в различных сферах IoT-устройств, число которых в ближайшие годы будет исчисляться миллиардами, требует изготовления не меньших объемов специализированных энергоэффективных ИС. Для IoT-приложений необходима обработка данных в реальном масштабе времени, что способствует ускорению внедрения инновационных решений в конструкции ИС. Изготовление подобных ИС требует не только новейшего оборудования, но и увеличения объемов его закупок.
Геополитические факторы
Все больше правительств различных стран признают стратегическую важность производства полупроводниковых приборов на собственной территории для обеспечения национальной безопасности. Выявленные пандемией Covid-19 уязвимости подталкивают многие страны к инвестированию в местную производственную базу. Такой подход гарантирует обеспечение стабильных поставок критически важных компонентов, а также побуждает полупроводниковые компании диверсифицировать производственные мощности [2].
Динамика роста затрат на оборудование
по отдельным секторам полупроводниковой промышленности
Кремниевые заводы
Расходы кремниевых заводов (контрактное производство ИС) на полупроводниковое оборудование за период 2025–2027 годов ожидаются на уровне 230 млрд долл. Такие затраты обуславливаются несколькими ключевыми факторами, подчеркивающими важность возможностей производства перспективных полупроводниковых приборов в современном технологическом ландшафте.
Во-первых, переход к использованию технологических процессов с проектными нормами менее 3 нм позволяет производить перспективные ИС, отвечающие требованиям новых приложений, таких как ИИ, 5G-сети и средства связи, высокопроизводительные вычисления и т.д. Меньшие проектные нормы обеспечивают бóльшую плотность размещения транзисторов на кристалле ИС, повышенную энергоэффективность и производительность, что необходимо для конечных систем следующего поколения.
Во-вторых, для создания ИС с такими малыми проектными нормами решающее значение имеет разработка новых материалов и технологических процессов (например, литография в предельной УФ-области спектра – EUV-литография, длина волны излучения 13,5 нм). Инвестиции в оборудование кремниевых заводов должны охватывать современные установки литографии и установки травления, способные точно создавать сложные структуры с нанометровыми проектными нормами. Также ожидается, что кремниевые заводы будут вкладывать значительные средства в НИОКР. Основной целью этих НИОКР станет обеспечение внедрения инноваций и совершенствование технологических процессов с топологиями менее 3 нм, включая изучение новых архитектур транзисторов (например, универсальные конструкции затвора), способных обеспечить повышение производительности и энергоэффективности перспективных ИС.
В-третьих, в то же время наблюдается высокий спрос на ИС, выполненные по зрелым технологиям с гораздо бóльшими проектными нормами. Такие ИС по-прежнему очень широко применяются в автомобилестроении, бытовой электронике, промышленной автоматизации и ряде других отраслей. К ним относятся микроконтроллеры, датчики и устройства управления электропитанием и ряд других изделий. Потребность в надежных и экономичных ИС, изготовляемых по зрелым технологиям, будет сохраняться. Следовательно, кремниевым заводам необходимы инвестиции в расширение производственных мощностей и на модернизацию оборудования для повышения эффективности и производительности подобных ИС, что обеспечит их стабильные поставки заказчикам.
Наконец, конкуренция в сфере производства полупроводников усиливается, многие страны стремятся расширить возможности внутреннего производства. Кремниевые заводы осуществляют инвестиции в современное оборудование с целью повышения своего технологического уровня и обеспечения устойчивости цепочки поставок. Пандемия Covid-19, практика введения санкций и прочие факторы выявили уязвимые места в цепочках поставок полупроводниковых приборов, побудив ряд стран стимулировать инвестиции в национальные кремниевые заводы – для уменьшения зависимости от иностранных поставщиков. Инвестиции в кремниевые заводы также все больше ориентируются на устойчивое развитие, поиск энергоэффективных процессов и оборудования, сводящих к минимуму воздействие на окружающую среду при соблюдении производственных стандартов [1].
Логические приборы
Общие расходы на оборудование по сектору логических приборов в прогнозируемом периоде составят 173 млрд долл. Данный сектор имеет решающее значение для производства микропроцессоров (в частности на специализированных ИС – ASIC), а также компонентов, использующихся для питания широкого спектра изделий. Ожидаемые инвестиции отражают растущую потребность в более производительных центрах обработки данных (ЦОД), приложениях ИИ и внедрении 5G-технологии. Значительность инвестиций объясняется следующими причинами.
ЦОД являются одним из движущих факторов быстрого роста инвестиций в связи с увеличивающейся зависимостью от облачных вычислений, аналитики больших объемов данных и приложений ИИ. Эти тенденции требуют использования перспективных проектных норм, обеспечивающих более высокую производительность, энергоэффективность и улучшенное управление температурным режимом. Глобальный переход к облачным вычислениям изменил бизнес-операции, предоставив доступ к огромным ресурсам без существенной локальной инфраструктуры. По мере того как различные организации переносят сервисы в облако, ЦОД должны расширяться для управления огромными объемами данных, что требует использования ИС, эффективно справляющихся с рабочими нагрузками и обеспечивающих минимальное время ожидания. Ведущие облачные компании, такие как Amazon, Google и Microsoft, активно инвестируют в инфраструктуру своих ЦОД. Эти инвестиции направлены на создание мощных и эффективных ЦОД для поддержки широкого спектра приложений, от потоковых сервисов до ERPii-систем. Для этих операций необходимы высокопроизводительные ИС, способные быстро обрабатывать большие объемы данных. Кроме того, существует большой спрос на ИС с 5-нм и 3-нм проектными нормами, обеспечивающие значительное повышение производительности за счет увеличения плотности размещения транзисторов на кристалле ИС и повышения энергоэффективности. Интеграция бόльшего числа транзисторов в меньшие пространства приводит к повышению скорости обработки и снижению энергопотребления.
Еще одним важным фактором, влияющим на сектор логических приборов, является рост числа приложений ИИ. Поскольку модели ИИ становятся все более сложными, им требуются мощные процессоры, способные выполнять сложные вычисления с большим быстродействием. Компании все чаще разрабатывают специализированные ИС, оптимизированные для рабочих нагрузок ИИ, такие как центральные процессоры (CPU) и GPU. Эти ИС ускоряют выполнение задач машинного обучения, обеспечивая более быстрое обучение моделей ИИ и формирование ими логических выводов. Использование в этих ИС перспективных проектных норм жизненно важно для достижения производительности, необходимой для обработки больших наборов данных.
С другой стороны, дальнейшие инвестиции стимулируют потребность в масштабируемости приложений ИИ. По мере того как различные организации внедряют решения ИИ в таких секторах, как, в частности, здравоохранение и финансы, потребность в эффективных, высокопроизводительных ИС, способных масштабироваться в соответствии с растущими рабочими нагрузками, становится все более острой.
Кроме того, на сектор логических приборов существенно влияет внедрение 5G-технологии, обеспечивающей более быструю передачу данных и меньшие задержки, что важно для приложений, работающих в реальном масштабе времени. Разворачиваемые 5G-сети обеспечивают бесперебойное подключение устройств, от смартфонов до датчиков IoT, создавая потребность в мощных логических ИС, поддерживающих увеличивающийся поток данных, связанный с 5G-приложениями.
