Tom’s Hardware посещает STMicroelectronics | Введение
“Французский завод” – это почти оксюморон. Когда вы в последний раз слышали в новостях об успехах производственных предприятий на земле вина божоле и сыра бри? Даже не будем спрашивать, когда вы в последний раз слышали, что французский производитель полупроводников нанимает персонал, поскольку заводу требуется удовлетворять растущий спрос и оставаться конкурентоспособным на рынке. Сложная общая экономическая ситуация и мрачные цвета, используемые СМИ, когда речь заходит об отрасли микроэлектроники во Франции, создаёт ощущение, будто данный сценарий, в лучшем случае, утопичен.
Представьте наше удивление, когда от одного из источников мы узнали, что завод STMicroelectronics в городе Ренн набирает персонал. Не поймите нас неправильно. Мы твёрдо верим в компетентность французских и в целом европейских экспертов, ведь именно здесь появились такие новаторы, как Crocus Technology, SOITEC и STMicroelectronics. Но французский полупроводниковый завод, который не выводит прибыль в офшор и нанимает работников в разгар экономического кризиса? Мы решили, что данный вопрос заслуживает изучения. И вдруг это не только оказывается правдой, но и выясняется, что производственный объект фигурирует в новостях, поскольку его схемы использовались в марсоходе «Кьюриосити».
Мы связались с Патриком Галойем (Patrick Galloy), генеральным директором STMicroelectronics Tours SAS. Он возглавляет заводы в городах Ренн и Тур, где работают в общей сложности 1500 человек. К нему присоединился Жан-Франсуа Вадро (Jean-Francois Vadrot), менеджер подразделения отказоустойчивых продуктов для аэрокосмической отрасли. STMicroelectronics – это французско-итальянская компания-производитель полупроводников с широким ассортиментом продукции, включая чипы SoC (система на кристалле) для цифровых сигнальных процессоров (DSP) и компоненты для потребительской электроники, автомобилей и многих других отраслей рынка. Однако для Tom’s Hardware она больше известна из-за микроэлектромеханических систем (МЭМС).
Как у Патрика, так и у Жана-Франсуа за плечами около тридцати лет опыта работы в сфере полупроводниковой промышленности во Франции. Они управляют одним из заводов, который не так известен широкой публике, но при этом показывает хороший рост на нишевом рынке компонентов для аэрокосмической отрасли. Они согласились ответить на наши вопросы о направлении бизнеса, которое ответственно за сегодняшний успех завода в Ренне. Кроме того, мы получили разрешение на съёмку. Следующая информация взята в основном из нашего разговора. Но вместо всего интервью мы решили опубликовать историю завода, а также коснуться разработки и производства отказоусточивых компонентов для аэрокосмической отрасли, трудностей такого производства, а также некоторых планов на будущее. Это не выдумка, а реальные факты, заслуживающие внимания.
Tom’s Hardware посещает STMicroelectronics | История завода
Когда-то давно, дела обстояли гораздо хуже. В 2003 году основная линия завода в Ренне (травление полупроводниковых пластин) переехала в Сингапур. В коллективной памяти (а также по данным Википедии) это означает закрытие производственной площадки в Ренне. Но как показывают наши фотографии, информация о полном отключении мощностей завода, продвигаемая в прессе, оказалась неправдой. Завод по-прежнему работает, и второй конвейер (герметичная сборка матриц) теперь является основным видом деятельности. Причем это работает со времён переезда первой линии в Сингапур. Поэтому важно вернуться к истории завода.
Завод в Ренне был возведён в 1960-х годах. Его построила компания Fairchild, затем он был куплен SGS (Societa Generale Semiconduttori) Microelettronica, итальянской компанией, которая объединилась с французской Thomson Semiconducteurs в 1987 году в SGS-Thomson. В 1998 году Thomson SA отделилась от компании и стала известна как STMicroelectronics.
С самого начала производственная площадка в Ренне имела основную линию, включающую весь процесс производства матриц на полупроводниковой пластине (вживление, диффузия, эпитаксия, фотолитография, металлизация и тестирование). В 2000-х здесь производились полупроводниковые пластины на 150 мм. Основная линия завода была задействована на 90-95%. Под предлогом экономической целесообразности в 2003-2004 годах она переехала в Сингапур.
