Semiconductor для чего нужен
Дефицит полупроводников останавливает мировой автопром. Что происходит?
Рост спроса на высокопроизводительные компьютеры в пандемию, когда большинство людей перешли на удаленную работу, спровоцировал дефицит чипов в других отраслях производства. Крупные мировые производители техники и целые отрасли столкнулись с проблемами в поставках — в частности, из-за нехватки полупроводников остановились автомобильные заводы. Разбираемся, как дефицит полупроводников влияет на крупные компании и что будет дальше.
Причины нехватки полупроводников — пандемия и Дональд Трамп
Среди причин глобального сокращения полупроводников называются две основные: последствия пандемии и торговых войн США и Китая, начатых при президенте Дональде Трампе.
Негативно на поставках полупроводников сказалось и торговое противостояние США и Китая. В прошлом году власти Штатов наложили ограничения на крупнейшего китайского производителя чипов Semiconductor Manufacturing International (SMIC). В результате компания осталась без возможности закупать оборудование для производства и продавать полупроводники американским компаниям. Заказчики были вынуждены сотрудничать с его конкурентами — например, Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSMC). Как итог — произошло серьезное перераспределение цепочек поставок чипов.
Многие производители полупроводников сейчас — это так называемые «безфабричные производства» (англ. fabless). Они лишь разрабатывают технологию, а само производство чипов передают на аутсорс.
Но некоторые компании заранее подготовились к возможным сбоям и закупили полупроводники еще до введения жестких санкций против китайского бизнеса. Так поступила Huawei, сделавшая запасы важных для нее радиочипов. Среди автопроизводителей так сделала Toyota, заявившая, что не планирует сокращать производство, так как накопила запасы полупроводников на четыре месяца вперед.
Из-за дефицита чипов больше всего пострадали автопроизводители
Сильнее всего нехватка полупроводников ударила по автопроизводителям, которые используют их для программного обеспечения машин. О приостановках или замедлении в выпуске автомобилей уже заявили GM, Ford, Volkswagen, Honda, Fiat Chrysler, Volvo, Nissan, Mitsubishi, Nio.
Дефицит микросхем задел производителей процессоров для электроники Qualcomm и AMD, поставляющих детали для технологических гигантов, в том числе Sony и Microsoft. Sony заявила, что сложности с поставками полупроводников могут привести к дефициту игровых консолей PlayStation 5. Даже Apple не справляется с нехваткой полупроводников — компания не может полностью закрыть высокий спрос на новые модели iPhone.
Автомобильные производства конкурируют с технологическими компаниями за поставки чипов не напрямую, так как для автомобилей не всегда нужны столь же современные полупроводники, как и для гаджетов. Они покупают чипы, которые как управляют основными процессами в машине, так и используются в более второстепенном ПО.
Особенность цикла цепочек поставок в автопроизводстве — все детали закупаются точно к моменту сборки, запасов на будущее не делается. Но отсутствие даже одного чипа может остановить производственную линейку крупного завода.
По значимости для производителей чипов автомобилестроительные компании на втором месте после технологических, так как создатели гаджетов заключают долгосрочные контракты на поставку. В 2020 году только 3% продаж TSMC приходилось на автомобильные чипы, а на полупроводники для смартфонов — 48%.
Что происходит с автомобильными компаниями из-за дефицита полупроводников
Honda — останавливает шесть заводов в США, Канаде и Мексике.
Hyundai — сократил работу в выходные дни, чтобы скорректировать производство таких брендов, как Kona, Avante, Grandeur и Sonata.
Volvo — сократил производство грузовиков по всему миру.
Nissan — скорректирует производства на заводах в США и Мексике.
Nio — приостановила производство автомобилей на заводе Хэфэй. Компания снизила прогноз по производству на первый квартал до 19,5 тыс. единиц (предыдущий прогноз: 20–20,5 тыс. единиц).
Toyota — приостановила производство в Чехии.
Volkswagen — приостановил производство на заводе в Португалии.
Mitsubishi — сократил производство на внутреннем рынке на 4–5 тыс. единиц в марте и пересматривает производственный план на апрель.
