Według danych gromadzonych przez Stowarzyszenie Przemysłu Półprzewodników (Semiconductor Industry Association – SIA) producenci układów scalonych wyprodukowali ich w świecie w 2021 r. 1150 miliardów, o łącznej wartości 555,9 mld dolarów. To o 26,2 proc. więcej niż w poprzednim, kryzysowym roku 2020. Niewiele gorsze pod względem aktywności produkcyjnej są też pierwsze miesiące 2022 r. W pierwszym kwartale globalna produkcja półprzewodników była o 23 proc. wyższa niż w pierwszym kwartale 2021 r., chociaż w porównaniu z ostatnim kwartałem 2021 r. nieznacznie spadła.
Większość układów scalonych produkowanych jest w fabrykach elektronicznych zlokalizowanych na Dalekim Wschodzie. Podobnie jest w przypadku sprzedaży, dominują rynki wschodnie. Prym pod tym względem wiodą tajwańska firma TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) oraz koreański Samsung. Rynkowym liderem jest także amerykański Intel, pionier technologii półprzewodnikowych.
W rzeczywistości obraz jest bardziej złożony. Półprzewodnik pomimo niewielkich rozmiarów i bardzo niskiej jednostkowej ceny – koszt nabycia jednego to przeciętnie mniej niż pół dolara amerykańskiego – to pod względem technicznym bardzo złożona struktura. Każdy jej element jest przedmiotem daleko idącej i to międzynarodowej specjalizacji. Z tego powodu układ scalony należy do jednego z bardziej „rozkooperowanych” produktów przemysłowych. Decydują o tym specjalistyczna wiedza, techniczne możliwości, a nade wszystko koszty idącej w setki miliardów sztuk produkcji.
Produkcja mikroskopijnej wielkości układów scalonych wymaga użycia rzadko występujących w przyrodzie minerałów (chodzi m.in. o tradycyjnie stosowany krzem, a także pallad) i gazów szlachetnych. Układy scalone trzeba wykonywać specjalistycznymi urządzeniami zdolnymi do tworzenia struktur o przekroju kilkudziesięciu, a w najnowszych rozwiązaniach zaledwie kilku nanometrów (nanometr to jedna miliardowa część metra).
Dzięki temu możliwe są postępy w miniaturyzacji wszelkich otaczających nas urządzeń i na wskroś nowe rozwiązania oparte np. na wykorzystaniu sztucznej inteligencji. Nie da się tego zrobić bez coraz mniejszych chipów. Projektowaniem i produkcją coraz mniejszych układów scalonych zajmują się liczne zastępy naukowców i wysokiej klasy specjalistów pracujących w warunkach bardziej laboratoryjnych niż fabrycznych.
Poszczególne elementy tego złożonego procesu twórczego i produkcyjnego są często wykonywane w innych firmach i krajach. Kooperacja pomiędzy nimi poszła tak daleko, że żaden liczący się w świecie producent w tej dziedzinie nie może powiedzieć, że jest w pełni samowystarczalny. Kluczowa rola, jak obrazują sytuację na globalnym rynku półprzewodników eksperci firmy doradztwa strategicznego McKinsey & Co. (w analizie Strategies to lead in the semiconductor world) przypada w tym procesie jednak firmom, których główne siedziby znajdują się w USA.
Analiza łańcuchów kooperacyjnych wskazuje, że amerykańska myśl naukowa i techniczna dominuje przede wszystkim na polu zdobywanych patentów, w projektowaniu układów scalonych oraz w tworzeniu urządzeń do automatyzacji ich produkcji. Udział firm amerykańskich w przypadku każdej z tych czynności przekracza 60 proc.
Fizyczna produkcja zaprojektowanych i „oprzyrządowanych” w urządzenia wytwórcze układów scalonych najczęściej odbywa się już na Dalekim Wschodzie. W 76 proc. następuje to w, jak się to określa – odlewniach, na Tajwanie. Stamtąd gotowe chipy trafiają jako „mózgi” do rozlicznych fabryk urządzeń elektroniki konsumenckiej – od telefonów po sprzęt RTV – zlokalizowanych nie tylko w Chinach, Korei, Wietnamie i innych krajach Dalekiego Wschodu, ale także w Europie, zwłaszcza środkowej i wschodniej.
Produkcja układów scalonych najczęściej odbywa się na Dalekim Wschodzie. W 76 proc. w tzw. odlewniach na Tajwanie.
W testowaniu pochodzących z Tajwanu układów scalonych w znacznej mierze specjalizują się Chiny. Ogromna skala produkcji każdego z elementów układu scalonego powoduje, że zajmują się tym tylko nieliczne firmy pracujące na zamówienia konkurujących ze sobą na co dzień producentów rozmaitych konsumenckich wyrobów finalnych.
