- Leta 2024 so svetovne prodaje polprevodnikov poskočile na več kot 600 milijard dolarjev in bi lahko do leta 2030 dosegle 1 bilijon dolarjev letno.
- Applejev M1 Ultra ima na enem čipu 114 milijard tranzistorjev.
- ASML je edini proizvajalec EUV litografskih skenerjev, pri čemer vsaka naprava tehta približno 180 ton in stane več kot 300 milijonov dolarjev.
- TSMC je leta 2023 predstavljal približno 55 % svetovnega trga livarn, Samsung okoli 15–20 %, Tajvan pa je imel približno 92 % svetovne najbolj napredne (<10 nm) proizvodne zmogljivosti čipov.
- Trije največji ponudniki programske opreme za elektronsko načrtovanje – Synopsys, Cadence in Siemens EDA – obvladujejo programsko opremo za načrtovanje, ki se uporablja za postavitev milijard tranzistorjev.
- Pomanjkanje čipov leta 2021 je povzročilo ocenjeno izgubo 210 milijard dolarjev pri prodaji avtomobilov.
- Ameriški zakon CHIPS (2022) namenja 52,7 milijarde dolarjev neposrednih sredstev za domačo proizvodnjo čipov ter 25 % investicijskih davčnih olajšav.
- Evropski akt o čipih (2023) si prizadeva mobilizirati 43 milijard evrov za podvojitev evropskega deleža proizvodnje čipov na 20 % do leta 2030.
- Svetovna proizvodnja čipov je leta 2024 povzročila približno 190 milijonov ton emisij CO2-ekvivalenta, ena sodobna tovarna pa lahko neprekinjeno porabi okoli 100 MW električne energije.
- Sredi leta 2024 je bilo 55 % ameriške delovne sile v polprevodniški industriji starejših od 45 let, kar kaže na prihajajoče pomanjkanje talentov.
Polprevodniki – ti drobni silicijevi čipi – so možgani sodobne elektronike, ki jih najdemo v vsem, od pametnih telefonov in avtomobilov do podatkovnih centrov in lovskih letal. Leta 2024 so svetovne prodaje polprevodnikov poskočile na več kot 600 milijard dolarjev in bi lahko dosegle 1 bilijon dolarjev do leta 2030, kar poudarja, kako ključni so čipi za svetovno gospodarstvo [1], [2]. Ti mikročipi omogočajo bilijone dolarjev vredne končne izdelke in storitve ter predstavljajo skriti temelj našega digitalnega življenja [3]. V zadnjih dveh letih pa je proizvodnja polprevodnikov postala visokostavniška arena inovacij in geopolitičnih napetosti. Zaradi pomanjkanja čipov, ki ga je povzročila pandemija, se je pokazalo, kako krhka je lahko dobavna veriga, saj so tovarne obstale in cene so poskočile. Hkrati se države podijo za povečanjem domače proizvodnje čipov iz gospodarskih in varnostnih razlogov, v nove tovarne (fabrike za izdelavo čipov) vlagajo stotine milijard in sprožajo globalno “čipovsko vojno”.
To poročilo ponuja celovit, ažuren pregled sveta polprevodnikov – pojasnjuje, kaj so polprevodniki in kako delujejo, kako poteka celoten proces izdelave čipov, kdo so glavni akterji (podjetja in države) na vsaki stopnji ter kje so ranljivosti v dobavni verigi. Prav tako bomo raziskali najnaprednejše tehnologije in materiale, ki omogočajo sodobne čipe, najnovejše inovacije in trende raziskav in razvoja ter geopolitične in politične bitke, ki preoblikujejo industrijo. Na koncu bomo preučili gospodarski vpliv sektorja polprevodnikov, njegov okoljski odtis in prihajajoče izzive na področju delovne sile. Od najnovejših strokovnih vpogledov do ključnih dogodkov v letih 2024–2025 bo to poročilo osvetlilo, zakaj je proizvodnja polprevodnikov eno najpomembnejših – in najbolj vročih – področij na svetu danes.
Kaj so polprevodniki in kako delujejo?
Polprevodniki so materiali (kot je silicij), ki lahko v različnih pogojih delujejo kot električni prevodnik ali izolator, zaradi česar so idealni za nadzor električnega toka [4]. V praksi je polprevodniška naprava (čip) v bistvu mreža majhnih električnih stikal (tranzistorjev), ki jih je mogoče vklopiti ali izklopiti z električnimi signali. Sodobna integrirana vezja združujejo milijarde teh tranzistorskih stikal na čipu velikosti nohta, kar omogoča kompleksne izračune in obdelavo signalov. »Preprosto povedano, polprevodnik je električno stikalo, ki ga je mogoče vklopiti in izklopiti z elektriko. Večina sodobne tehnologije je sestavljena iz milijonov teh majhnih, medsebojno povezanih stikal,« pojasnjuje inženirski priročnik TechTarget [5].
Ker lahko natančno nadzorujejo tok, polprevodniški čipi služijo kot »možgani« ali »pomnilnik« elektronskih naprav. Logični čipi (kot so CPU-ji, GPU-ji, AI pospeševalniki) obdelujejo podatke in sprejemajo odločitve, pomnilniški čipi shranjujejo informacije, analogni/močnostni čipi pa se povezujejo s fizičnim svetom. Z dodajanjem majhnih nečistoč v čiste kristale polprevodnikov proizvajalci ustvarijo komponente, kot so tranzistorji, diode in integrirana vezja, ki izkoriščajo kvantno fiziko za preklapljanje in ojačanje električnih signalov [6]. Rezultat je, da lahko polprevodniki izvajajo aritmetične operacije, shranjujejo binarne podatke in se povezujejo s senzorji/aktuatorji – zmogljivosti, ki so osnova skoraj vse sodobne tehnologije, od digitalnih komunikacij do gospodinjskih aparatov in medicinske opreme [7].
Današnji čipi so osupljivi dosežki inženirstva. Najsodobnejši procesor lahko vsebuje desetine milijard tranzistorjev, vrezanih v silicij, s strukturami, majhnimi le nekaj nanometrov (na ravni atomov). Na primer, Applov čip M1 Ultra vsebuje 114 milijard tranzistorjev na enem samem kosu silicija [8]. Ti tranzistorji se vklapljajo in izklapljajo pri gigaherčnih hitrostih, kar napravi omogoča izvajanje milijard operacij na sekundo. Skratka, polprevodniki so postali temeljna tehnologija sodobnega sveta, ki poganja vse od pametnih telefonov in avtomobilov do strežnikov v oblaku in industrijskih strojev. Pogosto pravijo, da so »polprevodniki nova nafta« – bistveni vir, od katerega so odvisne države in industrije za napredek in varnost.
Kako nastanejo čipi: Postopek izdelave polprevodnikov
Izdelava mikroprocesorja je eden najbolj zapletenih proizvodnih procesov, kar jih je bilo kdaj zasnovanih – »posel, ki manipulira z materiali atom za atomom« v tovarnah, ki stanejo več deset milijard dolarjev [9]. Vse se začne s surovinami in konča s končnimi čipi, pripravljenimi za uporabo. Tukaj je pregled celotnega postopka izdelave čipov:
- Od surovega silicija do rezine: Običajen pesek (silicijev dioksid) se prečisti v čisti silicij. Iz silicija se vzgoji kristalna palica, ki se nato nareže na tanke rezine (krožne plošče), na katerih bo na tisoče čipov [10]. Vsaka rezina je videti sijoča in gladka, a na mikroskopski ravni je to popolna mreža silicijevih atomov.
- Proizvodnja v sprednjem delu: Prava čarovnija se zgodi v čisti sobi »fabu«, kjer se na vsaki rezini izdelajo kompleksna vezja. Izdelava čipov vključuje stotine natančnih korakov, ključne faze pa so: depozicija ultra tankih plasti materiala na rezino; nanos fotoodpornika; fotolitografija (uporaba usmerjene svetlobe za vrezovanje drobnih vzorcev na rezino preko mask, podobno kot tiskanje načrta vezja); jedkanje in dopiranje (odstranjevanje materiala in vsajevanje ionov za oblikovanje tranzistorjev in povezav); in ponavljanje teh korakov plast za plastjo [11]. Tranzistorji – v bistvu stikala za vklop/izklop – so zgrajeni s temi vzorčenimi plastmi, ki ustvarjajo mikroskopske električne poti. To je izdelava na nanometrski ravni – sodobni čipi imajo lahko več kot 50 plasti vezij in strukture, široke le 3 nm (nanometre). Vsak korak mora biti nadzorovan z atomsko natančnostjo; drobec prahu ali rahla neusklajenost lahko uniči čip.
- Back-End in pakiranje: Po izdelavi sprednjega dela vsebuje končana rezina mrežo številnih posameznih čipov (matric). Rezina se razreže na posamezne čipe, vsak čip pa se nato zapakira. Pakiranje vključuje namestitev krhkega čipa na podlago, povezovanje z drobnimi zlatimi ali bakrenimi kontakti in ohišje (pogosto s zaščitno smolo in razpršilnikom toplote), da ga je mogoče rokovati in vgraditi na tiskana vezja [12]. Zapakiran čip je tisti, ki se prispajka na matično ploščo vašega telefona ali na vezje vašega računalnika. Čipi so v tej fazi tudi temeljito testirani, da se zagotovi njihovo pravilno delovanje.
Kljub poenostavljenemu povzetku zgoraj je izdelava naprednih polprevodnikov izjemno kompleksen, večmesečni proces. Najnaprednejši čip lahko zahteva več kot 1.000 procesnih korakov in izjemno natančno opremo. Na primer, najnovejši fotolitografski stroji (ki projicirajo vzorce vezij z ultravijolično svetlobo) lahko stanejo več kot 300 milijonov dolarjev vsak, vsak tak stroj pa »lahko porabi toliko elektrike kot tisoč domov«, po podatkih Bloomberga [13]. Ti stroji uporabljajo ekstremno ultravijolično (EUV) svetlobo za izrezovanje izjemno majhnih struktur in so tako sofisticirani, da jih trenutno izdeluje le eno podjetje na svetu (ASML na Nizozemskem) [14]. Kapitalski stroški so ogromni: izgradnja nove tovarne čipov lahko traja več kot 3 leta in zahteva več kot 10 milijard dolarjev naložb[15]. Vodilna podjetja, kot so TSMC, Samsung in Intel, letno porabijo več deset milijard za širitev in opremljanje tovarn.
Rezultat vsega tega truda je osupljiva tehnologija: ena sama 12-palčna rezina lahko po popolni obdelavi vsebuje stotine končnih čipov, ki skupaj vsebujejo bilijone tranzistorjev[16]. Vsak čip je testiran in lahko po vgradnji izvede milijarde izračunov na sekundo. Majhnost in visoka gostota sodobnih čipov jim daje neverjetno moč. Kot je zapisal en industrijski blog, ima ta rezina v čisti sobi »dva bilijona tranzistorjev«, izdelanih z atomsko natančnostjo[17]. Ta mojstrstvo izdelave – nenehno izpopolnjevano desetletja – omogoča našo zmogljivo in cenovno dostopno elektroniko danes.
Glavni akterji v dobavni verigi polprevodnikov (podjetja in države)
Proizvodnje polprevodnikov ne izvaja ena sama vrsta podjetja; gre za zapleten ekosistem podjetij, od katerih se vsako specializira za različne faze. Če pokukamo v dobavno verigo, najdemo mrežo stotin visoko specializiranih akterjev po vsem svetu, ki so vsi medsebojno odvisni [18]. Tukaj so glavne kategorije akterjev in kdo v njih prevladuje:
- Načrtovalci čipov (fabless podjetja): Ta podjetja načrtujejo polprevodniške čipe, vendar dejansko proizvodnjo oddajo zunanjim izvajalcem. Ustvarjajo načrte in intelektualno lastnino za čipe. Mnoge najbolj znane svetovne blagovne znamke čipov – vključno z Apple, NVIDIA, Qualcomm, AMD, Broadcom – so fabless načrtovalci. ZDA imajo močno prednost v tem segmentu (doma je približno 50 % fabless podjetij [19]), skupaj s podjetji v Evropi (npr. ARM v Združenem kraljestvu za čip IP jedra [20]) in Aziji. Fabless podjetja se osredotočajo na raziskave in razvoj ter inovacije v arhitekturi čipov, nato pa najamejo pogodbeno proizvodnjo za izdelavo čipov.
- Integrirani proizvajalci naprav (IDM): To so velikani, kot so Intel, Samsung in Micron, ki čipe tako načrtujejo kot proizvajajo v lastni režiji. Intel (ZDA) je zgodovinsko vodil pri načrtovanju/proizvodnji mikroprocesorjev za osebne računalnike in strežnike, Samsung (Južna Koreja) in Micron (ZDA) pa predvsem pri pomnilniških čipih. IDM-ji nadzorujejo lastne tovarne in proizvajajo čipe za svoje izdelke (včasih tudi za druge). Vendar pa je v zadnjih desetletjih trend prehoda na model fabless-foundry zaradi večje učinkovitosti.
- Polprevajalci polprevodnikov (pogodbeni proizvajalci): Polprevodniške tovarne so tovarne čipov, ki dejansko izdelujejo čipe (za podjetja brez lastne proizvodnje ali za IDMe, ki del proizvodnje zunanje izvajajo). Ta segment prevladujejo azijska podjetja. Tajvanski TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.) je nesporni vodja, ki sam nadzoruje približno 55 % svetovnega trga polprevodniških tovarn v letu 2023 [21]. TSMC je glavni proizvajalec za Apple, AMD, NVIDIA in številne druge, zlasti za najnaprednejše čipe (5nm, 3nm tehnologija). Samsung v Južni Koreji je druga največja tovarna (približno 15–20 % delež) [22], prav tako proizvaja napredne logične čipe. Druge pomembne tovarne so GlobalFoundries (ZDA, osredotočen na srednji razred tehnologije), UMC (Tajvan) in SMIC (največja kitajska tovarna). Pomembno je, da Tajvan in Južna Koreja skupaj predstavljata veliko večino proizvodnje najnaprednejših čipov – dejansko je približno 92 % svetovne proizvodne zmogljivosti za najnaprednejše (<10nm) čipe samo na Tajvanu, po podatkih poročila ameriške vlade iz leta 2023 [23]. To poudarja, kako zelo je proizvodnja čipov skoncentrirana na nekaj lokacijah.
