Czym więc są półprzewodniki i gdzie są używane?


Mikrochipy są sercem technologii, z której korzystamy na co dzień. Ale jeśli wcześniej chodziło bardziej o „złożoną” technologię, taką jak smartfony i laptopy, to dzisiejsze znacznie mądrzejsze zegarki, żarówki, ekspresy do kawy i samochody również potrzebują mikroprocesorów i mikrokontrolerów. W samochodzie elektronika może być potrzebna do systemu parkingowego lub komputera pokładowego, inteligentny ekspres do kawy potrzebuje procesora do komunikacji ze smartfonem, a na przykład inteligentne zegarki wymagają teraz modułu LTE. Mikroukłady drukowane są na płytkach krzemowych, które są małymi chipami półprzewodnikowymi, które mają tę interesującą właściwość, że nie przewodzą elektryczności tak dobrze, jak metale, ale nie tak źle, jak większość izolatorów. W rzeczywistości półprzewodnik jest krytycznym elementem każdej elektroniki, niezależnie od tego, czy jest to superkomputer NASA, inteligentny ekspres do kawy, zupełnie nowy zegarek Apple Watch czy stary japoński telewizor.

Niedobór krzemu, kryzys produkcyjny i rola TSMC


Do produkcji półprzewodników potrzebny jest krzem. Wprawdzie naturalne zasoby krzemu są ogromne – stanowi 28% masy skorupy ziemskiej, ale metaliczny krzem stosowany w mikroukładach i przemyśle motoryzacyjnym wymaga specjalnej obróbki, dlatego tak się złożyło, że wydobycie i przetwarzanie krzemu jest obecnie skoncentrowany w Chinach. I tak pod koniec 2019 roku rząd chiński wprowadził politykę ograniczania zużycia energii, co wpłynęło zarówno na ilość wydobywanego krzemu, jak i na ceny.

Drugim, znacznie większym problemem był brak producentów chipów. W 2000 roku na świecie było kilkudziesięciu dużych producentów układów scalonych, teraz cała produkcja została zlecona do Azji, gdzie rządzi tajwańska firma TSMC. Jest to pomysł byłego szefa Texas Instruments, Maurice'a Zhanga, który wyjechał do swojej ojczyzny na początku lat 80., aby zbudować swój odnoszący sukcesy biznes. Tam zdał sobie sprawę, że bardziej opłaca się mu produkować płytki półprzewodnikowe dla innych gigantów IT kalibru Della, Intela i Huawei, niż samodzielnie opracowywać procesory czy układy pamięci.

W rezultacie TSMC stało się monopolistą w tej dziedzinie – nawet warunkowe AMD, które w rzeczywistości jest producentem chipów, zleca większość prac na Tajwan. Dlatego im droższa produkcja mikroukładów, tym silniejsze stają się pozycje TSMC.

Gdzie i dlaczego zniknęli?


W 2020 roku pandemia zakłóciła delikatną równowagę na rynku elektroniki, tak jak kilka głodnych tygrysów wypuszczono na plażę dla leniwców. Z powodu masowych blokad i braku zrozumienia tego, co będzie dalej, łańcuchy produkcyjne zbłądziły. Popyt na mikroczipy wzrósł ze względu na komputeryzację samochodów, ogłoszono blokady w krajach, w których działają fabryki chipów, a ze względu na masowe przejście na pracę zdalną wzrosło zapotrzebowanie na laptopy, co jeszcze bardziej pogorszyło sytuację.


Pod koniec 2020 roku producenci samochodów i elektroniki w Japonii, Korei Południowej i Chinach zaczęli mówić o braku mikroukładów. Wtedy przyczyną braku chipów były hurtowe zakupy chipów przez chińskich gigantów technologicznych Huawei Technologies i Xiaomi, pożar w fabryce chipów w Japonii i blokady w Azji Południowo-Wschodniej. Według danych na początek 2021 r. zapotrzebowanie na mikroukłady było o 10-30% wyższe niż podaż. Wtedy niedobór szybko rozprzestrzenił się na rynek konsol i kart graficznych. Kryzys uderzył jednocześnie we wszystkie obszary, zarówno te szybko rozwijające się, jak i te, które siedzą cicho w kącie i nikogo nie dotykają.