Однако с момента создания завод в Ренне обеспечивал второстепенную линию, поэтому сборка чипов для аэрокосмического рынка совсем не является новым для него видом деятельности. SGS производит их с 1977 года. Можно сказать, что линия работала всегда. Никто завод не “трансформировал” и не менял направление производства. Но успех второстепенной линии ознаменовал значительный рост бизнеса.
Косметический ремонт в 2003 году
После переезда основной линии в офшор на второстепенной линии работало 44 человека, то есть завод был занят примерно на 5-10%. За десять лет STMicroelectronics увеличила мощность в восемь раз, и сейчас на заводе трудятся 100 человек.
Такой заметный рост обусловлен мощный маркетингом и технологическими инвестициями, обеспечившими более широкое присутствие её продуктов на рынке элементов для аэрокосмонавтики. Ещё одним важным стратегическим ходом стало получение европейских и американских квалификаций, что позволило заводу в Ренне стать единственным из компании STMicroelectronics, способным производить чипы для продажи на рынке аэрокосмонавтики по всему миру.
Для оптимизации управления растущей производственной линией в 2006 году завод в Ренне был прикреплён к заводу в Туре. В основном на нём работали операторы, но компании также удалось укрепить группы технологического персонала. Сегодня на заводе трудятся две группы, и небольшая дополнительная группа выходного дня для тестирования уровня надёжности, которое длится примерно 1000 часов (а для некоторых компонентов до 2000 и даже 4000 часов). Для того чтобы справиться с растущими мощностями, была внедрена ночная смена.
Взрыв активности на заводе также связывается с некоторыми известными достижениями. Последним из них было производство компонентов для марсохода «Кьюриосити» (Curiosity) (нас заверили, что чипы памяти, повреждённые космической радиацией, не были произведены STMicroelectronics). Сейчас завод в Ренне неразрывно связан с космической сферой.
Tom’s Hardware посещает STMicroelectronics | Начало и развитие завода в Ренне
Европейское космическое агентство (ЕКА) было создано в 1975 году для координации европейской космической программы и сертификации официальных поставщиков продуктов данного рынка. Через два года первым европейским поставщиком, получившим сертификат, стала SGS. Изначально он предназначался заводу в Италии, но в 1979 году бизнес переехал в Ренн вместе с сертификатом.
В 1985 году Индия признала европейские сертификаты, и SGS получила доступ к индийскому космическому агентству. За ней в 1990 году последовала Япония. Бизнес в сфере аэрокосмонавтики уже в это время был прибыльным, но перспективы роста столкнулись с ограничениями американского рынка, который явно не признавал европейские сертификаты.
Золотая жила для STMicro
Примерно в 1995 году компания решила направить усилия на получение американских сертификатов. Их два: один – для интегрированных микросхем, второй – для дополнительных компонентов (диоды, транзисторы и т.д.). STMicroelectronics получила первый в 2000 году, когда удовлетворила требования, выставленные Оборонным логистическим агентством Министерства обороны США. Однако прежде, чем американские производители приняли его, прошло ещё пять-шесть лет. Рынок аэрокосмонавтики к новичкам относится очень настороженно, и сертификат не означает, что вы автоматически получаете контракты. Прежде всего, нужно создать имя и заработать хорошую репутацию.
В 2011 году STMicroelectronics получила второй сертификат, который позволил компании продавать весь свой ассортимент на рынке США, и доля рынка, некогда составлявшая 1-2%, теперь достигла 25%. Если коротко, развитие бизнеса в городе Ренн является результатом широкого географического распространения. И тенденция продолжается. В дополнение к рынку США компания делает успехи в России и Китае, эти страны характеризуются высоким потенциалом роста.
Рост, несмотря на ограничения
Между американскими и европейскими сертификатами нет существенных отличий, и компоненты, которые продаются Европе, ничем не отличаются от тех, что предлагаются для американского рынка. Если некоторые расхождения в протоколах тестирования, но ничего фундаментального. Платой за возможность продавать свой продукт по всему миру являются бюрократические преграды и трудности. Но фактически это одна из самых сильных сторон завода в Ренне. Лишь несколько фабрик в мире имеют все сертификаты.
