Как разрабатываются и производятся процессоры: изготовление чипа / Хабр

Это третья статья из серии о проектировании ЦП. В первой статье мы рассмотрели архитектуру компьютера и объяснили его работу на высоком уровне. Во второй статье говорилось о проектировании и реализации некоторых компонентов чипа. В третьей части мы узнаем, как архитектурные проекты и электрические схемы становятся физическими чипами.

Как превратить кучу песка в современный процессор? Давайте разберёмся.

Часть 1: Основы архитектуры компьютеров (архитектуры наборов команд, кэширование, конвейеры, hyperthreading)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП (электрические схемы, транзисторы, логические элементы, синхронизация)
Часть 3: Компонование и физическое производство чипа (VLSI и изготовление кремния)
Часть 4: Современные тенденции и важные будущие направления в архитектуре компьютеров (море ускорителей, трёхмерное интегрирование, FPGA, Near Memory Computing)

Как говорилось ранее, процессоры и вся другая цифровая логика составлены из транзисторов.

Транзистор — это переключатель с электрическим управлением, который может включаться и отключаться подачей или отключением напряжения на затворе. Мы сказали, что существует два вида транзисторов: nMOS-устройства пропускают ток, когда затвор включён, а pMOS-устройства пропускают ток при выключенном затворе. Базовая структура процессора — это транзисторы, созданные из кремния. Кремний — это полупроводник, потому что он занимает промежуточное положение — не проводит ток полностью, но и не является изолятором.

Чтобы превратить кремниевую пластину в практическую электрическую схему добавлением транзисторов, производственные инженеры используют процесс под названием «

легирование«. Легирование — это процесс добавления в базовый субстрат кремния тщательно выбранных примесей для изменения его проводимости. Цель заключается в том, чтобы изменить поведение электронов так, чтобы мы могли ими управлять. Существует два вида транзисторов, а значит, и два основных вида легирования.

Процесс изготовления пластины до размещения чипов в корпусе.

Если мы добавим точно контролируемое количество элементов-доноров электронов, например, мышьяка, сурьмы или фосфора, то можем создать область n-типа. Поскольку область пластины, на которую нанесены эти элементы, теперь имеет избыток электронов, она становится отрицательно заряженной. Отсюда взялось название типа (n — negative) и буква «n» в nMOS. Добавляя на кремний такие элементы-акцепторы электронов, как бор, индий или галлий, мы можем создавать область p-типа, заряженную положительно. Отсюда взялась буква «p» в p-типе и pMOS (p — positive). Конкретные процессы добавления этих примесей к кремнию называются

ионной имплантацией и диффузией; их мы в статье рассматривать не будем.

Теперь, когда мы можем управлять электропроводимостью отдельных частей кремниевой пластины, можно скомбинировать свойства нескольких областей для создания транзисторов.

Транзисторы, используемые в интегральных схемах и называющиеся MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors, МОП-структуры, структуры «металл-оксид-проводник»), имеют четыре соединения. Контролируемый нами ток течёт между истоком (Source) и стоком (Drain). В n-канальном устройстве ток обычно входит в сток и выходит из истока, а в p-канальном устройстве он обычно течёт из истока и выходит из стока. Затвор (Gate) — это переключатель, используемый для включения и отключения транзистора. Наконец, у устройства есть тело транзистора (Body), которое не относится к процессору, поэтому мы не будем его рассматривать.

Физическая структура инвертора в кремнии. Области разных цветов имеют разные свойства проводимости. Заметьте, как разные кремниевые компоненты соответствуют схеме справа

Технические подробности работы транзисторов и взаимодействия отдельных областей — это содержание целого курса колледжа, поэтому мы коснёмся только основ. Хорошая аналогия их работы — это разводной мост над рекой. Автомобили — электроны в транзисторе — хотят перетечь с одной стороны реки на другую, это исток и сток транзистора. Возьмём для примера nMOS-устройство: когда затвор не заряжен, разводной мост поднят и электроны не могут течь по каналу. Когда мы опускаем мост, то образуем дорогу над рекой и автомобили могут свободно перемещаться. То же самое происходит в транзисторе. Зарядка затвора образует канал между истоком и стоком, позволяющий току течь.

Для точного контроля над расположением на кремнии разных областей p и n производители, например Intel и TSMC используют процесс под названием фотолитография. Это чрезвычайно сложный многоэтапный процесс и компании тратят миллиарды долларов на его усовершенствование для того, чтобы создавать более мелкие, быстрые и энергоэффективные транзисторы. Представьте сверхточный принтер, который можно использовать для рисования на кремнии паттернов для каждой области.

Процесс изготовления транзисторов на чипе начинается с чистой кремниевой пластины (подложки). Она нагревается в печи для создания на поверхности пластины тонкого слоя диоксида кремния. Затем на диоксид кремния наносится светочувствительный фоторезистивный полимер. Освещая полимер светом определённых частот, мы можем обнажать полимер в тех областях, где хотим выполнять легирование. Это этап литографии, и он схож с тем, как принтеры наносят чернила на определённые области страницы, только в меньшем масштабе.

Пластина протравливается плавиковой кислотой для растворения диоксида кремния в местах, где был удалён полимер. Затем фоторезист убирается, оставляя только находящийся под ним оксидный слой. Теперь на пластину можно нанести легирующие ионы, которые имплантируются только в местах, где отсутствует оксид.

