Отже, що таке напівпровідники та де їх використовують?


В основі техніки, якою ми щодня користуємося, знаходяться мікрочіпи. Але якщо раніше це більшою мірою стосувалося «складної» техніки на зразок смартфонів і ноутбуків, то сьогодні різко порозумнівші годинники, лампочки, кавоварки та машини також потребують мікропроцесорів та мікроконтролерів. У машині електроніка може бути потрібна для системи паркування чи бортового комп'ютера, розумній кавоварці потрібен процесор для зв'язку зі смартфоном, а розумним годинникам, наприклад, тепер потрібен LTE-модуль. Мікросхеми друкують на кремнієвих пластинах, що складаються з дрібних напівпровідникових кристалів, які мають одну цікаву властивість ― вони проводять електрику не настільки добре, як метали, але і не настільки погано, як більшість ізоляторів. Фактично напівпровідник є критично важливим елементом будь-якої електроніки, будь це суперкомп'ютер NASA, розумна кавоварка, новенькі Apple Watch чи старенький японський телевізор.

Дефіцит кремнію, криза виробництва та роль TSMC


Для виробництва напівпровідників потрібен кремній. Хоча природні запаси кремнію величезні — це 28% маси земної кори, але металевий кремній, який використовується в мікросхемах та автомобілебудуванні, потребує спеціальної обробки, тому так вийшло, що видобуток і обробка кремнію зараз зосереджена в Китаї. І ось в кінці 2019 року уряд Китаю запустив політику зниження енергоспоживання, що й позначилося і на кількості кремнію, який видобувається в країні, і на цінах на нього.

Другою проблемою виявилася нестача виробників мікросхем. У 2000 році у світі було кілька десятків великих виробників інтегральних схем, зараз же все виробництво пішло на аутсорс в Азію, де заправляє тайванська компанія TSMC. Це дітище колишнього керівника Texas Instruments Моріса Чжана, який на початку 80-х поїхав на батьківщину будувати свій успішний бізнес. Там він зрозумів, що йому вигідніше випускати напівпровідникові пластини для інших IT-гігантів калібру Dell, Intel і Huawei, ніж займатися самостійною розробкою процесорів або чіпів пам'яті.

У підсумку TSMC стала монополістом в цій сфері — навіть умовна AMD, яка за фактом є виробником мікросхем, віддає більшу частину роботи на аутсорс в Тайвань. Тому чим сильніше дорожчає виробництво мікросхем, тим міцніше стають позиції TSMC.

Куди й чому вони пропали?


У 2020-му році пандемія порушила крихкий баланс на ринку електроніки, немов на пляж до лінивців випустили парочку голодних тигрів. Через масові локдауни та нерозуміння, що буде далі, збилися цілі виробничі ланцюжки. Так, через комп'ютеризацію автомобілів значно виріс попит на мікрочіпи, в країнах, де працюють фабрики з виробництва цих чіпів, поперемінно оголошували локдауни, а через масовий перехід на віддалену роботу виріс попит на ноутбуки, що ще більше погіршило ситуацію.


В кінці 2020 року про дефіцит мікросхем заговорили виробники авто та електроніки в Японії, Південній Кореї та Китаї. Тоді причиною нестачі чіпів назвали гуртові закупівлі мікросхем китайськими техногігантами Huawei Technologies і Xiaomi, пожежу на заводі з виробництва мікросхем в Японії, а також локдауни в Південно-Східній Азії. Згідно з даними на початок 2021 року попит на мікросхеми на 10 – 30% перевищував пропозицію. Потім дефіцит швидко перекинувся на ринок консолей і відеокарт. Криза вдарила відразу по всіх сферах, причому як швидкозростаючих, так і по тих, що сидять тихо в кутку і нікого не чіпають.

Які галузі постраждали найбільше

Спочатку мова йшла про комп'ютерну техніку ― в першу чергу відеокартах, які скуповують майнер, і комп'ютерах/ноутбуках, попит на які різко виріс після того, як багато компаній перейшли на роботу з дому. Трохи пізніше виявилося, що все не так вже й просто, і від нестачі напівпровідників постраждала автомобільна промисловість, сфера комунікації, гігантський ринок смартфонів, виробники ігрових приставок і навіть військові. На слайді нижче ви можете дізнатися, в якій кількості ресурсів потребує кожна індустрія.


У перші місяці кризу проектували виключно на ринок відеокарт, після чого геймери пішли священною війною на майнерів. У Твіттері так точно. Водночас глави Apple, Samsung та інших компаній виробників смартфонів запевняли своїх шанувальників у тому, що дефіциту не буде. Трохи пізніше глава Apple Тім Кук змінив платівку, мовляв, якісь деталі все ж таки будуть в дефіциті, але на загальну картину це не вплине, переживати не варто, кожен бажаючий отримає свій айфон.

