Дефицит современных чипов или немного о том из за чего все дорожает
Каждый, кто по своей профессии как-либо связан со сферой безопасности и так или иначе вынужден сталкиваться с покупкой оборудования для построения систем видеонаблюдения, домофонии, сигнализации или СКУД не мог не заметить, что в последнее время на рынке проявляется одна очень настораживающая тенденция – цены на практически любое высокотехнологичное оборудование (а сейчас практически всё оборудование, что обеспечивает безопасность, относится именно к этой категории) стали резко расти.
Коснулась эта тенденция практически всех высокотехнологичных отраслей, но именно в сфере систем безопасности её воздействие за последние несколько месяцев стало очень заметно. И причиной её возникновения стал мировой кризис недопроизводства полупроводниковых чипов – производства банально не справляются с растущими потребностями, ведь на сегодняшний день полупроводники применяются везде: от бытовой техники до авиации.
А там, где возникает дефицит, непременно растут цены.
Казалось бы – что мешает производителям чипов просто увеличить объемы производства и удовлетворить растущий спрос, ведь им это выгодно?
Однако, не всё так просто. Читайте нашу небольшую статью и поймете, почему.
Нехватка полупроводников бьет по автопроизводителям и техногигантам, вызывая всеобщую озабоченность, от Вашингтона до Брюсселя и Пекина.
Нагрянувший кризис поставил перед политиками, покупателями и инвесторами фундаментальный вопрос: почему нельзя просто взять и увеличить производство микросхем?
На этот вопрос существует два ответа: простой и сложный.
Простой состоит в том, что производство чипов - невероятно сложный процесс, и он становится только сложнее. "Это не ракетостроение — это намного сложнее", - гласит одна из внутренних отраслевых шуток. Сложный же ответ заключается в том, что на строительство предприятий по производству полупроводников уходят годы и миллиарды долларов инвестиций. Даже при наличии таких ресурсов никто не может гарантировать бизнесу успех: в этой отрасли экономика настолько жестока, что в ней можно проиграть, если ваш производственный опыт будет даже незначительно отставать от опыта конкурентов. Бывший глава корпорации Intel Крейг Барретт назвал микропроцессоры своей компании самыми сложными устройствами, когда-либо созданными человеком.
Именно поэтому страны сталкиваются с такими трудностями в достижении полупроводниковой самодостаточности. Китай назвал независимость в области производства микросхем главным приоритетом национальной политики в своем последнем пятилетнем плане, а президент США Джо Байден пообещал построить защищенную американскую цепочку поставок за счет возрождения отечественного производства. Даже Евросоюз обдумывает меры по производству собственных чипов. Но успех не гарантирован ни для кого.
На производство одного чипа обычно уходит более трех месяцев. В нем задействованы гигантские фабрики, стерильные помещения, машины стоимостью в несколько миллионов долларов, расплавленное олово и лазеры. Конечная цель состоит в том, чтобы превратить кремниевые пластины - элемент, извлекаемый из простого песка - в сеть из миллиардов крошечных переключателей, называемых транзисторами. Они, свою очередь, образуют основу схемы, которая в итоге обеспечит критически важные функции для телефона, компьютера, автомобиля, стиральной машины или спутника.
Большинство микросхем — это группы схем, которые запускают программное обеспечение, манипулируют данными и управляют функциями электронных устройств.
Организация этих схем обуславливает их конкретное назначение. Производители микросхем стремятся поместить большее число транзисторов в микросхемы, повышая тем самым производительность и делая устройства более энергоэффективными.
Первый микропроцессор Intel - серия 4004 - был выпущен в 1971 году и содержал всего 2300 транзисторов с размером узла 10 микрон, или 10 миллионных долей метра. Однако бесспорное лидерство Intel в последующие десятилетия закончилось в период между 2015 и 2020 годами, когда конкуренты компании - Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. и Samsung Electronics Co. - начали создавать чипы с более совершенными транзисторами, размером до 5 нанометров (т.е. 5 миллиардных долей метра).
Для сравнения, средний человеческий волос имеет толщину 100 000 нанометров. То есть, Вы понимаете, с какими размерами приходится иметь дело при производстве чипов. И вот тут кроется первая загвоздка, мешающая быстрому масштабированию производства.
Прежде чем перейти к переработке кремния в микросхемы, нужно создать стерильные помещения. КРАЙНЕ стерильные помещения. Отдельные транзисторы могут быть во много раз меньше вируса. Всего одна пылинка грозит спровоцировать хаос и многомиллионные убытки. Чтобы снизить этот риск, производители микросхем размещают свои производственные машины в помещениях, в которых практически нет пыли.