Более того, переход к краевым вычислениямiii позволяет обрабатывать данные в реальном масштабе времени, что жизненно важно для таких приложений, как автономные транспортные средства и "умные" города. Этот переход требует новых архитектур ИС, рассчитанных на низкое энергопотребление и высокую эффективность. Для поддержки краевых вычислений производители разрабатывают инновационные конструкции ИС, в которых приоритет отдается энергоэффективности и вычислительной мощности и в которые часто включаются специализированные процессоры для решения конкретных задач.
Схемы памяти
Расходы на оборудование в секторе схем памяти в период 2025–2027 годов превысят 120 млрд долл. Этот сектор вступит в устойчивый цикл роста, обусловленный значительными инвестициями в технологии ДОЗУ и 3D-флеш-памяти NAND-типа. Спрос на более быстрые, эффективные и надежные решения для хранения данных стал критическим по мере роста объемов обработки данных в различных секторах экономики.
Основные факторы, стимулирующие расширение сектора схем памяти, отражают растущие требования к современным приложениям и технологиям. Стремительный рост объемов обработки данных с помощью IoT-устройств, облачных вычислений и аналитики больших объемов данных обусловил высокий спрос на решения в области схем памяти. По оценкам отраслевых специалистов, в ближайшие годы объем создаваемых в мире данных достигнет уровня зеттабайт (зеттабайт – миллиард терабайтов), что потребует создания систем, способных эффективно обрабатывать такие объемы информации.
Рост числа приложений ИИ и машинного обучения, требующих обработки больших массивов данных в режиме реального времени и создающих значительную нагрузку на системы памяти, делает необходимым создание высокопроизводительных решений в области схем памяти. Для достижения необходимой скорости обработки и пропускной способности подобных приложений нужны перспективные технологии схем памяти.
Переход к облачным вычислениям и виртуализации еще больше увеличил спрос на схемы памяти. Для управления виртуальными машинами и оптимизации производительности облачных приложений ЦОД используют решения со схемами памяти большой емкости. Это, в свою очередь, стимулирует инвестиции в развитие технологий ДОЗУ и 3D-схем флеш-памяти NAND-типа.
ДОЗУ остаются одним из основных сегментов сектора схем памяти. Инновации здесь направлены на повышение скорости передачи данных, емкости и эффективности. Производители уделяют особое внимание модулям ДОЗУ более высокой плотности, способствующих повышению производительности конечных систем. Так, технология DDR5 обеспечивает повышение пропускной способности и энергоэффективности приложений, требующих быстрого доступа к данным (например, игры высокого уровня и аналитика данных). ИС ДОЗУ также все чаще используются в специализированных приложениях, включая автомобильные системы и краевые вычисления, требующих высокой производительности при сохранении низкого энергопотребления.
С другой стороны, стремительно развивается технология 3D-схем флеш-памяти NAND-типа, предлагющая решения для современных систем хранения данных.
Ее многоуровневая архитектура отличается от традиционной архитектуры 2D-схем флеш-памяти NAND-типа вертикальным расположением ячеек памяти, что повышает плотность хранения данных. Такая конструкция позволяет использовать накопители большей емкости без увеличения занимаемой ими площади, что делает их очень привлекательными для использования в смартфонах и ЦОД. Кроме того, схемы 3D-флеш-памяти NAND-типа повышают производительность и долговечность конечных систем, в которых они используются, обеспечивая эффективную запись и удаление данных в приложениях, пользующихся высоким спросом, таких как облачные хранилища и т.п. По мере совершенствования технологий 3D-схем памяти NAND-типа себестоимость их изготовления снижается. Интеграция решений в области схем памяти с развивающимися технологиями наподобие ИИ, 5G и краевых вычислений, будет иметь решающее значение для формирования новых требований к производительности и емкости схем памяти.
Силовая электроника и аналоговые приборы
По прогнозам, объем рынка силовой электроники в 2027 году превысит 30 млрд долл., в то время как сектор аналоговых и аналого-цифровых приборов достигнет 23 млрд долл. Эти сектора имеют решающее значение для развития энергоэффективных технологий и рост затрат на оборудование для их производства обусловлен растущим спросом на эффективные технологии преобразования энергии в таких секторах, как возобновляемые источники энергии, электромобили и промышленная автоматизация.
Переход к возобновляемым источникам энергии требует эффективных систем преобразования энергии, что делает силовую электронику незаменимой для управления потоками энергии из этих источников и обеспечения эффективного преобразования электроэнергии. Переход автомобильной промышленности на электромобили еще больше стимулирует инвестиции в силовую электронику, поскольку эффективные системы управления питанием жизненно важны для повышения производительности аккумуляторных батарей и расширения модельного ряда транспортных средств. Кроме того, рост автоматизации производства требует сложной силовой электроники для управления промышленными электродвигателями и энергопотреблением. Инвестиции в интеллектуальные заводы и инициативы по реализации 4-й промышленной революции (Industry 4.0iv) увеличивают спрос на высокопроизводительные мощные полупроводниковые приборы.
Более того, технологические инновации играют все более важную роль в секторе силовой электроники. Производители уделяют все больше внимания перспективным мощным полупроводниковым приборам на GaN и SiC. Разработка таких полупроводниковых приборов с большой шириной запрещенной [энергетической] зоны произвела революцию в области силовой электроники за счет уникальных свойств, позволяющих повысить производительность в самых разных областях применения. Эти материалы хорошо подходят для возобновляемой энергетики и электромобилей, где решающее значение имеют максимальное преобразование энергии и минимизация потерь. Поскольку мировой спрос на энергоэффективные технологии продолжает расти, ожидается, что внедрение технологий SiC и GaN значительно ускорится. Этот всплеск интереса, вероятно, приведет к значительным инвестициям в их производство и разработку, способствуя дальнейшему развитию отрасли и прокладывая путь к более устойчивой энергетике будущего [2].
Региональная структура
инвестиционных ожиданий
Данные рис. 2 иллюстрируют прогнозируемые инвестиции в оборудование заводов по обработке пластин диаметром 300 мм в разбивке по регионам на период с 2024 по 2027 год.
Крупнейшим инвестором в полупроводниковое оборудование останется КНР со 100 млрд долл. На размер выделяемых средств в значительной степени влияет национальная политика, направленная на достижение самодостаточности в производстве полупроводниковых приборов, особенно в свете сохраняющейся геополитической напряженности и торговых ограничений со стороны США и ЕС. При этом своего пика в 45 млрд долл. расходы на оборудование достигнут в 2024 году, а затем сократятся до 31 млрд долларов к 2027 году.
Ю. Корея инвестирует 81 млрд долл. в основном в производственное оборудование изготовления схем памяти – ДОЗУ и 3D-флеш-памяти NAND-типа. Эти инвестиции имеют решающее значение для поддержания конкурентоспособности страны, особенно в условиях продолжающегося роста мирового спроса на схемы памяти.
Тайвань намерен выделить 75 млрд долл., причем инвестиции, в основном, будут направлены на оборудование новых заводов по обработке 300-мм пластин за рубежом (прежде всего и в основном в США) и внедрение перспективных технологий изготовления логических приборов с проектными нормами менее 3 нм [1].