Какие еще факторы влияют на дефицит полупроводников
TSMC — главный бенефициар дефицита полупроводников
Главные производители чипов на данный момент — тайваньская TSMC и южнокорейский Samsung. TSMC контролирует более половины мирового рынка микросхем, изготавливаемых на заказ. Сейчас компания строит новый завод. Предполагается, что полупроводники с нового производства станут на 70% более быстрыми и эффективными, чем прежние. Производство будет запущено в 2022 году.
Производством чипов занимается и Intel, однако американская компания не справляется с этой задачей на 100% и часть работ передает на аутсорс TSMC. По данным Financial Times, Intel уже обговаривает возможное партнерство с TSMC по новому производству в Тайване. Аналитик по производству микросхем в Bernstein Марк Ли считает, что в 2023 году Intel передаст TSMC на аутсорс 20% производства процессоров.
В феврале TSMC объявила о создании дочерней компании в Японии для проведения исследований в области новых полупроводниковых материалов.
По мнению аналитиков, одна из ключевых причин, по которой TSMC настолько эффективна и прибыльна, это концентрация производства в Тайване. По оценкам приближенных к компании людей, производственные затраты в США будут на 8–10% выше, чем в Тайване.
Европейские компании занимаются разработкой полупроводников, но избегают создания собственных производств, а вместо этого передают большую часть работ сторонним компаниям вроде TSMC. Поэтому производство микросхем в Европе на несколько поколений отстает от лидеров отрасли, таких как TSMC и Samsung. Остальные мелкие производители серьезно уступают лидерам в технологиях и производственных мощностях.
Проблема с нехваткой полупроводников начинает набирать все большие обороты: правительства и компании уже высказывают обеспокоенность тем, что дефицит микросхем может замедлить восстановление экономики после пандемии.
Samsung предупреждает, что сбои с поставками чипов могут распространиться и на более широкий технологический сектор.
В исследовательской компании TrendForce считают, что общеотраслевые усилия по ускорению производства автомобильных микросхем могут привести к замедлению поставок полупроводников для бытовой электроники и промышленных приложений.
Больше новостей об инвестициях вы найдете в нашем аккаунте в Instagram
Компания ON Semiconductor: откуда, куда, зачем
Компания ON Semiconductor Corporation (штаб-квартира находится в городе Феникс (Phoenix), шт. Аризона, США) была выделена из компании Motorola в августе 1999 года. Как теперь становится ясным, это был один из первых шагов Motorola на пути реструктуризации бизнеса и избавления от «непрофильных активов», которые появились на рынке в виде компаний ON Semiconductor, Freescale Semiconductor, подразделения Embedded Communications Computing Group (ECC), приобретенного корпорацией Emerson.
Компания ON Semiconductor в качестве «стартового капитала» получила от Motorola бизнес материнской компании в части производства дискретных полупроводниковых компонентов (диоды, транзисторы, тиристоры). В марте 2000 года в состав ON Semiconductor вошла компания Cherry Semiconductor Corporation, которая «принесла» с собой аналоговые интегральные микросхемы и решения для силовой электроники и автоэлектроники. Это приобретение «включило» в список заказчиков ON Semiconductor такие компании, как Chrysler, Ford и General Motors.
Перешедшая в новую «весовую категорию», ON Semiconductor разместила в мае 2000 года свои акции на публичном рынке. Их основной пакет (70%) сохранила у себя инвестиционная компания Texas Pacific Group (которая при выделении первоначального бизнеса ON Semiconductor из Motorola имела 90% акций), 7% акций оставила за собой Motorola, а 23% акций были проданы на публичных торгах.
Дальнейшее развитие основных фондов ON Semiconductor шло по пути приобретения надежных активов. В 2006 году таким приобретением стало производство компании LSI Logic в Грешеме (Gresham), шт. Орегон, США. Новые производственные площади включали более 9 тыс кв. метров «чистых» комнат при общей площади около 45 тыс. кв.м. Это существенно расширило производственные возможности ON Semiconductor, особенно если при этом учесть опыт персонала. Бывшие сотрудники LSI Logic принесли в компанию ON Semiconductor опыт постановки субмикронных технологий для производства аналоговых и цифровых компонентов и поддержки собственно производства. Приобретенное у LSI Logic оборудование позволяло достичь проектных норм в 0,18 мкм, а в перспективе — перейти на производственный процесс с топологией 0,13 мкм.
