لماذا يعتبر إنتاج أشباه الموصلات صعبًا ولا ينتج عنه سوى عدد قليل من الشركات؟

تعلمون جميعًا أن رقائق أشباه الموصلات تُستخدم تقريبًا في كل جهاز إلكتروني نشتريه. يذهبون إلى أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية والأدوات والسيارات والطائرات والمعدات الطبية والأنظمة العسكرية وما إلى ذلك. يواجه العالم نقصًا عالميًا في رقائق أشباه الموصلات في الوقت الحالي مما أثار تساؤلاً حول سبب عدم تمكن المزيد من الشركات من الدخول في إنتاج رقائق أشباه الموصلات. دعنا نتعمق في صناعة أشباه الموصلات من خلال هذه المقالة لمعرفة التعقيدات التي لا تسمح للعديد من الشركات بدخول هذه الصناعة.

لماذا رقاقات أشباه الموصلات في الأخبار؟

في عام 2021 ، كان النقص العالمي في الرقائق يتجلى بشكل كبير في الأخبار ، وكان على شركات مثل Apple و Tesla و Tata Motors و Samsung Electronics أن تتضور جوعًا لشراء رقائق أشباه الموصلات. تأثر إجمالي 169 صناعة بالنقص ، وكانت صناعة السيارات هي الأكثر تضرراً.

كانت هناك عدة عوامل أدت إلى هذا النقص العالمي. البعض منهم:

• زيادة الطلب على الإلكترونيات المطلوبة للعمل من المنزل أثناء الجائحة
• نقص العمالة بسبب قيود الإغلاق
• الجفاف في تايوان
• الحرب التجارية بين الولايات المتحدة والصين.

لقد جعل تخزين رقائق أشباه الموصلات البلدان تدرك أن تصنيع الرقائق يتركز في عدد قليل من دول شرق آسيا فقط. لذلك ، تضع البلدان في جميع أنحاء العالم هذا العام خططًا لبناء القدرة الإنتاجية لرقائق أشباه الموصلات هذه حتى تصبح مكتفية ذاتيًا وتقلل من الاعتماد على الواردات. ستنفق الهند حوالي 30 مليار دولار لتطوير النظام البيئي لسلسلة التوريد لأشباه الموصلات. تدرس الولايات المتحدة أيضًا تنفيذ CHIPS لقانون أمريكا لتوفير 52 مليار دولار لتصنيع الرقائق والدعم الحكومي لعمالقة أشباه الموصلات. يهدف القانون إلى تقديم المساعدة المالية لبناء أو توسيع أو تحديث مصنع تصنيع أشباه الموصلات في الولايات المتحدة.

صناعة رقائق أشباه الموصلات - التاريخ والحاضر

في عام 1958 ، أنشأ جاك كيلبي ، وهو مهندس إلكتروني في شركة Texas Instruments ، أول دائرة متكاملة والتي هي سلف الرقائق الدقيقة الحديثة. لقد كان اختراعًا عظيمًا وثوريًا في القرن العشرين. بدأت صناعة أشباه الموصلات حوالي عام 1960 وتجاوزت عائدات المبيعات علامة المليار دولار بحلول عام 1966. وفي عام 2022 ، من المتوقع أن تصل صناعة رقائق أشباه الموصلات العالمية إلى حوالي 600 مليار دولار أمريكي. لكن قلة قليلة من الشركات في العالم يمكنها صنع رقائق أشباه الموصلات ، وحتى أقل من ذلك يمكنها أن تحقق أرباحًا في ذلك. دعونا نفهم سبب ذلك من خلال الخوض في صناعة رقائق أشباه الموصلات وعملية التصنيع الخاصة بها.

النموذج والجهات الفاعلة الرئيسية في صناعة أشباه الموصلات

تهيمن على صناعة أشباه الموصلات شركات من تايوان والولايات المتحدة وكوريا الجنوبية والصين واليابان وهولندا حيث تحظى صناعة أشباه الموصلات بدعم حكومي وبنية تحتية متطورة واقتصاديات الحجم.