- Proizvajalci pomnilniških čipov: Pomnilnik je specializiran podsektor, a ključen (za RAM, flash pomnilnik itd.). Prevladujeta ga IDM podjetja kot sta Samsung in SK Hynix (oba iz Južne Koreje) ter Micron (ZDA). Na primer, Samsung in SK Hynix skupaj proizvedeta več kot 70 % svetovnih DRAM pomnilniških čipov [24]. Ta podjetja veliko vlagajo v proizvodnjo DRAM in NAND flash pomnilnika, pogosto v ogromnih obratih v Južni Koreji, na Tajvanu, v ZDA, na Japonskem in na Kitajskem.
- Dobavitelji opreme za polprevodnike: Ta podjetja izdelujejo orodja in stroje za proizvodnjo čipov – izjemno pomembno, visokotehnološko industrijo samo po sebi. Vodilni proizvajalci opreme so ASML (Nizozemska), ki izključno izdeluje EUV litografske sisteme, ključne za čipe 7nm in manj [25]; Applied Materials, Lam Research, KLA (vsi iz ZDA), ki dobavljajo opremo za nanašanje, jedkanje in pregledovanje; Tokyo Electron in Nikon (Japonska) za litografska in jedkalna orodja; in drugi. Brez teh najsodobnejših strojev tovarne ne morejo delovati. ZDA, Japonska in Nizozemska tradicionalno prevladujejo v industriji opreme za polprevodnike – eden od razlogov, zakaj so izvozne omejitve za to opremo postale geopolitično vprašanje (več o tem kasneje).
- Dobavitelji materialov in kemikalij: Tudi izdelava čipov se zanaša na zapleteno dobavo specializiranih materialov – od ultra čistih silicijevih rezin do eksotičnih kemikalij in plinov. Nekaj primerov: Shin-Etsu Handotai in SUMCO (Japonska) proizvedeta velik delež svetovnih silicijevih rezin. JSR, Tokyo Ohka Kogyo (Japonska) in drugi dobavljajo fotoreziste (na svetlobo občutljive kemikalije) [26]. Industrijska plinska podjetja, kot so Linde, Air Liquide zagotavljajo več kot 100 vrst plinov, ki se uporabljajo v tovarnah čipov (npr. fluor, neon, argon) [27]. Veliko teh ključnih materialov je koncentriranih na Japonskem, Kitajskem in v Evropi. Na primer, Japonska je že dolgo velesila na področju polprevodniških kemikalij, medtem ko Kitajska rafinira številne redke minerale, ki se uporabljajo v čipih (kot sta galij in germanij). To pomeni, da imajo države, ki prevladujejo pri surovinah (Kitajska, Rusija itd.) in tiste, ki izstopajo v specializiranih kemikalijah (Japonska), izjemno pomembno vlogo v dobavni verigi.
- Ponudniki EDA in IP: Pred proizvodnjo je treba čipe načrtovati in preveriti. Orodja za elektronsko avtomatizacijo načrtovanja (EDA) zagotavljajo v bistvu tri glavna podjetja – Synopsys, Cadence (oba ZDA) in Siemens EDA (Mentor Graphics) – vsa ameriška ali zavezniška podjetja [28]. Imajo skoraj monopol nad zapleteno programsko opremo, ki jo inženirji uporabljajo za postavitev milijard tranzistorjev in izvajanje simulacij. Poleg tega so osnovne zasnove (kot so jedra CPU) pogosto licencirane pri IP podjetjih, kot je ARM (Velika Britanija), ki zagotavlja načrte, uporabljene v večini mobilnih procesorjev [29]. Ti akterji v zgornjem delu verige so ključni omogočevalci za celotno industrijo.
- Zunanje sestavljanje in testiranje polprevodnikov (OSAT): Ko so rezine izdelane, se s pakiranjem in testiranjem čipov ukvarjajo specializirani izvajalci. Glavna OSAT podjetja so ASE Technology Holding (Tajvan) – največji pakirnik na svetu – in Amkor (ZDA), pa tudi številna s sedežem na Kitajskem, v Maleziji in Vietnamu. Pravzaprav je Jugovzhodna Azija postala središče za sestavljanje čipov: na primer, Malezija opravi približno 13 % svetovnega pakiranja in testiranja čipov storitev [30], sektor OSAT v Vietnamu pa hitro raste [31]. Ti koraki so delovno intenzivni, zato podjetja pogosto izberejo države z usposobljeno delovno silo in nižjimi stroški.
Povzemimo, proizvodnja polprevodnikov je globalno razporejen napor, vendar z odločilnimi ozkimi grli – nekaj podjetij ali držav vodi vsak segment. Na primer, le tri podjetja (TSMC, Samsung, Intel) proizvedejo veliko večino naprednih čipov, in le tri države (Tajvan, Južna Koreja, Kitajska) danes proizvedejo skoraj vse čipe [41]. Ta koncentrirana struktura ima velike posledice za varnost dobavne verige, kot bomo raziskali v nadaljevanju.
Struktura in ranljivosti dobavne verige
Dobavno verigo polprevodnikov so poimenovali »najbolj zapletena dobavna veriga v katerikoli industriji« [42] – in nedavni dogodki so razkrili, kako krhka je lahko. Od naravnih nesreč do geopolitičnih konfliktov, številne ranljivosti ogrožajo nemoten pretok čipov. Ključne ozka grla in tveganja vključujejo:
- Močna geografska koncentracija: Geografsko združevanje industrije pomeni, da lahko motnja v eni regiji ustavi ves svet. To je najbolj očitno pri izjemni vlogi Tajvana. Medtem ko Tajvan proizvede približno 18 % vseh čipov po količini, predstavlja »približno 92 % svetovnih zmogljivosti za proizvodnjo najnaprednejših čipov«, po poročilu USITC iz leta 2023 [43]. Z drugimi besedami, skoraj vsi najsodobnejši (pod 10 nm) čipi prihajajo s Tajvana (predvsem TSMC), preostanek pa iz Južne Koreje. To je ogromno tveganje za dobavo – vsaka prekinitev (potres, geopolitična kriza) bi lahko ohromila globalne tehnološke dobavne verige [44]. Strokovnjaki celo poudarjajo, da bi večja motnja v tajvanskih tovarnah pomenila gospodarsko katastrofo, ki bi presegla tehnološki sektor. Južna Koreja je še ena točka možnega zloma: skoraj vsi vrhunski pomnilniški čipi prihajajo iz dveh podjetij tam. Zaradi tega se države in podjetja zdaj trudijo geografsko diverzificirati proizvodnjo (premik od globalizacije k »regionalizaciji«) [45], vendar gradnja novih tovarn drugje zahteva čas.
- Odvisnost od enega dobavitelja: Nekateri ključni vhodni materiali so odvisni od enega ali zelo omejenega števila dobaviteljev. Glavni primer je ASML – nizozemsko podjetje je edini vir EUV litografskih strojev, potrebnih za vrhunske čipe [46]. Če ASML ne more dobavljati orodij (bodisi zaradi izvoznih prepovedi ali proizvodnih težav), se napredek pri čipih ustavi. Podobno ima tudi ključne kemikalije le nekaj kvalificiranih dobaviteljev. Na primer, peščica japonskih podjetij dobavlja večino fotorezistnih kemikalij na svetu. Napredna programska oprema za načrtovanje čipov (EDA orodja) je še ena ozka grla, saj jo obvladujejo le trije ponudniki iz ZDA. Ta koncentracijska mesta pomenijo, da je celotna veriga močna le toliko, kolikor je močan njen najšibkejši (ali najožji) člen.
- Tveganja glede materialov in naravnih virov: Proizvodnja polprevodnikov je odvisna od določenih redkih materialov in prečiščenih kemikalij – in motnje v dobavi teh so že povzročile težave. Vojna med Rusijo in Ukrajino leta 2022 je to pokazala: Ukrajina je dobavljala približno 25–30 % svetovnega prečiščenega neonskega plina (uporablja se za lasersko litografijo), Rusija pa podoben delež svetovnega paladija (uporablja se v nekaterih čipovskih procesih) [47]. Ko je vojna prekinila te dobave, je to ogrozilo proizvodnjo čipov, dokler se niso pojavili alternativni viri [48]. Drug primer se je zgodil sredi leta 2023: Kitajska se je odzvala na ameriške tehnološke omejitve z prepovedjo izvoza galija in germanija – dveh manj znanih kovin, ki sta ključni za polprevodniške laserje, radijske frekvenčne čipe in sončne celice [49]. Kitajska proizvaja večino teh elementov, zato je ta poteza proizvajalce prisilila, da so iskali druge dobavitelje. Ti primeri poudarjajo ranljivost: če en sam vir ključnega materiala odpove, lahko to povzroči ozko grlo v celotnem procesu izdelave čipov.
- Ekstremna kompleksnost in dobavni roki: Za izdelavo serije čipov lahko traja mesece, za izgradnjo nove tovarne iz nič pa leta. Ta dolg dobavni rok pomeni, da se dobavna veriga ne more hitro povrniti po motnjah. Med pandemijo COVID-19 je na primer hiter porast povpraševanja v kombinaciji z zaprtji povzročil hudo pomanjkanje čipov leta 2021, ki je trajalo več kot leto dni, da se je postopoma rešilo [50]. Pomanjkanje je še posebej prizadelo avtomobilske proizvajalce – tovarne so obstale, avtomobilska industrija pa je zaradi pomanjkanja čipov izgubila ocenjenih 210 milijard dolarjev prodaje v letu 2021 [51]. Kompleksna, “ravno ob pravem času” narava dobave čipov (z minimalnimi zalogami) pomeni, da lahko že manjša napaka – požar v japonski tovarni, zmrzal v Teksasu, ki ustavi obrate, ali suša na Tajvanu, ki zmanjša oskrbo z vodo – povzroči globalne zamude v proizvodnji. To smo videli s požarom v tovarni avtomobilskih čipov Renesas leta 2021 in izpadi elektrike v tovarnah v Teksasu istega leta, kar je povzročilo zamude pri izdelkih v nadaljevanju verige.
- Krhka veriga “ravno ob pravem času”: Leta so podjetja zaradi učinkovitosti ohranjala nizke zaloge in se zanašala na sprotno dobavo. A to je pomenilo, da ni bilo rezerve za motnje. Globalizirana veriga je bila optimizirana za stroške, ne za odpornost. Zdaj, po lekcijah pandemije, podjetja in vlade spodbujajo “odpornost” – gradnjo večjih zalog čipov ali vhodnih surovin, “friendshoring” proizvodnje v zaupanja vredne države in dvojno nabavo ključnih komponent [52]. Kljub temu so spremembe postopne in drage.
- Geopolitična fragmentacija: Morda je največja nastajajoča ranljivost politizacija verige oskrbe s čipi. Tehnološko rivalstvo med ZDA in Kitajsko je privedlo do izvoznih omejitev in črnih seznamov, ki dejansko razdelijo svet na dva dela za polprevodnike. »V sektorju čipov je globalizacija mrtva. Prosta trgovina še ni povsem mrtva, a je v nevarnosti,« je leta 2023 dejal ustanovitelj TSMC Morris Chang. V zadnjem letu so ZDA in njihovi zavezniki vse bolj omejevali dostop Kitajske do napredne tehnologije čipov zaradi varnostnih pomislekov. To je Kitajsko spodbudilo, da še bolj vlaga v domačo tehnologijo in celo uvede določene omejitve izvoza kot povračilo. Rezultat je bolj razdeljena veriga oskrbe – ena, kjer zahodno usmerjeni in kitajsko usmerjeni ekosistemi postajajo manj soodvisni. Čeprav to lahko prinese nekaj redundance, pa pomeni tudi manjšo učinkovitost, višje stroške in možno podvajanje naporov v dveh tehnoloških sferah [53]. Chang je neposredno izjavil, da je »globalizacija skoraj mrtva in prosta trgovina skoraj mrtva«[54] ter opozoril, da se zlata doba enotne globalne verige čipov končuje. To prehodno obdobje prinaša negotovost in tveganje, saj morajo podjetja krmariti po zapletenih novih pravilih o tem, komu lahko prodajajo in kje lahko gradijo.
Skratka, veriga oskrbe s polprevodniki je dvorezen meč: njena globalna narava je prinesla izjemne inovacije in obseg po nizki ceni, a je hkrati ustvarila nevarne enojne točke odpovedi. Suša na Tajvanu ali politični spor v Južnokitajskem morju ni le lokalna težava – lahko prekine proizvodnjo pametnih telefonov, avtomobilov in strežnikov podatkovnih centrov po vsem svetu [55]. To spoznanje zdaj spodbuja obsežna prizadevanja za povečanje odpornosti – od državnih subvencij za lokalne tovarne do diverzifikacije dobaviteljev. A gradnja redundance zahteva čas in v tem vmesnem obdobju je svet še vedno zelo ranljiv za šoke v oskrbi s polprevodniki.
Ključni materiali in tehnologije v proizvodnji čipov
Umetnost izdelave čipov temelji na naboru najnaprednejših tehnologij in specializiranih materialov. Razumevanje teh ponuja vpogled v to, zakaj je izdelava čipov tako zahtevna (in zakaj lahko le nekaj igralcev to počne na najvišji ravni):
- Silicijeve rezine: Večina čipov je izdelana na osnovi silicija – elementa, ki je v izobilju in ima polprevodniške lastnosti, zaradi katerih je idealen. Silicijeve ingote razrežejo v zrcalno gladke rezine (300 mm premera za večino naprednih tovarn danes). Te rezine so izhodišče za izdelavo čipov. Proizvodnja brezhibnih, čistih silicijevih kristalov je sama po sebi visokotehnološki proces, ki ga obvlada le nekaj podjetij (večinoma na Japonskem). Za nišne aplikacije se uporabljajo tudi drugi polprevodniški materiali: npr. galijev arzenid ali indijev fosfid za visokofrekvenčne RF čipe ter silicijev karbid (SiC) ali galijev nitrid (GaN) za elektroniko z visoko močjo (kot so krmilniki motorjev električnih vozil in 5G bazne postaje), zaradi njihovih vrhunskih električnih lastnosti pri visokih napetostih ali frekvencah. Ti spojinski polprevodniki so ključni za 5G, električna vozila in vesoljsko industrijo, prizadevanja za povečanje njihove proizvodnje pa so v teku (pogosto vključujejo ameriška, evropska in japonska podjetja, ki vodijo na področju materialne znanosti).