Во время нашей беседы мы хорошо поняли, что управление тремя системами качества вносит серьёзные ограничения в плане производства, и Вадро подчеркнул, что если бы у него была волшебная палочка, первым его желанием было бы более эффективное объединение сертификатов и большая степень соответствия их друг другу. Тем не менее, несмотря на недостатки, завод в Ренне не только адаптируется к этим вызовам, но и развивается, чтобы предлагать новые технологии, которые выведут его в лидеры на аэрокосмическом рынке. Но что конкурентно производит завод в Ренне?
Tom’s Hardware посещает STMicroelectronics | Жёсткий процесс отбора
На жаргоне производителей полупроводников, “бэк-энд” – это все стадии производства, которые следуют за травлением транзисторов на полупроводниковую пластину кремния (“фронт-энд”). Голая матрица не имеет смысла. Её необходимо защитить и соединить с внешним миром. Для этого матрица впаивается в корпус или блок, и микроскопические интерфейсы подключаются к контактам более удобного размера.
Завод в Ренне получает пластины из других заводов STMicroelectronics по всему миру (в основном это Сингапур, Тур и Катания). Но это необычные пластины. Они уже удовлетворяют всем требованиям, свойственным аэрокосмической отрасли. На заводе нет центра НИОКР, но есть эксперты по радиации, работающие с заводами первой линии для разработки чипов, способных выдержать радиоактивное излучение в космосе (которое виновно в сбое чипа памяти марсохода «Кьюриосити»). Прежде чем покинуть фронт-энд, чипы проходят процесс разработки и тестирования.
Предварительные тесты отбора полупроводниковой пластины
В Ренне полупроводниковые пластины режутся на отдельные кристаллы. Затем STMicroelectronics делает выборку чипов, которые будут проходить все этапы производства, а затем облучение источником кобальта-60 в специальных лабораториях (не на заводе, поскольку для этого требуются специалисты). Цель в том, чтобы убедиться, что пластина, с которой был взят чип, отвечает номинальным стандартам производительности. Теоретически проблем нет, поскольку она разработана и произведена с учётом этих стандартов. Но если результаты оказались не на должном уровне, вся полупроводниковая пластина будет отбракована.
Производитель чипа принял весьма требовательные критерии отбора. Риски недопустимы для компонентов, которые должны работать 15-20 лет (ожидаемый срок службы спутника в космосе). Так что лучше выбросить всю пластину, нежели подвергнуть угрозе работоспособность спутника на орбите или робота на Марсе.
После проверки и принятия пластины она разрезается на кристаллы. После нарезки каждый чип проверяется под микроскопом. Операция требует множества различных манипуляций, что ограничивает темп производства. В час оператор может отсортировать максимум 140 чипов, или приблизительно 1000 чипов в день. Отбор очень строгий. На данной стадии вопрос заключается не только в работоспособности чипа. Для отбраковки чипа достаточно визуального дефекта, даже если чип функционально исправен. Повторимся, упор сделан на нулевой допуск риска возникновения неполадок в поставляемом продукте.
Тщательный отбор
Окончательная выбраковка, главным образом, происходит перед упаковкой кристалла. Начальные критерии отбора настолько требовательны, что микросхемам, которые попадают в производственную цепочку, редко свойственны проблемы. Однако различные сертификаты требуют забора образцов для тестирования на каждом этапе производства.
После нарезки микросхема впаивается в корпус или блок. Качество сборки также тестируется: отбирается некоторый процент чипов и подвергается тесту на прочность. Используемая заводом упаковка отличается от потребительских моделей. Вместо пластмассы часто используется керамика: оксид алюминия (Al2O3) или нитрид алюминия (AlN), иди другой металл (сталь или ковар (сплав железа, никеля и кобальта). Выбор корпуса зависит, главным образом, от типа микросхемы, которую он будет содержать. Чипы, не нуждающиеся в питании, будут использовать керамический корпус. Например, керамический корпус применяется в процессорах обработки сигналов. Кристаллы с требованиями по теплоотводу (TDP) в несколько ватт, например, компоненты питания с силой тока 3-5 A и напряжением несколько вольт, используют металлическую упаковку.
