Dlaczego produkcja półprzewodników jest trudna i produkuje ją tylko kilka firm?

Wszyscy wiecie, że chipy półprzewodnikowe są używane w prawie każdym kupowanym przez nas urządzeniu elektronicznym. Wchodzą do komputerów, smartfonów, gadżetów, samochodów, samolotów, sprzętu medycznego, systemów wojskowych i tak dalej. Świat stoi obecnie w obliczu globalnego niedoboru chipów półprzewodnikowych, co rodzi pytanie, dlaczego więcej firm nie może zająć się produkcją chipów półprzewodnikowych. Zanurzmy się w branży półprzewodników w tym artykule, aby dowiedzieć się, jakie są złożoności, które nie pozwalają wielu firmom wejść do branży.

Dlaczego w wiadomościach pojawiają się chipy półprzewodnikowe?

W 2021 r. globalny niedobór chipów był bardzo popularny, a firmy takie jak Apple, Tesla, Tata Motors i Samsung Electronics musiały głodować chipów półprzewodnikowych. Łącznie 169 branż zostało dotkniętych niedoborem, z czego najbardziej ucierpiała branża motoryzacyjna.

Było kilka czynników, które doprowadziły do ​​takiego globalnego niedoboru. Niektórzy z nich są:

• Wzrost zapotrzebowania na elektronikę niezbędną do pracy w domu podczas pandemii
• Niedobór siły roboczej z powodu ograniczeń blokady
• Susza na Tajwanie
• Wojna handlowa między USA a Chinami.

Przechowywanie chipów półprzewodnikowych uświadomiło krajom, że produkcja chipów koncentruje się tylko w kilku krajach Azji Wschodniej. Tak więc w tym roku kraje na całym świecie opracowują plany budowy mocy produkcyjnych dla tych chipów półprzewodnikowych, aby stać się samowystarczalnymi i zmniejszyć zależność od importu. Indie zamierzają wydać około 30 miliardów dolarów na rozwój ekosystemu łańcucha dostaw półprzewodników. Stany Zjednoczone rozważają również wdrożenie ustawy CHIPS for America, aby zapewnić 52 miliardy dolarów na produkcję chipów i wsparcie rządowe dla gigantów półprzewodnikowych. Ustawa ma na celu zapewnienie pomocy finansowej na budowę, rozbudowę lub modernizację fabryki półprzewodników w Stanach Zjednoczonych.

Przemysł chipów półprzewodnikowych - historia i teraźniejszość

W 1958 roku Jack Kilby, inżynier elektronik w Texas Instruments, stworzył pierwszy układ scalony, który jest przodkiem współczesnych mikrochipów. Był to wielki i rewolucyjny wynalazek XX wieku. Branża półprzewodników rozpoczęła się około 1960 roku, a do 1966 roku przychody ze sprzedaży przekroczyły 1 miliard dolarów. Oczekuje się, że w 2022 roku światowy przemysł chipów półprzewodnikowych osiągnie około 600 miliardów dolarów. Ale bardzo niewiele firm na świecie może produkować chipy półprzewodnikowe, a jeszcze mniej może je przynosić zyski. Zrozummy, dlaczego tak jest, zagłębiając się w branżę układów półprzewodnikowych i jej proces produkcyjny.

Model i główni gracze branży półprzewodników

Branża półprzewodników jest zdominowana przez firmy z Tajwanu, USA, Korei Południowej, Chin, Japonii i Holandii, gdzie produkcja półprzewodników ma poparcie rządowe, rozwiniętą infrastrukturę i ekonomię skali.

Branża opiera się na modelu, w którym produkcja, projektowanie i rozwój są rozprowadzane między różnymi firmami i ich filiami na całym świecie. Firmy odlewnicze, takie jak TSMC i GlobalFoundries, zajmują się wyłącznie produkcją. Firmy produkujące półprzewodniki, takie jak AMD, Nvidia, zlecają produkcję zewnętrznym zakładom produkcyjnym i tylko projektują urządzenie. Producenci urządzeń zintegrowanych (IDM), tacy jak Intel i Samsung, produkują (we własnym zakresie), projektują, a także sprzedają produkty z układami scalonymi.

Główni gracze w branży to TSMC (odlewnia), Samsung Electronics (IDM), Intel (IDM) i Qualcomm (Fabless).

Tabela przedstawiająca 8 największych firm półprzewodnikowych, ich rodzaj i kraj.

Sama tajwańska firma TSMC produkuje duży procent, tj. ponad 50% półprzewodników na świecie. To największa odlewnia na świecie. Apple, który jest największym konsumentem chipów i dwie główne firmy produkujące półprzewodniki, Nvidia i Qualcomm, są klientami tylko TSMC. Samsung, konkurencyjna firma TSMC, ogłosiła zainwestowanie 355 miliardów dolarów w produkcję układów 3 nm, które pokonają TSMC.

Proces produkcji chipów półprzewodnikowych

Układy półprzewodnikowe są wykonane przy użyciu półprzewodnika, krzemu. Proces wytwarzania chipów półprzewodnikowych obejmuje ponad 59 rodzajów sprzętu i różne etapy, które należy powtórzyć, aby utworzyć warstwy w chipie. Chip może składać się nawet ze 100 warstw, co oznacza, że ​​kroki muszą być powtórzone w tej samej liczbie.