Однак відразу ж після презентації iPhone 13 в Bloomberg вийшов матеріал про те, що Apple таки знижує темпи виробництва на 11%. Крайніми залишилися компанії Broadcom і Texas Instruments, які не змогли в потрібному об'ємі налагодити виробництво компонентів для Face ID і бездротових модулів зв'язку. Паралельно на брак комплектуючих поскаржилися в Samsung і Xiaomi. Все це призводить до того, що виробники смартфонів або відмовляються виходити на не рідні ринки, або підвищують ціни. Наприклад, Google вже оголосила, що Pixel 5A буде продаватися виключно на території США і Японії. А Xiaomi піднімає ціни на деякі популярні смартфони. Так офіційна ціна на Redmi Note 10 піднялася на 8% з $161 до $174.


І поки виробники смартфонів шукали рішення, на ринку комп'ютерів панувала суміш з натхнення і жаху. Натхнення тому, що пандемія призвела до сильного перегріву ринку ― багато людей перейшли на домашню роботу і перейнялися покупкою робочого комп'ютера або ноутбука. За різними даними продажі ноутбуків в Європі та США в період пандемії зросли на 40 – 48%. В цілому світовий ринок ПК, в який входять всі ноутбуки, настільні комп'ютери та робочі станції, ще у 2020-му році досяг позначки в майже 80 млн активних одиниць. За даними Canalys це найвищий ріст ринку за останні 10 років.


Ну а жах викликав той факт, що скоро все це скінчиться, адже добра абсолютно точно не вистачить на всіх охочих. Особливо сильно вдарило по художниках, дизайнерах, аніматорах, фахівцях з візуальних ефектів, розробниках ігор та інших спеціалістах, чия робота безпосередньо залежить від потужності комп'ютера. Раніше у більшості були домашні ноутбуки та комп'ютери для підготовчої роботи, а вся серйозна робота велася на потужних робочих станціях. Тепер ці робочі станції довелося втридорога збирати дома.

Ох, а про ринок відеокарт і говорити нічого. Пам'ятаєте анонс NVIDIA Ampere, коли глава компанії Дженсен Хуанг обіцяв, що картка RTX 3060 порве всіх і вся, давши геймерам народний 4K? Так ось, вона і правда порвала, але через рік замість обіцяних $400 цінники на неї стартують з $1000 і можуть досягати $1500 за версії з потужним розгоном і потрійним охолодженням. А все тому, що паралельно з дефіцитом напівпровідників розпочалась нова хвиля майнінгової лихоманки. Після того, як курс біткоїна пробив стелю в $50 000, купівля відеокарти навіть з подвійною націнкою стала вважатися удачею. У підсумку 2021 рік пройшов під гаслом «Іноді вони повертаються», а геймери всього світу отримали унікальну можливість купити втридорога нову-стару GeForce GT 1030 або 1050 Ti.

У серпні 2021 року фінансовий директор Sony Хірокі Тотокі пообіцяв інвесторам, що компанія до весни 2022 року відвантажить обіцяні 22.6 мільйонів консолей PlayStation 5. Не знаємо, чи повірили йому інвестори, але геймери одразу ж пригадали мем про кота-аніматора, який нікому не вірить і нічого не чекає. Попри бадьорий тон представників Sony, більшість з нині живих людей бачили консолі нового покоління лише на картинках. Криза сильно перегріла індустрію, обіцяні $500 одразу ж перетворилися в $1000, а більшість проданих екземплярів бовтаються на торгових майданчиках у перекупників.

На крик геймерів «Допоки це буде продовжуватися?» відповіли хлопці з Toshiba. Як виявилося, останній рік вони працюють на знос, а їх менеджери цілодобово розв'язують питанням з постачаннями в телефонному режимі, але цього мало. За їхніми даними вони не можуть випустити обіцяну кількість контролерів пам'яті, тому дефіцит консолей триватиме як мінімум до кінця 2022 року. Кожен виробник по-своєму відреагував на цю новину. Глава Xbox Філ Спенсер напирає на розвиток сервісів а-ля Gamepass і NVIDIA Now за допомогою яких геймери можуть грати в новинки ігропрома, не витрачаючи останні гроші на покупку ігор і заліза.


За даними Bloomberg Sony піде іншим шляхом і знову змінить дизайн друкованої плати PS5. Або знайде нового постачальника, що малоймовірно. Ну, а Nintendo вже провернула подібний фокус з обновкою консолі Switch. Поки всі фанати чекали новий Switch Pro з 4K екраном, японці обмежилися модифікацією з OLED-дисплеєм. Судячи з витіюватих заяв їхнього керівництва в нинішніх умовах вони фізично не могли заново зібрати нову партію консолей.