Вопреки распространённому мнению, выбор упаковки не зависит от среды, в которой будет работать микросхема. Компоненты, используемые в космосе и на глубине 20 км под землёй на конце бурильной головки, могут быть идентичны. Высокие стандарты надёжности, которым должны отвечать эти чипы, созданы для того, чтобы чипы могли работать при любых условиях. Таким образом, выбор корпуса зависит только от характеристик схемы, которую он содержит.
Tom’s Hardware посещает STMicroelectronics | Тщательное тестирование
После монтажа кристалла в корпус необходимо припаять провода, чтоб соединить чип и контакты. Операция может показаться архаичной, если сравнивать с производством современных процессоров для ПК и смартфонов, чьи кристаллы подключатся напрямую с помощью выступов на эпоксидном кристаллодержателе. Однако для аэрокосмического сектора, с его высокими требованиями к надёжности, принято использовать старые, хорошо проверенные методы.
Сертификаты требуют проверки проводов на прочность. Для этого с производственной линии отбирается определённый процент компонентов, которые подвергаются испытаниям на разрушение, позволяющим определить силу, необходимую для разрыва проводов, и нахождение места отказа (на чипе, в корпусе, посередине провода и т.д.).
Следующим этапом проверяется герметичность крышки корпуса. Чтобы избежать коррозии, кристаллы содержатся в атмосфере сухого азота. В зависимости от размера, формы и типа корпуса, он может запечатываться разными способами. Керамические корпуса запечатываются в печи. Металлические могут запечатываться с помощью электросварки. В каталоге STMicroelectronics насчитывается 34 различных корпуса, и имеются соответствующие устройства для их запечатывания.
После запечатывания корпуса его нужно промаркировать. STMicro в Ренне недавно перешла от чернильной маркировки на лазерную, которая отличается более высокой выносливостью. Производство, как таковое, завершено. Однако впереди ещё долгий путь тестирования на качество и устойчивость чипа к износу.
Настоящие драгоценности
Чипы проходят под рентгеновским излучением для проверки сварки интерфейса между чипом и кристаллодержателем и сварочное соединение между верхней и нижней половиной корпуса на наличие пустот.
В это же время проверяется наличие частиц внутри корпуса, ведь даже микроскопическая пылинка может иметь разрушительные последствия. Также каждый корпус тестируется устройством для обнаружения утечек.
Чипы подвергаются воздействию определённых температурных циклов (между -55 и 125 градусами Цельсия) и температурных ударов. На каждом этапе STMicroelectronics проверяет электрические характеристики кристаллов, и для каждого создаётся отчёт о тестировании. В итоге получается компонент, который Патрик Галой называет “уникальная маленькая жемчужина”. Каждому кристаллу присваивается уникальный серийный номер, позволяющий отследить его жизнь с начала производства, от компонента к компоненту, от чипа к чипу, от теста к тесту. Все результаты отправляются заказчику и хранятся в архиве минимум десять лет.
STMicroelectronics предпочитает не раскрывать количество чипов, сошедших с конвейера в Ренне (эти данные являются коммерческой тайной). Но легко понять, что прибыли здесь гораздо ниже, чем на традиционных заводах, которые не подвержены таких жёстким ограничениям и тестам на разрушение для гарантии качества и надёжности чипов.
Tom’s Hardware посещает STMicroelectronics | Производство на заводе
Рост мощностей завода STMicroelectronics в Ренне за последние десять лет определили два основных фактора.
Преимущества в маркетинге
Каждый год аэрокосмический рынок растёт приблизительно на 5%, и компания выгодно использует данную тенденцию. Её чипы используются в марсоходе «Кьюриосити», в европейской системе позиционирования Galileo, в метеоспутниках Meteosat, в ракетах Ariane, в спутниках телевизионного вещания Astra, в спутнике наблюдения за Землёй SPOT и почти во всех спутниках, запускаемых сегодня.
В число заказчиков компании входят производители оборудования, продающие части спутников, а также сами производители спутников. Самым большим клиентом является Европейское космическое агентство и её французский представитель CNES (Centre National d’Etudes Spatiales), поскольку STMicroelectronics обеспечивает ему независимость от США. Благодаря этому разрабатываемые проекты получают неплохое финансирование. Кроме того, компания работает с частными игроками рынка по всему миру, а также имеет привилегированные отношения с европейскими интеграторами спутниковых систем Thales-Alenia и EADS-Astrium.
