Войните за чипове за трилиони долари: Вътре в света на високите залози на глобалното производство на полупроводници

През 2024 г. световните продажби на полупроводници скочиха до над 600 милиарда долара и може да достигнат 1 трилион долара годишно до 2030 г.
Apple M1 Ultra съдържа 114 милиарда транзистора върху един чип.
ASML е единственият производител на EUV литографски скенери, като всяка машина тежи около 180 тона и струва над 300 милиона долара.
TSMC държеше около 55% от световния пазар на foundry услуги през 2023 г., Samsung – около 15–20%, а само Тайван притежаваше около 92% от най-напредналия (<10nm) производствен капацитет за чипове в света.
Трите водещи доставчика на Electronic Design Automation – Synopsys, Cadence и Siemens EDA – доминират софтуера за проектиране, използван за разполагане на милиарди транзистори.
Недостигът на чипове през 2021 г. доведе до изчислени загуби от 210 милиарда долара в автомобилните продажби.
Американският CHIPS Act (2022) предвижда 52,7 милиарда долара директно финансиране за вътрешно производство на чипове, плюс 25% данъчни кредити за инвестиции.
Европейският Chips Act (2023) цели да мобилизира 43 милиарда евро, за да удвои дела на Европа в производството на чипове до 20% до 2030 г.
Световното производство на чипове е отделило около 190 милиона тона CO2-еквивалент през 2024 г., а една модерна фабрика може да консумира около 100 MW електроенергия непрекъснато.
Към средата на 2024 г. 55% от работната сила в полупроводниковата индустрия в САЩ е на възраст над 45 години, което подчертава предстоящ недостиг на таланти.

Полупроводниците – тези малки силициеви чипове – са мозъкът на съвременната електроника, намиращи се във всичко – от смартфони и автомобили до центрове за данни и изтребители. През 2024 г. световните продажби на полупроводници скочиха до над 600 милиарда долара и може да достигнат 1 трилион долара до 2030 г., което подчертава колко критични са станали чиповете за световната икономика deloitte.com, blog.veolianorthamerica.com. Тези микрочипове позволяват трилиони долари в последващи продукти и услуги, формирайки скритата основа на нашия дигитален живот steveblank.com. Но през последните две години производството на полупроводници се превърна в арена с високи залози на иновации и геополитическо напрежение. Недостигът на чипове, предизвикан от пандемията, показа колко крехка може да бъде веригата на доставки, спирайки фабрики и повишавайки цените. В същото време държавите се надпреварват да увеличат вътрешното производство на чипове по икономически и съображения за сигурност, влагайки стотици милиарди в нови фабрики (chip fabrication plants) и предизвиквайки световна „чип война“.

Този доклад предоставя изчерпателен, актуален преглед на света на полупроводниците – обяснява какво представляват полупроводниците и как работят, как се произвеждат чиповете от началото до края, кои са основните играчи (компании и държави) на всеки етап и къде се крият уязвимостите във веригата на доставки. Ще разгледаме също най-новите технологии и материали, които правят възможни съвременните чипове, последните иновации и тенденции в НИРД, както и геополитическите и политически битки, които променят индустрията. Накрая ще разгледаме икономическото въздействие на сектора на полупроводниците, неговия екологичен отпечатък и предстоящите предизвикателства пред работната сила. От последните експертни анализи до ключови развития през 2024-2025 г., този доклад ще осветли защо производството на полупроводници е една от най-важните – и оспорвани – сфери на планетата днес.

Какво представляват полупроводниците и как работят?

Полупроводниците са материали (като силиций), които могат да действат като електрически проводник или изолатор при различни условия, което ги прави идеални за контрол на електрическия ток techtarget.com. На практика полупроводниковото устройство (чип) е по същество мрежа от миниатюрни електрически ключове (транзистори), които могат да бъдат включвани или изключвани чрез електрически сигнали. Съвременните интегрални схеми побират милиарди от тези транзисторни ключове върху чип с големина на нокът, което позволява сложни изчисления и обработка на сигнали. „С прости думи, полупроводникът е електрически ключ, който може да бъде включван и изключван от електричество. Повечето съвременни технологии са изградени от милиони такива малки, взаимосвързани ключове,“ обяснява инженерното ръководство на TechTarget techtarget.com.

Тъй като могат прецизно да контролират потока на тока, полупроводниковите чипове служат като „мозък“ или „памет“ на електронните устройства. Логическите чипове (като CPU, GPU, AI ускорители) обработват данни и вземат решения, чиповете за памет съхраняват информация, а аналоговите/силовите чипове взаимодействат с физическия свят. Чрез легиране на чисти полупроводникови кристали с малки примеси, производителите създават компоненти като транзистори, диоди и интегрални схеми, които използват квантовата физика за превключване и усилване на електрически сигнали techtarget.com. Резултатът е, че полупроводниците могат да извършват аритметични операции, да съхраняват двоични данни и да взаимодействат със сензори/задвижващи механизми – възможности, които стоят в основата на почти всички съвременни технологии, от дигитални комуникации до битова техника и медицинско оборудване steveblank.com.

Днешните чипове са удивителни инженерни постижения. Един съвременен процесор може да съдържа десетки милиарди транзистори, гравирани в силиций, с елементи, малки колкото няколко нанометра (в мащаба на атомите). Например, чипът M1 Ultra на Apple съдържа 114 милиарда транзистора върху едно парче силиций bipartisanpolicy.org. Тези транзистори превключват с гигахерцови скорости, позволявайки на устройството да извършва милиарди операции в секунда. Накратко, полупроводниците се превърнаха в основната технология на съвременния свят, задвижвайки всичко – от смартфони и автомобили до облачни сървъри и индустриални машини. Често се казва, че „полупроводниците са новият петрол“ – основен ресурс, от който зависят нациите и индустриите за напредък и сигурност.

Как се произвеждат чиповете: Процесът на производство на полупроводници

Създаването на микрочип е един от най-сложните производствени процеси, създавани някога – „бизнес, който манипулира материали атом по атом“ във фабрики, струващи десетки милиарди долари steveblank.com. Всичко започва със сурови материали и завършва с готови чипове, опаковани за употреба. Ето преглед на цялостния процес на производство на чипове:

От суров силиций до вафла: Обикновеният пясък (силициев диоксид) се пречиства до чист силиций. Силициев кристален прът се отглежда и след това се нарязва на тънки вафли (кръгли дискове), които ще съдържат хиляди чипове bipartisanpolicy.org. Всяка вафла изглежда лъскава и гладка, но на микроскопично ниво представлява идеална решетка от силициеви атоми.
Фронт-енд производство: Истинската магия се случва в чистата стая („фаб“), където върху всяка вафла се изграждат сложни схеми. Производството на чипове включва стотици прецизни стъпки, но основните етапи са: отлагане на ултратънки слоеве материал върху вафлата; нанасяне на фоторезист; фотолитография (използване на фокусирана светлина за гравиране на миниатюрни шарки върху вафлата чрез маски, подобно на отпечатване на чертеж на схема); гравиране и допиране (отстраняване на материал и имплантиране на йони за формиране на транзистори и връзки); и повтаряне на тези стъпки слой по слой bipartisanpolicy.org. Транзисторите – по същество ключове за включване/изключване – се изграждат чрез тези моделирани слоеве, които създават микроскопични електрически пътища. Това е фабрикация в нанометров мащаб – съвременните чипове могат да имат над 50 слоя схеми и елементи, малки само 3 nm (нанометра) широки. Всяка стъпка трябва да се контролира с атомна прецизност; прашинка или леко изместване може да развали чипа.
Бек-енд и опаковане: След изработката на фронт-енда, готовата вафла съдържа мрежа от много отделни чипове (кристали). Вафлата се нарязва на отделни чипове, и всеки чип след това се опакова. Опаковането включва монтиране на крехкия чип върху подложка, свързването му с миниатюрни златни или медни контакти и капсулирането му (често със защитна смола и топлоразпределител), за да може да се борави с него и да се интегрира върху платки bipartisanpolicy.org. Опакованият чип е това, което се запоява върху дънната платка на телефона ви или върху платката на компютъра. Чиповете също преминават през стриктно тестване на този етап, за да се гарантира, че работят според очакванията.

Въпреки опростеното обобщение по-горе, производството на напреднали полупроводници е изключително сложен, многомесечен процес. Водещ чип може да изисква над 1 000 процесни стъпки и изключително прецизно оборудване. Например, най-новите фотолитографски машини (които проектират схемни модели с ултравиолетова светлина) могат да струват над 300 милиона долара всяка, и всяка такава машина „може да консумира толкова електричество, колкото хиляда домакинства“, според Bloomberg bipartisanpolicy.org. Тези инструменти използват Екстремна ултравиолетова (EUV) светлина, за да изрязват ултрамалки елементи и са толкова сложни, че само една компания в света (ASML в Нидерландия) ги произвежда в момента patentpc.com. Капиталовите разходи са огромни: построяването на нова фабрика за чипове може да отнеме над 3 години и над 10 милиарда долара инвестицияbipartisanpolicy.org. Водещи фирми като TSMC, Samsung и Intel харчат десетки милиарди годишно за разширяване и оборудване на фабриките си.

Възнаграждението за всички тези усилия е зашеметяваща технология: една 12-инчова вафла, след като бъде напълно обработена, може да съдържа стотици готови чипове с общо трилиони транзисториsteveblank.com. Всеки чип се тества и може да извършва милиарди изчисления в секунда, след като бъде внедрен. Миниатюрният мащаб и високата плътност на съвременните чипове им дават невероятна мощност. Както отбелязва един индустриален блог, тази вафла в чистото помещение „има два трилиона транзистора върху нея“, произведени с атомно ниво на контролsteveblank.com. Това майсторство във фабрикацията – усъвършенствано непрекъснато през десетилетия – е това, което прави възможна днешната мощна и достъпна електроника.

Основни играчи във веригата за доставки на полупроводници (компании и държави)

Производството на полупроводници не се управлява от един тип компания; това е сложна екосистема от фирми, всяка от които се специализира в различни етапи. Ако надникнем във веригата на доставки, ще открием мрежа от стотици силно специализирани участници в световен мащаб, всички зависими един от друг steveblank.com. Ето основните категории участници и кои доминират в тях:

