«Останні 50 років геополітичну ситуацію визначало місце розташування нафтових резервів. У наступні 50 років важливим стане те, де будуть знаходитися підприємства з виробництва чипів», — сказав генеральний виконавчий директор Intel Пет Гелсінджер у березні 2024 року. Він має рацію: не випадково глобальні лідери нині борються за вплив на невеликому острові у Східній Азії. Саме там створюються мікрочипи, які вже стали частиною життя кожного, хто користується бодай якоюсь технікою.
Пояснюємо це у великому експлейнері разом з Applied Scientist у компанії SQUAD та викладачем факультету прикладних наук УКУ Ігорем Крашеним та інвестиційним аналітиком фонду Flyer One Ventures Михайлом Перевозником.
Що таке напівпровідники й навіщо вони потрібні
Напівпровідники лежать в основі мікросхем та чипів, які використовуються в усіх електронних пристроях: машинах, телефонах, ноутбуках, комп'ютерах, зброї тощо. Їх не варто плутати з графічними процесорами, які виробляє, наприклад, Nvidia.
Напівпровідником називають хімічний елемент або сполуку, яка проводить електричний струм за певних умов і блокує його за інших. За своїми властивостями вона знаходиться десь посередині між діелектриками, що добре проводять струм, та ізоляторами, що його не пропускають. Найпопулярніший напівпровідник — кремній, на честь якого одержав свою назву найбільший технологічний кластер світу. Також поширені германій, фосфор, бор, арсенід галію, фосфід індію тощо.
Як виробляють мікросхеми
Для цього потрібні гігантські фабрики та надзвичайно складне та дороге обладнання. Виробництво мікросхем відбувається на атомному рівні, тож воно потребує особливих умов та найкращих спеціалістів.
Основа чипа — це пластина з чистого напівпровідникового матеріалу на кшталт кремнію (будь-які домішки впливатимуть на властивості матеріалу). Все починається з вирощування монокристала, який розрізають на тонкі пластини. На поверхню такої пластини наносять шар діоксиду кремнію та фоторезисту — матеріалу на основі полімерів, який стає більш або менш розчинним, коли на нього впливає світло. Процес дає змогу створювати точний візерунок компонентів за допомогою ультрафіолетового променя.
Після фотолітографії (так називається процес, який ми описували вище) електрично-активні домішки вводять у пластину для утворення окремих p- та n-областей. Інакше кажучи — транзистори формують в самій пластині напівпровідників. Увесь процес виготовлення чипу триває кілька місяців і потребує не лише спеціального обладнання, а й складних систем для фільтрації повітря, регулювання температури та вологості.
Найважливіший прилад — це фотолітографічна машина, в основі якої — технологія екстремального ультрафіолетового випромінювання (EUV). EUV-літографія використовує світло з довжиною хвилі 13,5 нанометрів. Високоточний лазер проходить через спеціальні маски, які блокують світло в певних ділянках і пропускають його в інших. Таким чином на поверхні напівпровідника з’являється малюнок.
Провідним виробником систем фотолітографії є ASML, яка розташована в Нідерландах. Щоби розробити такий апарат, команді знадобилося 10 років та понад $6 млрд.
Увесь цикл виробництва не контролює жодна країна. «Типовий чип може бути розроблений за кресленнями британської компанії Arm, яка належить Японії, групою інженерів у Каліфорнії та Ізраїлі з використанням програмного забезпечення зі США. Після завершення розробки проєкт надсилається на підприємство в Тайвані, яке закуповує в Японії надчисті кремнієві пластини та спеціальні гази. Дизайн вирізається на кремнії за допомогою одного з найточніших у світі верстатів, здатних травити, наносити та вимірювати шари матеріалів товщиною у кілька атомів.
Ці інструменти виробляються переважно п’ятьма компаніями — однією голландською, однією японською та трьома каліфорнійськими, без яких виробництво сучасних чипів практично неможливе. Потім чип пакується і тестується, часто в Південно-Східній Азії, після чого відправляється до Китаю для складання в телефон або комп'ютер», — пише Кріс Міллер у своїй книзі «Чипова війна».
Як з’явилися перші мікросхеми
Коли йдеться про винахід мікросхем, зазвичай згадують одне ім’я — Джек Кілбі. У 1958 році він працював у компанії Texas Instruments та придумав спосіб, як розмістити активні (тобто такі, що можуть підсилювати або контролювати електричний сигнал — наприклад, транзистори або діоди) та пасивні (елементи, які не підсилюють сигнал і не контролюють його, але можуть зберігати, обмежувати або змінювати електричний струм — це резистори, конденсатори тощо) компоненти на пластині з напівпровідника. Однак вважати його єдиним винахідником не зовсім справедливо.
Створенню мікросхем передували три фундаментальні проблеми, які 1958 року сформулював шведський інженер Торкель Волмарк:
Інтеграція. На початку 1960-х неможливо було розмістити на кристалі напівпровідника багато різних електронних компонентів.