Технологические преимущества
Ещё одним фактором, обуславливающим рост присутствия STMicroelectronics на рынке и активное развитие фабрики в Ренне, являются технологии, которые может пускать в производство данный объект. Производителям спутников не требуются новейшие “системы на кристалле” и высочайшие тактовые частоты. Им требуются проверенные годами технологии. Для спутника, который проведёт на орбите нашей планеты двадцать лет, надёжность компонентов гораздо важнее, чем использование самых современных технологий производства.
Если конкретно, STMicroelectronics продают чипы, выполненные по технологии производства трёх- пятилетней давности (сейчас компания работает на сертификацией 65-нанометровых чипов), а также полупроводниковые пластины, разработанные на основе техпроцесса 7,5 µм (7 500 нм). Это также является преимуществом, поскольку это единственный завод, который до сих пор может работать с таким производственным стандартом, начавшим свой путь ещё в 1970-х. Несмотря на возраст, он до сих пор применяется для сред, где требуется высокая надёжность. Одним из самых продаваемых транзисторов в аэрокосмонавтике является 2N2222, представленный миру компанией Motorola в 1962 году.
Понятно, что его производство было адаптировано под новые стандарты, регулирующие процесс изготовления, и зрелость технологий привела к оптимизации процесса производства. Тем не менее, сила STMicroelectronics заключатся в том, что это одна из немногих компаний в мире, которая производит чипы старого поколения и получает с этого прибыль.
Ещё одним технологическим преимуществом являются большие промежутки времени между процессами разработки и производства чипов для применения в аэрокосмонавтике. Для некоторых компонентов в потребительских устройствах этот промежуток составляет шесть месяцев, но в случае STMicroelectronics с начала разработки продукта и до его момента выхода на рынок может пройти четыре-пять лет. Не всем производителям чипов доступны необходимые инвестиции при таком горизонте планирования.
Tom’s Hardware посещает STMicroelectronics | Трудности для завода в Ренне
Рост занятости завода STM в Ренне с 2003 года привёл к расширению штата, более эффективному управлению объектами, установке нового оборудования и усовершенствованию технологического процесса. Работа в сфере аэрокосмонавтики подразумевает множество “ручных” операций, учитывая относительно небольшие объёмы продаж и множество этапов производства, которые проходит продукция. Завод в Ренне производит приблизительно 200 000 единиц в год. Стандартный бэк-энд STMicroelectronics производит 12-15 миллионов в день.
Говоря о росте спроса, Патрик Галой считает, что при наличии волшебной палочки, он бы использовал её, чтобы производить больше и быстрее прямо сейчас. Однако ограничения производства аэрокосмических компонентов требуют тщательного контроля при любом увеличении производства, учитывающего стоимость и надёжность продукта, покидающего завод.
В завод в Ренне компания STMicroelectronics инвестирует $500000-$800000 в год. В планах компании – наём персонала для ночной смены и установка полуавтоматических станков для повышения эффективности и скорости производства. С целью увеличения производительности труда и улучшения рабочих условий для персонала был запущен проект Sirius.
Другая проблема – обучение команд для обеспечения различных стандартов качества. Аэрокосмическая отрасль слишком мала для внедрения курсов в специализированных для данного рынка учебных учреждениях. Поэтому завод нанимает инженеров и обучает их согласно требованиям сертификатов самостоятельно, в сотрудничестве с ESA.
Tom’s Hardware посещает STMicroelectronics | Перспективы
У завода в Ренне многообещающее будущее. Благодаря инновациям завод надеется удвоить текущий объём производства за пять лет. STMicroelectronics планирует интегрировать свои технологии для снижения энергопотребления и повышения эффективности процессора на схемах высокой надёжности. Ещё одной прогрессивной тенденцией является МЭМС. Компания сделала себе имя за счёт встраивания своих систем во множество потребительских продуктов, и разработки путей преобразования чипов для использования в авиакосмической индустрии. На это уйдёт ещё несколько лет.