Чтобы поддерживать такую среду, воздух подвергается постоянной фильтрации, а в помещение допускается заходить очень ограниченному числу людей. Если на линии по производству чипов появляется более одного или двух рабочих, с ног до головы закутанных в защитное снаряжение, скорее всего, что-то пошло не так. Настоящие гении, стоящие за дизайном и разработкой полупроводников, работают за много миль от производственной площадки.
Даже при соблюдении всех мер предосторожности к кремниевым пластинам ни в коем случае нельзя прикасаться или подвергать их воздействию воздуха. Они перемещаются между машинами в специальных картриджах, которые переносят роботы, бегущие по рельсам в потолке. Пластины покидают эти картриджи, только попадая внутрь специальных машин, и тогда наступает ключевой шаг в этом процессе. И именно этот шаг, из-за его сложности, а также стоимости оборудования, необходимого для его выполнения, является вторым препятствием, мешающим увеличить производство чипов «легко и быстро». Называется он – литография.
Чипы состоят из 100 слоев материалов. Они подвергаются отложению, а затем частично удаляются, формируя сложные трехмерные структуры, которые соединяют все крошечные транзисторы. Некоторые из этих слоев имеют толщину всего в один атом.
Для обеспечения такого тонкого процесса машины производства Applied Materials Inc., Lam Research Corp. и Tokyo Electron Ltd. манипулируют множеством переменных, таких как температура, давление, электрические и магнитные поля.
Одна из самых сложных частей процесса - литография, которая выполняется на машинах производства ASML Holding NV. В оборудовании компании для выжигания узоров на материалах, нанесенных на кремний, используется свет. Такие узоры со временем становятся транзисторами. Все это происходит в настолько мелком масштабе, что единственный на сегодняшний день способ сделать это - использовать крайний ультрафиолетовый свет, который обычно существует только в естественных условиях в космосе.
Чтобы воссоздать это в контролируемой среде, машины ASML выжигают с помощью лазерного импульса расплавленные капли олова. При испарении металл излучает тот самый необходимый ультрафиолетовый свет.
Но даже этого недостаточно. Чтобы фокусировать свет на более тонкую длину волны необходимы специальные зеркала.
То есть, мы с Вами теперь понимаем, что для производства полупроводниковых чипов требуются абсолютно запредельная чистота и ни с чем не сравнимая точность.
Естественно, что для того, чтобы их обеспечить, от производителя требуются огромные финансовые вложения. Они настолько огромны, что уже построенные заводы работают 24 часа в сутки, семь дней в неделю.
Строительство фабрики начального уровня, производящей 50 000 пластин в месяц, обходится в примерно 15 миллиардов долларов. Причем большая часть этой суммы уйдет на специализированное оборудование.
Продажи на рынке подобного оборудования в 2020 году впервые превысили 60 миллиардов долларов.
Чем больше этим занимаешься, тем лучше дается производство. Выход годных изделий - доля не забракованных чипов - является ключевым показателем эффективности. Если он ниже 90%, то у вас явная проблема. Однако производители микросхем способны преодолеть этот уровень, только многократно извлекая дорогостоящие уроки из своих неудач и применяя полученные знания на практике.
Жестокая экономика этой отрасли означает, что лишь малое число игроков может позволить себе роскошь успевать за лидерами. Большая часть из примерно 1,4 миллиарда процессоров для смартфонов, поставляемых ежегодно, производится TSMC.
Intel принадлежит 80% рынка компьютерных процессоров. Samsung доминирует в чипах памяти.
Всем остальным, в том числе китайским компаниям, очень сложно ворваться в этот круг крупных игроков.
Из-за вышеописанных особенностей отрасли – мелкие компании в данном случае не смогут легко занять возникший на рынке чипов вакуум, как это обычно происходит в других сферах, где крупные компании медленно реагируют на изменившуюся конъюнктуру.
В нашем случае – «мелочь» просто не потянет постройку заводов, объем производства которых сможет заметно изменить ситуацию.
Поэтому будем ждать, когда динозавры индустрии, Intel, Samsung и TSMC, все-таки «проснутся» и как-то отреагируют на ситуацию. А это, скорее всего, произойдет не в этом году, так как объем необходимых средств для экстренного расширения производства нужно еще собрать – вряд ли даже у крупных компаний имеются такие незадействованные финансовые резервы, что называется, «на руках». Плюс время, необходимое для, собственно, строительства новых производств. Так что придется нам всем затянуть пояса и потихоньку привыкать к новым ценам на микроэлектронику, ожидая хороших новостей о преодолении кризиса.
Хотите знать актуальные новости из мира технологий для безопасности ? ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на наш ТМ КАНАЛ