Попытка Китая создать систему экстремальной ультрафиолетовой литографии (EUV), известная как «Манхэттенский проект» и использующая опыт ключевого голландского производителя EUV-технологий ASML, показала, как производственные возможности накапливаются с течением времени. EUV-литография – это сложная система, которая объединяет технологии, связанные с лазерами, физикой плазмы, прецизионной оптикой, вакуумными системами, а также программное обеспечение, материаловедение и производственную дисциплину. Для создания даже частично работающего прототипа требуются тысячи высококвалифицированных инженеров, годы исследований и испытаний. Достижение Китая не означает, что он полностью сократил отставание от ASML. Однако разрыв уже измеряется не десятилетиями, а годами.

Современные передовые микросхемы определяются размером элементов в нанометрах, от которого зависит количество транзисторов на микросхеме, их скорость переключения и энергопотребление. Микросхемы, обозначаемые 7 нм, 5 нм, 3 нм или 2 нм, не создаются с полным соблюдением указанных размеров. Однако эти обозначения позволяют сопоставить поколения транзисторов и получить представление о степени сложности литографии. Глубокая ультрафиолетовая литография, использующая свет с большей длиной волны, не может надежно формировать самые тонкие элементы без многократной экспозиции, сложных обходных путей и увеличения количества дефектов. Экстремальная ультрафиолетовая литография использует излучение с длиной волны 13,5 нм, избавляя от необходимости многократно формировать рисунок, даже несмотря на то, что конечный размер элементов остается ограниченным оптическими свойствами, поведением резиста и вариативностью процесса.

Экстремальная ультрафиолетовая литография очень сложна в реализации. Свет с длиной волны 13,5 нм не может проходить сквозь линзы и должен отражаться многослойными зеркалами, изготовленными и выровненными с точностью, близкой к атомной. Излучение генерируется путем воздействия мощными лазерами на микроскопические капли олова для создания плазмы. Вся система работает в высоком вакууме и требует исключительного контроля вибрации, температуры, уровня загрязнения и синхронизации. Только голландский производитель ASML добился успеха после многолетнего сотрудничества со специализированными поставщиками при активном участии ведущих производителей микросхем, а также за счет постоянных государственных и частных инвестиций в Европе и США.

Изначально Китай рассчитывал получить доступ к системам УФ-излучения через те же коммерческие каналы, которые поставляли оборудование для производства микросхем предыдущих поколений. Однако Соединенные Штаты Америки сформировали коалицию с ключевыми союзниками, включая Нидерланды, Южную Корею и Японию, чтобы заблокировать доступ Китая к самым передовым микросхемам и инструментам, необходимым для их производства. Цель заключалась в замедлении прогресса Китая на переднем крае полупроводниковых технологий, а также в блокировке доступа к оборудованию и производственным мощностям.

После этого Китай мог смириться с полным исключением из передовых технологических процессов производства логических микросхем или попытаться воссоздать одну из самых сложных промышленных систем. Решение о развитии собственных возможностей в области EUV-литографии было основано не на уверенности в быстром успехе, а на признании того, что без этой технологии передовые микросхемы останутся недоступными. Программа, многие аспекты которой были засекречены, объединила возможности китайских научно-исследовательских институтов, поставщиков и производственных предприятий. Работа с мощными лазерами тесно переплеталась с деятельностью физиков плазмы. Оптические исследовательские группы взаимодействовали с инженерами-вакуумщиками и специалистами по загрязнению. Экспертиза в области систем управления, заимствованная из промышленной автоматизации и аэрокосмической отрасли, была адаптирована к требованиям стабильности на нанометровом уровне.

