De ce producția de semiconductori este grea și doar câteva companii o produc?

Știți cu toții că cipurile semiconductoare sunt folosite în aproape fiecare dispozitiv electronic pe care îl cumpărăm. Ei intră în computere, smartphone-uri, gadget-uri, mașini, avioane, echipamente medicale, sisteme militare și altele. Lumea se confruntă în prezent cu o penurie globală de cipuri semiconductoare, ceea ce a ridicat întrebarea de ce nu pot mai multe companii să intre în producția de cipuri semiconductoare. Să ne aprofundăm în industria semiconductoarelor prin intermediul acestui articol pentru a ști care sunt complexitățile care nu permit multor companii să intre în industrie.

De ce sunt cipurile semiconductoare la știri?

În 2021, deficitul global de cipuri a fost mult în știri, iar companii precum Apple, Tesla, Tata Motors și Samsung Electronics au fost nevoite să se înfometeze după cipuri semiconductoare. Un total de 169 de industrii au fost afectate de deficit, industria auto fiind cea mai grav afectată.

Au fost mai mulți factori care au dus la o astfel de penurie globală. Unii dintre ei sunt:

• Creșterea cererii de electronice necesare pentru lucrul de acasă în timpul pandemiei
• Lipsa forței de muncă din cauza restricțiilor de izolare
• Secetă în Taiwan
• Războiul comercial dintre SUA și China.

Stocarea cipurilor semiconductoare a făcut țările să realizeze că producția de cipuri este concentrată doar în câteva țări din Asia de Est. Așadar, în acest an, țările din întreaga lume vin cu planuri de a construi capacitatea de producție pentru aceste cipuri semiconductoare, astfel încât să devină autosuficiente și să reducă dependența de import. India va cheltui aproximativ 30 de miliarde de dolari pentru a dezvolta ecosistemul lanțului de aprovizionare cu semiconductori. De asemenea, SUA ia în considerare implementarea CHIPS for America Act pentru a oferi 52 de miliarde de dolari pentru producția de cipuri și sprijin guvernamental giganților semiconductorilor. Legea urmărește să ofere asistență financiară pentru construcția, extinderea sau modernizarea unei fabrici de fabricare a semiconductoarelor din Statele Unite.

Industria cipurilor semiconductoare - Istoria și prezentul

În 1958, Jack Kilby, un inginer electronic la Texas Instruments, a creat primul circuit integrat care este strămoșul microcipurilor moderne. A fost o mare și revoluționară invenție a secolului al XX-lea. Industria semiconductoarelor a început în jurul anului 1960, iar veniturile din vânzări au depășit pragul de 1 miliard de dolari până în 1966. În 2022, industria globală de cipuri de semiconductori este de așteptat să atingă aproximativ 600 de miliarde de dolari. Dar foarte puține companii din lume pot produce cipuri semiconductoare și chiar mai puține le pot face profitabil. Să înțelegem de ce este așa, aprofundând în industria cipurilor semiconductoare și a procesului său de fabricație.

Modelul și jucătorii majori ai industriei semiconductoarelor

Industria semiconductoarelor este dominată de companii din Taiwan, SUA, Coreea de Sud, China, Japonia și Țările de Jos, unde producția de semiconductori are sprijin guvernamental, infrastructură dezvoltată și economii de scară.

Industria se bazează pe un model în care fabricarea, proiectarea și dezvoltarea sunt distribuite între diferite companii și filialele lor din întreaga lume. Companiile de turnătorie precum TSMC și GlobalFoundries sunt implicate numai în producție. Companii de semiconductori fabuloase precum AMD, Nvidia externalizează producția către o fabrică de fabricație terță și proiectează doar dispozitivul. Producătorii de dispozitive integrate (IDM) precum Intel și Samsung produc (intern), proiectează și vând produse de circuite integrate.

Jucătorii majori din industrie sunt TSMC (Foundry), Samsung Electronics (IDM), Intel (IDM) și Qualcomm (Fabless).

Tabel reprezentând primele 8 companii de semiconductori, tipul și țara acestora.

Numai TSMC din Taiwan produce un procent mare, adică mai mult de 50% din semiconductori din lume. Este cea mai mare turnătorie din lume. Apple, care este cel mai mare consumator de cipuri și cele două mari companii de semiconductori fără fabule, Nvidia și Qualcomm, sunt clienții doar ai TSMC. Samsung, compania rivală a TSMC, a anunțat că va investi 355 de miliarde de dolari pentru a produce cipuri de 3 nm pentru a depăși TSMC.

Procesul de fabricare a cipurilor semiconductoare

Cipurile semiconductoare sunt realizate folosind un semiconductor, siliciu. Procesul de fabricare a cipurilor semiconductoare implică mai mult de 59 de tipuri de echipamente și diferiți pași care trebuie repetați pentru a crea straturi într-un cip. Un cip poate consta din până la 100 de straturi, ceea ce înseamnă că pașii trebuie repeți în același număr.

