Svet se že vse leto spoprijema s pomanjkanjem polprevodnikov, doslej najhujšo in najdaljšo tehnološko krizo, ki vpliva na proizvodnjo številnih tehnoloških izdelkov, od kontrolnih naprav, pametnih telefonov in računalnikov do avtomobilov in vojaških vozil. Kriza prav tako ogroža delovanje tehnoloških oskrbovalnih verig, otežuje poslovanje podjetij, izobraževanje otrok in vsakdanje življenje vseh, hkrati pa spodbuja pospešena vlaganja v nove zmogljivosti in strateške spremembe na področju elektronike.
Pandemija je povzročila pravi vihar v industriji polprevodnikov, pri čemer je treba povedati, da disruptivni procesi niso povsem novi, ampak gre bolj za krepitev starih težav. Povpraševanje po polprevodnikih za potrebe 5G in električnih vozil se je povečevalo že pred letom 2020, dolgo pred prvimi novicami o pomanjkanju čipov pa smo bili lahko priča posameznim industrijskim spremembam, ki so pozneje vplivale na proizvodnjo elektronskih naprav in oskrbovalne verige.
Kri in nova nafta družbe
Veliko povpraševanje po čipih, posebej petnanometrskih, ki se uporabljajo za naprave, ki podpirajo tehnologije 5G, se nadaljuje tudi v tretjem četrtletju in se verjetno ne bo zmanjšalo do konca leta. Matteo Rinaldi, profesor računalniškega inženirstva na Univerzi Northeastern, pravi, da se v svetu vsak dan uporablja več kot sto milijard mikroprocesorjev oziroma, po domače, čipov. Včasih so največji delež čipov, ki jih novinarji pogosto opisujejo kot kri ali novo nafto sodobne družbe, proizvajali v ZDA, kjer so mikroprocesorje tudi razvili, danes pa levji delež proizvodnje obvladujeta Tajvan in Južna Koreja. Leta 1990 se je, na primer, v ZDA proizvedlo 37 odstotkov, lani pa samo še 12 odstotkov čipov.
Vse poti vodijo iz Jantjana
Globalno pomanjkanje polprevodnikov že več kot leto dni hromi tehnološke panoge, posebej proizvodnjo računalnikov in telefonov ter avtomobilsko industrijo. Mnoge tovarne polprevodnikov v svetu so bile zaradi pandemije nekaj časa zaprte, zato je proizvodnja še bolj zaostajala za povpraševanjem. Dodatno so na pomanjkanje vplivali zastoji v oskrbovalnih verigah, do katerih je prišlo zaradi večtedenskih zapiranj azijskih pristanišč.
Približno 90 odstotkov svetovne elektronike potuje prek kitajske luke Jantjan (približno 80 kilometrov od Hongkonga), od koder vsak dan odpremijo okrog 36 tisoč zabojnikov. Zapiranje Jantjana (letos poleti so pristanišče za sedem dni zaprli junija in nato še za več dni avgusta) takoj povzroči težave v drugih največjih tovornih lukah na Kitajskem in po svetu. Vse to je vzrok za zviševanje cen.
Rast povpraševanja vsepovsod
Analitiki pojasnjujejo, da se je polprevodniška kriza začela med širjenjem pandemije ter posledičnega zapiranja družbe in panike, ko so proizvajalci avtomobilov začeli odpovedovati naročila za čipe. Toda v tem času se je začela selitev delovne sile iz pisarn na dom, čemur je sledila hitra rast povpraševanja po računalnikih, monitorjih, omrežni opremi, tiskalnikih in drugih elektronskih napravah. Vzporedno s tem so celotni šolski sistemi začeli pospešeno prehajati na spletno izobraževanje prek prenosnih in tabličnih računalnikov. Podaljševal se je tudi čas, ki ga uporabniki namenjajo za domačo zabavo in igranje, s tem pa je pospešeno rasla tudi prodaja pametnih televizorjev, igralnih konzol, monitorjev in mobilnih naprav.
Sproščanje krize že poteka
Prihod omrežij 5G in stalna rast računalništva v oblaku sta še dodatno okrepila povpraševanje. Njegova rast je bila precej večja od upada, ki so ga pred tem s svojimi odpovedmi povzročili proizvajalci avtomobilov. Ko so ti zaradi vnovične rasti povpraševanja po novih vozilih spet začeli pospešeno naročati čipe, so se znašli tako rekoč na repu čakalne vrste. Na naročene čipe morajo čakati približno pol leta.
