Chip War: The Fight for the World's Most Critical Technology - Chris Miller

лет каждое поколение технологии производства называлось по длине затвора транзистора - той части кремниевого чипа, проводимость которой включалась и выключалась, создавая и прерывая цепь. В 1999 году был создан 180-нм узел, за которым последовали 130-нм, 90-нм, 65-нм и 45-нм, причем в каждом поколении транзисторы уменьшались настолько, что на той же площади их можно было разместить примерно вдвое больше. Это позволило снизить энергопотребление в расчете на один транзистор, поскольку транзисторам меньшего размера требуется меньшее количество электронов для прохождения через них.

Примерно в начале 2010-х годов стало невозможным более плотное размещение транзисторов за счет их двумерного уменьшения. Одна из проблем заключалась в том, что при уменьшении размеров транзисторов в соответствии с законом Мура узкая длина проводящего канала иногда приводила к "утечке" энергии через схему даже при выключенном выключателе. Кроме того, слой диоксида кремния на каждом транзисторе стал настолько тонким, что квантовые эффекты, такие как "туннелирование" - прыжки через барьеры, которые, согласно классической физике, должны быть непреодолимыми, - стали серьезно влиять на работу транзисторов. К середине 2000-х годов толщина слоя диоксида кремния на вершине каждого транзистора составляла всего пару атомов, что было слишком мало для того, чтобы удержать все электроны, находящиеся в кремнии.

Чтобы лучше контролировать движение электронов, потребовались новые материалы и конструкции транзисторов. В отличие от 2D-конструкций, используемых с 1960-х годов, в 22-нм узле появился новый 3D-транзистор, называемый FinFET (произносится "финфет"), в котором два конца схемы и канал полупроводникового материала, соединяющий их, располагаются на вершине блока, напоминающего плавник, выступающий из спины кита. Таким образом, к каналу, соединяющему два конца схемы, электрическое поле может прикладываться не только сверху, но и с боков плавника, что позволяет усилить контроль над электронами и преодолеть утечку электричества, угрожавшую работе новых поколений миниатюрных транзисторов. Эти трехмерные структуры нанометрового масштаба были крайне важны для выживания закона Мура, но их было невероятно сложно изготовить, что требовало еще большей точности при осаждении, травлении и литографии. Это добавляло неуверенности в том, что все основные производители микросхем безупречно выполнят переход на архитектуру FinFET или кто-то из них отстанет.

Когда в 2009 году GlobalFoundries была создана как независимая компания, отраслевые аналитики считали, что она имеет все шансы завоевать долю рынка в условиях гонки за 3D-транзисторами. Даже TSMC была обеспокоена, признаются бывшие руководители компании. GlobalFoundries унаследовала огромную фабрику в Германии и строила новое, самое современное предприятие в Нью-Йорке. В отличие от своих конкурентов, она собиралась разместить свои самые современные производственные мощности в странах с развитой экономикой, а не в Азии. Компания заключила партнерство с IBM и Samsung для совместной разработки технологий, что позволяет заказчикам заключать контракты на производство микросхем либо с GlobalFoundries, либо с Samsung. Кроме того, фирмы, занимающиеся проектированием микросхем без фаблаба, испытывали потребность в надежном конкуренте TSMC, поскольку тайваньский гигант уже занимал около половины мирового рынка литейного производства.

Единственным крупным конкурентом была компания Samsung, технологии литейного производства которой были примерно сопоставимы с технологиями TSMC, хотя производственные мощности компании были гораздо меньше. Сложности, однако, возникли из-за того, что часть деятельности Samsung была связана с созданием микросхем собственной разработки. В то время как компания, подобная TSMC, создает микросхемы для десятков клиентов и неустанно заботится об их удовлетворении, Samsung выпускает собственную линейку смартфонов и другой бытовой электроники, поэтому она конкурирует со многими своими клиентами. Эти компании опасались, что идеи, которыми они поделились с литейным заводом Samsung, могут оказаться в других продуктах Samsung. У TSMC и GlobalFoundries такого конфликта интересов не было.

Переход на транзисторы FinFET был не единственным потрясением для индустрии микросхем, совпавшим с созданием GlobalFoundries. Компания TSMC столкнулась с серьезными производственными проблемами, связанными с 40-нм техпроцессом, что дало GlobalFoundries шанс отличиться от своего крупного конкурента. Кроме того, финансовый кризис 2008-2009 гг. грозил перестроить индустрию микросхем. Потребители перестали покупать электронику, и технологические компании перестали заказывать микросхемы. Закупки полупроводников сократились. По словам одного из руководителей TSMC, это напоминало спуск лифта в пустую шахту. Если что-то и могло разрушить индустрию микросхем, так это мировой финансовый кризис.

Однако Моррис Чанг не собирался отказываться от доминирования в литейном бизнесе. Он пережил все циклы развития отрасли с тех пор, как его старый коллега Джек Килби изобрел интегральную схему. Он был уверен, что и этот спад рано или поздно закончится. Перенапрягшиеся компании будут вытеснены из бизнеса, а те, кто инвестировал в период спада, смогут захватить свою долю рынка. Кроме того, Чанг как никто другой понимал, что смартфоны изменят вычислительную технику, а значит, изменят и индустрию микросхем. СМИ уделяли внимание молодым технологическим магнатам, таким как Марк Цукерберг из Facebook, но у семидесятисемилетнего Чанга была перспектива, с которой мало кто мог сравниться. Мобильные устройства станут "переломным моментом" для индустрии микросхем, заявил он в интервью Forbes, считая их предвестниками таких же значительных изменений, какие произошли с появлением ПК. Он был намерен завоевать львиную долю этого бизнеса, чего бы ему это ни стоило.

Чанг понял, что TSMC может опередить конкурентов в технологическом плане, поскольку она является нейтральным игроком, вокруг которого другие компании будут создавать свои продукты. Он назвал это "Большим альянсом TSMC", объединяющим десятки компаний, которые разрабатывают микросхемы, продают интеллектуальную собственность, производят материалы или оборудование. Многие из этих компаний конкурируют друг с другом, но поскольку ни одна из них не производит пластины, ни одна из них не конкурирует с TSMC. Поэтому TSMC могла координировать свои действия между ними, устанавливая стандарты, которые соглашались использовать большинство других компаний, работающих в сфере производства микросхем. У них не было выбора, поскольку совместимость с технологическими процессами TSMC была крайне важна практически для всех компаний. Для компаний, не имеющих фабов, TSMC была наиболее конкурентоспособным источником производственных услуг. Для компаний, производящих оборудование и материалы, TSMC часто была их крупнейшим клиентом. Когда смартфоны начали набирать обороты, увеличивая спрос на кремний, Моррис Чанг занял центральное место. "TSMC знает, что важно использовать инновации всех, - заявил Чанг, - наши, производителей оборудования, наших клиентов и поставщиков ИС. В этом и заключается сила Большого Альянса". Финансовые последствия этого были весьма значительными. "Совокупные расходы на НИОКР TSMC и десяти ее крупнейших клиентов, - похвастался он, - превышают расходы Samsung и Intel вместе взятых". Старая модель интеграции проектирования и производства будет с трудом выдерживать конкуренцию, когда вся остальная индустрия объединится вокруг TSMC.

Положение TSMC в центре полупроводниковой вселенной требует от нее наличия мощностей для производства микросхем для всех своих крупнейших