Placile de siliciu extrase din nisip sunt transformate în tranzistoare care formează baza unui grup de circuite numite cipuri. Următorii pași descriu procesul de creare a unui strat într-un cip semiconductor -

• Primul pas este să acoperiți napolitanele cu substanțe chimice fotosensibile și materiale rezistente la lumină.
• Apoi, există litografia efectuată în a doua etapă în care plachetele de siliciu acoperite sunt expuse la lumina UV în interiorul unei mașini de litografie. Lumina este trecută printr-o mască care conține modelul cipului pe napolitana pentru a imprima modelul. Acest proces face posibilă construirea a sute de cipuri pe o singură placă de siliciu.
• Zona expusă la lumină se întărește apoi, iar zonele moi neexpuse sunt gravate de gaze fierbinți.
• Următorul pas implică utilizarea gazelor ionice pentru a modifica proprietățile conductoare ale stratului creat prin adăugarea unor impurități și apoi, în final, legăturile metalice sunt așezate între tranzistori, creând astfel un strat complet.

Toți acești pași trebuie repetați pentru a crea straturi ulterioare.

De ce nu putem produce mai multe chipsuri pentru a satisface cererea în creștere?

Dacă există o lipsă de cipuri, atunci de ce mai multe companii nu intră în producția de cipuri de semiconductori și nu reduc acest decalaj dintre cerere și ofertă? Ei bine, pentru a cunoaște răspunsul la această întrebare, trebuie să înțelegem mai întâi complexitatea producerii de cipuri și a industriei semiconductoarelor.

Ce face ca fabricarea cipurilor semiconductoare să fie atât de complicată?

Deși cipul este un lucru mic în ceea ce privește dimensiunea, implică cele mai complicate și costisitoare procese. Iată lista factorilor care fac dificilă intrarea oricărei companii în această industrie -

• Este nevoie de teren, autorizații, infrastructură naturală, electricitate, mașini complicate și un termen de mai mult de 2 ani pentru a înființa fabricile și fabricile de fabricație mega scumpe care construiesc aceste cipuri. În 2021, Samsung a anunțat planuri pentru o fabrică de cipuri de 17 miliarde de dolari în Texas care urmează să fie deschisă în 2024.
• Fabricarea unui cip este, de asemenea, o procedură complexă care necesită o perioadă considerabilă de timp. Este nevoie de aproape 3 luni pentru a transforma siliciul brut în acel cip final care este introdus în dispozitive.
• Procesul de fabricație este la nivel atomic și necesită echipamente scumpe din fabrică.
• De asemenea, încăperile în care se pune siliciul în mașinile de fabricare a cipurilor trebuie să fie absolut fără praf. O singură bucată de praf poate irosi toate eforturile și milioane de dolari.
• Producția de cipuri de semiconductori implică o rețea complexă de companii care le produc sau proiectează, împreună cu cele care furnizează tehnologia, materialele și utilajele necesare.

Cum a avut și mai mult impact războiul Rusia-Ucraina asupra industriei?

Neonul este necesar pentru laserele utilizate în litografie pentru producerea de cipuri. Anul trecut, consumul global de neon pentru fabricarea așchiilor a fost de aproximativ 540 de tone metrice. Războiul dintre Rusia și Ucraina a înrăutățit deficitul global de cipuri, deoarece mai mult de jumătate din neonul mondial este produs doar de două companii ucrainene - Ignas și Cryin, care au fost nevoiți să-și închidă operațiunile. Deci, acest lucru va avea un impact intens asupra industriei semiconductoarelor. Mai mult, aprovizionarea cu paladiu a Rusiei poate fi afectată și din cauza războiului. Lipsa de paladiu, care este esențială pentru convertoarele catalitice aplicate în sistemele de evacuare ale automobile, poate avea indirect un impact potențial asupra industriei semiconductoarelor, prin cererea mai mică de cipuri de către producătorii de automobile.

Concluzie

Turnătoriile de semiconductori au nevoie de o investiție de capital uriașă de miliarde de dolari și de o perioadă considerabilă de timp pentru a fi înființate. Mai mult decât atât, aceste turnătorii nu pot produce așchii într-un ritm foarte rapid deoarece procesul de fabricație necesită, de asemenea, timp și necesită echipamente scumpe. Toate acestea fac dificil pentru orice companie să intre în industrie și chiar dacă orice companie face acest lucru, devine dificil pentru ei să concureze cu peștii mari și să facă profit. De aceea, când vine vorba de producătorii de cipuri semiconductoare, ajungem să auzim doar câteva nume care au dobândit o cotă de piață uriașă în industrie de-a lungul timpului.

Întrebări frecvente

Din ce sunt făcute cipurile semiconductoare?

Semiconductorii, denumiți și circuite integrate (CI) sau microcipuri, sunt fabricați din siliciu pur.

Cine este cel mai mare producător de cipuri semiconductoare?

TSMC din Taiwan este cel mai mare producător de cipuri semiconductoare.

Care sunt cele mai bune 5 companii de semiconductori în care să investești?

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