Вдарило і по інших галузях, які, на перший погляд, ніяк не пов'язані з високими технологіями. Наприклад, по автопрому. Не секрет, що сучасні автомобілі все більше і більше перетворюються з механізмів в гаджети. І мова тут не тільки про «розумні» Тесли та напхані електронікою зелені електромобілі, а буквально про будь-яку сучасну машину. Згідно зі звітом Bloomberg в період з початку 70-х по кінець 2020-х років вартість електроніки зросла з 5% до 45%! Напівпровідники та керуючі контролери потрібні для коректної роботи паркінгу, склопідіймачів, двірників, аудіосистеми, навігації, бортового комп'ютера і т.д. Як виявилося, автомобільна промисловість була абсолютно не готова до кризи. Поки IT-гіганти скаржаться на дефіцит, паралельно реєструючи рекордні доходи, гігант Ford до кінця 2021 року недорахувався майже $2.5 млрд, General Motors прогнозує втрату близько $2 млрд виручки, а компанія Nissan ще не порахувала всі збитки, але вже призупинила свої виробництва в Мексиці та США.


Несподівано для багатьох експертів, криза вдарила не по ринку ноутбуків чи виручці Apple, яка недопродала пачку нових айфонів, а по промисловій сфері. Річ у тім, що більшість електротехнічних товарів використовують технології минулого або позаминулого покоління, а безліч життєво важливих речей, на зразок плати контролера пожежної системи, побудовані на розробках початку нульових. Все це логічно призвело до повсюдного зльоту цін.

Наприклад, копійчаний мікроконтролер STM32F103RCT6 на Aliexpress подорожчав в 10-15 разів і практично пропав з продажу. Теж саме торкнулося й іншої подібної дрібниці. Те, що відбувається йде всупереч з бажанням IT-гігантів не відставати від прогресу. Наприклад, Hynix, яка є найбільшим у світі виробником чіпів оперативної пам'яті, з кінця 2020 року мріє приступити до масового виробництва пам'яті DDR5. Повертатися на 10 років тому за часів DDR3 компанії і не цікаво, і фінансово не вигідно.

Коли все налагодиться?


У TSMC кажуть, що лінії завантажені під саму зав'язку, але вони все одно не справляються з темпами виробництва. У недавній заяві компанії прогноз знову змінився — раніше обіцяли перемогти кризу до кінця 2021 року, тепер радять затягнути пояси як мінімум на весь 2022 рік. У такому випадку виникає питання, а чому б не розширити виробництво?

Саме цим питанням нині стурбована вся велика риба в IT-індустрії. Intel оголосила про створення окремого напівпровідникового підрозділу Intel Foundry Services (IFS), в який вже вклали 20 млрд доларів. Ці гроші будуть витрачені на будівництво двох нових фабрик на території США. Новий генеральний директор Intel Пет Гелсінгер вважає, що поява ще одного гравця на ринку мікросхем допоможе вирішити попит в будь-якій індустрії — від ігрової до автомобільної. TSMC під тиском Apple і Qualcomm оголосила, що в найближчі 3 роки вкладе близько $100 млрд в розширення і модернізацію вже побудованих заводів.


Паралельно TSMC оголосила про створення спільного з Sony підприємства Advanced Semiconductor Manufacturing (JASM). Для нього побудований новий завод в Японії, який буде виготовляти чіпи виключно за застарілими 22-м і 28-нм техпроцесам, що допоможе впоратися з дефіцитом напівпровідників в автомобільній і промисловій галузях. Попередня вартість проєкту складає $7 мільярдів.

Однак сподіватися на швидку трансформацію не варто. На думку Адама Хана, засновника AKHAN Semiconductor, криза може тривати до другого кварталу 2022 року, причому такій сценарій він розглядає як «обнадійливий». Ну а на те, щоб повністю пристосуватися до нових реалій напівпровідникової індустрії може знадобитися десятиліття.

На це є кілька причин. По-перше, було втрачено багато часу. Через початкові оптимістичні прогнози виробники не поспішали вкладатися у виробничі лінії, щоб потім не виявилося, що додаткову продукцію нікому продавати. По-друге, спорудження одного-двох заводів глобально нічого не вирішить. За прогнозами TMC нова лінія в Арізоні, у виробництво якої вклали близько 20 мільярдів доларів, зможе покривати не більше 2% від усього щорічного об'єму вироблених напівпровідників.


По-третє, і це дуже важливо, поспіх вигідний далеко не всім. Наприклад, якби керівництво NVIDIA не лаялося на майнерів і не вибачалося перед геймерами, компанія відмінно заробляє на ситуації, що склалася. У фінансовому плані 2021 рік став для неї рекордним — чистий прибуток у порівнянні з минулим роком підвищився з 662 млн до 2.37 млрд доларів, ціна акції NVIDIA зросла у 2 з гаком рази, а за ринковою капіталізацією компанія обігнала таких гігантів, як Visa, JPMorgan і Walmart. Що тут говорити, якщо у 2021 році вони випустили майнерску версію старої відеокарти GTX 1660 з офіційним прайсом в $720. Хоча на момент релізу у 2019 році вона коштувала не більше $250. Судячи з квартальних звітів, багато інших IT-гігантів калібру AMD, Apple та Intel теж помітно подорожчали.