Рост компании также потребует расширения географического присутствия и активизации маркетинговой деятельности. Завод в Ренне в большей степени зависит от аэрокосмического рынка, однако чипы, используемые в спутниках, также популярны в здравоохранении и нефтяной промышленности. Для имплантации «лаборатории на чипе» (Labs-on-a-Chip (LOC)) в тело человека требуются надёжные компоненты, а буровые головки, работающие на глубине 20 км под землёй, обходятся в целое состояние при поломке. Рынок телекоммуникационных кабелей на подводных лодках, использующих ретрансляторы для передачи сигналов, также требует использования чипов с высокими показателями надёжности, чтобы исключить ремонт в труднодоступных местах.
STMicroelectronics имеет некоторое присутствие на этих рынках, но её ожидают сложности, связанные с продвижением своей продукции и соответствием требованиям растущей промышленности. Кроме того, компании тяжело расширять своё географическое присутствие. Сертификаты являются важным преимуществом, но этого не всегда достаточно, чтобы убедить определённые компании, которые с насторожённостью относятся к “иностранцам”. Поэтому необходимо работать над имиджем бренда и международными отношениями.
И, наконец, будущее производства в Ренне может быть связано с диверсификацией видов деятельности. STMicroelectronics рассматривает возможность стать обслуживающей компанией, использующей свой опыт и квалификацию для сборки кристаллов от заказчиков. Клиент может не тратить пять лет на получение необходимых лицензий. Нам известно, что сейчас ведутся переговоры с некоторыми партнёрами, но их имена пока не называются.
Иммунитет к офшору
Мы хотим закончить вопросом, который задавали себе при подготовке материала: если фронт-энд завода был перенесён в другую страну, нет ли риска перенесения и бэк-энда? Нет, такого риска нет, и вот почему.
Завод в Ренне нельзя перенести ввиду знаний и навыков, работающего там персонала, отвечающего требованиям трёх строгих международных сертификатов. По словам Вадро и Галойя, перенос завода без его команды невозможен без значительных инвестиций и задержек, несопоставимых с требованиями заказчиков. Завод в Ренне имеет слишком узкую специализацию для переноса.
Кроме того, факторы стоимости, которые ведут в офшоры, в данном случае оказывают меньшее давление, поскольку продукция завода имеет высокую добавленную стоимость и меньше подвержена влиянию факторов производительности и доходности, имеющих место при производстве потребительских чипов. Клиент оплачивает опыт, международные квалификации и гарантию того, что чип без проблем проработает в течение двух десятилетий. В дополнение ко всему, заказчик получает собранную в ходе тестирования информацию, что позволяет отследить каждый чип.
Tom’s Hardware посещает STMicroelectronics | Французская национальная гордость
Нам было трудно сохранять объективность, создавая данную статью. Мы зарядились энтузиазмом, видя не только феноменальный потенциал французского завода полупроводников, но и уровень знаний и навыков, из-за которого практически невозможно перевезти завод в другую страну. Мы пишем о таких гигантах, как GlobalFoundries, Intel, Foxconn или TSMC, но впервые говорим о заводе STMicroelectronics в городе Ренн, который значительно преуспел на быстрорастущем нишевом рынке.
Нас, конечно, можно раскритиковать за такую подачу, но, может быть, это простительно, ведь успех французского завода достигнут благодаря его адаптации к ограничениям в рамках всеобщей глобализации. Очевидно, что завод, который мы видим сегодня, уже не напоминает то, что было в 2000-х, но и рынок за десять лет заметно изменился. Его реалии жестоки и беспристрастны. Здесь господствуют понятия рентабельности и продуктивности, и места для морали и социальности практически не осталось. Идея конкуренции небольшого европейского предприятия с азиатскими фабриками, построенными за последние десять лет, одновременно смешна и опасна.
Вместо того чтобы полностью переехать или полностью закрыться, завод в Ренне инвестировал в свою уникальность. Нельзя рассматривать данную проблему, не обратившись к современной экономической теории Карлы Гофф и Джозефа Стиглица, опубликованной Всемирным банком, которая показывает, что развитые страны будут оставаться конкурентоспособными накапливая высококвалифицированных специалистов. Они не могут конкурировать с развивающимися странами, где низкая стоимость жизни приводит к очень низким средним зарплатам. Единственное решение для развитых стран – иметь доступ к узкоспециализированной рабочей силе и квалификации, которых больше нигде нельзя найти. Именно это и обеспечило успех завода в Ренне, что даёт производителю прекрасный повод для гордости.