Основой этих усилий был человеческий капитал, что стало ключевым фактором для реконструкции EUV-машин ASML. За последние два десятилетия Китай подготовил тысячи и тысячи докторов наук в областях, которые лежат в основе EUV-литографии и передового производства микросхем. Оптика, фотоника, материаловедение, физика плазмы, системы управления и мехатроника не являются нишевыми областями в Китае. Многие из этих ученых обучались внутри страны в рамках все более конкурентных программ, другие – получили образование за рубежом, в США, Европе и Японии, а затем вернулись или сохранили профессиональные связи. В результате образовалась система с пересекающимися поколениями инженеров, способных решать задачи, для которых нет четких пошаговых алгоритмов.

У компании ASML не было иного выбора, кроме как нанимать сотрудников по всему миру, а значит, и представителей Китая. Это было отражением того, как дефицитные знания циркулируют на глобальном рынке труда. Когда Китай сформировал команды для работы над EUV-литографией, ему нужны были не тысячи людей, которые уже создавали EUV-машины, а сотни специалистов с пониманием того, как такие системы ведут себя на практике, когда теория встречается с производством.

Если рассматривать кадровый резерв для предприятий EUV-литографии, можно отметить, что Китай и США ежегодно присуждают десятки тысяч докторских степеней в области науки и техники. При этом азиатская страна лидирует по этому показателю. Например, в 2020 году Китай присудил около 43 тысяч докторских степеней в области науки и техники, что примерно на тысячу больше, чем США. По предварительным оценкам показателя за 2025 год, в Китае он составил 50 тысяч по сравнению с 30 тысячами в США.

Еще одним важным фактором является состав системы STEM-образования в Соединенных Штатах. Граждане Китая на протяжении многих лет составляют самую большую группу иностранных студентов в американских аспирантских программах STEM, особенно в областях инженерии, прикладной физики, материаловедения и управления, которые напрямую связаны с передовым производством полупроводников. Во многих ведущих американских программах выходцы из Китая составляют значительную долю, а в некоторых подотраслях – большинство. Они вносят существенный вклад в научные исследования в США во время обучения, при этом значительная часть выпускников возвращается в Китай или поддерживает профессиональные связи с коллегами за пределами Соединенных Штатов.

Результатом становится структурное замедление роста числа докторантов в США именно в тех областях, которые наиболее актуальны для EUV-литографии и передовых фабрик. Соединенные Штаты готовят большое количество талантливых специалистов со всего мира, но трудоустраивают незначительный процент, что в долгосрочной перспективе замедляет накопление опыта внутри страны в критически важных областях.

На граждан Китая может приходиться примерно 25-40% недавнего глобального выпуска докторантов в области мехатроники и техники управления, около 20-35% – в области инженерии, связанной с источниками EUV-излучения и прикладной физикой, и еще порядка 15-30% – в области прецизионной оптики и фотоники. Таким образом, тысячи китайских докторантов ежегодно пополняют глобальный кадровый резерв в трех ключевых областях специализации, необходимых для развития EUV-оборудования. Такие компании, как ASML, нанимают 40-45 тысяч сотрудников по всему миру, около трети которых сосредоточены в Европе, немного меньше – в США и Азии, и небольшая часть – непосредственно в Китае.

Соединенные Штаты Америки подходят к производству полупроводников с других позиций. Закон CHIPS спровоцировал запуск целой группы проектов по строительству заводов при участии таких гигантов, как Intel, TSMC, Samsung, Micron и не только. Впервые за несколько десятилетий мощности по производству передовых полупроводников возвращаются на территорию США в больших масштабах. Страна может закупать установки EUV у ASML и развертывать их на своих отечественных заводах. Однако это преимущество носит скорее геополитический, чем структурный характер.

Доступ к оборудованию ASML зависит от политической согласованности и режимов экспортного контроля, которые со временем становятся все более хрупкими. Геополитические противоречия, которые послужили мотивом для принятия Закона CHIPS, создают неопределенность в отношении долгосрочного доступа к самому современному оборудованию. Его покупка не решает глубокую проблему обеспечения высокой производительности, бесперебойности и конкурентоспособности. Финансовые результаты деятельности заводов зависят от навыков, накопленных за годы производства, а не от даты прибытия грузовых контейнеров с оборудованием.

