מלחמות השבבים בשווי טריליון דולר: מאחורי הקלעים של עולם ייצור השבבים הגלובלי

בשנת 2024, מכירות השבבים העולמיות זינקו ליותר מ-600 מיליארד דולר ויכולות להגיע ל-1 טריליון דולר בשנה עד 2030.
ה-M1 Ultra של אפל מכיל 114 מיליארד טרנזיסטורים על שבב יחיד.
ASML היא היצרנית היחידה של סורקי ליתוגרפיה EUV, כאשר כל מכונה שוקלת כ-180 טון ועולה מעל 300 מיליון דולר.
TSMC היוותה כ-55% משוק הפאונדרי העולמי ב-2023, סמסונג כ-15–20%, וטאיוואן לבדה החזיקה בכ-92% מקיבולת הייצור המתקדמת ביותר בעולם (פחות מ-10 ננומטר).
שלושת הספקים המובילים של תוכנות תכנון אלקטרוני (EDA)—סינופסיס, קדנס, וסימנס EDA—שולטים בתוכנות התכנון המשמשות לסידור מיליארדי טרנזיסטורים.
מחסור השבבים ב-2021 הוביל להפסד מוערך של 210 מיליארד דולר במכירות רכב.
חוק השבבים האמריקאי (2022) מקצה 52.7 מיליארד דולר במימון ישיר לייצור שבבים מקומי, בנוסף לזיכויי מס השקעה של 25%.
חוק השבבים האירופי (2023) שואף לגייס 43 מיליארד אירו כדי להכפיל את נתח ייצור השבבים של אירופה ל-20% עד 2030.
ייצור השבבים העולמי פלט כ-190 מיליון טון של פחמן דו-חמצני (CO2) ב-2024, ומפעל ייצור מודרני אחד יכול לצרוך כ-100 מגה-ואט חשמל באופן רציף.
נכון לאמצע 2024, 55% מכוח העבודה האמריקאי בתחום השבבים היה מעל גיל 45, מה שמדגיש מחסור עתידי בכוח אדם.

שבבים – אותם שבבי סיליקון זעירים – הם המוח של האלקטרוניקה המודרנית, ונמצאים בכל דבר, מסמארטפונים ומכוניות ועד מרכזי נתונים ומטוסי קרב. בשנת 2024, מכירות השבבים העולמיות זינקו ליותר מ-600 מיליארד דולר ויכולות להגיע לטריליון דולר עד 2030, מה שמדגיש עד כמה שבבים הפכו קריטיים לכלכלה העולמית deloitte.com, blog.veolianorthamerica.com. מיקרושבבים אלו מאפשרים טריליוני דולרים במוצרים ושירותים נלווים, ומהווים את הבסיס הנסתר של חיינו הדיגיטליים steveblank.com. אך בשנתיים האחרונות, ייצור השבבים הפך לזירת הימורים גבוהה של חדשנות ומתח גיאופוליטי. מחסור בשבבים שנגרם מהמגפה הראה עד כמה שרשרת האספקה שברירית, השבית מפעלים והעלה מחירים. במקביל, מדינות מתחרות להגדיל את ייצור השבבים המקומי מסיבות כלכליות וביטחוניות, ומשקיעות מאות מיליארדים במפעלי ייצור חדשים ("פאבים") ומציתות "מלחמת שבבים" עולמית.

דוח זה מספק סקירה מקיפה ועדכנית של עולם המוליכים למחצה – מסביר מה הם מוליכים למחצה וכיצד הם פועלים, כיצד שבבים מיוצרים מקצה לקצה, מיהם השחקנים המרכזיים (חברות ומדינות) בכל שלב, והיכן מצויות נקודות התורפה בשרשרת האספקה. נעמיק גם בטכנולוגיות וחומרים פורצי דרך שמאפשרים את קיומם של שבבים מודרניים, בחדשנות ומגמות מו"פ עדכניות, ובמאבקים גיאופוליטיים ומדיניות שמעצבים מחדש את התעשייה. לבסוף, נבחן את ההשפעה הכלכלית של תחום המוליכים למחצה, את ההשפעה הסביבתית, ואת אתגרי כוח האדם הממשמשים ובאים. מהתובנות האחרונות של מומחים ועד להתפתחויות המרכזיות ב-2024-2025, דוח זה יבהיר מדוע ייצור מוליכים למחצה הוא אחד התחומים החשובים – והנאבקים ביותר – בעולם כיום.

מהם מוליכים למחצה וכיצד הם פועלים?

מוליכים למחצה הם חומרים (כמו סיליקון) שיכולים לשמש כמוליך חשמלי או כמבודד בתנאים שונים, מה שהופך אותם למושלמים לשליטה בזרם חשמלי techtarget.com. בפועל, התקן מוליך למחצה (שבב) הוא למעשה רשת של מתגים חשמליים זעירים (טרנזיסטורים) שניתן להפעיל או לכבות באמצעות אותות חשמליים. מעגלים משולבים מודרניים מכילים מיליארדי מתגי טרנזיסטור כאלה על שבב בגודל ציפורן, מה שמאפשר חישובים מורכבים ועיבוד אותות. "במילים פשוטות, מוליך למחצה הוא מתג חשמלי שניתן להפעיל ולכבות באמצעות חשמל. רוב הטכנולוגיה המודרנית מורכבת ממיליונים של מתגים זעירים ומקושרים אלה," מסביר מדריך הנדסי של TechTarget techtarget.com.

מכיוון שהם יכולים לשלוט בדיוק בזרימת הזרם, שבבי מוליכים למחצה משמשים כ"המוח" או "הזיכרון" של מכשירים אלקטרוניים. שבבי לוגיקה (כמו מעבדים, כרטיסי גרפיקה, מאיצי בינה מלאכותית) מעבדים נתונים ומקבלים החלטות, שבבי זיכרון מאחסנים מידע, ושבבים אנלוגיים/הספק מתחברים לעולם הפיזי. על ידי הוספת זיהומים זעירים לגבישים טהורים של מוליך למחצה, יצרנים יוצרים רכיבים כמו טרנזיסטורים, דיודות ומעגלים משולבים שמנצלים את עקרונות הפיזיקה הקוונטית כדי להפעיל ולהגביר אותות חשמליים techtarget.com. התוצאה היא שמוליכים למחצה יכולים לבצע חישובים, לאחסן נתונים בינאריים, ולהתחבר לחיישנים/מפעלים – יכולות שמאפשרות כמעט את כל הטכנולוגיה המודרנית, מתקשורת דיגיטלית ועד מכשירי חשמל וציוד רפואי steveblank.com.

היום, השבבים הם פלאי הנדסה מדהימים. מעבד מתקדם עשוי להכיל עשרות מיליארדי טרנזיסטורים חרוטים בסיליקון, עם תכונות זעירות בגודל של כמה ננומטרים (בקנה מידה של אטומים). לדוגמה, שבב M1 Ultra של אפל מכיל 114 מיליארד טרנזיסטורים על פיסת סיליקון אחת bipartisanpolicy.org. הטרנזיסטורים הללו פועלים במהירויות גיגה-הרץ, ומאפשרים למכשיר לבצע מיליארדי פעולות בשנייה. בקיצור, מוליכים למחצה הפכו לטכנולוגיה הבסיסית של העולם המודרני, ומניעים הכל מטלפונים חכמים ומכוניות ועד שרתי ענן ומכונות תעשייתיות. לעיתים קרובות נאמר כי "מוליכים למחצה הם הנפט החדש" – משאב חיוני שמדינות ותעשיות תלויות בו לקידמה ולביטחון.

איך מייצרים שבבים: תהליך ייצור המוליכים למחצה

בניית מיקרושבב היא אחד מתהליכי הייצור המורכבים ביותר שנוצרו אי פעם – "עסק שמניע חומרים אטום אחר אטום" במפעלים שעלויותיהם עשרות מיליארדי דולרים steveblank.com. הכל מתחיל מחומרי גלם ומסתיים בשבבים מוגמרים ארוזים לשימוש. הנה סקירה של תהליך ייצור השבבים מקצה לקצה:

מסיליקון גולמי לוייפר: חול רגיל (דו-תחמוצת הסיליקון) מזוקק לסיליקון טהור. מגבשים גביש סיליקון וחותכים אותו לוייפרים דקים (דיסקים עגולים) שיכילו אלפי שבבים bipartisanpolicy.org. כל וייפר נראה מבריק וחלק, אך ברמה המיקרוסקופית הוא סריג מושלם של אטומי סיליקון.
פאבריקציה בקדמת הקו: הקסם האמיתי מתרחש ב"פאב" – חדר הנקי שבו בונים מעגלים מורכבים על כל וייפר. ייצור שבבים כולל מאות שלבים מדויקים, אך השלבים המרכזיים כוללים: שקיעה של שכבות חומר דקות במיוחד על הוייפר; ציפוי פוטורזיסט; פוטוליתוגרפיה (שימוש באור ממוקד לחריטת דפוסים זעירים על הוייפר באמצעות מסכות, בדומה להדפסת שרטוט מעגל); חריטה וסימום (הסרת חומר והחדרת יונים ליצירת טרנזיסטורים וקישורים); וחזרה על שלבים אלה שכבה אחר שכבה bipartisanpolicy.org. הטרנזיסטורים – שהם למעשה מתגי ההפעלה/כיבוי – נבנים על ידי שכבות מדויקות אלו שיוצרות מסלולים חשמליים מיקרוסקופיים. זהו ייצור בקנה מידה ננומטרי – שבבים מודרניים עשויים לכלול יותר מ-50 שכבות של מעגלים ותכונות ברוחב של 3 ננומטר בלבד. כל שלב חייב להיות מבוקר בדיוק אטומי; גרגר אבק או חוסר יישור קל עלול להרוס את השבב.

נחתך לשבבים נפרדים

נארז

bipartisanpolicy.org

בדיקות

למרות התקציר הפשוט למעלה, ייצור מוליכים-למחצה מתקדמים הוא תהליך מסובך מאוד, שנמשך חודשים רבים. שבב מתקדם עשוי לדרוש יותר מ-1,000 שלבי תהליך וציוד מדויק במיוחד. לדוגמה, מכונות הפוטוליתוגרפיה החדשות ביותר (המקרינות דפוסי מעגלים באמצעות אור אולטרה-סגול) עשויות לעלות יותר מ-300 מיליון דולר כל אחת, וכל מכונה כזו "יכולה לצרוך חשמל כמו אלף בתים", לפי בלומברג bipartisanpolicy.org. כלים אלה משתמשים באור אולטרה-סגול קיצוני (EUV) כדי לחרוט תכונות זעירות במיוחד, והם כה מתקדמים שרק חברה אחת בעולם (ASML מהולנד) מייצרת אותם כיום patentpc.com. ההוצאה ההונית עצומה: בניית מפעל שבבים חדש יכולה להימשך מעל 3 שנים ולדרוש השקעה של מעל 10 מיליארד דולר bipartisanpolicy.org. חברות מובילות כמו TSMC, סמסונג ואינטל משקיעות עשרות מיליארדים בשנה בהרחבת והצטיידות מפעלים.

התמורה לכל המאמץ הזה היא טכנולוגיה מדהימה: ווייפר בודד בקוטר 12 אינץ', לאחר עיבוד מלא, עשוי להכיל מאות שבבים מוגמרים הכוללים יחדיו טריליוני טרנזיסטורים steveblank.com. כל שבב נבדק ויכול לבצע מיליארדי חישובים בשנייה לאחר השימוש. הקנה המידה הזעיר והצפיפות הגבוהה של שבבים מודרניים מעניקים להם עוצמה מדהימה. כפי שציין בלוג תעשייתי אחד, אותו ווייפר בחדר הנקי "מכיל שני טריליון טרנזיסטורים" שיוצרו בשליטה ברמת האטוםsteveblank.com. יכולת הייצור הזו – שמשתפרת כל הזמן לאורך עשרות שנים – היא שמאפשרת את האלקטרוניקה החזקה והנגישה של ימינו.

שחקנים מרכזיים בשרשרת האספקה של מוליכים-למחצה (חברות ומדינות)

ייצור מוליכים למחצה אינו מתבצע על ידי סוג אחד של חברה; זהו מערכת אקולוגית מורכבת של חברות, שכל אחת מתמחה בשלבים שונים. אם נציץ בשרשרת האספקה, נמצא רשת של מאות שחקנים מתמחים במיוחד ברחבי העולם, שכולם תלויים זה בזה steveblank.com. הנה הקטגוריות המרכזיות של השחקנים ומי שולט בהן:

מתכנני שבבים (חברות Fabless): חברות אלו מתכננות שבבים אך מוציאות את הייצור בפועל למיקור חוץ. הן יוצרות את התכניות והקניין הרוחני של השבבים. רבות ממותגי השבבים הידועים בעולם – כולל Apple, NVIDIA, Qualcomm, AMD, Broadcom – הן חברות Fabless. לארה"ב יש יתרון משמעותי במגזר זה (ממוקמות בה כ-50% מחברות ה-Fabless patentpc.com), יחד עם חברות באירופה (למשל ARM בבריטניה עבור ליבות IP לשבבים steveblank.com) ובאסיה. חברות Fabless מתמקדות במו"פ וחדשנות בארכיטקטורת שבבים, ואז שוכרות יצרנים קבלניים לייצור השבבים.
יצרניות משולבות (IDMs): אלו ענקיות כמו Intel, Samsung, ו-Micron שגם מתכננות וגם מייצרות שבבים בעצמן. אינטל (ארה"ב) הובילה היסטורית בתכנון/ייצור מיקרופרוססורים למחשבים אישיים ושרתים, סמסונג (דרום קוריאה) ומיקרון (ארה"ב) עושות זאת בעיקר בשבבי זיכרון. ל-IDMs יש שליטה על המפעלים שלהן ומייצרות שבבים עבור מוצריהן (ולפעמים גם עבור אחרים). עם זאת, בעשורים האחרונים יש מגמה של מעבר למודל Fabless-Foundry לשם יעילות.
מפעלי ייצור שבבים (קבלני משנה): מפעלים אלו הם הchip fabs שבאמת מייצרים את השבבים (עבור חברות ללא מפעלים משלהן או IDMs שמוציאים חלק מהייצור החוצה). תחום זה נשלט על ידי חברות אסייתיות. TSMC מטייוואן (Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.) היא המובילה הבלתי מעורערת, ושולטת לבדה בכ~55% משוק הייצור העולמי נכון ל-2023 patentpc.com. TSMC היא היצרנית המועדפת של אפל, AMD, NVIDIA ורבות אחרות, במיוחד עבור השבבים המתקדמים ביותר (5nm, 3nm). סמסונג בקוריאה הדרומית היא מפעל הייצור השני בגודלו (כ-15–20% נתח שוק) patentpc.com, וגם היא מייצרת שבבי לוגיקה מתקדמים. מפעלי ייצור בולטים נוספים כוללים את GlobalFoundries (ארה"ב, מתמקדת בטכנולוגיות ביניים), UMC (טייוואן), ו-SMIC (מפעל הייצור הגדול בסין). ראוי לציין כי טייוואן ודרום קוריאה יחד אחראיות לרוב המכריע של ייצור השבבים המתקדמים בעולם – למעשה, כ-92% מקיבולת הייצור העולמית לשבבים המתקדמים ביותר (<10nm) נמצאת בטייוואן בלבד, לפי דוח ממשלת ארה"ב מ-2023 usitc.gov. הדבר מדגיש עד כמה ייצור השבבים מרוכז במספר מצומצם של מקומות.
יצרניות שבבי זיכרון: תחום הזיכרון הוא תת-תחום ייחודי אך חיוני (ל-RAM, אחסון פלאש וכו'). הוא נשלט על ידי IDMs כמו סמסונג ו-SK Hynix (שתיהן דרום קוריאניות), ו-Micron (ארה"ב). לדוגמה, סמסונג ו-SK Hynix יחד מייצרות מעל 70% משבבי ה-DRAM בעולם patentpc.com. חברות אלו משקיעות רבות בייצור DRAM ו-NAND flash, לעיתים במתקנים עצומים בקוריאה הדרומית, טייוואן, ארה"ב, יפן וסין.
ספקיות ציוד לתעשיית השבבים: חברות אלו בונות את הtools and machinery לייצור שבבים – תעשייה קריטית ומתקדמת בפני עצמה. יצרניות ציוד מובילות כוללות את ASML (הולנד), שמייצרת בלעדית מערכות ליתוגרפיה EUV החיוניות לשבבים של 7nm ומטה patentpc.com; Applied Materials, Lam Research, KLA (כולן מארה"ב), שמספקות ציוד לשיקוע, צריבה ובדיקה; Tokyo Electron ו-Nikon (יפן) לליתוגרפיה וציוד צריבה; ואחרות. ללא מכונות מתקדמות אלו, מפעלי השבבים לא יכולים לפעול. ארה"ב, יפן והולנד שולטות היסטורית בתחום ציוד השבבים – אחת הסיבות לכך שמגבלות ייצוא על ציוד זה הפכו לסוגיה גיאופוליטית (עוד על כך בהמשך).
ספקי חומרים וכימיקלים: ייצור שבבים נשען גם על אספקה מורכבת של חומרים מתמחים – מסיליקון אולטרה-טהור ועד כימיקלים וגזים אקזוטיים. כמה דוגמאות: Shin-Etsu Handotai ו-SUMCO (יפן) מייצרות נתח גדול מווייפרי הסיליקון בעולם. JSR, Tokyo Ohka Kogyo (יפן) ואחרות מספקות פוטורזיסטים (כימיקלים רגישים לאור) steveblank.com. חברות גז תעשייתי כמו Linde, Air Liquide מספקות מעל 100 סוגי גזים המשמשים במפעלי ייצור (למשל פלואור, ניאון, ארגון) steveblank.com. רבים מהחומרים הקריטיים הללו מרוכזים ביפן, סין ואירופה. לדוגמה, יפן היא כבר זמן רב מעצמה בכימיקלים לתעשיית השבבים, בעוד שסין מזקקת מינרלים נדירים רבים המשמשים בשבבים (כמו גליום וגרמניום). המשמעות היא שמדינות השולטות בחומרי גלם (סין, רוסיה וכו') ואלו שמצטיינות בכימיקלים מתמחים (יפן) ממלאות תפקידים מרכזיים בשרשרת האספקה.
ספקי EDA ו-IP: לפני הייצור, יש לתכנן ולאמת את השבבים. כלי תוכנה לאוטומציית תכנון אלקטרוני (EDA) מסופקים למעשה על ידי שלוש חברות עיקריות – Synopsys, Cadence (שתיהן אמריקאיות) ו-Siemens EDA (Mentor Graphics) – כולן אמריקאיות או בנות ברית של ארה"ב steveblank.com. יש להן כמעט מונופול על התוכנה המורכבת המשמשת מהנדסים לתכנון מיליארדי טרנזיסטורים והרצת סימולציות. בנוסף, עיצובים מרכזיים (כמו ליבות CPU) נרכשים לעיתים קרובות מחברות IP כמו ARM (בריטניה) שמספקת תכניות אב המשמשות ברוב המעבדים הניידים steveblank.com. שחקנים במעלה השרשרת אלו הם מאפשרים קריטיים לכל התעשייה.
הרכבה ובדיקת שבבים במיקור חוץ (OSAT): לאחר ייצור הווייפרים, קבלנים מתמחים מטפלים באריזה ובדיקת השבבים. חברות OSAT מרכזיות כוללות את ASE Technology Holding (טייוואן) – הארוזת הגדולה בעולם – ואת Amkor (ארה"ב), וכן רבות שממוקמות בסין, מלזיה ווייטנאם. למעשה, דרום-מזרח אסיה הפכה למרכז להרכבת שבבים: לדוגמה, מלזיה מבצעת כ-13% משירותי אריזת ובדיקת השבבים בעולם patentpc.com, והמגזר ה-OSAT של וייטנאם צומח במהירות patentpc.com. שלבים אלו דורשים הרבה עבודה, וחברות ממקמות אותם לעיתים קרובות במדינות עם כוח עבודה מיומן ועלויות נמוכות יותר.

מבחינת מדינות: מדינות שונות מתמחות בחוליות שונות בשרשרת זו. טייוואן היא כוכבת העל של ייצור השבבים, במיוחד שבבי לוגיקה מתקדמים – לבדה החזיקה בכ-65% מנתח שוק הפאונדרי ב-2023 patentpc.com והיא חיונית לשבבים המתקדמים ביותר (בזכות הדומיננטיות של TSMC). דרום קוריאה היא מובילה בשבבי זיכרון וגם בפאונדרי (סמסונג), ואחראית לכ-20% מתפוקת השבבים העולמית patentpc.com. ה ארצות הברית נשארה מובילה בתכנון שבבים (ביתם של ענקיות פבלס ו-IDM כמו אינטל) ובציוד ייצור מסוים, אך נתח הייצור בפועל של ארה"ב ירד מ-37% ב-1990 לכ-12% ב-2023 patentpc.com כשייצור עבר לאסיה. ירידה זו היא מה שהממשל האמריקאי מנסה כעת להפוך באמצעות תמריצים (פירוט בהמשך). סין היא מקרה מיוחד – היא הצרכנית הגדולה ביותר של שבבים (מרכיבה אלקטרוניקה לעולם), ומייצרת הרבה שבבים בטכנולוגיה בשלה ואריזה, אך תלויה ביבוא לשבבים המתקדמים ביותר. נכון ל-2023, שיעור העצמאות של סין בשבבים עמד על כ-16% בלבד patentpc.com, והיא הוציאה סכום עתק של 350 מיליארד דולר על יבוא שבבים ב-2022 patentpc.com. עם זאת, סין משקיעה רבות כדי להגדיל את הייצור המקומי ל-70% עד 2030 patentpc.com, ומפתחת חברות כמו SMIC ו-YMTC (זיכרון). יפן הייתה יצרנית שבבים דומיננטית בשנות ה-80 ועדיין שחקנית מרכזית בחומרים וציוד. כיום יפן חוזרת לייצור באמצעות שותפויות (למשל TSMC בונה מפעל ביפן, וקונסורציום חדש בשם Rapidus שואף לייצר שבבים בגודל 2 ננומטר מקומית), תוך ניצול חוזקותיה בייצור איכותי ותמיכת ממשלה. אירופה (האיחוד האירופי) כוללת מספר יצרניות שבבים (למשל אינפיניון בגרמניה לשבבים לרכב, STMicroelectronics בצרפת/איטליה, NXP בהולנד) והיא ביתה של ASML, אך בסך הכול נתח אירופה בייצור השבבים העולמי הוא כ-8-10% techhq.com. האיחוד האירופי פועל להכפיל זאת עד 2030 (לכ-20%) באמצעות חוק השבבים שלו ומשיכת TSMC ואינטל להקים מפעלים באירופהconsilium.europa.eu. מעבר לאלה, מדינות כמו מלזיה, וייטנאם, תאילנד, הפיליפינים ממלאות תפקידים מרכזיים בהרכבה ובדיקות (ומספקות חוסן וגיוון בשלבים המאוחרים יותר של שרשרת האספקה) patentpc.com. אפילו שחקניות חדשות כמו הודו וערב הסעודית הכריזו על השקעות גדולות כדי להיכנס לתחום השבבים (הודו מציעה תמריצים למפעלי ייצור, וערב הסעודית מתכננת 100 מיליארד דולר עד 2030 לבניית תעשיית שבבים) patentpc.com.

לסיכום, ייצור מוליכים למחצה הוא מאמץ גלובלי מפוזר, אך עם נקודות חנק קריטיות – מספר מצומצם של חברות או מדינות מובילות בכל תחום. לדוגמה, רק שלוש חברות (TSMC, Samsung, Intel) אחראיות לרוב המוחלט של ייצור השבבים המתקדמים, ו רק שלוש מדינות (טייוואן, דרום קוריאה, סין) מייצרות כמעט את כל השבבים כיום patentpc.com. למבנה המרוכז הזה יש השלכות משמעותיות על ביטחון שרשרת האספקה, כפי שנבחן בהמשך.

מבנה שרשרת האספקה ופגיעויות

שרשרת האספקה של מוליכים למחצה כונתה “שרשרת האספקה המורכבת ביותר מכל תעשייה” usitc.gov – ואירועים אחרונים חשפו עד כמה היא שברירית. מאסונות טבע ועד סכסוכים גיאופוליטיים, שורה של פגיעויות מאיימות על זרימת השבבים התקינה. נקודות חנק וסיכונים מרכזיים כוללים:

ריכוז גאוגרפי כבד: ההתמקדות הגאוגרפית של התעשייה פירושה שהפרעה באזור אחד עלולה לשתק את העולם כולו. אין דוגמה ברורה יותר לכך מאשר תפקידה החריג של טייוואן. בעוד שטייוואן מייצרת כ-18% מכלל השבבים בנפח, היא אחראית ל- “כ-92% מקיבולת ייצור השבבים המתקדמים בעולם,” לפי דוח USITC מ-2023 usitc.gov. במילים אחרות, כמעט כל השבבים המתקדמים (מתחת ל-10 ננומטר) מגיעים מטייוואן (בעיקר TSMC), והיתר מדרום קוריאה. זהו סיכון אספקה עצום – כל הפרעה (רעידת אדמה, משבר גיאופוליטי) עלולה לשתק את שרשראות האספקה הטכנולוגיות העולמיות usitc.gov. למעשה, מומחים מציינים שהפרעה משמעותית למפעלי טייוואן תהיה קטסטרופה כלכלית החורגת בהרבה מענף הטכנולוגיה. דרום קוריאה היא נקודת כשל נוספת: כמעט כל שבבי הזיכרון המתקדמים מיוצרים על ידי שתי חברות שם. מתוך הבנה זו, מדינות וחברות מנסות כעת לגוון את הייצור גאוגרפית (מעבר מגלובליזציה ל“אזוריות”) nefab.com, אך הקמת מפעלים חדשים במקומות אחרים לוקחת זמן.
תלות בספק יחיד: קלטים קריטיים מסוימים תלויים בספקים בודדים או מוגבלים מאוד. דוגמה בולטת היא ASML – החברה ההולנדית היא היחידה שמספקת מכונות ליתוגרפיה EUV הנדרשות לשבבים המתקדמים ביותר patentpc.com. אם ASML לא תוכל לשלוח כלים (בין אם בשל איסורי ייצוא או בעיות ייצור), קידום השבבים נעצר. באופן דומה, כימיקלים מרכזיים מסופקים לעיתים קרובות על ידי מספר מצומצם של ספקים מוסמכים. לדוגמה, מספר חברות יפניות מספקות את רוב כימיקלי הפוטורזיסט בעולם. תוכנות תכנון שבבים מתקדמות (כלי EDA) הן צוואר בקבוק נוסף, הנשלט על ידי שלושה ספקים אמריקאים בלבד. נקודות ריכוז אלו הופכות את כל השרשרת לחזקה כמו החוליה החלשה (או הצרה) ביותר שלה.
סיכונים בחומרי גלם ומשאבים טבעיים: ייצור שבבים תלוי בחומרים נדירים וכימיקלים מעובדים – וזעזועים באספקה שלהם כבר גרמו לבעיות. המלחמה בין רוסיה לאוקראינה ב-2022 המחישה זאת: אוקראינה סיפקה כ-25–30% מהגז ניאון המטוהר בעולם (המשמש לליתוגרפיית לייזר), ורוסיה סיפקה נתח דומה מהפלדיום העולמי (המשמש בתהליכי שבבים מסוימים) usitc.gov. כאשר המלחמה שיבשה את האספקה, ייצור השבבים עמד בסכנה עד שמקורות חלופיים התגברו usitc.gov. דוגמה נוספת התרחשה באמצע 2023: סין הגיבה להגבלות טכנולוגיה אמריקאיות באיסור ייצוא של גליום וגרמניום – שני מתכות נדירות החיוניות ללייזרים של שבבים, שבבי תדר רדיו ותאים סולאריים deloitte.com. סין מייצרת את רוב היסודות הללו, ולכן המהלך גרם ליצרנים למהר ולחפש ספקים חלופיים. מקרים אלו מדגישים פגיעות: אם מקור יחיד של חומר קריטי יוצא מכלל פעולה, הוא עלול ליצור צוואר בקבוק בכל תהליך ייצור השבבים.
מורכבות קיצונית וזמני אספקה ארוכים: יכול לקחת חודשים לייצר אצווה של שבבים ושנים לבנות מפעל ייצור חדש מאפס. זמן האספקה הארוך הזה אומר ששרשרת האספקה לא יכולה להתאושש במהירות מהפרעות. במהלך מגפת הקורונה, למשל, עלייה חדה בביקוש בשילוב עם סגרים הובילה למחסור חמור בשבבים ב-2021, שלקח יותר משנה להיפתר בהדרגה usitc.gov. המחסור פגע במיוחד ביצרניות הרכב – מפעלים נעצרו ותעשיית הרכב הפסידה כ-210 מיליארד דולר במכירות ב-2021 בגלל מחסור בשבבים usitc.gov. האופי המורכב והמדויק של שרשרת האספקה (עם מלאי מינימלי) אומר שאפילו תקלה קטנה – שריפה במפעל יפני, סופת קרח בטקסס שמשביתה מפעלים, או בצורת בטייוואן שמפחיתה את אספקת המים – יכולה לגרום לעיכובים עולמיים בייצור. ראינו זאת עם שריפה במפעל שבבים של רנסס לרכב ב-2021 והפסקות חשמל במפעלי טקסס באותה שנה, שכל אחת מהן גרמה לעיכובים במוצרים בהמשך השרשרת.
שרשרת “בדיוק בזמן” שברירית: שנים רבות היעילות דחפה חברות להחזיק מלאים נמוכים ולהסתמך על אספקה בזמן אמת. אבל זה השאיר ללא רשת ביטחון להפרעות. השרשרת הגלובלית הותאמה לעלות, לא לעמידות. כעת, בעקבות לקחי המגפה, חברות וממשלות דוחפות ל“עמידות” – בניית מלאים גדולים יותר של שבבים או רכיבים, “פרנדשורינג” (העברת ייצור למדינות ידידותיות), ושימוש בשני מקורות לאספקת רכיבים קריטיים reuters.com. עם זאת, השינויים איטיים ויקרים.
פיצול גיאופוליטי: ייתכן שהפגיעות המתהווה הגדולה ביותר היא הפוליטיזציה של שרשרת האספקה של השבבים. היריבות הטכנולוגית בין ארה"ב לסין הובילה להגבלות ייצוא ורשימות שחורות שממש מפצלות את העולם לשניים בכל הנוגע לשבבים. "בתחום השבבים, הגלובליזציה מתה. הסחר החופשי לא ממש מת, אבל הוא בסכנה," אמר מייסד TSMC, מוריס צ'אנג, ב-2023. בשנה האחרונה, ארה"ב ובעלות בריתה הגבילו יותר ויותר את גישתה של סין לטכנולוגיית שבבים מתקדמת, מתוך חשש להשלכות ביטחוניות. בתגובה, סין הגבירה את ההשקעה בטכנולוגיה מקומית ואפילו הגבילה ייצוא מסוים בתמורה. התוצאה היא שרשרת אספקה מפוצלת יותר – אחת שבה מערכות אקולוגיות המיושרות למערב ולאלה המיושרות לסין עשויות להפוך לפחות תלויות זו בזו. אמנם זה עשוי להוסיף מידה של יתירות, אך המשמעות היא גם פחות יעילות, עלויות גבוהות יותר, ופוטנציאל לכפל מאמצים בשני עולמות טכנולוגיים theregister.com. צ'אנג הצהיר בפשטות "הגלובליזציה כמעט מתה והסחר החופשי כמעט מת"theregister.com, והזהיר כי עידן הזהב של שרשרת שבבים עולמית מאוחדת מסתיים. תקופת המעבר הזו יוצרת אי ודאות וסיכון, כאשר חברות נאלצות לנווט בין כללים חדשים ומורכבים לגבי למי מותר להן למכור והיכן מותר להן להקים מפעלים.

