5 marca 2025, w przeddzień TEK.day we Wrocławiu, odbyło się kolejne Forum Elektroniki Polskiej organizowane przez Jacka Małeckiego. Poniżej agenda spotkania:

• Podsumowanie 2024 i prognozy na 2025 – ogólna sytuacja ekonomiczna w Polsce i na świecie oraz wyniki branży elektronicznej;
• Wrażenia z pobytu w Chinach oraz na targach Electronica w Monachium;
• Przegląd branży półprzewodnikowej w Polsce;
• Gość specjalny prof. dr. hab. inż. Romuald Beck – CEZAMAT jako przykład polskiej infrastruktury do projektowania i małoseryjnej produkcji elementów półprzewodnikowych.

Niewątpliwie główną atrakcją tego wieczoru była prelekcja prof. dr. hab. inż. Romualda B. Becka. Mam nadzieję że Jacek Małecki nie weźmie mi tego stwierdzenia za złe.

Forum Elektroniki Polskiej: Jacek Małecki i prof. dr. hab. inż. Romuald B. Beck

Chciałbym jednak zacząć od komentarza dotyczącego kilku tez wygłoszonych w pierwszej części przez Jacka Małeckiego. Generalnie Jacek zadał pytanie czy Europa ma szanse w wyścigu technologicznym i ogólnie w dalszym rozwoju, z takimi potęgami jak Chiny czy USA. Widać było, jak duże wrażenie zrobiły na nim Chiny, które niedawno odwiedził. Konkluzje są bardzo pesymistyczne. Dlaczego inni się rozwijają, a Europa nie? Na tak postawione pytanie nie padła żadna odpowiedź z sali. Ponieważ ja odnoszę się zwykle tylko do przemysłu półprzewodnikowego, to i w tym przypadku tak postąpię.

Ostatnio pojawiła się analiza rynku mikrokontrolerów. Największym ich dostawcą jest Infineon, ale pozycja STM czy NXP również jest znacząca. Jak widać, w tym segmencie podzespołów półprzewodnikowych wciąż Europa jest liderem. Te trzy firmy mają ponad 50% rynku. Jednakże PKB takich krajów jak Chiny czy Indie rośnie znacznie szybciej niż PKB Unii Europejskiej lub bardziej ogólnie Europy. Gdy jednak spojrzeć na PKB przypadające na jednego mieszkańca, to ciągle Europa wygląda dobrze. Unia Europejska ma obecnie PKB na głowę równe 34,6 tys. USD, a USA aż 65,9 tys. USD. Natomiast Chiny mają tylko 12,2 tys. USD, a Indie 2,2 tys. USD.

Starzenie się populacji w Europie

Ta stosunkowo wysoka wartość PKB UE oraz fakt, że Europa jest jednym z najszybciej starzejących się regionów świata, może mieć istotny wpływ na innowacyjność i rozwój naszego kontynentu. Obecnie odsetek osób w wieku 65+ w UE wynosi 20%, a do roku 2050 ma wzrosnąć do 30%. Jednocześnie już ponad 30% zgromadzonych zasobów finansowych i materialnych jest w rękach osób właśnie w tym wieku. Te demograficzne i finansowe uwarunkowania mają – moim zdaniem – istotny wpływ na rozwój i innowacyjność Europy. Poniższy rysunek pokazuje, jak zmieni się populacja w Europie do roku 2100. Nie jest to optymistyczna prognoza, szczególnie dla Polski.

Zmiana populacji w Europie do roku 2100 wg. danych Organizacji Narodów Zjednoczonych

Więcej danych można znaleźć tutaj. Europa jako społeczeństwo się starzeje, populacja Europy cały czas się zmniejsza, a jednocześnie jesteśmy społeczeństwem relatywnie bogatym. Bogactwo i dobrobyt rozleniwia.

Co się stało z przemysłem półprzewodnikowym?

A teraz kilka słów komentarza do prezentacji prof. dr. hab. inż. Romualda Becka pt. Co się stało z przemysłem półprzewodnikowym? Profesor Beck nakreślił zmiany, jakie zaszły w przemyśle półprzewodnikowym na świecie i w Polsce. Początkowo był on traktowany jako strategiczny. Zmieniło się to około roku 2000 roku i przemysł ten bardzo mocno się skomercjalizował. Profesor Beck, stwierdził, że “do głosu doszli księgowi i tabelki w Excelu”. Myślę jednak, że mimo wszystko takie podejście nie było złe, bo w tym okresie nastąpił niespotykany w historii rozwój technologiczny i dostępność podzespołów półprzewodnikowych stała się powszechna.

