La tecnologia DUV ad immersione, a cui le aziende cinesi hanno al momento (ancora) accesso, presenta limitazioni nella produzione dei nodi di processo a 7 e 5 nm che impongono significative restrizioni di progettazione e che non sono economicamente competitive con le produzioni che utilizzano sistemi EUV.
Nelle ultime settimane si è molto discusso delle capacità dell’industria cinese dei semiconduttori di realizzare produzioni avanzate di chip logici in grado di competere con le tecnologie di TSMC, Samsung e Intel.
Il confronto è stato innescato dalla scoperta da parte di TechInsights di un chip fabbricato con nodo di processo a 7 nm da parte di SMIC, la più importante (per tecnologia e capacità produttiva) fonderia cinese. Il chip in questione è stato trovato all’interno di una scheda per mining di Bitcoin che l’azienda canadese MinerVa Semiconductor produce dall’anno scorso e che è identificata dalla sigla (guarda caso) MV7 Miner.
Il dibattito è stato animato anche dalle notizie diffuse dal media cinese Global Times (controllato dal governo cinese) riguardanti i progressi tecnologici di SMIC e più in generale dell’industria dei semiconduttori cinese. Secondo Global Times, SMIC è attualmente in grado di produrre elevati volumi di dispositivi con nodo di processo a 14 nm e sta facendo significativi progressi nella produzione di circuiti logici con nodi a 7 e 5 nm, mentre l’industria cinese dei semiconduttori ha raggiunto la capacità di produrre macchine litografiche a 90 nm, è autonoma per quanto riguarda la produzione di wafer da 12 pollici ed è in grado di produrre avanzate CPU e processori per 5G.
La notizia ha suscitato grande sorpresa in quanto SMIC, come molte altre aziende cinesi, non può accedere alle tecnologie più avanzate del settore a causa delle restrizioni imposte dagli Stati Uniti e dai paesi alleati. Nel caso di SMIC, le sanzioni riguardano impianti e materiali per la produzione di semiconduttori con nodo di processo inferiore a 10 nm; semplificando, è stato proibito all’olandese ASML (unico produttore al mondo) di fornire a SMIC macchine litografiche di tipo EUV (litografia ultravioletta estrema) impiegate nella produzione dei chip più avanzati, attualmente in uso solamente negli stabilimenti di TSMC, Samsung e Intel.
In realtà la fabbricazione di semiconduttori a 7 e 5 nm può essere realizzate con macchine DUV (litografia ultravioletta profonda) ad immersione, con la tecnologia del multi-patterning. Si tratta di un processo più complesso e meno performante rispetto a quello garantito dalla tecnologia EUV ma che, ad esempio, è stato utilizzato da TSMC per i suoi nodi N7 e N5. Nel gennaio 2022, Burn Lin, capo della ricerca e sviluppo di TSMC e padre della litografia a immersione a 193 nanometri, ha dichiarato che SMIC può sicuramente produrre chip a 5 nm con il solo multi-patterning utilizzando sistemi DUV.
Cosa significa tutto ciò? Sicuramente che con tecnologie di processo a 14 nm o superiori, la Cina può soddisfare una grossa fetta dei consumi interni in campo wireless, automotive, industriale, IoT e tanto altro ancora. Questa capacità tecnologica non significa, tuttavia, che le fonderie cinesi di semiconduttori siano in grado di raggiungere la capacità produttiva necessaria per soddisfare questa richiesta in breve tempo. Recentemente abbiamo pubblicato la tabella della capacità produttiva delle prime 10 fonderie al mondo nel 2Q22 dalla quale si ricava che complessivamente le aziende cinesi detengono una quota globale di mercato di circa il 10%:
Va tuttavia segnalato che una importante quota di produzione globale è da attribuire alle cosiddette IDM (Intel, Texas Instruments, ST, NXP, ecc.), ovvero quelle aziende che progettano e fabbricano i propri chip, categoria nella quale non è presente alcuna azienda cinese di rilievo. In considerazione di ciò, la produzione complessiva di semiconduttori cinese non supera attualmente il 5÷6% del mercato globale. Molto simile è la situazione nel settore delle memorie, dove solo la cinese YMTC (Yangtze Memory Technologies Company) ha una posizione di rilievo con una quota di mercato di circa il 3÷5%.