Развитие производственной базы было важно для компании ON Semiconductor, которая к этому времени имела двести прямых заказчиков и более трехсот непрямых OEM-заказчиков. Компания к этому времени активно работала на рынках компьютерной техники, автоэлектроники, потребительской и промышленной электроники, беспроводной связи и сетевого оборудования. Список оборудования, в котором можно было найти компоненты ON Semiconductor, включал компьютеры, игровые системы, серверы, встроенные системы промышленного оборудования и автомобилей, маршрутизаторы, коммутаторы, системы хранения данных в сети и автоматизированное контрольно-измерительное оборудование, включал портативные приборы. В сотовых телефонах четырех из пяти ведущих компаний-производителей стояли компоненты ON Semiconductor. Компания стала надежным поставщиком фильтров защиты от электромагнитных помех, аналоговых коммутаторов, аудиоусилителей, DC/DC-регуляторов, драйверов светодиодов для портативных терминалов беспроводной связи. Открытие инженерного центра по разработке решений (Solution Engineering Center) в Сеуле (Корея) позволило компании наладить поставки корейским производителям сотовых телефонов и портативных цифровых устройств.
Для закрепления на рынке Азии/Тихоокеанского региона компания ON Semiconductor открыла инженерный центр по разработке решений в Тайпее (Taipei) на Тайване. Основными направлениями работы центра стала поддержка заказчиков, заинтересованных в создании надежных решений для систем питания компьютеров и решений «общего назначения» в области преобразования характеристик источников питания.
К середине первого десятилетия нового века относятся серьезные внедрения продуктов ON Semiconductor в проекты автомобилестроителей США: компания выпустила ряд микросхем для интерфейса CAN, расширила свою линейку регуляторов напряжения. Развитию поддержки европейских производителей автоэлектроники со стороны компании ON Semiconductor способствовало открытие ею летом 2007 года инженерного центра по разработке решений в Мюнхене (Германия). В задачи мюнхенского центра входит разработка систем питания для климат-контроля, встроенных систем управления различными кузовными функциями, трансмиссией, а также питания систем безопасности и развлечений.
В конце 2007 года компания ON Semiconductor приобрела у Analog Devices бизнес, связанный с производством регуляторов напряжения и компонентов для мониторинга тепловых режимов компьютерных систем.
В начале 2008 года ON Semiconductor завершила приобретение AMIS Holdings. С этим приобретением компания связывает возможность своего присутствия на рынке медицинского оборудования и военных/аэрокосмических приложений, где до сих пор присутствие компании ON Semiconductor в общей деловой активности составляло по нескольку процентов.
На протяжении последних десяти лет AMIS Holdings имел прочные контакты с производителями медицинских систем, поставляя для них решения цифровой и смешанной обработки сигналов, а также сенсорные решения для имплантируемого оборудования и оборудования медицинской диагностики, использующего системы графического отображения. С разработчиками военных и аэрокосмических систем AMIS Holdings сотрудничал более 30 лет. Специализированные цифровые микросхемы и микросхемы для смешанной обработки сигналов AMIS Holdings используются в «интеллектуальных» системах наведения ракет и системах управления полетом гражданских самолетов.
Можно предположить, что и бизнес AMIS Holdings в промышленном секторе (Industrial) не окажется лишним для ON Semiconductor, хотя доля этого сегмента рынка в деловых операциях компании составляет около 15%. Это несколько меньше, чем дают сектора компьютерной техники и автоэлектроники, однако из-за «подвижности» ситуации на компьютерном рынке, а также на рынке сотовой телефонии поддержка операций на промышленном сегменте может оказаться не лишней.
AMIS Holdings был представлен практически во всех приложениях этого рынка, но самыми интересными сегодня в плане развития могут быть продукты для создания сенсорных интерфейсов, коммуникационных интерфейсов и интерфейсов для работы с низко- и высоковольтными сигналами. Это связано с повышенным вниманием промышленности к «сквозной» автоматизации и «безлюдным» технологиям управления и контроля оборудованием.