- Tehnologija fotolitografije: V središču sodobne izdelave čipov je fotolitografija – uporaba svetlobe za jedkanje drobnih vzorcev. Ta tehnologija je dosegla skoraj znanstvenofantastične razsežnosti. Trenutno najnaprednejše tovarne uporabljajo ekstremno ultravijolično (EUV) litografijo, ki deluje pri valovni dolžini 13,5 nm in vključuje izjemno zapleteno optiko, plazemske vire svetlobe in vakuumske sisteme. Kot omenjeno, je ASML edini proizvajalec EUV skenerjev [56]. Vsak EUV stroj tehta 180 ton, ima na tisoče komponent (Zeissova ogledala, lasersko ustvarjen plazemski vir svetlobe itd.) in stane več kot 300 milijonov dolarjev[57]. EUV omogoča oblikovanje vzorcev ~7 nm in manj z manj koraki. Za starejše tehnologije (npr. 28 nm, 14 nm) tovarne uporabljajo globoko ultravijolično (DUV) litografijo – še vedno zapleteno, a z nekoliko širšo ponudbo dobaviteljev (ASML, Nikon, Canon dobavljajo te naprave). Napredek v litografiji je bil ključni gonilnik Moorovega zakona, ki omogoča podvajanje gostote tranzistorjev. Naslednji korak v litografiji je že v pripravi: High-NA EUV (leče z višjo numerično aperturo za še bolj fine vzorce), namenjen čipom 2 nm in manj do leta 2025–2026. Celoten svet izdelave čipov je v veliki meri odvisen od napredka te optične tehnologije.
- Kemijski procesi in plini: Sodobna tovarna uporablja osupljivo paleto kemikalij – od plinov, kot so fluor, argon, dušik, silan do tekočih topil, kislin in fotoresistov. Več kot 100 različnih plinov (mnogo strupenih ali zelo specializiranih) se lahko uporablja v različnih fazah nanašanja in jedkanja [58]. Fotoresistne kemikalije so na svetlobo občutljivi polimeri, ki jih nanesejo na rezine za prenos vzorcev vezij – to nišo obvladujejo japonska podjetja [59]. Suspenzije za kemijsko-mehansko planarizacijo (CMP), ki vsebujejo nano-abrazive, se uporabljajo za poliranje plasti rezin do ravnosti [60]. Tudi deionizirana ultračista voda je ključni “material” – tovarne porabijo ogromne količine za izpiranje rezin (kot omenjeno v okoljskem poglavju). Vsak material mora izpolnjevati izjemno stroge zahteve glede čistosti, saj lahko že en sam atom ali delček nečistoče uniči milijarde tranzistorjev. Zato je dobava teh materialov visokotehnološki podvig sam po sebi, pogosto z le nekaj kvalificiranimi dobavitelji (in je zato, kot omenjeno prej, ranljiva za motnje).
- Tehnologija tranzistorjev (generacije vozlišč): Čipe pogosto razvrščamo po njihovem “vozlišču” ali velikosti tranzistorja – npr. 90nm, 28nm, 7nm, 3nm itd. Manjše je običajno boljše (več tranzistorjev na površino, večja hitrost, manjša poraba). Kako so ti drobni tranzistorji narejeni? To vključuje tako litografijo za določanje majhnih značilnosti kot tudi domiselno arhitekturo tranzistorjev. Industrija je prešla s tradicionalnih ploskih (planarnih) tranzistorjev na FinFET (3D rebrasti tranzistorji) okoli 22nm vozlišča za boljši nadzor uhajanja. Zdaj, pri ~3nm, se uvaja nova zasnova, imenovana Gate-All-Around (GAA) ali nanosheet tranzistorji (Samsungov 3nm uporablja GAA, TSMC/Intel načrtujeta GAA pri 2nm) – ta popolnoma ovije vrata tranzistorja okoli kanala za še boljši nadzor. Ti napredki v strukturi naprav, skupaj z novimi materiali (npr. dielektriki z visoko κ, kovinska vrata), so podaljšali Moorov zakon, čeprav je enostavno pomanjševanje vse težje [61]. Obstaja celoten tok raziskav in razvoja v nove materiale na ravni tranzistorjev – na primer uporaba germanija ali 2D materialov (kot je grafen) za kanale za povečanje mobilnosti ali III-V polprevodnikov za določene plasti. Čeprav še niso v množični proizvodnji za logiko, bi se takšni materiali lahko pojavili v prihodnjih letih, ko bodo silicijevi tranzistorji dosegli fizične meje.
- Tehnologija pakiranja in integracije čipov: Ko se tranzistorji manjšajo in prinašajo vse manjše donose, se inovacije selijo na področje pakiranja in integracije čipov. Napredno pakiranje omogoča združevanje več čipov (čipletov) v enem paketu, povezanih z visokogostotnimi povezavami. Tehnike, kot so TSMC-jev CoWoS in SoIC, Intelov Foveros ter AMD-jeva čiplet arhitektura, omogočajo oblikovalcem, da kombinirajo različne “ploščice” (jedra CPU, GPU, IO, pomnilnik) v enem modulu. To izboljša zmogljivost in donos (manjše čipe je lažje izdelati brez napak, nato pa jih sestaviti skupaj). Na primer, najnovejši AMD-jevi procesorji uporabljajo čiplete, prav tako prihajajoči Intelov Meteor Lake. 3D zlaganje je še ena tehnologija – postavljanje čipov enega na drugega, kot je zlaganje pomnilnika na logiko (npr. HBM pomnilniški skladi z visoko pasovno širino), da se premagajo ozka grla v pasovni širini. Industrija standardizira vmesnike za čiplete (UCIe), tako da bi lahko čipi različnih proizvajalcev nekoč delovali skupaj v enem paketu [62]. Skratka, “čipleti so kot Lego kocke – manjši, specializirani čipi, ki jih je mogoče kombinirati za ustvarjanje zmogljivejših sistemov,” kot je duhovito povzel MIT Tech Review (kar ponazarja pomemben inovacijski trend). Ta revolucija v pakiranju je ključna tehnološka strategija za nadaljnje izboljšanje zmogljivosti sistemov, tudi če se napredek pri pomanjševanju tranzistorjev upočasni.
- Programska oprema za načrtovanje in IP: Čeprav to ni material, velja omeniti, da so EDA (Electronic Design Automation) orodja in IP jedra, ki se uporabljajo za načrtovanje čipov, ključne tehnologije same po sebi. Sodobni čipi so tako zapleteni, da se pojavlja EDA s pomočjo umetne inteligence – orodja zdaj uporabljajo strojno učenje za hitrejšo optimizacijo postavitev čipov in preverjanje načrtov [63]. Na strani IP so osnovne zasnove, kot so ARM-jeva CPU jedra ali Imaginationova GPU jedra, temeljne tehnologije, ki jih številna podjetja raje licencirajo kot razvijajo na novo, in tako služijo kot gradniki.
- Nastajajoči računalniški paradigmi: Poleg tradicionalnih digitalnih čipov se raziskujejo nove tehnologije: kvantni računalniški čipi (ki uporabljajo kubite iz superprevodnih vezij ali ujetih ionov) obljubljajo eksponentno pospešitev določenih nalog, čeprav so še vedno na raziskovalni ravni. Fotonika integrirana vezja uporabljajo svetlobo namesto elektrike za komunikacijo in potencialno tudi za računanje pri zelo visokih hitrostih z malo toplote – že uporabljena v nekaterih komunikacijskih infrastrukturah. Neuromorfni čipi poskušajo posnemati možganske nevronske mreže v strojni opremi za AI aplikacije. Čeprav še niso v splošni uporabi, bi lahko stalne raziskave in razvoj v prihodnjih letih te tehnologije vključile v polprevodniško industrijo.
Povzetek: izdelava polprevodnikov zahteva obvladovanje osupljivega nabora tehnologij – od znanosti o materialih (gojenje popolnih kristalov, kemija jedkanja) do optične fizike (nano-fotonika litografije) in računalništva (algoritmi za načrtovanje). Zaradi te kompleksnosti imajo le nekateri ekosistemi (Tajvan, Južna Koreja, ZDA, Japonska, Evropa) popoln nadzor nad temi tehnologijami, medtem ko imajo zamudniki velike ovire za dohitevanje. Prav tako je to razlog, zakaj so čipi tako težko izdelani – a tako čudežni v tem, kar omogočajo.
Inovacije in smeri raziskav in razvoja (R&R)
Polprevodniška industrija temelji na nenehnih inovacijah – kar je znano povzeto v Mooreovem zakonu, opažanju, da se število tranzistorjev na čipih približno podvoji vsakih nekaj let. Čeprav se Mooreov zakon upočasnjuje zaradi fizičnih omejitev, je raziskave in razvoj (R&R) v svetu čipov bolj živahen kot kdaj koli prej, saj raziskujejo nove načine za izboljšanje zmogljivosti. Tukaj je nekaj ključnih inovacij in prihodnjih smernic za leti 2024-2025:
- Premikanje meja proizvodnih vozlišč: Glavni igralci tekmujejo, kdo bo prvi komercializiral naslednje generacije čipovske tehnologije. TSMC in Samsung sta začela proizvodnjo s 3 nanometri v letih 2022-2023; zdaj TSMC načrtuje tovarno za 2 nm do 2025-2026, IBM (z Rapidusom na Japonskem) pa je celo predstavil laboratorijski prototip 2 nm čipa. Intel želi ponovno prevzeti vodstvo v procesih z vozlišči, ki jih imenuje 20A in 18A (približno ekvivalent 2 nm) do 2024-2025, z integracijo trakovnih GAA tranzistorjev (“RibbonFET”). Vsako zmanjšanje vozlišča zahteva ogromno R&R – nove litografske trike, nove materiale (kot sta kobalt ali rutenij za povezave, nove izolatorje) in več EUV plasti. Govori se celo o procesih pod 1 nm (t.i. angstromska skala) kasneje v desetletju, čeprav so takrat oznake “nm” večinoma marketinške – dejanske velikosti elementov bodo le nekaj atomov debele.
- Čipletne in modularne arhitekture: Kot omenjeno, je zasnova na osnovi čipletov pomembna inovacija, ki jo velja spremljati. Že se uporablja (AMD-jevi procesorji Zen, Intelov prihajajoči Meteor Lake, Applov M1 Ultra, ki v bistvu združi dva M1 Max čipa prek interposerja), in se razvija s standardiziranimi vmesniki. Ta modularni pristop omogoča ponovno uporabo IP blokov, mešanje proizvodnih vozlišč (npr. analogni del na starejšem čipletu, CPU-ji na novejšem), ter boljši izkoristek. Konzorcij UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express), ustanovljen leta 2022, razvija odprte standarde, tako da bi lahko podjetje v prihodnosti kupilo že izdelane čiplet komponente in jih integriralo – kot bi sestavljali Lego kocke. Leta 2024 čipleti omogočajo bolj specializirane kombinacije, kot je enostavna integracija AI pospeševalnikov ali HBM pomnilniških skladov za lažje skaliranje zmogljivosti [64]. V prihodnje bi to lahko drastično spremenilo način načrtovanja čipov in kdo jih lahko proizvaja (znižanje vstopnih ovir za nove igralce, ki se lahko osredotočijo na eno nišo čipletov).
- Umetna inteligenca (UI) in specializirani čipi: Eksplozivno povpraševanje po računalništvu za UI (npr. učenje velikih nevronskih mrež za generativno UI) oblikuje inovacije na področju čipov. Tradicionalni CPU-ji so neučinkoviti za UI delovne obremenitve, zato so GPU-ji (grafični procesorji) in pospeševalniki za UI (TPU-ji, NPU-ji itd.) zelo iskani. Leta 2024 smo bili priča »zlati mrzlici UI« v polprevodnikih – na primer, Nvidia-jevi podatkovni centri GPU-jev se prodajajo tako hitro, kot jih lahko izdelajo, številna zagonska podjetja pa razvijajo čipe, namenjene posebej UI. Generativni UI čipi (ki zajemajo CPU-je, GPU-je, specializirane pospeševalnike za UI, pomnilnik, omrežje) so verjetno presegli 125 milijard dolarjev prihodkov v letu 2024 – več kot dvakrat več od prvotnih napovedi – in predstavljajo več kot 20 % vseh prodanih čipov [65]. To spodbuja raziskave in razvoj arhitektur, optimiziranih za UI: pomislite na tenzorske procesorje, nevromorfne čipe, računalništvo v pomnilniku (obdelava podatkov v pomnilniških nizih) in celo analogno računalništvo za UI. Veliki igralci, kot so NVIDIA, Google (TPU), Amazon (Inferentia) in zagonska podjetja (Graphcore, Cerebras itd.), uvajajo inovativne zasnove. Generalna direktorica AMD Lisa Su je ocenila, da bi lahko celoten trg čipov, povezanih z UI, dosegel 500 milijard dolarjev do leta 2028 [66] – številka, večja od celotnega trga polprevodnikov v letu 2023, kar poudarja preobrazbeni potencial UI. Takšne napovedi spodbujajo ogromne naložbe v raziskave in razvoj čipov za UI.
- 3D integracija in heterogena integracija: Poleg čipletov, postavljenih drug ob drugem, je 3D zlaganje (čipi eden na drugem) še ena meja. Zlaganje pomnilnika (npr. HBM na GPU-jih) je že običajno. Naslednji korak je zlaganje logičnih čipov za skrajšanje povezav – na primer, postavitev predpomnilnika neposredno nad plast jedra CPU za hitrejši dostop. Raziskovalni projekti preučujejo 3D integrirana vezja s tisoči navpičnih povezav (skozi-silicijeve povezave ali celo vezane medčipne povezave na nanoskalni razdalji). Heterogena integracija pomeni združevanje različnih tehnologij (CMOS logika, DRAM pomnilnik, fotonika itd.) v enem paketu ali zloženki. Ameriški zakon CHIPS financira napredne pakirne in integracijske obrate, saj se to vidi kot ključ do prihodnjih napredkov, ko se čista miniaturizacija upočasni. Leta 2024 je Intel prikazal zlaganje računalniškega čipa na vrh I/O čipa z »PowerVia« napajanjem po zadnji strani vmes, kot del svojih prihajajočih zasnov. To je vrhunski razvoj pakiranja.