Инвестиции в полупроводниковое оборудование стран Северной и Южной Америки составят 63 млрд долл.
В основном, эти инвестиции будут осуществлены в США в рамках реализации «Закона о стимулировании развития производства полупроводниковых приборов и науки в Америке» (CHIPS and Science Act) [3]. Более подробно вопрос о реализации этого закона будет рассмотрен в одном из следующих выпусков.
Мировой рынок оборудования заводов
по обработке пластин в целом
Структура мирового рынка оборудования для заводов по обработке пластин меняется, поскольку значительные достижения в архитектуре ИС требуют изменений в оборудовании, используемом при их производстве. В декабре 2024 года исследовательская группа Yole спрогнозировала, что в 2029 году доходы от продаж такого оборудования для пластин всех диаметров составят 140 млрд долл., что существенно отличается от ранее приведенного прогноза SEMI на 2027 год. Сектор оборудования для обработки пластин является основным в цепочке наращивания стоимости полупроводниковых приборов, поставщики этого оборудования играют решающую роль в сотрудничестве со всеми участниками цепочки поставок для реализации технологических достижений и выпуска на их основе перспективных ИС. Yole Intelligence ожидает, что к концу десятилетия наибольший доход будут, по-прежнему, приносить производственные системы для изготовления логических приборов и схем памяти (рис. 3). Но при этом сами логические приборы и схемы памяти значительно изменятся, и производителям ИС придется выделять значительную часть своих капитальных вложений на приобретение современного оборудования. В основном это касается оборудования для обработки 300-мм пластин. Также отмечается, что будет расти спрос и на оборудование для производства ИС по зрелым технологиям на пластинах меньших диаметров – 200, 150, 125 мм и менее. Для многих приложений IoT, автомобильной и промышленной электроники не требуются ИС с минимальными проектными нормами, но эти сектора обладают существенным потенциалом роста. Кроме того, ИС на GaAs, SiC и ряде других отличных от кремния материалах изготавливаются на подложках меньших диаметров [4].
Некоторые структурные изменения
Многие годы на рынки вычислительной техники мобильной и потребительской электроники приходилось более 60% доходов от продаж полупроводниковых приборов. Ожидается, что эта доля будет снижаться, поскольку доходы от продаж ИС для серверов к 2030 году удвоятся – до 32% с 18% в настоящее время. Этому будут способствовать капиталовложения в сервисы и инфраструктуру ИИ.
Революция в области ИИ требует инвестиций в серверную и клиентскую инфраструктуру, которая будет потреблять большие объемы полупроводниковых приборов, включая GPU, TPU, ДОЗУ с высокой пропускной способностью, оптические и радио приборы, сенсоры, приборы питания и т.п. Будет меняться и структура продаж полупроводниковых приборов по конечному использованию (рис. 4). Для изготовления всех этих приборов потребуется современное полупроводниковое оборудование [5].
Внедрение технологии EUV-литографии стало одним из факторов роста продаж полупроводникового оборудования в стоимостном выражении – каждая современная EUV-установка корпорации ASML стоит от 300 млн долл. Другие типы современного полупроводникового оборудования также дороже установок предшествующего поколения. Это привело к увеличению капитальных затрат производителей ИС. Доля этих затрат на оборудование заводов по обработке пластин в структуре продаж этих заводов в 2023 году выросла примерно до 20% по сравнению с 10–15% в предыдущие годы [6].
Рынки оборудования для полупроводниковой промышленности США и Тайваня, полупроводниковые промышленности которых все больше объединяются, лучше рассматривать отдельно. Поэтому в рамках данной статьи кратко остановимся на регионе Европы, Ближнего Востока и Африки (EMEA), а также КНР.
Регион EMEA на рынке
полупроводникового оборудования
Поставщики оборудования в регионе EMEA широко представлены на рынке как системами начальных этапов обработки пластин (формирование транзисторной структуры), так и системами завершающих этапов (сборка, корпусирование и тестирование ИС). В 2022–2024 годах регион по объему продаж занимал второе место после США, опережая Японию. Ведущими поставщиками являются ASML и ASM (Нидерланды), ZEISS (ФРГ), NOVA
и Camtek (Израиль). Более мелкие поставщики сосредоточены в ФРГ, Австрии, Венгрии и Великобритании.
В 2023 году объем продаж поставщиков оборудования EMEA для обработки пластин 31,2 млрд долл. или 29% мировых продаж в размере 107 млрд долл. Европейские производители, в основном, получают доход от поставок установок формирования рисунков (системы литографии, 31,1 млрд долл.), за которыми следуют оборудование для соединения пластин (0,6 млрд долл.), системы метрологии и контроля (14,8 млрд долл.), установки осаждения (27,5 млрд долл.) (рис. 5).
Собственно Европа потребляет постоянный объем оборудования для заводов по обработке пластин, при котором такие компании, как Infineon, Bosch и STMicroelectronics, производят полупроводниковые приборы по зрелым и устаревшим технологиям. Эти вертикально интегрированные производители (разработка, проектирование, производство и маркетинг ИС) выпускают в основном специализированные и устаревшие логические приборы, необходимые, тем не менее, для создания современных электронных систем. В 2023 году на кремниевые заводы ЕС пришлось 6% от общемировых доходов этого сектора в размере 330 млрд долл., на их долю пришлось 7% от мирового объема установленных производственных мощностей кремниевых заводов.
С точки зрения производителей микросхем и поставщиков оборудования, цикл производства оборудования является длительным – гораздо более длительным, чем правительственные решения, которые могут привести к смене лидерства на рынке оборудования. Принятый
в ЕС закон European CHIPS Act, с одной стороны, направлен на повышение конкурентоспособности Европы в области полупроводниковой промышленности. С другой стороны, бюджет для реализации этого закона намного меньше, чем инвестиции, необходимые для повышения конкурентоспособности европейской экосистемы полупроводниковой промышленности. Без увеличения поддержки отрасли на национальных уровнях и на уровне ЕС в целом, поставленная цель укрепления ее конкурентоспособности на международной арене вряд ли достижима [5].
КНР наращивает производство собственного оборудования для заводов по обработке пластин и других операций
По предварительным данным в 2024 году КНР ввела в строй больше новых мощностей по производству полупроводниковых приборов, включая заводы по обработке пластин, чем все остальные страны мира вместе взятые (рис. 6).
Правда, практически все эти мощности предназначены для производства ИС по зрелым технологиям [7].
По данным SEMI, в 2023 году КНР стала крупнейшим в мире производителем полупроводникового оборудования, инвестировав в его изготовление более 36 млрд долл. Кроме того, КНР накапливает иностранное оборудование для обеспечения производства и поставок своих ИС.
SEMI ожидает, что благодаря государственному финансированию и другим мерам стимулирования развития отечественной микроэлектроники КНР увеличит свою долю в мировом производстве полупроводниковых приборов. В 2024 году китайские производители ИС начали реализацию 18 проектов по созданию и оборудованию производственных мощностей. Благодаря ранее реализованным проектам производственные мощности КНР в 2023 году расширились на 12%, достигнув показателя в 7,6 млн пластин, начатых обработкой в месяц.