Zdaj se analitiki in drugi strokovnjaki večinoma strinjajo, da se je sproščanje krize že začelo. Za olajšanje niso najbolj zaslužne naložbe v Južni Koreji, ZDA in Evropi, ampak predvsem nove stare tovarne in livarne, v katerih potekajo procesi, ki so daleč od najsodobnejših obratov za proizvodnjo silicijevih rezin. Analitično podjetje IDC napoveduje, da bo po vsem svetu v obdobju 2020–2022 zgrajenih deset novih tovarn za proizvodnjo 200-milimetrskih rezin s staro tehnologijo in še več za proizvodnjo 300-milimetrskih rezin z novo tehnologijo.
Prevlada starejših procesov
Avtomobilska industrija večinoma uporablja 40-nanometrske in še starejše čipe, ki so v svetu tudi najbolj razširjeni. IDC ocenjuje, da kar 54 odstotkov tehnoloških procesov za izdelavo čipov sodi med starejše, 18,5 odstotka v glavni tok in 17,5 odstotka med napredne.
V najnovejši raziskavi tudi ocenjujejo, da je bil lani trg čipov vreden 394,4 milijarde evrov. Od tega je 30,8 milijarde evrov šlo za čipe za komunikacijske infrastrukture, 33,6 milijarde za avtomobilsko industrijo, 35,4 milijarde za druge industrijske namene, 51,1 milijarde za potrošniški sektor, 107,7 milijarde za brezžično industrijo in 136,2 milijarde evrov za računalništvo. Avtomobilska industrija, gledano po prihodku, pomeni manj kot devet odstotkov prodaje čipov, delež pa naj bi se do leta 2025 povečal na deset odstotkov.
Analitsko podjetje Gartner pa ocenjuje, da je bilo v letu 2020 prodano za 10,4 odstotka več polprevodnikov kot leta 2019, skupaj za 393,05 milijarde evrov. K rasti so največ pripomogli nabori čipov za grafične kartice in omrežja 5G. Na prvem mestu po prihodku od polprevodnikov je bil v letu 2020 Intel, ki je dosegel 15,6-odstotni delež in 7,4-odstotno rast v primerjavi z letom prej. Na drugem mestu je Samsung z 12,4-odstotnim deležem in 10,2-odstotno rastjo.
Osredotočanje na 200 milimetrov
Industrijsko združenje podjetij s področja oblikovanja elektronike in oskrbovalnih verig za proizvodnjo SEMI (nekdanji Semiconductor Equipment and Materials International) v svoji raziskavi gibanja do leta 2024 napoveduje, da bo v obdobju 2020–2022 več kot 40 podjetij povečalo proizvodne zmogljivosti za več kot 750 tisoč polprevodniških rezin na mesec.
Združenje, v katero je včlanjeno več kot 2.400 podjetij in več kot 1,3 milijona strokovnjakov, pričakuje, da bodo povečana vlaganja omogočila povprečno 17-odstotno letno rast skupne zmogljivosti obratov za proizvodnjo 200-milimetrskih rezin do konca leta 2024. Poraba za opremo za te tovarne je lani dosegla 2,5 milijarde evrov, letos bo zrasla na 3,9 milijarde, v letu 2022 pa upadla na 3,4 milijarde evrov, ocenjuje SEMI. Za primerjavo: vrednost opreme za tovarne 300-milimetrskih rezin bo letos dosegla 66 milijard evrov.
»Vrnitev« starih tovarn
Južna Koreja bo v polprevodniški sektor v desetih letih vložila 382 milijard evrov, ZDA so napovedale za 44 milijard evrov naložb, medtem ko bo EU za ta namen odštela 136 milijard evrov. Po oceni SEMI se bodo naložbe proizvajalcev v opremo za proizvodnjo polprevodnikov na svetovni ravni od aprila 2020 do aprila 2021 povečale za 56 odstotkov.
Novih tovarn za 200-milimetrske rezine je malo, vendar v SEMI pojasnjujejo, da podjetja precej vlagajo tudi v posodabljanje starih. V letu 2020 je bilo 212 delujočih tovarn 200-milimetrskih rezin, v letu 2022 pa jih bo 222. Letos bo začelo obratovati tudi deset, prihodnje leto pa še 14 novih tovarn 300-milimetrskih rezin.
Na koncu še voda, požari in suše
Medtem ko se je prodaja polprevodnikov po vsem svetu med letoma 2018 in 2019 zmanjšala, je leta 2020 zrasla za 6,5 odstotka, hitra rast pa se je nadaljevala tudi letos. Po podatkih Združenja polprevodniške industrije (Semiconductor Industry Association – SIA) je bila prodaja maja letos za 26 odstotkov večja kot v istem obdobju lani.
