Wyścig o moce produkcyjne półprzewodników ma wąskie gardło w krysztale kwarcowym

Każdy wafer krzemowy powstaje w tyglu. Wykonany jest z kwarcu tak czystego, by nie zanieczyścić krzemu topionego w temperaturze powyżej 1 400 stopni Celsjusza. Prawie cały kwarc ultra-czysty na świecie pochodzi z małego miasteczka w Górach Błękitnych.

Huragan Helene uderzył w Spruce Pine w Karolinie Północnej pod koniec września 2024 roku. Opady przekroczyły dwa stopy, drogi zostały odcięte, a mieszkańcy zostali bez prądu. Dwie firmy wydobywają tam kwarc ultra-czysty: Sibelco North America i The Quartz Corp. Tom's Hardware 1 października 2024 roku doniósł, że Sibelco potwierdziło wstrzymanie operacji. The Quartz Corp powiedziała The Verge, że jest za wcześnie, by stwierdzić, czy jej zakład produkcji kwarcu wysokiej czystości został dotknięty.

Szkody były trudne do oceny, bo drogi i komunikacja padły. Potem historia się skomplikowała.

Czym naprawdę dostarcza Spruce Pine

Construction Physics opublikowało szczegółową ocenę w listopadzie 2024 roku. Autorzy twierdzą, że powszechne przekonanie, iż cała produkcja półprzewodników zależy od Spruce Pine, jest prawdziwe tylko częściowo. Tygle kwarcowe są niezbędne do większości produkcji chipów, a Spruce Pine to miejsce, skąd pochodzi większość tego surowca. Miasteczko nie jest jednak niepodważalnym punktem centralnym. Istnieją alternatywy, choć w słowach publikacji są to kombinacje niedojrzałości, gorszej jakości i wyższych kosztów.

Liczby z tej analizy warto czytać uważnie. Szacuje się, że Spruce Pine produkuje 180 000 do 200 000 ton kwarcu wysokiej czystości rocznie, według Construction Physics. Publikacja zauważa, że branża kwarcu wysokiej czystości jest niezwykle tajemnicza co do konkretnych danych. Dla porównania, w 2013 roku światowe dostawy kwarcu wynosiły tylko 80 000 ton, w tym średniej, wysokiej i ultra-czystej czystości. W 2015 roku całkowita produkcja kwarcu wysokiej czystości szacowana była na około 30 000 ton.

Przerwanie dostaw nie zatrzymałoby produkcji chipów całkowicie. Oznaczałoby to spadek wydajności i wzrost kosztów. Branża o tym wie: nowe źródła kwarcu i nowe materiały na tygle są badane.

Dlaczego tygiel ma większe znaczenie, niż się wydaje

Większość współczesnych mikrochipów wykonuje się z krzemu o czystości 999 999 999%, znanego jako 9N. Ogniwa słoneczne używają nieco mniej czystego materiału, w zakresie od 6N do 8N. Osiągnięcie tych poziomów wymaga wielu etapów rafinacji. Zaczynają się one od reakcji kwarcu z węglem w piecu łukowym zanurzeniowym, aby wyprodukować krzem metalurgiczny o czystości około 98–99%, który następnie przechodzi proces Siemensa, by stać się polikrystalicznym krzemem.

Krzem monokrystaliczny, potrzebny do mikrochipów i paneli słonecznych wysokiej wydajności, produkuje się niemal wyłącznie procesem Czochralskiego. Polikrystaliczny krzem topi się w tyglu kwarcowym, a nasiono kryształu zanurza się w topniwie i powoli wycofuje, ciągnąc za sobą pojedynczy duży kryształ. Tygiel degraduje się pod wpływem tego ciepła. Zmiany chemiczne powodują, że pęka po ostygnięciu, a producenci mogą wydłużyć jego żywotność, ciągnąc wiele prętów bez chłodzenia pieca. Tygiel jest jednak ograniczony do około 400 godzin pracy. Piec Czochralskiego zużywa około 20–25 tygli rocznie. Jedno opracowanie cytowane przez Construction Physics szacowało, że 30% kosztów produkcji krzemowych prętów monokrystalicznych pochodziło z tygli.

Kwarc wysokiej czystości kosztuje około 10 000 dolarów za tonę, a same tygle kosztują kilka tysięcy dolarów za sztukę.

To jest ekonomia za wąskim gardłem. Tygiel to nie jest materiał eksploatacyjny, którego można łatwo wymienić. Materiał w jego wnętrzu musi pochodzić z miejsca o odpowiedniej geologii.