Ізоляція. Способу ізолювати напівпровідникову пластину від компонентів на ній не було.
Поєднання. Ефективного методу електричних з'єднань компонентів схеми не існувало (окрім надзвичайно дорогого і складного монтажу золотим дротом).
У 1959 році проблему ізоляції вирішив Курт Леговец, інженер-фізик компанії Sprague Electric у США. Він запропонував технологію ізоляції на кристалах за допомогою p-n-переходів, що розміщувалися між двома послідовно з'єднаними напівпровідниковими областями. Це рішення дозволило підвищити ефективність та надійність напівпровідникових компонентів та забезпечило їхнє стабільне функціонування без взаємного впливу.
Приблизно тоді ж, у 1959 році, Роберт Нойс трохи удосконалив конструкцію Кілбі: використав кремній замість германію й розробив більш практичний метод з'єднання компонентів за допомогою техніки — планарний процес, який передбачав нанесення шарів і травлення на кремнієві пластини. Вирішення цієї проблеми було критично важливе для серійного виробництва мікросхем.
Які основні компанії домінують на ринку чипів та напівпровідників
Найбільша з них — це тайванська компанія TSMC. Її частка становить 62% ринку. За нею йде корейський технологічний гігант Samsung, який займає 13% ринку. Серед інших гравців — тайванська UMC (5%), китайська SMIC (6%) та американська GlobalFoundries (5%).
Що таке «дефіцит чипів» і як він вплинув на світову економіку
Пандемія коронавірусу 2020 року та вимушена диджиталізація усіх сфер життя значно вплинули на ринок мікрочипів. Криза зачепила понад 169 галузей, зокрема виробництво відеокарт, смартфонів, ігрових консолей та автомобілів. Раптове збільшення часу в онлайні (а отже — навантаження на серверне обладнання) та попиту на користувацьку електроніку змусило виробників нарощувати потужності.
Спочатку виробникам вдавалося задовольняти потреби ринку, однак на початку 2021 року почав відчуватися дефіцит. Окрім пандемії на це вплинула ще низка факторів:
кліматичні чинники, такі як посуха на Тайвані у травні 2021 року, що стала найбільшою за 56 років. Резервуари для води на TSMS заповнювалися лише на 11-23%, тоді як для очищення приміщень та пластин потрібно 63 тонн води на день.
Пізніше Тайвань страждав уже від сильних дощів, які загрожували повінню. Схожа ситуація трапилася у США, де снігопади у лютому 2021 року спричинили масові відключення електроенергії. Через це постраждав, зокрема завод Samsung в Остіні;
популярність криптовалют, яка спричинила збільшений попит на відеокарти;
пожежі на японській фабриці Asahi Kasei Microsystems (AKM) та на заводі Renesas Electronics наприкінці 2020-го-початку 2021 років. Завод AKM був одним з найбільших виробників високоякісних аналогово-цифрових та цифро-аналогових перетворювачів, які використовуються в аудіообладнанні, медичних приладах, автомобільній електроніці тощо, а Renesas Electronics постачав 30% світового ринку мікроконтролерів для автомобілів.
«Дефіцит чипів, викликаний локдаунами та логістичними обмеженнями, показав, наскільки вразливий ланцюг постачання складників. Постраждала логістика призвела до браку мікросхем, що вплинуло на виробництво процесорів та відеокарт, і, відповідно, на стан усього ринку електроніки», — каже Ігор Крашений.
Додатковий тиск на ринок спричинили торговельні обмеження між США та Китаєм. Санкції, введені США у 2022 році, обмежили імпорт китайських мікросхем, що погіршило ситуацію з поставками.
Які геополітичні чинники впливають на цей ринок
Напружені відносини Китаю і США підігріваються бажаннями Пекіну лідирувати у технологічних перегонах. І камнем спотикання у цій боротьбі є саме Тайвань з зосередженими на ньому виробництвами напівпровідників. Сам Китай інвестує близько $2 мільярдів у власного виробника мікрочіпів, компанію Yangtze Memory, однак у короткостроковій перспективі ці вливання можуть не спрацювати: виробництво мікросхем потребує кваліфікованих кадрів і відповідного обладнання. У виробництво мікросхем активно вкладається і США, які закупили у Тайваня рекордну кількість виробничих потужностей. Одна така фабрика може коштувати $20 мільярдів.
2022 року президент США Джо Байден підписав закон CHIPS and Science Act, який передбачав значні (понад $280 мільярдів) інвестиції у розбудову напівпровідникової галузі в США. Найбільша конкуренція розгортається у сфері штучного інтелекту — галузі, яка вимагає найбільш потужних чипів, здатних обробляти величезну кількість інформації.
