俄罗斯竟然要开造先进制程光刻机了?

发布于 2022-4-13 23:27
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被美国全方位芯片制裁后,俄罗斯竟然要开造先进制程光刻机了?!

俄罗斯竟然要开造先进制程光刻机了?-开源基础软件社区

是的,就是那个芯片制造中最最最核心的设备(甚至没有之一),全球仅一家公司 ASML 有能力生产最先进 EUV 级别,一台能卖好几亿元、核心技术被美国垄断的光刻机。

 

而且,这次俄罗斯的计划,看起来有点像那么回事——有人、有钱、有目标。

人,项目由有着苏联硅谷中心之称、以微电子专业见长的俄罗斯莫斯科电子技术学院 (MIET)承接。
钱,首期投资 6.7 亿卢布资金。
目标,挑战当前最先进的 EUV(极紫外)级别。俄罗斯竟然要开造先进制程光刻机了?-开源基础软件社区

但即便如此,因为制造光刻机登天之难、以及俄罗斯的资源储备,网友们对这个消息并不太信:确定不是个玩笑?!

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巧的是,就在这消息放出前一天,俄罗斯最大芯片制造商 Mikron 被美国制裁。更早之前,俄罗斯为数不多的其他几家芯片厂也已经全方位被制裁。

 


所以现在的俄罗斯芯片,到底什么水平?真的能有底气搞出先进制程光刻机吗?

 


01

无掩膜 X 射线光刻机?

 

我们先来看看计划本身的难度如何。据俄媒报道,俄罗斯工贸部委托 MIET 开发“一种无掩膜 X 射线光刻机”,跟日常我们提到的 EUV 光刻机还有点不同。

 


首先的不同在于光源的选择。一种是极紫外光线,波长在 13.5nm;而 X 射线波长介于 0.01nm 到 10nm 之间。

 


按照现有的常见思路,光刻机是特定波长的光透过用来放大的掩膜,再通过透镜的缩小,将集成电路图精确“投影”在硅片上。俄罗斯竟然要开造先进制程光刻机了?-开源基础软件社区

为了精确“投影”,光刻机需要实现极高的曝光分辨率,以及极高的重复定位精度。

 


前者最有效的方式之一,就是改变光源的波长。根据光学上的瑞利判据(Rayleigh Criterion),一个光学系统能够分辨的尺寸正比于光的波长。

 


因此,理论上以及从光刻机历来发展(波长变得越来越短)来看,X 射线光刻机显然要比 EUV 光刻机更好更先进。

 


但因为它的穿透性太强,用普通透镜无法进行放大和缩小,因而现阶段无法实现投影光刻。

 


当前应用更多是在于直写光刻,这也是本次俄罗斯计划的选择——无掩膜。这种方式其实很早就有了,就是直接用强激光束将所需电路一点点刻出来。

 


这个效率着实有点低,要想刻出纳米级集成电路,不知要等到猴年马月。

 


至于以 EUV 为代表的投影光刻,他们认为成本高昂和工艺复杂,仅在量产方面具有竞争力,因此只适用于英特尔、三星、台积电等这种少数的全球企业。

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带有 X 射线反射系数控制的无掩模 X 射线光刻安装方案

 

这样看来, 无掩膜光刻本身并不难,难就难在 X 射线工艺以及效率的提升上。

 


但当前全球尚且还没有任何一家机构能够解决这个问题。这也是他们提出这项计划的原因。

 


按照计划,他们将完成对主要技术解决方案的验证——基于动态掩模模型的制造和两项控制实验研究。

 


最早于今年 11 月开发动态掩膜的技术和模型,以及原型光刻机的技术规范和可行性研究,工艺要达到 28nm 及以上。

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02

“是全世界都在帮荷兰 ASML”

 

看完了计划本身,也就多少能理解为什么更多人依然疑问满满:俄罗斯造光刻机,这事儿到底靠谱吗?