- Novi materiali in tranzistorski paradigmi: Raziskovalci prav tako delajo na post-silicijevih, post-CMOS tehnologijah. Grafen in ogljikove nanocevke imajo mikavne lastnosti (izjemno hitra gibljivost elektronov), ki bi lahko omogočile veliko manjše tranzistorje, vendar je njihova vključitev v množično proizvodnjo zahtevna. Kljub temu so bili eksperimentalni FET-i iz ogljikovih nanocevk prikazani v laboratorijskih čipih (MIT je pred nekaj leti izdelal 16-bitni mikroprocesor v celoti iz tranzistorjev iz ogljikovih nanocevk). 2D polprevodniki, kot je disulfid molibdena (MoS₂), se preučujejo za ultra-tanke kanale. Medtem so spintronika (uporaba spina elektrona za pomnilnik, kot je MRAM), feroelektrični FET-i in kvantne naprave aktivna raziskovalna področja, ki bi lahko izboljšala ali nadomestila trenutno tehnologijo za določene aplikacije. Nobena od teh tehnologij ne bo dosegla množične proizvodnje do leta 2025, vendar bi lahko današnje investicije prinesle preboje proti koncu desetletja. Vreden omembe: IBM in Samsung sta leta 2021 napovedala raziskave na področju VTFET (Vertical Transport FET), nove vertikalne tranzistorske strukture, ki bi teoretično lahko omogočila velik preskok v gostoti z navpično usmeritvijo tranzistorjev skozi čip.
- Kvantno računalništvo in silicijeva fotonika: Čeprav nista neposredno del glavnih CMOS načrtov, sta tako kvantno računalništvo kot fotonska integracija prihodnji smeri, ki se prepletata s polprevodniki. Raziskave in razvoj kvantnega računalništva so doživele milijardne investicije – podjetja kot so IBM, Google, Intel celo izdelujejo kvantne procesorske čipe (vendar z zelo različno tehnologijo – npr. superprevodniški krogi pri kriogenih temperaturah). Če bodo kvantni računalniki dosegli večje razsežnosti, bi lahko v desetletju ali dveh dopolnjevali klasične polprevodnike za določene naloge (kriptografija, kompleksne simulacije). Silicijeva fotonika pa se že združuje s tradicionalnimi čipi: vključevanje optičnih vmesnikov za izjemno hitre podatkovne povezave (npr. med strežniškimi čipi) z uporabo majhnih laserjev in valovodov na čipu. Tehnološki velikani (npr. Intel, Cisco) imajo programe za fotonske čipe, zagonska podjetja pa razvijajo optične nevronske mreže. Leta 2024 smo videli nadaljnji napredek z drugo generacijo optičnih transceiverskih čipov za podatkovne centre in raziskave na področju fotonskega računalništva za umetno inteligenco.
- Napredne pomnilniške tehnologije: Inovacije niso prisotne le pri logičnih čipih. Tudi pomnilnik se razvija: 3D NAND flash gre proti 200+ plastem (Micron in SK Hynix sta napovedala >230-plastne čipe), do leta 2030 pa morda celo 500+ plasti, pri čemer se pomnilniške celice zlagajo kot nebotičniki. Novi pomnilniki, kot so MRAM, ReRAM in fazno spremenljivi pomnilnik, so v razvoju in bi lahko nadomestili ali dopolnili DRAM in flash, saj ponujajo nehlapnost z boljšo hitrostjo ali vzdržljivostjo. Leta 2023 sta Intel in Micron predstavila napredek pri teh naslednjih generacijah pomnilnikov. Računski pomnilnik (kjer lahko pomnilnik opravlja nekatere računske naloge) je še en pristop.
Na splošno je raziskovalno-razvojna (R&D) veriga bogata – od takojšnjih izboljšav proizvodnje naslednje generacije (2nm, GAA tranzistorji) do revolucionarnih novih računalniških paradigm. Industrija prejema tudi doslej neprimerljivo državno podporo za raziskave in razvoj: na primer, ameriški zakon CHIPS namenja milijarde za nove nacionalne raziskovalne centre za polprevodnike, evropski zakon Chips pa na podoben način povečuje sredstva za raziskave in razvoj [67]. Ti napori so namenjeni zagotavljanju vodilne vloge v prihodnjih tehnologijah. Jasno je viden trend masovnega sodelovanja med podjetji, vladami in akademsko sfero na področju predkonkurenčnih raziskav (glede na vključene stroške).
Ko smo v letu 2025, se lahko zdi, da se Moorov zakon v tradicionalnem smislu upočasnjuje, vendar so inovatorji prepričani, da bosta “Več Moorovega” in “Več kot Moorovo” (nove zmogljivosti, ki presegajo zgolj pomanjševanje) še naprej prisotna. Nedavni članek v The Economist je poudaril, da tudi če se tranzistorji ne bodo več prepolavljali na vsaki dve leti, se lahko tempo napredka nadaljuje prek čipletnih arhitektur, z AI podprtega načrtovanja in specializacije [68]. Z drugimi besedami, konec Moorovega zakona ne pomeni konca hitrega napredka – ta bo le prihajal iz drugih smeri. Naslednja leta bodo vznemirljiva, saj bomo priča, ali bodo preboji, kot so High-NA EUV, 3D zlaganje čipov ali morda kakšna nepričakovana nova tehnologija, ponesli industrijo na nove višave.
Geopolitične napetosti in posledice za politiko
Polprevodniki niso le posel – so geopolitični žetoni v globalni igri moči. Ker so napredni čipi ključni za gospodarsko moč in nacionalno varnost (pomislite na vojaško tehnologijo, kritično infrastrukturo, varne komunikacije), so države vse bolj začele zaščititi in nadzorovati zmogljivosti na področju polprevodnikov. V letih 2024–2025 so se te napetosti le še zaostrile, kar preoblikuje politiko in mednarodne odnose. Tukaj so glavne zgodbe:
- Tehnološka “čipovska vojna” ZDA–Kitajska: Združene države in Kitajska sta ujete v ostro tekmovanje glede polprevodnikov. ZDA vidijo napredek Kitajske na področju čipov kot potencialno varnostno grožnjo (napredni čipi lahko poganjajo umetno inteligenco za vojsko itd.) in sprejemajo odločne ukrepe, da Kitajski onemogočijo dostop do najsodobnejše tehnologije čipov. Oktobra 2022 so ZDA napovedale obsežne izvozne omejitve, ki kitajskim podjetjem preprečujejo pridobivanje naprednih čipov (> določeni zmogljivostni pragovi) in opreme za njihovo izdelavo. Leta 2023 in konec 2024 so bile te omejitve še zaostrene – na primer, prepovedani so bili celo nekateri manj napredni Nvidia AI čipi za Kitajsko, razširjen pa je bil tudi seznam kitajskih podjetij (kot sta SMIC, Huawei) pod sankcijami [69]. ZDA so pritiskale tudi na zaveznice Nizozemsko in Japonsko, naj omejijo izvoz napredne litografije in druge opreme za čipe na Kitajsko, kar sta državi tudi sprejeli v začetku 2023 (s tem so Kitajsko popolnoma odrezali od EUV strojev, pa tudi nekaterih naprednih DUV orodij). Cilj teh omejitev je upočasniti napredek Kitajske pri najnaprednejših polprevodnikih, zlasti tistih, ki so potrebni za vojaško umetno inteligenco in superračunalništvo [70][71]. Ameriški uradniki so odkrito povedali, da želijo ohraniti “majhno dvorišče, visoko ograjo” – to pomeni majhen nabor najbolj napredne tehnologije, a z navidez neprebojnim obročem okoli nje.
- Kitajski odziv – Samozadostnost in novačenja: Kitajska ni stala križem rok. Začela je več kot 150 milijard dolarjev vreden program »Made in China 2025«, da bi razvila domače zmogljivosti za proizvodnjo polprevodnikov in zmanjšala odvisnost od tuje tehnologije. Kitajske tovarne čipov, kot je SMIC, dosegajo stalen (čeprav skromen) napredek – kljub sankcijam je SMIC v letih 2022–23 uspel proizvesti 7 nm čipe (z ustvarjalno uporabo starejše DUV litografije) [72], kar je bilo razvidno v pametnem telefonu Huawei, predstavljenem leta 2023, pri katerem so razstavljene komponente razkrile 7nm čip, izdelan na Kitajskem. Kitajska prav tako izkorišča pravne luknje in podvaja vlaganja v raziskave in razvoj orodij, ki jih ne more uvažati (na primer razvija lastno litografsko opremo, čeprav je še vedno več let v zaostanku). Druga taktika: novačenje talentov. Ker ameriška pravila prepovedujejo Američanom pomoč kitajskim podjetjem za čipe, Kitajska agresivno novači inženirje iz Tajvana, Koreje in drugod ter jim ponuja bogate ugodnosti. »Kitajska agresivno novači izseljenske talente … z visokimi plačami, brezplačnimi domovi in še več,« je poročal Reuters [73]. Ta »vojna za talente« je poskus uvoza znanja. Poleg tega je Kitajska sredi leta 2023 uvedla lastne izvozne omejitve za določene materiale (galij, germanij) [74], s čimer je nakazala, da lahko povrne udarec z izkoriščanjem svoje prevlade pri nekaterih surovinah, ključnih za polprevodnike.
- CHIPS akti in industrijska politika: Presenetljiv razvoj je, koliko vlad je sprejelo politike za prenos proizvodnje čipov na domača ali prijateljska ozemlja, s čimer so prekinile desetletja dolgo načelo prostega trga. Ameriški CHIPS in Science Act (2022) je namenil 52,7 milijarde dolarjev neposrednih sredstev za spodbujanje domače proizvodnje čipov, poleg 25% davčnih olajšav za naložbe v proizvodne obrate[75]. Do leta 2023-24 je ameriško ministrstvo za trgovino začelo dodeljevati ta sredstva projektom – na primer, leta 2023 je napovedalo prve subvencije in garancije za posojila podjetjem, ki gradijo proizvodne obrate v ZDA. [76]. Cilji so povečati ameriški delež svetovne proizvodnje (trenutno ~12%) in zagotoviti, da se lahko najnaprednejši čipi (npr. za obrambo) proizvajajo na ameriških tleh. Podobno je EU začela Evropski akt o čipih (2023) z namenom mobilizacije 43 milijard evrov za podvojitev evropskega deleža proizvodnje na 20% do leta 2030 [77]. To vključuje subvencije za nove proizvodne obrate (Intel je prejel veliko subvencijo za obrat v Nemčiji, TSMC pa prav tako vabijo za obrat v Nemčiji), podporo zagonskim podjetjem in financiranje raziskav. Japonska je prav tako namenila milijarde v subvencijah – TSMC je privabila k gradnji obrata v Kumamotu (s partnerjema Sony in Denso) s ponudbo skoraj polovice stroškov (476 milijard jenov ≈ 3,2 milijarde dolarjev subvencije) [78]. Japonska je ustvarila tudi Rapidus, konzorcij s podjetji kot so Sony, Toyota, in podprt s strani vlade, za razvoj 2nm procesne tehnologije doma v partnerstvu z IBM. Južna Koreja je napovedala lastne spodbude za mega “polprevodniški grozd” in podporo svojim podjetjem, kot je Samsung, pri gradnji novih obratov. Indija je uvedla 10 milijard dolarjev vreden program spodbud za privabljanje proizvajalcev čipov k postavitvi obratov (čeprav je bil napredek do leta 2024 počasen, z nekaj zanimanja za analogne/zrele obrate in pakiranje). Tudi Saudova Arabija in ZAE sta nakazala zanimanje za velike naložbe v polprevodnike za diverzifikacijo svojih gospodarstev [79]. Ta globalni val industrijske politike je brez primere za industrijo čipov, ki je zgodovinsko imela nekaj državne podpore (kot je dolgoletna podpora Tajvana za TSMC), a nikoli tako široke usklajenosti. Tveganje je morebitna prevelika zmogljivost na dolgi rok in neučinkovita razporeditev, a glavno gonilo so nacionalna varnost in odpornost dobavnih verig.
- Zavezništva in “prijateljsko usmerjanje” (friendshoring): Na geopolitični šahovnici so se oblikovala nova zavezništva, osredotočena na čipe. ZDA si prizadevajo ustvariti nekakšno “zavezništvo za čipe” tehnološko naprednih držav s podobnimi pogledi – pogosto imenovano “Chip 4” (ZDA, Tajvan, Južna Koreja, Japonska) – za usklajevanje varnosti dobavnih verig in preprečevanje, da bi kritična tehnologija prišla v roke nasprotnikov. Nizozemska (dom ASML) je prav tako ključni partner. Te države skupaj nadzorujejo večino visokotehnološkega znanja, orodij in proizvodnje čipov. Skupne izjave v letih 2023 in 2024 med ZDA in Japonsko ter ZDA in Nizozemsko so potrdile sodelovanje pri nadzoru polprevodnikov. Na drugi strani lahko Kitajska in države v njenem krogu (morda Rusija in nekatere druge) poglobijo lastne tehnološke vezi – npr. Kitajska je okrepila tehnološko sodelovanje z Rusijo in išče opremo za polprevodnike pri vseh državah, ki so pripravljene prodajati. Vprašanje Tajvana je zelo pomembno: ZDA izrecno pravijo, da ne morejo ostati trajno odvisne od Tajvana za čipe (zato spodbujajo TSMC k gradnji v Arizoni). Tajvan si po svoje želi ohraniti svoj “silikonski ščit” – idejo, da svetovna odvisnost od njegovih čipov odvrača vojaško agresijo. A napetosti so visoke – v vojnih simulacijah in izjavah nekaterih uradnikov so se celo pojavile skrajne ideje, kot je uničenje tajvanskih tovarn čipov v primeru invazije, da ne bi padle v kitajske roke [80]. To kaže, kako so polprevodniki zdaj prepleteni z načrtovanjem nacionalne obrambe.