На сегодняшний день компания предлагает широкий спектр продуктов, используемых для управления питанием, работы с аналоговыми сигналами, в системах цифровой и смешанной обработки сигналов, формирования тактовых сигналов и их распределения. Компоненты, предлагаемые ON Semi для систем управления питанием, позволяют реализовать все необходимые для создания полнофункциональной системы возможности – мониторинг и управление, преобразование напряжений и защиту электрических цепей. Специализированные интегральные микросхемы ON Semiconductor для аналоговой, цифровой и смешанной обработки сигналов и реализации логических функций лежат в основе «интеллекта» многих автомобильных, медицинских и военных систем, изделий для потребительского и промышленного рынка. Практически для всех типов электронных устройств нужны в качестве «строительных блоков» стандартные компоненты компании. В доходах ON Semiconductor специализированные микросхемы и стандартные компоненты составляют приблизительно равные доли.
На НИОКР в компании направляется около 8% доходов, в 2007 году в продуктовой линейке ON Semiconductor появилось 171 новое семейство продуктов, в первом квартале 2008 года — 36.
Сегодня компания имеет 580 прямых заказчиков по всему миру и более 200 OEM-производителей она обеспечивает соей продукцией через дистрибьюторов. В числе потребителей продукции ON Semiconductor — компании Motorola, Delta, Hewlett-Packard, Hella, Schneider, GE, Samsung, Continental Automotive Systems, Siemens, Honeywell, Apple, Dell, Nokia, Intel и Sony.
ШИМ-стабилизатор с функциями секвенсора и автоматическим слежением
Компания ON Semiconductor представила семейство двухвыводных широтно-импульсных понижающих стабилизаторов NCP312x, предоставляющих возможности автоматического слежения и функции задания последовательности. Основанные на интегрированных MOSFET-транзисторах, обеспечивающих силу тока на выходе 2 A (NCP3120, NCP3122) или 3 A (NCP3121, NCP3123) с частотой переключения до 2,2 MГц., эти компоненты приспособлены для использования в разнообразных системах. Способности автоматического слежения и задания последовательности делают возможными точную синхронизацию и управление обоими выходными каналами.
Цифровой процессор обработки сигналов или логическая матрица, программируемая пользователем, требуют универсальных источников питания, вырабатывающих ток различного уровня с особым расчетом времени для каждого. Эта регуляция по времени предотвращает условия несрабатывания, способные вызвать отказ системы в рабочей обстановке.
Линейка NCP312x обеспечивает программируемое определение коэффициента, последовательный контроль и контроль искажений для управления режимом напряжения во время пуска и выключения. Кроме того, несколько компонентов линейки NCP312x можно соединить в шлейфовую цепь для управления многоканальным выходом. Преобразователи этого семейства понижают емкостные требования на входе путем переключения на 180° при рассинхронизации фазы при частоте от 200 кГц до 2,2 МГц. Эта синфазная операция позволяет использовать один недорогой электролитический или керамический конденсатор для входного фильтра вместо двух конденсаторов в стандартной конфигурации. Выходы также могут быть параллельными, что предусматривает установку одного двухфазного регулятора с низким пульсирующим напряжением.
Модели NCP3120, NCP3121, NCP3122 и NCP3123 доступны в корпусах QFN-32
Производство микрочипов: как это работает
В то время как число компаний-разработчиков микрочипов во всем мире исчисляется сотнями, если не тысячами, «штампуют» полупроводниковые изделия лишь три десятка крупных компаний. Причем ряд производителей загружает свои заводы исключительно сторонними заказами, ничего не выпуская под собственным брендом.
Специфика производства
Производство микрочипов – дело сложное, так как состоит из пяти основных этапов, каждый из которых включает множество мелких операций. Начинается все с механической обработки полупроводниковых пластин (чаще всего кремниевых), которые должны соответствовать высочайшим стандартам качества: правильная геометрия и кристаллографическая ориентация, а также стопроцентная чистота поверхности.