Slajd z prezentacji prof. dr. hab. inż. Romualda B. Becka

Obecnie ponad 30% wartości samochodu to elektronika, w tym półprzewodniki, a szacuje się, że wkrótce będzie to nawet 50%. Rządy znów postrzegają technologię półprzewodnikową jako ropę naftową XXI wieku, która nie tylko daje przewagę na rynku, ale również potegę militarną, niestety. Zmiana zaowocowała takimi dokumentami, jak Chip Act w USA oraz jego europejski odpowiednik. Powstały też strategie narodowe w Czechach, Finlandii, Niemczech czy na innych kontynentach, jak Meksyk czy Indie, by wspomnieć tylko kilka z nich ostatnio ogłoszonych. A co w Polsce? Powstał dokument rządowy na temat naszej strategii, o którym już wcześniej pisałem.

CEZAMAT PW jako firma komercyjna

Profesor reprezentuje Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii (CEZAMAT) Politechniki Warszawskiej, jedną z największych inwestycji w dziedzinie badań i rozwoju w obszarze tzw. „wysokich technologii” (ang. High-tech) w Polsce. Co ważne, CEZAMAT PW działa bardziej jak firma. Ponad 75% kosztów działalności CEZAMAT PW pochodzi z wypracowanych środków od klientów, a tylko ¼ z dotacji dla Politechniki Warszawskiej. Jak już wcześniej pisałem, CEZAMAT posiada odpowiednią infrastrukturę do budowy linii małoseryjnej / pilotażowej produkcji podzespołów półprzewodnikowych. Według profesora Becka, gdyby znalazły się środki na wyposażenie technologiczne, to już za 4 lata mogłaby się rozpocząć produkcja polskich układów scalonych.

Slajd z prezentacji prof. dr. hab. inż. Romualda B. Becka

Proszę mi wierzyć, to jest bardzo krótki okres, by zakupić odpowiednie maszyny, dopracować technologię i uruchomić produkcję. Projektowaniem układów scalonych już teraz mogłyby się zająć istniejące w Polsce firmy, np. ChipCraft , OmniChip czy zespół w Instytucie Mikroelektroniki i Fotoniki. A jaka technologia powinna być uruchomiona na tej linii pilotażowej? Według profesora Becka powinna to być technologia CMOS FD-SOI (UTBB) 130 nm. Argumenty za jej wdrożeniem w Polsce są bardzo istotne:

• jest to technologia opracowana w Europie z kluczowym udziałem profesora Tomasza Skotnickiego;
• jest skalowalna do nawet 45 nm, a obecnie są dostępne publikacje o wersjach tej technologii 22 i 28 nm;
• można ją wdrożyć na płytkach krzemowych 8” (200 mm) na stosunkowo korzystnych cenowo maszynach technologicznych;
• CEZAMAT PW należy do konsorcjum FAMES, które pracuje nad kolejną generacją 10 i 7 nm, co dałoby nam w przyszłości dostęp do bardziej zaawansowanych technologii.

Konsorcjum FAMES

Skupia grupę partnerów: koordynatora linii pilotażowej – CEA-Leti (Francja) oraz imec (Belgia), Fraunhofer Mikroelektronik (Niemcy), Tyndall (Irlandia), VTT (Finlandia), CEZAMAT PW (Polska), UCLouvain (Belgia), Silicon Austria Labs (Austria), SiNANO Institute (Francja), Grenoble INP-UGA (Francja) i Uniwersytet w Granadzie (Hiszpania). Wspomniany projekt opracowania technologii FD-SOI dla 10 i 7 nm jest wykonywany w ramach EU Chips Act Initiative.

Czy technologia 130 nm nie jest zbyt archaiczna? Nie, w technologiach 110-180 nm cały czas produkuje się cyfrowe układy scalone, w tym kontrolery czy ASIC-i i nic nie wskazuje na to by w najbliższym czasie miały wyjść z użycia.

Technologia CMOS FD-SOI

Czym jest technologia CMOS FD-SOI i jak ją można porównać z klasyczną technologią planarnych tranzystorów MOSFET? FD-SOI to skrót z angielskiego Fully Depleted Silicon On Insulator, czyli po polsku „w pełni zubożony krzem na izolatorze”. Strukturę klasycznego tranzystora planarnego MOSFET przedstawia rysunek poniżej, gdzie: G – bramka, S – źródło, D – dren, Gate oxide – tlenek bramki, ciemnoszare obszary to materiały izolacyjne, a jasnoszary obszar to podłoże krzemowe. L to długość kanału tranzystora, o tym parametrze napiszę dalej. Nie jest istotne czy jest to tranzystor PMOS czy NMOS. Para komplementarna, czyli tranzystory PMOS+NMOS są powszechnie stosowane w technologiach CMOS w układach cyfrowych.

Struktura tranzystora planarnego MOSFET, L – długość kanału tranzystora

Strukturę tranzystora FD-SOI pokazuje rysunek poniżej:

Struktura tranzystora FD-SOI (UTBB)

Obszar określony jako BOX to tak zwany tlenek zagrzebany (ang. Buried Oxide). Skrót UTBB oznacza ultra cienki podłożowy i zagrzebany tlenek ( ang. Ultra Thin Body and Buried oxide). FD oznacza w pełni zubożony ( ang. Fully Depleted region). Warstwa krzemu pomiędzy źródłem a drenem jest na tyle cienka, że pozwala na całkowite pozbycie się nośników ładunku, czyli pełne zubożenie, co znacząco poprawia kontrolę kanału poprzez bramkę tranzystora. Nie ma potrzeby domieszkowania tego obszaru np. poprzez proces implantacji jonów. Całkowicie zubożony kanał zmniejsza prądy upływu, co jest niezwykle istotne w przypadku zastosowań o bardzo niskim poborze mocy.