- Višji stroški in kompromisi: Ena od posledic politizacije dobavne verige so višji stroški in neučinkovitosti. Morris Chang je opozoril, da bo reorganizacija proizvodnje zaradi politike zvišala cene – razpršen, globalni model “ravno ob pravem času” je bil zelo stroškovno učinkovit [81]. Zdaj pa podvajanje tovarn v več državah, včasih ne v polni izkoriščenosti, ali uporaba manj optimalnih lokacij (z vidika stroškov) pomeni, da bodo potrošniki morda plačevali več za čipe in izdelke, ki so od njih odvisni. TSMC je že izjavil, da bodo čipi, izdelani v njihovi novi tovarni v Arizoni, bistveno dražji kot tisti iz Tajvana (nekatere ocene govorijo o ~50 % višjih stroških) [82]. Podjetja bi te stroške lahko prenesla naprej. Obstaja tudi izziv pri zagotavljanju kadrov in dobavnih verig v novih regijah (kot je pokazala zamuda TSMC v Arizoni, glej razdelek o delovni sili). Kljub temu so vlade očitno pripravljene nositi te stroške zaradi varnostnih koristi.
- Nadzor izvoza in skladnost: Drugi razvoj je zapletena ureditvena shema nadzora izvoza, ki se vzpostavlja. Urad za industrijo in varnost (BIS) ameriškega ministrstva za trgovino je aktivno posodabljal pravila. Na primer, konec leta 2024 so ZDA napovedale pravila za omejitev dostopa do naprednih AI modelov za sankcionirane države in omejile določene manj napredne čipe, ki bi jih lahko preusmerili za vojaško uporabo [83]. Spremljanje in uveljavljanje je izziv – obstaja cvetoč sivi trg preprodajalcev čipov in posrednikov, ki poskušajo dobaviti omejene čipe na Kitajsko ali druge prepovedane destinacije. Kot odgovor ZDA povečujejo ukrepe za uveljavljanje. Medtem Kitajska pripravlja svoj lasten seznam nadzora izvoza (morda bo vključeval več izdelkov, kot so magneti iz redkih zemelj itd., poleg že omejenih kovin). Ta igra mačke in miši se bo verjetno nadaljevala, podjetja pa so včasih ujeta vmes (npr. NVIDIA je morala ustvariti prilagojene počasnejše različice svojih AI čipov, da bi jih lahko zakonito prodajala na Kitajsko v skladu s pravili, kar so ZDA nato ponovno omejile z dodatnimi ukrepi).
- Tehnološka suverenost proti sodelovanju: Veliko držav govori o »tehnološki suverenosti« – EU uporablja ta izraz za upravičevanje naložb, ki zagotavljajo, da ni popolnoma odvisna od tuje tehnologije. Po drugi strani pa polprevodniške inovacije uspevajo zaradi globalnega sodelovanja (nobena država ne more vsega narediti poceni sama). Tako imajo oblikovalci politik zahtevno nalogo: graditi lokalne zmogljivosti, ne da bi se izolirali od globalne mreže dobaviteljev in strank. Ameriški zakon CHIPS dejansko vključuje določbe, da financirana podjetja ne smejo graditi naprednih novih zmogljivosti na Kitajskem deset let, s čimer želijo zagotoviti razdružitev [84]. Kitajska pa spodbuja »samooskrbo«, tudi če to pomeni izumljanje že obstoječega. Če se razkol poglobi, bomo morda videli vzporedne ekosisteme – na primer, Kitajska razvija lastna EDA orodja, lastno opremo, čeprav generacijo zaostaja. Na dolgi rok nekateri opozarjajo, da podvajanje zmanjšuje splošno učinkovitost inovacij (saj je lahko podjetje, kot je TSMC, prej amortiziralo razvoj in raziskave s prodajo vsem po svetu; v razdeljenem svetu pa so količine nižje na trg).
Leta 2024 geopolitične napetosti na področju polprevodnikov ostajajo na najvišji ravni doslej. Industrijski pionir Morris Chang podpira prizadevanja ZDA za upočasnitev Kitajske – pripomnil je “ZDA so začele svojo industrijsko politiko na področju čipov, da bi upočasnile napredek Kitajske. … To podpiram,” čeprav priznava, da se obdobje svobodne trgovine s čipi končuje. Podjetja, kot je ASML, so izrazila zaskrbljenost, da se nekatere omejitve zdijo “bolj ekonomsko motivirane” kot pa izključno varnostne [85], kot je poudaril izvršni direktor ASML, ki upa na stabilno ravnovesje [86]. Medtem se države, kot je Južna Koreja, včasih počutijo ujete v sredini – odvisne od Kitajske kot trga, a zavezane ZDA. Na primer, Južna Koreja je dobila nekaj prilagodljivosti (izjeme) za svoji podjetji Samsung in SK Hynix, da lahko še naprej upravljata tovarne na Kitajskem kljub pravilom ZDA, vendar se je konec leta 2024 tudi Južna Koreja soočila s “presenečenjem” pri razmišljanju o lastnih tehnoloških politikah pod pritiskom [87].
“Vojna za čipe” bo verjetno še naprej oblikovala svetovno politiko. Po eni strani spodbuja ogromne naložbe v tehnologijo in zmogljivosti (kar je lahko pozitivno za inovacije in delovna mesta). Po drugi strani pa obstaja tveganje za bolj razdrobljeno in nestanovitno tehnološko okolje, kjer so motnje v dobavi in trgovinski spori pogostejši. Za širšo javnost je ena izmed takojšnjih posledic ta, da je zagotavljanje stabilne oskrbe s čipi postalo glavna prioriteta vlad – podobno kot energetska varnost. V prihodnjih letih lahko pričakujemo novice o novih gradnjah tovarn v osrčju ZDA ali evropskih prestolnicah, povračilne prepovedi izvoza med velikimi silami in polprevodnike kot ključno točko na diplomatskih pogovorih. Svetovno tekmovanje za prevlado na področju čipov je zdaj v polnem teku in bo močno vplivalo tako na razvoj polprevodniške industrije kot na širše ravnotežje gospodarske moči v 21. stoletju.
Gospodarski vpliv polprevodniške industrije
Polprevredna industrija ne omogoča le drugih sektorjev – je ogromna gospodarska sila sama po sebi. Leta 2024 je svetovni trg polprevodnikov močno zrasel, ko so se pandemične pomanjkljivosti umirile in je povpraševanje močno naraslo. Svetovna prodaja čipov je leta 2024 dosegla približno 630,5 milijarde dolarjev [88], kar pomeni robusten skok za ~18–20 % v primerjavi s prejšnjim letom, in naj bi leta 2025 dosegla nove rekorde (okoli 697 milijard dolarjev) [89]. Če se trenutni trendi nadaljujejo, bi industrija lahko dosegla 1 bilijon dolarjev letno do leta 2030 [90]. Za primerjavo: to je približno BDP Nizozemske ali Indonezije, ki ga vsako leto ustvarijo čipi.
A pravi gospodarski vpliv polprevodnikov je veliko večji od same prodaje čipov. »Podjetja v ekosistemu polprevodnikov izdelujejo čipe … in jih prodajajo podjetjem, ki jih vgrajujejo v sisteme in naprave … Prihodki izdelkov, ki vsebujejo čipe, so vredni desetine bilijonov dolarjev,« pojasnjuje strokovnjak za industrijo Steve Blank [91]. Pravzaprav skoraj vsak sodoben elektronski izdelek (pametni telefoni, računalniki, avtomobili, telekomunikacijska oprema, industrijski stroji) vsebuje čipe – ti končni trgi skupaj predstavljajo več bilijonov vrednosti in poganjajo produktivnost v celotnem gospodarstvu. Na primer, polprevodniki so temeljni za ključne industrije kot so avtomobilska industrija (današnji avtomobili imajo na desetine mikrokrmilnikov), računalništvo in storitve v oblaku, telekomunikacije (5G omrežja), potrošniška elektronika ter nastajajoča področja, kot sta umetna inteligenca in obnovljivi viri energije. Razpoložljivost in cena čipov neposredno vplivata na zdravje in tempo inovacij v teh sektorjih.
Nekaj konkretnih točk o gospodarskem vplivu:
- Omogočanje tehnoloških revolucij: Polprevodniki so pogosto ozko grlo ali katalizator za nove tehnološke valove. Vzpon pametnih telefonov in mobilnega interneta v 2010-ih je omogočila vse močnejša in energetsko učinkovitejša čipovja za telefone. Trenutni razcvet umetne inteligence (AI) (z modeli, kot je ChatGPT, in avtonomnimi sistemi) je mogoč zaradi najsodobnejših grafičnih procesorjev (GPU) in AI pospeševalnikov; če bi napredek čipov zastal, algoritmi umetne inteligence ne bi mogli delovati v praktičnem obsegu. Prihodnja širitev interneta stvari (IoT), električnih in samovozečih avtomobilov, avtomatizacije Industrije 4.0 ter 6G komunikacij vse predpostavljajo nadaljnji napredek na področju čipov. Z gospodarskega vidika imajo čipi velik multiplikativni učinek – preboj na področju polprevodnikov lahko sproži povsem nove industrije. Vlade to prepoznavajo in polprevodnike označujejo kot »strateško« industrijo; na primer, Bela hiša je izjavila, da so polprevodniki »ključni za gospodarsko rast in nacionalno varnost ZDA«, kar je tudi razlog, zakaj je bil zakon CHIPS upravičen [92].
- Ustvarjanje delovnih mest in zaposlitev z visoko dodano vrednostjo: Sektor polprevodnikov podpira veliko število delovnih mest po vsem svetu, od katerih so mnoga visoko plačana in zahtevajo visoko usposobljen kader (inženirji, tehniki, raziskovalci). V središčih za načrtovanje čipov, kot sta Silicijeva dolina (ZDA) ali Hsinchu (Tajvan), so podjetja za čipe pomembni delodajalci. Ena sama nova tovarna (fab) lahko ustvari tisoče neposrednih delovnih mest in deset tisoče posrednih (gradbeništvo, dobavitelji, storitve). Na primer, načrtovane tovarne Intela v Ohiu in TSMC v Arizoni naj bi vsaka ustvarila približno 3.000 neposrednih delovnih mest ter še veliko več v širšem gospodarstvu. Poleg tega so to prav tista napredna proizvodna delovna mesta, ki si jih številne razvite države želijo imeti doma zaradi gospodarskih in varnostnih razlogov. Vendar pa, kot bomo obravnavali v naslednjem razdelku, je iskanje usposobljenih kadrov za ta delovna mesta vse večji izziv, kar ima tudi gospodarske posledice (omejitve na trgu dela lahko upočasnijo širitev in zvišajo plače).
- Svetovna trgovina in dobavne verige: Polprevodniki so eden najbolj trgovanih izdelkov na svetu. Letna svetovna trgovina s polprevodniki in povezano opremo dosega več sto milijard. Na primer, čipi so stalno med najpomembnejšimi izvoznimi izdelki držav, kot so Tajvan, Južna Koreja, Malezija in vse bolj Kitajska (ki izvaža veliko čipov nižjega razreda, čeprav uvaža visokotehnološke). Pravzaprav so od leta 2020 kitajski uvozi čipov (približno 350 milijard USD v letu 2022) presegli njen uvoz nafte, kar poudarja čipe kot ključno uvozno blago za državo [93]. Ta dinamika vpliva tudi na trgovinske bilance in pogajanja. Gospodarstva, ki temeljijo na izvozu, kot sta Južna Koreja in Tajvan, so odvisna od izvoza čipov za rast – na Tajvanu je samo TSMC pomemben prispevek k BDP in trgovinskemu presežku. Medtem pa države, ki so odvisne od uvoza čipov (kot mnoge v Evropi ali Indija), vidijo izboljšanje svojega trgovinskega položaja kot enega od razlogov za razvoj domače proizvodnje.
- Ekonomska varnost: Pomanjkanje čipov v letih 2021–2022 je služilo kot opozorilo: pomanjkanje polprevodniških delov v vrednosti 1 $ je bilo dovolj, da je ustavilo proizvodnjo avtomobilov v vrednosti 40.000 $, kar je prispevalo k inflaciji in nižji rasti BDP v nekaterih regijah. Študije so ocenile, da je pomanjkanje čipov globalno zmanjšalo avtomobilsko proizvodnjo za več odstotnih točk in upočasnilo dobavljivost potrošniške elektronike, kar je verjetno imelo manjši zaviralni učinek na BDP v letu 2021. Vlade zdaj obravnavajo zagotovljeno dobavo čipov kot del ekonomske varnosti. Poročilo PwC iz leta 2023 je celo opozorilo, da bi lahko resna motnja v dobavi čipov zaradi podnebnih sprememb ogrozila tretjino predvidene proizvodnje v vrednosti 1 bilijona dolarjev v desetletju, če se industrija ne prilagodi [94] – kar bi močno prizadelo svetovno gospodarstvo. Zato ekonomski načrtovalci vključujejo polprevodnike v ocene tveganja, ki so običajno rezervirane za ključne surovine.
- Borzni trg in rast podjetij: Podjetja iz polprevodniške industrije so postala nekatera najvrednejša podjetja na svetu. Do konca leta 2024 je bila skupna tržna kapitalizacija 10 največjih podjetij s čipi približno 6,5 bilijona dolarjev, kar je 93 % več kot leto prej [95], zahvaljujoč naraščajočim vrednotenjem, povezanim z umetno inteligenco. Velikani, kot so TSMC, NVIDIA, Samsung, Intel in ASML, imajo vsak tržno kapitalizacijo v višini več sto milijard. Uspešnost teh podjetij močno vpliva na borzne indekse in tokove naložb. Pravzaprav je indeks Philadelphia Semiconductor (SOX) pogosto viden kot barometer zdravja tehnološkega sektorja. Bogastvo, ki ga ustvarja rast teh podjetij, je ogromno, ta pa nato vlagajo denar nazaj v raziskave in razvoj ter kapitalske izdatke na rekordnih ravneh (TSMC je leta 2022 za kapitalske izdatke porabil približno 36 milijard dolarjev [96], kar je primerljivo s stroški gradnje več letalonosilk). To ustvarja krog inovacij in gospodarske aktivnosti, dokler povpraševanje ostaja visoko.