 


毕竟俄罗斯有很多高科技,总是雷声大雨点小……

 

不过也有人表示,俄罗斯的黑科技点不亮,难点在于缺钱、缺工业基础,理论方面还真的不一定落后。

 

这次光刻机研发计划,其相关研究最早能追溯到上世纪 80 年代。当时他们就已经在研究制造光源了。

 


1984 年,泽列诺格勒科学中心受到政府指派,开始研发同步辐射加速器。

 


这个研究所,来头可不小。它后来被并入大名鼎鼎的库尔恰托夫研究所,苏联第一颗原子弹、第一颗氢弹、欧洲第一座原子反应堆、世界上第一作原子能发电站,都是从这个研究所走出来的。

 


但好景不长,这台加速器的研究在开展 4 年后就暂时被中止,直到 2002 年才再次试运行。

 


现在,俄罗斯打算基于这些技术积累,围绕这台加速器专门建立一个技术中心,并预计在 2023 年正式投入使用。

 


至于无掩膜光刻,他们一开始其实并没有选择这一路径,甚至还一度与 ASML 平齐。

 


早在 2010 年,ASML 出货第一台预生产的 EUV 光刻机时,俄罗斯一个物理研究所 IPM(RAS)也在开发 EUV 的系统及元件,以及装置原型的搭建。

 


其中开发人员还提出了辐射源设计的原始解决方案,部分还应用到了 ASML 光刻机上。

 


然鹅,这个项目在布局阶段就结束了。RAS 首席研究员、苏联国家奖获得者、多层 X 射线光学系主任 Salashchenko Nikolay 透露了原因:一个国家无法单独拉动这项工作。而全世界都在帮助荷兰(ASML 在荷兰) 。

 

于是,他们就开始寻找其他路径,在无掩膜式光刻机上迭代工艺就是其中一种。

 


之所以让 MIET 承接,是因为此前 MIET 跟一些机构合作中,在无掩膜 EUV 光刻机上有过研究进展。

 


2002 年,MIET 中主要从事纳米电子器件研究的研究中心成立。

 


研究领域覆盖 X 射线器件、微机电系统和纳机电系统——这些技术都与研发光刻机密切相关。

 


并且已经开展了部分研究,比如“基于微聚焦 X 射线管列阵的软 X 射线源研制,适用于 10nm 无掩膜光刻机”,就是其中之一。

 


这项研究由 RAS 微观结构物理研究所的 Nikolay Chkhalo 教授牵头。

 


他目前是该研究所的实验室主任,发表论文 200 多篇,主要研究领域为X射线光学、光学干涉测量等。

 


综上可见,从理论基础这一角度来看,俄罗斯搞光刻机这事儿也不能说完全不靠谱。

 


不过值得一提的是,在俄媒最近的报道中也直言,光刻机计划晚了 15 年。

 


如果这一计划在 15 年前启动,或许俄罗斯现在不会面临如此大的微电子技术威胁了。俄罗斯竟然要开造先进制程光刻机了?-开源基础软件社区

03

最大芯片制造商只能做公交卡芯片

 


值得注意的是,就在这消息大范围传开的前夕,美国财政部宣布冻结俄罗斯 21 家实体企业、13 个人的在美资产。

 


其中一家芯片厂公司进入大家的视野。Mikron,俄罗斯最大的芯片制造商、微电子制造商和出口商。而这也就意味着,俄罗斯芯片厂目前几乎已被全线制裁。

 


因此现在宣布这项光刻机计划,一方面是给俄罗斯国内注入一场强心剂。另一方面,从现有的俄罗斯芯片水平来看,更有迫在眉睫之势。

 


以 Mikron 为例,就可见一斑。从官网给出的产品目录中可以看到,该公司可实现最高 65nm 工艺,主营银行卡、公交卡之类的 RFID 以及电源管理芯片。俄罗斯竟然要开造先进制程光刻机了?-开源基础软件社区

