Грядущая катастрофа в микроэлектронике

Потребность в низкотемпературных припоях на основе различных сочетаний олова и висмута возрастает катастрофически. Фото Андрея Ваганова

Перспективы мировой, да и российской микроэлектроники – в большей степени вопросы экономики, чем технологии. Но для дальнейших экономических оценок начать необходимо с перспектив технологического развития микроэлектроники и вычислительной техники.

Революционные изменения в вычислительной технике и микроэлектронике в ближайшие 10–15 лет произойдут с внедрением такого элемента вычислительной среды, как универсальная память – память, сочетающая в себе быстродействие и возможность большого числа циклов переключений, характерных для оперативной памяти, и энергонезависимость, характерную для внешней памяти. Создание универсальной памяти – сегодня задача номер один для всех ведущих мировых разработчиков и производителей электронных компонентов и вычислительных устройств: Samsung, Toshiba, SK Hynix, Hewlett Packard, Intel, Micron, IBM, Texas Instruments, Panasonic, Sony, Fujitsu, Huawei, SMIC и др.

Создание универсальной памяти заявлено как основной приоритет в программах технологического развития США, Южной Кореи, Финляндии, Японии, Германии, Великобритании, Индии, Китая.

Универсальная память появится в составе вычислительных устройств в самое ближайшее время. Через 5–7 лет появятся опытные образцы таких устройств, а через 10–15 лет начнется их массовое производство.

В лабораторном варианте такие устройства уже существуют. Не отстают и российские разработчики. В частности, с участием специалистов ряда научных учреждений и высших учебных заведений Новосибирска планируется до конца 2025 года изготовить экспериментальные образцы таких устройств и провести испытания.

С созданием универсальной памяти станет возможной реализация архитектуры вычислительной среды «процессор в памяти» (Processor-in-memory, PIM). За счет этого в сотни раз сократится длина проводника между ячейкой процессора и ячейкой памяти, станет возможным переход от используемой сегодня во всех вычислительных устройствах традиционной последовательной архитектуры фон Неймана (с узким горлышком) к полномасштабным параллельным вычислениям, не ограниченным законами Амдала и Густафсона.

В результате с сокращением более чем на три порядка времени обращения к памяти и широкого применения параллельной обработки данных производительность вычислительных устройств увеличится в десятки тысяч раз, при этом во столько же раз снизится энергопотребление – из расчета на бит обрабатываемой информации. Все это, в свою очередь, даже при условии многократного увеличения элементарных преобразований из расчета на единицу обрабатываемой информации приведет к увеличению скорости обмена информацией между абонентом и базовой станцией и между абонентами в тысячи раз.

В итоге для абонента станет возможным эффект полноценного присутствия на удалении. Это вызовет катастрофический рост числа роботизированных удаленных терминалов на беспилотных летающих, ползающих и плавающих аппаратах. Их число превысит в десятки раз число абонентов, которых сейчас около 5 млрд, при более чем 20 млрд подключений.

Все это приведет к многократному росту потребности в микрочипах.

Вместе с тем переход к архитектуре «процессор в памяти» приведет к росту плотности соединений по технологии, которая сейчас в основном применяется в конструкции микросхем – методом перевернутого кристалла (flip-chip). Технология монтажа flip-chip стала настоящим прорывом, позволившим добиться уменьшения габаритов и улучшения характеристик изделий, значительно снизить омическое сопротивление и индуктивность контактных соединений, что существенно при работе на высоких частотах.

Однако, несмотря на то что в технологии flip-chip сегодня применяется лазерная пайка, что позволяет локализовать тепловое воздействие в пределах контакта (бампа) и контролировать температуру воздействия, рост при переходе к архитектуре «процессор в памяти» на два-три порядка плотности соединений по технологии flip-chip катастрофически увеличит тепловое воздействие на кристалл. Это при пайке традиционными припоями на основе различных сочетаний олова (Sn) и свинца (Pb) или олова и серебра (Ag), имеющих относительно высокую температуру плавления (высокотемпературные припои), может привести к растрескиванию кристалла.

А значит, с переходом к архитектуре «процессор в памяти» потребуются низкотемпературные олово-висмутовые припои. При пайке припоями на их основе существенно снижается потребление энергии. Это дает возможность использовать их в непосредственной близости от элементов схемы, не подвергая эти элементы высокотемпературному воздействию.

В итоге с учетом роста потребности в микрочипах суммарная масса требуемых бампов возрастет минимум на порядок. И произойдет это, как мы уже установили выше, в течение ближайших 15–20 лет.

И здесь мы подошли к необходимости экономической оценки такого перехода и его последствий.

С учетом этих тенденций потребность в низкотемпературных припоях на основе различных сочетаний олова (Sn) и висмута (Bi) возрастет катастрофически. В то же время на пути широкого промышленного применения таких припоев есть существенные препятствия.

Во-первых, в разы возрастет потребность в олове, в связи с чем значительно поднимется и цена на олово. Сегодня в мире производится около 400 тыс. т олова, из которых почти половина (160–170 тыс. т) идет на производство припоев в микроэлектронике.

Но если нарастить в разы производство олова еще представляется возможным, то нарастить в 20–30 раз производство висмута, одного из самых редких элементов в земной коре, – задача сегодня практически неразрешимая. И это будет главным препятствием на пути применения в перспективе низкотемпературных припоев, а значит – на пути внедрения архитектуры «процессор в памяти».

Сегодня количество висмута, доступное на мировом рынке, составляет менее 15 тыс. т. С переходом в вычислительной технике к архитектуре «процессор в памяти» потребность в висмуте возрастет как минимум на порядок, поскольку количество висмута, требуемое для низкотемпературных припоев, сравнимо с количеством олова. Возможности нарастить дополнительные мощности для производства висмута ограничены объемом в 4 тыс. т.

Но остановить прогресс микроэлектроники невозможно. Поэтому между производителями чипов (Samsung, TSMC, Intel и пр.) разгорится острейшая борьба за висмут, который станет для них жизненно важным материалом. В результате цена на висмут возрастет катастрофически, возможно, приблизится к цене серебра, так как вытеснит серебро из припоев, а скорее всего и значительно превысит цену на серебро. Сегодня цена на висмут в 100 раз ниже, чем на серебро.

Тенденция роста потребности в висмуте для припоев заметна уже сейчас. За период с 2006 по 2015 год объем производства висмута, основная доля которого используется в припоях, возросла с 5000 до 10 000 т. Китай, производящий львиную долю мировой микроэлектроники, увеличил за этот период производство висмута с 1900 до 7500 т и в дальнейшем до 11,5 тыс. т к 2021 году.

В итоге через 15–20 лет с переходом в вычислительных устройствах к архитектуре «процессор в памяти» произойдет скачок в росте потребления низкотемпературных припоев. Более того, так как с появлением вычислительных устройств с полноценной параллельной вычислительной архитектурой абонентский трафик возрастет в тысячи раз, примерно во столько же раз возрастет потребление электроэнергии системами связи, которое, по прогнозам, достигнет 30–35% мирового объема производимой электроэнергии. В этих условиях борьба за висмут и олово может стать более острой, чем борьба за нефть и газ.

Для России, обладающей значительным потенциалом в производстве висмута, складывающаяся ситуация может стать очень выгодной. Надо только правильно ее оценить и грамотно использовать. 

Новосибирск