Дизайнери на чипове (фаблес компании): Тези компании проектират полупроводникови чипове, но възлагат действителното производство на външни изпълнители. Те създават чертежите и интелектуалната собственост за чиповете. Много от най-известните световни марки чипове – включително Apple, NVIDIA, Qualcomm, AMD, Broadcom – са фаблес дизайнери. САЩ имат силно предимство в този сегмент (дом на ~50% от фаблес фирмите patentpc.com), заедно с компании в Европа (например ARM във Великобритания за чип IP ядра steveblank.com) и Азия. Фаблес фирмите се фокусират върху НИРД и иновации в архитектурата на чиповете, след което наемат договорни производители за изработката на чиповете.
Интегрирани производители на устройства (IDMs): Това са гиганти като Intel, Samsung и Micron, които и проектират, и произвеждат чипове вътрешно. Intel (САЩ) исторически води в проектирането/производството на микропроцесори за компютри и сървъри, Samsung (Южна Корея) и Micron (САЩ) правят това особено при памет чиповете. IDMs контролират собствените си фабрики и произвеждат чипове за собствените си продукти (а понякога и за други). Въпреки това, тенденцията през последните десетилетия е изместване към модела фаблес-фабрика за по-голяма ефективност.
Полупроводникови фабрики (договорни производители): Фабриките са чип фабриките, които всъщност произвеждат чипове (за клиенти без собствени фабрики или IDM, които възлагат част от производството си). Този сегмент е доминиран от азиатски компании. TSMC на Тайван (Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.) е безспорният лидер, като самостоятелно контролира около 55% от световния пазар на фабрики към 2023 г. patentpc.com. TSMC е предпочитаният производител за Apple, AMD, NVIDIA и много други, особено за най-усъвършенстваните чипове (5nm, 3nm възли). Samsung в Южна Корея е втората по големина фабрика (около 15–20% дял) patentpc.com, също произвеждаща усъвършенствани логически чипове. Други забележителни фабрики са GlobalFoundries (САЩ, фокусирана върху средния клас възли), UMC (Тайван) и SMIC (най-голямата фабрика в Китай). Забележително е, че Тайван и Южна Корея заедно отговарят за огромното мнозинство от производството на най-съвременни чипове – всъщност, около 92% от световния производствен капацитет за най-усъвършенстваните (<10nm) чипове е само в Тайван, според доклад на правителството на САЩ от 2023 г. usitc.gov. Това подчертава колко концентрирано е станало производството на чипове в няколко локации.
Производители на памет чипове: Паметта е специализиран подсектор, но жизненоважен (за RAM, флаш памет и др.). Доминиран е от IDM като Samsung и SK Hynix (и двете от Южна Корея) и Micron (САЩ). Например, Samsung и SK Hynix заедно произвеждат над 70% от световните DRAM памет чипове patentpc.com. Тези компании инвестират сериозно в производството на DRAM и NAND флаш памет, често в огромни съоръжения в Южна Корея, Тайван, САЩ, Япония и Китай.
Доставчици на оборудване за полупроводници: Тези компании произвеждат инструментите и машините за производство на чипове – изключително критична, високотехнологична индустрия сама по себе си. Водещи производители на оборудване са ASML (Нидерландия), която изключително произвежда EUV литографски системи, необходими за чипове 7nm и по-малки patentpc.com; Applied Materials, Lam Research, KLA (всички от САЩ), които доставят оборудване за отлагане, ецване и инспекция; Tokyo Electron и Nikon (Япония) за литографски и ецващи инструменти; и други. Без тези най-съвременни машини фабриките не могат да работят. САЩ, Япония и Нидерландия исторически доминират в оборудването за полупроводници – една от причините ограниченията за износ на тези инструменти да се превърнат в геополитически въпрос (повече за това по-късно).
Доставчици на материали и химикали: Производството на чипове също разчита на сложна верига за доставка на специализирани материали – от ултра-чисти силициеви пластини до екзотични химикали и газове. Няколко примера: Shin-Etsu Handotai и SUMCO (Япония) произвеждат голяма част от силициевите пластини в света. JSR, Tokyo Ohka Kogyo (Япония) и други доставят фоторезисти (светлочувствителни химикали) steveblank.com. Фирми за индустриални газове като Linde, Air Liquide доставят над 100 вида газове, използвани във фабриките (напр. флуор, неон, аргон) steveblank.com. Много от тези критични материали са концентрирани в Япония, Китай и Европа. Например, Япония отдавна е водеща сила в химикалите за полупроводници, докато Китай рафинира много редки минерали, използвани в чиповете (като галий и германий). Това означава, че държавите, които доминират в суровините (Китай, Русия и др.) и тези, които са водещи в специализираните химикали (Япония), имат непропорционално голяма роля във веригата на доставки.
Доставчици на EDA и IP: Преди производството, чиповете трябва да бъдат проектирани и проверени. Софтуерните инструменти за автоматизация на електронното проектиране (EDA) се предоставят основно от три големи компании – Synopsys, Cadence (и двете от САЩ) и Siemens EDA (Mentor Graphics) – всички американски или съюзнически на САЩ фирми steveblank.com. Те имат почти монопол върху сложния софтуер, използван от инженерите за разполагане на милиарди транзистори и провеждане на симулации. Освен това, основни дизайни (като CPU ядра) често се лицензират от IP компании като ARM (Великобритания), която предоставя проектни чертежи, използвани в повечето мобилни процесори steveblank.com. Тези участници нагоре по веригата са ключови за цялата индустрия.
Външни доставчици на сглобяване и тестване на полупроводници (OSAT): След като пластините са произведени, специализирани подизпълнители се занимават с опаковането и тестването на чиповете. Основни OSAT компании са ASE Technology Holding (Тайван) – най-големият опаковчик в света – и Amkor (САЩ), както и много базирани в Китай, Малайзия и Виетнам. Всъщност, Югоизточна Азия се превърна в център за сглобяване на чипове: например, Малайзия извършва около 13% от световното опаковане и тестване на чипове patentpc.com, а секторът OSAT във Виетнам расте бързо patentpc.com. Тези етапи са трудоемки и компаниите често ги разполагат в страни с квалифицирана работна ръка и по-ниски разходи.

По отношение на държави: различните нации се специализират в различни звена от тази верига. Тайван е суперзвездата в производството на чипове, особено на напреднали логически чипове – само той държи около 65% от пазара на foundry през 2023 г. patentpc.com и е незаменим за най-съвременните чипове (с доминацията на TSMC). Южна Корея е лидер в памет чиповете и също така във foundry (Samsung), като осигурява около 20% от световното производство на чипове patentpc.com. Съединените щати остават лидер в дизайна на чипове (дом на много fabless гиганти и IDM компании като Intel) и в определено производствено оборудване, но делът на САЩ в реалното производство е спаднал от 37% през 1990 г. до около 12% през 2023 г. patentpc.com тъй като производството се премести в Азия. Този спад е това, което американското правителство сега се стреми да обърне чрез стимули (повече за това по-долу). Китай е специален случай – той е най-големият потребител на чипове (сглобява електроника за целия свят) и произвежда много чипове с по-стара технология и опаковки, но разчита на внос за най-напредналите чипове. Към 2023 г. самодостатъчността на Китай в полупроводниците е само около 16% patentpc.com, а през 2022 г. е похарчил зашеметяващите 350 милиарда долара за внос на чипове patentpc.com. Въпреки това, Китай инвестира сериозно, за да увеличи вътрешното производство до 70% до 2030 г. patentpc.com, развивайки компании като SMIC и YMTC (памет). Япония беше доминиращ производител на чипове през 80-те години и все още е основен играч в материалите и оборудването. Днес Япония се връща към производството чрез партньорства (например TSMC строи фабрика в Япония, а новият консорциум Rapidus цели да произвежда 2nm чипове в страната), използвайки силата си в качественото производство и държавната подкрепа. Европа (ЕС) има някои производители на чипове (например Infineon в Германия за автомобилни чипове, STMicroelectronics във Франция/Италия, NXP в Нидерландия) и е дом на ASML, но като цяло делът на Европа в световното производство на чипове е около 8-10% techhq.com. ЕС се стреми да удвои този дял до 2030 г. (до ~20%) чрез собствен закон за чиповете и като привлича TSMC и Intel да строят фабрики в Европаconsilium.europa.eu. Освен тях, страни като Малайзия, Виетнам, Тайланд, Филипини играят ключова роля в сглобяването и тестването (осигурявайки устойчивост и диверсификация в по-късните етапи на веригата за доставки) patentpc.com. Дори нови претенденти като Индия и Саудитска Арабия са обявили големи инвестиции за навлизане в полупроводниковата индустрия (Индия предлага стимули за фабрики, а Саудитска Арабия планира $100 млрд. до 2030 г. за изграждане на чип индустрия) patentpc.com.

В обобщение, производството на полупроводници е глобално разпределено усилие, но с критични тесни места – няколко компании или държави водят във всеки сегмент. Например, само три компании (TSMC, Samsung, Intel) произвеждат огромното мнозинство от напредналите чипове, а само три държави (Тайван, Южна Корея, Китай) произвеждат почти всички чипове днес patentpc.com. Тази концентрирана структура има големи последици за сигурността на веригата за доставки, както ще разгледаме по-нататък.

Структура и уязвимости на веригата за доставки

Веригата за доставки на полупроводници е наречена „най-сложната верига за доставки от всички индустрии“ usitc.gov – и последните събития показаха колко крехка може да бъде тя. От природни бедствия до геополитически конфликти, множество уязвимости застрашават безпроблемния поток на чипове. Ключови тесни места и рискове включват:

Силна географска концентрация: Географското групиране на индустрията означава, че прекъсване в един регион може да спре целия свят. Това е най-ясно изразено при огромната роля на Тайван. Докато Тайван произвежда около 18% от всички чипове по обем, той осигурява „около 92% от най-напредналия производствен капацитет за чипове в света“, според доклад на USITC от 2023 г. usitc.gov. С други думи, почти всички най-модерни (под 10nm) чипове идват от Тайван (главно TSMC), а останалите – от Южна Корея. Това е огромен риск за доставките – всяко прекъсване (земетресение, геополитическа криза) може да парализира световните технологични вериги за доставки usitc.gov. Експертите отбелязват, че сериозно прекъсване на фабриките в Тайван би било икономическа катастрофа далеч отвъд технологичния сектор. Южна Корея е друга единична точка на провал: например, почти всички висококачествени памет чипове идват от две фирми там. Осъзнавайки това, държави и компании сега се опитват да диверсифицират производството географски (преход от глобализация към „регионализация“) nefab.com, но изграждането на нови фабрики другаде отнема време.
Зависимости от единствен доставчик: Някои критични входни материали зависят от единствен или много ограничен брой доставчици. Основен пример е ASML – нидерландската компания е единственият източник на EUV литографски машини, необходими за най-висок клас чипове patentpc.com. Ако ASML не може да доставя оборудване (независимо дали поради експортни забрани или производствени проблеми), напредъкът в чиповете спира. По същия начин, ключови химикали често имат само няколко квалифицирани доставчици. Например, шепа японски фирми доставят повечето фоторезист химикали в световен мащаб. Софтуерът за проектиране на напреднали чипове (EDA инструменти) е друго тясно място, доминирано само от три американски компании. Тези точки на концентрация означават, че цялата верига е толкова здрава, колкото е най-слабото (или най-тясното) ѝ звено.
Рискове, свързани с материали и природни ресурси: Производството на полупроводници зависи от определени редки материали и рафинирани химикали – и сътресения в доставките им вече са създавали проблеми. Войната между Русия и Украйна през 2022 г. показа това: Украйна доставя около 25–30% от световния пречистен неонов газ (използван за лазерна литография), а Русия доставя подобен дял от световния паладий (използван в някои чип процеси) usitc.gov. Когато войната прекъсна тези доставки, производството на чипове беше застрашено, докато не се намериха алтернативни източници usitc.gov. Друг пример дойде в средата на 2023 г.: Китай отвърна на американските технологични ограничения, като забрани износа на галий и германий – два малко известни метала, жизненоважни за полупроводникови лазери, радиочестотни чипове и соларни клетки deloitte.com. Китай произвежда по-голямата част от тези елементи, така че тази стъпка накара производителите да търсят други доставчици. Тези случаи подчертават една уязвимост: ако единствен източник на критичен материал спре, това може да блокира целия процес на производство на чипове.
Екстремна сложност и срокове за изпълнение: Може да отнеме месеци за производство на партида чипове и години за изграждане на нов завод от нулата. Този дълъг срок означава, че веригата на доставки не може бързо да се възстанови след прекъсвания. По време на пандемията от COVID-19, например, рязкото нарастване на търсенето в комбинация със затваряния доведе до сериозен недостиг на чипове през 2021 г., който отне повече от година, за да се разреши постепенно usitc.gov. Недостигът удари особено силно автомобилните производители – фабриките спряха, а автомобилната индустрия загуби приблизително 210 милиарда долара от продажби през 2021 г. поради липса на чипове usitc.gov. Сложната, „точно навреме“ природа на доставките на чипове (с минимални наличности) означава, че дори малък проблем – пожар в японски завод, замръзване в Тексас, което спира фабрики, или суша в Тайван, намаляваща водоснабдяването – може да доведе до глобални забавяния в производството. Видяхме това при пожар в автомобилния завод за чипове на Renesas през 2021 г. и прекъсвания на електрозахранването във фабрики в Тексас същата година, всяко от които причини забавяния на продукти надолу по веригата.
Крехка верига „точно навреме“: В продължение на години ефективността караше компаниите да поддържат ниски наличности и да разчитат на доставки в реално време. Но това остави без буфер при прекъсвания. Глобализираната верига беше оптимизирана за разходи, а не за устойчивост. Сега, с уроците от пандемията, компаниите и правителствата настояват за „устойчивост“ – изграждане на по-големи запаси от чипове или суровини, „приятелско производство“ в доверени страни и двойно осигуряване на критични компоненти reuters.com. Все пак промените са постепенни и скъпи.
Геополитическа фрагментация: Може би най-голямата нововъзникваща уязвимост е политизирането на веригата за доставки на чипове. Технологическото съперничество между САЩ и Китай доведе до експортни ограничения и черни списъци, които на практика разделят света на две по отношение на полупроводниците. „В сектора на чиповете глобализацията е мъртва. Свободната търговия не е съвсем мъртва, но е в опасност,“ каза основателят на TSMC Морис Чанг през 2023 г. През последната година САЩ и съюзниците им все по-строго ограничават достъпа на Китай до напреднали чип технологии, страхувайки се от последиците за сигурността. Това накара Китай да удвои усилията си за развитие на местни технологии и дори да наложи ограничения върху определени свои експорти в отговор. Резултатът е по-двуполюсна верига за доставки – такава, в която екосистемите, ориентирани към Запада и към Китай, може да станат по-малко взаимозависими. Макар това да добавя известна излишност, то също означава по-малка ефективност, по-високи разходи и потенциално дублиране на усилия в двете технологични сфери theregister.com. Чанг откровено заяви „глобализацията е почти мъртва и свободната търговия е почти мъртва“theregister.com, предупреждавайки, че златната ера на единната глобална верига за чипове приключва. Този преходен период въвежда несигурност и риск, тъй като компаниите трябва да се ориентират в сложни нови правила за това на кого могат да продават и къде могат да строят.