还创下了不少个第一:180/90/65nm 工艺第一制造商、用于身份证件的芯片模块第一制造商、第一出口商,占俄罗斯微电子产品出口的 54%。

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这家公司的历史,可以追溯到前苏联——上个世纪六十年的分子电子研究所(NIME)。

 


当时,微电子技术并在热火朝天的发展。苏联国家技术委员会意识到建设微电子产业的必要性,开始大举组织研究所和工厂。

 


NIME 就是其中之一。不到两年时间(1966 年),在实验车间生产的微电路产量就达到了 10 万片。

 


随后在第二年,依照政府命令,Mikron 工厂从研究所中脱胎出来,致力于生产集成电路。

 


当时诸多技术均属于国内首创,比如砷化镓微电路平面技术、发射极耦合逻辑的 IC 晶体、大规模使用的数值和模拟集成电路……

 


1970 年,Mikron 已经为各个行业制造了超 350 万个微电路供应,之后还陆续用在国防、超级计算机等领域。

 


在整个半导体行业中,苏联的微电子技术在全球排名第三,仅次于美国和日本。可以说,这时候的 Mikron 乘着时代之风快速前进。

 


不过,这种势头很快就因为苏联解体戛然而止——几乎所有的苏联计算机制造商都停止了运营,只有少数公司通过外国组件/技术转让得以幸存。

 


Mikron 就是其中一个。俄罗斯竟然要开造先进制程光刻机了?-开源基础软件社区

2006 年,Mikron 开始引入海外技术——意法半导体技术转让,使其具备生产 180nm 芯片的能力。并于 2007 年开始生产 180nmEEPROM 的集成电路。

 


随即,Mikron 就开始生产接触式智能卡的芯片模块,很快就掌握了 RFID 交通卡的全流程生产,并开始为莫斯科地铁站供应。

 


同年,它还开始为电信行业生产 SIM 卡。或许是尝到了甜头,Mikron 再度与意法半导体展开技术转让合作。

 


据当时《半导体国际》报道,公司有意每年更新一代工艺,计划于 2008 年和 2009 年分别推出 130nm 和 90nm 的工艺。

 


不过据官网记载,Mikron 仅在 2009 年实现了在 200 毫米晶圆上生产设计 90nm 工艺的集成电路。在 2012 年才正式启动 90nm 微电子产品的生产。

 

自此,俄罗斯成为全球第八个拥有该技术的国家。相较于西方,已经远远落后了。这时候,俄政府开始意识到了微电子产业的重要性。

 


先是制定了一众产业发展战略《2013-2025 年电子工业发展规划》和《国防工业综合体发展规划》等,还积极采取一系列举措,比如尽可能使用国产电子产品,开发 CPU 民用和军用两条线等。

 


Mikron 也相应更改了路线,开始致力于自主研发 180-90nm 国产技术和独特产品,并创造新技术,包括 65nm-45nm 水平。

 


2014 年,美国经济制裁(包括对敏感技术行业的打击)让原本脆弱的俄罗斯芯片制造雪上加霜。

 


即便在 2015 年,Mikron 还勉强完成了 65nm 工艺的开发。但之后就再也没有传来工艺制程迭代的音讯。

 


如今从规模上看,Mikron 业务辐射全球,作为俄罗斯最大芯片制造厂确实不假。

 


不过能做的产品,早已定型——运输及门禁 RFID、物联网数据保护微控制器、智能水表等。

 

04

俄罗斯芯片厂几乎已被全线制裁

 


前文提到,俄罗斯芯片制造商们,已经被美国制裁得差不多了。

 


不仅是最大芯片制造商 Mikron,另一家制造商 Angstrem-T 甚至已经破产了一次。

 


还有设计厂商 Baikal Electronics、MCST 等等都被制裁折腾了个够呛,在“实体名单”里进进出出……

 


由这些公司构建起的俄罗斯半导体产业现如今究竟怎么个水平,又处于何种境况,我们也借此机会展开看看。

 


Baikal Electronics

 