Ta misterna, budowana latami globalna konstrukcja produkcji układów scalonych została kompletnie zaburzona w 2020 r. przez wybuch pandemii koronawirusa. Kilkumiesięczne lockdowny u finalnych wytwórców europejskich i amerykańskich, zwłaszcza samochodów, zredukowały zamówienia u azjatyckich producentów procesorów i innych układów scalonych. Przestawili się oni w tym czasie na wytwarzanie innych półprzewodników potrzebnych producentom telefonów czy komputerów, bo akurat tych zaczęło w świecie najbardziej brakować z powodu powszechnego przechodzenia na zdalny tryb pracy.
Gdy kilka miesięcy później sprzedaż aut ponownie zaczęła wzrastać producenci samochodów powrócili ze swoimi zamówieniami. Ponownie wzrósł z ich strony popyt na elektroniczne komponenty, gdyż nikt nie chce już kupować samochodów bez elektroniki. Musieli jednak ustawić się na końcu coraz dłuższej kolejki oczekujących, co wywołało wiele innych perturbacji u dalszych kooperantów i na rynkach pracy.
Eksperci McK zastanawiają się w swojej analizie jak ten mikroprocesorowy świat może się zmienić po pandemii koronawirusa. Bieżące dane statystyczne wskazują, że produkcja układów scalonych stopniowo zasyca rynkowe potrzeby i jeśli nie będzie już więcej rynkowych perturbacji, z końcem bieżącego roku powinno nastąpić zrównoważenie podaży z popytem. Nie jest to jednak pewne m.in. z powodu wojny Rosji z Ukrainą. Pierwszy z tych krajów zaspokaja 40 proc. światowego popytu na potrzebny do produkcji chipów pallad, a drugi 70 proc. popytu na równie ważny w ich wytwarzaniu gaz szlachetny jakim jest neon. Powodem globalnych zaburzeń mogą być teraz przestoje z braku surowców u dalekowschodnich producentów chipów.
Co istotniejsze – ważna jest nie tylko łączna wielkość produkcji półprzewodników, ale tych najbardziej miniaturowych o łączach elektrycznych znajdujących się w odległości od siebie nie większej niż 7, a nawet 5 nanometrów. Układy takie, potrzebne np. przy rozwiązaniach sztucznej inteligencji, potrafią wytwarzać firmy amerykańskie, a nie potrafią jeszcze chińskie, ani tym bardziej rosyjskie.
Uruchomienie produkcji tak zminiaturyzowanych chipów wymaga coraz większych wydatków na badania, a potem na budowę nowych fabryk. Według danych zgromadzonych przez analityków McK przeciętny koszt zaprojektowania układu scalonego z łączami w odległości 28 nanometrów (stosowane są np. w elektronice samochodowej) wynosi ok. 50 mln dolarów i wiąże się z nakładem 80 tys. dni pracy laboratoryjnej w przeliczeniu na jednego zatrudnionego specjalistę. Opracowanie chipa o łączach 7-nanometrowych wymaga przeciętnego wydatku sięgającego prawie 300 mln dolarów. Jeszcze mniejszego – 5-nanometrowego – niemal dwa razy tyle. Nakład pracy laboratoryjnej też musi być wielokrotnie większy.
Aby sprostać rosnącym kosztom powstawania nowych rozwiązań producenci chipów wydają ogromne środki finansowe na badania i rozwój (B+R). W branży tej średnie wydatki na B+R przekraczają poziom 14 proc. sprzedaży. Więcej pieniędzy na badania i rozwój wydają jedynie firmy farmaceutyczne i biotechnologiczne.
Najwięcej pod tym względem angażują się firmy amerykańskie, które według danych zawartych w opublikowanym na początku maja 2022 r. raporcie Stowarzyszenia Przemysłu Półprzewodników (The 2022 SIA Factbook: Your Source for Semiconductor Industry Data) na B+R wydają 18 proc. swoich przychodów ze sprzedaży. W liczbach bezwzględnych amerykańskie firmy elektroniczne wydały na ten cel w 2021 r. rekordową sumę 50 mld dolarów. Dla porównania – europejskie firmy tej branży wydają na B+R ok. 15 proc. swoich przychodów, a chińskie – oficjalnie – mniej niż 8 proc.
Po czasochłonnych i kosztownych badaniach przychodzi czas na równie angażujący okres budowy nowych fabryk układów scalonych. Globalni liderzy w produkcji półprzewodników jakimi są tajwańska firma TSMC oraz amerykański Intel już wiele miesięcy temu zapowiedzieli uruchomienie swoich nowych fabryk chipów w USA, w stanach Arizona i Ohio. Do masowej produkcji będą one gotowe jednak nie wcześniej niż w latach 2024 – 2025. Koszty budowy nowej fabryki idą w dziesiątki miliardów dolarów.