בקיצור, שרשרת האספקה של השבבים היא חרב פיפיות: אופיה הגלובלי הביא לחדשנות יוצאת דופן וליתרון לגודל בעלות נמוכה, אך גם יצר נקודות כשל מסוכנות. בצורת בטייוואן או עימות פוליטי בים סין הדרומי אינם רק עניין מקומי – הם עלולים לשבש את ייצור הסמארטפונים, המכוניות ושרתי הדאטה סנטר ברחבי העולם usitc.gov. ההבנה הזו מובילה כיום למאמצים אדירים להגברת החוסן – החל מסובסידיות ממשלתיות למפעלי ייצור מקומיים ועד לגיוון ספקים. אך בניית יתירות לוקחת זמן, ובינתיים העולם נותר פגיע מאוד לזעזועים בשרשרת אספקת השבבים.

חומרי מפתח וטכנולוגיות מרכזיות בייצור שבבים

אמנות ייצור השבבים נשענת על מערך של טכנולוגיות מתקדמות וחומרים ייחודיים. הבנה של אלה מספקת תובנה מדוע ייצור שבבים הוא אתגר כה גדול (ולמה רק מעטים מסוגלים לעשות זאת ברמה הגבוהה ביותר):

פרוסות סיליקון: רוב השבבים מיוצרים על בסיס סיליקון – יסוד נפוץ שתכונותיו כחומר מוליך למחצה הופכות אותו לאידיאלי. גושי סיליקון נחתכים לפרוסות חלקות כמראה (קוטר 300 מ"מ ברוב המפעלים המתקדמים כיום). פרוסות אלו הן הבסיס לייצור השבבים. ייצור גבישי סיליקון טהורים וללא פגמים הוא תהליך טכנולוגי מתקדם שנשלט על ידי מספר מצומצם של חברות (בעיקר ביפן). נעשה שימוש גם בחומרים מוליכים למחצה נוספים ליישומים ייחודיים: למשל ארסניד גליום או פוספיד אינדיום לשבבי RF בתדר גבוה, ו-סיליקון קרביד (SiC) או ניטריד גליום (GaN) לאלקטרוניקה בהספק גבוה (כמו בקרי מנועים לרכבים חשמליים ותחנות בסיס 5G), בזכות תכונותיהם החשמליות העדיפות במתחים או תדרים גבוהים. מוליכים למחצה מורכבים אלו קריטיים ל-5G, רכבים חשמליים ותעשיית התעופה, ומאמצים נרחבים נעשים להגדלת ייצורם (לעיתים בשיתוף חברות אמריקאיות, אירופאיות ויפניות המובילות במדע החומרים).
טכנולוגיית פוטוליתוגרפיה: בלב ייצור השבבים המודרני נמצאת הפוטוליתוגרפיה – שימוש באור לחריטת דפוסים זעירים. טכנולוגיה זו הגיעה לרמות כמעט מדע בדיוני. המפעלים המובילים כיום משתמשים ב-פוטוליתוגרפיה אולטרה-סגולה קיצונית (EUV), שפועלת באורך גל של 13.5 ננומטר וכוללת אופטיקה מורכבת במיוחד, מקורות אור פלזמה ומערכות ואקום. כפי שצוין, ASML היא היצרנית היחידה של סורקי EUV patentpc.com. כל מכונת EUV שוקלת 180 טון, כוללת אלפי רכיבים (מראות Zeiss, מקור אור פלזמה בלייזר וכו'), ו-עולה מעל 300 מיליון דולר bipartisanpolicy.org. EUV מאפשרת חריטה של תכונות בגודל ~7 ננומטר ומטה בפחות שלבים. עבור טכנולוגיות ישנות יותר (למשל 28nm, 14nm), המפעלים משתמשים בפוטוליתוגרפיה אולטרה-סגולה עמוקה (DUV) – עדיין מורכבת אך עם בסיס ספקים רחב יותר (ASML, Nikon, Canon מספקות את הכלים הללו). ההתקדמות בפוטוליתוגרפיה היא המנוע המרכזי של חוק מור, ומאפשרת הכפלת צפיפות הטרנזיסטורים. השלב הבא בפוטוליתוגרפיה כבר בפיתוח: EUV בעל יחס נומרי גבוה (High-NA) (עדשות בעלות מפתח נומרי גבוה יותר לדפוסים עדינים אף יותר) המיועדות לשבבים של 2 ננומטר ומטה עד 2025-2026. עולם ייצור השבבים כולו תלוי במידה רבה בהתקדמות טכנולוגיה אופטית זו.
תהליכים כימיים וגזים: מפעל ייצור מודרני עושה שימוש במגוון מדהים של כימיקלים – מגזים כמו פלואור, ארגון, חנקן, סילאן ועד ממסים נוזליים, חומצות ופוטורזיסטים. יותר מ-100 גזים שונים (רבים מהם רעילים או ייחודיים מאוד) עשויים לשמש בשלבי דיפוזיה וחריטה שונים steveblank.com. כימיקלים לפוטורזיסט הם פולימרים רגישים לאור הנמרחים על פרוסות סיליקון כדי להעביר דפוסי מעגלים – תחום הנשלט על ידי חברות יפניות steveblank.com. תערובות ליטוש כימי-מכני (CMP) המכילות ננו-שוחקים משמשות להשטחת שכבות הפרוסה steveblank.com. אפילו מים אולטרה-טהורים מייננים הם "חומר" קריטי – מפעלי ייצור צורכים כמויות עצומות לשטיפת פרוסות (כפי שנדון בפרק הסביבתי). כל חומר חייב לעמוד בדרישות טוהר קיצוניות, כי אטום או חלקיק מזהם בודד עלול להרוס מיליארדי טרנזיסטורים. לכן אספקת החומרים הללו היא מאמץ טכנולוגי מתקדם בפני עצמו, לעיתים עם מספר מועט של ספקים מוסמכים (ולכן פגיעה באספקה עלולה להיות משמעותית, כפי שצוין קודם).
טכנולוגיית טרנזיסטורים (דורות נוד): שבבים מסווגים לעיתים לפי ה"נוד" או גודל הטרנזיסטור שלהם – למשל 90nm,‏ 28nm,‏ 7nm,‏ 3nm וכו'. קטן יותר הוא בדרך כלל טוב יותר (יותר טרנזיסטורים לשטח, מהירות גבוהה יותר, צריכת חשמל נמוכה יותר). איך מייצרים את הטרנזיסטורים הזעירים האלה? זה כולל גם ליתוגרפיה להגדרת התכונות הקטנות שלהם וגם ארכיטקטורת טרנזיסטור חכמה. התעשייה עברה מטרנזיסטורים שטוחים מסורתיים (פלאנריים) ל-FinFET (טרנזיסטורי סנפיר תלת-ממדיים) בסביבות נוד 22nm כדי לשלוט בדליפה. כעת, בסביבות 3nm, מוצג עיצוב חדש בשם Gate-All-Around (GAA) או טרנזיסטורי ננושיט (Samsung ב-3nm משתמשת ב-GAA, ו-TSMC/Intel מתכננות GAA ב-2nm) – זה עוטף את שער הטרנזיסטור מסביב לערוץ לשליטה טובה אף יותר. ההתקדמויות הללו במבנה ההתקן, יחד עם חומרים חדשים (למשל דיאלקטריים בעלי קבוע דיאלקטרי גבוה, שערי מתכת), האריכו את חוק מור גם כאשר ההקטנה הפשוטה הופכת לקשה יותר bipartisanpolicy.org. ישנו צינור שלם של מו"פ לחומרים חדשים ברמת הטרנזיסטור – למשל שימוש בגרמניום או חומרים דו-ממדיים (כמו גרפן) לערוצים לשיפור הניידות, או מוליכים למחצה III-V לשכבות מסוימות. אמנם עדיין לא בייצור המוני ללוגיקה, חומרים כאלה עשויים להופיע בשנים הקרובות כאשר טרנזיסטורי הסיליקון יגיעו למגבלות הפיזיקליות שלהם.
טכנולוגיות אריזה ואינטגרציית שבבים: כאשר הקטנת הטרנזיסטורים מניבה תשואות הולכות ופוחתות, החדשנות עוברת לאריזת שבבים ואינטגרציה. אריזה מתקדמת מאפשרת לשלב מספר שבבים (chiplets) בחבילה אחת, המחוברים באמצעות ממשקים בצפיפות גבוהה. טכניקות כמו CoWoS ו-SoIC של TSMC, Foveros של אינטל, וארכיטקטורת ה-chiplet של AMD מאפשרות למהנדסים לשלב ולהתאים "אריחים" שונים (ליבות CPU, GPU, IO, זיכרון) במודול אחד. זה משפר ביצועים ותשואה (שבבים קטנים יותר קלים יותר לייצור ללא פגמים, ואז מחברים אותם יחד). לדוגמה, המעבדים החדשים של AMD משתמשים ב-chiplets, וגם Meteor Lake הקרוב של אינטל. הערמה תלת-ממדית היא טכנולוגיה נוספת – הנחת שבבים זה על גבי זה, כמו ערימת זיכרון על לוגיקה (למשל, ערימות HBM של זיכרון ברוחב פס גבוה) כדי להתגבר על צווארי בקבוק של רוחב פס. התעשייה מתקדמת לסטנדרטיזציה של ממשקי chiplet (UCIe) כך ששבבים מספקים שונים יוכלו בעתיד לעבוד יחד באותה חבילה bakerbotts.com. בקיצור, "chiplets הם כמו קוביות לגו – שבבים קטנים ומיוחדים שאפשר לשלב ולהתאים כדי ליצור מערכות חזקות יותר," כפי שסיכמה MIT Tech Review (המדגימה מגמת חדשנות מרכזית). מהפכת האריזה הזו היא אסטרטגיה טכנולוגית מרכזית להמשך שיפור ביצועי מערכות גם אם קצב הקטנת הטרנזיסטורים יואט.
תוכנת תכנון וקניין רוחני: אף שזה לא חומר, ראוי לציין את כלי ה-EDA (אוטומציית תכנון אלקטרוני) והליבות הקנייניות המשמשים לתכנון שבבים – טכנולוגיות קריטיות בפני עצמן. שבבים מודרניים כה מורכבים עד שכלי EDA בסיוע בינה מלאכותית מתחילים להופיע – כלים שמנצלים למידת מכונה לאופטימיזציה של פריסות שבבים ואימות תכנונים במהירות רבה יותר steveblank.com. בצד הקניין הרוחני, תכנונים בסיסיים כמו ליבות CPU של ARM או ליבות GPU של Imagination הם טכנולוגיות יסוד שרבות מחברות השבבים רוכשות ברישיון במקום להמציא מחדש, ומשמשות למעשה אבני בניין.
פרדיגמות מחשוב מתקדמות: מעבר לשבבים דיגיטליים מסורתיים, נחקרות טכנולוגיות חדשות: שבבי מחשוב קוונטי (המשתמשים בקיוביטים העשויים ממעגלים מוליכי-על או יונים לכודים) מבטיחים האצות אקספוננציאליות למשימות מסוימות, אך עדיין ברמת מחקר. מעגלים משולבים פוטוניים משתמשים באור במקום חשמל לתקשורת ואולי גם לחישוב במהירויות גבוהות מאוד ובחום נמוך – כבר נמצאים בשימוש בתשתיות תקשורת מסוימות. שבבים נוירומורפיים שואפים לחקות רשתות עצביות של המוח בחומרה עבור יישומי בינה מלאכותית. אף שעדיין אינם מיינסטרים, מחקר ופיתוח מתמשך עשוי להפוך אותם לחלק מנוף הסמיקונדקטורים בשנים הקרובות.

לסיכום, ייצור מוליכים למחצה דורש שליטה במגוון מדהים של טכנולוגיות – ממדעי החומרים (גידול גבישים מושלמים, כימיה של צריבה) ועד פיזיקה אופטית (ננו-פוטוניקה של ליתוגרפיה) ועד מדעי המחשב (אלגוריתמים לתכנון). המורכבות הזו היא הסיבה לכך שרק מספר מצומצם של אקו-סיסטמים (טייוואן, דרום קוריאה, ארה"ב, יפן, אירופה) שולטים בטכנולוגיות הללו, ולמה למאחרים קשה מאוד להדביק את הפער. זו גם הסיבה ששבבים כל כך קשים לייצור – אבל כל כך מופלאים בהישגיהם.