Da anni la Cina sta investendo pesantemente in questo settore, ma per raggiungere una quota di mercato di almeno il 30÷40% servirebbero iniziative ancora più importanti, e non solo in termini di capitali. Per i suoi recenti progressi in questo settore la Cina ha dovuto reclutare manager e ingegneri stranieri (prevalentemente da Taiwan e dalla Corea del Sud), stante la bassa qualità delle università cinesi nel campo della microelettronica e la mancanza di dirigenti con la caratura necessaria. Questa opera di ”bracconaggio”, come la chiamano i taiwanesi, spesso condotta con mezzi illegali, è ora nel mirino della autorità di Taiwan, della Corea del Sud e del Giappone, che la stanno contrastando con ogni mezzo.
Per quanto riguarda i nodi di processo più avanzati, già due anni fa SMIC ha annunciato che stava lavorando al suo nodo N+1, paragonabile al nodo N7 di TSMC (in produzione in volumi ormai da 5 anni) utilizzando la litografia ad immersione DUV con multi-patterning, che è il sistema utilizzato inizialmente da TSMC e Samsung, prima dell’arrivo dei sistemi EUV. Nel 2018, TSMC ha venduto milioni di wafer N7 ad aziende come Apple, fabbricati con la tecnologia DUV.
Questo processo, tuttavia, presenta limitazioni di produzione che impongono gravi restrizioni al progettista, limitando la complessità e le dimensioni del chip; inoltre la resa è decisamente inferiore e i volumi di produzione risultano molto più bassi, mentre per ottimizzare la resa dei loro nodi di processo le fonderie devono fare affidamento su altissimi volumi.
Attualmente, TSMC e Samsung utilizzano per questo nodo la macchina litografica EUV TWINSCAN NXE:3400C di ASML in grado di garantire volumi di produzione dell’ordine di 150÷200 wafer/ora. Per le sanzioni imposte dagli Stati Uniti, questa macchina non può essere venduta a SMIC. Sul fronte delle sanzioni, tuttavia, qualcosa potrebbe cambiare anche per gli scanner DUV.
Dopo la notizia della scoperta del processore di classe 7 nm fabbricato da SMIC (quello contenuto nella scheda per mining di MinerVa Semiconductor), gli Stati Uniti hanno iniziato a fare pressioni sui governi giapponese e olandese per porre delle limitazioni alle esportazioni verso la Cina anche delle macchine litografiche DUV di Nikon, Canon e ASML (le uniche aziende che le producono), perlomeno di quelle più moderne.
Avere accesso alle ultime tecnologie di litografia è fondamentale per la lunga marcia di SMIC verso la produzione di nodi avanzati con elevati volumi di produzione. Attualmente lo scanner DUV più avanzato – il modello TWINSCAN NXT:2050i di ASML – garantisce volumi di produzione di 6.000 wafer da 300 mm al giorno.
La litografia a immersione con tecnologia laser ArF a 193 nanometri utilizza acqua e altri fluidi per migliorare la risoluzione della vecchia tecnologia a secco, il cavallo di battaglia per i nodi più maturi.
Se le restrizioni venissero estese anche alla tecnologia DUV ad immersione, le ripercussioni per l’industria dei semiconduttori cinesi sarebbero molto gravi; a questa nuova richiesta di restrizioni si stanno opponendo con forza ASML, Nikon e Canon; in ogni caso, i sistemi DUV di prima generazione (con tecnologia a secco) possono essere modificati per la litografia a immersione, anche se queste modifiche richiedono molto tempo e sforzi non indifferenti.