Накратко, веригата за доставки на полупроводници е двуостър меч: глобалният ѝ характер донесе забележителни иновации и мащаб на ниска цена, но също така създаде опасни единични точки на провал. Суша в Тайван или политическо напрежение в Южнокитайско море не са просто местни проблеми – те могат да нарушат производството на смартфони, автомобили и сървъри за центрове за данни по целия свят usitc.gov. Това осъзнаване сега води до мащабни усилия за повишаване на устойчивостта – от държавни субсидии за местни фабрики до диверсификация на доставчиците. Но изграждането на излишък отнема време, а междувременно светът остава силно уязвим към шокове във веригата за доставки на полупроводници.

Ключови материали и технологии в производството на чипове

Изкуството на производството на чипове разчита на набор от високотехнологични технологии и специализирани материали. Разбирането на тези аспекти дава представа защо производството на чипове е толкова предизвикателно (и защо само няколко играчи могат да го правят на най-високо ниво):

Силициеви вафли: Повечето чипове се изграждат върху силиций – елемент в изобилие, чиито полупроводникови свойства го правят идеален. Силициевите кристали се нарязват на огледално гладки вафли (с диаметър 300 мм за най-напредналите фабрики днес). Тези вафли са началното платно за чиповете. Производството на бездефектни, чисти силициеви кристали само по себе си е високотехнологичен процес, овладян от само няколко компании (предимно в Япония). Използват се и други полупроводникови материали за нишови приложения: напр. галиев арсенид или индиeв фосфид за високочестотни RF чипове, и силициев карбид (SiC) или галиев нитрид (GaN) за силова електроника (като контролери за електромобили и 5G базови станции), поради превъзходните им електрически свойства при високи напрежения или честоти. Тези съединени полупроводници са критични за 5G, електрически превозни средства и аерокосмическата индустрия, и се полагат усилия за увеличаване на тяхното производство (често с участието на американски, европейски и японски фирми, водещи в материалознанието).
Технология на фотолитографията: В основата на съвременното производство на чипове е фотолитографията – използване на светлина за гравиране на миниатюрни шарки. Тази технология е достигнала почти научнофантастични нива. Водещите фабрики днес използват екстремна ултравиолетова (EUV) литография, която работи при дължина на вълната 13,5 nm и включва изключително сложна оптика, плазмени източници на светлина и вакуумни системи. Както беше отбелязано, ASML е единственият производител на EUV скенери patentpc.com. Всяка EUV машина тежи 180 тона, има хиляди компоненти (огледала Zeiss, лазерно произведен плазмен източник на светлина и др.) и струва над 300 милиона долара bipartisanpolicy.org. EUV позволява изобразяване на елементи ~7 nm и по-малки с по-малко стъпки. За по-стари възли (напр. 28nm, 14nm), фабриките използват дълбока ултравиолетова (DUV) литография – също сложна, но с малко по-широка база на доставчици (ASML, Nikon, Canon доставят тези инструменти). Напредъкът във фотолитографията е основният двигател на закона на Мур, позволявайки удвояване на плътността на транзисторите. Следващата стъпка във фотолитографията вече е в процес на разработка: High-NA EUV (обективи с по-висока числова апертура за още по-фини шарки), насочена към чипове от 2nm и по-малко до 2025-2026 г. Целият свят на производството на чипове до голяма степен зависи от напредъка в тази оптична технология.
Химични процеси и газове: Съвременната фабрика използва удивително разнообразие от химикали – от газове като флуор, аргон, азот, силан до течни разтворители, киселини и фоторезисти. Повече от 100 различни газа (много от които са токсични или силно специализирани) могат да се използват в различни етапи на отлагане и ецване steveblank.com. Фоторезистните химикали са светлочувствителни полимери, които се нанасят върху пластини, за да прехвърлят схемни модели – ниша, доминирана от японски фирми steveblank.com. Суспензии за химико-механично полиране (CMP), съдържащи наноабразиви, се използват за полиране на пластините до равна повърхност steveblank.com. Дори де-йонизирана ултрачиста вода е критичен „материал“ – фабриките консумират огромни обеми за изплакване на пластините (както е обсъдено в секцията за околна среда). Всеки материал трябва да отговаря на изключително високи изисквания за чистота, тъй като един-единствен атом или частица примес може да съсипе милиарди транзистори. Затова доставката на тези материали е високотехнологично начинание само по себе си, често с малко квалифицирани доставчици (и затова уязвимо към прекъсвания, както бе споменато по-рано).
Технология на транзисторите (поколения възли): Чиповете често се класифицират според техния „възел“ или размер на транзистора – напр. 90nm, 28nm, 7nm, 3nm и т.н. По-малкото обикновено е по-добре (повече транзистори на площ, по-висока скорост, по-ниска консумация на енергия). Как се изработват тези миниатюрни транзистори? Това включва както литография за дефиниране на малките им характеристики, така и интелигентна архитектура на транзисторите. Индустрията премина от традиционни плоски (планарни) транзистори към FinFET (3D фин транзистори) около 22nm възел, за да се контролира течът. Сега, при ~3nm, се въвежда нов дизайн, наречен Gate-All-Around (GAA) или нанослойни транзистори (Samsung използва GAA при 3nm, а TSMC/Intel планират GAA при 2nm) – това обгръща напълно канала на транзистора с гейта за още по-добър контрол. Тези подобрения в структурата на устройствата, заедно с нови материали (напр. диелектрици с висок κ, метални гейтове), удължиха закона на Мур, дори когато простото мащабиране става все по-трудно bipartisanpolicy.org. Съществува цяла верига от НИРД за нови материали на транзисторно ниво – например използване на германий или 2D материали (като графен) за канали с по-висока подвижност, или III-V полупроводници за определени слоеве. Макар че все още не са в масово производство за логически схеми, такива материали може да се появят през следващите години, тъй като силициевите транзистори достигат физическите си граници.
Технологии за опаковане и интеграция на чипове: Тъй като свиването на транзисторите носи все по-малка възвръщаемост, иновациите се пренасочват към опаковането и интеграцията на чипове. Авангардното опаковане позволява комбинирането на множество чипове (чиплети) в един пакет, свързани чрез високоплътни междусъединения. Техники като TSMC CoWoS и SoIC, Intel Foveros и архитектурата на чиплети на AMD позволяват на дизайнерите да комбинират различни „плочки“ (CPU ядра, GPU, IO, памет) в един модул. Това подобрява производителността и добива (по-малките чипове се произвеждат по-лесно без дефекти, след което се сглобяват заедно). Например, най-новите процесори на AMD използват чиплети, както и предстоящият Meteor Lake на Intel. 3D подреждането е друга технология – поставяне на чипове един върху друг, като например подреждане на памет върху логика (напр. HBM памет с висока пропускателна способност), за да се преодолеят тесните места в пропускателната способност. Индустрията стандартизира интерфейсите на чиплетите (UCIe), така че чипове от различни производители един ден да могат да работят заедно в един пакет bakerbotts.com. Накратко, „чиплетите са като лего тухлички – по-малки, специализирани чипове, които могат да се комбинират за създаване на по-мощни системи,“ както остроумно отбелязва MIT Tech Review (илюстрирайки основна иновационна тенденция). Тази революция в опаковането е ключова технологична стратегия за продължаване на подобряването на производителността на системите, дори ако скалирането на транзисторите се забави.
Софтуер за проектиране и IP: Въпреки че не е материал, заслужава да се отбележи, че EDA (инструменти за електронна автоматизация на проектирането) и IP ядра, използвани за проектиране на чипове, са ключови технологии сами по себе си. Съвременните чипове са толкова сложни, че се появява EDA, подпомогната от изкуствен интелект – инструментите вече използват машинно обучение за оптимизиране на разположението на чиповете и по-бърза верификация на дизайна steveblank.com. От страна на IP, основни дизайни като CPU ядрата на ARM или GPU ядрата на Imagination са фундаментални технологии, които много компании лицензират, вместо да ги изобретяват наново, като по този начин служат като градивни елементи.
Нови изчислителни парадигми: Освен традиционните цифрови чипове, се изследват нови технологии: квантови изчислителни чипове (използващи кубити, направени от свръхпроводими вериги или уловени йони) обещават експоненциално ускорение за определени задачи, макар че все още са на ниво изследвания. Фотонни интегрални схеми използват светлина вместо електричество за комуникации и потенциално за изчисления с много висока скорост и ниска топлина – вече се използват в някои комуникационни инфраструктури. Невроморфни чипове целят да имитират невронните мрежи на мозъка в хардуер за AI приложения. Макар че все още не са масови, продължаващите изследвания и разработки могат да ги направят част от полупроводниковия пейзаж през следващите години.

В обобщение, производството на полупроводници изисква овладяване на поразителен набор от технологии – от наука за материалите (отглеждане на перфектни кристали, химия на ецването) до оптична физика (нано-фотоника на литографията) до компютърни науки (алгоритми за проектиране). Тази сложност е причината само няколко екосистеми (Тайван, Южна Корея, САЩ, Япония, Европа) да владеят напълно тези технологии и защо новите играчи срещат сериозни препятствия, за да наваксат. Това е и причината чиповете да са толкова трудни за производство – но и толкова чудотворни в това, което постигат.

Иновации и насоки за научноизследователска и развойна дейност (R&D)

Полупроводниковата индустрия се движи от непрестанни иновации – прочуто обобщени в Закона на Мур, според който броят на транзисторите в чиповете приблизително се удвоява на всеки две години. Въпреки че Законът на Мур забавя темпото поради физични ограничения, научноизследователската и развойна дейност (R&D) в света на чиповете е по-оживена от всякога, като се изследват нови начини за подобряване на производителността. Ето някои ключови иновации и бъдещи насоки към 2024-2025 г.:

Преминаване към по-малки технологични възли: Големите играчи се надпреварват да комерсиализират следващите поколения чип технологии. TSMC и Samsung започнаха производство на 3 нанометра през 2022-2023 г.; сега TSMC планира фабрики за 2 nm до 2025-2026 г., а IBM (с Rapidus в Япония) дори демонстрира лабораторен прототип на 2 nm чип. Intel се стреми да си върне лидерството в технологичните възли с процеси, които нарича 20A и 18A (еквивалентни на около 2 nm) до 2024-2025 г., интегрирайки лентовидни GAA транзистори (“RibbonFET”). Всяко намаляване на възела изисква огромни инвестиции в R&D – нови литографски техники, нови материали (като кобалт или рутений за междусъединения, нови изолатори) и повече EUV слоеве. Дори се говори за процеси под 1 nm (т.нар. ангстрьомови мащаби) по-късно през десетилетието, макар че тогава “nm” етикетите ще са предимно маркетингови – реалните размери на елементите може да са само няколко атома дебели.
Чиплети и модулни архитектури: Както беше споменато, дизайнът, базиран на чиплети, е основна иновация, която трябва да се следи. Той вече се използва (процесорите Zen на AMD, предстоящият Meteor Lake на Intel, M1 Ultra на Apple, който по същество обединява два M1 Max чипа чрез интерпозер), и се развива със стандартни интерфейси. Този модулен подход позволява повторно използване на IP блокове, смесване на технологични възли (например поставяне на аналогов чиплет на по-стар възел, а CPU на по-нов), и по-добри добиви. Консорциумът UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express), създаден през 2022 г., разработва отворени стандарти, така че потенциално една компания може да купи готови чиплет компоненти и да ги интегрира – като сглобяване на Лего тухлички. През 2024 г. виждаме как чиплетите позволяват по-специализирани комбинации, като лесно интегриране на AI ускорители или HBM памет за мащабиране на производителността bakerbotts.com. В бъдеще това може драстично да промени начина, по който се проектират чипове и кой може да ги произвежда (намалявайки бариерите за навлизане на нови играчи, които могат да се фокусират върху една ниша на чиплети).
Изкуствен интелект (AI) и специализирани чипове: Бурното търсене на AI изчисления (например обучение на големи невронни мрежи за генеративен AI) оформя иновациите в чиповете. Традиционните CPU са неефективни за AI натоварвания, затова GPU (графични процесори) и AI ускорители (TPU, NPU и др.) са силно търсени. През 2024 г. станахме свидетели на „AI златна треска“ в полупроводниците – например, центровите GPU на Nvidia се продават толкова бързо, колкото могат да ги произведат, а много стартъпи проектират чипове, специално за AI. Генеративните AI чипове (включващи CPU, GPU, специализирани AI ускорители, памет, мрежи) вероятно са надхвърлили 125 милиарда долара приходи през 2024 г. – повече от два пъти първоначалните прогнози – и съставляват над 20% от всички продажби на чипове deloitte.com. Това стимулира НИРД в архитектури, оптимизирани за AI: помислете за тензорни процесори, невроморфни чипове, изчисления в паметта (обработка на данни в масиви памет), и дори аналогови изчисления за AI. Големи играчи като NVIDIA, Google (TPU), Amazon (Inferentia) и стартъпи (Graphcore, Cerebras и др.) налагат иновативни дизайни. CEO на AMD Лиза Су оцени, че общият пазар за AI-свързани чипове може да достигне 500 милиарда долара до 2028 г.deloitte.com – число, по-голямо от целия полупроводников пазар през 2023 г., което подчертава трансформиращия потенциал на AI. Такива прогнози водят до огромни инвестиции в НИРД за AI чипове.
3D интеграция и хетерогенна интеграция: Освен чиплети един до друг, 3D подреждането (чипове един върху друг) е друга граница. Подреждането на памет (например HBM върху GPU) вече е често срещано. Следващата стъпка е подреждане на логически чипове за скъсяване на връзките – например поставяне на кеш памет директно върху слой CPU ядра за по-бърз достъп. Изследователски проекти проучват 3D интегрални схеми с хиляди вертикални връзки (чрез силициеви отвори или дори свързване между кристали на наноразмерна стъпка). Хетерогенната интеграция означава обединяване на различни технологии (CMOS логика, DRAM памет, фотоника и др.) в един пакет или стек. Американският CHIPS Act финансира съоръжения за напреднало пакетиране и интеграция, тъй като това се счита за ключ към бъдещия напредък, когато чистото мащабиране се забавя. През 2024 г. Intel демонстрира подреждане на изчислителен чип върху I/O чип с „PowerVia“ захранване отзад между тях, като част от предстоящите им дизайни. Това е авангардно НИРД в пакетиране.
Нови материали и парадигми на транзисторите: Изследователите също работят върху пост-силициеви, пост-CMOS технологии. Графенът и въглеродните нанотръби имат изкушаващи свойства (ултра-бърза електронна подвижност), които биха могли да позволят много по-малки транзистори, но интегрирането им в масовото производство е предизвикателство. Въпреки това, експериментални FET с въглеродни нанотръби са показани в лабораторни чипове (MIT стана известно с това, че създаде 16-битов микропроцесор изцяло от транзистори с въглеродни нанотръби преди няколко години). 2D полупроводници, като дисулфид на молибдена (MoS₂), се изследват за ултра-тънки канали. Междувременно, спинтрониката (използване на спина на електрона за памет, като MRAM), фероелектрични FET и квантови устройства са активни изследователски области, които могат да подобрят или заменят настоящите технологии за определени приложения. Нито една от тях няма да достигне масово производство през 2025 г., но инвестициите сега могат да доведат до пробиви в края на десетилетието. Забележителен пример: IBM и Samsung обявиха изследвания върху VTFET (Vertical Transport FET) през 2021 г. – нова вертикална транзисторна структура, която теоретично може да предложи голям скок в плътността чрез вертикално ориентиране на транзисторите през чипа.
Квантови изчисления и силициева фотоника: Макар и да не са директна част от основните CMOS пътни карти, както квантовите изчисления, така и фотонната интеграция са бъдещи направления, които се припокриват с полупроводниците. R&D в квантовите изчисления е видял милиарди инвестиции – компании като IBM, Google, Intel дори създават чипове за квантови процесори (макар и с много различни технологии – напр. свръхпроводящи схеми при криогенни температури). Ако квантовите компютри се мащабират, те могат да допълнят класическите полупроводници за определени задачи (криптография, сложни симулации) в рамките на десетилетие или две. Силициевата фотоника, от друга страна, вече се слива с традиционните чипове: интегриране на оптични интерфейси за свръхбързи връзки за данни (като между сървърни чипове) с помощта на миниатюрни лазери и вълноводи върху чипа. Технологични гиганти (напр. Intel, Cisco) имат програми за фотонни чипове, а стартъпи работят върху оптични невронни мрежи. През 2024 г. видяхме продължаващ напредък с второто поколение оптични трансивърни чипове за дейтацентрове и изследвания върху фотонни изчисления за AI.
Напреднали памет технологии: Иновациите не са само при логическите чипове. Паметта също се развива: 3D NAND флаш отива към 200+ слоя (Micron и SK Hynix обявиха >230-слойни чипове), а евентуално може би и 500+ слоя до 2030 г., като клетките на паметта се подреждат като небостъргачи. Нови памети като MRAM, ReRAM и фазово-преходна памет се разработват, за да заменят или допълнят DRAM и флаш, предлагайки неволатилност с по-добра скорост или издръжливост. През 2023 г. Intel и Micron и двете показаха напредък в тези следващи поколения памети. Изчислителното съхранение (където паметта може да изпълнява някои изчислителни задачи) е друг ъгъл.

Като цяло, R&D тръбопроводът е богат – от непосредствени подобрения в следващо поколение производство (2nm, GAA транзистори) до революционни нови изчислителни парадигми. Индустрията също така получава безпрецедентна държавна подкрепа за научноизследователска и развойна дейност: например, американският CHIPS Act отделя милиарди за нови национални изследователски центрове за полупроводници, а европейският Chips Act по подобен начин увеличава финансирането за научноизследователска и развойна дейност semiconductors.org. Тези усилия имат за цел да осигурят лидерство в бъдещите технологии. Ясна тенденция е масовото сътрудничество между компании, правителства и академични среди по предконкурентни изследвания (предвид разходите).

Към 2025 г. Законът на Мур може да се забавя в традиционния смисъл, но иноваторите са уверени, че “More Moore” и “More than Moore” (нови възможности отвъд скалирането) ще продължат. Наскоро в Economist беше отбелязано, че дори транзисторите да не продължат да се намаляват наполовина на всеки две години, темпото на напредък може да се запази чрез чиплет архитектури, дизайн, задвижван от изкуствен интелект, и специализация economist.com. С други думи, краят на Закона на Мур няма да означава край на бързите подобрения – те просто ще идват от различни посоки. Следващите няколко години ще бъдат вълнуващи, докато ставаме свидетели дали пробиви като High-NA EUV, 3D чип стейкинг или може би някоя непредвидена нова технология ще издигнат индустрията на нови висоти.

Геополитически напрежения и политически последици

Полупроводниците не са просто бизнес – те са геополитически чипове в глобалната игра на власт. Тъй като напредналите чипове са от решаващо значение за икономическата мощ и националната сигурност (помислете за военни технологии, критична инфраструктура, сигурни комуникации), държавите все повече се стремят да защитават и контролират полупроводниковите си възможности. През 2024-2025 г. тези напрежения само ескалираха, променяйки политиката и международните отношения. Ето основните сюжетни линии:

Технологичната „чип война“ между САЩ и Китай: Съединените щати и Китай са въвлечени в ожесточена конкуренция за полупроводници. САЩ разглеждат напредъка на Китай в чиповете като потенциална заплаха за сигурността (усъвършенстваните чипове могат да захранват изкуствен интелект за военни цели и др.) и предприемат строги мерки, за да откажат на Китай достъп до най-съвременните чип технологии. През октомври 2022 г. САЩ обявиха мащабни експортни ограничения, които забраняват на китайски компании да получават усъвършенствани чипове (над определени прагове на производителност) и оборудването за тяхното производство. През 2023 и края на 2024 г. тези ограничения бяха допълнително затегнати – например, като се забрани дори износът на някои по-малко усъвършенствани AI чипове на Nvidia за Китай и се разшири списъкът на китайските фирми (като SMIC, Huawei) под санкции deloitte.com. САЩ също така оказаха натиск върху съюзниците си Нидерландия и Япония да ограничат износа на усъвършенствани литографски и други чип инструменти за Китай, с което те се съгласиха в началото на 2023 г. (така Китай беше напълно отрязан от EUV машини, както и от някои усъвършенствани DUV инструменти). Целта на тези ограничения е да забавят напредъка на Китай в най-високия клас полупроводници, особено тези, необходими за военен изкуствен интелект и суперкомпютри theregister.com m. Американски официални лица открито заявиха, че искат да поддържат „малък двор, висока ограда“ – тоест малък набор от най-усъвършенстваните технологии, но с практически непробиваема блокада около тях.
Отговорът на Китай – Самодостатъчност и наемане на кадри: Китай не стои безучастно. Тя стартира програма „Произведено в Китай 2025“ на стойност над 150 милиарда долара, за да развие вътрешния капацитет за производство на полупроводници и да намали зависимостта от чуждестранни технологии. Китайски фабрики като SMIC постигат стабилен (макар и скромен) напредък – въпреки санкциите, SMIC успя да произведе 7 nm чипове през 2022-23 г. (използвайки по-стара DUV литография по креативни начини) patentpc.com, както се вижда в смартфон на Huawei, пуснат през 2023 г., при чиято разборка беше открит 7nm китайски SoC. Китай също така използва вратички и удвоява усилията си в НИРД за инструменти, които не може да внася (като разработва собствено литографско оборудване, макар че все още изостава с години). Друга тактика: примамване на таланти. С оглед на американските правила, забраняващи на американци да помагат на китайски чип компании, Китай агресивно наема инженери от Тайван, Корея и други страни, предлагайки щедри облаги. „Китай агресивно наема чуждестранни таланти… с високи заплати, безплатни жилища и други“, съобщава Reuters deloitte.com. Тази „война за таланти“ е опит да се внесе ноу-хау. Освен това Китай наложи свои експортни ограничения върху определени материали (галий, германий) в средата на 2023 г. deloitte.com, което показва, че може да отвърне, използвайки доминацията си в някои суровини, важни за полупроводниците.
CHIPS актове и индустриална политика: Забележително развитие е колко много правителства приеха политики за връщане или преместване на производството на чипове в приятелски страни, прекъсвайки десетилетия на либерален подход. CHIPS и Научният акт на САЩ (2022) отдели 52,7 милиарда долара директно финансиране за стимулиране на вътрешното производство на чипове, плюс 25% данъчен кредит за инвестиции във фабрикиbipartisanpolicy.org. До 2023-24 г. Министерството на търговията на САЩ започна да отпуска тези средства за проекти – например през 2023 г. обяви първите си грантове и гаранции за заеми за компании, които строят фабрики в САЩ. bipartisanpolicy.org. Целите са да се увеличи делът на САЩ в световното производство (понастоящем ~12%) и да се гарантира, че най-усъвършенстваните чипове (като за отбрана) могат да се произвеждат на американска земя. По подобен начин ЕС стартира Европейския акт за чипове (2023), чиято цел е да мобилизира 43 милиарда евро, за да удвои дела на Европа в производството до 20% до 2030 г. consilium.europa.eu. Това включва субсидии за нови фабрики (Intel получи голяма субсидия за фабрика в Германия, TSMC също е ухажвана за такава в Германия), подкрепа за стартиращи компании и финансиране на изследвания. Япония също предостави милиарди в субсидии – привлече TSMC да построи фабрика в Кумамото (с партньори Sony и Denso), като предложи почти половината от разходите (476 милиарда йени ≈ 3,2 млрд. долара субсидия) reuters.com. Япония създаде и Rapidus, консорциум с компании като Sony, Toyota и подкрепен от правителството, за да развие 2nm процесна технология в страната чрез партньорство с IBM. Южна Корея обяви свои стимули за мега „клъстер за полупроводници“ и за подкрепа на фирми като Samsung при строежа на нови фабрики. Индия стартира програма за стимулиране на стойност 10 млрд. долара, за да привлече производители на чипове да изграждат фабрики (макар че към 2024 г. напредъкът е бавен, с известен интерес към аналогови/зрели фабрики и опаковане). Дори Саудитска Арабия и ОАЕ са сигнализирали интерес да инвестират сериозно в полупроводници, за да диверсифицират икономиките си patentpc.com. Тази глобална вълна на индустриална политика е безпрецедентна за чип индустрията, която исторически е имала някои държавни подкрепи (като дългосрочната подкрепа на Тайван за TSMC), но никога толкова широка координация. Рискът е възможна свръхкапацитет в дългосрочен план и неефективно разпределение, но водещата грижа са националната сигурност и устойчивостта на веригите за доставки.
Съюзи и „приятелско преместване“ (friendshoring): На геополитическата шахматна дъска се формират нови съюзи, съсредоточени около чиповете. САЩ работят за създаването на нещо като „Съюз за чипове“ от единомислещи технологично водещи държави – често наричан „Чип 4“ (САЩ, Тайван, Южна Корея, Япония) – за координация по сигурността на веригата за доставки и за да държат критичните технологии далеч от ръцете на противници. Нидерландия (домът на ASML) също е ключов партньор. Тези страни заедно контролират по-голямата част от високотехнологичния чипов IP, инструментите и производството. Съвместни изявления през 2023 и 2024 г. между САЩ и Япония, и САЩ и Нидерландия потвърдиха сътрудничеството по контрола на полупроводниците. От другата страна, Китай и държави в неговата орбита (може би Русия и някои други) може да задълбочат собствените си технологични връзки – например Китай е увеличил технологичното сътрудничество с Русия и търси оборудване за полупроводници от всяка страна, готова да продава. Въпросът с Тайван стои на преден план: САЩ изрично заявяват, че не могат да останат зависими от Тайван за чипове безкрайно (затова насърчават TSMC да строи в Аризона). Тайван, от своя страна, иска да запази своя „силициев щит“ – идеята, че световната зависимост от неговите чипове възпира военна агресия. Но напрежението е високо – военни сценарии и изказвания на някои официални лица дори са повдигали крайни идеи като унищожаване на тайванските фабрики за чипове при евентуална инвазия, за да не попаднат в китайски ръце theregister.com. Това показва колко дълбоко са преплетени полупроводниците с националното отбранително планиране.
По-високи разходи и компромиси: Едно от последствията от политизирането на веригата за доставки са по-високите разходи и неефективност. Морис Чанг предупреди, че реорганизацията на производството по политически причини ще повиши цените – разпределеният глобален модел „точно навреме“ беше много рентабилен theregister.com. Сега, дублирането на фабрики в няколко държави, понякога не на пълен капацитет, или използването на неидеални локации (от гледна точка на разходите) означава, че потребителите може да плащат повече за чипове и продукти, зависещи от чипове. Вече TSMC заяви, че чиповете, произведени в новата им фабрика в Аризона, ще струват значително повече от тези, произведени в Тайван (някои оценки – с около 50% по-висока цена) reuters.com. Компаниите може да прехвърлят тези разходи върху клиентите. Има и предизвикателството да се разшири талантът и веригите за доставки в нови региони (както показа забавянето на TSMC в Аризона, виж секцията за работната сила). Въпреки това, правителствата изглежда са готови да поемат тези разходи в името на сигурността.
Контрол върху износа и съответствие: Друго развитие е сложните режими за контрол на износа, които се създават. Бюрото за индустрия и сигурност (BIS) към Министерството на търговията на САЩ активно актуализира правилата. Например, в края на 2024 г. САЩ обявиха правила за ограничаване дори на достъпа до усъвършенствани AI модели за санкционирани държави и ограничиха определени по-малко усъвършенствани чипове, които могат да бъдат пренасочени за военна употреба deloitte.com. Мониторингът и прилагането са предизвикателство – има процъфтяващ сив пазар на препродавачи на чипове и посредници, които се опитват да доставят ограничени чипове в Китай или други забранени дестинации. В отговор САЩ увеличават мерките по прилагане. Междувременно Китай изготвя свой собствен списък за контрол на износа (възможно е да включи повече артикули като магнити от редкоземни елементи и др., отвъд вече ограничените метали). Тази игра на котка и мишка вероятно ще продължи, като понякога компаниите се оказват по средата (например NVIDIA трябваше да създаде модифицирани нискоскоростни версии на своите AI чипове, за да ги продава законно в Китай според правилата, което от своя страна доведе до нови ограничения от страна на САЩ).
Технологичен суверенитет срещу сътрудничество: Много държави говорят за „технологичен суверенитет“ – ЕС използва този термин, за да оправдае инвестиции, които да гарантират, че не е напълно зависим от чуждестранни технологии. От друга страна, иновациите в полупроводниците процъфтяват благодарение на глобалното сътрудничество (никоя държава не може да направи всичко евтино сама). Затова политиците трябва да балансират: да изграждат местен капацитет, без да се изолират от глобалната мрежа от доставчици и клиенти. Законът CHIPS на САЩ всъщност включва разпоредби, че финансираните компании не могат да изграждат усъвършенстван нов капацитет в Китай за 10 години, в опит да се гарантира разделяне bipartisanpolicy.org. Китай, от своя страна, насърчава „самостоятелност“, дори ако това означава да се преоткриват вече съществуващи решения. Може да видим паралелни екосистеми, ако разривът се задълбочи – например Китай да развие свои собствени EDA инструменти, собствено оборудване, макар и с едно поколение назад. В дългосрочен план някои се притесняват, че това дублиране намалява общата ефективност на иновациите (тъй като преди компания като TSMC можеше да амортизира разходите за НИРД, продавайки на всички по света; в разделен свят обемите са по-ниски за всеки пазар).

През 2024 г., геополитическото напрежение остава на рекордно високо ниво в сферата на полупроводниците. Пионерът в индустрията Морис Чанг подкрепя усилията на САЩ да забавят Китай – той отбеляза „САЩ започнаха своята индустриална политика за чиповете, за да забавят напредъка на Китай. … Подкрепям го,“ дори като признава, че ерата на свободната търговия с чипове приключва. Компании като ASML изразиха притеснения, че някои ограничения изглеждат „по-скоро икономически мотивирани“, отколкото изцяло свързани със сигурността reuters.com, както отбеляза изпълнителният директор на ASML, докато се надява на стабилно равновесие reuters.com. Междувременно страни като Южна Корея понякога се чувстват хванати по средата – зависими от Китай като пазар, но съюзници със САЩ. Например, на Южна Корея беше предоставена известна гъвкавост (освобождавания) за компаниите ѝ Samsung и SK Hynix да продължат да работят с фабрики в Китай въпреки правилата на САЩ, но в края на 2024 г. дори Южна Корея се сблъска с „изненада“, когато обмисляше собствените си технологични политики под натиск deloitte.com.

„Чип войната“ при полупроводниците вероятно ще продължи да оформя глобалната политика. От една страна, тя води до огромни инвестиции в технологии и капацитет (което може да е положително за иновациите и работните места). От друга страна, съществува риск да се създаде по-раздробен и нестабилен технологичен пейзаж, където шоковете в доставките и търговските спорове стават по-чести. За широката общественост едно от непосредствените последствия е, че осигуряването на стабилни доставки на чипове се превърна в основен приоритет за правителствата – подобно на енергийната сигурност. През следващите години очаквайте новини за нови фабрики в сърцето на САЩ или европейските столици, взаимни забрани за износ между големите сили и полупроводниците като ключова точка в дипломатическите преговори. Глобалната надпревара за върховенство при чиповете вече е в пълен ход и ще окаже дълбоко влияние както върху развитието на полупроводниковата индустрия, така и върху по-широкия баланс на икономическата мощ през 21-ви век.

Икономическо въздействие на полупроводниковата индустрия

Полупроводниковата индустрия не просто дава възможност на други сектори – тя е огромна икономическа сила сама по себе си. През 2024 г. световният пазар на полупроводници нарасна рязко, тъй като недостигът от пандемията намаля и новото търсене се увеличи. Глобалните продажби на чипове достигнаха около 630,5 милиарда долара през 2024 г. semiconductors.org, отбелязвайки силен ръст от ~18–20% спрямо предходната година, а се очаква да достигнат нови рекорди през 2025 г. (около 697 милиарда долара) deloitte.com. Ако настоящите тенденции се запазят, индустрията може да достигне 1 трилион долара годишно до 2030 г. deloitte.com. За сравнение, това е приблизително БВП на Нидерландия или Индонезия, генериран всяка година от чипове.

Но истинското икономическо въздействие на полупроводниците е много по-голямо от самите продажби на чипове. „Компаниите в полупроводниковата екосистема произвеждат чипове … и ги продават на компании, които ги вграждат в системи и устройства … Приходите от продукти, които съдържат чипове, възлизат на десетки трилиони долари,” обяснява индустриалният експерт Стив Бланк steveblank.com. На практика почти всеки модерен електронен продукт (смартфони, компютри, автомобили, телекомуникационно оборудване, индустриални машини) съдържа чипове – тези крайни пазари възлизат на много трилиони като стойност и движат производителността в цялата икономика. Например, полупроводниците са фундаментални за ключови индустрии като автомобилостроенето (днешните автомобили имат десетки микроконтролери), компютърните и облачните услуги, телекомуникациите (5G мрежи), потребителската електроника и нововъзникващи области като изкуствения интелект и възобновяемата енергия. Наличността и цената на чиповете пряко влияят върху здравето и темпа на иновации в тези сектори.

Някои конкретни точки относно икономическото въздействие:

Даване възможност на технологични революции: Полупроводниците често са или пречка, или катализатор за нови технологични вълни. Възходът на смартфоните и мобилния интернет през 2010-те беше възможен благодарение на все по-мощни и енергийно ефективни чипове за телефони. Настоящият бум на ИИ (с модели като ChatGPT и автономни системи) е възможен благодарение на най-съвременни GPU и ускорители за ИИ; ако напредъкът при чиповете беше спрял, алгоритмите за ИИ нямаше да могат да работят в практически мащаб. Бъдещото разширяване на IoT (Интернет на нещата), електрическите и автономните автомобили, Индустрия 4.0 автоматизацията и 6G комуникациите всички предполагат продължаващ напредък в чиповете. В икономически план чиповете имат огромен мултиплициращ ефект – пробив в полупроводниците може да отключи цели нови индустрии. Осъзнавайки това, правителствата наричат полупроводниците „стратегическа“ индустрия; например, Белият дом заяви, че полупроводниците са „критични за икономическия растеж и националната сигурност на САЩ“, което обяснява защо Законът за чиповете беше оправдан bipartisanpolicy.org.
Създаване на работни места и висококвалифицирана заетост: Секторът на полупроводниците осигурява голям брой работни места по целия свят, много от които са високоплатени и изискват квалифицирани кадри (инженери, техници, изследователи). В центрове за проектиране на чипове като Силициевата долина (САЩ) или Хсинчу (Тайван), чип компаниите са основни работодатели. Една нова фабрика може да създаде хиляди преки работни места и десетки хиляди косвени работни места (строителство, доставчици, услуги). Например, планираните фабрики на Intel в Охайо и на TSMC в Аризона се очаква да създадат по около 3 000 преки работни места плюс още много в по-широката икономика. Освен това, това са точно онзи тип напреднали производствени работни места, които много развити страни искат да имат на своя територия по икономически и съображения за сигурност. Въпреки това, както ще обсъдим в следващия раздел, намирането на квалифицирани кадри за тези работни места е нарастващо предизвикателство, което само по себе си има икономически последици (ограниченията на труда могат да забавят разширяването и да повишат заплатите).
Глобална търговия и вериги на доставки: Полупроводниците са един от най-търгуваните продукти в световен мащаб. Годишната световна търговия с полупроводници и свързано оборудване възлиза на стотици милиарди. Например, чиповете са постоянно сред водещите износни стоки за страни като Тайван, Южна Корея, Малайзия и все повече Китай (който изнася много нискокачествени чипове, дори докато внася високотехнологични). Всъщност, от 2020 г. вносът на чипове в Китай (около 350 млрд. долара през 2022 г.) надвишава вноса на петрол, което подчертава чиповете като ключова вносна стока за страната patentpc.com. Тази динамика също влияе върху търговските баланси и преговори. Икономики с голям износ като Южна Корея и Тайван разчитат на износа на чипове за растеж – в Тайван, само TSMC е основен приносител към БВП и търговския излишък. Междувременно, страни, които разчитат на внос на чипове (като много в Европа или Индия), виждат подобряването на търговската си позиция като една от причините да развиват собствено производство.
Икономическа сигурност: Недостигът на чипове през 2021-2022 г. послужи като сигнал за събуждане: недостигът на полупроводникови части за $1 беше достатъчен, за да спре производството на автомобили за $40 000, допринасяйки за инфлацията и по-ниския ръст на БВП в някои региони. Проучванията оценяват, че недостигът на чипове е намалил глобалното автомобилно производство с няколко процентни пункта и е забавил наличността на потребителска електроника, което вероятно е имало леко потискащ ефект върху БВП през 2021 г. Правителствата вече разглеждат осигурените доставки на чипове като част от икономическата сигурност. Доклад на PwC от 2023 г. дори предупреди, че сериозно прекъсване на доставките на чипове, причинено от климатични промени, може да постави една трета от прогнозирания изход от $1 трилион в риск в рамките на десетилетие, ако индустрията не се адаптира pwc.com – което би навредило значително на световната икономика. Затова икономическите стратези интегрират полупроводниците в оценките на риска, които обикновено са запазени за основни суровини.
Фондов пазар и корпоративен растеж: Самите полупроводникови компании се превърнаха в едни от най-ценните компании в света. Към края на 2024 г. общата пазарна капитализация на топ 10 чип компании беше около $6,5 трилиона, което е ръст от 93% спрямо година по-рано deloitte.com, благодарение на нарастващите оценки, свързани с изкуствения интелект. Гиганти като TSMC, NVIDIA, Samsung, Intel и ASML имат пазарни капитализации от стотици милиарди. Представянето на тези компании силно влияе върху борсовите индекси и инвестиционните потоци. Всъщност, Филаделфийският полупроводников индекс (SOX) често се разглежда като барометър за здравето на технологичния сектор. Създаденото богатство от възхода на тези компании е огромно, а те от своя страна инвестират обратно в НИРД и капиталови разходи на рекордни нива (TSMC изразходва около $36 млрд. за капиталови разходи през 2022 г. reuters.com, което е сравнимо с построяването на няколко самолетоносача по стойност). Това създава добродетелен цикъл на иновации и икономическа активност, стига търсенето да се запазва.
Влияние върху потребителите и цени: Чиповете са голям компонент от цената на много продукти. С нарастването на мощността на чиповете (според закона на Мур) често цената на функция намалява, което позволява по-евтина електроника или повече функции за същата цена – полза за потребителите и производителността. Въпреки това, скорошният недостиг на доставки и допълнителните разходи за „сигурни“ вериги на доставки (например дублиране на фабрики в региони с по-високи разходи) могат да окажат инфлационен натиск. Видяхме например, че цените на автомобилите скочиха значително през 2021-2022 г. отчасти защото автомобилните производители не можеха да получат достатъчно микроконтролери, което доведе до ниски наличности. Доклад на Goldman Sachs от 2021 г. установи, че чиповете влизат в широка гама потребителски стоки, така че продължителен недостиг на чипове може да повлияе на инфлацията с осезаема част от процента. Обратно, когато доставките на чипове се нормализират, това може да има дефлационен ефект върху цените на електрониката. В дългосрочен план, продължаващият напредък в полупроводниците е дефлационна сила (електрониката или поевтинява, или става много по-способна на същата цена всяка година).
Държавни субсидии и възвръщаемост на инвестициите (ROI): С десетки милиарди публични средства, вече ангажирани с инициативи за чипове, данъкоплатците и икономистите следят възвръщаемостта. Привържениците твърдят, че тези субсидии ще се изплатят чрез създаване на висококвалифицирани работни места и опазване на ключови индустрии. Съществува и мултиплициращ ефект – например, изграждането на фабрика включва много строителна работа и след това висококвалифицирани работни места, като всяко работно място във фабриката поддържа около 4–5 други работни места в икономиката (в поддръжка, услуги и др.). Въпреки това, критиците предупреждават за свръхпредлагане или неефективност при държавното избиране на победители. Финансирането по CHIPS Act, например, идва с условия (разделяне на печалбата при прекомерни печалби, изисквания за грижа за деца за работниците във фабриките и др.), за да се гарантират по-широки ползи. Успехът или провалът на тези политики ще има икономически вълнови ефекти: ако успеят, региони като Средния Запад на САЩ или Саксония в Германия могат да се превърнат в нови Силициеви долини, стимулирайки местните икономики. Ако не, съществува риск от скъпи „бели слонове“.

В обобщение, полупроводниците имат огромно икономическо въздействие както пряко, така и косвено. Те стимулират растежа в допълващи индустрии и са в основата на продуктивните печалби (по-бързи компютри = повече научни симулации, по-добър ИИ = повече автоматизация). Цикличният характер на сектора (цикли на бум и спад поради колебания в търсенето) също може да повлияе на по-широките икономически цикли. Например, спад в цикъла на чиповете (като през 2019 или 2023 г. за памет чипове) може да навреди на износа и БВП на икономики с голям дял на производството, докато подем (като сегашния бум на ИИ) може да ги засили значително.

Докато навлизаме в 2025 г., перспективата е оптимистична: индустриалният анализ на Deloitte отбелязва, че 2024 беше много силна с ~19% ръст, а 2025 може да донесе още ~11% ръст, поставяйки индустрията на път към тази цел от трилион долара deloitte.com. Ръстът се подхранва от търсенето на нововъзникващи технологии (ИИ, 5G, електрически превозни средства), което компенсира евентуално забавяне при смартфоните или компютрите. Предизвикателството ще бъде да се балансират разходите за локализация и геополитическите ограничения, без да се задушава иновацията и мащабът, които направиха полупроводниците толкова голяма икономическа история на успеха.

Екологични и устойчиви предизвикателства

Колкото и впечатляваща да е полупроводниковата технология, производството ѝ е свързано със значителни екологични разходи. Индустрията все по-често се сблъсква със своите устойчиви предизвикателства – включително огромна консумация на вода и енергия, емисии на парникови газове и химически отпадъци. Парадоксално е, че докато чиповете позволяват по-зелени технологии (като ефективна електроника и чисти енергийни решения), тяхното производство може да бъде ресурсно интензивно и замърсяващо, ако не се управлява внимателно. Ето основните екологични проблеми:

Използване на вода: „Полупроводниците не могат да съществуват без вода – и то много вода“, отбелязва Кирстен Джеймс от Ceres weforum.org. Фабриките изискват огромни количества ултра-чиста вода (UPW), за да изплакват пластините след всеки химичен процес. Тази вода трябва да бъде изключително чиста (хиляди пъти по-чиста от питейната вода), за да се избегне всякакво замърсяване с минерали или частици weforum.org. За да се произведат 1 000 галона UPW, са необходими приблизително 1 400–1 600 галона градска вода (останалото става отпадна вода) weforum.org. Една голяма фабрика за чипове може да използва 10 милиона галона вода на ден, което е еквивалентно на водната консумация на ~30 000–40 000 домакинства weforum.org. В световен мащаб се изчислява, че всички полупроводникови заводи заедно консумират вода, равна на тази на град с милиони жители; в един доклад се отбелязва, че фабриките за чипове по света използват толкова вода, колкото градът Хонконг (7,5 милиона души) всяка година weforum.org. Това голямо търсене оказва натиск върху местните водоизточници, особено в региони, които вече са изправени пред суша или воден стрес (например фабриките на TSMC в Тайван бяха застрашени от тежка суша през 2021 г., което наложи държавно разпределение на водата и дори доставяне на вода с камиони до фабриките). Недостигът на вода се превръща в уязвимост за индустрията weforum.org. Освен това, отпадъчните води от фабриките могат да съдържат опасни химикали (като киселини, метали). Без подходящо третиране тази отпадна вода може да замърси реките и подпочвените води, увреждайки екосистемите weforum.org. Наистина, в някои центрове за чипове в Китай и Южна Корея властите са санкционирали фабрики за екологични нарушения поради замърсяване на водата weforum.org. Индустрията реагира, като инвестира в рециклиране на вода: много фабрики вече рециклират част от водата си. Например, новата фабрика на TSMC в Аризона твърди, че ще възстановява около 65% от използваната вода на място weforum.org, а Intel си партнира с местните власти в Орегон и Аризона за изграждане на водопречиствателни станции за възстановяване на подземните води weforum.org. Някои фабрики в Сингапур и Израел рециклират дори по-високи проценти. Въпреки това, с нарастването на търсенето на чипове, общото потребление на вода ще продължи да се увеличава, което прави този въпрос критичен за устойчивостта.
Консумация на енергия и емисии: Производството на чипове е енергоемко. Работата на чистите помещения, помпите и термичните процеси във фабриката 24/7 изисква огромно количество енергия. Една модерна фабрика може да консумира около 100 мегавата електроенергия непрекъснато – еквивалентно на енергопотреблението на малък град (десетки хиляди домакинства). Всъщност, „стандартна голяма фабрика за производство на чипове консумира над 100 000 мегавата енергия … всеки ден“, а секторът като цяло е използвал около 190 милиона тона CO₂-еквивалент през 2024 г.blog.veolianorthamerica.com. (Тази стойност на емисиите – 190 милиона тона – е приблизително годишните емисии на държави като Виетнам или Австралия.) Част от този въглероден отпечатък идва от индиректна консумация на енергия (ако местната електрическа мрежа е на изкопаеми горива), а друга част – от директни процесни емисии. Фабриките използват перфлуорирани съединения (PFCs) за ецване и почистване; тези газове, като CF₄ или C₂F₆, имат потенциал за глобално затопляне хиляди пъти по-висок от CO₂ и могат да се задържат в атмосферата хилядолетия. Въпреки че индустрията работи за ограничаване на PFC-изпусканията (като част от доброволни споразумения по Протокола от Киото), те все още допринасят значително за емисиите. Според проучване на TechInsights, ако производството на чипове се удвои до 2030 г. (за да отговори на пазар от $1T), без мерки за ограничаване, емисиите на индустрията могат да нараснат значително pwc.com. За да се справят с енергийната консумация, производителите на чипове все повече инвестират в възобновяема енергия за захранване на фабриките. Например, TSMC се превърна в един от най-големите корпоративни купувачи на възобновяема енергия в света, с цел 40% възобновяема енергия до 2030 г. и 100% до 2050 г. Intel също има фабрики, работещи на 100% възобновяема електроенергия на някои места. Подобряването на енергийната ефективност във фабриките (напр. чрез използване на топлинна рекуперация, по-ефективни охладители) е друг приоритет. Но важно е, че по-усъвършенстваните чипове често изискват повече енергия на вафла за производство (напр. EUV литографията е по-малко енергийно ефективна от по-старите литографски процеси), така че има напрежение между технологичния напредък и енергията на чип. Някои анализатори се притесняват, че ако законът на Мур се забави, енергията на транзистор може дори да се увеличи.
Химически и опасни отпадъци: Полупроводниковият процес използва токсични и опасни вещества – газове като силан или арсин, корозивни течности (киселини, разтворители) и тежки метали. Безопасното управление на потоците отпадъци е от решаващо значение. Фабриките генерират химически отпадъци, които трябва внимателно да бъдат третирани или изхвърляни. Например, използваните разтворители и еченти могат да бъдат дестилирани и рециклирани, киселините – неутрализирани, а суспензиите – филтрирани за повторна употреба. Компании като Veolia предлагат услуги специално за подпомагане на фабриките с рециклиране на отпадъци – превръщане на използвани химикали в полезни продукти или безопасно изгаряне на отпадъци с улавяне на енергия blog.veolianorthamerica.com. Въпреки добрите практики, инциденти (химически течове, неправилно изхвърляне) могат и са се случвали, което може да причини вреда на околната среда на местно ниво. Друг аспект е отпадъците от опаковки – производството включва много еднократни пластмасови контейнери, ръкавици, престилки и др. в чистите помещения. Много компании вече се опитват да намалят и рециклират и тези твърди отпадъци blog.veolianorthamerica.com. Съществува и електронен отпадък надолу по веригата, но това е по-скоро въпрос на изхвърляне на готови електронни продукти, отколкото на самото производство на чипове.
Устойчивост към климатичните промени: Иронично, климатичните промени представляват пряка заплаха за производството на чипове, дори когато чиповете ще са нужни за борба с климатичните промени. Фабриките се намират на места, които все по-често изпитват екстремни метеорологични явления: тайфуни в Източна Азия, горещи вълни и суши (например Западните САЩ, Тайван) и др. Доклад на CNBC от 2024 г. подчерта как една единствена буря или наводнение, удрящи ключов “град на чиповете”, могат да нарушат доставките – например, хипотетичен тайфун Хелена, удрящ тайванския град Хсинчу (където е централата на TSMC), може да бъде катастрофален deloitte.com. Компаниите вече оценяват рисковете от климата за своите съоръжения. Водният стрес е сред основните притеснения – проучване сред ръководители в индустрията през 2023 г. показа, че 73% са загрижени за рисковете, свързани с природните ресурси (вода) за своите операции weforum.org. Много от тях въвеждат мерки за устойчивост към климатичните промени, като изграждане на собствени водни резервоари, резервно електрозахранване и диверсификация на географските локации. PricewaterhouseCoopers предупреди, че без адаптация до 32% от световните доставки на полупроводници са застрашени до 2030 г. поради воден стрес и други климатични въздействия pwc.com.
Положителни инициативи: От по-светлата страна, индустрията засилва ангажиментите си към устойчивост. До 2025 г. почти всички големи полупроводникови компании имат някаква форма на цел за намаляване на въглеродните емисии или постигане на въглеродна неутралност. TSMC цели да намали емисиите с 20% до 2030 г. (спрямо нивата от 2020 г.) и да постигне нетни нулеви емисии до 2050 г. Intel има цел за нетни нулеви оперативни емисии до 2040 г. и инвестира в зелени фабрики (вече е постигнала 82% повторна употреба на вода и 100% зелена енергия в обектите си в САЩ към 2022 г.). Samsung обяви екологични цели, които да съответстват – например, използване на възобновяема енергия за задграничните си операции и подобряване на енергийната ефективност на процесите си. Друга положителна страна е, че продуктите на индустрията помагат за намаляване на емисиите другаде – например, енергийно ефективните чипове намаляват енергопотреблението в центровете за данни и електрониката; чиповете във възобновяеми енергийни системи подобряват ефективността на мрежата. Едно проучване на SIA (Асоциация на полупроводниковата индустрия) предполага, че за всеки тон CO₂, излъчен от сектора на чиповете, технологиите, които чиповете позволяват, помагат да се намалят няколко тона в други сектори (чрез енергоспестяване). Дали това компенсира отпечатъка е предмет на дебат, но е ясно, че полупроводниците са ключови за климатичните решения (умни мрежи, електрически автомобили и др.).

