Moc produkcyjna półprzewodników to historia wąskich gardeł, nie tylko zapowiedzi fabryk

Co kilka miesięcy jakiś rząd ogłasza pakiet dla półprzewodników, jakaś firma wbija pierwszą łopatę pod fabrykę, a w nagłówkach pojawia się kwota w miliardach dolarów. Trudniejsza historia jest niżej: co naprawdę ogranicza liczbę chipów, jakie świat może wyprodukować, i tempo ich wytwarzania. Trzy szczegóły z łańcucha dostaw opublikowane w ciągu ostatnich dwóch lat wskazują, że odpowiedź nie sprowadza się do liczby fabryk.

Weźmy historię samej branży. Tekst IEEE Spectrum z grudnia 2024 roku, „The Forgotten Story of How IBM Invented the Automated Fab”, opisuje Project SWIFT, program badawczy nad produkcją prowadzony przez menedżera IBM Billa Hardinga w East Fishkill w stanie Nowy Jork w 1970 roku. Harding chciał w pełni zautomatyzowanej linii do produkcji wafli, która wytwarzałaby układy scalone w mniej niż jeden dzień. W tamtym czasie układy scalone, takie jak kości RAM, przechodziły zwykle przez kilkadziesiąt ręcznych stanowisk w ciągu około miesiąca.

SWIFT potrzebował średnio 5 godzin na ukończenie każdej warstwy procesu produkcyjnego, podczas gdy najszybsze współczesne fabryki potrzebują 19 godzin na warstwę obróbki, a średnia branżowa wynosi 36 godzin.

To porównanie pochodzi wprost z IEEE Spectrum, które zaznacza, że dzisiejsze chipy powstają z większej liczby warstw na większych waflach i w bardziej złożonym procesie. Te czynniki nie zamykają luki, przekonuje artykuł. Wiele rozwiązań z SWIFT jest dziś standardem w zautomatyzowanych zakładach, ale jego czasu realizacji nikt nie powtórzył. Wniosek dla planujących moce produkcyjne jest niewygodny: przepustowość na metr kwadratowy cleanroomu to problem konstrukcji, nie tylko kapitału.

Skąd bierze się surowiec

Jest jeszcze Spruce Pine w Karolinie Północnej. Tom's Hardware poinformował 1 października 2024 roku, że huragan Helene przyniósł do miasteczka ponad dwie stopy deszczu, zniszczył drogi i sieć energetyczną, a los tamtejszych kopalni kwarcu o wysokiej czystości pozostawał niejasny. Kwarc ultraczysty wydobywają tam dwie firmy: Sibelco North America i The Quartz Corp. Tom's Hardware podał, że rzecznik Quartz Corp powiedział The Verge, iż jest za wcześnie, by stwierdzić, czy produkcja została zakłócona, a Sibelco miało rzekomo potwierdzić wstrzymanie działalności. Ponowne próby kontaktu z Sibelco nie powiodły się z powodu braku telefonii w okolicy.

Dlaczego jedno małe miasteczko ma znaczenie? Tygle kwarcowe utrzymują stopiony krzem w procesie Czochralskiego, który zamienia polikrzem w monokrystaliczne sztaby, a te tnie się później na wafle. Zanieczyszczenia z tygla przechodzą do stopu, a półprzewodniki są bardzo wrażliwe na skażenie. Analiza Briana Pottera w Construction Physics z 8 listopada 2024 roku stawia ten handel w kontekście. Szacuje się, że Spruce Pine produkuje od 180 000 do 200 000 ton kwarcu o wysokiej czystości rocznie, a kwarc o wysokiej czystości kosztuje rzędu 10 000 dolarów za tonę. Tygiel kosztuje kilka tysięcy dolarów i wytrzymuje około 400 godzin pracy. Jeden piec CZ zużywa od 20 do 25 tygli rocznie, a jedna z prac oszacowała, że tygle odpowiadają za 30% kosztów produkcji monokrystalicznych sztab krzemu.

Potter ostrożnie podchodzi do apokaliptycznej wersji tej historii. Odcięcie Spruce Pine prawdopodobnie nie zatrzymałoby produkcji półprzewodników całkowicie, pisze, ale oznaczałoby niższą wydajność i wyższe koszty. Alternatywy istnieją, ale nie są jeszcze rozwinięte, nie są całkiem tak dobre albo nie tak tanie. Zauważa też, że branża kwarcu o wysokiej czystości jest wyjątkowo skryta i konkretne liczby trudno zdobyć. Warto o tym pamiętać, gdy następnym razem jedna kopalnia zostanie opisana jako fundament współczesnej gospodarki.