Этот процесс маскирования, формирования и легирования повторяется десятки раз для медленного построения каждого уровня элементов в полупроводнике. После завершения базового уровня кремния поверх можно создать металлические соединения, соединяющие разные транзисторы.

Чуть позже мы подробнее поговорим об этих соединениях и слоях металлизации.

Разумеется, производители чипов не выполняют процесс создания транзисторов под одному. При проектировании нового чипа они генерируют маски для каждого этапа процесса изготовления. Эти маски содержат местоположения каждого элемента миллиардов транзисторов чипа. Несколько чипов группируются вместе и изготавливаются совместно на одном кристалле.

После изготовления пластины она разрезается на отдельные кристаллы, которые помещаются
в корпуса. Каждая пластина может содержать сотни или даже больше чипов. Обычно чем более мощный производится чип, тем больше будет кристалл, и тем меньше чипов производитель может получить с каждой пластины.

Можно подумать, что нам просто стоит производить огромные супермощные чипы с сотнями ядер, но это невозможно. В настоящее время самым серьёзным фактором, мешающим создавать всё более крупные чипы, являются дефекты в процессе производства. Современные чипы содержат миллиарды транзисторов и если хотя бы одна часть одного транзистора сломана, то может быть выброшен весь чип. При увеличении размера процессоров вероятность неисправности чипа повышается.

Продуктивность процессов изготовления своих чипов компании тщательно скрывают, но её можно примерно оценить в 70-90%. Компании обычно изготавливают чипы с запасом, потому что знают, что некоторые части не будут работать. Например, Intel может спроектировать 8-ядерный чип, но продавать его только как 6-ядерный, потому что рассчитывает, что одно или два ядра могут быть сломаны. Чипы с необычно низким количеством дефектов обычно откладываются для продажи по более высокой цене. Этот процесс называется binning.

Один из самых серьёзных маркетинговых параметров, связанных с изготовлением чипов — это размер элементов. Например, Intel осваивает 10-нанометровый процесс, AMD использует для некоторых GPU 7-нанометровый, а TSMC начала работу над 5-нанометровым процессом.

Но что означают все эти числа? Традиционно размером элемента называется минимальное расстояние между стоком и истоком транзистора. В процессе развития технологий мы научились уменьшать транзисторы, чтобы на одном чипе их помещалось всё больше. При уменьшении транзисторов они также становятся всё быстрее и быстрее.

Глядя на эти числа, важно помнить, что некоторые компании могут основывать размер техпроцесса не на стандартном расстоянии, а на других величинах. Это значит, что процессы с разным размером у различных компаний могут на самом деле приводить к созданию транзисторов одинакового размера. С другой стороны, не все транзисторы в отдельном техпроцессе имеют одинаковый размер. Проектировщики могут решить ради компромиссов сделать некоторые транзисторы крупнее других. Мелкий транзистор будет быстрее, потому на зарядку и разрядку его затвора требуется меньше времени. Однако мелкие транзисторы могут управлять только очень малым количеством выходов. Если какой-то кусок логики будет управлять чем-то, требующим много мощности, например, контактом вывода, то его придётся сделать намного больше.

Такие транзисторы вывода могут быть на порядки величин больше, чем транзисторы внутренней логики.

Снимок кристалла современного процессора AMD Zen. Эта конструкция состоит из нескольких миллиардов транзисторов.

Однако проектирование и изготовление транзисторов — это только половина чипа. Нам необходимы проводники, чтобы соединить всё согласно схеме. Эти соединения создаются при помощи слоёв металлизации поверх транзисторов. Представьте многоуровневую дорожную развязку с въездами, выездами и кучей пересекающихся дорог. Именно это и происходит внутри чипа, только в гораздо меньшем масштабе. У разных процессоров разное количество металлических связующих слоёв над транзисторами. Транзисторы уменьшаются, и для маршрутизации всех сигналов требуется всё больше слоёв металлизации. Сообщается, что в будущем 5-нанометровом техпроцессе TMSC будет использоваться 15 слоёв. Представьте 15-уровневую вертикальную автомобильную развязку — это даст вам представление о том, насколько сложна маршрутизация внутри чипа.

На показанном ниже изображении с микроскопа показана решётка, образованная семью слоями металлизации. Каждый слой плоский и при поднимании вверх слои становятся больше, чтобы способствовать снижению сопротивления. Между слоями есть крошечные металлические цилиндрики, называемые перемычками, которые используются для перехода на более высокий уровень. Обычно каждый слой меняет направление относительно слоя под ним, чтобы снизить нежелательные ёмкостные сопротивления. Нечётные слои металлизации могут использоваться для создания горизонтальных соединений, а чётные — для вертикальных соединений.

Можно понять, что управление всеми этими сигналами и слоями металлизации очень быстро становится невероятно сложным. Чтобы способствовать решению этой проблемы, применяются компьютерные программы, автоматически располагающие и соединяющие транзисторы. В зависимости от сложности конструкции программы даже могут транслировать функции высокоуровневого кода на C вниз до физических расположений каждого проводника и транзистора. Обычно разработчики чипов позволяют компьютерам генерировать основную часть конструкции автоматически, а затем изучают и вручную оптимизируют отдельные критически важные части.

