[Перевод] Что ещё труднее купить, чем микросхемы? Оборудование для их производства!
Старое оборудование для производства простых микросхем на заводе компании Onsemi (бывшая ON Semiconductor) в городе Грешем, штат Орегон
В мире острый дефицит микросхем. Страдают все отрасли экономики. BMW даже начала выпускать автомобили без тачскрина. Но самое интересное, что дефицит острее всего проявляется не для новых модных микросхем, а для старых чипов по старой топологии.
Некоторые производители микроэлектроники специализируются на покупке старого, бывшего в использовании оборудования по дешёвке — и изготовлении простых микросхем по старым топологическим нормам. По приблизительным оценкам, на списанном, «бэушном» оборудовании изготовляется до трети (!) микросхем на рынке, пишет WSJ.
Более того, сейчас за этим оборудованием развернулась настоящая охота, потому что оно тоже в дефиците.
Например, компания SDI Fabsurplus специализируется на поиске и покупке списанного оборудования для резки и бампирования пластин, производства печатных плат, пайки SMD-компонентов, монтажа кристаллов, плазменной обработки, герметизации, для организации автоматических линий и других производственных установок, которые используются в технологическом процессе.
Сейчас спрос на такое оборудование настолько превысил предложение, что почти невозможно достать товары для продажи, говорит владелец фирмы Стивен Хоу.
Он обычно покупает машины возрастам более десяти лет. Именно столько они работают у ведущих производителей чипов — Samsung, Intel и Taiwan Semiconductor Manufacturing, после чего их списывают. Но они могут быть и гораздо старше.
На самом деле значительная часть микроэлектроники производится на старом оборудовании, а вовсе не на ультрасовременных степперах ASML. То есть это микросхемы, которые хорошо зарекомендовали себя и отлично работают. Для них технологический процесс отлажен за много лет, они производятся с минимальным браком и по минимальной цене, что всех устраивает — и производителей, и покупателей.
Если заглянуть в рейтинг организаций радиоэлектронной промышленности России, там тоже на первых местах не самые современные производства. Наверное, такая продукция пользуется хорошим спросом, если заводы входят в топ-10 по объёму экспорта.
По словам Уэйна Лама, директора по исследованиям компании CCS Insight, более половины доходов мировой полупроводниковой промышленности приходится на старые типы микросхем. Эти чипы стоят гораздо дешевле, чем процессоры высокого класса, которые стоят в смартфонах и ноутбуках. Новый усовершенствованный процессор Intel или AMD стоит сотни долларов. В отличие от них, многие чипы старого поколения стоят всего несколько долларов, а некоторые вообще несколько центов.
Такие чипы используются в камерах и других сенсорах в телефонах и автомобилях, в бытовой технике и электронике для управления питанием, в логических контроллерах заводского оборудования, в чипах для беспроводной связи и т. д. Именно нехватка этих простых микросхем является причиной остановки автомобильного производства и неспособности Apple удовлетворить спрос на последние модели iPhone.
Завод Onsemi в Грешеме
Пандемия спровоцировала нынешний дефицит. Из-за неё были закрыты на локдаун заводы, критически важные для производства и упаковки этих чипов. Одновременно произошёл резкий рост спроса на компьютерную технику для удалённой работы и другие товары, в которых используются микросхемы. Весьма некстати вырос курс эфира, что вымыло с рынка видеокарты. Но это лишь часть истории.
На самом деле здесь долгосрочная тенденция. Спрос на микрочипы практически всех видов в последние пять лет неизменно растёт. Индустрия в течение многих лет устраняла недостатки в цепочке поставок оборудования, необходимого для производства микроэлектроники.
Стивен Хоу основал свою компанию в 1998 году. Он говорит, что обычно полупроводниковая промышленность проходила через циклы пиков и спадов. Его склады в Италии, Малайзии и Техасе то заполнялись во время спадов, то опустошались на пике продаж. Но с 2016 года спрос на новое и подержанное оборудование для производства чипов непрерывно растёт. Так что нынешний дефицит был практически неизбежен.
Завод Onsemi
По мнению Хассана Эль-Хури, одна из причин — развитие Интернета вещей в последние пять лет. Его компания Onsemi занимается полупроводниковым производством в Фениксе (США), специализируясь на микросхемах управления питанием и датчиках для автомобилей и промышленных установок.
Во-первых, микросхемы теперь ставят практически везде. Во-вторых, в некоторых товарах микросхем стало гораздо больше, чем когда-либо прежде. Например, стоимость всех микросхем в электромобиле с электронной системой помощи водителю (driver-assist system) в 30 раз превышает стоимость микросхем в обычной машине без такой системы, говорит Эль-Хури. Спрос на чипы также обусловлен ростом популярности мобильных устройств и потребностью в большем количестве серверов — облачной вычислительной инфраструктуры — для поддержки всех этих устройств Интернета вещей и большого количества облачных веб-сервисов нового поколения.
По данным Ассоциации полупроводниковой промышленности (на графиках ниже), во II и III кв. 2021 года, последних из имеющихся данных, полупроводниковая промышленность продала больше чипов, чем когда-либо в истории.
Мировой рынок микросхем, млн штук в месяц, с января 2011 года по март 2021 года
Мировой рынок микросхем, млрд долларов и процент годового роста за каждый месяц, с января 1996 года по сентябрь 2021 года, источник
Производители реагируют на этот спрос. Они обещают производить больше чипов. Но наращивать производство именно простых микросхем определённых типов сложно или невозможно по ряду причин.
