Czy czeka nas wojna o chipy? Przemysł półprzewodnikowy na skraju możliwości

Pokryty lodem Teksas, pożar w japońskiej fabryce, najgorsza od dziesięcioleci susza na Tajwanie, pandemia COVID-19, rozpętana przez Trumpa wojna technologiczna. Co łączy te wydarzenia? Wszystkie w różnym stopniu przyczyniły się do globalnego kryzysu na rynku półprzewodników.

Chipy w centrum naszego życia

Półprzewodniki, czyli tak zwane chipy, choć niewidoczne dla konsumenta, są kluczowym elementem całej gamy urządzeń – od smartfonów, laptopów, konsol do gier, po samochody, sprzęt medyczny i wojskowy. Wraz z postępem rewolucji cyfrowej i dążeniem kolejnych państw do korzystania z odnawialnych źródeł energii ich znaczenie i popyt na nie będą rosnąć w szybkim tempie.

Dla stabilności ekonomicznej chipy stały się zasobem strategicznym. Nieustannie powstają serwisy streamingowe i centra danych. Prowadzone są testy pojazdów autonomicznych, zaczynają działać powietrzne taksówki, a Jeff Bezos ogłosił, że uda się w kosmos. To przedsmak zmian czyhających za rogiem. Cyfrowe gospodarki będą pochłaniać niezliczone ilości mikroelektroniki.

Co jednak się stanie, gdy z jakiegoś powodu zacznie jej brakować? Właśnie mamy do czynienia z taką sytuacją, a jej przyczyn jest co najmniej kilka. Tegoroczny kryzys stanowi bolesną lekcję i zapowiedź zmian.

Ukryty chaos

Jeszcze przed uderzeniem koronawirusa szybkie tempo globalnej cyfryzacji sprawiło, że łańcuchy dostaw w przemyśle półprzewodnikowym były napięte. Produkcja układów scalonych wymaga ogromnych nakładów inwestycyjnych i specjalistycznej wiedzy inżynieryjnej. Nie da się z dnia na dzień uruchomić dodatkowych mocy produkcyjnych. Zbudowanie nowoczesnej fabryki trwa kilka lat i kosztuje miliardy dolarów. Warunki pogodowe, wojna handlowa i wybuch pandemii zupełnie zaburzyły działający na wysokich obrotach przemysł.

W lutym ekstremalna zima zakłóciła funkcjonowanie wielu firm w Teksasie, w którym Samsung Electronics wytwarza 28% swoich chipów, a Infineon i NXP produkują komponenty do samochodów. W Japonii spłonęła fabryka Renesas – ważnego dostawcy rynku motoryzacyjnego. Tajwan, kluczowe miejsce na mapie półprzewodników, dotknęła najgorsza od kilkudziesięciu lat susza, która skutkowała drobnymi przerwami w dostawach prądu i niepewnością, czy zostanie utrzymana ciągłość dostaw wody (a tego surowca przemysł bardzo potrzebuje). Taipei walczy też z kolejną, bardziej dotkliwą niż poprzednie falą COVID, a ewentualne zamknięcie fabryk z powodu rozprzestrzeniania wirusa będzie ciosem dla łańcuchów dostaw.

Lockdowny i surowe ograniczenia narzucone przez rządy wywróciły życie milionów osób do góry nogami. Doprowadziły do ogromnych zaburzeń popytu, rozkwitu pracy zdalnej i e-handlu. Zamknięci w domach ludzie zaczęli masowo zamawiać sprzęt IT i gospodarstwa domowego. Producenci elektroniki szybko zwiększyli zamówienia na chipy, aby nadążyć za potrzebami rynku.

Niektórzy, np. Huawei, zgromadzili zapasy. W ramach technologicznych waśni między USA i ChRL administracja Donalda Trumpa uniemożliwiła niektórym chińskich firmom zaopatrywanie się w nowoczesne układy scalone. Zanim restrykcje zaczęły obowiązywać, firmy wpisane na handlową czarną listę (i nie tylko te; w Chinach zapanował niepokój co do możliwości poszerzania listy) zakupiły dodatkowe ilości mikroelektroniki, żeby bez przerw (przynajmniej w perspektywie krótkoterminowej) kontynuować produkcję. Mimo tego szacuje się, że w wyniku sankcji Huawei wyprodukuje w tym roku około 60% smartfonów mniej niż w ubiegłym.