Когда компании хотят создать новый чип, они начинают процесс проектирования со стандартных ячеек, предоставляемых компанией-изготовителем чипов. Например, Intel или TSMC предоставляют проектировщикам такие базовые части, как логические элементы или ячейки памяти. Проектировщики могут комбинировать эти стандартные ячейки в любой чип, который хотят произвести. Затем они отправляют на фабрику — место, где необработанный кремний превращается в рабочие чипы — электрические схемы транзисторов чипа и слоёв металлизации. Эти схемы превращаются в маски, которые используются в описанном выше процессе изготовления. Далее мы посмотрим, как может выглядеть процесс проектирования чрезвычайно простого чипа.

Первой мы видим схему инвертора, который является стандартной ячейкой. Заштрихованный зелёный прямоугольник наверху — это pMOS-транзистор, а прозрачный зелёный прямоугольник внизу — nMOS-транзистор. Вертикальный красный проводник — это поликремниевый затвор, синие области — это металлизация 1, а сиреневые области — металлизация 2. Вход A входит слева, а выход Y выходит справа. Соединения питания и заземления выполнены сверху и снизу на металлизации 2.

Скомбинировав несколько логических элементов, мы получили простой 1-битный арифметический модуль. Эта конструкция может складывать, вычитать и выполнять логические операции с двумя 1-битными входами. Идущие вверх заштрихованные синие проводники это слои металлизации 3. Немного более крупные квадраты на концах проводников — это перемычки, соединяющие два слоя.

Наконец, объединив вместе множество ячеек и примерно 2 000 транзисторов, мы получили простой 4-битный процессор с 8 байтами ОЗУ на четырёх слоях металлизации. Увидев, насколько он сложен, можно только представлять, как трудно проектировать 64-битный процессор с мегабайтами кэша, несколькими ядрами и 20 с лишним этапами конвейера. Учитывая то, что у современных высокопроизводительных ЦП есть до 5-10 миллиардов транзисторов и дюжина слоёв металлизации, не будет преувеличением сказать, что они буквально в миллионы раз сложнее нашего примера.

Это даёт нам понять, почему новый процессор является таким дорогостоящим куском технологий и почему AMD и Intel так долго выпускают новые продукты. Для того, чтобы новый чип прошёл путь от чертёжной доски до рынка, обычно требуется 3-5 лет. Это значит, что самые быстрые современные чипы созданы на технологиях, которым уже несколько лет, и что мы ещё много лет не увидим чипов с современным уровнем технологий изготовления.

В четвёртой и последней статье серии мы вернёмся к физической сфере и рассмотрим современные тенденции в отрасли. Что разрабатывают исследователи, чтобы сделать следующее поколении компьютеров ещё быстрее?

Дефицит чипов может привести к падению производства автомобилей на 7–9 млн штук в 2021 году

По подсчетам экспертов, глобальное производство автомобилей по итогам этого года сократится на 7–9 млн штук из-за дефицита чипов. Преодолеть кризис удастся не ранее II квартала 2022 года, выяснил Forbes

В 2021 году из-за дефицита полупроводников в мире будет выпущено на 7-9 млн автомобилей меньше, говорится в исследовании компании BCG (Boston Consulting Group, есть у Forbes). Свой прогноз авторы сделали на основе анализа данных мировой автомобильной промышленности (например, аналитического агентства IHS Markit, обзоров прессы, своих собственных отчетов).

Закончили чтение тут

В I квартале 2021 года производственные потери мировых автопроизводителей, по данным BCG, составили примерно 1,4 млн единиц. Сильнее всего упало производство в Европе — на 428 990 автомобилей, Китае — на 364 774 и Северной Америке — на 354 442 автомобиля. Российский рынок отдельно BCG не выделяет, но он входит в европейский. Во II квартале производство упало еще на 2,6 млн единиц (больше всего в Северной Америке – 866 924 шт. , Европе – 743 100 и Китае — 419 600).

Наиболее существенные потери производства в первом полугодии этого года понесли автоконцерны Ford (падение более 700 000 шт.), Stellantis (марки Chrysler, Citroën, Dodge, Fiat, Jeep и др. — падение почти 600 000 шт.) и Renault-Nissan-Mitsubishi (падение более 415 000 шт.).

В III и IV кварталах, по прогнозам BCG, падение составит еще от 3 до 5 млн единиц.

Дефицит чипов продлится еще несколько лет: как на нем заработать

Почему не хватает чипов

Нехватка микрочипов в разных регионах планеты стала ощущаться производителями с конца 2020 года. «Из-за пандемии спрос на чипы вырос в других сегментах экономики, например, в производстве бытовой электроники, компьютеров и медицинского оборудования, в то время как со стороны автопроизводителей спрос упал. Мировой автопром начал восстанавливаться во втором полугодии 2020 года, но спрос на чипы в других отраслях не снижался, поэтому возник дефицит», — напоминает аналитик «ВТБ Капитала» Владимир Беспалов.

Далее последовала череда событий, которая лишь усугубила ситуацию, добавляет партнер инветкомпании Capital Lab Евгений Шатов: засуха в Тайване, из-за которой возникли проблемы с заводами крупнейшего производителя чипов — TSMC, пожар на заводе крупного обработчика кремниевых плат Renesas Electronics в Японии, коллапс в американском штате Техас, вызванный аномальными морозами, в результате чего были временно остановлены фабрики, принадлежащие Samsung Electronics, NXP Semiconductors и Infineon.