Recentemente, il pressing del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti si è fatto più stringente anche sulle aziende americane che producono attrezzature per la fabbricazione di semiconduttori – KLA, Lam Research, Applied Materials – alle quali è stato vietato di vendere alle aziende cinesi prodotti e sistemi per processi inferiori a 14 nm, a meno che i venditori non ottengano licenze dal Dipartimento del Commercio.
Tornando a SMIC, ancora più difficoltosa appare la produzione di chip con nodo di processo a 5 nm (SMIC lo chiama N+2) con gli stessi strumenti, ovvero con la tecnologia DUV ad immersione e il multi-patterning, anche se questo processo produttivo potrebbe essere reso più semplice dalle macchine DUV di ultimissima generazione come lo scanner di ASML citato in precedenza o il modello NSR-S635E di Nikon. C’è anche da considerare che l’industria cinese delle macchine per la produzione dei semiconduttori sta facendo progressi notevoli, con aziende del calibro di AMEC, SMEE e Dongfang Jingyuan, quest’ultima accusata di aver rubato segreti industriali all’olandese ASML.
Al momento non si hanno notizie di un chip commerciale con queste caratteristiche prodotto da SMIC, né questa possibilità è stata mai menzionata nelle dichiarazioni ufficiali dell’azienda che, per quanto riguarda i prodotti più avanzati, ha sempre dichiarato di puntare sullo sviluppo delle tecnologie di packaging e sull’integrazione eterogenea.
Con l’N+1 di SMIC qualificato e pronto per una produzione almeno limitata, è evidente che l’azienda non può fare a meno dei sistemi EUV per essere competitiva sui mercati globali; può tuttavia utilizzare la meno performante tecnologia DUV per il mercato interno in quelle applicazioni dove non è necessaria una produzione di elevati volumi, come, ad esempio, i chip utilizzati da Huawei per i suoi sistemi 5G. Anche in questo caso, però, le sanzioni potrebbero rappresentare un grosso ostacolo dal momento che molti strumenti utilizzati nelle fabbriche di SMIC provengono dagli Stati Uniti e, come sappiamo, Huawei è soggetta a sanzioni da parte degli USA. Non resterebbero, dunque, che le CPU e le GPU per il mercato interno. Queste considerazioni valgono, a maggior ragione per il nodo N+2.
Sembra dunque che le restrizioni occidentali nei confronti di SMIC stiano funzionando, come hanno funzionato quelle nei confronti di Huawei, che ha visto in un paio d’anni svanire il suo business degli smartphone di cui era leader mondiale.
La conferma della capacità produttiva, seppure limitata, di chip a 7 nm, appare più che un successo commerciale, come una conferma delle capacità del co-CEO di SMIC Liang Mong-Song, entrato in carica nel 2017 dopo alcuni anni in Samsung e una lunga carriera in TSMC. Liang Mong-Song ha portato in SMIC il suo team di ricerca e sviluppo di 200 persone, taiwanesi e coreani, e ha fatto fare all’azienda un importante salto di qualità, facendola diventare una delle prime foundry al mondo. Una conferma indiretta delle scarse capacità dei manager locali e della necessità per l’industria cinese dei semiconduttori della tecnologia occidentale per poter competere sui mercati internazionali.
Per quanto riguarda Global Times, l’articolo sembra più un endorsement nei confronti dell’attuale classe dirigente cinese nell’imminenza del XX Congresso del Partito Comunista più che la notizia di un importante progresso dell’industria nazionale dei chip la cui distanza tecnologica e commerciale, dai paesi e dalle aziende leader al mondo, resta di almeno 5-10 anni. E che, soprattutto, è molto lontana dalla possibilità di garantire l’autosufficienza in questo settore strategico al paese del Dragone entro il 2030 come prevedono i piani del Governo cinese.
