Американский стартап, производящий важнейший материал для чипов, бросает вызов японскому гиганту

Федеральное финансирование подстегивает американские компании, такие как Thintronics, вносить революционные изменения в производство полупроводников. Однако успех далеко не гарантирован .

Попытка разобраться во всех сложных компонентах одного компьютерного чипа может привести в замешательство: слои микроскопических компонентов соединены друг с другом цепочками медных проводов, некоторые из которых не шире нескольких нитей ДНК. Между этими проводами находится изоляционный материал, называемый диэлектриком, который гарантирует, что провода не соприкасаются, чтобы не произошло короткого замыкания. Если увеличить масштаб, то между чипом и структурой под ним окажется один конкретный диэлектрик: этот материал, так называемая диэлектрическая пленка, производится в виде тонких листов, как белые кровяные тельца.

В течение 30 лет одна японская компания под названием Ajinomoto зарабатывала миллиарды на производстве этой пленки. Конкуренты изо всех сил пытались превзойти их, и сегодня Ajinomoto занимает более 90 % рынка этой продукции, которая используется во всем: от ноутбуков до центров обработки данных.

Но недавно стартап, базирующийся в Беркли, штат Калифорния, начал прилагать огромные усилия, чтобы превзойти Ajinomoto и вернуть этот небольшой кусочек цепочки производства микросхем в США.

Компания Thintronics обещает создать продукт, специально предназначенный для вычислений в эпоху ИИ, - набор новых материалов, которые, как утверждает компания, обладают более высокими изоляционными свойствами и, если их внедрить, могут обеспечить центрам обработки данных более высокую скорость вычислений и более низкие затраты на электроэнергию.

Компания находится в авангарде грядущей волны новых американских компаний, подстегиваемой "Законом о чипах и науке" стоимостью 280 миллиардов долларов, которые стремятся отвоевать часть полупроводникового сектора, где доминирует лишь горстка международных игроков. Но чтобы добиться успеха, Thintronics и ее коллегам придется преодолеть целый ряд трудностей: решить технические проблемы, нарушить давние отраслевые связи и убедить мировых титанов полупроводниковой индустрии принять новых поставщиков.

"Изобретать новые материальные платформы и внедрять их в производство очень сложно", - говорит основатель и генеральный директор Thintronics Стефан Пастин. Это "не для слабонервных".

Проблема с изоляционным материалом

Если вам знакомо название Ajinomoto, вы, вероятно, удивитесь, узнав, что эта компания играет важную роль в секторе производства микросхем: она более известна как ведущий мировой поставщик глутамата натрия. В 1990-х годах Ajinomoto обнаружила, что побочный продукт глутамата натрия является отличным изолятором, и с тех пор пользуется почти монопольным положением в этой нише.

Но Ajinomoto не производит никаких других компонентов, которые идут на изготовление чипов. Фактически, изоляционные материалы в чипах зависят от различных рахрозненных звеньев цепочек поставок: в одном слое используются материалы от Ajinomoto, в другом - от другой компании, и так далее, причем ни один из слоев не оптимизирован для согласованной работы всех слоев. В результате система работает нормально, только когда данные передаются по коротким путям, но на больших расстояниях, например между чипами, слабые изоляторы становятся "узким местом", расходуя энергию и снижая скорость вычислений. В последнее время эта проблема становится все более актуальной, особенно по мере того, как обучение ИИ становится все более дорогостоящим и потребляет огромное количество энергии. (Компания Ajinomoto не ответила на запрос о комментарии).

Все это не имело особого смысла для Пастина, химика, который в 2019 году продал свою предыдущую компанию, специализировавшуюся на переработке твердых пластмасс, компании по производству промышленных химикатов. Примерно в то время он пришел к выводу, что химическая промышленность может медленно внедрять инновации, и решил, что та же самая закономерность мешает производителям микросхем найти лучшие изоляционные материалы. По его словам, в индустрии микросхем на изоляторы считались своего рода "гадким утенком" - в этой сфере не было такого прогресса, как в производстве транзисторов и других компонентов микросхем.

В том же году он открыл компанию Thintronics, надеясь, что разработка лучшего изолятора позволит центрам обработки данных повысить скорость вычислений при меньших затратах. Эта идея не была революционной - новые изоляторы постоянно исследуются и внедряются, - но Пастин верил, что сможет найти подходящий химический состав, чтобы совершить прорыв.

Компания Thintronics заявляет, что будет производить различные изоляторы для всех слоев чипа, чтобы система могла встраиваться в существующие производственные линии. Пастин рассказал мне, что материалы сейчас проходят испытания с участием ряда игроков отрасли. Но он отказался назвать имена, сославшись на соглашение о неразглашении, а также не стал делиться подробностями формулы.