Шесть месяцев на создание чипа

По словам Беспалова, пик дефицита пришелся на II квартал 2021 года.

«Автомобильная промышленность восстановилась быстро, а производство чипов не успевает. Все потому, что на создание одного полупроводника тратится до шести месяцев, и большая часть этого срока уходит на так называемое выращивание кристалла», — поясняет Шатов.

По его мнению, если сборочный завод может запуститься и выдавать готовую продукцию в течение нескольких дней, то экспортер микрочипов вынужден ждать, когда «созреют» полупроводники. Производителям микросхем требуются месяцы, чтобы значительно нарастить объем производства, не говоря уже о строительстве новых заводов, которое может растянуться на несколько лет и вылиться в миллиарды долларов, продолжает эксперт. «Между тем пандемия коронавируса по-прежнему продолжается, вызывая сбои в производстве. Естественно, рост спроса на полупроводники не мог не отразиться на ценах и привел к их росту. Сработал обычный закон спроса и предложения», — говорит Шатов.

Власти Китая взялись за регулирование рынка микрочипов: что это значит для инвестора

Кто производит чипы

Микросхемы часто разрабатываются одними компаниями-разработчиками полупроводников (Apple, Qualcomm или Nvidia), а производятся на заводах других компаний, называемых литейными. К крупным производителям полупроводников относят в первую очередь TSMC, Samsung, Intel Corp, говорит Шатов.

По словам эксперта, TSMC производит самые сложные микросхемы. Его доля на мировом литейном рынке  больше, чем доля трех следующих конкурентов, вместе взятых (более 50%). Компания не стоит на месте и постоянно наращивает производственные мощности: в 2020 году TSMС объявила о планах по строительству в Аризоне завода по изготовлению чипов. На этот проект TSMС уже выделила $3,5 млрд, а общие затраты на полупроводниковую фабрику могут достичь $12 млрд.

Увеличивает инвестиции в производство микросхем и Samsung: компания выделит около $151 млрд на десятилетний проект, чтобы не отставать от своего тайваньского конкурента. Стремится в лидеры и Intel: компания построит два новых завода в Аризоне, потратив на это $20 млрд.

Более мелкие производители, включая американскую компанию GlobalFoundries Inc. , китайскую Semiconductor Manufacturing International Corp. (SMIC) и тайваньскую United Microelectronics Corp., работают, но отстают от технологий TSMC на два-три поколения, отмечает Шатов.

Что делают автоконцерны

Беспалов говорит, что в автопроме чипы используют повсеместно — от систем запуска и торможения до систем помощи водителю и мультимедиа. Чем дороже автомобиль, тем больше чипов в нем зашито, поясняет он. Но компенсировать нехватку микросхем приходится всем автопроизводителям, и тут каждый решает сам. Как сообщала The New York Times, Mercedes, например, весной этого года временно останавливал производство седанов С-класса, чтобы использовать чипы для выпуска более дорогих моделей. К аналогичной схеме прибегала и Renault: производитель сортировал свои чипы, резервируя их для более дорогих, маржинальных моделей.

Из-за нехватки чипов от навигационных систем в ряде моделей отказался автопроизводитель Nissan, сообщал Bloomberg.

«У каждого производителя свои, «личные» отношения с поставщиками микроэлектроники, но в целом на фундаментальных вещах, связанных с безопасностью, движением и работой двигателя производители не экономят», — рассказывает представитель крупного европейского производителя авто. Компенсировать нехватку микросхем можно за счет второстепенных опций, согласен собеседник Forbes в другом представительстве крупного производителя: можно выпустить несколько версий авто с ограниченным количеством опций — например, без одной из регулировок сидений или без топового мультимедийного оборудования.

Проводники технологий: как Китай и Америка воюют за рынок микросхем

Без ГЛОНАСС

Российские заводы почувствовали дефицит чипов этим летом. Крупнейший российский производитель «Автоваз» за последние месяцы несколько раз приостанавливал выпуск Lada Granta, Largus и Xray из-за дефицита компонентов. В конце июня в Нижнем Новгороде остановили завод «Группы ГАЗ» филиала Volkswagen Group Rus, на котором выпускали кроссоверы Volkswagen Taos, Skoda Karoq и Kodiaq, а также лифтбеки Skoda Octavia.

Оставшись без чипов, «Автоваз» стал предлагать дилерам комплектации Lada Vesta, Xray и Largus без мультируля с функцией круиз-контроля и мультимедийной системы. А с 23 по 27 августа «Автоваз» вновь остановил производство на заводе в Тольятти из-за дефицита электронных компонентов Bosсh, сообщила ранее компания.

Чтобы избежать рисков остановки крупнейших автопроизводителей и возникновения дефицита российских автомобилей у дилеров, автоконцернам разрешили до конца года не устанавливать на машины в России и других странах ЕАЭС систему экстренного реагирования при авариях (ЭРА-ГЛОНАСС). Соответствующее решение 17 августа приняла коллегия Евразийской экономической комиссии (ЕЭК). Решение вступает в силу через 30 дней после принятия. Автопроизводители обязаны за свой счет дооснастить машины необходимыми системами до 30 июня 2022 года, сообщили Forbes в Минпромторге. Контроль за выпуском автомобилей, не оснащенных системой ЭРА-ГЛОНАСС, и их последующим дооснащением будет вести Минпромторг, в том числе посредством информации, содержащейся в системах электронных паспортов транспортных средств.