Именно здесь проявляется фактор опыта. Производственный потенциал можно рассматривать как многоуровневую систему компетенций. Внизу находятся производственные мощности, работа с химическими веществами, вакуумные системы, контроль загрязнений, технические специалисты и квалифицированные рабочие. Выше расположены инженерное обеспечение бесперебойной работы, управление технологическими процессами и системы производственных данных. Наверху находятся интеграция процессов, управление производительностью, прецизионная оптика и интеграция передовой литографии. Каждый более высокий уровень зависит от более низких уровней и имеет свою кривую обучения.

При сравнении конкурентных преимуществ США и Китая можно обратить внимание на несколько критериев, в том числе, ресурсную базу, релевантный опыт, а также скорость налаживания связей или приобретения ключевых компаний. Соединенные Штаты демонстрируют высокие результаты в области производственных мощностей, систем управления, оперативного руководства и смежных отраслей промышленности. Они обладают богатым опытом в аэрокосмической, химической, энергетической отраслях, а также в вопросах автоматизации и повышения надежности. Однако слабые места у них находятся на самом высоком уровне. Интеграция передовых технологических процессов, обучение производительности на самых современных узлах и интеграция EUV-литографии недостаточно развиты, поскольку в США в течение последнего десятилетия многие передовые заводы не эксплуатировались в режиме непрерывного производственного цикла.

Сильные стороны Китая на самом высоком уровне остаются ограниченными, но его смежные компетенции шире, а кадровый потенциал, масштабирование и итерация выше, чем у США, на большинстве уровней. Здесь эксплуатируется множество заводов, объединенных в крупные производственные экосистемы. Местные инженеры привыкли к крупномасштабному производству, быстрой итерации и длительным периодам обучения. Оставшиеся пробелы незначительны, но труднопреодолимы. Точная EUV-оптика, полная системная интеграция и обучение производительности на самом высоком уровне по-прежнему являются ограничивающими факторами. Это именно те ограничения, для защиты от которых и предназначен экспортный контроль.

При сопоставлении потенциала двух стран важно не забывать о сложности устранения имеющихся пробелов. Например, невозможно подготовить инженера по повышению производительности за шесть месяцев или оперативно смоделировать многолетний опыт восстановления бесперебойной работы, поскольку соответствующие навыки формируются в результате многократного столкновения с реальными отказами. Соединенные Штаты Америки сталкиваются с этой проблемой, одновременно принимая политические решения, которые снижают мобильность рабочей силы. Притеснения квалифицированных иностранных рабочих, ужесточение визового режима и недружелюбная среда для иммигрантов напрямую влияют на возможность укомплектования заводов опытным персоналом.

Китай сталкивается с другими рисками. Его усилия в области EUV демонстрируют настойчивость, но не гарантируют успеха. Разработка точной оптики остается одной из самых сложных производственных задач в мире, а сбои в интеграции могут затормозить прогресс на годы. Тем не менее, Китай системно преобразует смежные промышленные мощности в полупроводниковые, в то время как Соединенные Штаты пытаются восстановить мощности, которые атрофировались, когда производство переместилось за границу.

В гонке полупроводников в лидеры выходит не тот, кто объявит о строительстве большего количества заводов или привлечет больше инвестиций. Речь идет о накоплении и сохранении ресурсов, необходимых для управления одними из самых сложных производственных систем в мире. У США есть неоспоримые преимущества, особенно доступ к ASML и квалифицированные специалисты в смежных областях. Однако у Китая больше шансов со временем создать полноценную отечественную систему производства микросхем, поскольку он устраняет ключевые пробелы, сохраняя при этом глубину компетенций во всех остальных областях. Все решится в течение десятилетий, а не отдельных циклов, и исход будет определяться скорее людьми, чем машинами.

По материалам cleantechnica.com