Rynek motoryzacyjny również został doświadczony przez pandemię. Pierwsze miesiące 2020 r. przyniosły drastyczny spadek popytu. Producenci, przewidując, że taki stan rzeczy przez pewien czas się utrzyma, ograniczyli zakup komponentów. Druga połowa roku przyniosła nieoczekiwaną zmianę – auta zaczęły się sprzedawać.

Pułapką okazała się metoda pozyskiwania części. System zwany just-in-time polega na zaopatrywaniu się na bieżąco, bez utrzymywania dużych zapasów. Do tej pory wielu producentów samochodów zamawiało półprzewodniki przez pośredników, nie traktowano ich w kategoriach komponentów krytycznych. W związku z tym, w przeciwieństwie do branży elektronicznej, branża motoryzacyjna nie rozwinęła specjalnych relacji z ich producentami. Gdy więc doszło do dużych wahań między popytem a podażą, ci ostatni nie byli w stanie odpowiednio zareagować. Według prognoz sytuacja może utrzymać się do 2022 r. lub dłużej.

Straty idą w setki mld dolarów

Z powodu braku chipów przedsiębiorstwa nie są w stanie w pełni odpowiedzieć na zwiększony popyt. Mniejsi i więksi gracze obniżają prognozy zysków i zatrzymują linie produkcyjne. Problemy dotknęły wielu. Według Goldman Sachs w różnym stopniu ucierpi aż 169 branż, od producentów elektroniki użytkowej i systemów klimatyzacyjnych po browary i wytwórnie mydeł.

Nissan wyprodukuje w tym roku 0,5 mln sztuk samochodów mniej. Straty Forda wyniosą 2,5 mld dolarów, a General Motors 2 mld. Cała światowa branża motoryzacyjna straci w 2021 r. około 110 mld dolarów. Apple ze swoją siłą przebicia i doświadczeniem w zarządzaniu skomplikowanym łańcuchem dostaw również doświadczył niedoborów – odłożył w czasie produkcję niektórych MacBooków i iPadów. Sony nie jest w stanie dostarczyć odpowiedniej ilości konsol PlayStation 5. Niepewność ogarnęła środowiska wojskowe i firmy zbrojeniowe, gdyż przerwy w dostawach grożą zakłóceniami harmonogramu powstawania kluczowych systemów i broni.

Firmy dotknięte kryzysem desperacko starają się zminimalizować jego koszty. Kontaktują się bezpośrednio z producentami mikroelektroniki i apelują o pomoc do rządów. W ostatnim czasie na Tajwanie zaczęły pojawiać się delegacje z pogranicza biznesu i polityki.

W tle walka olbrzymów

Na wyspie, którą Pekin traktuje jako zbuntowaną prowincję, działa Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) – największy na świecie producent układów scalonych na zamówienie. Istnieją 3 modele prowadzenia biznesu chipowego. Firmy projektują chipy i zlecają produkcję na zewnątrz (fabless), prowadzą odlewnie i wytwarzają je na zamówienie (pure-play foundries) lub zajmują się wszystkim – od projektu przez produkcję aż do testowania (IDM). TSMC to firma typu pure-play, z której usług korzystają np. Apple, Google, Nvidia, Qualcomm, Nintendo czy Pentagon. W 2019 r. wyprodukowała prawie 11 tys. rodzajów produktów dla 499 klientów.