Po oceni IDC so k polprevodniški krizi poleg pandemije prispevali tudi drugi dejavniki. Predvsem je to najhujša suša na Tajvanu v zadnjih 50 letih, zaradi katere imajo TSMC in drugi proizvajalci velike težave z zagotavljanjem zadostnih količin vode, ki je odločilnega pomena pri proizvodnji čipov. Za oteževanje oskrbe s polprevodniki so odgovorni tudi požari v tovarnah, izpadi napajanja z električno energijo in sedemdnevna blokada prometa v Sueškem prekopu.
Še nekaj let, morda tudi manj
Gartner v majskem poročilu o trgu polprevodnikov ocenjuje, da bo pomanjkanje polprevodnikov trajalo do sredine 2022, potem pa se bodo do konca tega leta nadaljevale še posamezne manjše težave. Tudi tajvanski proizvajalec polprevodnikov TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) napoveduje, da se bo kriza prenesla še v leto 2022.
Glavni direktor podjetja Dell Technologies Michael Dell pa celo meni, da se bo kriza čipov »verjetno nadaljevala še nekaj let«. Generalni direktor Intela Pat Gelsinger je na predstavitvi strategije Integrated Device Manufacturing (IDM) 2.0 v juniju ocenil, da bomo do ravnotežja med povpraševanjem in dobavo najbrž čakali še dve leti. Strategijo IDM 2.0, ki jo je Intel sprejel marca letos, ima za pomemben premik v oblikovanju in proizvodnji čipov. Intel bo svojim strankam odslej ponujal jedrno tehnologijo x86 in prav tako ARM (ki spominja na dizajn procesorjev StrongARM in Xscale s konca devetdesetih let) ter celo odprtokodno jedro RISC-V.
Nove tovarne rezin v Arizoni
Vse to bo na voljo skupaj z ločenim GPU, hitrim omrežjem in pomnilnikom IP, kar bo posebej privlačno za oblikovalce čipov ASIC za podatkovne centre. Intel si želi z IDM 2.0 povrniti nekdanje »nesporno vodstvo« v proizvodnji polprevodnikov, saj bo precej razširil svoje proizvodne zmogljivosti in korenito spremenil postopek izdelave čipov. IDM 2.0 med drugim načrtuje gradnjo dveh tovarn v Arizoni, skupaj vrednih blizu 15 milijard evrov, medtem ko za izdelavo čipov načrtuje uporabo zunanje tovarne, na primer podjetja TSMC. V strategiji se načrtuje tudi zagon lastnih tovarniških zmogljivosti za proizvodnjo čipov, ki so jih oblikovala druga podjetja, na primer Qualcomm. Tudi TSMC gradi tovarno rezin v Arizoni, ki se bo osredotočila predvsem na čipe za potrebe, povezane z nacionalno varnostjo.
Evropska dvonanometrska tovarna kot zapravljanje
Evropska unija do konca desetletja načrtuje vzpostavitev najsodobnejše polprevodniške proizvodnje z gradnjo tovarn, utemeljenih na dvonanometrski tehnologiji. Na to se je pred kratkim s svojim poročilom odzvala neodvisna neprofitna skupina Stiftung Neue Verantwortung eV iz Berlina. Skupina ocenjuje, da sta gradnja in opremljanje evropske tovarne čipov z dvonanometrsko tehnologijo tehnično mogoči, vendar izvedljivi le, če bo vzpostavljen tudi trden poslovni model. V nasprotnem bi takšna tovarna pomenila le zapravljanje več deset milijard evrov, ki bi jih lahko bolje uporabili.
Raziskava omenjene skupine je namreč pokazala, da v Evropi skoraj ni potrebe po najsodobnejših silicijevih rezinah, hkrati pa je težko pričakovati ustrezno prodajo na drugih območjih, na katerih je povpraševanje veliko, posebej v ZDA. Ameriški obrati za izdelavo čipov bodo namreč kupovali rezine od TSMC, Samsunga in verjetno Intela, saj vsi trije načrtujejo gradnjo najsodobnejših obratov v ZDA.
Skupina je med drugim pripravila diagram zmogljivosti proizvodnje polprevodniških rezin v letih 2010, 2015 in 2020, ki med drugim pokaže, da se je proizvodnja v EU v desetih letih povečala za samo 18 odstotkov, medtem ko so se zmogljivosti na Kitajskem potrojile. Kot poročajo različni viri, se TSMC dogovarja z Nemčijo o morebitni gradnji tovarne čipov v tej državi, slišati pa je tudi govorice, da potekajo pogovori s še nekaterimi evropskimi državami.