Каков прогноз

Поставки микросхем постепенно возобновляются, однако пандемия продолжает вносить свои корректировки, считают в BCG. «Более активного восстановления производства в III квартале не происходит из-за вспышки штамма «дельта». Мы ожидаем выход предложения микрочипов до уровня, когда оно сможет удовлетворить спрос отрасли, не ранее второго полугодия 2022 года», – предупреждает председатель BCG в России и СНГ, руководитель направления автомобилестроения Владислав Бутенко.

Выбора нет: как китайские автомобили стали лидерами роста продаж в России

5 фото

Закон о чипах для Америки: зачем он нужен и что он делает

31 января 2022 г.

Автор: Грегори Аркури

В январе 2021 года Конгресс принял Закон о создании полезных стимулов для производства полупроводников (CHIPS) для Америки. Этот закон, принятый в рамках Закона о разрешении на национальную оборону (NDAA) на 2021 финансовый год, санкционировал ряд программ, направленных на продвижение исследований, разработок и производства полупроводников в Соединенных Штатах.

С тех пор, как администрация Трампа призвала к «общегосударственному» подходу к решению проблемы стратегического соперничества США с Китайской Народной Республикой, обеспечение экономической конкурентоспособности США и доминирования в критически важных технологиях было в центре законодательной повестки дня. В частности, политики хотят убедиться, что Соединенные Штаты поддерживают надежную производственную базу в стратегических отраслях, защищая высокоприоритетные цепочки поставок в случае международного конфликта или непредвиденных кризисов, таких как COVID-19. пандемия.

Полупроводники, или «чипы», вычислительные блоки на основе кремния для всего, от домашних посудомоечных машин до гиперзвуковых управляемых ракет, привлекли значительное внимание законодателей как технология, требующая значительного внутреннего производства.

Хотя программы в соответствии с Законом о CHIPS для Америки существуют на бумаге, NDAA на 2021 финансовый год не выделила финансирование ни для одной из них. Конгресс, спустя более года после принятия закона, еще не согласовал законопроект, который предусматривал бы ассигнования на осуществление программ, несмотря на двусторонний консенсус в отношении необходимости расширения внутреннего производства кремниевых чипов.

Итак, какие проблемы призван решить Закон о ЧИПС для Америки, какие программы он санкционирует и что мешает Конгрессу продолжить финансирование?

Статус производства полупроводников в США
По данным Исследовательской службы Конгресса США (CRS), доля Соединенных Штатов в мировых мощностях по производству полупроводников неуклонно снижается на протяжении десятилетий: с примерно 40 % в 1990 г. до примерно 12 % в 1990 г. 2020 г. Учитывая высокую стоимость и сложность производства микросхем, многие полупроводниковые фирмы США перешли на модель «без фабрик», сохранив более ценные элементы конструкции для новых, более функциональных микросхем и передав их производство за границу, в первую очередь в Восточную Азию, которая сейчас здесь сосредоточено почти 80% мирового производства чипов. Некоторые из крупнейших американских технологических компаний, в том числе Google, Apple и Amazon, полагаются только на тайваньскую TSMC почти 9 лет.0% производства чипов.

Еще до пандемии COVID-19 некоторые американские фирмы жаловались на трудности с получением полупроводниковых компонентов, в то время как спрос на чипы продолжал расти, чтобы удовлетворить растущую индустрию электромобилей и развертывание телекоммуникаций 5G. Кроме того, на фоне напряженности в международных цепочках поставок, вызванной блокировкой коронавируса и закрытием границ, возникла нехватка некоторых типов полупроводников, поскольку производители распределяли производство для удовлетворения растущего спроса на электронные устройства, для которых требуются более сложные микросхемы с более высокой маржой, оставляя более традиционные отрасли. таких как автомобили с неадекватным предложением.

Помимо неудобств для производителей и потребителей в США, политики все чаще признают геополитические и экономические риски растущей концентрации производства микросхем за границей, в первую очередь на Тайване и в Корее. Многочисленные стратегические технологии, такие как квантовые вычисления и искусственный интеллект, основаны на передовых полупроводниках. Отражая эту реальность, Китайская Народная Республика объявила самообеспеченность в производстве полупроводников национальным приоритетом. Короче говоря, многие американские политики и законодатели все больше полагают, что американская экономическая и стратегическая конкурентоспособность требует надежных и значительных внутренних мощностей по производству микросхем.

Что делает Закон о чипах
Отражая этот формирующийся консенсус, Закон о чипах для Америки санкционирует несколько программ как для расширения мощностей по производству полупроводников в США, так и для поддержки непрерывных исследований и разработок передовых микросхем.

Поощрения : Закон предусматривает финансовую помощь для строительства, расширения или модернизации завода по производству полупроводников или «фабрики» в Соединенных Штатах. Раздел 9902 Закона позволяет частным фирмам и государственным учреждениям или консорциуму обоих подавать заявку министру торговли на получение федерального гранта, не превышающего 3 миллиарда долларов, если только он не одобрен министром в консультации с другими федеральными заинтересованными сторонами. В дополнение к доказательству продемонстрированной способности построить, расширить или модернизировать новую или существующую «фабрику», кандидаты должны продемонстрировать, что они взяли на себя обязательства по инвестированию в работников и сообщества, что они заключили соглашения с региональными образовательными учреждениями для обучения рабочей силы, и что у них есть осуществимый план по поддержанию фабрики после прекращения федеральной поддержки.