Jej strategia została dopasowana do ekonomicznej koniunktury ery globalizacji, gdy proces produkcji był rozpraszany w taki sposób, by maksymalizować zyski. Producenci fabless ograniczają koszty, skupiając się wyłącznie na projektach, a TSMC, realizując dla nich zamówienia, osiąga efekt skali i siłę przebicia, dzięki czemu zyskuje pierwszeństwo np. przy zakupie niezbędnych maszyn. Dużą część zysków reinwestuje w badania i rozwój, a doświadczenie procesowe zdobyte po drodze owocuje podczas opracowywania innowacyjnych rozwiązań inżynieryjnych.

Kompania cieszy się ogromnym prestiżem i bywa nazywana firmą, która zbudowała Tajwan. W tym roku jej wydatki inwestycyjne mają stanowić równowartość 20% inwestycji sektora prywatnego na wyspie, a w ciągu 3 lat (2021-23) TSMC planuje globalną ekspansję wartą 100 mld dolarów, m.in. pierwszy raz od 20 lat otworzy fabrykę w Ameryce.

Budowę fabryki w USA zapowiedział też koreański Samsung. W latach 90. minionego wieku 20 firm na świecie posiadało zdolności do produkcji zaawansowanych chipów. Dziś z najnowszych technologii korzystają tylko TSMC i Samsung (IDM, który w 2005 r. wprowadził segment foundry). Półprzewodniki budowane przez te firmy mogą mieć węzły procesowe wielkości 5 nm. Chipy są szybsze i bardziej wydajne, im mniejsze są struktury, które je tworzą. Dla przykładu węzły technologiczne 7 nm są nowocześniejsze (mają o połowę więcej tranzystorów) niż 14 nm.

Kim Ki-nam, wiceprezes Samsunga, uważa, że należy kreślić długofalowe strategie, bo cała branża stoi w obliczu przełomowego momentu. Południowokoreańscy producenci układów scalonych zamierzają do 2030 r. zainwestować około 450 mld dolarów. Wszystko przy wsparciu rządu, który zapewni ulgi podatkowe i niezbędne wsparcie, aby Republika Korei była chipową potęgą.

Państwa, które produkują półprzewodniki i mają ambicje przewodzić cyfrowej rewolucji, doceniają wagę obecnych problemów i wartość odpornych na zakłócenia łańcuchów dostaw. Były minister polityki gospodarczej Japonii, Akira Amari, bez ogródek stwierdził, że „ci, którzy kontrolują półprzewodniki, będą kontrolować świat”.

Amari jest członkiem powołanej przez Tokio grupy zadaniowej, która zajmie się bezpieczeństwem dostaw i kwestiami konkurencyjności japońskich przedsiębiorstw chipowych. W latach 80. Kraj Kwitnącej Wiśni był jednym z liderów przemysłu, lecz z biegiem lat utracił swoją przewagę.

Zaostrzająca się rywalizacja z Chinami i względy bezpieczeństwa narodowego skłoniły administrację prezydenta Bidena do federalnego wsparcia przemysłu chipowego w USA. Przede wszystkim chodzi o przywrócenie procesu produkcji na amerykańską ziemię. Firmy ze Stanów Zjednoczonych wiodą prym w zakresie projektowania układów scalonych, ale znaczna część produkcji odbywa się w Azji, tuż pod nosem Komunistycznej Partii Chin. Na przykład komponenty do myśliwców F-35 wytwarza TSMC.

W Waszyngtonie budzi to uzasadnione obawy, a kwestie te podnoszą politycy obu partii. Joe Biden w ramach swojego planu przebudowy infrastruktury zamierza przeznaczyć 50 mld dolarów na stworzenie nowych fabryk i rozwój badań nad technologiami półprzewodnikowymi. Amerykańskie władze zachęcają przedsiębiorstwa z krajów sojuszniczych do inwestycji w Stanach Zjednoczonych. TSMC już rozpoczęło budowę wartej 12 mld dolarów fabryki w Phoenix.

