Moc produkcyjna półprzewodników to kwestia wąskich gardeł, nie tylko fabryk

Co kilka miesięcy jakiś rząd ogłasza pakiet wsparcia dla branży półprzewodnikowej, firma wlewa beton pod nową fabrykę, a w nagłówkach pojawiają się miliardy dolarów. Trudniejsza historia kryje się pod spodem: co realnie ogranicza liczbę chipów, które świat jest w stanie wyprodukować, i jak szybko. Trzy szczegóły łańcucha dostaw opublikowane w ostatnich dwóch latach sugerują, że odpowiedź nie sprowadza się do liczby fabryk.

Warto zajrzeć do historii samej branży. Artykuł z grudnia 2024 roku w IEEE Spectrum, pt. „The Forgotten Story of How IBM Invented the Automated Fab”, opisuje projekt SWIFT. Był to program badawczy nad produkcją, prowadzony przez menedżera IBM Billa Hardinga w East Fishkill w stanie Nowy Jork w 1970 roku. Harding chciał stworzyć w pełni zautomatyzowaną linię do obróbki waflów, która wyprodukowałaby układy scalone w mniej niż jeden dzień. W tamtych czasach chipy RAM przechodziły przez dziesiątki ręcznych stanowisk pracy w ciągu około miesiąca.

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

To porównanie pochodzi wprost z IEEE Spectrum. Pismo zaznacza, że dzisiejsze chipy są budowane z większej liczby warstw na większych wafelach i z bardziej skomplikowaną obróbką. Artykuł twierdzi, że te czynniki nie zamykają luki. Wiele innowacji z SWIFT to dziś standard w zautomatyzowanych zakładach, ale jego czas obróbki nigdy nie został pobity. Lekcja dla planistów mocy produkcyjnych jest niewygodna: przepustowość na metr kwadratowy czystni to problem projektowy, a nie tylko kapitałowy.

Skradanie się surowców

Wspomnijmy o Spruce Pine w Karolinie Północnej. Tom's Hardware doniósł 1 października 2024 roku, że huragan Helene przyniósł do tego miasta ponad dwie stopy deszczu, przecinając drogi i zasilanie. Status lokalnych kopalń kwarcu wysokiej czystości pozostał niejasny. Dwie firmy wydobywają tam ultra-czysty kwarc: Sibelco North America i The Quartz Corp. Tom's Hardware podał, że rzeczniczka Quartz Corp powiedziała The Verge, że jest za wcześnie, by stwierdzić wpływ na produkcję, a Sibelco rzekomo potwierdził wstrzymanie działań. Powtarzane próby kontaktu z Sibelco nie powiodły się z powodu braku usług telefonicznych w regionie.

Dlaczego jedno małe miasto ma znaczenie? Krucze kwarcowe utrzymują stopiony krzem podczas procesu Czochralskiego, który zamienia polisilikon w monokryształy, a te są następnie tnięte na wafle. Zanieczyszczenia z kruczków migrują do stopu, a półprzewodniki są ekstremalnie wrażliwe na zanieczyszczenia. Analiza Briana Pottera z Construction Physics, opublikowana 8 listopada 2024 roku, kontekstualizuje ten handel. Szacuje się, że Spruce Pine produkuje 180 000 do 200 000 ton kwarcu wysokiej czystości rocznie, a jego koszt to około 10 000 dol. za tonę. Kruczki kosztują kilka tysięcy dolarów za sztukę i wytrzymują około 400 godzin pracy. Jeden piec CZ zużywa 20 do 25 kruczków rocznie, a jeden szacunek wskazuje, że stanowią one 30% kosztów produkcji monokryształów krzemu.

Potter jest ostrożny wobec apokaliptycznej wersji tej historii. Przerwanie dostaw ze Spruce Pine prawdopodobnie nie zatrzymałoby całkowicie produkcji półprzewodników, pisze, ale oznaczałoby niższe wydajności i wyższe koszty. Alternatywy istnieją, ale nie są jeszcze rozwinięte, nie są równie dobre lub nie są równie tanie. Zaznacza też, że branża kwarcu wysokiej czystości jest ekstremalnie tajemnicza, a konkretne dane są trudne do zdobycia. Warto o tym pamiętać, gdy kolejna pojedyncza kopalnia jest opisana jako fundament nowoczesnej gospodarki.

Dodawanie mocy w różnych miejscach

Tymczasem moc produkcyjna rośnie w sposób, który nie wygląda jak fabryka logiki najnowszego поколения. Texas Instruments poinformował 24 października 2024 roku, że rozpoczął produkcję półprzewodników mocy z azotku galu w swojej fabryce w Aizu w Japonii. W połączeniu z istniejącą produkcją GaN w Dallas w Teksasie, TI stwierdziło, że będzie wewnętrznie produkować czterokrotnie więcej półprzewodników mocy opartych na GaN, gdy Aizu wejdzie na pełne obroty. Firma podała, że zakwalifikowała technologię GaN na waflach 200 mm do masowej produkcji.