Do wybuchu pandemii koronawirusa przemysł półprzewodnikowy w świecie rozwijał się zgodnie z empirycznie stwierdzonym prawem Gordona Moore’a (współzałożyciela firmy Intel), wedle którego liczba tranzystorów zawartych w produkowanych układach scalonych podwaja się co 18 miesięcy, co skorygowano później do okresu 24 miesięcy. Z prawa tego wynikają wielkości nakładów pracy i finansów potrzebnych dla uruchomienia nowej generacji półprzewodników. Ich producenci angażowali w ostatnich kilku dekadach coraz większe środki finansowe na badania, inwestycje i samą produkcję. Jednocześnie nie ponosili aż tak wielkiego ryzyka, gdyż byli w stanie przewidzieć zyski pomimo niewielkiego jednostkowego kosztu pojedynczego procesora.
Pandemia zachwiała całym dotychczasowym regularnym rytmem przemysłowym, który ma z kolei żywotne znaczenie dla temperatury we wszystkich innych dziedzinach przemysłu w świecie, wszędzie tam gdzie znajdują zastosowanie półprzewodniki – czyli wszędzie. Uświadomiła jednocześnie rządom jak ważne są dla gospodarek, zwłaszcza najbardziej rozwiniętych państw świata, produkcja i dostawy układów scalonych. Bez nich „stoją” inne branże, wzrasta w związku z tym ryzyko bezrobocia i niepokojów społecznych.
Pandemia uświadomiła najbardziej rozwiniętym gospodarkom jak ważne są produkcja i dostawy układów scalonych. Bez nich „stoją” inne branże.
Stąd wzięło się tak duże zaangażowanie w ostatnich miesiącach rządów USA i wielu krajów europejskich w budowę silniejszych podstaw dla własnej produkcji układów scalonych i uniezależnienia się dzięki temu od dostaw z krajów azjatyckich. Na dodatek, to już doświadczenie dosłownie z ostatnich tygodni, przebieg i techniczna strona wojny rosyjsko-ukraińskiej uświadomiły wszystkim, a rządom na pewno, strategiczne znaczenie najwyższych generacji półprzewodników. Dzięki nim można nie tylko szybciej rozwijać gospodarki, lepiej zaspokajać potrzeby konsumentów, a jak trzeba to i zyskiwać przewagę techniczną na wojnie.
W rozwój lepszej własnej podstawy dla produkcji najnowszych zwłaszcza generacji półprzewodników zaangażowały się w ostatnich miesiącach przede wszystkim administracje USA oraz Unii Europejskiej. W USA prace rozwojowe ma wspomóc dodatkowe 52 mld dolarów dotacji ze środków federalnych. W krajach Unii Europejskiej w kierunku tym zmierza opublikowany w lutym 2022 r. program wspólnych działań (European Chips Act) na rzecz zwiększenia europejskiej niezależności w produkcji półprzewodników. Celem jest osiągnięcie do 2030 r. 20-proc. udziału rodzimej produkcji na europejskim rynku. Zaangażowanych ma być w tym programie 43 mld euro środków publicznych oraz przedsiębiorstw.
W ocenie ekspertów McK dodatkowe środki finansowe na badania i rozwój nowych generacji półprzewodników jakie już zaproponowały rządy są w stanie skrócić czas osiągnięcia zwrotu nakładów inwestycyjnych z 10 do 8 lat w USA i w krajach europejskich. Takie same nakłady, ze względu na niższe koszty, zwróciłyby się w krajach azjatyckich o rok szybciej.
To dużo, ale potrzeby finansowe – jak wynika z analizy McK – są znacznie większe. W przypadku USA przepaść pomiędzy rosnącym popytem na nowej generacji chipy, nadające się do zastosowań związanych z wprowadzaniem rozwiązań sztucznej inteligencji, sięga 155 mld dolarów. W Chinach nakłady te musiałyby wynieść 145 mld dolarów, w krajach europejskich – 55 mld dolarów.
>>> McKinsey o globalnych perspektywach produkcji układów scalonych
>>> Raport Stowarzyszenia Przemysłu Półprzewodników
W styczniu 2020 roku Wielka Brytania formalnie opuściła Unię Europejską. Oczekiwane korzyści z brexitu, poza odzyskaniem suwerenności w zakresie kształtowania prawa i zewnętrznych relacji gospodarczych, jednak się nie zmaterializowały. Widoczny jest natomiast spadek wydajności i konkurencyjności brytyjskiej gospodarki, co wpływa także na kondycję rynku pracy.