Rodzimy Intel (IDM) również przystąpił do działania, choć musi się zmierzyć z wieloma wyzwaniami. Przez wiele lat firma dostarczała pionierskie rozwiązania w zakresie mikroelektroniki, lecz aktualnie ma duże zaległości w stosunku do rywali. Podczas gdy TSMC i Samsung opanowali technologię 5 nm i przygotowują się do wdrożenia węzłów 3 nm (TSMC w przyszłym roku uruchomi na Tajwanie fabrykę 3 nm), Intel miał problemy z produkcją węzłów 10 nm. I choć ogłosił wydatki inwestycyjne w kwocie 20 mld dolarów na dwie fabryki w Arizonie, to w 2023 r. produkcję około 1/5 procesorów będzie zlecał TSMC.

Jeszcze większe wyzwania stoją przed Chinami, które za cel stawiają sobie wyznaczanie światowych standardów w dziedzinach, takich jak sieci przesyłowe nowej generacji, robotyka, sztuczna inteligencja lub automatyzacja jazdy. Najbardziej zaawansowany węzeł procesowy czołowego chińskiego producenta – Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC) – to 14 nm. W dodatku firma została objęta amerykańskimi sankcjami. Istnieje ogromna zależność producentów z Państwa Środka od maszyn i komponentów wytwarzanych w USA.

Pekin mobilizuje siły i wydaje mld dolarów na badania i rozwój oraz szczegółowe studia nad każdym fragmentem łańcuchów dostaw, aby przełamać obecną niemoc i stworzyć jak najbardziej niezależny przemysł.

Założona w 2016 r. firma Yangtze Memory Technologies Corp (YMTC) bada, skąd pochodzą wszelkie potrzebne materiały, jaką przebywają drogę, zanim zamienią się w gotowy produkt, i czy można stworzyć alternatywne mechanizmy ich pozyskiwania. Jednak realizacja takiego karkołomnego zadania, jakim jest przechodzenie do kolejnych generacji chipów, może potrwać nawet kilkanaście lub więcej lat.

Nie każdy może wytwarzać półprzewodniki

„Jesteśmy teraz na poziomie 22 nm. Przejście z 22 do 2 nm jest jak skok na szczyt wieżowca Taipei 101 – jeśli ci się nie uda, rozbijesz się”. W ten sposób jeden z europejskich przedstawicieli branży skomentował plany uzyskania przez Unię Europejską najbardziej nowatorskiej techniki wytwórczej. Problemem jest to, że w Europie nie ma gigantów technologicznych, którzy są konsumentami tych przełomowych rozwiązań. W Unii firmy wytwarzają komponenty do samochodów i sprzętów, przy produkcji których nie wykorzystuje się tak wyrafinowanych chipów. Tworzenie supernowoczesnej bazy produkcyjnej w celu eksportu do Azji i USA, w których działają potężni konkurenci, prawdopodobnie nie będzie opłacalne. Plany Wspólnoty zakładają zdobycie 20% udziału w globalnym rynku.

Dyrektor generalny Western Digital i szef TSMC sceptycznie podchodzą do twardego decouplingu i budowania wielu centrów produkcji na świecie. Łańcuchy dostaw są tak dopasowane, żeby były dochodowe i wydajne. Próba stworzenia nowego systemu jest ekonomicznie nierealna.

***

Jedni mają problem z zakupem konsoli, inni martwią się miliardowymi stratami, a jeszcze inni głowią nad wypracowaniem bezpiecznej przewagi nad rywalami. Raport National Security Commission on Artificial Intelligence stwierdza, że Stany Zjednoczone dla swojego dobrobytu i bezpieczeństwa powinny utrzymywać w mikroelektronice przewagę 2 generacji nad firmami z ChRL.

Choć Pekin napotka wiele przeszkód na drodze budowy narodowego arsenału chipowego, to mówimy o ogromnych nakładach, daleko idących planach i potrzebach definiowanych przez decydentów w kategoriach bezpieczeństwa narodowego. Z drugiej strony Amerykanie, Tajwańczycy, Japończycy, Koreańczycy i Europejczycy podchodzą do tego z podobną powagą. Niepozorny chip znalazł się w centrum globalnej rywalizacji.

Anglojęzyczna wersja materiału do przeczytania tutaj. Wejdź, przeczytaj i wyślij swoim znajomym z innych krajów!