W komunikacie TI cytowany jest Mohammad Yunus, starszy wiceprezes ds. technologii i produkcji. Mówi, że ten kamień milowy wspiera plan wzrostu wewnętrznej produkcji do ponad 95% do roku 2 030 przy pozyskiwaniu z wielu lokalizacji TI. TI poinformowało również, że przetestowało procesy produkcyjne GaN na waflach 300 mm i że rozszerzone procesy są w pełni przenoszalne na 300 mm. GaN to alternatywa dla krzemu w konwersji mocy, stosowana w ładowarkach do laptopów i telefonów, silnikach do ogrzewania i klimatyzacji oraz zasilaczach serwerowych. Nie konkuruje z logiką najnowszego поколения, ale jest częścią szerszego obrazu mocy produkcyjnej półprzewodników.

Najbardziej jawnym impulsem rządowym jest ten z Indii. TechCrunch doniósł 15 lipca 2026 roku, że New Delhi przedstawiło schemat produkcji telefonów komórkowych o wartości 625 000 000 000 rupii, czyli około 6 500 000 000 dol., trwający pięć lat. Obejmuje on zachęty w wysokości 2,25% do 5% kwalifikujących się sprzedaży oraz dodatkowe 1,5% za pozyskiwanie kluczowych komponentów i podzespołów lokalnie. Rząd zobowiązał się również do przeznaczenia dalszych 1 280 000 000 000 rupii, około 13 300 000 000 dol., na krajową produkcję półprzewodników, rozszerzając program zachęt chipowych o wartości 10 000 000 000 dol. uruchomiony w 2021 roku, z większym wsparciem dla sprzętu, materiałów, projektowania i badań.

Skala luki widoczna jest w tym samym artykule. Chiny odpowiadały za 63% globalnej produkcji smartfonów w 2025 roku, w porównaniu z 18% Indii, według Counterpoint Research. Apple rozpoczął montaż iPhone'ów w Indiach w 2017 roku, a około 25% jego iPhone'ów jest teraz produkowanych tam, donosi TechCrunch. Schemat smartfonowy obowiązuje do marca 2 031. Rząd oczekuje, że produkcja telefonów w tym okresie wyniesie łącznie około 39 000 000 000 000 rupii, czyli około 405 000 000 000 dol., a schemat stworzy około 60 000 bezpośrednich miejsc pracy. Navkendar Singh z IDC mówi TechCrunch, że program oznacza przesunięcie od „montażu więcej” w stronę głębi, B&R i lokalnego przechwytywania wartości, oraz że Indie odniosły sukces w końcowym montażu, pozostając zależne od importowanych komponentów.

Malezja oferuje trzeci model. CNBC doniosło 18 kwietnia 2024 roku, że wicepremier ds. finansów Amir Hamzah Azizan powiedział, że kraj nie jest zaskoczony konkurencją ze strony Chin lub USA, gdy wchodzi w wyższą półkę produkcji półprzewodników. „Branża półprzewodnikowa jest teraz w cyklu wzrostowym, a Malezja będzie beneficjentem tego procesu”, powiedział Karen Tso z CNBC na spotkaniach wiosennych MFW w Waszyngtonie. Malezja posiada 13% globalnego rynku usług pakowania, montażu i testów chipów, według raportu z 18 lutego od Malaysian Investment Development Authority cytowanego przez CNBC. Minister powiedział, że Malezja nie będzie konkurować czołowo na szczycie, i przedstawił szansę jako dywersyfikację łańcucha dostaw przez użytkowników końcowych.

Czego naprawdę dotyczy moc produkcyjna

Połączenie tych elementów sprawia, że pytanie o moc produkcyjną wygląda mniej jak pojedynczy wyścig, a bardziej jak zestaw powiązanych ograniczeń. Budowa fabryk najnowszego поколения dostaje ogłoszenia. Ale start wafla zależy również od dostaw kruczków z garstki kopalń, od tego, ile godzin zajmuje każda warstwa procesu, od tego, czy istnieje moc montażu i testów w miejscach takich jak Malezja, oraz od tego, czy kraje takie jak Indie mogą wyjść poza końcowy montaż w stronę komponentów i projektowania.

Nic z tego nie czyni miliardowych kwot za fabryki błędem. Robi je niekompletnymi. Przydatne pytanie nie brzmi, ile pieniędzy jest zobowiązanych, ale które z tych wąskich gardeł te pieniądze realnie poluzowują.