Чи впливає геополітична ситуація навколо мікросхем та чипів на інвестиційні рішення у цьому секторі? В цілому так, каже інвестиційний аналітик Flyer One Ventures Михайло Перевозник. «Це впливає на рішення великих гравців інвестувати в хардвер, бо вони розуміють, що виробництво критично важливих чипів в США, Європі або інших дружніх демократичних країнах зменшує ризики, що їх становище може бути підірване через геополітичні потрясіння, наприклад, в Тайвані», — каже він.
Чому не можна зробити повний цикл виробництва мікрочипів в одній країні
Теоретично можна, але це складно. «Є кілька факторів. По-перше, всі основні гравці як-от TSMC використовують обладнання нідерландської ASML, яка єдина у світі виготовляє прилади для екстремальної ультрафіолетової літографії. Це критично важлива технологія для сучасних мікросхем. Побудувати такий завод — довго і дорого, а без нього виробництво неможливе.
Крім того, багато країн і регіонів мають свою власну інфраструктуру, побудовану навколо цих компаній. Наприклад, Тайвань значною мірою залежить від TSMC, і теоретичне переведення виробництва потребувало б не лише обладнання, але й перенесення екосистеми, яка його підтримує», — каже Ігор Крашений.
З якими викликами зіштовхується галузь
Окрім геополітичного напруження, дослідниця напівпровідників Стенфордського університету Срабанті Чоудхурі виділяє низку інших проблем. Найперше — люди. Тих, хто свідомо обирає кар’єру в цьому напрямі, не вистачає. Через специфіку сфери результатів своєї роботи доводиться чекати роками — а це часто демотивує. Друга проблема — невідповідність між академічним середовищем та промисловістю. Попри перший пункт, завдань та шляхів реалізації у бізнесі доволі багато, але, за словами Чоудхурі, про це не говорять достатньо виразно.
Про інші виклики галузі розповідає Ігор Крашений: «За останні 20 років основні елементи мікросхем, транзистори, фактично не змінилися, однак суттєво зменшилися. Сьогодні розмір одного структурного елемента транзистора може складати лише три нанометри — майже міжатомна відстань.
Закон Мура передбачає, що кількість транзисторів на квадратний сантиметр буде зростати вдвічі що два роки. Однак ми вже наближаємося до фізичних меж: неможливо зробити транзистор меншим за відстань між атомами. Наслідком може стати те, що кремній, як основний матеріал для мікросхем, поступово вичерпуватиме свої можливості. Тому потрібно буде переходити на нові матеріали з іншою атомною структурою на кшталт германію чи арсеніду галію — а вони набагато менш поширені в індустрії». Варто зазначити, що 60% експорту германію та 80% експорту арсеніду галію припадає на Китай, який рік тому ввів обмеження на їхній експорт.
Чого очікувати в майбутньому
Срабанті Чоудхурі виділяє кілька напрямів, на розвиток яких напівровідники вплинуть найбільше. Найперше — штучний інтелект. «Ми намагаємося інтегрувати емоції у систему штучного інтелекту та створювати роботів, подібних до людей. [...] Поки що ми не можемо створити роботів — або, точніше, мікросхеми, необхідні для таких роботів — настільки ж ефективних, як люди, але ми рухаємося в цьому напрямку», — зазначає дослідниця.
Інший напрям — медицина. Технології дадуть змогу людям, у яких немає доступу до новітньої медицини, одержувати висококваліфіковану медичну допомогу навіть дистанційно. Третій аспект — енергетика. Нині вона значною мірою залежить від нафти, але за переходу на відновлювані джерела енергії для неї також знадобляться напівпровідники.
Після попереднього дефіциту чипів прогнози щодо майбутнього галузі були позитивними. Втім, за прогнозами консалтингової компанії Bain & Co., є «...кілька непередбачуваних чинників, які можуть спричинити нові збої, як-от глобальна економіка, геополітичні напруження та дефіцит обладнання». Одним з найбільш суттєвих факторів майбутнього дефіциту чипів є зміни у політиці Китаю, міністерство торгівлі якого нещодавно оголосило про впровадження експортного контролю на продукти, пов’язані з галієм та германієм, «щоб захистити національну безпеку та інтереси». За деякими припущеннями, цей крок став відповіддю на експортні обмеження США.
«Якщо такий дефіцит чипів станеться знову, це, безумовно, вплине на ринок, але повного коллапсу не буде. Ланцюжки постачання, ймовірно, відновлюватимуться досить повільно, але врешті-решт все стабілізується, — припускає Ігор Крашений. — Брак мікросхем може призвести до скорочення виробництва нових автомобілів, відеокарт, комп’ютерів та іншої електроніки — і відповідно, до зростання цін на ці товари. Однак наявна техніка продовжить працювати. Якщо програмісти зможуть оптимізувати код, на основі якого працює подібна електроніка, це подовжить термін служби старих пристроїв та пом’якшить наслідки потенційного дефіциту».