- Vpliv na potrošnike in cene: Čipi predstavljajo velik del stroškov v številnih izdelkih. Ko čipi postajajo zmogljivejši (v skladu z Moorovim zakonom), pogosto strošek na funkcijo pada, kar omogoča cenejšo elektroniko ali več funkcij za isto ceno – kar je koristno za potrošnike in produktivnost. Vendar pa lahko nedavna kriza v dobavi in dodatni stroški “varnih” dobavnih verig (npr. podvajanje tovarn v dražjih regijah) povzročijo inflacijske pritiske. Videli smo, na primer, da so cene avtomobilov v letih 2021–2022 močno poskočile, deloma zato, ker proizvajalci avtomobilov niso mogli dobiti dovolj mikrokrmilnikov, kar je vodilo do nizkih zalog. Poročilo Goldman Sachs iz leta 2021 je ugotovilo, da čipi vplivajo na širok spekter potrošniškega blaga, zato lahko dolgotrajno pomanjkanje čipov vpliva na inflacijo za opazno frakcijo odstotka. Nasprotno pa lahko normalizacija dobave čipov povzroči deflacijski učinek na cene elektronike. Na dolgi rok je stalni napredek v polprevodnikih deflacijska sila (elektronika vsako leto bodisi poceni bodisi postane bistveno zmogljivejša za isto ceno).
- Vladne subvencije in donosnost naložb (ROI): Zdaj, ko je za čipovske pobude namenjenih več deset milijard javnih sredstev, davkoplačevalci in ekonomisti spremljajo donose. Zagovorniki trdijo, da se bodo te subvencije obrestovale z ustvarjanjem visoko vrednih delovnih mest in zaščito ključnih industrij. Prisoten je tudi multiplikativni učinek – npr. gradnja tovarne čipov vključuje veliko gradbenih del in nato visoko usposobljena delovna mesta, pri čemer naj bi vsako delovno mesto v tovarni podpiralo približno 4–5 drugih delovnih mest v gospodarstvu (vzdrževanje, storitve itd.). Kritiki pa opozarjajo na možnost presežne ponudbe ali neučinkovitost državnega izbiranja zmagovalcev. Sredstva iz zakona CHIPS na primer vključujejo pogoje (delitev dobička v primeru prevelikih dobičkov, zahteve glede varstva otrok za delavce v tovarnah itd.), da bi zagotovili širše koristi. Uspeh ali neuspeh teh politik bo imel gospodarske posledice: če bodo uspešne, bi lahko regije, kot sta ameriški Srednji zahod ali Saška v Nemčiji, postale nove Silicijeve doline in okrepile lokalna gospodarstva. Če ne, obstaja tveganje dragih, neizkoriščenih projektov.
Povzetek: polprevodniki imajo ogromen gospodarski vpliv tako neposredno kot posredno. Spodbujajo rast dopolnilnih industrij in so v središču povečevanja produktivnosti (hitrejši računalniki = več znanstvenih simulacij, boljši AI = več avtomatizacije). Ciklična narava sektorja (gospodarski vzponi in padci zaradi nihanja povpraševanja) lahko vpliva tudi na širše gospodarske cikle. Na primer, upad v čipovskem ciklu (kot leta 2019 ali 2023 za pomnilniške čipe) lahko škoduje izvozu in BDP-ju industrijsko močnih gospodarstev, medtem ko lahko vzpon (kot trenutni AI razcvet) te države močno okrepi.
Ob vstopu v leto 2025 je obet optimističen: Deloitte v svoji industrijski napovedi navaja, da je bilo leto 2024 zelo močno z okoli 19 % rastjo, leto 2025 pa bi lahko prineslo še približno 11 % rasti, kar industrijo postavlja na pot k tisti bilijonski ambiciji [97]. Rast poganja povpraševanje po novih tehnologijah (AI, 5G, električna vozila), ki nadomešča morebitno upočasnitev pri pametnih telefonih ali računalnikih. Izziv bo krmarjenje med stroški lokalizacije in geopolitičnimi omejitvami brez zaviranja inovacij in obsega, ki sta polprevodnike sploh naredila za tako gospodarsko uspešno zgodbo.
Okoljski in trajnostni izzivi
Čeprav je tehnologija polprevodnikov osupljiva, njena proizvodnja prinaša pomembne okoljske stroške. Industrija se vse bolj sooča s svojimi izzivi trajnosti – vključno z ogromno porabo vode in energije, izpusti toplogrednih plinov in kemičnimi odpadki. Paradoksalno je, da čipi omogočajo bolj zelene tehnologije (učinkovita elektronika, rešitve za čisto energijo), a je njihova izdelava lahko zelo potratna in onesnažujoča, če ni ustrezno nadzorovana. Ključni okoljski izzivi so:
- Poraba vode: »Polprevodniki ne morejo obstajati brez vode – in to v velikih količinah,« poudarja Kirsten James iz Ceres [98]. Tovarne čipov potrebujejo ogromne količine ultra čiste vode (UPW) za izpiranje rezin po vsakem kemijskem postopku. Ta voda mora biti izjemno čista (na tisoče krat bolj čista kot pitna voda), da se prepreči kakršnakoli mineralna ali delčna kontaminacija [99]. Za proizvodnjo 1.000 galonov UPW je potrebnih približno 1.400–1.600 galonov mestne vode (ostanek postane odpadna voda) [100]. Ena sama velika tovarna čipov lahko porabi 10 milijonov galonov vode na dan, kar je enako porabi vode ~30.000–40.000 gospodinjstev [101]. Po vsem svetu naj bi vse tovarne polprevodnikov skupaj porabile toliko vode kot mesto z milijoni prebivalcev; eno poročilo navaja, da tovarne čipov po svetu porabijo toliko vode kot mesto Hong Kong (7,5 milijona ljudi) vsako leto [102]. Ta velika poraba povzroča pritisk na lokalne vodne vire, zlasti v regijah, ki se že soočajo s sušo ali pomanjkanjem vode (npr. tovarne TSMC v Tajvanu so bile leta 2021 ogrožene zaradi hude suše, kar je zahtevalo vladno omejevanje porabe vode in celo dovoz vode s cisternami v tovarne). Pomanjkanje vode postaja ranljivost za industrijo [103]. Poleg tega lahko izpusti vode iz tovarn vsebujejo nevarne kemikalije (kot so kisline, kovine). Brez ustrezne obdelave lahko ta odpadna voda onesnaži reke in podtalnico ter škoduje ekosistemom [104]. V nekaterih središčih proizvodnje čipov na Kitajskem in v Južni Koreji so oblasti tovarne že opozorile zaradi okoljskih kršitev zaradi onesnaževanja vode [105]. Industrija se odziva z vlaganjem v recikliranje vode: številne tovarne zdaj reciklirajo del svoje vode. Na primer, nova tovarna TSMC v Arizoni trdi, da bo ponovno uporabila približno 65 % svoje porabe vode na lokaciji <a href=”https://www.weforum.org/stories/2024/07/the-water-challenge-foweforum.org, in Intel je sodeloval z lokalnimi oblastmi v Oregonu in Arizoni pri gradnji čistilnih naprav za ponovno polnjenje vodonosnikov [106]. Nekatere tovarne v Singapurju in Izraelu reciklirajo še višje odstotke. Vendar pa se bo z rastjo povpraševanja po čipih skupna poraba vode še naprej povečevala, zaradi česar je to ključno vprašanje trajnosti.
- Poraba energije in emisije: Proizvodnja čipov je energetsko intenzivna. Delovanje čistih prostorov, črpalk in toplotnih procesov v tovarni čipov 24/7 zahteva ogromno energije. Ena sama napredna tovarna lahko neprekinjeno porabi približno 100 megavatov električne energije – kar je enako porabi elektrike majhnega mesta (desettisoče gospodinjstev). Pravzaprav »standardna velika tovarna za izdelavo čipov porabi več kot 100.000 megavatov energije … vsak dan,« celoten sektor pa je leta 2024 porabil približno 190 milijonov ton CO₂-ekvivalenta[107]. (Ta številka emisij – 190 milijonov ton – je približno letna emisija držav, kot sta Vietnam ali Avstralija.) Del tega ogljičnega odtisa izhaja iz posredne porabe energije (če je lokalno omrežje na fosilna goriva), del pa iz neposrednih procesnih emisij. Tovarne uporabljajo perfluorirane spojine (PFC) za jedkanje in čiščenje; ti plini, kot sta CF₄ ali C₂F₆, imajo potencial globalnega segrevanja, ki je tisočkrat večji od CO₂ in lahko v ozračju vztrajajo tisočletja. Čeprav si industrija prizadeva zmanjšati uhajanje PFC (v okviru prostovoljnih dogovorov iz Kjotskega protokola), še vedno predstavljajo pomemben delež emisij. Po študiji TechInsights bi se lahko, če se proizvodnja čipov do leta 2030 podvoji (za dosego trga v vrednosti 1 bilijon dolarjev), brez omilitvenih ukrepov emisije industrije znatno povečale [108]. Za zmanjšanje porabe energije proizvajalci čipov vse bolj vlagajo v obnovljive vire energije za napajanje tovarn. TSMC je na primer postal eden največjih korporativnih kupcev obnovljive energije na svetu, z namenom doseči 40 % obnovljivih virov do leta 2030 in 100 % do leta 2050. Tudi Intel ima v nekaterih lokacijah tovarne na 100 % obnovljivo elektriko. Izboljšanje energetske učinkovitosti v tovarnah (npr. z izrabo odpadne toplote, učinkovitejšimi hladilniki) je še ena usmeritev. Pomembno pa je, da bolj napredni čipi pogosto zahtevajo več energije na rezino za proizvodnjo (npr. EUV litografija je manj energetsko učinkovita kot starejše litografije), zato obstaja napetost med tehnološkim napredkom in porabo energije na čip. Nekateri analitiki opozarjajo, da bi se ob upočasnitvi Moorovega zakona lahko poraba energije na tranzistor celo povečala.
- Kemične in nevarne odpadke: Polprevodniški proces uporablja strupene in nevarne snovi – pline, kot sta silan ali arsin, jedke tekočine (kisline, topila) in težke kovine. Varno ravnanje z tokovi odpadkov je ključnega pomena. Tovarne čipov ustvarjajo kemične odpadke, ki jih je treba skrbno obdelati ali odstraniti. Na primer, uporabljena topila in jedkala je mogoče destilirati in reciklirati, kisline nevtralizirati, gošče filtrirati za ponovno uporabo. Podjetja, kot je Veolia, imajo storitve posebej za pomoč tovarnam čipov pri recikliranju odpadkov – pretvarjanje izrabljenih kemikalij v uporabne izdelke ali varno sežiganje odpadkov in zajemanje energije [109]. Kljub najboljšim praksam se lahko zgodijo in so se zgodile nesreče (kemične izlitje, nepravilno odlaganje), ki lahko povzročijo lokalno okoljsko škodo. Drug vidik so odpadki od embalaže – proizvodnja vključuje veliko enkratnih plastičnih posod, rokavic, oblek itd. v čistih prostorih. Mnoga podjetja zdaj poskušajo zmanjšati in reciklirati tudi te trdne odpadke [110]. Obstaja tudi e-odpadki v nadaljevanju, vendar to bolj zadeva odstranjevanje končnih elektronskih izdelkov kot samo izdelavo čipov.
- Odpornost na podnebne spremembe: Ironično je, da podnebne spremembe predstavljajo neposredno grožnjo proizvodnji čipov, čeprav bodo čipi potrebni za boj proti podnebnim spremembam. Tovarne čipov se nahajajo na območjih, ki so vse pogosteje izpostavljena ekstremnim vremenskim pojavom: tajfuni v Vzhodni Aziji, vročinski valovi in suše (npr. zahodni ZDA, Tajvan) itd. Poročilo CNBC iz leta 2024 je poudarilo, kako lahko ena sama nevihta ali poplava, ki prizadene ključno “mesto čipov”, popolnoma prekine dobavo – na primer, hipotetični tajfun Helene, ki bi prizadel tajvansko mesto Hsinchu (kjer je sedež TSMC), bi bil lahko katastrofalen [111]. Podjetja zdaj ocenjujejo podnebna tveganja za svoje obrate. Pomanjkanje vode je v ospredju – raziskava med vodilnimi v industriji čipov iz leta 2023 je pokazala, da je 73 % zaskrbljenih zaradi tveganj za naravne vire (voda) za svoje poslovanje [112]. Mnogi vključujejo odpornost na podnebne spremembe, kot so gradnja lastnih zalog vode, rezervno napajanje in geografska razpršenost lokacij. PricewaterhouseCoopers je opozoril, da je brez prilagoditev do 32 % svetovne oskrbe s polprevodniki ogrožene do leta 2030 zaradi podnebno pogojenega pomanjkanja vode in drugih vplivov podnebnih sprememb [113].
- Pozitivne pobude: Na bolj svetli strani je industrija okrepila zaveze k trajnosti. Do leta 2025 ima skoraj vsako večje podjetje v polprevodniški industriji določene cilje glede zmanjšanja ogljičnega odtisa ali doseganja ogljične nevtralnosti. TSMC si prizadeva do leta 2030 zmanjšati emisije za 20 % (glede na izhodišče iz leta 2020) in doseči neto ničelne emisije do leta 2050. Intel ima cilj doseči neto ničelne operativne emisije do leta 2040 in vlaga v zelene tovarne (že je dosegel 82 % ponovno uporabe vode in 100 % zelene energije na lokacijah v ZDA do leta 2022). Samsung je napovedal okoljske cilje, ki so primerljivi – npr. pridobivanje obnovljive energije za čezmorske obrate in izboljšanje energetske učinkovitosti svojih procesov. Druga pozitivna plat je, da izdelki industrije pomagajo zmanjševati emisije drugje – na primer, energetsko učinkoviti čipi zmanjšujejo porabo energije v podatkovnih centrih in elektroniki; čipi v sistemih obnovljive energije izboljšujejo učinkovitost omrežja. Ena od študij SIA (Združenje polprevodniške industrije) je pokazala, da je za vsako tono CO₂, ki jo izpusti sektor čipov, tehnologije, ki jih omogočajo čipi, pomagale zmanjšati več ton v drugih sektorjih (prek prihrankov energije). Ali to izniči ogljični odtis, je predmet razprave, a jasno je, da so polprevodniki ključni za rešitve na področju podnebja (pametna omrežja, električna vozila itd.).