חדשנות וכיווני מו"פ

תעשיית השבבים מונעת על ידי חדשנות בלתי פוסקת – כפי שמסוכם היטב בחוק מור, התצפית שמספר הטרנזיסטורים על שבבים מוכפל בערך כל שנתיים. למרות שחוק מור מאט בשל מגבלות פיזיקליות, המחקר והפיתוח (מו"פ) בעולם השבבים תוסס מתמיד, ומחפש דרכים חדשות להמשיך ולשפר ביצועים. הנה כמה מהחדשנויות וכיוונים עתידיים נכון ל-2024-2025:

דחיפת גבול הצומת: השחקניות הגדולות מתחרות על מסחור הדור הבא של טכנולוגיית השבבים. TSMC וסמסונג החלו בייצור 3 ננומטר ב-2022-2023; כעת ל-TSMC יש תוכניות למפעלי 2 ננומטר עד 2025-2026, ו-IBM (עם Rapidus ביפן) אף הדגימה אב-טיפוס מעבד 2 ננומטר במעבדה. אינטל שואפת להחזיר לעצמה את ההובלה עם צמתים שהיא מכנה 20A ו-18A (שקול לכ-2 ננומטר) עד 2024-2025, תוך שילוב טרנזיסטורי GAA בסגנון סרט (“RibbonFET”). כל הקטנה של הצומת דורשת מו"פ עצום – טריקים חדשים בליתוגרפיה, חומרים חדשים (כמו קובלט או רותניום לקישוריות, מבודדים חדשניים), ועוד שכבות EUV. יש אף דיבורים על תהליכים מתחת ל-1 ננומטר (רמת אנגסטרם) בהמשך העשור, אם כי אז התוויות “ננומטר” הן בעיקר שיווקיות – גודל הפיצ’רים בפועל עשוי להיות בעובי של כמה אטומים בלבד.
ארכיטקטורות צ’יפלט ומודולריות: כפי שצוין, עיצוב מבוסס צ’יפלט הוא חדשנות מרכזית למעקב. הוא כבר בשימוש (מעבדי Zen של AMD, Meteor Lake הקרוב של אינטל, M1 Ultra של אפל שמחבר למעשה שני M1 Max באמצעות אינטרפוזר), והוא מתפתח עם ממשקים סטנדרטיים. גישה מודולרית זו מאפשרת שימוש חוזר בבלוקים של קניין רוחני, שילוב צמתים שונים (למשל, אנלוגי בצ’יפלט בצומת ישן יותר, מעבדים בצ’יפלט בצומת חדש יותר), ותשואות טובות יותר. קונסורציום UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) שהוקם ב-2022 מפתח תקנים פתוחים כך שלמעשה חברה תוכל לרכוש רכיבי צ’יפלט מוכנים ולשלב אותם – כמו חיבור קוביות לגו. ב-2024 אנו רואים צ’יפלטים מאפשרים שילובים מתמחים יותר, כמו שילוב מאיצי בינה מלאכותית או ערימות זיכרון HBM בקלות להגדלת ביצועים bakerbotts.com. בהמשך, זה עשוי לשנות באופן דרמטי את אופן תכנון השבבים ומי יוכל לייצר אותם (הורדת חסמי הכניסה לשחקנים חדשים שיתמקדו בנישה של צ’יפלט אחד).
בינה מלאכותית (AI) ושבבים ייעודיים: הביקוש הגואה למחשוב AI (למשל, אימון רשתות נוירונים גדולות עבור AI גנרטיבי) מעצב את החדשנות בתחום השבבים. מעבדי CPU מסורתיים אינם יעילים לעומסי עבודה של AI, ולכן יש ביקוש רב ל-GPU (מעבדי גרפיקה) ולמאיצי AI (TPU, NPU וכו'). בשנת 2024 ראינו "בהלת זהב ל-AI" בתחום המוליכים למחצה – לדוגמה, ה-GPU של Nvidia למרכזי נתונים נמכרים במהירות שיא, ורבים מהסטארטאפים מפתחים שבבים ייעודיים ל-AI. שבבים ל-AI גנרטיבי (כולל CPU, GPU, מאיצי AI ייעודיים, זיכרון, תקשורת) ככל הנראה חצו הכנסות של 125 מיליארד דולר ב-2024 – יותר מכפול מהתחזיות הראשוניות – ומהווים מעל 20% מכלל מכירות השבבים deloitte.com. הדבר מדרבן מו"פ לארכיטקטורות מיטביות ל-AI: חשבו על מעבדי טנזור, שבבים נוירומורפיים, מחשוב בזיכרון (עיבוד נתונים במערכי זיכרון), ואפילו מחשוב אנלוגי ל-AI. שחקניות גדולות כמו NVIDIA, גוגל (TPU), אמזון (Inferentia), וסטארטאפים (Graphcore, Cerebras וכו') דוחפות עיצובים חדשניים. מנכ"לית AMD ליסה סו העריכה כי השוק הכולל לשבבים הקשורים ל-AI עשוי להגיע ל-500 מיליארד דולר עד 2028 deloitte.com – מספר הגדול מכל שוק המוליכים למחצה כולו ב-2023, מה שמדגיש את הפוטנציאל הטרנספורמטיבי של AI. תחזיות כאלה מניעות השקעות ענק במו"פ של שבבי AI.
אינטגרציה תלת-ממדית ואינטגרציה הטרוגנית: מעבר ל-chiplets זה לצד זה, הערמה תלת-ממדית (שבבים זה על גבי זה) היא חזית נוספת. הערמת זיכרון (למשל HBM על GPU) כבר נפוצה. השלב הבא הוא הערמת שבבי לוגיקה כדי לקצר חיבורים – לדוגמה, להציב זיכרון מטמון ישירות מעל שכבת ליבת CPU לגישה מהירה יותר. פרויקטי מחקר בוחנים שבבים תלת-ממדיים עם אלפי חיבורים אנכיים (TSV או אפילו חיבורים בין-שבביים מודבקים ברזולוציה ננומטרית). אינטגרציה הטרוגנית מתייחסת למיזוג טכנולוגיות שונות (לוגיקת CMOS, זיכרון DRAM, פוטוניקה וכו') במארז או ערימה אחת. חוק ה-CHIPS האמריקאי מממן מתקני אריזה ואינטגרציה מתקדמים, כי זה נחשב למפתח להישגים עתידיים כאשר ההקטנה הטהורה מאטה. ב-2024 אינטל הדגימה ערימת שבב עיבוד מעל שבב I/O עם "PowerVia" להעברת חשמל מהגב, כחלק מהעיצובים העתידיים שלה. זהו מחקר ופיתוח מתקדם בתחום האריזה.
חומרים חדשים ופרדיגמות טרנזיסטור חדשות: חוקרים עובדים גם על טכנולוגיות שאחרי הסיליקון, שאחרי CMOS. גרפן וננו-צינוריות פחמן מציגים תכונות מפתות (ניידות אלקטרונים מהירה במיוחד) שעשויות לאפשר טרנזיסטורים קטנים בהרבה, אך שילובם בייצור המוני הוא אתגר. ובכל זאת, טרנזיסטורי FET מננו-צינוריות פחמן ניסיוניים כבר הודגמו בשבבים במעבדה (MIT ייצרו לפני כמה שנים מיקרופרוססור 16-ביט כולו מטרנזיסטורים כאלה). מוליכים למחצה דו-ממדיים כמו מוליבדן דיסולפיד (MoS₂) נחקרים לערוצים דקים במיוחד. במקביל, ספינטרוניקה (שימוש בספין של אלקטרון לזיכרון, כמו MRAM), טרנזיסטורי FET פרואלקטריים, ו-התקנים קוונטיים הם תחומי מחקר פעילים שעשויים לשפר או להחליף טכנולוגיה קיימת ליישומים מסוימים. אף אחת מהן לא תגיע לייצור המוני ב-2025, אך השקעות כיום עשויות להניב פריצות דרך בסוף העשור. דוגמה בולטת: IBM וסמסונג הכריזו ב-2021 על מחקר ב-VTFET (טרנזיסטור FET בהולכה אנכית), מבנה טרנזיסטור אנכי חדשני שעשוי תיאורטית לאפשר קפיצה גדולה בצפיפות על ידי סידור טרנזיסטורים אנכית דרך השבב.
מחשוב קוונטי ופוטוניקה מבוססת סיליקון: אף שאינם חלק ישיר ממפת הדרכים של CMOS, גם מחשוב קוונטי וגם אינטגרציה פוטונית הם כיווני עתיד החופפים לתחום המוליכים למחצה. מחקר ופיתוח במחשוב קוונטי זכה ל-השקעות של מיליארדים – חברות כמו IBM, גוגל, אינטל מייצרות שבבי מעבד קוונטיים (אם כי בטכנולוגיות שונות מאוד – למשל מעגלים מוליכי-על בטמפרטורות קריוגניות). אם מחשבים קוונטיים יצליחו להתרחב, הם עשויים להשלים את המוליכים למחצה הקלאסיים למשימות מסוימות (קריפטוגרפיה, סימולציות מורכבות) תוך עשור או שניים. פוטוניקה מבוססת סיליקון, לעומת זאת, כבר מתמזגת עם שבבים מסורתיים: שילוב ממשקים אופטיים לקישורי נתונים מהירים במיוחד (למשל בין שבבי שרתים) באמצעות לייזרים זעירים ומוליכי גל על השבב. ענקיות טכנולוגיה (כמו אינטל, סיסקו) מפעילות תוכניות שבבים פוטוניים, וסטארטאפים עובדים על רשתות עצביות אופטיות. ב-2024 נרשמה התקדמות עם הדור השני של שבבי טרנסיבר אופטיים למרכזי נתונים, ומחקר במחשוב פוטוני ל-AI.
טכנולוגיות זיכרון מתקדמות: החדשנות אינה רק בשבבי לוגיקה. גם תחום הזיכרון מתפתח: NAND פלאש תלת-ממדי מגיע ל-200+ שכבות (מיקרון ו-SK Hynix הכריזו על שבבים עם יותר מ-230 שכבות), ואולי יגיע ל-500+ שכבות עד 2030, עם תאי זיכרון הנערמים כמו גורדי שחקים. זיכרונות חדשים כמו MRAM, ReRAM וזיכרון בשינוי פאזה נמצאים בפיתוח, ועשויים להחליף או להשלים DRAM ופלאש, עם יתרונות של אי-נדיפות, מהירות או עמידות טובה יותר. ב-2023, אינטל ומיקרון הציגו התקדמות בזיכרונות הדור הבא הללו. אחסון חישובי (שבו הזיכרון מבצע גם משימות חישוב) הוא כיוון נוסף.

בסך הכל, צנרת המו"פ עשירה – משיפורי ייצור מהדור הבא המיידי (טרנזיסטורים 2nm, GAA) ועד פרדיגמות מחשוב מהפכניות. התעשייה גם מקבלת תמיכה ממשלתית חסרת תקדים במו"פ: לדוגמה, חוק CHIPS האמריקאי מקצה מיליארדים להקמת מרכזי מחקר לאומיים חדשים בתחום המוליכים למחצה, וחוק השבבים של אירופה מגביר גם הוא את מימון המו"פ semiconductors.org. מאמצים אלה נועדו להבטיח מנהיגות בטכנולוגיות העתיד. מגמה ברורה אחת היא שיתופי פעולה מסיביים בין חברות, ממשלות ואקדמיה במחקר טרום-תחרותי (בהתחשב בעלויות הכרוכות בכך).

כשאנו עומדים בשנת 2025, ייתכן שחוק מור מאט במובנו המסורתי, אך המחדשים בטוחים ש-"More Moore" ו-"More than Moore" (יכולות חדשות מעבר להקטנה) ימשיכו. מאמר עדכני באקונומיסט ציין שגם אם הטרנזיסטורים לא ימשיכו להצטמצם בחצי כל שנתיים, קצב ההתקדמות עשוי להימשך באמצעות ארכיטקטורות צ'יפלט, תכנון מונע בינה מלאכותית והתמחות economist.com. במילים אחרות, סוף חוק מור לא אומר סוף לשיפורים המהירים – הם פשוט יגיעו מכיוונים שונים. השנים הקרובות יהיו מרתקות כשנראה האם פריצות דרך כמו High-NA EUV, ערימת שבבים תלת-ממדית, או אולי טכנולוגיה חדשה ובלתי צפויה, יובילו את התעשייה לגבהים חדשים.

מתיחויות גיאופוליטיות והשלכות מדיניות

מוליכים למחצה הם לא רק עניין עסקי – הם שבבים גיאופוליטיים במשחק הכוח העולמי. מכיוון ששבבים מתקדמים חיוניים לעוצמה כלכלית ולביטחון לאומי (חשבו על טכנולוגיה צבאית, תשתיות קריטיות, תקשורת מאובטחת), מדינות נקטו יותר ויותר צעדים ל-הגנה ושליטה ביכולות המוליכים למחצה. במהלך 2024-2025, מתיחויות אלו רק הסלימו, ועיצבו מחדש את המדיניות והיחסים הבינלאומיים. הנה קווי העלילה המרכזיים:

מלחמת השבבים הטכנולוגית ארה"ב–סין: ארצות הברית וסין מצויות בתחרות עזה סביב מוליכים למחצה. ארה"ב רואה בהתקדמות של סין בתחום השבבים איום ביטחוני פוטנציאלי (שבבים מתקדמים יכולים להפעיל בינה מלאכותית לצרכים צבאיים וכו'), ונוקטת צעדים נחרצים על מנת למנוע מסין גישה לטכנולוגיית שבבים מתקדמת. באוקטובר 2022, ארה"ב הכריזה על הגבלות ייצוא נרחבות, האוסרות על חברות סיניות להשיג שבבים מתקדמים (מעל סף ביצועים מסוים) ואת הציוד לייצורם. ב-2023 ובסוף 2024, ההגבלות הללו הוחמרו עוד יותר – למשל, נאסר ייצוא אפילו של חלק משבבי הבינה המלאכותית הפחות מתקדמים של Nvidia לסין, והורחבה רשימת החברות הסיניות (כמו SMIC, Huawei) הנתונות לסנקציות deloitte.com. ארה"ב גם הפעילה לחץ על בעלות בריתה הולנד ויפן להגביל ייצוא של ציוד ליתוגרפיה מתקדם וכלי ייצור שבבים נוספים לסין, והן הסכימו לכך בתחילת 2023 (ובכך נותקה סין לחלוטין ממכונות EUV, ואף מחלק מכלי ה-DUV המתקדמים). המטרה של מגבלות אלו היא להאט את קצב ההתקדמות של סין במוליכים למחצה המתקדמים ביותר, במיוחד אלו הנדרשים לבינה מלאכותית צבאית ולמחשבי-על theregister.com m. גורמים אמריקאים הצהירו בגלוי כי ברצונם לשמור על "חצר קטנה, גדר גבוהה" – כלומר, קבוצה קטנה של טכנולוגיות מתקדמות ביותר, אך עם חומת הגנה כמעט בלתי חדירה סביבן.
חוקי CHIPS ומדיניות תעשייתית: התפתחות בולטת היא שממשלות רבות חוקקו מדיניות להעברת ייצור שבבים למדינה או למדינות ידידותיות, בניגוד לעשורים של גישה ליברלית. חוק CHIPS והמדע של ארה"ב (2022) הקצה 52.7 מיליארד דולר במימון ישיר לעידוד ייצור שבבים מקומי, בנוסף לזיכויי מס של 25% להשקעות במפעלי ייצורbipartisanpolicy.org. עד 2023-24, משרד המסחר האמריקאי החל להעניק את הכספים לפרויקטים – לדוגמה, ב-2023 הוכרזו מענקים והבטחות הלוואה ראשונות לחברות שבונות מפעלים בארה"ב bipartisanpolicy.org. המטרות הן להעלות את חלקה של ארה"ב בייצור העולמי (כיום כ-12%) ולהבטיח שהשבבים המתקדמים ביותר (למשל לצרכי ביטחון) ייוצרו על אדמת ארה"ב. בדומה לכך, האיחוד האירופי השיק את חוק השבבים האירופי (2023) במטרה לגייס 43 מיליארד אירו ולהכפיל את חלקה של אירופה בייצור ל-20% עד 2030 consilium.europa.eu. זה כולל סובסידיות למפעלים חדשים (אינטל קיבלה סובסידיה גדולה למפעל בגרמניה, TSMC גם מחוזרת לגרמניה), תמיכה בסטארטאפים ומימון מחקר. יפן העמידה גם היא מיליארדים בסובסידיות – היא משכה את TSMC להקים מפעל בקומאמוטו (עם סוני ודנסו כשותפות) על ידי הצעת כמעט חצי מהעלות (476 מיליארד ין ≈ 3.2 מיליארד דולר סובסידיה) reuters.com. יפן גם יצרה את Rapidus, קונסורציום עם חברות כמו סוני, טויוטה, ובתמיכת הממשלה, לפיתוח טכנולוגיית ייצור 2 ננומטר בשיתוף עם IBM. דרום קוריאה הכריזה על תמריצים לאשכול "סופר-שבבים" ולתמיכה בחברות כמו סמסונג בבניית מפעלים חדשים. הודו השיקה תוכנית תמריצים של 10 מיליארד דולר למשיכת יצרני שבבים להקים מפעלים (נכון ל-2024, ההתקדמות איטית, עם עניין מסוים במפעלים לאנלוג/טכנולוגיה בוגרת ואריזה). אפילו ערב הסעודית ואיחוד האמירויות אותתו על עניין בהשקעות כבדות בשבבים לגיוון הכלכלה patentpc.com. גל המדיניות התעשייתית העולמי הזה חסר תקדים בתעשיית השבבים, שבעבר נהנתה מתמיכה ממשלתית מוגבלת (כמו התמיכה רבת השנים של טאיוואן ב-TSMC) אך לא מתיאום כה רחב. הסיכון הוא עודף קיבולת בטווח הארוך והקצאה לא יעילה, אך הדאגה המרכזית היא ביטחון לאומי וחוסן שרשרת האספקה.
בריתות ו"חברות-שורינג": על לוח השחמט הגיאופוליטי, נוצרו בריתות חדשות שמרכזן שבבים. ארה"ב פועלת ליצור סוג של "ברית שבבים" של מדינות מובילות טכנולוגית ובעלות ערכים דומים – לעיתים מכונה "Chip 4" (ארה"ב, טאיוואן, דרום קוריאה, יפן) – כדי לתאם אבטחת שרשרת אספקה ולשמור טכנולוגיה קריטית מחוץ להישג ידם של יריבים. הולנד (מקום מושבה של ASML) היא גם שותפה מרכזית. מדינות אלו שולטות יחד ברוב הקניין הרוחני, הכלים והייצור של שבבים מתקדמים. הצהרות משותפות ב-2023 ו-2024 בין ארה"ב ליפן, וארה"ב להולנד, אישרו שיתוף פעולה בשליטה על מוליכים למחצה. מנגד, סין ומדינות בסביבתה (אולי רוסיה ואחרות) עשויות להעמיק את קשרי הטכנולוגיה שלהן – לדוג' סין הגבירה שיתוף פעולה טכנולוגי עם רוסיה ומחפשת ציוד שבבים מכל מדינה שמוכנה למכור. סוגיית טאיוואן מרחפת ברקע: ארה"ב מצהירה במפורש שאינה יכולה להישאר תלויה בטאיוואן לשבבים לנצח (ולכן מעודדת את TSMC להקים מפעל באריזונה). טאיוואן, מצידה, רוצה לשמר את "מגן הסיליקון" שלה – הרעיון שתלות העולם בשבבים שלה מרתיעה תוקפנות צבאית. אך המתיחות גבוהה – תרחישי מלחמה והצהרות של גורמים מסוימים אף העלו רעיונות קיצוניים כמו השמדת מפעלי השבבים של טאיוואן במקרה של פלישה, כדי למנוע נפילתם לידי סין theregister.com. הדבר ממחיש עד כמה תחום המוליכים למחצה שזור כיום בתכנון ההגנה הלאומית.
עלויות גבוהות יותר ופשרות: אחת ההשלכות של פוליטיזציה של שרשרת האספקה היא עלויות גבוהות יותר וחוסר יעילות. מוריס צ'אנג הזהיר כי ארגון מחדש של הייצור בשל שיקולים פוליטיים יעלה את המחירים – המודל הגלובלי המבוזר והיעיל היה חסכוני מאוד theregister.com. כעת, שכפול מפעלים במדינות שונות, לעיתים לא בניצול מלא, או שימוש במיקומים פחות אופטימליים (מבחינת עלות) פירושו שהצרכנים עשויים לשלם יותר על שבבים ומוצרים התלויים בהם. כבר כיום, TSMC הצהירה כי שבבים שייוצרו במפעל החדש שלה באריזונה יעלו משמעותית יותר מאשר בטאיוואן (הערכות מסוימות מדברות על עלות גבוהה בכ-50%) reuters.com. ייתכן שחברות יגלגלו עלויות אלו לצרכנים. יש גם אתגר של גיוס כישרונות ושרשראות אספקה באזורים חדשים (כפי שעיכוב TSMC באריזונה הראה, ראו סעיף כוח אדם). למרות זאת, נראה שממשלות מוכנות לשאת בעלויות אלו תמורת רווחי ביטחון.
בקרות ייצוא וציות: התפתחות נוספת היא משטרי בקרת ייצוא המורכבים שמוקמים. הלשכה לביטחון תעשייתי של משרד המסחר האמריקאי (BIS) מעדכנת באופן פעיל את הכללים. לדוגמה, בסוף 2024, ארה"ב הודיעה על כללים להגבלת גישה אפילו למודלים מתקדמים של בינה מלאכותית למדינות תחת סנקציות והגבילה שבבים מסוימים פחות מתקדמים שיכולים להיות מוסבים לשימוש צבאי deloitte.com. המעקב והאכיפה מהווים אתגר – יש שוק אפור משגשג של סוחרי שבבים ופרוקסים שמנסים להבריח שבבים מוגבלים לסין או ליעדים אסורים אחרים. בתגובה, ארה"ב מגבירה את פעולות האכיפה. במקביל, סין מגבשת רשימת בקרת ייצוא משלה (אולי תכלול פריטים נוספים כמו מגנטים מאדמות נדירות וכו', מעבר למתכות שכבר הוגבלו). משחק החתול והעכבר הזה צפוי להימשך, כאשר לעיתים חברות נלכדות באמצע (למשל, NVIDIA נאלצה ליצור גרסאות מואטות של שבבי הבינה המלאכותית שלה כדי למכור אותם כחוק לסין לפי הכללים, מה שגרר הגבלות נוספות מצד ארה"ב).
ריבונות טכנולוגית מול שיתוף פעולה: מדינות רבות מדברות על "ריבונות טכנולוגית" – האיחוד האירופי משתמש במונח זה כדי להצדיק השקעות שמבטיחות שלא יהיה תלוי לחלוטין בטכנולוגיה זרה. מצד שני, החדשנות בתחום השבבים משגשגת בזכות שיתוף פעולה גלובלי (אין מדינה אחת שיכולה לעשות הכל בזול). לכן, קובעי המדיניות נדרשים לאזן: לבנות יכולות מקומיות מבלי להתנתק מרשת הספקים והלקוחות העולמית. חוק השבבים האמריקאי (U.S. CHIPS Act) כולל למעשה סעיפים שמונעים מחברות ממומנות לבנות קיבולת מתקדמת חדשה בסין במשך 10 שנים, בניסיון להבטיח ניתוק bipartisanpolicy.org. סין, מצידה, מקדמת "הסתמכות עצמית" גם אם זה אומר להמציא את הגלגל מחדש. ייתכן שנראה אקוסיסטמות מקבילות אם הקרע יעמיק – למשל, סין מפתחת כלים משלה ל-EDA, ציוד משלה, גם אם בפיגור של דור. בטווח הארוך, יש החוששים שהכפילות הזו מפחיתה את היעילות הכוללת של החדשנות (בעבר חברה כמו TSMC יכלה לפזר את עלויות המו"פ על כל השוק העולמי; בעולם מפוצל, הנפח לכל שוק קטן יותר).

בשנת 2024, המתחים הגיאופוליטיים נשארים בשיא כל הזמנים בזירת המוליכים למחצה. חלוץ התעשייה מוריס צ'אנג תומך במאמצי ארה"ב להאט את סין – הוא ציין "ארה"ב החלה במדיניות תעשייתית בתחום השבבים כדי להאט את ההתקדמות של סין. … אני תומך בכך," גם תוך שהוא מודה שתקופת הסחר החופשי בשבבים מסתיימת. חברות כמו ASML הביעו דאגה שחלק מהמגבלות נראות "מונעות כלכלית יותר" מאשר עוסקות בביטחון בלבד reuters.com, כפי שהעיר מנכ"ל ASML תוך תקווה לאיזון יציב reuters.com. בינתיים, מדינות כמו דרום קוריאה לעיתים מרגישות לכודות באמצע – תלויות בסין כשוק אך בברית עם ארה"ב. לדוגמה, דרום קוריאה קיבלה גמישות מסוימת (פטורים) עבור החברות שלה סמסונג ו-SK Hynix להמשיך להפעיל מפעלים בסין למרות הכללים האמריקאיים, אך בסוף 2024 גם דרום קוריאה נתקלה ב"עקומה מפתיעה" כאשר חשבה על מדיניות הטכנולוגיה שלה תחת לחץ deloitte.com.

"מלחמת השבבים" במוליכים למחצה צפויה להמשיך ולעצב את הפוליטיקה הגלובלית. מצד אחד, היא מניעה השקעות ענק בטכנולוגיה וביכולת ייצור (מה שיכול להיות חיובי לחדשנות ולתעסוקה). מצד שני, היא עלולה ליצור נוף טכנולוגי מפוצל ובלתי יציב יותר, שבו זעזועים באספקה וסכסוכי סחר הופכים לנפוצים יותר. עבור הציבור הרחב, אחת ההשלכות המיידיות היא שהבטחת אספקה יציבה של שבבים הפכה לעדיפות עליונה עבור ממשלות – בדומה לביטחון אנרגטי. בשנים הקרובות, צפויים לראות חדשות על הקמת מפעלים חדשים בלב ארה"ב או בבירות אירופה, איסורי ייצוא הדדיים בין מעצמות, ושבבים כנושא מרכזי בשיחות דיפלומטיות. התחרות הגלובלית על עליונות בשבבים כעת בעיצומה, והיא תשפיע עמוקות הן על התפתחות תעשיית המוליכים למחצה והן על מאזן הכוחות הכלכלי הרחב במאה ה-21.

השפעה כלכלית של תעשיית המוליכים למחצה

תעשיית המוליכים למחצה לא רק מאפשרת מגזרים אחרים – היא כוח כלכלי עצום בפני עצמו. בשנת 2024, שוק המוליכים למחצה העולמי צמח בחדות כאשר המחסור שנגרם מהמגפה פחת והביקוש החדש זינק. מכירות השבבים העולמיות הגיעו לכ-630.5 מיליארד דולר ב-2024 semiconductors.org, מה שמסמן קפיצה חזקה של כ-18–20% מהשנה הקודמת, וצפויות לשבור שיאים חדשים ב-2025 (כ-697 מיליארד דולר) deloitte.com. אם המגמות הנוכחיות יימשכו, התעשייה עשויה להתקרב ל-1 טריליון דולר בשנה עד 2030 deloitte.com. כדי לשים זאת בפרספקטיבה, זה בערך התוצר המקומי הגולמי של הולנד או אינדונזיה שמיוצר כל שנה על ידי שבבים.

אבל ההשפעה הכלכלית האמיתית של מוליכים למחצה גדולה בהרבה ממכירות השבבים עצמם. "חברות באקוסיסטם של המוליכים למחצה מייצרות שבבים … ומוכרות אותם לחברות שמעצבות אותם לתוך מערכות ומכשירים … ההכנסות של מוצרים שמכילים שבבים שוות עשרות טריליוני דולרים," מסביר המומחה לתעשייה סטיב בלאנק steveblank.com. למעשה, כמעט כל מוצר אלקטרוני מודרני (סמארטפונים, מחשבים אישיים, מכוניות, ציוד טלקום, מכונות תעשייתיות) מכיל שבבים – שווקי הקצה האלו מסתכמים בערך של טריליונים רבים ומניעים פרודוקטיביות בכל הכלכלה. לדוגמה, מוליכים למחצה הם בסיסיים עבור תעשיות מפתח כמו רכב (למכוניות של היום יש עשרות מיקרו-בקרים), מחשוב ושירותי ענן, טלקומוניקציה (רשתות 5G), אלקטרוניקה צרכנית, ותחומים מתפתחים כמו בינה מלאכותית ואנרגיה מתחדשת. הזמינות והעלות של שבבים משפיעות ישירות על הבריאות וקצב החדשנות של מגזרים אלו.

כמה נקודות קונקרטיות על השפעה כלכלית:

הנעת מהפכות טכנולוגיות: שבבים הם לעיתים קרובות צוואר הבקבוק או המנוע לגלים טכנולוגיים חדשים. עליית הסמארטפונים והאינטרנט הנייד בעשור הקודם התאפשרה בזכות שבבים לטלפונים שהפכו חזקים ויעילים יותר אנרגטית. הבום של הבינה המלאכותית (עם מודלים דוגמת ChatGPT ומערכות אוטונומיות) מתאפשר בזכות מעבדים גרפיים (GPU) ומאיצי בינה מלאכותית מתקדמים; אילו קצב ההתקדמות של השבבים היה נעצר, אלגוריתמים של בינה מלאכותית לא היו יכולים לפעול בקנה מידה מעשי. ההתרחבות העתידית של האינטרנט של הדברים (IoT), רכבים חשמליים ואוטונומיים, אוטומציה של תעשייה 4.0, ותקשורת 6G – כולם מניחים המשך התקדמות בשבבים. במונחים כלכליים, לשבבים יש אפקט מכפיל עצום – פריצת דרך בתחום השבבים יכולה להוליד תעשיות חדשות לחלוטין. ממשלות מכירות בכך ומגדירות את תחום השבבים כ"תעשייה אסטרטגית"; לדוגמה, הבית הלבן הצהיר כי שבבים הם "קריטיים לצמיחה הכלכלית ולביטחון הלאומי של ארה"ב", מה שמסביר מדוע חוק CHIPS קיבל הצדקה bipartisanpolicy.org.
יצירת מקומות עבודה ותעסוקה מיומנת: תחום השבבים תומך במספר רב של משרות ברחבי העולם, רבות מהן משרות מיומנות ובעלות שכר גבוה (מהנדסים, טכנאים, חוקרים). במוקדי תכנון שבבים כמו עמק הסיליקון (ארה"ב) או סינצ'ו (טייוואן), חברות שבבים הן מהמעסיקים הגדולים. מפעל ייצור שבבים חדש אחד יכול ליצור אלפי משרות ישירות ועשרות אלפי משרות עקיפות (בנייה, ספקים, שירותים). לדוגמה, המפעלים המתוכננים של אינטל באוהיו ושל TSMC באריזונה צפויים כל אחד ליצור כ-3,000 משרות ישירות ועוד רבות בכלכלה הרחבה יותר. יתרה מכך, אלו בדיוק סוגי משרות הייצור המתקדם שמדינות מפותחות רבות רוצות לקדם אצלן מסיבות כלכליות וביטחוניות. עם זאת, כפי שנדון בסעיף הבא, מציאת כישרונות מתאימים למשרות אלו היא אתגר הולך וגדל, שיש לו השלכות כלכליות (מחסור בעובדים עלול להאט התרחבות ולהעלות שכר).
סחר עולמי ושרשראות אספקה: שבבים הם מהמוצרים הנסחרים ביותר בעולם. היקף הסחר העולמי השנתי בשבבים וציוד נלווה מגיע למאות מיליארדים. לדוגמה, שבבים הם בעקביות מהיצוא המרכזי של מדינות כמו טייוואן, דרום קוריאה, מלזיה, ובמידה הולכת וגדלה גם סין (שמייצאת הרבה שבבים פשוטים גם כשהיא מייבאת את המתקדמים). למעשה, מאז 2020, יבוא השבבים של סין (כ-350 מיליארד דולר ב-2022) עלה על יבוא הנפט שלה, מה שמדגיש את חשיבות השבבים כמצרך ייבוא קריטי למדינה patentpc.com. דינמיקה זו משפיעה גם על מאזן הסחר והמשא ומתן. כלכלות מוטות ייצוא כמו דרום קוריאה וטייוואן תלויות ביצוא שבבים לצמיחה – בטייוואן, TSMC לבדה היא תורמת מרכזית לתמ"ג ולמאזן הסחר. במקביל, מדינות התלויות בייבוא שבבים (כמו רבות באירופה, או הודו) רואות בשיפור עמדת הסחר שלהן סיבה לפתח ייצור מקומי.
ביטחון כלכלי: מחסור השבבים של 2021-2022 שימש קריאת השכמה: מחסור ברכיבי מוליכים למחצה בשווי דולר אחד הספיק כדי לעצור ייצור של מכוניות בשווי 40,000 דולר, מה שתרם לאינפלציה ולצמיחה נמוכה יותר בתמ"ג באזורים מסוימים. מחקרים העריכו כי המחסור בשבבים קיצץ כמה אחוזים מייצור הרכב העולמי והאט את זמינות מוצרי האלקטרוניקה לצרכן, מה שככל הנראה השפיע במעט על התמתנות התמ"ג ב-2021. ממשלות כיום מתייחסות לאספקת שבבים מובטחת כחלק מביטחון כלכלי. דוח PwC מ-2023 אף הזהיר כי שיבוש חמור באספקת שבבים עקב שינויי אקלים עלול לסכן שליש מהתפוקה הצפויה של טריליון דולר בתוך עשור אם התעשייה לא תסתגל pwc.com – מה שיפגע משמעותית בכלכלה העולמית. לכן, מתכננים כלכליים משלבים כיום את תחום המוליכים למחצה בהערכות סיכון שבדרך כלל שמורות לסחורות חיוניות.
שוק המניות וצמיחה תאגידית: חברות המוליכים למחצה עצמן הפכו לחלק מהחברות בעלות השווי הגבוה בעולם. בסוף 2024, שווי השוק המשולב של עשר חברות השבבים הגדולות עמד על כ-6.5 טריליון דולר, עלייה של 93% מהשנה הקודמת deloitte.com, הודות לעליות ערך הקשורות לבינה מלאכותית. ענקיות כמו TSMC, NVIDIA, סמסונג, אינטל ו-ASML מחזיקות כל אחת בשווי שוק של מאות מיליארדים. ביצועי החברות הללו משפיעים רבות על מדדי מניות וזרמי השקעות. למעשה, מדד פילדלפיה לשבבים (SOX) נחשב לעיתים קרובות כברומטר לבריאות מגזר הטכנולוגיה. העושר שנוצר מעליית החברות הללו עצום, והן בתורן משקיעות מחדש סכומי עתק במו"פ ובהשקעות הון (TSMC הוציאה כ-36 מיליארד דולר בהשקעות הון ב-2022 reuters.com, סכום המקביל לבניית כמה נושאות מטוסים). הדבר יוצר מעגל חיובי של חדשנות ופעילות כלכלית, כל עוד הביקוש נמשך.
השפעת הצרכן ומחירים: שבבים הם מרכיב משמעותי בעלות של מוצרים רבים. ככל שהשבבים הופכים חזקים יותר (לפי חוק מור), לעיתים קרובות העלות לכל פונקציה יורדת, מה שמאפשר אלקטרוניקה זולה יותר או יותר תכונות באותו מחיר – יתרון לצרכנים ולפריון. עם זאת, המחסור האחרון והעלויות הנוספות של שרשראות אספקה "מאובטחות" (למשל, הכפלת מפעלים באזורים יקרים יותר) עלולים להפעיל לחץ אינפלציוני. ראינו, למשל, שמחירי הרכב קפצו משמעותית ב-2021-2022, בין היתר כי יצרני הרכב לא הצליחו להשיג מספיק מיקרו-בקרים, מה שהוביל למלאים נמוכים. דוח של גולדמן זאקס מ-2021 מצא כי שבבים משולבים במגוון רחב של מוצרי צריכה, ולכן מחסור ממושך בשבבים עלול להשפיע על האינפלציה בשיעור מורגש. לעומת זאת, כאשר אספקת השבבים מתייצבת, הדבר עשוי להשפיע באופן דפלציוני על מחירי האלקטרוניקה. בטווח הארוך, ההתקדמות המתמשכת במוליכים למחצה היא כוח דפלציוני (אלקטרוניקה או שמחירה יורד או שהיא הופכת חזקה בהרבה באותו מחיר מדי שנה).
סובסידיות ממשלתיות והחזר השקעה (ROI): עם עשרות מיליארדי כספי ציבור שמוקצים כיום ליוזמות שבבים, משלמי המסים וכלכלנים עוקבים אחרי התשואות. התומכים טוענים שסובסידיות אלו ישתלמו באמצעות יצירת משרות בעלות ערך גבוה ושמירה על תעשיות חיוניות. יש גם את אפקט המכפיל – למשל, בניית מפעל שבבים (fab) כוללת הרבה עבודות בנייה ובהמשך משרות עתירות מיומנות, ולפי הדיווחים כל משרה במפעל תומכת בכ-4–5 משרות נוספות במשק (בתחזוקה, שירותים וכו'). עם זאת, מבקרים מזהירים מפני עודף היצע או חוסר יעילות כאשר הממשלה בוחרת "מנצחים". מימון חוק השבבים (CHIPS Act), לדוגמה, מגיע עם תנאים (שיתוף רווחים במקרה של רווחים מופרזים, דרישות לטיפול בילדים לעובדי המפעל וכו') כדי לנסות להבטיח תועלת רחבה. הצלחתן או כישלונן של מדיניות אלו ישפיעו גלי הדף כלכליים: אם יצליחו, אזורים כמו המידווסט האמריקאי או סקסוניה בגרמניה עשויים להפוך ל"עמק הסיליקון" הבא ולחזק כלכלות מקומיות. אם לא, קיים סיכון ל"פילים לבנים" יקרים.

לסיכום, לשבבים יש השפעה כלכלית עצומה ישירה ועקיפה. הם מניעים צמיחה בתעשיות משלימות ונמצאים בלב שיפור הפריון (מחשבים מהירים יותר = יותר סימולציות מדעיות, בינה מלאכותית טובה יותר = יותר אוטומציה). אופיו המחזורי של התחום (מחזורי גאות ושפל בשל תנודות בביקוש) עשוי גם להשפיע על מחזורי הכלכלה הרחבה. לדוגמה, ירידה במחזור השבבים (כמו ב-2019 או 2023 בשבבי זיכרון) עלולה לפגוע ביצוא ובתמ"ג של כלכלות ייצור כבד, בעוד שמחזור עלייה (כמו ב"בום" הבינה המלאכותית הנוכחי) עשוי להאיץ אותן.

לקראת 2025, התחזית אופטימית: סקירת התעשייה של Deloitte ציינה כי 2024 הייתה חזקה מאוד עם צמיחה של כ-19%, ו-2025 עשויה לראות צמיחה נוספת של כ-11%, מה שמציב את התעשייה על מסלול לשאיפה של טריליון דולר deloitte.com. הצמיחה מונעת על ידי ביקוש לטכנולוגיות מתקדמות (AI, 5G, רכבים חשמליים) שמפצה על כל האטה בסמארטפונים או מחשבים אישיים. האתגר יהיה להתמודד עם עלויות לוקליזציה ומגבלות גיאופוליטיות מבלי לחנוק את החדשנות והיקף הפעילות שהפכו את תחום השבבים לסיפור הצלחה כלכלי מלכתחילה.

דאגות סביבתיות וקיימות

למרות שטכנולוגיית השבבים מרהיבה, הייצור שלה כרוך בעלויות סביבתיות משמעותיות. התעשייה מתמודדת יותר ויותר עם אתגרי הקיימות שלה – כולל שימוש עצום במים ואנרגיה, פליטות גזי חממה ופסולת כימית. באופן פרדוקסלי, למרות ששבבים מאפשרים טכנולוגיות ירוקות יותר (כמו אלקטרוניקה יעילה ופתרונות אנרגיה נקייה), ייצור השבבים עצמו עלול להיות עתיר משאבים ומזהם אם לא מנוהל בזהירות. הנה הדאגות הסביבתיות המרכזיות:

שימוש במים: "ללא מים – והרבה מהם – לא ניתן לייצר מוליכים למחצה," מציינת קירסטן ג'יימס מארגון Ceres weforum.org. מפעלי ייצור שבבים (fabs) דורשים כמויות עצומות של מים אולטרה-טהורים (UPW) לשטיפת פרוסות הסיליקון לאחר כל תהליך כימי. מים אלה חייבים להיות טהורים במיוחד (פי אלפים ממי שתייה) כדי למנוע כל זיהום של מינרלים או חלקיקים weforum.org. לייצור 1,000 גלון של UPW, נדרשים בערך 1,400–1,600 גלון של מים עירוניים (השאר הופך לשפכים) weforum.org. מפעל שבבים גדול יחיד יכול להשתמש ב-10 מיליון גלון מים ביום, שווה ערך לצריכת המים של כ-30,000–40,000 משקי בית weforum.org. ברחבי העולם, כל מפעלי המוליכים למחצה יחד מעריכים כי צורכים מים בהיקף של עיר של מיליונים; דו"ח אחד ציין שמפעלי שבבים ברחבי העולם משתמשים בכמות מים שנתית כמו העיר הונג קונג (7.5 מיליון תושבים) weforum.org. הביקוש הכבד הזה יוצר לחץ על מקורות המים המקומיים, במיוחד באזורים שכבר מתמודדים עם בצורת או מחסור במים (למשל, מפעלי TSMC בטייוואן עמדו בפני בצורת חמורה ב-2021, מה שחייב הקצבת מים ממשלתית ואפילו הובלת מים במשאיות למפעלים). המחסור במים הופך לפגיעות עבור התעשייה weforum.org. בנוסף, השפכים ממפעלי השבבים עלולים להכיל כימיקלים מסוכנים (כמו חומצות, מתכות). ללא טיפול מתאים, שפכים אלה עלולים לזהם נהרות ומי תהום, ולפגוע במערכות אקולוגיות weforum.org. אכן, באזורים מסוימים בסין ובדרום קוריאה, הרשויות ציינו מפעלי שבבים על הפרות סביבתיות בשל זיהום מים weforum.org. התעשייה מגיבה בהשקעה במיחזור מים: מפעלים רבים ממחזרים כיום חלק מהמים שלהם. לדוגמה, מפעל TSMC החדש באריזונה טוען כי ישיב כ-65% מצריכת המים שלו באתר <a href="https://www.weforum.org/stories/2024/07/the-water-challenge-foweforum.org, ואינטל שיתפה פעולה עם הרשויות המקומיות באורגון ואריזונה כדי לבנות מתקני טיהור מים למילוי מחדש של מי התהום weforum.org. חלק מהמפעלים בסינגפור ובישראל ממחזרים אפילו אחוזים גבוהים יותר. עם זאת, ככל שהביקוש לשבבים גדל, השימוש הכולל במים עדיין צפוי לעלות, מה שהופך זאת לסוגיה קריטית של קיימות.
צריכת אנרגיה ופליטות: ייצור שבבים הוא עתיר אנרגיה. הפעלת חדרים נקיים, משאבות ותהליכים תרמיים במפעל שבבים 24/7 צורכת כמויות עצומות של חשמל. מפעל מתקדם יחיד יכול לצרוך סדר גודל של 100 מגה-ואט של חשמל באופן רציף – שווה ערך לצריכת החשמל של עיר קטנה (עשרות אלפי בתים). למעשה, "מתקן ייצור שבבים גדול סטנדרטי צורך מעל 100,000 מגה-ואט של אנרגיה … בכל יום", והתחום כולו השתמש בכ-190 מיליון טון של CO₂-שווה ערך ב-2024blog.veolianorthamerica.com. (נתון הפליטות הזה – 190 מיליון טון – דומה לפליטות השנתיות של מדינות כמו וייטנאם או אוסטרליה.) חלק מטביעת הרגל הפחמנית הזו נובע משימוש עקיף בחשמל (אם רשת החשמל המקומית מבוססת דלקים פוסיליים), וחלק נובע מפליטות ישירות של תהליכים. מפעלים משתמשים ב-תרכובות פרפלואוריות (PFCs) לחריטה וניקוי; גזים אלה, כמו CF₄ או C₂F₆, בעלי פוטנציאל התחממות גלובלית גבוה פי אלפים מזה של CO₂ ויכולים להישאר באטמוספירה אלפי שנים. למרות שהתעשייה פועלת לצמצום דליפות PFC (במסגרת הסכמים וולונטריים תחת פרוטוקול קיוטו), הם עדיין תורמים חלק משמעותי מהפליטות. לפי מחקר של TechInsights, אם ייצור השבבים יוכפל עד 2030 (כדי לעמוד בשוק של טריליון דולר), ללא צעדי הפחתה פליטות התעשייה עלולות לעלות משמעותית pwc.com. כדי להתמודד עם צריכת האנרגיה, יצרניות שבבים משקיעות יותר ויותר ב-אנרגיה מתחדשת להפעלת המפעלים. TSMC, למשל, הפכה לאחת הרוכשות הגדולות בעולם של חשמל מתחדש, עם יעד של 40% אנרגיה מתחדשת עד 2030 ו-100% עד 2050. גם לאינטל יש מפעלים שפועלים על 100% חשמל מתחדש בחלק מהמיקומים. שיפור היעילות האנרגטית במפעלים (למשל שימוש במערכות השבת חום, צ'ילרים יעילים יותר) הוא מוקד נוסף. אך חשוב לציין, שבבים מתקדמים יותר דורשים לעיתים יותר אנרגיה לווייפר בייצור (למשל, ליתוגרפיית EUV פחות יעילה אנרגטית מליתוגרפיה ישנה), ולכן יש מתח בין קידמה טכנולוגית לצריכת אנרגיה לשבב. יש אנליסטים החוששים שאם חוק מור יואט, צריכת האנרגיה לטרנזיסטור עלולה דווקא לעלות.
פסולת כימית ומסוכנת: תהליך ייצור השבבים עושה שימוש בחומרים רעילים ומסוכנים – גזים כמו סילאן או ארסין, נוזלים קורוזיביים (חומצות, ממיסים) ומתכות כבדות. ניהול זרמי הפסולת בצורה בטוחה הוא קריטי. מפעלי ייצור שבבים מייצרים פסולת כימית שיש לטפל בה או להשליך אותה בזהירות. לדוגמה, ממיסים וחומרים מחרצים משומשים ניתנים לזיקוק ומיחזור, חומצות מנוטרלות, ותערובות מוצקות מסוננות לשימוש חוזר. חברות כמו Veolia מציעות שירותים ייעודיים לסיוע למפעלי שבבים במיחזור פסולת – הפיכת כימיקלים משומשים למוצרים שימושיים או שריפת פסולת בצורה בטוחה תוך לכידת אנרגיה blog.veolianorthamerica.com. למרות נהלים מיטביים, תאונות (דליפות כימיות, השלכה לא תקינה) עלולות להתרחש ואף התרחשו, מה שעלול לגרום לנזק סביבתי מקומי. היבט נוסף הוא פסולת אריזות – הייצור כולל שימוש רב במכלי פלסטיק חד-פעמיים, כפפות, חלוקים וכו' בחדרים נקיים. חברות רבות כיום מנסות להפחית ולמחזר גם פסולת מוצקה זו blog.veolianorthamerica.com. יש גם פסולת אלקטרונית בהמשך השרשרת, אך זו נוגעת יותר להשלכת מוצרים אלקטרוניים מוגמרים מאשר לייצור השבבים עצמו.
עמידות לשינויי אקלים: באופן אירוני, שינויי האקלים מהווים איום ישיר על ייצור השבבים, אף על פי ששבבים יהיו נחוצים להתמודדות עם שינויי האקלים. מפעלי שבבים ממוקמים באזורים הסובלים יותר ויותר ממזג אוויר קיצוני: טייפונים במזרח אסיה, גלי חום ובצורות (למשל, במערב ארה"ב, טייוואן) ועוד. דוח CNBC מ-2024 הדגיש כיצד סערה או שיטפון בודד הפוגע ב"עיר שבבים" מרכזית עלול לשבש את שרשרת האספקה – לדוגמה, טייפון היפותטי בשם הלן הפוגע בעיר הסינית שינצ'ו (בה ממוקדת הנהלת TSMC) עלול להיות קטסטרופלי deloitte.com. חברות כיום בוחנות סיכוני אקלים למתקניהן. מצוקת מים היא בראש סדר העדיפויות – סקר מ-2023 בקרב מנהלי שבבים מצא כי 73% מודאגים מסיכוני משאבי טבע (מים) לפעילותם weforum.org. רבות מהן משלבות עמידות אקלימית, כגון בניית מאגרי מים באתר, גיבוי חשמל וגיוון מיקומים גאוגרפיים. פירמת PricewaterhouseCoopers הזהירה כי ללא התאמה, עד 32% מאספקת השבבים העולמית נמצאת בסיכון עד 2030 בשל מצוקת מים והשפעות אקלים נוספות pwc.com.
יוזמות חיוביות: מהצד החיובי, התעשייה הגבירה את מחויבותה לקיימות. עד 2025, כמעט כל חברות השבבים הגדולות הציבו לעצמן יעד כלשהו להפחתת פליטות פחמן או ניטרליות פחמנית. TSMC שואפת להפחית פליטות ב-20% עד 2030 (מהבסיס של 2020) ולהגיע לאפס פליטות נטו עד 2050. Intel הציבה יעד לאפס פליטות תפעוליות נטו עד 2040 ומשקיעה במפעלי ייצור ירוקים (כבר השיגה 82% שימוש חוזר במים ו-100% אנרגיה ירוקה באתריה בארה"ב נכון ל-2022). Samsung הכריזה על יעדים סביבתיים דומים – למשל, מעבר לאנרגיה מתחדשת לפעילות מחוץ לקוריאה ושיפור יעילות האנרגיה בתהליכי הייצור שלה. יתרון נוסף הוא שמוצרי התעשייה מסייעים להפחתת פליטות במקומות אחרים – לדוגמה, שבבים חסכוניים בחשמל מפחיתים את צריכת האנרגיה במרכזי נתונים ואלקטרוניקה; שבבים במערכות אנרגיה מתחדשת משפרים את יעילות הרשת. מחקר של SIA (איגוד תעשיית השבבים) הציע שעל כל טון CO₂ שפולט מגזר השבבים, הטכנולוגיות שמאפשרים השבבים מסייעות להפחית כמה טונות במגזרים אחרים (באמצעות חיסכון באנרגיה). יש ויכוח אם זה באמת מקזז את טביעת הרגל, אך ברור ששבבים הם מפתח לפתרונות אקלים (רשתות חכמות, רכבים חשמליים וכו').