تعتمد الصناعة على نموذج يتم توزيع التصنيع والتصميم والتطوير بين الشركات المختلفة والشركات التابعة لها حول العالم. تشارك شركات السباكة مثل TSMC و GlobalFoundries في التصنيع فقط. تقوم شركات أشباه الموصلات Fabless مثل AMD و Nvidia بالاستعانة بمصادر خارجية للإنتاج إلى مصنع تصنيع تابع لجهة خارجية وتصميم الجهاز فقط. الشركات المصنعة للأجهزة المتكاملة (IDMs) مثل Intel و Samsung تقوم بتصنيع وتصميم وبيع منتجات الدوائر المتكاملة.

اللاعبون الرئيسيون في الصناعة هم TSMC (Foundry) و Samsung Electronics (IDM) و Intel (IDM) و Qualcomm (Fabless).

جدول يمثل أفضل 8 شركات لأشباه الموصلات ونوعها وبلدها.

تقوم شركة TSMC التايوانية وحدها بتصنيع نسبة كبيرة أي أكثر من 50٪ من أشباه الموصلات في العالم. إنه أكبر مسبك في العالم. Apple ، التي تعد أكبر مستهلك للرقائق ، والشركتان الرئيسيتان لأشباه الموصلات ، Nvidia و Qualcomm ، هم عملاء TSMC فقط. أعلنت سامسونغ ، الشركة المنافسة لـ TSMC ، عن استثمار 355 مليار دولار لتصنيع رقائق 3 نانومتر للتغلب على TSMC.

عملية تصنيع رقائق اشباه الموصلات

يتم تصنيع رقائق أشباه الموصلات باستخدام السيليكون أشباه الموصلات. تتضمن عملية صنع رقائق أشباه الموصلات أكثر من 59 نوعًا من المعدات والخطوات المختلفة التي يجب تكرارها لإنشاء طبقات في شريحة. يمكن أن تتكون الشريحة من ما يصل إلى 100 طبقة مما يعني أنه يجب تكرار الخطوات بنفس الرقم.

يتم تحويل رقائق السيليكون المستخرجة من الرمل إلى ترانزستورات تشكل قاعدة مجموعة من الدوائر تسمى الرقائق. توضح الخطوات التالية عملية إنشاء طبقة في شريحة أشباه الموصلات-

• تتمثل الخطوة الأولى في طلاء الرقاقات بمواد كيميائية حساسة للضوء ومواد مقاومة للضوء.
• ثم هناك الطباعة الحجرية التي يتم إجراؤها في المرحلة الثانية حيث تتعرض رقائق السيليكون المطلية لضوء الأشعة فوق البنفسجية داخل آلة الطباعة الحجرية. يتم تمرير الضوء من خلال قناع يحتوي على مخطط الشريحة على الرقاقة لطباعة النموذج. هذه العملية تجعل من الممكن بناء مئات الرقائق على رقاقة سيليكون واحدة.
• ثم يتم تصلب المنطقة المعرضة للضوء ويتم حفر المناطق اللينة غير المكشوفة بواسطة الغازات الساخنة.
• تتضمن الخطوة التالية استخدام الغازات الأيونية لتعديل الخصائص الموصلة للطبقة التي تم إنشاؤها عن طريق إضافة بعض الشوائب ثم في النهاية يتم وضع الروابط المعدنية بين الترانزستورات ، وبالتالي إنشاء طبقة واحدة كاملة.

يجب تكرار كل هذه الخطوات لإنشاء طبقات لاحقة.

لماذا لا يمكننا فقط إنتاج المزيد من الرقائق لتلبية الطلب المتزايد؟

إذا كان هناك نقص في الرقائق ، فلماذا لا تدخل المزيد من الشركات في إنتاج رقائق أشباه الموصلات وتقليل هذه الفجوة بين العرض والطلب؟ حسنًا ، لمعرفة الإجابة على هذا السؤال ، نحتاج أولاً إلى فهم تعقيدات صناعة الرقائق وصناعة أشباه الموصلات.