Za ponazoritev napredka: Sonyjeva polprevodniška enota na Japonskem je sporočila, da ena od njihovih tovarn ponovno uporabi približno 80 % svoje odpadne vode in gradi nove reciklažne obrate za izboljšanje tega [114]. Številna podjetja so se pridružila pobudam Responsible Business Alliance za trajnostne dobavne verige, s čimer zagotavljajo, da so minerali, ki jih uporabljajo (npr. kobalt, tantal), brez konfliktov in odgovorno pridobljeni. Nastajajo tudi konzorciji za skupno reševanje razširjenih izzivov – npr. IMEC v Belgiji vodi programe za trajnostno proizvodnjo polprevodnikov, kjer raziskujejo alternative PFC plinom in načine za zmanjšanje porabe energije na rezino.
Za zaključek, okoljski vpliv proizvodnje polprevodnikov ni zanemarljiv in ga je treba upravljati. Dobra novica je, da vodilni v industriji to priznavajo. Kot je zapisano v enem izmed Deloitte poročil, bo proizvodnja čipov v vrednosti bilijona dolarjev leta 2030 imela okoljski vpliv – vprašanje je, kako ga ublažiti[115]. Pot naprej vključuje večjo transparentnost (podjetja razkrivajo podatke o vodi in ogljiku), postavljanje na znanosti temelječih ciljev za emisije, vlaganje v prakse krožnega gospodarstva (kot je ponovna uporaba kemikalij, cilji nič odpadkov na odlagališčih [116]) in sodelovanje z vladami (za infrastrukturo, kot sta obnovljiva energija in čiščenje vode). Potrošniki in vlagatelji prav tako pritiskajo za bolj zelene prakse – veliki kupci čipov, kot je Apple, na primer, želijo, da njihova dobavna veriga (vključno z dobavitelji čipov, kot je TSMC) uporablja 100 % obnovljivo energijo. Ta zunanji pritisk spodbuja spremembe.
Torej, čeprav ima čipovska industrija še nekaj dela za zmanjšanje svojega okoljskega odtisa, že izvaja pomembne ukrepe. Navsezadnje pogosto varčevanje z vodo in energijo dolgoročno pomeni tudi prihranek stroškov. In v svetu, kjer je trajnost vse bolj ključna, bi lahko odličnost v »zeleni proizvodnji čipov« postala še ena konkurenčna prednost. Morda bomo celo videli, da bodo tehnologije, kot so nove metode suhega jedkanja (z manjšo porabo kemikalij) ali nadomestki za PFC pline, postale standardna praksa, ki jo bo spodbujal okoljsko ozaveščen razvoj in raziskave. Upanje je, da bo naslednja faza rasti polprevodniške industrije dosežena na način, ki bo deloval z okoljem, ne proti njemu [117] – s čimer bo digitalna revolucija, ki jo poganjajo čipi, trajnostna za planet.
Izzivi delovne sile in talentov
Proizvodnja polprevodnikov ni le stvar čistih prostorov in strojev – v osnovi temelji na ljudeh z zelo specializiranimi znanji. In tu se industrija sooča s ključnim izzivom: z naraščajočim pomanjkanjem talentov in vrzeljo v znanjih. Ko države vlagajo v nove tovarne in razvoj, se pojavlja vprašanje: kdo bo zaposlil te obrate in spodbujal inovacije, še posebej v času, ko se obstoječa delovna sila stara, mlajši talenti pa se usmerjajo v programsko opremo ali druge panoge?
Ključna vprašanja in razvoj glede delovne sile v polprevodniški industriji:
- Staranje delovne sile in val upokojitev: V številnih regijah je trenutna inženirska delovna sila v polprevodniški industriji nagnjena k starejšim, izkušenim strokovnjakom – in velik del se približuje upokojitvi. Na primer, v Združenih državah »je 55 % delovne sile v polprevodniški industriji starejše od 45 let, medtem ko je manj kot 25 % mlajših od 35 let,« po podatkih sredi leta 2024 [118]. Podobno je v Evropi: »20 % evropskih delavcev v polprevodniški industriji je starejših od 55 let, približno 30 % nemške delovne sile v tej panogi pa naj bi se upokojilo v naslednjem desetletju,« po analizi EE Times [119]. To pomeni grozečo »odtekanje možganov«, saj izkušeni strokovnjaki odhajajo. Industriji grozi, da bo izgubila desetletja institucionalnega znanja hitreje, kot ga lahko nadomesti – na to opozarja tudi Deloitteova študija o talentih, ki opozarja na »nedosledno prenašanje znanja in premalo novih vstopajočih, da bi prevzeli strokovno znanje« [120].
- Nezadosten dotok novega kadra: Zgodovinsko gledano kariere v čipovskem inženirstvu (bodisi elektrotehnika, znanost o materialih ali vzdrževanje opreme) niso privabile tako velikega števila mladih talentov kot na primer razvoj programske opreme ali podatkovna znanost. Delo je pogosto dojeto kot bolj specializirano, zahteva napredne stopnje izobrazbe, profil industrije med diplomanti pa je po obdobju razcveta osebnih računalnikov zbledel. Skupna študija SEMI-Deloitte že leta 2017 je izpostavila »prihajajočo vrzel v talentih« in opozorila, da se polprevodniška industrija sooča s težavami pri blagovni znamki in vrednostni ponudbi za nove diplomante [121]. V letih 2023–2024 se kljub visokotehnološki naravi področja za polprevodniške smeri odloča manj študentov, podjetja pa poročajo o težavah pri zapolnjevanju delovnih mest od začetnih do raziskovalcev z doktoratom. Posledica: veliko prostih delovnih mest, malo ustrezno usposobljenih kandidatov. To je še posebej izrazito v regijah, ki želijo razširiti proizvodnjo čipov z nizke osnove (npr. ZDA, ki morajo usposobiti veliko več tehnikov za svoje nove tovarne, ali začetna prizadevanja Indije).
- Regionalna neskladja in lekcija TSMC v Arizoni: Eden najbolj izpostavljenih primerov kadrovskih težav je bil zamuda TSMC v Arizoni. TSMC gradi tovarno v vrednosti 40 milijard dolarjev v Arizoni – enega od temeljev ameriških prizadevanj za vračanje napredne proizvodnje čipov v ZDA. Vendar je TSMC sredi leta 2023 napovedal, da bo odprtje tovarne prestavljeno z 2024 na 2025, pri čemer so kot razlog navedli »nezadostno število usposobljenih delavcev« v lokalni delovni sili [122]. Podjetje je imelo težave najti dovolj ameriških delavcev s specializiranim znanjem za gradnjo in namestitev napredne opreme za tovarne, poleg tega pa se je soočilo z »nasprotovanjem sindikatov pri prizadevanjih za prihod delavcev iz Tajvana« za pomoč[123]. TSMC je moral poslati več sto izkušenih tehnikov iz Tajvana v Arizono, da bi usposobili domačine in dokončali namestitev čistih prostorov. Predsednik podjetja Mark Liu je poudaril, da ima vsak nov projekt svojo učno krivuljo, a je namignil, da je pomanjkanje delovne sile v ZDA resna ovira [124]. Ta scenarij poudarja, da je strokovno znanje skoncentrirano v obstoječih središčih (kot je Tajvan za najnaprednejšo proizvodnjo) in se ne seli zlahka. Zdaj vsi ameriški projekti tovarn čipov (nove tovarne Intela, širitev tovarne Samsunga v Teksasu itd.) intenzivirajo zaposlovanje in usposabljanje, sodelujejo s skupnostnimi šolami in inženirskimi fakultetami za razvoj kadrov. Toda, da se svež diplomant izuri v izkušenega inženirja procesov v polprevodniški industriji, so potrebna leta izkušenj na delovnem mestu. Zato lahko razvoj domačih kadrov zaostaja za gradnjo novih tovarn.
- Kitajska gonja za talenti: Medtem Kitajska agresivno išče čipovske talente po vsem svetu, da bi premagala svoje tehnološke omejitve. Kot je bilo omenjeno, se je Kitajska zaradi omejitev prenosa tehnologije iz zahodnih držav obrnila k zaposlovanju posameznikov. Preiskava Reutersa leta 2023 je pokazala, da je Kitajska tiho zaposlila na stotine inženirjev iz tajvanskega TSMC in drugih podjetij ter jim ponudila plačne pakete, ki so bili včasih dvakrat višji od njihove plače, skupaj z ugodnostmi, kot je stanovanje [125]. Ideja je uvoziti strokovno znanje v kitajske tovarne in oblikovalske hiše (kar nekoliko posnema način, kako je Tajvan prvotno zagnal svojo industrijo z vračanjem inženirjev, izšolanih v ZDA v 80. letih). Vendar je to povzročilo napetosti – Tajvan je celo začel preiskave in zaostril zakone, da bi preprečil uhajanje intelektualne lastnine prek lova na talente. Tudi ZDA zdaj prepovedujejo svojim državljanom (in imetnikom zelene karte) delo za določena kitajska čipovska podjetja brez dovoljenja [126], potem ko so opazile, da je veliko bivših zaposlenih ameriških podjetij sprejelo donosne službe na Kitajskem. Kljub temu “vojna za talente” pomeni, da so izkušeni inženirji po vsem svetu zelo iskani in da plače rastejo. To je odlično za inženirje, lahko pa povzroča težave podjetjem in regijam, ki ne morejo konkurirati ponudbam bogatejših snubcev (naj bo to s strani s strani države subvencioniranega kitajskega zagonskega podjetja ali ameriške tovarne, financirane z zakonom CHIPS).
- Pobude za usposabljanje in izobraževanje: Ob zavedanju ozkega grla pri talentih je nastalo veliko pobud. V okviru zakona CHIPS so ZDA namenile sredstva ne le za tovarne, temveč tudi za razvoj delovne sile – v sodelovanju z univerzami in skupnostnimi šolami ustvarjajo nove izobraževalne programe za polprevodnike [127]. Na primer, Univerza Purdue je začela program diplom za polprevodnike, katerega cilj je vsako leto diplomirati na stotine inženirjev, usposobljenih za čipe, Univerza Arizona State pa širi programe za podporo prisotnosti TSMC. Podobno evropski zakon o čipih vključuje štipendije in čezmežne mreže za usposabljanje, da bi spodbudili več strokovnjakov za mikroelektroniko. Podjetja prav tako povečujejo interno usposabljanje; Intel na primer že dolgo interno izvaja “fakulteto za tovarne” in širi programe pripravništev in sodelovanj. Ena od izzivov pa je, da se veliko tihega znanja o izdelavi čipov ne poučuje v učbenikih – pridobi se ga z delom v tovarnah. Zato bo povečanje števila talentov zahtevalo kombinacijo formalnega izobraževanja in praktičnih vajeništev v obstoječih obratih. Vlade bodo morda celo sprostile pravila o priseljevanju, da bi privabile tuje talente (ZDA razmišljajo o posebni vizni kategoriji za strokovnjake za čipe, Japonska pa vabi tajvanske in korejske inženirje za delo v podjetju Rapidus).
- Delovna kultura in privlačnost: Druga težava je, kako narediti karierno pot v polprevodniški industriji privlačno. Industrija je lahko zahtevna – tovarne delujejo 24/7, inženirji pogosto delajo v izmenah, natančnost, ki je potrebna, pa pomeni okolje z visokim pritiskom. Kot je izpostavil Reuters, je TSMC ugotovil, da so ameriški delavci manj pripravljeni prenašati “naporen” urnik dela v izmenah v primerjavi z delavci na Tajvanu ali Japonskem [128]. Na Japonskem obstaja kulturna norma dolgega delovnika, kar ustreza potrebam tovarn čipov, medtem ko lahko v ZDA pričakovanja glede ravnotežja med delom in zasebnim življenjem trčijo z nočnimi izmenami. Podjetja se bodo morda morala prilagoditi (npr. več avtomatizacije za zmanjšanje nočnih izmen ali spodbude za delo v manj priljubljenih urah). Prav tako bi industrija lahko izboljšala svojo podobo s poudarjanjem zanimivega in vplivnega značaja dela – omogočate prihodnost tehnologije – ter z vzpodbujanjem raznolikosti in vključenosti (tradicionalno je bila močno moško zastopana in bi lahko bolj pritegnila premalo zastopane skupine). Zgodovinsko pomanjkanje privlačnosti v primerjavi s programsko opremo nekoliko izginja, saj so polprevodniki zdaj pogosto v novicah, a stalno ozaveščanje ostaja ključno.
- Pomanjkanje talentov v številkah: Za ponazoritev: SEMI (industrijsko združenje) je konec leta 2022 ocenil, da bi se lahko do leta 2030 industrija soočila s približno 300.000 primanjkljajem usposobljenih delavcev po svetu, če se trenutni trendi nadaljujejo. To vključuje vse od doktorjev znanosti do tehnikov za vzdrževanje opreme. Najbolj izrazite vrzeli so pri inženirjih za opremo, inženirjih za procese v proizvodnji in strokovnjakih za EDA programsko opremo. Podjetja EDA, kot je Synopsys, prav tako poročajo, da potrebujejo več strokovnjakov za algoritme in umetno inteligenco za razvoj naslednje generacije orodij za načrtovanje (ki zdaj vključujejo AI – čipi za načrtovanje čipov!). Drugi segment so tehnične službe – tisti z 2-letno tehnično izobrazbo, ki upravljajo in vzdržujejo opremo v tovarnah. Države, kot so ZDA, so v zadnjih desetletjih premalo vlagale v poklicno izobraževanje za takšne vloge, zato je obnova tega kadrovskega bazena ključna.
- Mednarodno sodelovanje proti omejitvam: Zanimivo je, da čeprav so potrebe po talentih globalne, nekatere politike otežujejo pretok kadrov. Ameriška izvozna pravila ne omejujejo le strojne opreme, temveč tudi človeško znanje (osebe iz ZDA potrebujejo dovoljenja za delo v določenih kitajskih tovarnah). To lahko omeji nabor strokovnjakov, ki so pripravljeni ali sposobni delati na določenih mestih, in dejansko segmentira trg dela. Po drugi strani pa zavezniške države razmišljajo o načinih za izmenjavo kadrov – npr. morda “izmenjevalni program talentov” med ameriškimi in tajvanskimi tovarnami za navzkrižno usposabljanje inženirjev ali vzajemno priznavanje kvalifikacij med EU in ZDA, da bi inženirji lažje sodelovali pri projektih.