Które branże ucierpiały najbardziej?

Początkowo chodziło o sprzęt komputerowy – przede wszystkim karty graficzne, które kupują górnicy, oraz komputery/laptopy, na które zapotrzebowanie dramatycznie wzrosło po przejściu wielu firm na pracę w domu. Nieco później okazało się, że nie wszystko jest takie proste, a branża motoryzacyjna, branża komunikacyjna, gigantyczny rynek smartfonów, producenci konsol do gier, a nawet wojsko cierpią na brak półprzewodników. Na poniższym slajdzie możesz zobaczyć, ile zasobów potrzebuje każda branża.


W pierwszych miesiącach kryzysu projektowano go wyłącznie na rynek kart wideo, po czym gracze wyruszyli na świętą wojnę z górnikami. Na Twitterze to prawda. Jednocześnie szefowie Apple, Samsunga i innych firm produkujących smartfony zapewniali swoich fanów, że nie zabraknie. Nieco później szef Apple, Tim Cook, zmienił rekord, mówią, że niektórych szczegółów będzie brakować, ale nie wpłynie to na ogólny obraz, nie należy się martwić, każdy dostanie swojego iPhone'a.

Jednak zaraz po prezentacji iPhone'a 13 Bloomberg opublikował materiał, że Apple wciąż obniża tempo produkcji o 11%. Broadcom i Texas Instruments pozostały ostatnimi, które nie mogły nawiązać produkcji komponentów do Face ID i modułów komunikacji bezprzewodowej w wymaganej ilości. Równolegle Samsung i Xiaomi narzekali na brak podzespołów. Wszystko to prowadzi do tego, że producenci smartfonów albo odmawiają wejścia na rynki obce, albo podnoszą ceny. Na przykład Google ogłosił już, że Pixel 5a będzie sprzedawany wyłącznie w Stanach Zjednoczonych i Japonii. A Xiaomi już podnosi ceny niektórych popularnych smartfonów. Tak więc oficjalna cena Redmi Note 10 wzrosła o 8% z 161 USD do 174 USD.


I podczas gdy producenci smartfonów szukali rozwiązania, rynek komputerowy był mieszanką ekscytacji i przerażenia. Zachęcony, ponieważ pandemia doprowadziła do poważnego przegrzania rynku – wiele osób przerzuciło się na pracę domową i kupiło komputer do pracy lub laptop. Według różnych źródeł sprzedaż laptopów w Europie i Stanach Zjednoczonych w czasie pandemii wzrosła o 40-48%. Ogólnie rzecz biorąc, globalny rynek komputerów PC, który obejmuje wszystkie laptopy, komputery stacjonarne i stacje robocze, osiągnął w 2020 r. prawie 80 milionów aktywnych jednostek. Według Canalys jest to najwyższy wzrost rynku od 10 lat.


Cóż, przerażenie wywołał fakt, że niedługo to wszystko się skończy, bo na pewno nie dla wszystkich starczy. Szczególnie mocno ucierpieli artyści, projektanci, animatorzy, specjaliści od efektów wizualnych, twórcy gier i inni profesjonaliści, których praca bezpośrednio zależy od mocy komputera. W przeszłości większość miała domowe laptopy i komputery do prac przygotowawczych, a wszystkie poważne prace wykonywano na potężnych stacjach roboczych. Teraz te stacje robocze musiały być budowane po wygórowanych cenach w domu.

Aha, i nie ma nic do powiedzenia na temat rynku kart wideo. Pamiętacie ogłoszenie NVIDIA Ampere, kiedy dyrektor generalny Jensen Huang obiecał, że karta RTX 3060 rozerwie wszystkich i wszystko, dając graczom 4K? Tak więc naprawdę się zepsuł, ale rok później, zamiast obiecanych 400 USD, ceny zaczynają się od 1000 USD i mogą osiągnąć 1500 USD za wersje z potężnym przetaktowaniem i potrójnym chłodzeniem. A wszystko dlatego, że równolegle z niedoborem półprzewodników rozpoczęła się nowa fala górniczej gorączki. Po tym, jak cena bitcoina przekroczyła pułap 50 000 USD, zakup karty wideo nawet z podwójną marżą zaczął być uważany za szczęście. W efekcie rok 2021 upłynął pod hasłem „czasami wracają”, a gracze na całym świecie otrzymali niepowtarzalną okazję na zakup nowego-starego GeForce GT 1030 lub 1050 Ti po wygórowanych cenach.