Без более подробной информации трудно сказать, насколько хорошо материалы Thintronics соотносятся с конкурирующими продуктами. Недавно компания протестировала значения Dk своих материалов, которые определяют, насколько эффективным изолятором является тот или иной материал. Результаты проанализировал Венки Сундарам, исследователь, который основал несколько полупроводниковых стартапов, но не имеет отношения к Thintronics. По его словам, если сравнивать с другими наращиваемыми пленками (категория диэлектриков, в которой конкурирует Thintronics), то их самые впечатляющие показатели Dk превосходят показатели любого другого материала, доступного сегодня.

Впереди ожидает тернистый путь

Концепция Thintronics уже получила определенную поддержку. В марте компания получила 20 миллионов долларов в рамках серии А, возглавляемой венчурными фирмами Translink и Maverick, а также грант от Национального научного фонда США.

Компания также ищет финансирование в рамках "Закона о чипах и науке". Закон, подписанный президентом Джо Байденом в 2022 году, призван поддержать такие компании, как Thintronics, чтобы вернуть полупроводниковое производство в США и снизить зависимость от иностранных поставщиков. Через год после принятия закона администрация сообщила, что более 450 компаний подали заявления о заинтересованности в получении финансирования в рамках "Закона о чипах" для работы в различных отраслях.

Основная часть финансирования, предусмотренного законом, предназначена для крупных производственных предприятий, таких как предприятия Intel в Нью-Мексико и Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation (TSMC) в Аризоне. Однако министр торговли США Джина Раймондо заявила, что хотела бы, чтобы финансирование получали и более мелкие компании, особенно в сфере производства материалов. В феврале был открыт прием заявок на получение 300 миллионов долларов, предназначенных специально для инноваций в области материалов. Хотя Thintronics отказалась сообщить, на какой объем финансирования она претендует и в рамках каких программ, компания считает "Закон о чипах" важным фактором.

Однако создание внутренней цепочки поставок для чипов - продукта, который в настоящее время зависит от десятков компаний по всему миру, - означает обращение вспять десятилетий развития специализации разных стран. И, по мнению отраслевых экспертов, будет трудно бросить вызов доминирующим сегодня поставщикам изоляторов, которым часто приходится приспосабливаться, чтобы противостоять новой конкуренции.

"Компания Ajinomoto уже более двух десятилетий занимает 90 с лишним процентов рынка", - говорит Сундарам. "Это неслыханно для большинства компаний, и вы можете себе представить, что они добились этого, практически не меняясь".

Одна из главных проблем заключается в том, что доминирующие производители десятилетиями сотрудничают с разработчиками чипов, такими как Nvidia или Advanced Micro Devices, и с производителями, такими как TSMC. Убедить таких игроков поменять материалы - большая проблема.

"Полупроводниковая промышленность очень консервативна", - говорит Ларри Чжао, исследователь полупроводников, проработавший в отрасли диэлектриков более 25 лет. "Они предпочитают использовать поставщиков, которых они уже хорошо знают, где они уверены в качестве".

Еще одно препятствие, с которым сталкивается Thintronics, - техническое: изоляционные материалы, как и другие компоненты микросхем, подчиняются таким точным производственным стандартам, что их трудно понять. Слои, в производстве которых доминирует Ajinomoto, тоньше человеческого волоса. Материал также должен быть приспособлен для крошечных отверстий, в которых размещаются провода, проходящие вертикально через пленку. По словам Сундарама, каждая новая версия - это масштабная научно-исследовательская работа, в которой компании, занимающие лидирующие позиции, имеют преимущество благодаря своему многолетнему опыту.

Если все это успешно завершается в лаборатории, впереди еще одно препятствие: материал должен сохранять свои свойства в условиях крупносерийного производства, и именно здесь, по мнению Сундарама, прошлые проекты потерпели неудачу.

"За годы работы я консультировал нескольких поставщиков материалов, которые пытались войти в бизнес [Ajinomoto] и не смогли добиться успеха", - говорит он. "Все они в итоге столкнулись с проблемой того, что их не всегда удается использовать в коммерческих масштабах".

Несмотря на все эти трудности, одно обстоятельство может сыграть в пользу Thintronics: Американские технологические гиганты, такие как Microsoft и Meta, впервые продвинулись в разработке собственных чипов. Они планируют использовать эти чипы для обучения ИИ внутри компании, а также для облачных вычислений, которые они сдают в аренду клиентам, что позволит снизить зависимость отрасли от Nvidia.

Хотя Microsoft, Google и Meta отказались комментировать, занимаются ли они разработками в области материалов, таких как изоляторы, Сундарам считает, что эти компании могли бы охотнее сотрудничать с новыми американскими стартапами, а не возвращаться к старым способам производства чипов: "Они гораздо менее консервативно относятся к цепочкам поставок, чем существующие крупные компании".




Актуально

Теги