По итогам 2024 года ожидается что этот показатель увеличится до 8,6 млн пластин/месяц (+13% к 2023 году) [8].
В авангарде этой гонки находится SMIC, на новой производственной линии которой на окраине Пекина в производственный процесс интегрируется оборудование отечественного производства, постепенно заменяя стандартные для отрасли зарубежные инструментальные средства. Этот шаг отражает более широкую национальную стратегию по освобождению технологического будущего КНР от иностранного господства. В декабре 2020 года SMIC был включен в американский экспортный черный список из-за предполагаемых связей с китайскими военными [9].
В 2023 году SMIC увеличила свои активы в сфере основных средств до 24 млрд долл. по сравнению с 18,8 млрд долл. в 2022 году. Кроме того, в I кв. 2024 года SMIC приобрела оборудование на 1,5 млрд долл., а также заняла 3 место (за TSMC и Global Foundries) в рейтинге ведущих мировых кремниевых заводов по версии TrendForce.
Крупные инвестиции КНР в производство ИС сталкиваются со значительными трудностями. Линии по производству 28/22-нм ИС демонстрируют высокую производительность и рентабельность, но они не сравнятся с зарубежными линиями по производству 3-нм ИС, используемыми в новейших мобильных устройствах высокого класса.
Да, корпорации Huawei удалось разработать 7-нм ИС с использованием технологии SMIC, но в отсутствии установок EUV-литографии их приходится изготавливать методами многократного формирования рисунка с использованием иммерсионной 193-нм литографии. Это делает процесс более сложным и длительным, а в долгосрочной перспективе такие ИС могут оказаться нерентабельными.
Тем не менее, КНР в гораздо меньшей степени, чем США, способна использовать свое доминирующее положение в цепочке поставок полупроводниковых приборов –
в основном из-за своей зависимости от западного оборудования для производства ИС [7].
Побудительной причиной проведения национальной политики по достижению самообеспеченности полупроводниковыми приборами послужили вводимые еще с первого президентства Трампа ограничения на экспорт из США новейшего технологического оборудования для производства ИС с перспективными проектными нормами. Нидерланды и Япония присоединились к этим ограничениям.
В частности, нидерландская ASML, монопольный производитель установок EUV-литографии, до сих пор не поставила корпорации Semiconductor Manufacturing International (SMIC), крупнейшему китайскому кремниевому заводу – установку для формирования ИС с проектными нормами менее 10 нм, оплаченную еще в 2020 году [9].
КНР не одинока в стремлении укрепления национальной производственной базы. США в рамках реализации CHIPS and Science Act выделили на поддержку отечественного производства ИС более 50 млрд долл. [3], ЕС последовал их примеру (European CHIPS Act) [10]. Ю. Корея в рамках реализации программы Semiconductor Belt (основные участники Samsung и SK Hynix) предоставила отечественным производителям налоговые льготы на общую сумму в 19 млрд долл. с целью укрепления конкурентоспособности местной микроэлектроники [9].
***
Полупроводниковая промышленность, включая микроэлектронику, является капиталоемкой и наукоемкой отраслью. В рамках идущего перехода на новые архитектуры и меньшие проектные нормы разработчиков и производителей полупроводниковых приборов ожидает как усиление конкуренции, так и расширение возможностей сотрудничества, особенно в сфере НИОКР. Большое значение для использования новых технологий и рыночных возможностей будут иметь стратегические партнерства и альянсы. Правительствам стран-поставщиков полупроводниковых приборов, материалов и оборудования для их производства придется усилить поддержку отечественного производства, одновременно стимулируя инновации и устраняя уязвимости в цепочках поставок.
Ожидаемые инвестиции в оборудование заводов по обработке 300-мм пластин объемом в 400 млрд долл. свидетельствуют о начале очередного периода трансформации мировой полупроводниковой промышленности. При этом место для секторов, использующих более зрелые технологии, безусловно, останется.
ЛИТЕРАТУРА
300mm Fab Outlook (2016 to 2027) // SEMI. Published December 19, 2024.
Sarjon Murad. Global Semiconductor Industry Plans $400B Investment in 300-mm Fab Equipment Over Next Three Years // AspenCore Network. December 11, 2024.
Авдонин Б., Макушин М. Микроэлектроника: CHIPS Act и расширение производственной базы в США // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2023, №8 (00229). С. 124–131.
Status of the Wafer Fab Equipment (WFE) Industry // Yole Group, December 2024.
Taguhi Yeghoyan and Pierre Cambou. European Vendors Key as Wafer Fab Equipment Market Evolves // EE Times Europe, December 12, 2024.
Wafer Fab Equipment Market Monitor // Yole Group, QIV 2024.
Pablo Valerio. China Races for Chip Supremacy // EE Times, 06.13.2024.
Q1 2024 Global Semiconductor Equipment Billings Edge Down 2% Year-Over-Year, SEMI Reports.
Макушин М. Контрактное производство ИС: ведущие мировые кремниевые заводы расширяют мощности. Часть 2 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2022, №2 (00213). С. 70–78.
Брыкин А., Макушин М. Микроэлектроника и государственная политика высокотехнологичных стран: «национализация» взамен глобализации// ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2021. №9 (00210). С. 148–156.
М. Макушин
Оборудование, наряду с проектированием и материалами, является одним из ключевых элементов полупроводниковой промышленности. Обычно больший спрос предъявляется на оборудование для изготовления перспективных полупроводниковых приборов. Но остается место спросу и на устаревшее оборудование.
По затратам на покупку оборудования можно оценить текущую стадию циклично развивающейся полупроводниковой промышленности.
В последние годы происходит быстрое внедрение новых высокотехнологичных приложений, охватывающих самые разные отрасли экономики. Эти приложения и их аппаратное обеспечение требуют разработки новых архитектур полупроводниковых приборов, прежде всего ИС. Также увеличивается потребность в новых материалах и более совершенных инструментальных средствах САПР. Все это вместе взятое приводит к необходимости разработки и внедрения нового полупроводникового оборудования, осуществления соответствующих затрат. Вместе с тем на рынке остается достаточно приложений и отраслей, в которых применяются предшествующие поколения полупроводниковых приборов. Такие приложения и отрасли являются базой спроса на более «возрастное» оборудование.
Рост расходов на оборудование заводов
по обработке 300-мм пластин
Мировая полупроводниковая промышленность вступает в кардинально новый инвестиционный цикл: в период с 2025 по 2027 год на закупку оборудования для заводов
по обработке 300-мм планируется израсходовать около 400 млрд долл. Такой рост инвестиций обусловлен быстро увеличивающимся спросом на перспективные полупровод-
никовые технологии, включая искусственный интеллект (ИИ), автомобильную электронику и Интернет вещей (IoT). По мере развития цифровой экономики потребность в высокопроизводительных ИС достигла беспрецедентного уровня, что требует значительных инвестиций в расширение производственных мощностей.