ما الذي يجعل تصنيع رقائق أشباه الموصلات معقدًا للغاية؟

على الرغم من أن الشريحة صغيرة جدًا من حيث الحجم ، إلا أنها تنطوي على أكثر العمليات تعقيدًا وتكلفة. فيما يلي قائمة بالعوامل التي تجعل من الصعب على أي شركة دخول هذه الصناعة-

• يتطلب الأمر أرضًا ، وتصاريح ، وبنية تحتية طبيعية ، وكهرباء ، وآلات معقدة ، ومهلة تزيد عن عامين لإنشاء مصانع تصنيع ضخمة باهظة الثمن ، ومصانع تصنع هذه الرقائق. في عام 2021 ، أعلنت سامسونغ عن خطط لافتتاح مصنع رقاقات بقيمة 17 مليار دولار في تكساس في عام 2024.
• يعد تصنيع الرقاقة أيضًا إجراءً معقدًا يستغرق وقتًا طويلاً. يستغرق تحويل السيليكون الخام إلى تلك الشريحة النهائية التي يتم وضعها في الأجهزة ما يقرب من 3 أشهر.
• عملية التصنيع على المستوى الذري وتتطلب معدات مصنع باهظة الثمن.
• يجب أيضًا أن تكون الغرف التي يتم فيها وضع السيليكون في آلات تصنيع الرقائق خالية تمامًا من الغبار. ذرة واحدة من الغبار يمكن أن تضيع كل الجهود وملايين الدولارات.
• يتضمن إنتاج رقائق أشباه الموصلات شبكة معقدة من الشركات التي تنتجها أو تصممها ، جنبًا إلى جنب مع تلك التي تزود التكنولوجيا والمواد والآلات المطلوبة.

كيف أثرت الحرب الروسية الأوكرانية على الصناعة بشكل أكبر؟

النيون مطلوب لأشعة الليزر المستخدمة في الطباعة الحجرية لإنتاج الرقائق. في العام الماضي ، بلغ الاستهلاك العالمي من النيون لتصنيع الرقائق حوالي 540 طنًا متريًا. أدت الحرب الروسية الأوكرانية إلى تفاقم النقص العالمي في الرقائق لأن أكثر من نصف نيون العالم يتم إنتاجه من قبل شركتين أوكرانيين فقط - Ignas و Cryin الذين اضطروا إلى إغلاق عملياتهم. لذلك ، سيكون لهذا تأثير شديد على صناعة أشباه الموصلات. علاوة على ذلك ، يمكن أن تتأثر إمدادات البلاديوم الروسية أيضًا بسبب الحرب. يمكن أن يكون لنقص البلاديوم الضروري للمحولات الحفازة المطبقة في أنظمة عادم السيارات تأثير غير مباشر على صناعة أشباه الموصلات عن طريق تقليل الطلب على الرقائق من قبل شركات صناعة السيارات.

استنتاج

تحتاج مسابك أشباه الموصلات إلى استثمار رأسمالي ضخم بمليارات الدولارات وفترة زمنية طويلة لتأسيسها. علاوة على ذلك ، لا تستطيع هذه المسابك إنتاج الرقائق بوتيرة سريعة جدًا لأن عملية التصنيع تستغرق أيضًا وقتًا وتتطلب معدات باهظة الثمن. كل هذا يجعل من الصعب على أي شركة الدخول في الصناعة وحتى لو قامت أي شركة بذلك ، يصبح من الصعب عليها التنافس مع السمكة الكبيرة وتحقيق الأرباح. لهذا السبب عندما يتعلق الأمر بمصنعي شرائح أشباه الموصلات ، لا نسمع سوى عدد قليل من الأسماء التي اكتسبت حصة سوقية ضخمة في الصناعة بمرور الوقت.

أسئلة وأجوبة

مم تتكون رقائق أشباه الموصلات؟

أشباه الموصلات التي يشار إليها أيضًا باسم الدوائر المتكاملة (ICs) أو الرقائق الدقيقة ، مصنوعة من السيليكون النقي.

من هو أكبر مصنع لرقائق أشباه الموصلات؟

شركة TSMC التايوانية هي أكبر مصنع لرقائق أشباه الموصلات.

ما هي أفضل 5 شركات أشباه موصلات للاستثمار فيها؟

شركة Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd (TSMC) ، Intel Corp (INTC) ، Nvidia (NVDA) ، Advanced Micro Devices Inc (AMD) ، Micron (MU).