Почему производство полупроводников сложно, и только несколько компаний производят его?

Вы все знаете, что полупроводниковые микросхемы используются почти в каждом электронном устройстве, которое мы покупаем. Они используются в компьютерах, смартфонах, гаджетах, автомобилях, самолетах, медицинском оборудовании, военных системах и многом другом. В настоящее время мир сталкивается с глобальным дефицитом полупроводниковых микросхем, что ставит вопрос о том, почему больше компаний не могут заняться производством полупроводниковых микросхем. Давайте погрузимся в полупроводниковую промышленность в этой статье, чтобы узнать, какие сложности не позволяют многим компаниям войти в эту отрасль.

Почему полупроводниковые чипы в новостях?

В 2021 году глобальная нехватка микросхем широко освещалась в новостях, и таким компаниям, как Apple, Tesla, Tata Motors и Samsung Electronics, пришлось голодать по полупроводниковым микросхемам. Дефицит затронул в общей сложности 169 отраслей, причем больше всего пострадала автомобильная промышленность.

Было несколько факторов, которые привели к такому глобальному дефициту. Некоторые из них:

• Всплеск спроса на электронику, необходимую для работы из дома во время пандемии
• Нехватка рабочей силы из-за карантинных ограничений
• Засуха на Тайване
• Торговая война между США и Китаем.

Хранение полупроводниковых микросхем заставило страны осознать, что производство микросхем сосредоточено только в нескольких странах Восточной Азии. Итак, в этом году страны всего мира разрабатывают планы по наращиванию производственных мощностей для этих полупроводниковых чипов, чтобы стать самодостаточными и снизить зависимость от импорта. Индия собирается потратить около 30 миллиардов долларов на развитие экосистемы цепочки поставок полупроводников. США также рассматривают возможность реализации Закона о чипах для Америки, чтобы выделить 52 миллиарда долларов на производство микросхем и государственную поддержку полупроводниковых гигантов. Закон направлен на предоставление финансовой помощи для строительства, расширения или модернизации завода по производству полупроводников в Соединенных Штатах.

Индустрия полупроводниковых микросхем: история и настоящее

В 1958 году Джек Килби, инженер-электронщик компании Texas Instruments, создал первую интегральную схему, которая является предком современных микрочипов. Это было великое и революционное изобретение 20-го века. Полупроводниковая промышленность зародилась примерно в 1960 году, а к 1966 году выручка от продаж превысила отметку в 1 миллиард долларов. Ожидается, что в 2022 году глобальная индустрия полупроводниковых микросхем достигнет примерно 600 миллиардов долларов США. Но очень немногие компании в мире могут производить полупроводниковые чипы, и еще меньше могут делать их прибыльно. Давайте поймем, почему это так, углубившись в индустрию полупроводниковых микросхем и процесс их производства.

Модель и основные игроки полупроводниковой промышленности

В полупроводниковой промышленности доминируют компании из Тайваня, США, Южной Кореи, Китая, Японии и Нидерландов, где производство полупроводников имеет государственную поддержку, развитую инфраструктуру и экономию за счет масштаба.

Промышленность основана на модели, согласно которой производство, проектирование и разработка распределены между различными компаниями и их дочерними компаниями по всему миру. Компании-производители, такие как TSMC и GlobalFoundries, занимаются только производством. Полупроводниковые компании Fabless, такие как AMD, Nvidia, передают производство на сторонний завод и только разрабатывают устройство. Производители интегрированных устройств (IDM), такие как Intel и Samsung, производят (внутрикорпоративные), разрабатывают, а также продают продукты на основе интегральных схем.

Основными игроками в отрасли являются TSMC (Foundry), Samsung Electronics (IDM), Intel (IDM) и Qualcomm (Fabless).

Таблица, представляющая 8 ведущих полупроводниковых компаний, их тип и страну.

Только тайваньская TSMC производит значительный процент, т.е. более 50% полупроводников в мире. Это крупнейший литейный завод в мире. Apple, которая является крупнейшим потребителем чипов, и две крупнейшие полупроводниковые компании Nvidia и Qualcomm являются клиентами только TSMC. Компания Samsung, конкурирующая с TSMC, объявила об инвестировании 355 миллиардов долларов в производство 3-нм чипов, чтобы превзойти TSMC.

Процесс изготовления полупроводниковых микросхем

Полупроводниковые чипы изготавливаются с использованием полупроводника, кремния. Процесс изготовления полупроводниковых чипов включает в себя более 59 видов оборудования и различные этапы, которые необходимо повторять для создания слоев в чипе. Чип может состоять из 100 слоев, что означает, что шаги должны повторяться в одном и том же количестве.