За да илюстрираме постигнатия напредък: полупроводниковото подразделение на Sony в Япония съобщи, че една от фабриките му повторно използва около 80% от отпадъчните си води и изгражда нови съоръжения за рециклиране, за да подобри това weforum.org. Много компании са се присъединили към инициативите на Responsible Business Alliance за устойчиви вериги на доставки, гарантирайки, че използваните минерали (напр. кобалт, тантал) са без конфликт и добивани отговорно. Създават се и консорциуми за колективно справяне с широко разпространени проблеми – например, IMEC в Белгия провежда програми за устойчиво производство на полупроводници, изследвайки алтернативи на PFC газовете и начини за намаляване на енергията на вафла.

В заключение, екологичното въздействие на производството на полупроводници не е незначително и трябва да се управлява. Добрата новина е, че лидерите в индустрията го признават. Както се казва в един доклад на Deloitte, производството на чипове на стойност трилион долара през 2030 г. ще има екологично въздействие – въпросът е как да се смекчи тоwww2.deloitte.com. Пътят напред включва по-голяма прозрачност (компаниите да разкриват данни за водата и въглерода), поставяне на научно обосновани цели за емисиите, инвестиране в практики на кръговата икономика (като повторна употреба на химикали, цели за нулеви отпадъци към депа blog.veolianorthamerica.com) и партньорство с правителствата (за инфраструктура като възобновяема енергия и пречистване на води). Потребителите и инвеститорите също настояват за по-зелени практики – големи купувачи на чипове като Apple, например, искат тяхната верига на доставки (включително доставчици на чипове като TSMC) да използва 100% възобновяема енергия. Този външен натиск спомага за промяната.

И така, въпреки че чип индустрията има още работа за вършене, за да намали своя екологичен отпечатък, тя предприема значими стъпки. В крайна сметка, спестяването на вода и енергия често съвпада с дългосрочното намаляване на разходите. А в свят, в който устойчивостта става все по-важна, отличното представяне в „зелено производство на чипове“ може да се превърне в още едно конкурентно предимство. Може дори да видим технологии като нови методи за сухо ецване (с по-малко химикали) или заместители на PFC газове да се превърнат в стандартна практика, движени от еко-ориентирани НИРД. Надеждата е, че следващата фаза на растеж в полупроводниковата индустрия може да бъде постигната по начин, който работи с околната среда, а не срещу нея blog.veolianorthamerica.com – гарантирайки, че дигиталната революция, задвижвана от чипове, е устойчива за планетата.

Предизвикателства, свързани с работната сила и таланта

Производството на полупроводници не е само въпрос на чисти помещения и машини – то в основата си разчита на хора с високо специализирани умения. И тук индустрията се сблъсква с критично предизвикателство: нарастващ недостиг на таланти и пропаст в уменията. Докато държавите инвестират в нови фабрики и НИРД, възниква въпросът: кой ще работи в тези съоръжения и ще движи иновациите, особено в епоха, когато съществуващата работна сила застарява, а по-младите таланти се насочват към софтуер или други области?

Ключови въпроси и развития, свързани с работната сила в полупроводниковата индустрия:

Застаряваща работна сила и вълна от пенсиониране: В много региони настоящата инженерна работна сила в полупроводниковата индустрия е съсредоточена сред по-възрастни, опитни професионалисти – и голяма част от тях наближават пенсиониране. Например, в САЩ „55% от работещите в полупроводниковата индустрия са над 45 години, докато по-малко от 25% са под 35,“ към средата на 2024 г. deloitte.com. Европа е подобна: „20% от работещите в полупроводниковата индустрия в Европа са над 55 години, а около 30% от работната сила в Германия в този сектор се очаква да се пенсионира през следващото десетилетие,“ според анализ на EE Times deloitte.com. Това е надвисващ „изтичане на мозъци“, тъй като опитните експерти напускат. Индустрията рискува да загуби десетилетия институционални знания по-бързо, отколкото може да ги замести – факт, отбелязан в изследването на Deloitte за таланти, което предупреждава за „несъгласуван трансфер на знания и твърде малко нови кадри, които да усвоят експертизата“ deloitte.com.
Недостатъчен поток от нови таланти: Исторически, кариерите в чип инженерството (независимо дали електроинженерство, материалознание или поддръжка на оборудване) не са привличали толкова голям брой млади таланти, както например софтуерното разработване или науката за данни. Работата често се възприема като по-специализирана, изискваща висше образование, а имиджът на индустрията сред завършващите е избледнял след бума на персоналните компютри. Съвместно проучване на SEMI и Deloitte още през 2017 г. вече подчертаваше „надвисващ недостиг на таланти“ и отбелязваше, че полупроводниковата индустрия има затруднения с брандирането и стойностното предложение към новите завършващи deloitte.com. През 2023-2024 г., въпреки високотехнологичния характер на сектора, по-малко студенти избират специалности, свързани с полупроводници, а компаниите съобщават за трудности при запълването на позиции – от начално ниво до докторанти. Резултатът: много свободни работни места, малко квалифицирани кандидати. Това е особено изразено в региони, които се опитват да разширят производството на чипове от ниска база (например САЩ, които трябва да обучат много повече техници за новите си фабрики, или началните усилия на Индия).
Регионални несъответствия и урокът на TSMC в Аризона: Един показателен пример за проблеми с таланта беше забавянето на TSMC в Аризона. TSMC строи фабрика за 40 милиарда долара в Аризона – един от стълбовете на американските усилия за връщане на напредничавото производство на чипове в страната. Въпреки това, в средата на 2023 г. TSMC обяви, че откриването на завода се отлага от 2024 за 2025 г., позовавайки се на „недостатъчен брой квалифицирани работници“ в местната работна сила manufacturingdive.com. Компанията изпитваше трудности да намери достатъчно американски работници със специализирани умения за строителство и инсталиране на модерно фабрично оборудване, и се сблъска с „съпротива от синдикатите срещу опитите да се доведат работници от Тайван“ за помощreuters.com. TSMC трябваше да изпрати стотици опитни техници от Тайван в Аризона, за да обучат местните и да завършат инсталацията на чистите помещения. Председателят на компанията Марк Лиу отбеляза, че всеки нов проект има крива на обучение, но намекна, че недостигът на работна ръка в САЩ е сериозно препятствие reuters.com. Този сценарий подчертава, че експертизата е концентрирана в съществуващите хъбове (като Тайван за водещо производство) и не се прехвърля лесно. Сега всички американски фабрични проекти (новите фабрики на Intel, разширяването на фабриката на Samsung в Тексас и др.) засилват наемането и обучението, работят с колежи и инженерни училища за развитие на таланти. Но обучението на новозавършил до опитен инженер по процеси в полупроводниковата индустрия може да отнеме години практически опит. Така че, увеличаването на местния талант може да изостава спрямо темпа на строителство на фабриките.
Китайската стратегия за таланти: Междувременно, Китай агресивно търси чип таланти по целия свят, за да преодолее технологичните си ограничения. Както беше отбелязано, с ограничаването на трансфера на технологии от западните страни, Китай се насочи към наемането на отделни специалисти. Разследване на Ройтерс през 2023 г. установи, че Китай тихомълком е наел стотици инженери от тайванската TSMC и други компании, предлагайки компенсационни пакети, които понякога са двойно по-големи от заплатата им, плюс привилегии като жилище deloitte.com. Идеята е да се внесе експертиза в китайските фабрики и дизайнерски центрове (донякъде наподобявайки начина, по който Тайван първоначално разви индустрията си, като върна инженери, обучени в САЩ през 80-те години). Това обаче доведе до напрежение – Тайван дори започна разследвания и затегна законите, за да предотврати изтичане на интелектуална собственост чрез изкушаване на таланти. САЩ също вече забраняват на своите граждани (и притежатели на зелена карта) да работят за определени китайски чип компании без лиценз deloitte.com, след като забелязаха, че много бивши служители на американски фирми приемат доходоносни позиции в Китай. Въпреки това, „войната за таланти“ означава, че опитните инженери по целия свят са силно търсени и заплатите се наддават. Това е чудесно за инженерите, но може да е проблематично за компании и региони, които не могат да се конкурират с предлаганите възнаграждения от по-богати кандидати (било то държавно субсидирани китайски стартъпи или фабрики, финансирани по американския CHIPS Act).
Инициативи за обучение и образование: Осъзнавайки недостига на таланти, се появиха множество инициативи. По CHIPS Act САЩ са отделили средства не само за фабрики, но и за развитие на работната сила – в партньорство с университети и колежи за създаване на нови образователни програми по полупроводници bipartisanpolicy.org. Например, Университетът Пърдю стартира програма за степени по полупроводници с цел да дипломира стотици инженери годишно, а Държавният университет на Аризона разширява програмите си, за да подкрепи присъствието на TSMC. По същия начин, Европейският Chips Act включва стипендии и трансгранични обучителни мрежи за развитие на повече експерти по микроелектроника. Компаниите също увеличават вътрешното обучение; Intel, например, управлява дългогодишен „колеж за фабрики“ вътрешно и разширява стажовете и кооперативните програми. Един от проблемите обаче е, че много от неявните знания в производството на чипове не се преподават в учебниците – те се усвояват чрез практика във фабриките. Затова разширяването на таланта ще изисква комбинация от формално образование и практически стажове в съществуващи предприятия. Правителствата дори може да облекчат имиграционните правила, за да привлекат чуждестранни таланти (САЩ обмислят специална виза за чип експерти, а Япония ухажва тайвански и корейски инженери за Rapidus).
Работна култура и привлекателност: Друго предизвикателство е да се направи кариерният път в полупроводниковата индустрия привлекателен. Индустрията може да бъде взискателна – фабриките работят 24/7, инженерите често работят на смени, а необходимата прецизност означава работа под високо напрежение. Както отбелязва Reuters, TSMC установява, че американските работници са по-малко склонни да издържат на „изтощителния“ денонощен график на чип фабриките в сравнение с работниците в Тайван или Япония reuters.com. В Япония има културна норма за дълги работни часове, което съвпада с нуждите на чип фабриките, докато в САЩ очакванията за баланс между работа и личен живот може да влязат в конфликт с нуждите от нощни смени. Компаниите може да се наложи да се адаптират (например повече автоматизация за намаляване на нощните смени или стимули за работа в непопулярни часове). Също така, индустрията може да подобри имиджа си, като подчертае колко готина и значима е работата – вие правите възможно бъдещето на технологиите – и като насърчава разнообразието и приобщаването (традиционно е доминирана от мъже и може да привлече повече представители на недостатъчно представени групи). Историческата липса на блясък в сравнение със софтуера донякъде избледнява, тъй като полупроводниците вече често са в новините, но продължаващата информационна кампания е ключова.
Недостиг на таланти в цифри: За да се количествено определи, SEMI (браншовата асоциация) изчисли в края на 2022 г., че до 2030 г. индустрията може да се сблъска с недостиг от приблизително 300 000 квалифицирани работници в световен мащаб, ако настоящите тенденции продължат. Това включва всичко – от докторанти-изследователи до техници по поддръжка на оборудване. Най-острите дефицити са при инженерите по оборудване, инженерите по производствени процеси и специалистите по EDA софтуер. EDA компании като Synopsys също съобщават, че имат нужда от повече експерти по алгоритми и изкуствен интелект, за да развиват следващото поколение инструменти за проектиране (които вече включват ИИ – чипове, които проектират чипове!). Друг сегмент са работните места на ниво техник – тези с 2-годишни технически степени, които управляват и поддържат оборудването във фабриките. Страни като САЩ са инвестирали недостатъчно във висшето професионално обучение за такива роли през последните десетилетия, така че възстановяването на този поток е от решаващо значение.
Международно сътрудничество срещу ограничения: Интересно е, че докато нуждите от таланти са глобални, някои политики усложняват движението на кадри. Американските експортни правила ограничават не само хардуера, но и човешкото ноу-хау (гражданите на САЩ се нуждаят от лицензи, за да работят с определени китайски фабрики). Това може да ограничи броя на експертите, които са склонни или могат да работят на определени места, като на практика сегментира пазара на труда. От друга страна, съюзнически държави обмислят начини за споделяне на таланти – например „програма за обмен на таланти“ между американски и тайвански фабрики за взаимно обучение на инженери, или взаимно признаване на квалификации между ЕС и САЩ, за да могат инженерите по-лесно да се преместват за проекти.
Компенсации и конкуренция: Недостигът на таланти доведе до нарастващи заплати в сектора, което е добре за привличане на хора, но също така увеличава разходите за компаниите. През 2021-2022 г. някои полупроводникови фирми дадоха значителни увеличения на заплатите или бонуси, за да задържат служителите си. Според съобщения, TSMC е предложила над 20% увеличение на заплатите през 2022 г. заради опити за привличане на кадри от конкуренти. В региони като Индия, където традиционно заплащането за чип дизайнери беше по-ниско, мултинационалните компании вече предлагат много по-високи пакети, за да задържат таланта и да не премине при конкуренцията или в чужбина. Всичко това е чудесно за професионалистите, но може да стесни печалбите или да промени местата, където компаниите се разширяват (те може да търсят региони с добро образование, но все още разумни разходи за труд – една от причините Intel и други да гледат към места като Охайо или северната част на Ню Йорк, вместо към най-горещите пазари на труда).