Исследования и разработки : Закон учреждает Многосторонний фонд безопасности полупроводников, общий механизм финансирования между Соединенными Штатами и их международными партнерами для содействия развитию «безопасных полупроводников и безопасных цепочек поставок микроэлектроники».

Внутри страны CHIPS for America разрешает создание Подкомитета по лидерству в области микроэлектроники (SML). Подкомитету, состоящему из ключевых заинтересованных лиц в кабинете президента, поручено разработать национальную стратегию создания надежной микроэлектронной промышленности в Соединенных Штатах и ​​установить приоритеты исследований и разработок для сохранения лидерства США в разработке и производстве передовых микросхем.

Национальный центр полупроводниковых технологий, государственно-частный консорциум участвующих частных компаний, Министерства энергетики и Национального научного фонда, отвечает за проведение исследований в области полупроводников, в частности, за создание прототипов передовых микросхем, в соответствии с национальной стратегией. разработан в рамках SML.
Наконец, Национальный институт стандартов и технологий (NIST) возглавит Национальную программу передового производства упаковки, «чтобы усилить возможности передовых испытаний, сборки и упаковки полупроводников в отечественной экосистеме», а также будет проводить свою собственную программу исследований и разработок, аналогичную Национальный центр полупроводниковых технологий.

Барьеры на пути
Как отмечалось ранее, закон о создании этих программ уже вступил в силу. Однако Конгресс еще не достиг консенсуса по законопроекту, который обеспечит их финансирование, несмотря на широкую двухпартийную поддержку закона CHIPS.

В июне 2021 года Сенат США принял Закон США об инновациях и конкуренции (USICA), который выделяет средства для финансирования программ, изложенных в Законе о ЧИПС для Америки. USICA включает 39 долларов СШАмиллиардов в виде финансовой помощи на строительство завода по производству микросхем в течение пяти лет и еще 11,2 миллиарда долларов на исследования и разработки в соответствии с Законом о чипах. На момент его принятия официальные лица утверждали, что такое финансирование может привести к строительству от 7 до 10 новых заводов по производству полупроводников в Соединенных Штатах.

USICA — масштабный законодательный акт, который включает в себя ряд инициатив, направленных на стимулирование инноваций в Соединенных Штатах, включая инвестиции в региональные технологические центры в сельской и микрополитической Америке. Несмотря на принятие Сенатом 68 голосами против 32, некоторые демократы в Палате представителей не согласились с частями законопроекта, касающимися финансирования федеральных исследований и технологических инноваций. После неудачной попытки присоединить USICA к Закону о разрешении на национальную оборону на 22 финансовый год в ноябре 2021 года демократы в Сенате согласились подождать до 2022 года, когда законопроект будет согласован со своими коллегами из Палаты представителей.

В конце января демократы в Палате представителей представили свою собственную версию закона USICA под названием America COMPETES Act, которая включает финансирование, идентичное закону CHIPS (52 миллиарда долларов), но урезает примерно 200 миллиардов долларов, которые USICA выделила на другие программы, такие как региональные технологические центры. Законопроект получил похвалу от лидеров демократов в Сенате и президента Байдена, но закон «Америка соревнуется», вероятно, все еще столкнется с длительным периодом согласования, поскольку законодатели обсуждают положения, которые отсутствуют в законопроекте Палаты представителей.

Таким образом, финансирование Закона о ЧИПСах для Америки остается в законодательной неопределенности, поскольку Конгресс изо всех сил пытается согласовать ряд мер по поддержке инноваций и передового производства в Соединенных Штатах. Однако предоставление государственного финансирования для обеспечения более надежной производственной базы полупроводников в Соединенных Штатах пользуется поддержкой как республиканцев, так и демократов в Палате представителей и Сенате, что позволяет предположить, что его окончательное принятие может быть только вопросом времени.

Грегори Аркури — бывший стажер-исследователь проекта «Обновление американских инноваций» в Центре стратегических и международных исследований в Вашингтоне, округ Колумбия.

Блог «Перспективы инноваций» выпускается в рамках Проекта «Обновление американских инноваций» Центра стратегических и международных исследований (CSIS), частного, освобожденного от налогов учреждения, занимающегося вопросами международной государственной политики. Его исследования носят беспристрастный и некоммерческий характер. CSIS не занимает конкретных политических позиций. Соответственно, все взгляды, позиции и выводы, выраженные в данной публикации, следует понимать как принадлежащие исключительно автору (авторам).

ИНФОРМАЦИОННЫЙ БЮЛЛЕТЕНЬ: Закон о чипах и науке снизит затраты, создаст рабочие места, укрепит цепочки поставок и противостоит Китаю хорошо оплачиваемых американских рабочих мест, укрепить американские цепочки поставок и ускорить развитие отраслей будущего. Эта политика стимулировала историческое восстановление производства, добавив 642 000 рабочих мест с 2021 года. Компании снова инвестируют в Америку, возвращая домой хорошо оплачиваемые рабочие места в обрабатывающей промышленности. Строительство новых производственных мощностей увеличилось на 116 процентов по сравнению с прошлым годом.