Пластины кремния, извлеченные из песка, превращаются в транзисторы, которые составляют основу группы схем, называемых чипами. Следующие шаги описывают процесс создания слоя в полупроводниковой микросхеме.

• Первым шагом является покрытие пластин светочувствительными химическими веществами и светостойкими материалами.
• Затем на втором этапе выполняется литография, когда кремниевые пластины с покрытием подвергаются воздействию УФ-излучения внутри литографической машины. Свет проходит через маску, содержащую схему чипа, на пластину для печати рисунка. Этот процесс позволяет создавать сотни чипов на одной кремниевой пластине.
• Затем участок, подвергающийся воздействию света, затвердевает, а незащищенные мягкие участки вытравливаются горячими газами.
• Следующий шаг включает в себя использование ионных газов для изменения проводящих свойств слоя, созданного путем добавления некоторых примесей, а затем, наконец, между транзисторами укладываются металлические связи, тем самым создавая один полный слой.

Все эти шаги необходимо повторить для создания последующих слоев.

Почему мы не можем просто производить больше чипов, чтобы удовлетворить растущий спрос?

Если чипов не хватает, то почему больше компаний не займутся производством полупроводниковых чипов и не сократят этот разрыв между спросом и предложением? Ну, чтобы узнать ответ на этот вопрос, нам нужно сначала понять сложности производства микросхем и полупроводниковой промышленности.

Что делает производство полупроводниковых чипов таким сложным?

Несмотря на то, что чип представляет собой крошечную вещь с точки зрения размера, он включает в себя самые сложные и дорогие процессы. Вот список факторов, которые мешают любой компании войти в эту отрасль:

• Требуются земля, разрешения, природная инфраструктура, электричество, сложные машины и более 2 лет для создания мегадорогих заводов и фабрик, производящих эти микросхемы. В 2021 году Samsung объявила о планах открытия в 2024 году завода по производству микросхем стоимостью 17 миллиардов долларов в Техасе.
• Изготовление чипа также является сложной процедурой, занимающей значительное количество времени. Требуется почти 3 месяца, чтобы превратить необработанный кремний в тот окончательный чип, который помещается в устройства.
• Производственный процесс находится на атомарном уровне и требует дорогостоящего заводского оборудования.
• Кроме того, помещения, в которых кремний помещают в машины для изготовления чипов, должны быть абсолютно чистыми. Одна пылинка может свести на нет все усилия и миллионы долларов.
• Производство полупроводниковых микросхем включает в себя сложную сеть компаний, которые их производят или проектируют, а также тех, кто поставляет необходимые технологии, материалы и оборудование.

Как российско-украинская война еще больше повлияла на отрасль?

Неон требуется для лазеров, используемых в литографии для производства чипов. В прошлом году мировое потребление неона для производства чипов составило около 540 метрических тонн. Российско-украинская война обострила глобальную нехватку чипов, потому что более половины неона в мире производится только двумя украинскими компаниями — Ignas и Cryin, которым пришлось свернуть свое производство. Таким образом, это окажет сильное влияние на полупроводниковую промышленность. Более того, поставки палладия в Россию также могут пострадать из-за войны. Дефицит палладия, необходимого для каталитических нейтрализаторов, применяемых в выхлопных системах автомобилей, может косвенно повлиять на полупроводниковую промышленность в виде снижения спроса на чипы со стороны автопроизводителей.

Вывод

Заводы по производству полупроводников требуют огромных капиталовложений в миллиарды долларов и значительного периода времени для создания. Кроме того, эти литейные заводы не могут производить чипы в очень быстром темпе, потому что производственный процесс также требует времени и требует дорогостоящего оборудования. Все это затрудняет проникновение любой компании в отрасль, и даже если какая-либо компания делает это, ей становится трудно конкурировать с крупной рыбой и получать прибыль. Вот почему, когда речь заходит о производителях полупроводниковых микросхем, мы слышим лишь несколько имен, которые со временем завоевали огромную долю рынка в отрасли.

Часто задаваемые вопросы

Из чего состоят полупроводниковые чипы?

Полупроводники, также называемые интегральными схемами (ИС) или микрочипами, изготавливаются из чистого кремния.

Кто является крупнейшим производителем полупроводниковых микросхем?

Тайваньская компания TSMC является крупнейшим производителем полупроводниковых микросхем.

В какие 5 полупроводниковых компаний лучше всего инвестировать?

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