Основные ожидания – устойчивый
рост закупок оборудования
Международная организация поставщиков полупроводниковых оборудования и материалов (SEMI) прогнозирует, что затраты изготовителей полупроводниковых приборов на закупку оборудования заводов по обработке 300-мм пластин увеличатся с 99,3 млрд долл. в 2024 го
ду до 140,8 млрд долл. в 2027 году. При этом в 2016 году эти расходы не превышали 40 млрд долл., а в 2025 году годовые затраты на оборудование впервые превысят 100 млрд долл. (рис. 1). Ожидания устойчивого роста отражают активную реакцию отрасли как на сиюминутный, так и на долгосрочный спрос на перспективные полупроводниковые технологии. Считается, что это позволит производителям идти в ногу с меняющимися потребностями рынка [1].
Движущие силы роста закупок оборудования
ИИ и машинное обучение
Быстрое развитие технологий ИИ стимулирует рост спроса на мощные процессоры, способные выполнять сложные вычисления. По мере распространения ИИ в таких секторах экономики, как здравоохранение, финансы и т.д., увеличивается потребность в специализированных ИС, таких как графические процессоры (GPU) и тензорные процессоры (TPUi). Это стимулирует инвестиции в передовые производственные технологии.
Облачные вычисления и центры обработки данных
Развитие облачных сервисов вынуждает производителей ИС инвестировать в перспективные технологические процессы с минимальными проектными нормами – для повышения производительности. Крупным компаниям, таким как Amazon и Google, требуются ИС с малым временем задержки, способные справиться с крупномасштабными рабочими нагрузками. Это увеличивает спрос на решения в области схем памяти с высокой пропускной способностью и соответствующих систем хранения данных.
Автомобильная электроника
Переход к электромобилям и перспективным системам помощи водителю стимулирует беспрецедентный спрос на полупроводниковые приборы. Все более важное значение приобретают высоконадежные ИС, обеспечивающие безопасность, высокие эксплуатационные характеристики бортовой электроники и возможность подключения к внешним сетям. В связи с этим изготовители ИС для автомобильной электроники стремятся расширить свои производственные возможности, для чего необходимо новейшее производственное оборудование.
IoT
Стремительное расширение использования в различных сферах IoT-устройств, число которых в ближайшие годы будет исчисляться миллиардами, требует изготовления не меньших объемов специализированных энергоэффективных ИС. Для IoT-приложений необходима обработка данных в реальном масштабе времени, что способствует ускорению внедрения инновационных решений в конструкции ИС. Изготовление подобных ИС требует не только новейшего оборудования, но и увеличения объемов его закупок.
Геополитические факторы
Все больше правительств различных стран признают стратегическую важность производства полупроводниковых приборов на собственной территории для обеспечения национальной безопасности. Выявленные пандемией Covid-19 уязвимости подталкивают многие страны к инвестированию в местную производственную базу. Такой подход гарантирует обеспечение стабильных поставок критически важных компонентов, а также побуждает полупроводниковые компании диверсифицировать производственные мощности [2].
Динамика роста затрат на оборудование
по отдельным секторам полупроводниковой промышленности
Кремниевые заводы
Расходы кремниевых заводов (контрактное производство ИС) на полупроводниковое оборудование за период 2025–2027 годов ожидаются на уровне 230 млрд долл. Такие затраты обуславливаются несколькими ключевыми факторами, подчеркивающими важность возможностей производства перспективных полупроводниковых приборов в современном технологическом ландшафте.
Во-первых, переход к использованию технологических процессов с проектными нормами менее 3 нм позволяет производить перспективные ИС, отвечающие требованиям новых приложений, таких как ИИ, 5G-сети и средства связи, высокопроизводительные вычисления и т.д. Меньшие проектные нормы обеспечивают бóльшую плотность размещения транзисторов на кристалле ИС, повышенную энергоэффективность и производительность, что необходимо для конечных систем следующего поколения.
Во-вторых, для создания ИС с такими малыми проектными нормами решающее значение имеет разработка новых материалов и технологических процессов (например, литография в предельной УФ-области спектра – EUV-литография, длина волны излучения 13,5 нм). Инвестиции в оборудование кремниевых заводов должны охватывать современные установки литографии и установки травления, способные точно создавать сложные структуры с нанометровыми проектными нормами. Также ожидается, что кремниевые заводы будут вкладывать значительные средства в НИОКР. Основной целью этих НИОКР станет обеспечение внедрения инноваций и совершенствование технологических процессов с топологиями менее 3 нм, включая изучение новых архитектур транзисторов (например, универсальные конструкции затвора), способных обеспечить повышение производительности и энергоэффективности перспективных ИС.
В-третьих, в то же время наблюдается высокий спрос на ИС, выполненные по зрелым технологиям с гораздо бóльшими проектными нормами. Такие ИС по-прежнему очень широко применяются в автомобилестроении, бытовой электронике, промышленной автоматизации и ряде других отраслей. К ним относятся микроконтроллеры, датчики и устройства управления электропитанием и ряд других изделий. Потребность в надежных и экономичных ИС, изготовляемых по зрелым технологиям, будет сохраняться. Следовательно, кремниевым заводам необходимы инвестиции в расширение производственных мощностей и на модернизацию оборудования для повышения эффективности и производительности подобных ИС, что обеспечит их стабильные поставки заказчикам.
Наконец, конкуренция в сфере производства полупроводников усиливается, многие страны стремятся расширить возможности внутреннего производства. Кремниевые заводы осуществляют инвестиции в современное оборудование с целью повышения своего технологического уровня и обеспечения устойчивости цепочки поставок. Пандемия Covid-19, практика введения санкций и прочие факторы выявили уязвимые места в цепочках поставок полупроводниковых приборов, побудив ряд стран стимулировать инвестиции в национальные кремниевые заводы – для уменьшения зависимости от иностранных поставщиков. Инвестиции в кремниевые заводы также все больше ориентируются на устойчивое развитие, поиск энергоэффективных процессов и оборудования, сводящих к минимуму воздействие на окружающую среду при соблюдении производственных стандартов [1].
Логические приборы
Общие расходы на оборудование по сектору логических приборов в прогнозируемом периоде составят 173 млрд долл. Данный сектор имеет решающее значение для производства микропроцессоров (в частности на специализированных ИС – ASIC), а также компонентов, использующихся для питания широкого спектра изделий. Ожидаемые инвестиции отражают растущую потребность в более производительных центрах обработки данных (ЦОД), приложениях ИИ и внедрении 5G-технологии. Значительность инвестиций объясняется следующими причинами.
ЦОД являются одним из движущих факторов быстрого роста инвестиций в связи с увеличивающейся зависимостью от облачных вычислений, аналитики больших объемов данных и приложений ИИ. Эти тенденции требуют использования перспективных проектных норм, обеспечивающих более высокую производительность, энергоэффективность и улучшенное управление температурным режимом. Глобальный переход к облачным вычислениям изменил бизнес-операции, предоставив доступ к огромным ресурсам без существенной локальной инфраструктуры. По мере того как различные организации переносят сервисы в облако, ЦОД должны расширяться для управления огромными объемами данных, что требует использования ИС, эффективно справляющихся с рабочими нагрузками и обеспечивающих минимальное время ожидания. Ведущие облачные компании, такие как Amazon, Google и Microsoft, активно инвестируют в инфраструктуру своих ЦОД. Эти инвестиции направлены на создание мощных и эффективных ЦОД для поддержки широкого спектра приложений, от потоковых сервисов до ERPii-систем. Для этих операций необходимы высокопроизводительные ИС, способные быстро обрабатывать большие объемы данных. Кроме того, существует большой спрос на ИС с 5-нм и 3-нм проектными нормами, обеспечивающие значительное повышение производительности за счет увеличения плотности размещения транзисторов на кристалле ИС и повышения энергоэффективности. Интеграция бόльшего числа транзисторов в меньшие пространства приводит к повышению скорости обработки и снижению энергопотребления.