Tranzystory FD-SOI zapewniają zmniejszenie efektu krótkiego kanału, który to efekt zmusił konstruktorów w najbardziej zaawansowanych technologiach do wynalezienia i zastosowania tranzystorów FinFET i GAAFET. Technologie te są bardziej złożone, a przez to kosztowniejsze od technologii FD-SOI. UTBB – dodatkowa właściwość tranzystorów FD-SOI , umożliwia dynamiczną kontrolę napięcia progowego tranzystora poprzez polaryzację podłoża (ang. Body Biasing). Poprzez dostosowanie napięcia przyłożonego do podłoża można zoptymalizować napięcie progowe, zwiększając wydajność, szybkość przełączania i jednocześnie zmniejszając zużycie energii. Mały pobór mocy, duża wydajność oraz elastyczność projektowania z wykorzystaniem UTBB czyni z tej technologii doskonałą platformę dla zastosowań w urządzeniach przenośnych, IoT, noszonych (ang. wearable) czy zintegrowanych w czasie montażu jako SoC.

L – długość kanału tranzystora

Od dawna długość kanału tranzystora stanowi podstawę do określania technologii. Oznacza to, że technologia np. 90 nm ma tranzystor o długości kanału L = 90 nm. Parametry określa stosunek W/L gdzie W to szerokość kanału. Dla tranzystorów planarnych MOSFET czy nawet FD-SOI, mamy w praktyce strukturę 2D bo wszystkie istotne zjawiska działania tranzystora mają miejsce przy powierzchni. Myślę tu o układach scalonych cyfrowych, bo w przypadku układów analogowych czy mocy, to może nie być prawda. Profesor Beck kilka razy podkreślał, aby nie mylić rzeczywistych rozmiarów z nazwami technologii. W szczególności dotyczy to technologii poniżej 10 nm. Tam stosuje się obecnie tranzystory FinFET, gdzie bramka otacza kanał z trzech stron. W technologiach GAAFET ( ang. Gate All Around FET ) bramka otacza kanał z 4 stron, a kanał może mieć kształt zbliżony do walca. Jaka jest w takiej strukturze 3D długość kanału? Dodatkowo płetw (ang. Fin) w pojedynczym tranzystorze może być kilka.

Nazwa technologii dalej oznacza długość kanału tranzystora MOSFET i jest matematycznym ekwiwalentem dla długości kanału planarnego tranzystora MOSFET, by tranzystor ten miał takie same parametry jak tranzystor FinFET czy GAAFET, oczywiście bez niepożądanych zjawisk związanych np. z efektem krótkiego kanału. Tak więc rzeczywiste rozmiary tranzystora FinFET czy GAAFET mogą być inne, zwykle większe, niż wspomniane w opisie technologii np. 3 nm. Nie jest tak, że tranzystor FinFET w technologii 5 nm jest ok. 3 razy mniejszy niż planarny MOSFET w technologii 14 nm. Ta wartość jest istotnie mniejsza niż 3 razy. Mam nadzieję że udało mi się wyjaśnić o co chodzi z tymi nanometrami.

Więcej chemii i fizyki w szkołach średnich

Koncepcja CEZAMATu jako najszybsza i najtańsza droga do polskich układów scalonych. Oczywiście są pewne obawy i problemy, które trzeba rozwiązać. Jednym z nich jest brak odpowiednich kadr mogących dalej rozwijać technologie półprzewodnikowe w Polsce. Mała liczba godzin nauczania fizyki czy chemii w szkołach średnich to duży problem. Zgadzam się, że to trudne przedmioty i dlatego liczba godzin ich nauczania powinna być większa. Obecnie w liceach jest to od 1 do 2 godzin tygodniowo. To nie wystarcza, by skutecznie je poznać. Technologie High-Tech wymagają dobrej znajomości fizyki i chemii. Nie wszystkie problemy rozwiąże sztuczna inteligencja czy informatyzacja. ponieważ modelowanie procesów technologicznych wymaga znajomości nie tylko informatyki.

Drugi problem dotyczy tego, kto będzie odbiorcą układów produkowanych przez CEZAMAT PW. Nie liczyłbym bardzo na wojsko czy inne podobne zastosowania. Jednakże z potencjalnymi klientami można rozmawiać tylko wówczas, gdy są możliwości technologiczne, a przynajmniej finansowanie dla linii pilotażowej. Dopiero wtedy można określić, co jest możliwe do wytworzenia i pomyśleć o współpracy z innymi podmiotami, nawet zagranicznymi, by rozszerzyć ofertę. To trudny, ważny temat wymagający głębszej analizy i dyskusji.