Чистота достигается путем тщательной химической обработки (жидкостным или газовым травлением), чтобы удалить поврежденный слой полупроводника, если таковой имеется. Очищенные пластины могут быть как заготовками для дальнейшего производства, так и всего лишь подложками.
На втором этапе наращивают слой полупроводника (опять-таки кремния) путем осаждения атомов на подложку. Так формируют новый слой полупроводника, по своей кристаллической структуре напоминающий подложку. Наращенный слой полупроводника легируют для защиты от последующих примесей.
Третий этап подразумевает фотолитографию рельефа на пластине, а затем добавление электрически активных примесей для разделения кремния на p- и n-зоны. Делается это методом термической диффузии фосфора и бора в слой кристаллического кремния.
Машина для «выпекания» полупроводниковых пластин
На четвертом этапе формируют контакты и пассивные элементы на полупроводниковой пластине. Путем вакуумного напыления тончайшего слоя металла создают дорожки, а добавлением оксидов специальных сплавов – резисторы и конденсаторы.
Современные технологические нормы позволяют поверх основного слоя полупроводника наносить дополнительные слои (3D-архитектура), после чего все вышеупомянутые процедуры повторяются. Когда все необходимые слои и элементы нанесены на «вафлю», ее еще раз очищают от дефектов и загрязнений, а затем сушат в центрифуге или термошкафу.
Готовая к нарезке полупроводниковая «вафля»
На завершающем этапе полупроводниковые пластины тестируют зондовыми головками на специальных установках, после чего разрезают на отдельные кристаллы. К кристаллам крепятся контакты и все это вместе упаковывается в герметичный корпус. Готовые чипы еще раз тестируют, чтобы избежать попадания брака в продажу.
Intel (Санта-Клара, штат Калифорния, США)
В 1989 году Intel сумела первой среди производителей полупроводников преодолеть психологический рубеж в 1 мкм: с 1,5-мкм техпроцесса она перешла сразу на 0,8 мкм. И вот уже два десятилетия Intel, следуя закону Мура, с интервалом в два года переходит на новые, более утонченные нормы производства.
Заводов во владении компании Intel полтора десятка, причем разбросаны они по всему миру: США, Китай, Ирландия, Израиль. Покупая участок земли, Intel заведомо берет больше, чем нужно для строительства одного завода, чтобы в будущем достроить рядом дополнительные производственные мощности. Старейшие из нынче действующих заводов Intel – Fab 25 в городе Остин (штат Техас, США) и Fab 10 в Лейкслип (Ирландия) – были введены в эксплуатацию еще в 1994 году.
Производственный комплекс Intel (заводы Fab 10, Fab 14 и Fab 24) в Ирландии
А в 2013 году заработали две американские «новостройки» Intel: завод D1X в Хиллсборо (штат Орегон) и Fab 42 в Чандлере (штат Аризона). Именно на них будут выпускаться 14-нм процессоры Intel Broadwell, которые уже в следующем году придут на смену 22-нм Haswell. Заводы D1X и Fab 42 построены как раз по принципу «пристройки»: в городе Хиллсборо это уже третий завод Intel, а в Чандлере – четвертый.
Новенький завод Intel D1X в Хиллсборо
А вот в китайском городе Далянь у Intel всего лишь один завод под названием Fab 68, да и выпускаются на нем чипы, так сказать, не первой свежести – 65-нм. Выпускать в других странах чипы по новейшему техпроцессу, и соответственно подвергать научные разработки риску утечки, компании Intel строго-настрого запретили власти США.
На заводе Intel кипит работа
Долгое время Intel выпускала на принадлежащих ей фабриках исключительно собственные процессоры и чипсеты. Но времена меняются и поговаривают, что вскоре заводы Intel откроют двери всем желающим. Первым же возможным заказчиком Intel называют американского гиганта сетевого оборудования Cisco.
TSMC (Синьчжу, Тайвань)
Если Intel является крупнейшим производителем полупроводников в мире, то TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) – крупнейшим контрактным производителем. Все производственные линии загружены сторонними заказами, тогда как под своим брендом компания чипы не выпускает. Лишь на некоторых чипах, помимо названия заказчика, проставляется крохотный, еле заметный логотип TSMC.