В обобщение, проблемът с таланта в полупроводниковата индустрия е критично ограничение за амбициозните планове за разширяване на сектора. Има известна ирония: можем да похарчим милиарди за лъскави нови фабрики, но без квалифицирани хора, които да ги управляват, те са просто празни черупки. Както каза президентът на SIA през 2022 г., „Не може да има възраждане на производството без възраждане на работната сила“. През следващите няколко години ще има целенасочени усилия за вдъхновяване и обучение на следващото поколение чип експерти. Това може да означава актуализиране на инженерните учебни програми с повече съдържание за производство на полупроводници, предлагане на атрактивни стипендии и дори започване на STEM инициативи още в гимназията, за да се вдъхновят учениците да „създадат следващия чип с 1 милиард транзистора“, а не просто да напишат следващото приложение.

В същото време компаниите ще използват временни решения: преквалифициране на инженери от сродни индустрии, наемане на пенсионирани специалисти като консултанти и използване на повече автоматизация и изкуствен интелект за намаляване на нуждите от работна ръка във фабриките. Правителствата също може да коригират имиграционната политика – например, САЩ може да прикачат зелена карта към дипломите на завършващи с релевантни докторски степени от американски университети, за да ги задържат в страната.

Залогът е голям: ако недостигът на таланти не бъде решен, това може да се превърне в тясно място, което забавя иновациите и увеличаването на капацитета, подкопавайки целите на тези многомилиардни инициативи за чипове. Обратно, ако успеем да вдъхновим нова вълна от таланти в микроелектрониката, този човешки капитал може да поддържа нова златна ера на напредък в полупроводниците. Както се пошегува един експерт: „Най-важният актив на чип индустрията не е силицият, а мозъците.“ И осигуряването на достатъчно такива мозъци, работещи по полупроводници, е толкова важно, колкото всеки друг фактор, обсъден в този доклад.

Полупроводниците често се наричат „ДНК на технологиите“, и този подробен анализ ясно показва защо. От физиката на тяхната работа, през сложния глобален танц на производството, до стратегическите и човешки предизвикателства, оформящи бъдещето им – чиповете са в центъра на науката, икономиката и геополитиката. Към 2025 г. светът осъзнава, че който води в производството на полупроводници, води и в съвременната икономика. Затова виждаме многомилиардни залози, международни битки за таланти и материали и главоломни иновации едновременно.

За широката общественост всичко това може да изглежда далечно – докато не стане близко. Недостигът на чипове може да направи колите по-скъпи или джаджите недостъпни; промяна в политиката може да определи дали следващият смартфон ще има революционен процесор или изоставащ такъв. Добрата новина е, че през 2024 и 2025 година се вливат инвестиции за укрепване и преосмисляне на веригата за доставки, вълнуващи нови технологии са на хоризонта, а експерти от индустрията си сътрудничат за решаване на тесните места – от литографията до обучението на работната сила. Историята на производството на полупроводници е наистина история на постоянно преоткриване – точно когато изглежда, че достигаме лимит, инженерите намират нов път (било то 3D чипове, EUV или нещо, което тепърва предстои).

През следващите години обърнете внимание на няколко неща: Ще дадат ли бързи резултати проектите за фабрики в САЩ и ЕС? Ще успее ли Китай да постигне амбициозните си цели за самодостатъчност въпреки санкциите? Ще продължат ли наследниците на закона на Мур, като чиплетите, да осигуряват ръст в производителността? Ще стане ли индустрията по-екологична и ще привлече ли разнообразни таланти? Отговорите ще оформят не само технологиите, които използваме, но и геополитическия и икономическия пейзаж на XXI век.

Едно е сигурно: тези миниатюрни чипове са станали огромно важни. „Чип войните“ и силициевата надпревара ще продължат, но идеалният вариант е това да става чрез конкуренция, която движи иновациите, и сътрудничество, което осигурява стабилност. В крайна сметка всеки потребител и всяка държава ще спечелят, ако екосистемата на полупроводниците остане жизнена, сигурна и устойчива. Както видяхме, това ще изисква умело управление на всичко – от атомите до търговските политики. Светът наблюдава – и инвестира – в този сектор, както никога досега.

За тези, които искат да научат повече или да следят развитието, ето някои публични ресурси и допълнителна литература за производството на полупроводници и тенденциите в индустрията:

Semiconductor Industry Association (SIA) – State of the Industry Reports: Подробни годишни доклади с най-новите данни за продажби, инвестиции и актуализации на политики deloitte.com.
Deloitte’s Semiconductor Outlook 2025: Анализ на пазарните тенденции, включително въздействието на търсенето на AI, недостига на таланти и геополитиката deloitte.com deloitte.com.
“Chip War” от Крис Милър: Силно препоръчвана книга, която дава исторически контекст на съперничеството между САЩ и Китай за полупроводниците и как стигнахме дотук.
EE Times и Semiconductor Engineering: Търговски издания, които отразяват ежедневни новини за технологични пробиви, проблеми във веригата за доставки и пътни карти на компаниите – чудесни за следене на развитието на 3nm/2nm процеси, нови чип архитектури и др.
Доклади на Световния икономически форум и Ceres за устойчивостта в полупроводниковата индустрия: Тези разглеждат въздействието върху околната среда и какво се прави за решаване на проблемите с водата и енергията при производството на чипове weforum.org, blog.veolianorthamerica.com.
Уебсайтове и блогове на компании (TSMC, Intel, ASML): Много водещи компании публикуват образователни ресурси или новини (например целите на Intel за устойчивост до 2030 г. RISE, технически брифинги на ASML за EUV).

Следейки тези източници, човек може в реално време да наблюдава драмата на производството на полупроводници – драма, която съчетава иновации на ръба на възможното с глобална стратегия с висок залог. Не е преувеличено да се каже, че бъдещето ще бъде движено от чипове, и затова разбирането на тази област става все по-важно за всеки, който се интересува накъде върви светът.

Полупроводниците може да са малки, но носят тежестта на съвременния свят – и сега повдигнахме завесата как се произвеждат, кой ги прави и защо са се превърнали във фокус на вълнение и напрежение на световната сцена. steveblank.com

___________________________________________________

Източници:

Прогноза за полупроводниковата индустрия през 2025 | Deloitte Insights

Изграждане на устойчиво бъдеще за полупроводниковата индустрия

Стийв Бланк Полупроводниковата екосистема – обяснено

Какво е полупроводник и за какво се използва? | Дефиниция от TechTarget

Разбиране на CHIPS, част първа: Предизвикателството на производството на полупроводници | Двукомисийният политически център

Водещи страни производители на полупроводници 2020-2030: Статистика за производство и износ | PatentPC

Законът за чиповете на ЕС на стойност 43 милиарда евро получава зелена светлина. – TechHQ

Закон за чиповете: Съветът дава окончателното си одобрение – Consilium.europa.eu

Превръщане на предизвикателствата във възможности в глобалната полупроводникова …

TSMC цени уменията на Япония в чиповете след неуспехи в САЩ, казват източници | Reuters

Разбиране на CHIPS, част първа: Предизвикателството на производството на полупроводници | Двукомиссионен политически център

Преходът към чиплети: Еволюиращи интерфейсни стандарти и търговски …

CHIPS R&D програми – Асоциация на полупроводниковата индустрия

Краят на закона на Мур няма да забави темпото на промяната

Глобализацията е приключила, според основателя на TSMC • The Register

Главният изпълнителен директор на ASML казва, че желанието на САЩ да ограничи износа за Китай е „икономически мотивирано“ | Reuters

Доклад за състоянието на индустрията 2025: Инвестиции и иновации сред …

Разбиране на CHIPS, част първа: Предизвикателството пред производството на полупроводници | Двукомиссионен политически център

Една трета (32%) от прогнозираното предлагане на полупроводници на стойност 1 трилион щатски долара …

Производство на полупроводници и водното предизвикателство на големите технологични компании | Световен икономически форум

Изграждане на устойчив път напред за полупроводниковата индустрия

TSMC постига споразумение със синдиката в Аризона за проект на фабрика за чипове на стойност 40 млрд. долара

‘Semiconductor Manufacturing Process’ Explained | 'All About Semiconductor' by Samsung Semiconductor

Watch this video on YouTube.

Войните за чипове за трилиони долари: Вътре в света на високите залози на глобалното производство на полупроводници

Mateusz Brzeziński

Search

Latest Posts