Сегодня президент Байден подпишет закон о двухпартийном Законе о ЧИПС и науке от 2022 года, который будет опираться на этот прогресс, делая исторические инвестиции, которые помогут американским рабочим, сообществам и предприятиям выиграть гонку за 21 ^ст век. . Это укрепит американское производство, цепочки поставок и национальную безопасность, а также будет инвестировать в исследования и разработки, науку и технологии, а также в рабочую силу будущего, чтобы сохранить Соединенные Штаты лидером в отраслях завтрашнего дня, включая нанотехнологии, чистую энергию, квантовую энергию. вычислений и искусственного интеллекта. Закон о чипах и науке делает разумные инвестиции, чтобы американцы могли конкурировать и побеждать в будущем.

Вдохновленные принятием Закона о чипах и науке от 2022 года, на этой неделе компании объявили о дополнительных инвестициях в американское производство полупроводников почти на 50 миллиардов долларов, в результате чего общий объем инвестиций в бизнес с момента вступления в должность президента Байдена достиг почти 150 миллиардов долларов:

• Micron объявляет о инвестициях в размере 40 миллиардов долларов США в производство микросхем памяти, критически важных для компьютеров и электронных устройств, которые создадут до 40 000 новых рабочих мест в строительстве и производстве. Одни только эти инвестиции увеличат рыночную долю производства чипов памяти в США с менее чем 2 процентов до 10 процентов в течение следующего десятилетия.
• Qualcomm и GlobalFoundries объявляют о новом партнерстве, которое включает 4,2 миллиарда долларов США для производства микросхем в рамках расширения предприятия GlobalFoundries в северной части штата Нью-Йорк. Qualcomm, ведущая в мире компания по производству полупроводников без фабрик, объявила о планах увеличить производство полупроводников в США на 50 процентов в течение следующих пяти лет.

Закон о чипах и науке будет стимулировать американские исследования, разработки и производство полупроводников, обеспечивая лидерство США в технологиях, лежащих в основе всего, от автомобилей до бытовой техники и оборонных систем. Америка изобрела полупроводник, но сегодня производит около 10 процентов мировых поставок — и ни одного из самых передовых чипов. Вместо этого мы полагаемся на Восточную Азию, на которую приходится 75 процентов мирового производства. Закон о чипах и науке откроет дополнительные сотни миллиардов долларов для частных инвестиций в полупроводники по всей стране, включая производство, необходимое для национальной обороны и критических секторов.

Закон также гарантирует, что Соединенные Штаты будут поддерживать и развивать свое научное и технологическое превосходство. В середине 1960-х годов, на пике лунной гонки, федеральное правительство инвестировало 2 процента ВВП в исследования и разработки. К 2020 году это число упало до менее 1 процента. Экономический рост и процветание за последние 40 лет сконцентрировались в нескольких прибрежных регионах, оставив позади слишком много общин. Закон о чипах и науке обеспечит создание будущего для ВСЕЙ Америки и откроет возможности в науке и технологиях для тех, кто исторически оставался за бортом.

Администрация Байдена-Харриса уже приняла меры для обеспечения целесообразного и ответственного развертывания финансирования CHIPS и Закона о науке:

• Согласованные разрешения на высокотехнологичное производство. Сегодня Администрация объявляет о создании отраслевой межведомственной экспертной рабочей группы по выдаче разрешений и вопросам, связанным с реализацией проектов для высокотехнологичного производства, в соответствии с Планом действий Президента по выдаче разрешений, объявленным в мае. Эта межведомственная рабочая группа будет опираться на межведомственное планирование CHIPS и закона о науке между Советом по качеству окружающей среды, Агентством по охране окружающей среды и Министерством торговли. Это поможет обеспечить сотрудничество и координацию между федеральными агентствами, частным сектором, а также с правительствами штатов и местными органами власти, чтобы способствовать своевременному и эффективному рассмотрению всех проектов, финансируемых из федерального бюджета. Рабочая группа также будет служить центром обмена информацией о передовом опыте в отношении разрешений и других вопросов реализации проектов для поддержки реализации проектов, финансируемых за счет законопроекта.
• Совет советников президента по науке и технологиям (PCAST) выпускает новые рекомендации по исследованиям и разработкам в области полупроводников. Сегодня PCAST ​​направил президенту письмо со своими рекомендациями по реализации Закона о ЧИПС и науке, в том числе: формирование национальной сети обучения микроэлектронике для подготовки кадров в области полупроводников в академических учреждениях, включая учреждения, обслуживающие меньшинства, и общественные колледжи; содействие инновациям за счет снижения входных барьеров для стартапов; рекомендовать разработку «чиплетной платформы», которая позволит стартапам и исследователям быстрее внедрять инновации с меньшими затратами; и определение национальной программы исследований полупроводников с фундаментальными исследованиями и грандиозными задачами, например, создание первого «суперкомпьютера масштаба зетта», который будет в 1000 раз быстрее, чем самый быстрый суперкомпьютер, доступный сегодня. Полный отчет PCAST ​​по полупроводникам будет опубликован этой осенью.