W sierpniu 2021 r. Sony CFO Hiroki Totoki obiecał inwestorom, że do wiosny 2022 r. firma wyśle obiecane 22,6 mln konsol PlayStation 5. Nie wiemy, czy inwestorzy mu uwierzyli, ale gracze natychmiast przypomnieli sobie mem o kocie animatorze, który tego nie robi. ufaj nikomu i nie czekaj na nic. Pomimo energicznego tonu przedstawicieli Sony, większość żyjących ludzi widziała nową generację konsol tylko na zdjęciach. Kryzys znacznie przegrzał branżę, obiecane 500 dolarów natychmiast zamieniło się w 1000 dolarów, a większość sprzedanych egzemplarzy kręci się na parkietach sprzedawców.

Na krzyk graczy „jak długo to potrwa”? odpowiedzieli faceci z Toshiby. Jak się okazało, przez ostatni rok pracują na zużycie, a ich menedżerowie przez całą dobę rozwiązują problemy z dostawami przez telefon, ale to nie wystarczy. Według nich nie będą w stanie wypuścić obiecanej liczby kontrolerów pamięci, więc brak konsol potrwa co najmniej do końca 2022 roku. Każdy producent inaczej zareagował na tę wiadomość. Szef Xbox, Phil Spencer, naciska na rozwój usług a la Gamepass i NVIDIA Now, dzięki którym gracze mogą grać w najnowsze gry w branży gier, nie wydając ostatnich pieniędzy na kupowanie gier i sprzętu.


Według Bloomberga, Sony pójdzie w drugą stronę i ponownie zaprojektuje płytkę PS5. Lub znajdź nowego dostawcę, co jest mało prawdopodobne. Cóż, Nintendo zrobiło już podobną sztuczkę z nową konsolą Switch. Podczas gdy wszyscy fani czekali na nowego Switcha Pro z ekranem 4K, Japończycy ograniczyli się do modyfikacji z wyświetlaczem OLED. Sądząc po ozdobnych oświadczeniach ich kierownictwa, w obecnych warunkach fizycznie nie mogli złożyć nowej partii konsol.


Uderzył także w inne branże, które na pierwszy rzut oka nie mają nic wspólnego z zaawansowaną technologią. Na przykład w branży motoryzacyjnej. Nie jest tajemnicą, że dzisiejsze samochody coraz częściej zmieniają się z mechanizmów w gadżety. I nie chodzi tu tylko o „inteligentne” Tesle i zielone pojazdy elektryczne wypchane elektroniką, ale dosłownie o każdy nowoczesny samochód. Według raportu Bloomberga, od początku lat 70. do końca lat 2020. koszt elektroniki wzrósł z 5% do 45%! Półprzewodniki i sterowniki sterujące są potrzebne do poprawnej pracy parkowania, elektrycznych szyb, wycieraczek, systemów audio, nawigacji, komputera pokładowego itp. Jak się okazało, branża motoryzacyjna była zupełnie nieprzygotowana na kryzys. Podczas gdy giganci IT narzekają na deficyt, jednocześnie notując rekordowe przychody, gigant Forda stracił do końca 2021 r. prawie 2,5 miliarda dolarów, General Motors przewiduje stratę około 2 miliardów przychodów, a Nissan nie obliczył jeszcze wszystkich strat. ale już zawiesił produkcję w Meksyku i USA.


Nieoczekiwanie dla wielu ekspertów kryzys uderzył nie w rynek laptopów czy w przychody Apple, które nie sprzedawało paczki nowych iPhone'ów, ale w sektor przemysłowy. Faktem jest, że większość urządzeń elektrycznych korzysta z technologii z przeszłości lub sprzed roku, a wiele istotnych elementów, takich jak płyta kontrolera systemu przeciwpożarowego, jest zbudowanych na rozwiązaniach z początków zera. Wszystko to logicznie doprowadziło do powszechnego wzrostu cen.