Dodawanie mocy w różnych miejscach

Tymczasem moce rosną w sposób, który nie przypomina fabryki zaawansowanej logiki. Texas Instruments poinformował 24 października 2024 roku, że rozpoczął produkcję półprzewodników mocy z azotku galu w zakładzie w Aizu w Japonii. W połączeniu z istniejącą produkcją GaN w Dallas w Teksasie TI zapowiedział, że będzie wytwarzać wewnętrznie cztery razy więcej półprzewodników mocy opartych na GaN, gdy Aizu osiągnie pełną produkcję. Firma podała, że zakwalifikowała technologię GaN na waflach 200 mm do produkcji masowej.

W komunikacie TI cytuje Mohammada Yunusa, starszego wiceprezesa ds. technologii i produkcji, według którego ten krok wspiera plan zwiększenia produkcji wewnętrznej do ponad 95% do 2030 roku przy jednoczesnym zaopatrywaniu się w kilku lokalizacjach TI. TI podał też, że przetestował procesy produkcji GaN na waflach 300 mm i że jego rozszerzone procesy w pełni przenoszą się na 300 mm. GaN to alternatywa dla krzemu w konwersji energii, stosowana w zasilaczach laptopów i telefonów, silnikach klimatyzacji i ogrzewania oraz zasilaczach serwerów. Nie konkuruje z zaawansowaną logiką, ale jest częścią szerszego obrazu mocy produkcyjnych półprzewodników.

Najbardziej wyraźny nacisk rządu widać w Indiach. TechCrunch poinformował 15 lipca 2026 roku, że New Delhi ogłosiło program wsparcia produkcji telefonów komórkowych o wartości 625 mld rupii, około 6,5 mld dolarów, rozłożony na pięć lat, z zachętami od 2,25% do 5% kwalifikującej się sprzedaży i dodatkowym 1,5% za zaopatrywanie się w kluczowe komponenty i podzespoły lokalnie. Rząd przeznaczył też kolejne 1,28 bln rupii, około 13,3 mld dolarów, na krajową produkcję półprzewodników, rozszerzając wart 10 mld dolarów program zachęt chipowych uruchomiony w 2021 roku, z większym wsparciem dla sprzętu do produkcji chipów, materiałów, projektowania i badań.

Skalę luki podaje ten sam artykuł. Chiny odpowiadały za 63% światowej produkcji smartfonów w 2025 roku, wobec 18% w Indiach, według Counterpoint Research. Apple zaczął składać iPhone'y w Indiach w 2017 roku, a około 25% jego iPhone'ów powstaje obecnie tam, podaje TechCrunch. Program dla telefonów trwa do marca 2031 roku. Rząd oczekuje, że produkcja telefonów komórkowych w tym okresie wyniesie łącznie około 39 bln rupii, czyli mniej więcej 405 mld dolarów, a program stworzy około 60 000 bezpośrednich miejsc pracy. Navkendar Singh z IDC mówi TechCrunchowi, że program oznacza zwrot od „składać więcej” w stronę głębi, badań i lokalnego przechwytywania wartości, i że Indie świetnie sobie radzą z montażem końcowym, pozostając zależne od importowanych komponentów.

Malezja proponuje trzeci model. CNBC poinformował 18 kwietnia 2024 roku, że wiceminister finansów Amir Hamzah Azizan powiedział, iż kraj nie przejmuje się konkurencją ze strony Chin ani Stanów Zjednoczonych, wchodząc w produkcję półprzewodników wyższej klasy. „Przestrzeń półprzewodników jest teraz w fazie wzrostu i Malezja na tym skorzysta”, powiedział CNBC Karen Tso podczas wiosennych spotkań MFW w Waszyngtonie. Malezja ma 13% światowego rynku usług pakowania, montażu i testowania chipów, według raportu Malezyjskiego Urzędu Rozwoju Inwestycji z 18 lutego, cytowanego przez CNBC. Minister powiedział, że Malezja nie będzie konkurować bezpośrednio w segmencie najwyższej klasy, i przedstawił szansę jako dywersyfikację łańcucha dostaw przez odbiorców końcowych.

Co naprawdę oznacza moc produkcyjna

Złóż te fakty razem, a pytanie o moce produkcyjne przestaje wyglądać jak jeden wyścig, a zaczyna jak zbiór powiązanych ograniczeń. Ogłoszenia dotyczą budowy fabryk zaawansowanej technologii. Ale liczba rozpoczynanych wafli zależy też od dostaw tygli z garstki kopalni, od tego, ile godzin zajmuje każda warstwa procesu, od tego, czy w miejscach takich jak Malezja istnieją moce montażu i testowania, i od tego, czy kraje takie jak Indie potrafią wyjść poza montaż końcowy w stronę komponentów i projektowania.

Nic z tego nie czyni miliardowych kwot na fabryki błędnymi. Czyni je niepełnymi. Użyteczne pytanie nie brzmi, ile pieniędzy jest przeznaczanych, ale które z tych wąskich gardeł pieniądze faktycznie rozluźniają.