Закон о чипах и науке:

• Укрепит лидерство США в области полупроводников. Закон о чипах и науке выделяет 52,7 миллиарда долларов США на исследования, разработку, производство и развитие рабочей силы в области полупроводников в США. Сюда входят 39 миллиардов долларов на стимулирование производства, в том числе 2 миллиарда долларов на устаревшие чипы, используемые в автомобилях и оборонных системах, 13,2 миллиарда долларов на исследования и разработки и развитие рабочей силы, и 500 долларов миллионов для обеспечения международной безопасности информационно-коммуникационных технологий и цепочки поставок полупроводников. Он также предоставляет 25-процентный инвестиционный налоговый кредит на капитальные затраты на производство полупроводников и сопутствующего оборудования. Эти стимулы обеспечат внутреннее снабжение, создадут десятки тысяч высокооплачиваемых профсоюзных рабочих мест в строительстве и еще тысячи высококвалифицированных рабочих мест в обрабатывающей промышленности, а также станут катализатором дополнительных сотен миллиардов частных инвестиций.

Законопроект требует, чтобы получатели продемонстрировали значительные инвестиции в рабочих и сообщества, включая возможности для малого бизнеса и неблагополучных сообществ, гарантируя, что стимулы для полупроводников поддерживают справедливый экономический рост и развитие.

Эти фонды также имеют строгие ограничения, гарантирующие, что получатели не будут строить определенные объекты в Китае и других странах, вызывающих озабоченность, и не позволяющие компаниям использовать средства налогоплательщиков для выкупа акций и дивидендов акционерам. Он также будет поддерживать хорошо оплачиваемые профсоюзные рабочие места в строительстве, требуя преобладающих ставок заработной платы Дэвиса-Бэкона для объектов, построенных за счет средств CHIPS.

• Продвижение инноваций США в беспроводных цепочках поставок . Закон о ЧИПС и науке включает на сумму 1,5 миллиарда долларов для продвижения и развертывания беспроводных технологий, использующих открытые и интероперабельные сети радиодоступа. Эти инвестиции укрепят лидерство США в области беспроводных технологий и их цепочек поставок.

• Содействуйте глобальному лидерству США в технологиях будущего.  Лидерство США в области новых технологий — от искусственного интеллекта до биотехнологий и вычислений — имеет решающее значение как для нашей будущей экономической конкурентоспособности, так и для нашей национальной безопасности. Государственные инвестиции в исследования и разработки закладывают основу для будущих прорывов, которые со временем приведут к созданию новых предприятий, новых рабочих мест и увеличению экспорта.

В соответствии с Законом о чипах и науке в Национальном научном фонде (NSF) будет создано управление по технологиям, инновациям и партнерству, которое будет заниматься такими областями, как полупроводники и передовые вычисления, передовые технологии связи, передовые энергетические технологии, квантовые информационные технологии и биотехнологии. . Это укрепит коммерциализацию исследований и технологий, гарантируя, что то, что изобретено в Америке, будет сделано в Америке. Закон также повторно санкционирует и расширяет фундаментальные и ориентированные на использование исследования в Управлении науки Министерства энергетики и Национальном институте стандартов и технологий, чтобы поддерживать лидерство США в науке и технике в качестве двигателя американских инноваций.

• Стимулировать региональный экономический рост и развитие. Закон о CHIPS и науке разрешает инвестировать 10 миллиардов долларов в региональные центры инноваций и технологий по всей стране, объединяя правительства штатов и местные органы власти, высшие учебные заведения, профсоюзы, предприятия и общественные организации для создания региональных партнерств для развития технологий. , инновации и производственный сектор.

  Эти центры создадут рабочие места, подстегнут региональное экономическое развитие и позволят сообществам по всей стране стать лидерами в быстрорастущих секторах с высокой заработной платой, таких как искусственный интеллект, передовое производство и технологии экологически чистой энергии. Он также санкционирует пилотную программу RECOMPETE стоимостью 1 миллиард долларов США в Управлении экономического развития Министерства торговли (EDA) для смягчения сохраняющихся экономических трудностей и поддержки долгосрочного всестороннего экономического развития и создания рабочих мест в наиболее бедствующих сообществах.

• Предоставление возможностей STEM большему количеству жителей Америки для участия в высокооплачиваемой квалифицированной работе. Образование в области естественных наук, технологий, инженерии и математики (STEM) и мероприятия по развитию рабочей силы имеют решающее значение для развития навыков, необходимых для получения высококвалифицированных рабочих мест в новых отраслях, основанных на технологиях будущего. Чтобы больше людей из всех слоев общества, всех регионов и сообществ по всей стране, особенно люди из маргинализированных, недостаточно обслуживаемых и недостаточно обеспеченных ресурсами сообществ, могли получать пользу и участвовать в возможностях обучения и обучения STEM, Закон о CHIPS и науке разрешает новые и расширили инвестиции в образование и обучение STEM от K-12 до муниципального колледжа, бакалавриата и последипломного образования.
• Стимулируйте возможности и справедливость для всей Америки в STEM и инновациях. Закон разрешает инвестиции для расширения географического и институционального разнообразия научно-исследовательских институтов и студентов и исследователей, которых они обслуживают, включая новые инициативы по поддержке исторически сложившихся колледжей и университетов для чернокожих (HBCU) и других учреждений, обслуживающих меньшинства, а также других академических учреждений, предоставляющих возможности исторически недостаточно обслуживаемые студенты и сообщества, в первую очередь через Национальный научный фонд (NSF). Закон CHIPS and Science Act также расширяет географическое разнообразие финансирования исследований и инноваций, чтобы использовать таланты и идеи, найденные по всей Америке. Закон также дает агентствам и учреждениям миссию и инструменты для борьбы с сексуальными и гендерными домогательствами в науке, что является явным препятствием для участия в STEM для слишком многих американцев.