Zautomatyzowane fabryki i kopalnie kwarcu. Skąd naprawdę bierze się moc produkcyjna chipów

W 1970 roku IBM prowadził w pełni zautomatyzowaną linię produkcji wafli. Układy scalone powstawały w niej w mniej niż jeden dzień. IEEE Spectrum opisało ją w grudniowym materiale z 2024 roku o projekcie SWIFT. Pracami w zakładzie firmy w East Fishkill w Nowym Jorku kierował Bill Harding. Na ukończenie każdej warstwy procesu produkcyjnego potrzeba było średnio 5 godzin.

Dla porównania najszybsze współczesne fabryki potrzebują 19 godzin na warstwę procesową, a średnia branżowa to 36 godzin, podaje ten sam artykuł. IEEE Spectrum zauważa, że dzisiejsze chipy mają więcej warstw i większe wafle, ale te czynniki nie zasypują w pełni luki. Ta historia ma znaczenie, bo większość obecnych publikacji o mocach produkcyjnych półprzewodników traktuje problem jako kwestię pieniędzy i budynków. Zapisane dowody wskazują, że twardsze ograniczenia leżą gdzie indziej: w projektowaniu procesu, w materiałach i w tym, jak szybko wafle przechodzą między krokami.

Pieniądze płyną, ale nie równo

Indie ogłosiły 15 lipca 2026 roku program wsparcia produkcji telefonów komórkowych o wartości 625 mld rupii, czyli około 6,5 mld dolarów, rozłożony na pięć lat. Przewiduje on zachęty w wysokości od 2,25% do 5% kwalifikującej się sprzedaży oraz dodatkowe 1,5% za pozyskiwanie kluczowych komponentów lokalnie, podał TechCrunch. Nowe Delhi zobowiązało się też do dodatkowych 1,28 bln rupii, około 13,3 mld dolarów, na krajową produkcję półprzewodników. Rozszerza to wart 10 mld dolarów program zachęt chipowych uruchomiony w 2021 roku.

Skala wyzwania jest jednoznaczna. Chiny odpowiadały w 2025 roku za 63% globalnej produkcji smartfonów, wobec 18% w Indiach, wynika z danych Counterpoint Research cytowanych przez TechCrunch. Apple wytwarza około 25% swoich iPhone'ów w Indiach, podaje ten materiał.

Malezja obrała inną drogę. Jej drugi minister finansów, Amir Hamzah Azizan, powiedział CNBC podczas wiosennego spotkania MFW w Waszyngtonie w środę, że „sektor półprzewodników jest teraz w fazie wzrostu, a Malezja na tym skorzysta”. Stwierdził, że kraj nie postrzega Chin, swojego największego partnera handlowego, jako rywala: „Myślę, że rzeczywistość jest taka, że wzrostu wystarczy dla wszystkich”. Malezja ma 13% światowego rynku usług pakowania, montażu i testowania chipów, wynika z raportu Malezyjskiego Urzędu Rozwoju Inwestycji z 18 lutego. Deklarowanym celem rządu jest przesunięcie się wyżej w łańcuchu wartości, ponad tę końcową część produkcji.

Problem kwarcu nie zniknął

Moce produkcyjne zależą też od materiałów, których żaden program zachęt nie wyczaruje szybko. W Spruce Pine w Karolinie Północnej znajdują się jedyne na świecie zakłady produkujące ultraczysty kwarc, podało Tom's Hardware 1 października 2024 roku, po tym jak huragan Helene przyniósł do miasta ponad dwa metry deszczu.

Sibelco potwierdziło wstrzymanie działalności, podaje ten materiał, a The Quartz Corp powiedział The Verge, że jest za wcześnie, by ustalić, czy jego zakład produkcji wysokiej czystości kwarcu został dotknięty. Drogi i łączność zostały przerwane, co utrudniło ocenę szkód.

Analiza Briana Pottera dla Construction Physics, opublikowana w listopadzie 2024 roku, podważa bardziej apokaliptyczne wersje tej historii. Tygle kwarcowe są niezbędne w większości produkcji półprzewodników, a Spruce Pine dostarcza większość tego kwarcu, ale nie jest całkiem niezastąpionym zwornikiem. Alternatywy, jak to ujmuje, nie są jeszcze opracowane, nie są całkiem tak dobre i nie są całkiem tak tanie.

Podane przez niego liczby są konkretne. Wysokiej czystości kwarc kosztuje rzędu 10 000 dolarów za tonę, tygle kosztują po kilka tysięcy dolarów każdy i wytrzymują około 400 godzin pracy. Piec Czochralskiego zużywa rzędu 20 do 25 tygli rocznie. Jedna z prac, które cytuje, szacowała, że 30% kosztu produkcji monokrystalicznych sztab krzemu pochodziło z tygli.

Spruce Pine produkuje szacunkowo od 180 000 do 200 000 ton wysokiej czystości kwarcu rocznie, wobec około 30 000 ton całkowitej produkcji wysokiej czystości kwarcu w 2015 roku, podaje Potter. Dwie firmy wydobywające tam to Covia, spółka zależna belgijskiego koncernu wydobywczego Sibelco, oraz The Quartz Corp, norweska spółka wydobywcza.

Producenci narzędzi też się rozbudowują. Texas Instruments podał 24 października 2024 roku, że rozpoczął produkcję półprzewodników mocy z azotku galu w swojej fabryce w Aizu w Japonii, czterokrotnie zwiększając wewnętrzne moce w tym zakresie w zakładach w USA i Japonii. Mohammad Yunus, starszy wiceprezes TI ds. technologii i produkcji, powiedział, że firma chce zwiększyć produkcję wewnętrzną do ponad 95% do 2030 roku. TI podało też, że z powodzeniem przetestowało procesy produkcji azotku galu na waflach 300 mm.

Nic z tego nie zamyka luki, którą IBM zasypał w 1970 roku. Fabrykę można zbudować i sfinansować, a kopalnię można naprawić. Przeprowadzenie warstwy w pięć godzin to problem projektowy, a zapis pokazuje, że został już kiedyś rozwiązany.