Нанометры решают всё: почему российская микроэлектроника уступает место мировым гигантам

Российские заводы пока выпускают микросхемы по технологиям 65–90 нанометров, тогда как мировые лидеры работают в диапазоне 3–7 нанометров. В статье разбираем, как этот разрыв влияет на функционал электроники и почему отечественные конструкторские центры вынуждены размещать заказы за рубежом.

Чем меньше технологическая норма в нанометрах, тем более миниатюрными получаются транзисторы – базовые элементы любой микросхемы. Именно этот размер напрямую диктует ключевые свойства готового устройства. При переходе на более тонкую топологию на том же кристаллическом поле удаётся разместить в несколько раз больше транзисторов, что ведёт к росту вычислительной мощности. Меньшие транзисторы переключаются быстрее, так как электронам требуется преодолеть более короткое расстояние – отсюда повышение тактовой частоты и пропускной способности. Одновременно снижается потребляемая энергия: каждый акт переключения требует меньше заряда, уменьшаются паразитные ёмкости и токи утечки. Это даёт двойной выигрыш – либо устройство работает дольше без подзарядки при той же производительности, либо при том же энергопотреблении выдаёт гораздо более высокую скорость вычислений. Меньше энергии – меньше тепла. Современные тонкоплёночные процессы позволяют избегать перегрева и принудительного снижения тактовой частоты, известного как троттлинг. Наконец, только благодаря субмикронным нормам стало возможным упаковывать на одном кристалле не только процессорные ядра, но и графический ускоритель, контроллеры памяти и беспроводной связи – то есть создавать полноценную систему на одном кристалле, которая и является сердцем каждого смартфона или планшета. Однако уменьшение технологической нормы сталкивается с физическими ограничениями: на масштабах единиц нанометров начинают проявляться квантовые эффекты, такие как туннелирование электронов, которые нарушают предсказуемую работу транзисторов. Кроме того, выпуск чипов по передовым техпроцессам требует колоссальных инвестиций в оборудование и материалы, что делает его доступным лишь для нескольких корпораций в мире.

Российская микроэлектроника сегодня находится на ином технологическом уровне. Крупнейшие отечественные производители электронной компонентной базы освоили выпуск продукции с нормами 90–180 нанометров. Завод «Микрон», входящий в группу «Элемент», производит микросхемы для транспортных и банковских карт, систем безопасности, радиочастотные метки для загранпаспортов и биометрические компоненты. Предприятие запустило линию сборки в пластиковые корпуса мощностью до восемнадцати миллионов изделий в год. Научно-исследовательский институт молекулярной электроники разрабатывает микроконтроллеры, чипы для национальной платёжной системы «Мир» и транспортные карты «Тройка», а также кремниевые конденсаторы для вторичных источников питания. Институт электронных технологий выпускает тридцатидвухразрядные микроконтроллеры с ультранизким энергопотреблением, которые используются в интеллектуальных приборах учёта, плюс силовые, высокочастотные и сверхвысокочастотные транзисторы двойного назначения. Завод «Ангстрем» является стратегическим поставщиком электроники для Министерства обороны и планирует наладить массовый выпуск микросхем в пластиковом корпусе для автомобильной электроники, светотехники и медицинского оборудования. Компания «НМ-Тех» работает с кремниевыми пластинами диаметром двести миллиметров и в сотрудничестве с «Микроном» осваивает производство чипов для банковских карт и биометрических документов, а также для сим-карт и USB-токенов с электронной подписью. Предприятие «Крокус наноэлектроника» прежде специализировалось на пластинах триста миллиметров с нормами 90 и 55 нанометров, выпуская память на магниторезистивных и резистивных эффектах, но после 2022 года столкнулось с финансовыми трудностями. Научно-производственный центр «Элвис» разрабатывает системы-на-кристалле на платформе «Мультикор», радиационно-стойкие изделия для космоса и микросхемы для сверхвысокочастотных трактов широкополосной связи. Компания «ПКК Миландр» производит широкую линейку микроконтроллеров, процессоров цифровой обработки сигналов, микросхем памяти, а также сверхвысокочастотные транзисторы на основе нитрида галлия.

Несмотря на разнообразие продукции, многие российские проектные центры вынуждены заказывать изготовление своих разработок за рубежом. Причина – отсутствие в стране мощностей, соответствующих требуемому технологическому процессу. До введения санкций процессоры «Эльбрус» разработки МЦСТ и чипы «Байкал электроникс» производились на тайваньских фабриках TSMC, сотрудничество с которой прекратилось. В то время как мировая индустрия перешла к нормам 3–7 нанометров, в России массово выпускалась электроника по технологиям 65–90 нанометров, и лишь проекты по 28 нанометрам находились в стадии активной разработки. Этот разрыв делает невозможным производство на отечественных заводах высокопроизводительных процессоров и памяти для потребительской электроники, вынуждая конструкторские бюро либо переориентироваться на менее сложные изделия, либо искать альтернативные площадки в дружественных странах.

Перспективы развития отрасли закреплены в государственной программе до 2030 года. Планируется создание Объединённой микроэлектронной компании, которая должна освоить выпуск чипов по технологическому процессу 28 нанометров и менее. «Микрон» обсуждал строительство нового производства по топологии от 90 до 40 нанометров, а также развитие технологий на основе нитрида галлия. Предприятие «НМ-Тех» при поддержке министерства промышленности и торговли наняло специалистов из тайваньской компании UMC и намеревалось построить фабрику для 28-нанометровых чипов. Одновременно делается акцент на перспективных научных направлениях: гибридная микроэлектроника, нейроморфные процессоры, открытая архитектура RISC-V, фотонные и квантовые схемы. В сотрудничестве с Беларусью разрабатывается отечественный литограф с разрешением 130 нанометров, выпуск которого ожидался в 2026 году. Расширяется производство критических материалов – карбида кремния, фосфида галлия, нитрида алюминия. Для финансирования исследований введён технологический сбор с электронной продукции, средства от которого поступают в специализированный фонд. Действуют субсидии и программы импортозамещения, например, для института электронных технологий. Однако реализация всех этих планов требует огромных финансовых вливаний, решения проблемы импорта производственного оборудования и многолетнего наращивания инженерных компетенций. Без преодоления разрыва в нанометрах российские устройства останутся энергоёмкими, менее производительными и не смогут конкурировать с лучшими мировыми образцами в гражданском секторе, хотя в военной и космической нише, где важнее радиационная стойкость и надёжность, чем предельная миниатюризация, отечественные решения всё ещё востребованы.