Завод TSMC Fab 6 в Синьчжу
Заводов у TSMC двенадцать штук: большинство размещены рядом со штаб-квартирой, в тайваньском городе Синьчжу, и еще по одному построено в Китае и США. Среди заказчиков TSMC ходят всемирно известные компании. К примеру, по 28-нм техпроцессу производятся графические чипы AMD и NVIDIA. По слухам, мобильные гаджеты Apple образца 2014 года будут основываться на процессоре А8, который будет производиться на фабриках TSMC.
Оборудование на заводе TSMC
Samsung (Сеул, Южная Корея)
Компания Intel является примером производителя полупроводников, который штампует чипы исключительно для себя, а TSMC – наоборот только на сторону. Нейтральную же позицию заняла южнокорейская компания Samsung, которая помимо чипов оперативной памяти успевает производить ARM-процессоры не только для себя (линейка Exynos), но и для Apple (A5 и A6). Это при том что заводов у Samsung всего лишь два: Line-16 в городе Хвасон (Южная Корея) и S2 в Остине (штат Техас, США).
Производственные линии Samsung
UMC (Синьчжу, Тайвань)
Второй по величине тайваньский производитель полупроводников UMC (United Microelectronics Corporation) построил свои заводы точно там же, где TSMC – в Парке науки и промышленности города Синьчжу. Видимо, власти Тайваня сумели создать действительно благоприятный инвестиционный климат. Пожалуй, самым известным клиентом UMC является компания Qualcomm, которая разместила на тайваньских фабриках крупный заказ на производство мобильных процессоров Snapdragon.
Завод UMC в Синьчжу
IBM (Армонк, штат Нью-Йорк, США)
В 1980-х и начале 1990-х годов IBM наравне с Intel проводили революции на рынке полупроводников – планку 0,8 мкм, а затем и 0,6 мкм компании взяли почти синхронно. Спустя два десятилетия IBM работает исключительно в серверном сегменте рынка ПК, что впрочем не мешает ей выпускать процессоры POWER на собственных производственных линиях. В отличие от исследовательских лабораторий, которые разбросаны по всему миру, заводов у IBM осталось всего два и оба находятся в США: Building 323 в городе Ист-Фишкилл (штат Нью-Йорк) и Burlington Fab в Эссекс-Джанкшн (штат Вермонт).
Завод IBM в Сан-Хосе, который в 1960 году посетил король Таиланда, больше не функционирует
GlobalFoundries (Милпитас, штат Калифорния, США)
В 2009 году в процессе реорганизации бизнеса от компании AMD отделили подразделение, которое занималось непосредственно производством полупроводников, и превратили его в самостоятельное предприятие под названием GlobalFoundries. По наследству GlobalFoundries перешли восемь заводов в США, Германии и Сингапуре. Самые большие заказы GlobalFoundries получает от компаний AMD и IBM. А недавно клиентом GlobalFoundries стала Qualcomm, которой производственных мощностей UMC, видимо, оказалось мало.
Рабочий день на заводе GlobalFoundries в немецком городе Дрезден
STMicroelectronics (Женева, Швейцария)
Корпорация STMicroelectronics появилась в 1987 году в результате слияния итальянской компании Generale Semiconduttori и французской Thomson Semiconducteurs. Позже к STMicroelectronics присоединились и другие компании: британская Inmos, канадская Nortel и микроэлектронное подразделение Alcatel. Заводы STMicroelectronics находятся в Италии (города Катанья и Аграте-Брианца), а также во Франции (Кроль и Руссе). Выпускает STMicroelectronics контроллеры и сенсоры, которые применяются в измерительных приборах, медицинском оборудовании, наземном и воздушном транспорте.
Завод STMicroelectronics
Итоги
Немного жаль, что производители чипов находятся в тени куда более «публичных» компаний-разработчиков. Например, почти каждому пользователю ПК знакома корпорация AMD. Но уже намного меньше людей слышали о TSMC и GlobalFoundries, на заводах которых среди прочего производятся процессоры и графические ускорители AMD.
Но в этом-то и заключается главная особенность современной индустрии микрочипов: одни придумывают, а другие штампуют. В результате работа находится и для одних, и для других.