- Plače in konkurenca: Pomanjkanje talentov je povzročilo rast plač na tem področju, kar je dobro za privabljanje ljudi, a hkrati povečuje stroške podjetij. V letih 2021–2022 so nekatera polprevodniška podjetja zaposlenim ponudila občutne povišice ali bonuse za zadržanje kadra. Po poročilih je TSMC leta 2022 ob poskusih “vabljena” zaposlenih ponujal več kot 20-odstotne povišice. V regijah, kot je Indija, kjer so bile plače za načrtovalce čipov zgodovinsko nižje, zdaj multinacionalke ponujajo bistveno višje pakete, da bi preprečile odhod kadrov h konkurenci ali v tujino. Vse to je odlično za strokovnjake, a lahko zmanjša dobičkonosnost podjetij ali vpliva na to, kje se bodo širila (iskala bodo regije z dobrim izobraževalnim sistemom, a še vedno zmernimi stroški dela – eden od razlogov, zakaj Intel in drugi gledajo kraje, kot sta Ohio ali severna zvezna država New York, namesto na izjemno vroče trge dela).
Za povzetek, problem kadrov v polprevodniški industriji je ključno omejujoče dejstvo za ambiciozne načrte širitve panoge. V tem je nekaj ironije: lahko porabimo milijarde za bleščeče nove tovarne, a brez usposobljenih ljudi, ki bi jih vodili, so to le prazne lupine. Kot je dejal predsednik SIA leta 2022, “Ponovnega razcveta proizvodnje ne more biti brez ponovnega razcveta delovne sile”. V naslednjih nekaj letih bomo priča usklajenim prizadevanjem za navdihovanje in izobraževanje nove generacije strokovnjakov za čipe. To lahko pomeni posodobitev inženirskih učnih načrtov z več vsebinami o izdelavi polprevodnikov, privlačne štipendije in celo začetek promocije STEM področij že na srednješolski ravni, da bi dijake navdušili za “gradnjo naslednjega čipa z milijardo tranzistorjev” in ne le za pisanje naslednje aplikacije.
Medtem bodo podjetja uporabljala začasne rešitve: prekvalifikacijo inženirjev iz sorodnih panog, ponovno zaposlovanje upokojenih strokovnjakov kot svetovalcev ter več avtomatizacije in umetne inteligence za zmanjšanje potreb po delovni sili v tovarnah. Tudi vlade bodo morda prilagodile priseljevalsko politiko – na primer, ZDA bi lahko diplomantom z ustreznim doktoratom na ameriških univerzah avtomatsko ponudile zeleno karto, da bi jih zadržale v državi.
V igri je veliko: če pomanjkanja kadrov ne bomo rešili, lahko to postane ozko grlo, ki upočasni inovacije in širitev zmogljivosti, s čimer bi ogrozili cilje večmilijardnih pobud za čipe. Po drugi strani pa, če nam uspe navdihniti nov val talentov za mikroelektroniko, lahko ta človeški kapital omogoči novo zlato dobo napredka v polprevodnikih. Kot je pripomnil eden od strokovnjakov: “Najpomembnejše premoženje čiparske industrije ni silicij, temveč možgani.” In zagotoviti, da bo dovolj teh možganov delalo na polprevodnikih, je prav tako ključno kot kateri koli drug dejavnik, omenjen v tem poročilu.
Polprevodniki so pogosto imenovani “DNK tehnologije”, in ta poglobljen vpogled jasno pokaže, zakaj. Od fizike njihovega delovanja, prek zapletenega globalnega plesa proizvodnje, do strateških in kadrovskih izzivov, ki oblikujejo njihovo prihodnost – čipi so v središču znanosti, gospodarstva in geopolitike. Leta 2025 se svet zaveda, da tisti, ki vodi v proizvodnji polprevodnikov, vodi v sodobnem gospodarstvu. Zato smo priča večmilijardnim naložbam, mednarodnim bojem za talente in materiale ter bliskovitemu tempu inovacij hkrati.
Za širšo javnost se vse to morda zdi oddaljeno – dokler ni več tako. Pomanjkanje čipov lahko podraži avtomobile ali povzroči, da so naprave nedosegljive; sprememba politike lahko določi, ali bo naslednji pametni telefon imel revolucionaren procesor ali zaostajajočega. Dobra novica je, da se v letu 2024 in v letu 2025 vlaganja v krepitev in prenovo dobavne verige močno povečujejo, obetajo se vznemirljive nove tehnologije, strokovnjaki iz industrije pa sodelujejo pri reševanju ozkih grl od litografije do usposabljanja delovne sile. Zgodba o proizvodnji polprevodnikov je res zgodba o nenehni prenovi – ravno ko se zdi, da smo dosegli mejo, inženirji najdejo novo pot (naj bo to 3D čipi, EUV ali kaj, kar še prihaja).V prihodnjih letih bodite pozorni na nekaj stvari: Ali bodo ameriški in evropski projekti tovarn hitro obrodili sadove? Bo Kitajska kljub sankcijam dosegla svoje ambiciozne cilje samostojnosti? Bodo nasledniki Moorovega zakona, kot so čipleti, še naprej prinašali napredek v zmogljivosti? Bo industrija postala bolj zelena in privabila raznolik kader? Odgovori bodo oblikovali ne le tehnologijo, ki jo uporabljamo, temveč tudi geopolitično in gospodarsko podobo 21. stoletja.
Ena stvar je gotova: ti drobni čipi so postali izjemno pomembni. “Vojne čipov” in dirka v siliciju se bodo nadaljevale, a upajmo, da skozi tekmovanje, ki spodbuja inovacije, in sodelovanje, ki zagotavlja stabilnost. Na koncu ima vsak potrošnik in vsaka država koristi, če polprevodniški ekosistem ostane živahen, varen in trajnosten. Kot smo videli, bo to zahtevalo spretno upravljanje vsega – od atomov do trgovinskih politik. Svet opazuje – in vlaga – v ta sektor kot še nikoli doslej.
Za vse, ki jih zanima več ali želijo spremljati razvoj, so tukaj javni viri in dodatno branje o proizvodnji polprevodnikov in trendih v industriji:
- Semiconductor Industry Association (SIA) – State of the Industry Reports: Podrobna letna poročila z najnovejšimi podatki o prodaji, naložbah in političnih posodobitvah [129].
- Deloitte’s Semiconductor Outlook 2025: Analiza tržnih trendov, vključno z vplivom povpraševanja po umetni inteligenci, pomanjkanjem kadrov in geopolitiko [130][131].
- “Chip War” avtorja Chrisa Millerja: Zelo priporočena knjiga, ki daje zgodovinski kontekst rivalstvu med ZDA in Kitajsko na področju polprevodnikov in razloži, kako smo prišli do sem.
- EE Times in Semiconductor Engineering: Strokovne publikacije, ki vsakodnevno poročajo o tehnoloških prebojih, težavah v dobavni verigi in načrtih podjetij – odlično za spremljanje razvoja 3nm/2nm procesov, novih arhitektur čipov itd.
- Poročila Svetovnega gospodarskega foruma & Ceres o trajnosti v polprevodniški industriji: Ta obravnavajo vpliv na okolje in ukrepe, ki se izvajajo za reševanje vprašanj vode in energije pri proizvodnji čipov [132], [133].
- Spletne strani in blogi podjetij (TSMC, Intel, ASML): Številni vodilni v industriji objavljajo izobraževalne vire ali posodobitve (npr. Intelovi cilji RISE 2030 za trajnost, ASML-jeva tehnična poročila o EUV).
S spremljanjem teh virov lahko v realnem času opazujemo, kako se odvija drama proizvodnje polprevodnikov – drama, ki združuje vrhunske inovacije z visoko-stavnimi globalnimi strategijami. Ni pretirano reči, da bo prihodnost poganjana s čipi, zato je razumevanje tega področja vse bolj ključno za vsakogar, ki ga zanima, kam gre svet.
Polprevodniki so morda majhni, a nosijo težo sodobnega sveta – in zdaj smo dvignili zaveso nad tem, kako nastajajo, kdo jih izdeluje in zakaj so postali žarišče tako navdušenja kot napetosti na svetovnem prizorišču. [134]
___________________________________________________
Pregled polprevodniške industrije 2025 | Deloitte Insights[135]
Razumevanje CHIPS, prvi del: Izziv proizvodnje polprevodnikov | Bipartisan Policy Center
Največje države proizvajalke polprevodnikov v letih 2020–2030: Statistika proizvodnje in izvoza | PatentPC[142]
43 milijard evrov vreden EU Chips Act dobil zeleno luč. – TechHQ
Spreminjanje izzivov v priložnosti v globalni polprevodniški …
Razumevanje CHIPS, prvi del: Izziv proizvodnje polprevodnikov | Bipartisan Policy Center
[152]Globalizacije je konec, pravi ustanovitelj TSMC • The Register[153]
Proizvodnja polprevodnikov in izziv velikih tehnoloških podjetij z vodo | Svetovni gospodarski forum
Gradnja trajnostne poti naprej za industrijo polprevodnikov
Proizvodnja polprevodnikov in izziv velikih tehnoloških podjetij z vodo | Svetovni gospodarski forum
TSMC dosegel dogovor z arizonskim sindikatom o projektu tovarne čipov v vrednosti 40 milijard USD
References
1. www.deloitte.com, 2. blog.veolianorthamerica.com, 3. steveblank.com, 4. www.techtarget.com, 5. www.techtarget.com, 6. www.techtarget.com, 7. steveblank.com, 8. bipartisanpolicy.org, 9. steveblank.com, 10. bipartisanpolicy.org, 11. bipartisanpolicy.org, 12. bipartisanpolicy.org, 13. bipartisanpolicy.org, 14. patentpc.com, 15. bipartisanpolicy.org, 16. steveblank.com, 17. steveblank.com, 18. steveblank.com, 19. patentpc.com, 20. steveblank.com, 21. patentpc.com, 22. patentpc.com, 23. www.usitc.gov, 24. patentpc.com, 25. patentpc.com, 26. steveblank.com, 27. steveblank.com, 28. steveblank.com, 29. steveblank.com, 30. patentpc.com, 31. patentpc.com, 32. patentpc.com, 33. patentpc.com, 34. patentpc.com, 35. patentpc.com, 36. patentpc.com, 37. patentpc.com, 38. techhq.com, 39. patentpc.com, 40. patentpc.com, 41. patentpc.com, 42. www.usitc.gov, 43. www.usitc.gov, 44. www.usitc.gov, 45. www.nefab.com, 46. patentpc.com, 47. www.usitc.gov, 48. www.usitc.gov, 49. www.deloitte.com, 50. www.usitc.gov, 51. www.usitc.gov, 52. www.reuters.com, 53. www.theregister.com, 54. www.theregister.com, 55. www.usitc.gov, 56. patentpc.com, 57. bipartisanpolicy.org, 58. steveblank.com, 59. steveblank.com, 60. steveblank.com, 61. bipartisanpolicy.org, 62. www.bakerbotts.com, 63. steveblank.com, 64. www.bakerbotts.com, 65. www.deloitte.com, 66. www.deloitte.com, 67. www.semiconductors.org, 68. www.economist.com, 69. www.deloitte.com, 70. www.theregister.com, 71. www.theregister.com, 72. patentpc.com, 73. www.deloitte.com, 74. www.deloitte.com, 75. bipartisanpolicy.org, 76. bipartisanpolicy.org, 77. www.consilium.europa.eu, 78. www.reuters.com, 79. patentpc.com, 80. www.theregister.com, 81. www.theregister.com, 82. www.reuters.com, 83. www.deloitte.com, 84. bipartisanpolicy.org, 85. www.reuters.com, 86. www.reuters.com, 87. www.deloitte.com, 88. www.semiconductors.org, 89. www.deloitte.com, 90. www.deloitte.com, 91. steveblank.com, 92. bipartisanpolicy.org, 93. patentpc.com, 94. www.pwc.com, 95. www.deloitte.com, 96. www.reuters.com, 97. www.deloitte.com, 98. www.weforum.org, 99. www.weforum.org, 100. www.weforum.org, 101. www.weforum.org, 102. www.weforum.org, 103. www.weforum.org, 104. www.weforum.org, 105. www.weforum.org, 106. www.weforum.org, 107. blog.veolianorthamerica.com, 108. www.pwc.com, 109. blog.veolianorthamerica.com, 110. blog.veolianorthamerica.com, 111. www.deloitte.com, 112. www.weforum.org, 113. www.pwc.com, 114. www.weforum.org, 115. www2.deloitte.com, 116. blog.veolianorthamerica.com, 117. blog.veolianorthamerica.com, 118. www.deloitte.com, 119. www.deloitte.com, 120. www.deloitte.com, 121. www.deloitte.com, 122. www.manufacturingdive.com, 123. www.reuters.com, 124. www.reuters.com, 125. www.deloitte.com, 126. www.deloitte.com, 127. bipartisanpolicy.org, 128. www.reuters.com, 129. www.deloitte.com, 130. www.deloitte.com, 131. www.deloitte.com, 132. www.weforum.org, 133. blog.veolianorthamerica.com, 134. steveblank.com, 135. blog.veolianorthamerica.com, 136. blog.veolianorthamerica.com, 137. blog.veolianorthamerica.com, 138. steveblank.com, 139. steveblank.com, 140. steveblank.com, 141. www.techtarget.com, 142. steveblank.com, 143. www.consilium.europa.eu, 144. www.reuters.com, 145. www.theregister.com, 146. www.bakerbotts.com, 147. www.semiconductors.org, 148. www.semiconductors.org, 149. www.economist.com, 150. www.economist.com, 151. www.economist.com, 152. patentpc.com, 153. www.reuters.com, 154. www.reuters.com, 155. www.reuters.com, 156. www.semiconductors.org, 157. www.semiconductors.org, 158. www.semiconductors.org, 159. bipartisanpolicy.org, 160. www.pwc.com, 161. www.pwc.com, 162. www.pwc.com