Во-первых, расширение мощностей завода занимает месяцы даже при самых благоприятных обстоятельствах. Производство изделий и по старым технологиям всё равно невероятно сложно устроено.
Изготовление чипов по передовой технологии на 12-дюймовых пластинах требует точнейших лазеров, которые выжигают элементы с топологией пять нанометров. Это чуть больше толщины нити ДНК. Именно такие процессоры работают в новейших процессорах Apple и Samsung. Для их производства требуется более 1000 проходов через различные машины на фабрике по производству микросхем, говорит Джейми Поттер, генеральный директор компании Flexciton, которая занимается разработкой программного обеспечения, помогающего производителям чипов оптимизировать производство.
В производстве по старым технологиям используются 8-дюймовые пластины и микросхемы во много раз толще, но всё равно требуется до 300 проходов через тот или иной станок, добавляет Поттер. Это означает, что если у стартапа или неопытной компании даже и появится такое оборудование, далеко не факт, что они смогут наладить производство с прибылью. Например, в Китае государство уже более десяти лет спонсирует полупроводниковое производство — все заводы строятся фактически за счёт бюджета, а частные компании потом ими «управляют», а вот опытных специалистов не хватает.
По мере усиления дефицита микросхем цены на оборудование тоже взлетели, говорит Хоу. Для примера, японская установка совмещения и экспонирования для контактной литографии Canon FPA-3000 i4, 1995 года выпуска, семь лет назад стоила всего $100 000. Казалось бы, чем старше оборудование, тем оно дешевле, так что сейчас установка должна подорожать? Но нет. Сейчас за него придётся жёстко конкурировать с другими потенциальными покупателями.
Спрос на старую электронику настолько велик, что TSMC строит новый завод для производства таких микросхем в Японии. Представитель Intel сказала, что у них таких планов нет, а они намерены строить фабрики по производству передовых чипов, но увеличение производства и снижение дефицита одновременно облегчит ситуацию во всей отрасли и снизит нагрузку на производителей простых микросхем.
В то же время Intel призывает автопроизводителей отказаться от устаревших микросхем. Исполнительный директор компании Пэт Гелсинджер сказал, что если автопроизводители перейдут на более современный дизайн чипов, то Intel полностью удовлетворит спрос.
Но модернизация производства автомобилей стоит дорого и требует много времени на проверку надёжности и безопасности каждой микросхемы. Именно поэтому автопроизводители предпочитают ничего не менять, выбирая старые, сертифицированные, надёжные и безопасные микросхемы. К примеру, они не видят смысла апгрейдить копеечные контроллеры, которые открывают боковые стёкла или переключают ближний/дальний свет, если те безотказно работают.
Любопытно, что даже сами производители микроэлектроники, такие как немецкая Infinion, страдают от дефицита простых микроконтроллеров для управления питанием, изготовление которых они давно передали на аутсорс менее продвинутым компаниям.
Нынешний глобальный дефицит усиливает позиции производителей второго эшелона, пишет NY Times. Такие компании, как Microchip Technology, NXP Semiconductors, STMicroelectronics, Onsemi и Infineon, разрабатывают и продают тысячи моделей микросхем тысячам клиентов по всему миру. У них не такие современные фабрики, но теперь они могут загрузить их на 100%. Некоторые пользуются ситуацией и принуждают покупателей к заключению долгосрочных партнёрских отношений, с многолетними контрактами и обязательством инвестировать в производство.
Представители полупроводниковой промышленности говорят, что теперь отбирают покупателей не только по выгодности, но и по их бедственному положению. В их власти спасти клиента от банкротства, уберечь от закрытия завода и увольнения людей. Они по сути сейчас выполняют гуманитарную миссию, удовлетворяя заказы действительно нуждающихся.
Cейчас тон на рынке задают продавцы, потому что спрос многократно превышает предложение. В невыгодном положении оказались также разработчики микросхем, которые заказывают их производство на стороне. Например, компания Marvell Technology говорит, что раньше отправляла на завод прогноз по производству за 12 месяцев до размещения заказов, а сейчас ей предлагают прислать пятилетний (!) прогноз бизнеса.
Среди полученных предложений производители чипов выбирают, с кем заключить контракт — кто более надёжный и у кого больше шансов добиться успеха на рынке, говорит Мэтт Мёрфи, исполнительный директор Marvell Technology. Это серьёзное изменение психологического ландшафта в индустрии, где производители много лет работали с минимальной рентабельностью и с трудом сводили концы с концами. Теперь всё изменилось. Стоимость некоторых микроконтроллеров выросла в 20 раз!
Новые условия заставляют адаптироваться и производителей, и заказчиков. Раньше заказчики выбирали чипы по цене и производительности, а сейчас берут то, что есть в наличии, как разработчики ноутбука Framework (см. пост в блоге про дефицит комплектующих). Если б они не поменяли аудиокодек Realtek ALC295 на имеющийся в наличии Tempo 92HD95B, то выпуск материнских плат задержался бы на несколько месяцев.
Аудиокодлек Tempo 92HD95B в ноутбуке Framework
Американскому стартапу BrightAI, которые проектирует умные устройства для бизнеса, пришлось менять дизайн одной из плат четыре раза за полгода. Некоторых инженеров и проектировщиков пришлось даже отправить в Китай, чтобы на месте следить за выпуском и закупать компоненты.
Автопроизводители теперь сами выходят на производителей электроники и заключают прямые контракты, а не делают заказы через субподрядчиков, как раньше.
Такие времена.
