Нехватка полупроводников бьет по автопроизводителям и технологическим гигантам, поднимая тревогу от Вашингтона до Брюсселя и Пекина. Этот кризис поставил перед политиками, покупателями и инвесторами фундаментальный вопрос: почему мы просто не можем производить больше чипов?
Есть и простой, и сложный ответ. Простая версия состоит в том, что изготовление чипов невероятно сложный процесс. И он становится все сложнее.
«Это не ракетостроение – это намного сложнее», – как шутят в отрасли.
Более сложный ответ заключается в том, что на строительство предприятий по производству микросхем уходят годы и миллиарды долларов – и даже в этом случае экономика настолько жестока, что вы можете проиграть, если ваш производственный опыт будет незначительно отставать от конкурентов. Бывший глава корпорации Intel Крейг Барретт назвал микропроцессоры своей компании самыми сложными устройствами, когда-либо созданными человеком.
Вот почему страны сталкиваются с такими трудностями в достижении полупроводниковой самодостаточности. В своем последнем пятилетнем плане Китай назвал независимость от чипов главным национальным приоритетом, а президент США Джо Байден пообещал построить безопасную американскую цепочку поставок за счет возрождения отечественного производства. Даже Евросоюз обдумывает меры по производству собственных чипов. Но успех далеко не гарантирован.
Производство чипа обычно занимает более трех месяцев и включает в себя гигантские фабрики, беспылевые помещения, машины стоимостью в несколько миллионов долларов, расплавленное олово и лазеры. Конечная цель – превратить кремниевые пластины – элемент, извлеченный из простого песка – в сеть из миллиардов крошечных переключателей, называемых транзисторами, которые образуют основу схемы, которая в конечном итоге даст телефону, компьютеру, автомобилю, стиральной машине или спутнику критически важные возможности.
Такой маленький, но такой сложный
Большинство микросхем – это группы схем, которые запускают программное обеспечение, манипулируют данными и управляют функциями электронных устройств. Расположение этих цепей дает им конкретное назначение.
Производители микросхем стараются установить больше транзисторов в микросхемы, повышая производительность и делая устройства более энергоэффективными. Первый микропроцессор Intel – 4004 – был выпущен в 1971 году и содержал всего 2300 транзисторов с размером узла 10 микрон, или 10 миллионных долей метра. Но бесспорное лидерство Intel в последующие десятилетия закончилось между 2015 и 2020 годами, когда конкуренты Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. и Samsung Electronics Co. начали создавать чипы с лучшими транзисторами: с размерами до 5 нанометров, или 5 миллиардных долей метра (для сравнения, средний человеческий волос составляет 100 000 нанометров в ширину).
Чище, чем хирургия
Прежде чем использовать кремний в станках для производства микросхем, вам понадобится чистая комната. Очень чистое помещение. Отдельные транзисторы во много раз меньше вируса. Всего одна пылинка может вызвать хаос и миллионы долларов потраченных впустую усилий. Чтобы снизить этот риск, производители микросхем размещают производство в помещениях, в которых практически нет пыли.
Чтобы поддерживать эту среду, воздух постоянно фильтруется, и очень мало людей допускаются в помещение. Если на линии по производству чипов появляется более одного или двух рабочих, с головы до ног закутанных в защитный костюм, это может быть признаком того, что что-то идёт не так. Настоящие гении, стоящие за проектированием и разработкой полупроводников, работают на значительном отдалении от производства.
Даже при соблюдении всех этих мер предосторожности к кремниевым пластинам нельзя прикасаться или подвергать воздействию воздуха. Они перемещаются между оборудованием в картриджах, которые перемещаются роботами по рельсам в потолке. Из картриджей чипы извлекаются только тогда, когда они находятся внутри оборудования, и настаёт время для ключевого шага в этом процессе.
Производство на уровне атома
Чипы состоят из 100 слоев материалов. Они накладываются, а затем частично удаляются, чтобы сформировать сложные трехмерные структуры, которые соединяют все крошечные транзисторы. Некоторые из этих слоев имеют толщину всего в один атом. Чтобы это произошло, машины производства Applied Materials Inc., Lam Research Corp. и Tokyo Electron Ltd. манипулируют множеством переменных, таких как температура, давление, электрические и магнитные поля.
Одна из самых сложных частей процесса – литография, которая выполняется на станках ASML Holding NV. Оборудование компании используется свет для выжигания схем на материалах, нанесенных на силикон. Эти схемы становятся транзисторами.
Все это происходит в таком маленьком масштабе, что единственный способ сейчас заставить все это работать – это использовать экстремальный ультрафиолетовый свет, который естественным образом возникает только в космосе. Чтобы воссоздать это в контролируемой среде, машины ASML удаляют расплавленные капли олова с помощью лазерного импульса. Когда металл испаряется, он излучает необходимый ультрафиолетовый свет. Но даже этого недостаточно. Чтобы сфокусировать свет на более тонкую длину волны, необходимо использовать зеркала.
Сложная экономика
Заводы по производству чипов работают 24 часа в сутки, семь дней в неделю. Они делают это по одной причине: цена. Строительство фабрики начального уровня, производящей 50 000 пластин в месяц, стоит около 15 миллиардов долларов. Большая часть этой суммы идет на специализированное оборудование – рынок, продажи которого в 2020 году впервые превысили 60 миллиардов долларов.
Большая часть этих инвестиций приходится на три компании – Intel, Samsung и TSMC. Их фабрики более современные и стоят более 20 миллиардов долларов каждая. В этом году TSMC потратит целых 28 миллиардов долларов на новые заводы и оборудование. Сравните это с попыткой правительства США принять закон в поддержку отечественного производства микросхем. Этот закон предлагает всего 50 миллиардов долларов в течение пяти лет.
Если вы потратите все эти деньги на строительство гигантских объектов, они устареют за пять или менее лет. Чтобы не потерять деньги, производители микросхем должны получать 3 миллиарда долларов прибыли с каждого завода. Но построить несколько заводов сразу могут только крупнейшие компании, в частности, тройка лидеров, совокупная выручка которых в прошлом году составила 188 миллиардов долларов.
Индустрия больших денег
Intel, Samsung и TSMC принесли почти такой же доход в 2020 году, как и следующие 12 крупнейших производителей чипов вместе взятые.
Чем больше вы производите, тем лучше у вас получается. Производительность, то есть процент от чипов, который не отбраковывается, – это ключевой показатель. Все, что меньше 90% – это проблема. Но производители микросхем выходят за рамки этого уровня, только повторяя дорогостоящие уроки снова и снова и опираясь на эти знания.
Жестокая экономика отрасли означает, что меньшее количество компаний может позволить себе не отставать. Большая часть из примерно 1,4 миллиардов процессоров для смартфонов, поставляемых ежегодно, производится TSMC. Intel принадлежит 80% рынка компьютерных процессоров. Samsung доминирует в чипах памяти. Всем остальным, в том числе Китаю, ворваться в эту индустрию непросто.
Автор публикации
2