להמחשת ההתקדמות: חטיבת השבבים של סוני ביפן מסרה שאחד ממפעלי הייצור שלה ממחזר כ-80% ממי השפכים שלו ובונה מתקני מיחזור חדשים לשיפור הנושא weforum.org. חברות רבות הצטרפו ליוזמות Responsible Business Alliance לאספקה בת קיימא, כדי להבטיח שהמינרלים בהן הן משתמשות (למשל קובלט, טנטלום) אינם ממקורות סכסוך ונכרים באחריות. כמו כן, קונסורציומים קמים כדי לטפל בבעיות רוחביות במשותף – לדוגמה, IMEC בבלגיה מפעילה תוכניות לייצור שבבים בר קיימא, בוחנת חלופות לגזי PFC ודרכים להפחתת צריכת האנרגיה לווייפר.

לסיכום, השפעת ייצור השבבים על הסביבה אינה זניחה וחייבים לנהל אותה. החדשות הטובות הן שמובילי התעשייה מכירים בכך. כפי שנכתב בדוח של Deloitte, ייצור שבבים בשווי טריליון דולר ב-2030 ישפיע על הסביבה – השאלה היא כיצד למתן זאתwww2.deloitte.com. הדרך קדימה כוללת יותר שקיפות (חברות שמדווחות על נתוני מים ופחמן), קביעת יעדים מבוססי מדע להפחתת פליטות, השקעה בכלכלה מעגלית (כמו שימוש חוזר בכימיקלים, יעד לאפס פסולת להטמנה blog.veolianorthamerica.com), ושיתופי פעולה עם ממשלות (בתשתיות כמו אנרגיה מתחדשת וטיפול במים). גם צרכנים ומשקיעים דוחפים לפרקטיקות ירוקות יותר – לקוחות שבבים גדולים כמו אפל, למשל, דורשים מהספקים (כולל TSMC) להשתמש ב-100% אנרגיה מתחדשת. לחץ חיצוני זה מסייע להניע שינוי.

אז, בעוד שתעשיית השבבים צריכה עוד לעבוד כדי לצמצם את טביעת הרגל הסביבתית שלה, היא עושה צעדים משמעותיים. בסופו של דבר, חיסכון במים ובאנרגיה לעיתים קרובות משתלב עם חיסכון בעלויות בטווח הארוך. ובעולם שבו קיימות הופכת לחשובה מתמיד, הצטיינות ב-"ייצור שבבים ירוק" עשויה להפוך ליתרון תחרותי נוסף. ייתכן שאף נראה טכנולוגיות כמו שיטות צריבה יבשות חדשות (שמשתמשות בפחות כימיקלים) או תחליפים לגזי PFC הופכות לנורמה, מונעות על ידי מו"פ ידידותי לסביבה. התקווה היא ש-השלב הבא בצמיחת תעשיית השבבים יושג באופן שעובד עם הסביבה, ולא נגדה blog.veolianorthamerica.com – כדי להבטיח שהמהפכה הדיגיטלית המונעת על ידי שבבים תהיה בת-קיימא לכדור הארץ.

אתגרי כוח אדם וכישרונות

ייצור שבבים אינו עוסק רק בחדרים נקיים ומכונות – הוא תלוי באופן מהותי באנשים עם כישורים ייחודיים ומתקדמים. וכאן, התעשייה ניצבת בפני אתגר קריטי: מחסור הולך וגדל בכוח אדם מיומן ופערי מיומנויות. כאשר מדינות משקיעות במפעלי ייצור חדשים ובמו"פ, עולה השאלה: מי יאייש את המפעלים ויוביל חדשנות, במיוחד בעידן שבו כוח העבודה הקיים מתבגר וכישרונות צעירים נמשכים לתחום התוכנה או לתחומים אחרים?

סוגיות מרכזיות והתפתחויות בנוגע לכוח האדם בתעשיית השבבים:

כוח עבודה מתבגר וגל פרישה: באזורים רבים, כוח העבודה ההנדסי בתעשיית השבבים נוטה לאנשי מקצוע מבוגרים ומנוסים – וקבוצה גדולה מתוכם מתקרבת לפרישה. לדוגמה, בארה"ב "55% מכוח העבודה בתעשיית השבבים מעל גיל 45, בעוד שפחות מ-25% מתחת לגיל 35," נכון לאמצע 2024 deloitte.com. אירופה דומה: "20% מעובדי תעשיית השבבים באירופה מעל גיל 55, וכ-30% מכוח העבודה הגרמני צפוי לפרוש בעשור הקרוב," לפי ניתוח של EE Times deloitte.com. מדובר ב"בריחת מוחות" מתקרבת כאשר המומחים הוותיקים עוזבים. התעשייה מסתכנת באובדן עשרות שנות ידע מוסדי מהר יותר מיכולת ההחלפה – עובדה שצוינה במחקר של Deloitte, שהזהיר מ-"העברת ידע לא עקבית ומעט מדי מצטרפים חדשים לספיגת המומחיות" deloitte.com.
צינור כישרונות חדשים לא מספק: היסטורית, קריירות בהנדסת שבבים (בין אם הנדסת חשמל, מדעי החומרים או תחזוקת ציוד) לא משכו מאגר גדול של צעירים כמו, למשל, פיתוח תוכנה או מדעי הנתונים. העבודה נתפסת לעיתים כממוקדת יותר, דורשת תארים מתקדמים, והפרופיל של התעשייה בקרב בוגרים ירד מאז ימי הבום של המחשבים האישיים. מחקר משותף של SEMI ודלויט כבר ב-2017 הדגיש "פער כישרונות מתקרב" וציין כי תעשיית השבבים מתקשה במיתוג והצעת ערך לבוגרים חדשיםdeloitte.com. בשנים 2023-2024, למרות האופי ההייטקיסטי של התחום, פחות סטודנטים בוחרים בתחומים הקשורים לשבבים, וחברות מדווחות על קושי לאייש משרות מהדרג ההתחלתי ועד חוקרי דוקטורט. התוצאה: הרבה משרות פנויות, מעט מועמדים מתאימים. זה מורגש במיוחד באזורים שמנסים להרחיב ייצור שבבים מנקודת מוצא נמוכה (למשל, ארה"ב, שצריכה להכשיר הרבה יותר טכנאים למפעלי הייצור החדשים שלה, או המאמצים הראשוניים של הודו).
פערים אזוריים והלקח של TSMC באריזונה: דוגמה בולטת לבעיות כישרון הייתה העיכוב של TSMC באריזונה. TSMC בונה מפעל שבבים ב-40 מיליארד דולר באריזונה – אחת מאבני היסוד של מאמץ ארה"ב להחזיר ייצור שבבים מתקדם לשטחה. עם זאת, באמצע 2023 הודיעה TSMC כי פתיחת המפעל תידחה מ-2024 ל-2025, תוך ציון "מחסור בעובדים מיומנים" בכוח העבודה המקומי manufacturingdive.com. החברה התקשתה למצוא מספיק עובדים אמריקאים עם הידע המיוחד הנדרש לבניית והתקנת ציוד ייצור מתקדם, ונתקלה ב"התנגדות מהאיגודים למאמצים להביא עובדים מטייוואן" לסיועreuters.com. TSMC נאלצה לשלוח מאות טכנאים מנוסים מטייוואן לאריזונה כדי להכשיר מקומיים ולהשלים את התקנת חדרי הנקיון. יו"ר החברה, מארק ליו, ציין שכל פרויקט חדש כולל עקומת למידה אך רמז שמחסור העובדים בארה"ב הוא מכשול משמעותי reuters.com. תרחיש זה מדגיש שהמומחיות מרוכזת במוקדים קיימים (כמו טייוואן בייצור מתקדם) ואינה ניידת בקלות. כעת כל פרויקטי המפעלים בארה"ב (המפעלים החדשים של אינטל, ההרחבה של סמסונג בטקסס וכו') מגבירים גיוס והכשרה, עובדים עם מכללות קהילתיות ובתי ספר להנדסה לפיתוח כישרון. אך הכשרת בוגר טרי למהנדס תהליכי שבבים מנוסה דורשת שנים של ניסיון מעשי. לכן, קצב פיתוח הכישרון המקומי עלול להיות איטי מקצב בניית המפעלים.
המאמץ של סין לגיוס כישרונות: בינתיים, סין מגייסת באגרסיביות כישרונות בתחום השבבים ברחבי העולם כדי להתגבר על מגבלות הטכנולוגיה שלה. כפי שצוין, עם הגבלות מצד מדינות המערב על העברת טכנולוגיה, סין פנתה לגיוס אנשים. חקירה של רויטרס ב-2023 גילתה שסין שכרה בשקט מאות מהנדסים מ-TSMC הטייוואנית ומחברות נוספות, והציעה להם חבילות שכר שלעיתים כפולות מהשכר שלהם, בנוסף להטבות כמו דיור deloitte.com. הרעיון הוא לייבא מומחיות למפעלי השבבים ובתי התכנון הסיניים (בדומה לאופן שבו טייוואן בנתה את התעשייה שלה במקור על ידי החזרת מהנדסים שלמדו בארה"ב בשנות ה-80). עם זאת, זה יצר מתיחות – טייוואן אף פתחה בחקירות והחמירה חוקים כדי למנוע זליגת קניין רוחני דרך גיוס כישרונות. גם ארה"ב אוסרת כעת על אזרחיה (ובעלי גרין קארד) לעבוד עבור חברות שבבים סיניות מסוימות ללא רישיון deloitte.com, לאחר שהבחינה שרבים מעובדי חברות אמריקאיות לשעבר עוברים למשרות משתלמות בסין. למרות זאת, "מלחמת הכישרונות" גורמת לכך שמהנדסים מנוסים מבוקשים מאוד ברחבי העולם, והשכר עולה. זה מצוין למהנדסים, אך עלול להוות בעיה לחברות ואזורים שאינם יכולים להתחרות בשכר שמציעים מחזרים עשירים יותר (בין אם מדובר בסטארט-אפ סיני מסובסד או מפעל שמומן על ידי CHIPS Act האמריקאי).
יוזמות הכשרה וחינוך: מתוך הכרה בצוואר הבקבוק של הכישרונות, קמו יוזמות רבות. במסגרת CHIPS Act, ארה"ב הקצתה תקציבים לא רק למפעלי ייצור אלא גם לפיתוח כוח אדם – בשיתוף פעולה עם אוניברסיטאות ומכללות קהילתיות ליצירת תוכניות לימוד חדשות בתחום השבבים bipartisanpolicy.org. לדוגמה, אוניברסיטת פרדו השיקה תוכנית תארים בשבבים שמטרתה להכשיר מאות מהנדסים מדי שנה, ואוניברסיטת מדינת אריזונה מרחיבה תוכניות כדי לתמוך בנוכחות TSMC. גם באירופה, חוק השבבים כולל מלגות ורשתות הכשרה חוצות מדינות לטיפוח מומחים במיקרואלקטרוניקה. חברות גם מגבירות הכשרה פנימית; אינטל, למשל, מפעילה "מכללה למפעלי ייצור" ותיקה ומרחיבה תוכניות התמחות ושיתופי פעולה. אתגר אחד, עם זאת, הוא שרבות מהידע המעשי בייצור שבבים אינו נלמד בספרי לימוד – אלא נרכש בעבודה במפעלי ייצור. לכן, הגדלת היצע הכישרונות תדרוש שילוב של השכלה פורמלית וחניכות מעשית במתקנים קיימים. ייתכן שממשלות אף ירככו את כללי ההגירה כדי למשוך כישרונות מחו"ל (ארה"ב שוקלת קטגוריית ויזה מיוחדת למומחי שבבים, ויפן מחזרת אחרי מהנדסים מטייוואן וקוריאה עבור Rapidus).
תרבות עבודה ואטרקטיביות: סוגיה נוספת היא הפיכת מסלול הקריירה בתחום השבבים לאטרקטיבי. התעשייה יכולה להיות תובענית – מפעלי השבבים פועלים 24/7, מהנדסים עובדים לעיתים במשמרות, והדיוק הנדרש יוצר סביבה מלחיצה. כפי שצוין ברויטרס, TSMC גילתה שעובדים אמריקאים נטו פחות לסבול את לוח הזמנים ה"מתיש" מסביב לשעון של מפעלי השבבים לעומת עובדים בטייוואן או יפן reuters.com. ביפן, יש נורמה תרבותית של עבודה בשעות ארוכות שמתאימה לצרכי המפעלים, בעוד שבארה"ב ציפיות לאיזון בין עבודה לחיים עלולות להתנגש עם הצורך במשמרות לילה. ייתכן שחברות יצטרכו להסתגל (למשל, יותר אוטומציה להפחתת משמרות לילה, או תמריצים לעבודה בשעות פחות מבוקשות). בנוסף, התעשייה יכולה לשפר את תדמיתה על ידי הדגשת האופי החדשני והמשמעותי של העבודה – אתה מאפשר את עתיד הטכנולוגיה – ועל ידי עידוד גיוון והכלה (זו תעשייה שנשלטה מסורתית על ידי גברים וניתן לשלב בה יותר קבוצות מודרות). החוסר הזוהר ההיסטורי לעומת תחום התוכנה דועך במידה מסוימת כיוון ששבבים נמצאים כעת לעיתים קרובות בחדשות, אך המשך פעילות הסברה הוא מפתח.
מחסור בכישרונות במספרים: כדי לכמת, SEMI (איגוד התעשייה) העריך בסוף 2022 שעד 2030 התעשייה עלולה להתמודד עם מחסור של כ-300,000 עובדים מיומנים ברחבי העולם אם המגמות הנוכחיות יימשכו. זה כולל הכל, מחוקרי דוקטורט ועד טכנאי תחזוקת ציוד. הפערים החריפים ביותר הם במהנדסי ציוד, מהנדסי תהליכי ייצור ומהנדסי תוכנה (EDA). חברות EDA כמו Synopsys מדווחות גם הן על צורך ביותר מומחי אלגוריתמים ובינה מלאכותית כדי לקדם את הדור הבא של כלי התכנון (שכיום כוללים בינה מלאכותית – שבבים שמעצבים שבבים!). מגזר נוסף הוא משרות ברמת טכנאי – בעלי תואר טכנולוגי של שנתיים שמפעילים ומתחזקים את ציוד המפעל. מדינות כמו ארה"ב השקיעו פחות בהכשרה מקצועית לתפקידים כאלה בעשורים האחרונים, ולכן בניית הצינור הזה מחדש היא קריטית.
שיתוף פעולה בינלאומי מול מגבלות: מעניין לציין שבעוד שהצורך בכישרונות הוא גלובלי, מדיניות מסוימת מסבכת את תנועת העובדים. כללי הייצוא האמריקאיים מגבילים לא רק חומרה אלא גם ידע אנושי (אזרחים אמריקאים זקוקים לרישיונות כדי לעבוד עם מפעלי שבבים מסוימים בסין). זה יכול לצמצם את מאגר המומחים שמוכנים או יכולים לעבוד במקומות מסוימים, ולמעשה לפצל את שוק העבודה. מצד שני, מדינות בעלות ברית בוחנות דרכים לשיתוף כישרונות – למשל, אולי תוכנית "חילופי כישרונות" בין מפעלים אמריקאיים וטאיוואניים להכשרת מהנדסים הדדית, או הכרה הדדית של הסמכות בין האיחוד האירופי לארה"ב כדי לאפשר למהנדסים לעבור בין פרויקטים בקלות רבה יותר.
פיצוי ותחרות: המחסור בכישרונות הוביל לעלייה בשכר בתחום, מה שמסייע למשוך אנשים אך גם מגדיל את העלויות עבור החברות. בשנים 2021-2022, כמה חברות שבבים העניקו העלאות שכר או בונוסים משמעותיים כדי לשמר עובדים. לפי הדיווחים, TSMC הציעה העלאות שכר של מעל 20% ב-2022 בעקבות ניסיונות גיוס עובדים על ידי מתחרים. באזורים כמו הודו, שבהם היסטורית השכר למתכנני שבבים היה נמוך, חברות רב-לאומיות מציעות כיום חבילות שכר גבוהות בהרבה כדי למנוע מעבר של כישרונות למתחרים או לחו"ל. כל זה מצוין עבור אנשי המקצוע, אך עלול לצמצם את שולי הרווח או להשפיע על מיקום ההתרחבות של החברות (הן עשויות לחפש אזורים עם מערכות חינוך טובות אך עדיין עלויות עבודה סבירות – אחת הסיבות לכך שאינטל ואחרות בוחנות מקומות כמו אוהיו או צפון מדינת ניו יורק במקום שווקי עבודה לוהטים במיוחד).