Wafle krzemu wydobyte z piasku są przekształcane w tranzystory, które tworzą podstawę grupy obwodów zwanych chipami. Poniższe kroki opisują proces tworzenia warstwy w chipie półprzewodnikowym:

• Pierwszym krokiem jest pokrycie płytek światłoczułymi chemikaliami i materiałami odpornymi na światło.
• Następnie wykonuje się litografię w drugim etapie, w którym powlekane płytki krzemowe są wystawiane na działanie światła UV wewnątrz maszyny do litografii. Światło przechodzi przez maskę zawierającą plan chipa na wafel, aby wydrukować wzór. Proces ten umożliwia zbudowanie setek chipów na jednej płytce krzemowej.
• Obszar wystawiony na działanie światła twardnieje, a nienaświetlone miękkie obszary są trawione przez gorące gazy.
• Następnym krokiem jest zastosowanie gazów jonowych do modyfikacji właściwości przewodzących utworzonej warstwy poprzez dodanie pewnych zanieczyszczeń, a następnie układanie metalowych połączeń między tranzystorami, tworząc w ten sposób jedną kompletną warstwę.

Wszystkie te kroki należy powtórzyć, aby utworzyć kolejne warstwy.

Dlaczego nie możemy po prostu wyprodukować więcej żetonów, aby zaspokoić rosnący popyt?

Jeśli brakuje chipów, to dlaczego więcej firm nie zaangażuje się w produkcję chipów półprzewodnikowych i nie zmniejszy tej luki między popytem a podażą? Cóż, aby poznać odpowiedź na to pytanie, musimy najpierw zrozumieć złożoność produkcji chipów i przemysłu półprzewodników.

Co sprawia, że ​​produkcja chipów półprzewodnikowych jest tak skomplikowana?

Chociaż chip jest maleńki pod względem rozmiaru, obejmuje najbardziej skomplikowane i kosztowne procesy. Oto lista czynników, które utrudniają każdej firmie wejście do tej branży-

• Wymaga gruntu, pozwoleń, infrastruktury naturalnej, elektryczności, skomplikowanych maszyn i ponad dwuletniego czasu realizacji, aby zbudować mega drogie zakłady produkcyjne i fabryki, które produkują te chipy. W 2021 r. Samsung ogłosił plany otwarcia w 2024 r. w Teksasie wartej 17 miliardów dolarów fabryki chipów.
• Wytwarzanie chipa to również skomplikowana procedura, która zajmuje dużo czasu. Przekształcenie surowego krzemu w końcowy chip, który jest wkładany do urządzeń, zajmuje prawie 3 miesiące.
• Proces produkcyjny jest na poziomie atomowym i wymaga drogiego wyposażenia fabrycznego.
• Ponadto pomieszczenia, w których krzem jest umieszczany w maszynach do wytwarzania chipów, muszą być całkowicie wolne od kurzu. Pojedyncza drobinka kurzu może zmarnować wszystkie wysiłki i miliony dolarów.
• Produkcja chipów półprzewodnikowych obejmuje złożoną sieć firm, które je produkują lub projektują, a także tych, które dostarczają wymagane technologie, materiały i maszyny.

Jak wojna rosyjsko-ukraińska wpłynęła jeszcze bardziej na przemysł?

Neon jest wymagany w laserach stosowanych w litografii do produkcji chipów. W ubiegłym roku światowe zużycie neonów do produkcji chipów wyniosło około 540 ton metrycznych. Wojna rosyjsko-ukraińska pogłębiła globalny niedobór chipów, ponieważ ponad połowa światowych neonów jest produkowana tylko przez dwie ukraińskie firmy – Ignas i Cryin, które musiały zamknąć swoją działalność. Tak więc będzie to miało intensywny wpływ na branżę półprzewodników. Co więcej, wojna może wpłynąć na dostawy palladu do Rosji. Niedobór palladu, który jest niezbędny dla katalizatorów stosowanych w układach wydechowych samochodów, może pośrednio wpływać na przemysł półprzewodników poprzez mniejsze zapotrzebowanie producentów samochodów na chipy.

Wniosek

Odlewnie półprzewodników potrzebują ogromnej inwestycji kapitałowej w wysokości miliardów dolarów i znacznego czasu na uruchomienie. Co więcej, te odlewnie nie mogą produkować wiórów w bardzo szybkim tempie, ponieważ proces produkcyjny również zajmuje czas i wymaga drogiego sprzętu. Wszystko to utrudnia każdej firmie wejście do branży, a nawet jeśli jakakolwiek firma to robi, trudno jest jej konkurować z dużą rybą i osiągać zyski. Dlatego jeśli chodzi o producentów układów półprzewodnikowych, słyszymy tylko kilka nazwisk, które z biegiem czasu zdobyły ogromny udział w rynku.

Często zadawane pytania

Z czego wykonane są chipy półprzewodnikowe?

Półprzewodniki zwane również układami scalonymi (IC) lub mikroukładami są wykonane z czystego krzemu.

Kto jest największym producentem chipów półprzewodnikowych?

Tajwańska firma TSMC jest największym producentem chipów półprzewodnikowych.

W jakie 5 firm półprzewodnikowych najlepiej zainwestować?

Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd (TSMC), Intel Corp (INTC), Nvidia (NVDA), Advanced Micro Devices Inc (AMD), Micron (MU).