Na przykład mikrokontroler Penny STM32F103RCT6 na Aliexpressie podrożał 10-15 razy i praktycznie zniknął ze sprzedaży. To samo dotyczy innych podobnych rzeczy. To, co się dzieje, jest sprzeczne z chęcią nadążania za postępem przez gigantów IT. Na przykład Hynix, który jest największym na świecie producentem chipów RAM, marzy o rozpoczęciu masowej produkcji pamięci DDR5 z końcem 2020 roku. Cofanie się o 10 lat do czasów DDR3 firmy nie jest ani interesujące, ani opłacalne finansowo.

Kiedy wszystko się poprawi?


TSMC twierdzi, że linie są załadowane do pełna, ale nadal nie nadążają za tempem produkcji. W niedawnym oświadczeniu firmy prognoza ponownie się zmieniła - kiedyś obiecywali pokonanie kryzysu do końca 2021 r., teraz radzą zacisnąć pasa przynajmniej na cały 2022 r. W tym przypadku pojawia się pytanie, dlaczego nie rozszerzyć produkcji?

To właśnie ta kwestia jest obecnie zaniepokojona wszystkimi wielkimi rybami w branży IT. Intel ogłosił utworzenie osobnego działu półprzewodników Intel Foundry Services (IFS), który zainwestował już 20 miliardów dolarów. Pieniądze te zostaną przeznaczone na budowę dwóch nowych fabryk w Stanach Zjednoczonych. Nowy dyrektor generalny Intela, Pat Gelsinger, uważa, że pojawienie się kolejnego gracza na rynku chipów pomoże rozwiązać popyt w każdej branży, od gier po motoryzację. TSMC, pod presją Apple i Qualcomm, ogłosiło, że w ciągu najbliższych 3 lat zainwestuje około 100 miliardów dolarów w rozbudowę i modernizację istniejących fabryk.


Równolegle TSMC ogłosiło utworzenie spółki joint venture z Sony o nazwie Advanced Semiconductor Manufacturing (JASM). Zbudowano dla niego nowy zakład w Japonii, który będzie wytwarzał chipy wyłącznie przy użyciu przestarzałych technologii procesowych 22 i 28 nm, co pomoże uporać się z niedoborem półprzewodników w sektorze motoryzacyjnym i przemysłowym. Wstępny koszt projektu wyniesie 7 miliardów dolarów.

Nie należy jednak liczyć na szybką transformację. Według Adama Khana, założyciela AKHAN Semiconductor, szeroki kryzys podaży może trwać do drugiego kwartału 2022 roku, co uważa za „zachęcający”. Cóż, pełne przystosowanie się do nowych realiów branży półprzewodników może zająć dekadę.

Powodów jest kilka. Po pierwsze, zmarnowano dużo czasu. Ze względu na początkowe optymistyczne prognozy producenci nie spieszyli się z inwestycjami w linie produkcyjne, aby później nie okazało się, że nie będzie komu sprzedawać dodatkowych produktów. Po drugie, budowa jednego lub dwóch zakładów na świecie niczego nie rozwiąże. TMC przewiduje, że nowa linia w Arizonie, która zainwestowała w produkcję około 20 miliardów dolarów, będzie w stanie pokryć nie więcej niż 2% całkowitej rocznej produkcji półprzewodników.


Po trzecie, i to jest bardzo ważne, pośpiech nie jest korzystny dla wszystkich. Na przykład, bez względu na to, jak kierownictwo NVIDIA przeklina górników i przeprasza graczy, firma świetnie zarabia na obecnej sytuacji. Pod względem finansowym rok 2021 był dla niej rekordowy – zysk netto wzrósł z 662 mln USD do 2,37 mld USD w porównaniu z rokiem ubiegłym, cena akcji NVIDII wzrosła ponad 2-krotnie, a pod względem kapitalizacji rynkowej firma wyprzedziła takich gigantów jak Visa, JPMorgan i Walmart. Co mogę powiedzieć, jeśli w 2021 wydali górniczą wersję starej karty graficznej GTX 1660 z oficjalną ceną 720 USD. Chociaż w momencie premiery w 2019 roku kosztował nie więcej niż 250 USD. Sądząc po raportach kwartalnych, wielu innych gigantów IT, takich jak AMD, Apple i Intel, również wyraźnie podrożało.