לסיכום, סוגיית הכישרונות בתעשיית השבבים היא מגבלה קריטית לתוכניות ההתרחבות השאפתניות של התעשייה. יש כאן אירוניה מסוימת: אפשר להשקיע מיליארדים במפעלי ייצור נוצצים, אבל בלי אנשים מיומנים שיפעילו אותם, הם רק קליפות ריקות. כפי שאמר נשיא SIA ב-2022, "אי אפשר לחדש את הייצור בלי לחדש את כוח העבודה". השנים הקרובות יוקדשו למאמץ מרוכז להשראה והכשרה של הדור הבא של מומחי השבבים. זה עשוי לכלול עדכון תוכניות לימוד הנדסיות כך שיכללו יותר תכנים על ייצור שבבים, הענקת מלגות אטרקטיביות, ואפילו התחלת פעילות הסברה ב-STEM כבר בתיכון כדי להלהיב תלמידים לגבי "בניית השבב הבא עם מיליארד טרנזיסטורים" ולא רק כתיבת האפליקציה הבאה.

בינתיים, החברות יפעילו פתרונות זמניים: הכשרת מהנדסים מענפים קרובים, החזרת פורשים כיועצים, ושימוש ביותר אוטומציה ובינה מלאכותית כדי לצמצם את הצורך בכוח אדם במפעלי הייצור. גם ממשלות עשויות להתאים את מדיניות ההגירה – לדוגמה, ארה"ב עשויה להצמיד גרין קארד לבוגרי דוקטורט רלוונטיים מאוניברסיטאות אמריקאיות כדי לשמר אותם במדינה.

הסיכון גבוה: אם לא יטופל מחסור בכישרונות, הוא עלול להפוך לצוואר בקבוק שיאט את קצב החדשנות והגדלת היכולת, ולפגוע במטרות יוזמות השבבים בשווי מיליארדי דולרים. לעומת זאת, אם נצליחלהלהיב גל חדש של כישרונות למיקרואלקטרוניקה, ההון האנושי הזה עשוי להוביל לעידן זהב חדש של התקדמות בשבבים. כפי שאמר אחד המומחים, "הנכס החשוב ביותר של תעשיית השבביםאינו הסיליקון, אלא המוחות." ולהבטיח שיהיו מספיק מוחות כאלה העוסקים בשבבים – זה חשוב לא פחות מכל גורם אחר שדנו בו בדוח זה.

לעיתים קרובות מתייחסים לשבבים כ-"ה-DNA של הטכנולוגיה", וסקירה מעמיקה זו ממחישה מדוע. מהפיזיקה של אופן פעולתם, דרך ריקוד הייצור הגלובלי המורכב, ועד לאתגרים האסטרטגיים והאנושיים שמעצבים את עתידם – שבבים נמצאים בצומת שלמדע, כלכלה וגיאופוליטיקה. נכון ל-2025, העולם מתעורר להבנה שמי שמוביל בייצור שבביםמוביל בכלכלה המודרנית. זו הסיבה שאנו עדים להימורים של מיליארדי דולרים, מאבקים בינלאומיים על כישרונות וחומרי גלם, וחדשנות מסחררת – הכול בו-זמנית.

עבור הציבור הרחב, כל זה עשוי להיראות רחוק – עד שזה כבר לא כך. מחסור בשבבים יכול לגרום למכוניות להתייקר או לגאדג'טים להיעלם מהמדפים; שינוי מדיניות עשוי לקבוע אם הסמארטפון הבא יכלול מעבד מהפכני או כזה שמפגר מאחור. החדשות הטובות הן שלאורך 2024 ואל תוך 2025, השקעות זורמות לחיזוק והמצאת שרשרת האספקה מחדש, טכנולוגיות חדשות ומלהיבות באופק, ומומחי התעשייה משתפים פעולה כדי לפתור צווארי בקבוק מליתוגרפיה ועד הכשרת כוח אדם. סיפור ייצור השבבים הוא באמת סיפור של המצאה מתמדת – בכל פעם שנראה שאנו מגיעים לגבול, מהנדסים מוצאים נתיב חדש (בין אם זה שבבים תלת-ממדיים, EUV, או משהו שעדיין לא הגיע).

בשנים הקרובות, שימו לב לכמה דברים: האם פרויקטי הייצור בארה"ב ובאיחוד האירופי יניבו פירות במהירות? האם סין תצליח להשיג את יעדי העצמאות השאפתניים שלה למרות הסנקציות? האם ממשיכי דרכו של חוק מור, כמו צ'יפלטים, ימשיכו לספק שיפורי ביצועים? האם התעשייה תהפוך לירוקה יותר ותמשוך כישרונות מגוונים? התשובות יעצבו לא רק את הטכנולוגיה שנשתמש בה, אלא גם את הנוף הגיאופוליטי והכלכלי של המאה ה-21.

דבר אחד בטוח: השבבים הזעירים הללו הפכו לעצומים בחשיבותם. "מלחמות השבבים" והמרוץ לסיליקון יימשכו, אך רצוי שהתחרות תוביל לחדשנות והשת"פ יבטיח יציבות. בסופו של דבר, כל צרכן וכל מדינה ירוויחו אם אקוסיסטם השבבים יישאר תוסס, בטוח ובר-קיימא. כפי שראינו, זה ידרוש ניהול מיומן של הכל – מאטומים ועד מדיניות סחר. העולם צופה – ומשקיע – בענף הזה כפי שלא עשה מעולם.

למתעניינים בלמידה נוספת או במעקב אחר ההתפתחויות, הנה כמה משאבים ציבוריים וקריאה נוספת על ייצור שבבים ומגמות בתעשייה:

Semiconductor Industry Association (SIA) – דוחות מצב התעשייה: דוחות שנתיים מעמיקים עם הנתונים העדכניים ביותר על מכירות, השקעות ועדכוני מדיניות deloitte.com.
Deloitte’s Semiconductor Outlook 2025: ניתוח מגמות שוק, כולל השפעת הביקוש ל-AI, מחסור בכוח אדם וגיאופוליטיקה deloitte.com deloitte.com.
“Chip War” מאת כריס מילר: ספר מומלץ מאוד שמספק הקשר היסטורי ליריבות ארה"ב-סין בתחום השבבים וכיצד הגענו למצב הנוכחי.
EE Times ו-Semiconductor Engineering: כתבי עת מקצועיים שמסקרים חדשות יומיומיות על פריצות דרך טכנולוגיות, בעיות בשרשרת האספקה ומפת הדרכים של החברות – מצוין להתעדכן בהתפתחויות תהליכי 3nm/2nm, ארכיטקטורות שבבים חדשות ועוד.
דוחות הפורום הכלכלי העולמי ו-Ceres על קיימות בתעשיית השבבים: דוחות אלו דנים בהשפעה הסביבתית ובצעדים שננקטים להתמודדות עם סוגיות מים ואנרגיה בייצור שבבים weforum.org, blog.veolianorthamerica.com.
אתרי אינטרנט ובלוגים של חברות (TSMC, אינטל, ASML): רבות מהמובילות בתעשייה מפרסמות משאבים חינוכיים או עדכונים (למשל, יעדי הקיימות RISE 2030 של אינטל, תדריכים טכניים של ASML על EUV).

בעקבות מקורות אלו, ניתן לצפות בזמן אמת בדרמה של ייצור השבבים מתפתחת – דרמה המשלבת חדשנות פורצת דרך עם אסטרטגיה גלובלית עתירת סיכונים. אין זו הגזמה לומר שהעתיד יהיה מונע-שבבים, ולכן הבנת התחום הזה הופכת חיונית לכל מי שסקרן לאן העולם מתקדם.

השבבים אולי זעירים, אך הם נושאים על גבם את משקל העולם המודרני – וכעת הסרנו את המסך מעל איך הם מיוצרים, מי מייצר אותם, ולמה הם הפכו למוקד של התרגשות וגם מתיחות בזירה העולמית. steveblank.com

___________________________________________________

מקורות:

2025 semiconductor industry outlook | Deloitte Insights

בניית מסלול בר-קיימא קדימה עבור תעשיית השבבים

סטיב בלאנק אקוסיסטם המוליכים למחצה – הסבר

מהו מוליך למחצה ולמה הוא משמש? | הגדרה מאת TechTarget

הבנת CHIPS, חלק ראשון: אתגר ייצור המוליכים למחצה | המרכז למדיניות דו-מפלגתית

מדינות ייצור המוליכים למחצה המובילות בשנים 2020-2030: נתוני ייצור וייצוא | PatentPC

חוק השבבים של האיחוד האירופי בהיקף 43 מיליארד אירו קיבל אור ירוק. – TechHQ

חוק השבבים: המועצה נתנה את אישורה הסופי – Consilium.europa.eu

הפיכת אתגרים להזדמנויות באקוסיסטם עולמי של מוליכים למחצה…

TSMC מעריכה את כישורי השבבים של יפן לאחר כישלונות בארה"ב, כך לפי מקורות | רויטרס