Еще одним важным фактором, влияющим на сектор логических приборов, является рост числа приложений ИИ. Поскольку модели ИИ становятся все более сложными, им требуются мощные процессоры, способные выполнять сложные вычисления с большим быстродействием. Компании все чаще разрабатывают специализированные ИС, оптимизированные для рабочих нагрузок ИИ, такие как центральные процессоры (CPU) и GPU. Эти ИС ускоряют выполнение задач машинного обучения, обеспечивая более быстрое обучение моделей ИИ и формирование ими логических выводов. Использование в этих ИС перспективных проектных норм жизненно важно для достижения производительности, необходимой для обработки больших наборов данных.
С другой стороны, дальнейшие инвестиции стимулируют потребность в масштабируемости приложений ИИ. По мере того как различные организации внедряют решения ИИ в таких секторах, как, в частности, здравоохранение и финансы, потребность в эффективных, высокопроизводительных ИС, способных масштабироваться в соответствии с растущими рабочими нагрузками, становится все более острой.
Кроме того, на сектор логических приборов существенно влияет внедрение 5G-технологии, обеспечивающей более быструю передачу данных и меньшие задержки, что важно для приложений, работающих в реальном масштабе времени. Разворачиваемые 5G-сети обеспечивают бесперебойное подключение устройств, от смартфонов до датчиков IoT, создавая потребность в мощных логических ИС, поддерживающих увеличивающийся поток данных, связанный с 5G-приложениями.
Более того, переход к краевым вычислениямiii позволяет обрабатывать данные в реальном масштабе времени, что жизненно важно для таких приложений, как автономные транспортные средства и "умные" города. Этот переход требует новых архитектур ИС, рассчитанных на низкое энергопотребление и высокую эффективность. Для поддержки краевых вычислений производители разрабатывают инновационные конструкции ИС, в которых приоритет отдается энергоэффективности и вычислительной мощности и в которые часто включаются специализированные процессоры для решения конкретных задач.
Схемы памяти
Расходы на оборудование в секторе схем памяти в период 2025–2027 годов превысят 120 млрд долл. Этот сектор вступит в устойчивый цикл роста, обусловленный значительными инвестициями в технологии ДОЗУ и 3D-флеш-памяти NAND-типа. Спрос на более быстрые, эффективные и надежные решения для хранения данных стал критическим по мере роста объемов обработки данных в различных секторах экономики.
Основные факторы, стимулирующие расширение сектора схем памяти, отражают растущие требования к современным приложениям и технологиям. Стремительный рост объемов обработки данных с помощью IoT-устройств, облачных вычислений и аналитики больших объемов данных обусловил высокий спрос на решения в области схем памяти. По оценкам отраслевых специалистов, в ближайшие годы объем создаваемых в мире данных достигнет уровня зеттабайт (зеттабайт – миллиард терабайтов), что потребует создания систем, способных эффективно обрабатывать такие объемы информации.
Рост числа приложений ИИ и машинного обучения, требующих обработки больших массивов данных в режиме реального времени и создающих значительную нагрузку на системы памяти, делает необходимым создание высокопроизводительных решений в области схем памяти. Для достижения необходимой скорости обработки и пропускной способности подобных приложений нужны перспективные технологии схем памяти.
Переход к облачным вычислениям и виртуализации еще больше увеличил спрос на схемы памяти. Для управления виртуальными машинами и оптимизации производительности облачных приложений ЦОД используют решения со схемами памяти большой емкости. Это, в свою очередь, стимулирует инвестиции в развитие технологий ДОЗУ и 3D-схем флеш-памяти NAND-типа.
ДОЗУ остаются одним из основных сегментов сектора схем памяти. Инновации здесь направлены на повышение скорости передачи данных, емкости и эффективности. Производители уделяют особое внимание модулям ДОЗУ более высокой плотности, способствующих повышению производительности конечных систем. Так, технология DDR5 обеспечивает повышение пропускной способности и энергоэффективности приложений, требующих быстрого доступа к данным (например, игры высокого уровня и аналитика данных). ИС ДОЗУ также все чаще используются в специализированных приложениях, включая автомобильные системы и краевые вычисления, требующих высокой производительности при сохранении низкого энергопотребления.
С другой стороны, стремительно развивается технология 3D-схем флеш-памяти NAND-типа, предлагющая решения для современных систем хранения данных.
Ее многоуровневая архитектура отличается от традиционной архитектуры 2D-схем флеш-памяти NAND-типа вертикальным расположением ячеек памяти, что повышает плотность хранения данных. Такая конструкция позволяет использовать накопители большей емкости без увеличения занимаемой ими площади, что делает их очень привлекательными для использования в смартфонах и ЦОД. Кроме того, схемы 3D-флеш-памяти NAND-типа повышают производительность и долговечность конечных систем, в которых они используются, обеспечивая эффективную запись и удаление данных в приложениях, пользующихся высоким спросом, таких как облачные хранилища и т.п. По мере совершенствования технологий 3D-схем памяти NAND-типа себестоимость их изготовления снижается. Интеграция решений в области схем памяти с развивающимися технологиями наподобие ИИ, 5G и краевых вычислений, будет иметь решающее значение для формирования новых требований к производительности и емкости схем памяти.
Силовая электроника и аналоговые приборы
По прогнозам, объем рынка силовой электроники в 2027 году превысит 30 млрд долл., в то время как сектор аналоговых и аналого-цифровых приборов достигнет 23 млрд долл. Эти сектора имеют решающее значение для развития энергоэффективных технологий и рост затрат на оборудование для их производства обусловлен растущим спросом на эффективные технологии преобразования энергии в таких секторах, как возобновляемые источники энергии, электромобили и промышленная автоматизация.
Переход к возобновляемым источникам энергии требует эффективных систем преобразования энергии, что делает силовую электронику незаменимой для управления потоками энергии из этих источников и обеспечения эффективного преобразования электроэнергии. Переход автомобильной промышленности на электромобили еще больше стимулирует инвестиции в силовую электронику, поскольку эффективные системы управления питанием жизненно важны для повышения производительности аккумуляторных батарей и расширения модельного ряда транспортных средств. Кроме того, рост автоматизации производства требует сложной силовой электроники для управления промышленными электродвигателями и энергопотреблением. Инвестиции в интеллектуальные заводы и инициативы по реализации 4-й промышленной революции (Industry 4.0iv) увеличивают спрос на высокопроизводительные мощные полупроводниковые приборы.