Budowa mocy dzieje się gdzie indziej

Gdy Spruce Pine radziło sobie z powodzią, rządy wypisywały czeki. Indie przedstawiły schemat produkcji telefonów komórkowych 15 lipca 2026 roku. To program w wysokości 625 000 000 000 rupii, wart około 6 500 000 000 dolarów, trwający pięć lat. Nagradza producentów smartfonów na podstawie kwalifikujących się sprzedaży, z zachętami od 2,25% do 5% oraz dodatkowymi 1,5% za lokalne pozyskiwanie kluczowych komponentów i podzespołów, według TechCrunch. Nowe Delhi zobowiązało się też do dodatkowych 1 280 000 000 000 rupii, około 13 300 000 000 dolarów, na krajową produkcję półprzewodników. To rozszerza program zachęt dla chipów o wartości 10 000 000 000 dolarów uruchomiony w 2021 roku, z większym wsparciem dla sprzętu, materiałów, projektowania i badań nad chipami.

Skala tego, co Indie próbują nadrobić, jest jasna z danych Counterpoint Research cytowanych przez TechCrunch. Chiny odpowiadały za 63% globalnej produkcji smartfonów w 2025 roku, w porównaniu z 18% Indii. Program smartfonowy będzie działał do marca 2031 roku, a rząd oczekuje, że produkcja telefonów komórkowych w tym okresie wyniesie łącznie około 39 000 000 000 000 rupii, czyli około 405 000 000 000 dolarów, tworząc około 60 000 bezpośrednich miejsc pracy. Navkendar Singh, starszy wiceprezes w IDC, powiedział TechCrunch, że nowy program oznacza zmianę z playbooku „złóż więcej” na „głębokość, B+R i lokalne przechwytywanie wartości”.

Malezja stawia na węższą pulę. Kraj posiada 13% globalnego rynku usług pakowania, montażu i testowania chipów, według raportu Malezyjskiej Agencji Rozwoju Inwestycji cytowanego przez CNBC w kwietniu 2024 roku. Wiceminister finansów Amir Hamzah Azizan powiedział Karen Tso z CNBC na wiosennych spotkaniach MFW w Waszyngtonie, że Malezja skorzysta na cyklu wzrostowym półprzewodników i nie uważa Chin, swojego największego partnera handlowego, za rywala. „Myślę, że rzeczywistością jest to, że jest wystarczająco dużo wzrostu, by wystarczyło wszystkim” – powiedział. Stwierdzony kierunek Malezji to odejście od tyłu łańcucha dostaw i przesunięcie się w górę łańcucha wartości, a nie bezpośrednia konkurencja na czołowym froncie.

Malezja to też miejsce, gdzie Texas Instruments otworzył swoją drugą fabrykę montażu i testów w Melaka 6 listopada 2025 roku. Firma mówi, że obiekt będzie montował i testował miliardy chipów rocznie. Własna ekspansja mocy TI przebiega równolegle. 24 października 2024 roku firma ogłosiła, że rozpoczęła produkcję półprzewodników mocy azotku galu w swojej fabryce w Aizu w Japonii, czteroskładając wewnętrzne moce produkcyjne GaN na swoich obiektach w USA i Japonii.

Mohammad Yunus, starszy wiceprezes ds. technologii i produkcji w TI, powiedział w tym ogłoszeniu, że firma zakwalifikowała swoją technologię GaN na waferach 200 mm do masowej produkcji w Aizu. Stwierdził, że TI dąży do zwiększenia wewnętrznej produkcji do ponad 95% do 2030 roku. TI powiedziała również, że z powodzeniem przetestowała procesy produkcji GaN na waferach 300 mm, a jej rozszerzone procesy są w pełni przenaszalne na ten rozmiar.

Dwa wąskie gardła, dwa terminy

Mocy GaN i zachęt do montażu smartfonów można zbudować za pomocą kapitału i polityki. Złoża kwarcu nie. Ta asymetria sprawia, że historia Spruce Pine wciąż powraca i dlaczego sceptycyzm wobec niej jest wart poważnego traktowania. Kopalnie znajdują się na wzgórzach, a nie w samym miasteczku, jak wskazali komentatorzy pod raportem Tom's Hardware, i nie ma sposobu, by z zewnątrz wiedzieć, co wydarzyło się pod ziemią. Duży producenci skłaniają się do magazynowania kluczowych surowców i kwalifikowania drugich źródeł, co ogranicza, jak daleko może się rozlać pojedyncze zakłócenie.

To, co ujawnił ten epizod, jest mniej dramatyczne niż apokaliptyczne ramowanie, które krążyło w 2024 roku. Jest też trudniejsze do naprawienia. Branża spędziła lata od tego czasu na budowie fabryk w Indiach, Malezji, Japonii i Stanach Zjednoczonych. Żadne z tych działań nie zmienia, skąd pochodzi najczystszy kwarc. Dopóki nowy materiał na tygle lub nowe złożo nie osiągną skali handlowej, każde ogłoszenie o mocach w sektorze stoi na łańcuchu dostaw, który przechodzi przez jedno miasteczko w Karolinie Północnej.