首先来看看号称是俄罗斯技术最先进的芯片设计厂商——Baikal Electronics。在最新一轮制裁名单中,其母公司 T-Platforms 赫然在列。

 


Baikal Electronics 能达到的制程为 28nm,它起初基于 MIPS 架构,这两年转向 ARM,支持运行俄国产操作系统 Astra Linux。

 


其最近发布的处理器为 Baikal-S,拥有 48 个核心,基准频率 2.0GHz,最高加速 2.5GHz,热设计功耗为 120W,同时还整合封装了一颗自研的 RISC-V 架构协处理器。

 

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而除了母公司被制裁,Baikal Electronics 还要面临芯片无法出货的问题。一直以来,Baikal Electronics 的芯片都是由台积电代工。

 


在美国发布最新一轮制裁名单前,台积电方面已经表示,将不再为俄罗斯公司生产芯片,首当其冲的便是 Baikal Electronics。

 


Angstrem-T

 

同样跟 Mikron 有着悠久历史的芯片制造厂 Angstrem-T,在 2017 年就遭到过制裁,并受到重创。

 


当时,Angstrem-T 能拿出的最高制程为 250nm。作为对比,这一年三星已经在量产 7nm 芯片了。

 


因受到制裁影响,Angstrem-T 陷入债务危机,于 2018 年被俄罗斯国家开发银行 VEB.RF 收购;2019 年,正式宣告破产重组。

 


但就在去年,这家公司传来一点起死回生的迹象。据报道称,他们已高薪聘请十数位专家帮助 Angstrem-T 重启产线。而且还计划从 AMD 采购设备,用来生产 130-90nm 的芯片。

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MCST

 

最后介绍的是芯片设计厂商 MCST (莫斯科 SPARC 技术中心,Moscow Center for SPARC Technologies),成立于 1992 年,前身是列别捷夫精密机械与计算机工程研究所。

 


其旗下 Elbrus 处理器包含两条产品线,一条面向民用,架构基于 Elbrus-2000 架构(俄罗斯版本 X86);另一条面向军用,架构基于 SPARC,同样由台积电代工。

 


目前产品能达到的最高制程工艺为 16nm。

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但该系列芯片在实测中表现不佳,去年年底时,俄罗斯最大银行 Sber 技术部门在测试 Elbrus-8C 后给出的评价是:内存不足、内存速度慢、核心数量少、频率低、完全不满足需求。

 


05

已有 7 万 IT 人员出走俄罗斯

 


最后再回到现在,截至 3 月 31 日,美方公开的最新制裁名单中,涉及 21 个实体企业、13 名个人。

 


当天白宫方面还表示,未来几天将会把 120 个俄罗斯和白俄罗斯实体加入名单,范围将扩大到航天航空、船舶和电子行业。

 


而从目前看来,第一波制裁造成的影响,已经远远超出芯片产业。俄罗斯版谷歌 Yandex 就是代表之一。其旗下业务包括搜索引擎、云服务、网约车等等。

 


据报道,受到进出口限制,Yandex 将会在未来 1-18 个月内面临服务器硬件短缺情况,自动驾驶业务也将遭受严重打击。

 


为此,它们正在寻求重组以降低被制裁风险。同时还在和俄罗斯境内社交网络最大运营商 VK 进行谈判,打算出售其新闻部门、Zen 社交平台,或者剥离自动驾驶业务。俄罗斯竟然要开造先进制程光刻机了?-开源基础软件社区

更为深入的影响,还体现在人才上。据报道,从 2 月底到现在,已经有 7 万名 IT 技术人员离开了俄罗斯。

 


俄罗斯通讯协会方面也承认了这一事实,并表示在 4 月时,离境的 IT 人员数量可能会达到 10 万人。

 


不过俄罗斯官方方面也一直有所应对。除了前文提到的投入重金研发光刻机外,最近路透社报道,俄罗斯正在转向中国的微芯片制造商寻求供应,主要是为了解决其本土 MIR 支付系统相关的银行卡需求。

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