Более того, технологические инновации играют все более важную роль в секторе силовой электроники. Производители уделяют все больше внимания перспективным мощным полупроводниковым приборам на GaN и SiC. Разработка таких полупроводниковых приборов с большой шириной запрещенной [энергетической] зоны произвела революцию в области силовой электроники за счет уникальных свойств, позволяющих повысить производительность в самых разных областях применения. Эти материалы хорошо подходят для возобновляемой энергетики и электромобилей, где решающее значение имеют максимальное преобразование энергии и минимизация потерь. Поскольку мировой спрос на энергоэффективные технологии продолжает расти, ожидается, что внедрение технологий SiC и GaN значительно ускорится. Этот всплеск интереса, вероятно, приведет к значительным инвестициям в их производство и разработку, способствуя дальнейшему развитию отрасли и прокладывая путь к более устойчивой энергетике будущего [2].
Региональная структура
инвестиционных ожиданий
Данные рис. 2 иллюстрируют прогнозируемые инвестиции в оборудование заводов по обработке пластин диаметром 300 мм в разбивке по регионам на период с 2024 по 2027 год.
Крупнейшим инвестором в полупроводниковое оборудование останется КНР со 100 млрд долл. На размер выделяемых средств в значительной степени влияет национальная политика, направленная на достижение самодостаточности в производстве полупроводниковых приборов, особенно в свете сохраняющейся геополитической напряженности и торговых ограничений со стороны США и ЕС. При этом своего пика в 45 млрд долл. расходы на оборудование достигнут в 2024 году, а затем сократятся до 31 млрд долларов к 2027 году.
Ю. Корея инвестирует 81 млрд долл. в основном в производственное оборудование изготовления схем памяти – ДОЗУ и 3D-флеш-памяти NAND-типа. Эти инвестиции имеют решающее значение для поддержания конкурентоспособности страны, особенно в условиях продолжающегося роста мирового спроса на схемы памяти.
Тайвань намерен выделить 75 млрд долл., причем инвестиции, в основном, будут направлены на оборудование новых заводов по обработке 300-мм пластин за рубежом (прежде всего и в основном в США) и внедрение перспективных технологий изготовления логических приборов с проектными нормами менее 3 нм [1].
Инвестиции в полупроводниковое оборудование стран Северной и Южной Америки составят 63 млрд долл.
В основном, эти инвестиции будут осуществлены в США в рамках реализации «Закона о стимулировании развития производства полупроводниковых приборов и науки в Америке» (CHIPS and Science Act) [3]. Более подробно вопрос о реализации этого закона будет рассмотрен в одном из следующих выпусков.
Мировой рынок оборудования заводов
по обработке пластин в целом
Структура мирового рынка оборудования для заводов по обработке пластин меняется, поскольку значительные достижения в архитектуре ИС требуют изменений в оборудовании, используемом при их производстве. В декабре 2024 года исследовательская группа Yole спрогнозировала, что в 2029 году доходы от продаж такого оборудования для пластин всех диаметров составят 140 млрд долл., что существенно отличается от ранее приведенного прогноза SEMI на 2027 год. Сектор оборудования для обработки пластин является основным в цепочке наращивания стоимости полупроводниковых приборов, поставщики этого оборудования играют решающую роль в сотрудничестве со всеми участниками цепочки поставок для реализации технологических достижений и выпуска на их основе перспективных ИС. Yole Intelligence ожидает, что к концу десятилетия наибольший доход будут, по-прежнему, приносить производственные системы для изготовления логических приборов и схем памяти (рис. 3). Но при этом сами логические приборы и схемы памяти значительно изменятся, и производителям ИС придется выделять значительную часть своих капитальных вложений на приобретение современного оборудования. В основном это касается оборудования для обработки 300-мм пластин. Также отмечается, что будет расти спрос и на оборудование для производства ИС по зрелым технологиям на пластинах меньших диаметров – 200, 150, 125 мм и менее. Для многих приложений IoT, автомобильной и промышленной электроники не требуются ИС с минимальными проектными нормами, но эти сектора обладают существенным потенциалом роста. Кроме того, ИС на GaAs, SiC и ряде других отличных от кремния материалах изготавливаются на подложках меньших диаметров [4].
Некоторые структурные изменения
Многие годы на рынки вычислительной техники мобильной и потребительской электроники приходилось более 60% доходов от продаж полупроводниковых приборов. Ожидается, что эта доля будет снижаться, поскольку доходы от продаж ИС для серверов к 2030 году удвоятся – до 32% с 18% в настоящее время. Этому будут способствовать капиталовложения в сервисы и инфраструктуру ИИ.
Революция в области ИИ требует инвестиций в серверную и клиентскую инфраструктуру, которая будет потреблять большие объемы полупроводниковых приборов, включая GPU, TPU, ДОЗУ с высокой пропускной способностью, оптические и радио приборы, сенсоры, приборы питания и т.п. Будет меняться и структура продаж полупроводниковых приборов по конечному использованию (рис. 4). Для изготовления всех этих приборов потребуется современное полупроводниковое оборудование [5].
Внедрение технологии EUV-литографии стало одним из факторов роста продаж полупроводникового оборудования в стоимостном выражении – каждая современная EUV-установка корпорации ASML стоит от 300 млн долл. Другие типы современного полупроводникового оборудования также дороже установок предшествующего поколения. Это привело к увеличению капитальных затрат производителей ИС. Доля этих затрат на оборудование заводов по обработке пластин в структуре продаж этих заводов в 2023 году выросла примерно до 20% по сравнению с 10–15% в предыдущие годы [6].
Рынки оборудования для полупроводниковой промышленности США и Тайваня, полупроводниковые промышленности которых все больше объединяются, лучше рассматривать отдельно. Поэтому в рамках данной статьи кратко остановимся на регионе Европы, Ближнего Востока и Африки (EMEA), а также КНР.
Регион EMEA на рынке
полупроводникового оборудования
Поставщики оборудования в регионе EMEA широко представлены на рынке как системами начальных этапов обработки пластин (формирование транзисторной структуры), так и системами завершающих этапов (сборка, корпусирование и тестирование ИС). В 2022–2024 годах регион по объему продаж занимал второе место после США, опережая Японию. Ведущими поставщиками являются ASML и ASM (Нидерланды), ZEISS (ФРГ), NOVA
и Camtek (Израиль). Более мелкие поставщики сосредоточены в ФРГ, Австрии, Венгрии и Великобритании.
В 2023 году объем продаж поставщиков оборудования EMEA для обработки пластин 31,2 млрд долл. или 29% мировых продаж в размере 107 млрд долл. Европейские производители, в основном, получают доход от поставок установок формирования рисунков (системы литографии, 31,1 млрд долл.), за которыми следуют оборудование для соединения пластин (0,6 млрд долл.), системы метрологии и контроля (14,8 млрд долл.), установки осаждения (27,5 млрд долл.) (рис. 5).
Собственно Европа потребляет постоянный объем оборудования для заводов по обработке пластин, при котором такие компании, как Infineon, Bosch и STMicroelectronics, производят полупроводниковые приборы по зрелым и устаревшим технологиям. Эти вертикально интегрированные производители (разработка, проектирование, производство и маркетинг ИС) выпускают в основном специализированные и устаревшие логические приборы, необходимые, тем не менее, для создания современных электронных систем. В 2023 году на кремниевые заводы ЕС пришлось 6% от общемировых доходов этого сектора в размере 330 млрд долл., на их долю пришлось 7% от мирового объема установленных производственных мощностей кремниевых заводов.
С точки зрения производителей микросхем и поставщиков оборудования, цикл производства оборудования является длительным – гораздо более длительным, чем правительственные решения, которые могут привести к смене лидерства на рынке оборудования. Принятый
в ЕС закон European CHIPS Act, с одной стороны, направлен на повышение конкурентоспособности Европы в области полупроводниковой промышленности. С другой стороны, бюджет для реализации этого закона намного меньше, чем инвестиции, необходимые для повышения конкурентоспособности европейской экосистемы полупроводниковой промышленности. Без увеличения поддержки отрасли на национальных уровнях и на уровне ЕС в целом, поставленная цель укрепления ее конкурентоспособности на международной арене вряд ли достижима [5].
КНР наращивает производство собственного оборудования для заводов по обработке пластин и других операций
По предварительным данным в 2024 году КНР ввела в строй больше новых мощностей по производству полупроводниковых приборов, включая заводы по обработке пластин, чем все остальные страны мира вместе взятые (рис. 6).
Правда, практически все эти мощности предназначены для производства ИС по зрелым технологиям [7].
По данным SEMI, в 2023 году КНР стала крупнейшим в мире производителем полупроводникового оборудования, инвестировав в его изготовление более 36 млрд долл. Кроме того, КНР накапливает иностранное оборудование для обеспечения производства и поставок своих ИС.
SEMI ожидает, что благодаря государственному финансированию и другим мерам стимулирования развития отечественной микроэлектроники КНР увеличит свою долю в мировом производстве полупроводниковых приборов. В 2024 году китайские производители ИС начали реализацию 18 проектов по созданию и оборудованию производственных мощностей. Благодаря ранее реализованным проектам производственные мощности КНР в 2023 году расширились на 12%, достигнув показателя в 7,6 млн пластин, начатых обработкой в месяц.
По итогам 2024 года ожидается что этот показатель увеличится до 8,6 млн пластин/месяц (+13% к 2023 году) [8].
В авангарде этой гонки находится SMIC, на новой производственной линии которой на окраине Пекина в производственный процесс интегрируется оборудование отечественного производства, постепенно заменяя стандартные для отрасли зарубежные инструментальные средства. Этот шаг отражает более широкую национальную стратегию по освобождению технологического будущего КНР от иностранного господства. В декабре 2020 года SMIC был включен в американский экспортный черный список из-за предполагаемых связей с китайскими военными [9].
В 2023 году SMIC увеличила свои активы в сфере основных средств до 24 млрд долл. по сравнению с 18,8 млрд долл. в 2022 году. Кроме того, в I кв. 2024 года SMIC приобрела оборудование на 1,5 млрд долл., а также заняла 3 место (за TSMC и Global Foundries) в рейтинге ведущих мировых кремниевых заводов по версии TrendForce.
Крупные инвестиции КНР в производство ИС сталкиваются со значительными трудностями. Линии по производству 28/22-нм ИС демонстрируют высокую производительность и рентабельность, но они не сравнятся с зарубежными линиями по производству 3-нм ИС, используемыми в новейших мобильных устройствах высокого класса.
Да, корпорации Huawei удалось разработать 7-нм ИС с использованием технологии SMIC, но в отсутствии установок EUV-литографии их приходится изготавливать методами многократного формирования рисунка с использованием иммерсионной 193-нм литографии. Это делает процесс более сложным и длительным, а в долгосрочной перспективе такие ИС могут оказаться нерентабельными.
Тем не менее, КНР в гораздо меньшей степени, чем США, способна использовать свое доминирующее положение в цепочке поставок полупроводниковых приборов –
в основном из-за своей зависимости от западного оборудования для производства ИС [7].
Побудительной причиной проведения национальной политики по достижению самообеспеченности полупроводниковыми приборами послужили вводимые еще с первого президентства Трампа ограничения на экспорт из США новейшего технологического оборудования для производства ИС с перспективными проектными нормами. Нидерланды и Япония присоединились к этим ограничениям.
В частности, нидерландская ASML, монопольный производитель установок EUV-литографии, до сих пор не поставила корпорации Semiconductor Manufacturing International (SMIC), крупнейшему китайскому кремниевому заводу – установку для формирования ИС с проектными нормами менее 10 нм, оплаченную еще в 2020 году [9].
КНР не одинока в стремлении укрепления национальной производственной базы. США в рамках реализации CHIPS and Science Act выделили на поддержку отечественного производства ИС более 50 млрд долл. [3], ЕС последовал их примеру (European CHIPS Act) [10]. Ю. Корея в рамках реализации программы Semiconductor Belt (основные участники Samsung и SK Hynix) предоставила отечественным производителям налоговые льготы на общую сумму в 19 млрд долл. с целью укрепления конкурентоспособности местной микроэлектроники [9].
***
Полупроводниковая промышленность, включая микроэлектронику, является капиталоемкой и наукоемкой отраслью. В рамках идущего перехода на новые архитектуры и меньшие проектные нормы разработчиков и производителей полупроводниковых приборов ожидает как усиление конкуренции, так и расширение возможностей сотрудничества, особенно в сфере НИОКР. Большое значение для использования новых технологий и рыночных возможностей будут иметь стратегические партнерства и альянсы. Правительствам стран-поставщиков полупроводниковых приборов, материалов и оборудования для их производства придется усилить поддержку отечественного производства, одновременно стимулируя инновации и устраняя уязвимости в цепочках поставок.
Ожидаемые инвестиции в оборудование заводов по обработке 300-мм пластин объемом в 400 млрд долл. свидетельствуют о начале очередного периода трансформации мировой полупроводниковой промышленности. При этом место для секторов, использующих более зрелые технологии, безусловно, останется.
ЛИТЕРАТУРА
300mm Fab Outlook (2016 to 2027) // SEMI. Published December 19, 2024.
Sarjon Murad. Global Semiconductor Industry Plans $400B Investment in 300-mm Fab Equipment Over Next Three Years // AspenCore Network. December 11, 2024.
Авдонин Б., Макушин М. Микроэлектроника: CHIPS Act и расширение производственной базы в США // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2023, №8 (00229). С. 124–131.
Status of the Wafer Fab Equipment (WFE) Industry // Yole Group, December 2024.
Taguhi Yeghoyan and Pierre Cambou. European Vendors Key as Wafer Fab Equipment Market Evolves // EE Times Europe, December 12, 2024.
Wafer Fab Equipment Market Monitor // Yole Group, QIV 2024.
Pablo Valerio. China Races for Chip Supremacy // EE Times, 06.13.2024.
Q1 2024 Global Semiconductor Equipment Billings Edge Down 2% Year-Over-Year, SEMI Reports.
Макушин М. Контрактное производство ИС: ведущие мировые кремниевые заводы расширяют мощности. Часть 2 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2022, №2 (00213). С. 70–78.
Брыкин А., Макушин М. Микроэлектроника и государственная политика высокотехнологичных стран: «национализация» взамен глобализации// ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2021. №9 (00210). С. 148–156.
Отзывы читателей
