Кто производит чипы? Обзор и перспективы.

В настоящее время (2020-2022гг) наблюдается острый дефицит чипов, который сказывается на производстве ряда товаров. Наиболее чувствительна автомобильная отрасль. Периодически выходят новости о приостановке конвейеров в Ford, GM и др. Для понимания того, что происходит в этой отрасли и какие компании являются лидерами, представлен анализ текущего положения дел.

Полупроводниковая отрасль

С 1985 года появление микропроцессоров кардинально изменили все сферы жизни людей. Сегодняшний мобильный телефон обладает вычислительной мощностью большей, чем промышленные компьютеры прошлого века. Современный автомобиль в среднем может содержать более пятидесяти микропроцессоров.

Развитие микропроцессоров привело к появлению таких новых продуктов и сфер, как мобильные телефоны и интернет, а также значительно продвинуло вперед медицину и изменило тактику и стратегию современной войны.

Объем продаж мировой полупроводниковой промышленности вырос с 21 миллиарда долларов в 1985 году до прогнозируемых 600 миллиардов долларов в 2022 году. При этом объем рынка товаров, содержащих чипы составляет десятки триллионов долларов.

Общая схема полупроводниковой экосистемы достаточно простая и представляет собой производство чипов, которые в дальнейшем используются
при создании конечного продукта. Однако, дело обстоит не так просто. Схематично это можно представить в виде пирамиды.

Далее мы подробно рассмотрим каждый слой направления.

В полупроводниковой промышленности существует семь различных типов компаний, каждый из которых участвует в создании конечного продукта:

1. Проектирование микросхем (IP cores)
   
2. Разработка инструментов автоматизации электронного проектирования (EDA)
   
3. Производство специализированных материалов
   
4. Оборудование для производства пластин (WFE)
   
5. Безфабричные компании, производящие чипы
   
6. Производители полного цикла (IDM)
   
7. Литейные заводы
   

1. Проектирование микросхем (IP cores)

На рынке существует около 150 компаний, которые разрабатывают и лицензируют дизайны чипов – в качестве программных строительных блоков, называемых IP cores.

Например, Apple лицензирует IP-cores от ARM для своих микропроцессоров в iPhone и компьютеров.

2. Разработка инструментов автоматизации электронного проектирования (EDA)

На базе IP cores инженеры разрабатывают чипы, используя специализированное программное обеспечение для автоматизации электронного проектирования (EDA).

EDA в дизайне микросхем чрезвычайно важна. Сложность и компактность дизайна микросхем в значительной степени зависит от программного обеспечения EDA.

Объем рынка программного обеспечения EDA оценивается на уровне около 10,5 млрд долларов США, из которых Synopsys, Cadence и Mentor (в настоящее время входит в состав Siemens) занимают примерно 32%, 22% и 10% рынка соответственно. То есть их совокупная доля превышает 64%.

Ранее требовалось до трех лет, чтобы спроектировать сложный логический чип, подобный тому, что используется внутри телефона, компьютера или сервера. Сегодня, по мере того как чипы продолжают усложняться, проектирование осуществляется с использованием искусственного интеллекта, что повышает автоматизацию и сокращает процесс разработки.

3. Специализированные материалы и химикаты

После проектирования, чип производиться на фабрике с использованием специализированных материалов, химикатов и оборудования.
Для выращивания кристаллов, из которых изготавливают кремневые пластины, требуется более 100 разных газов – объемные газы (кислород, азот, двуокись углерода, водород, аргон, гелий) и другие экзотические / токсичные газы (фтор, трифторид азота, арсин, фосфин, трифторид бора, диборан, силан, и список можно продолжать ...). Также - жидкости (фоторезисты, верхние слои, суспензии CMP), фотомаски. Требуется специализированное оборудование – печи для выращивания кристаллов, оборудование для обработки вафель, нарезка кубиками, радиочастотные генераторы и др.

4. Оборудованием для производства полупроводниковых пластин (WFE)

Оборудование для производства чипов, является одним из самых сложных (и дорогих) машин, которые на атомном уровне формируют из кремния чипы. В настоящее время основными производителями данного оборудования выступают пять компаний – Applied Materials, KLA, LAM, Tokyo Electron и ASML. Основной лидер нидерландская компания ASML. Стоимость одного комплекса около 500 млн. долларов США, для фабрики требуется минимум 10 единиц.

5. Бесфабричная компании по производству чипов

Бесфабричные производители чипов – это компании, которые осуществляют проектирование чипов для своих устройств (Apple, Google, Amazon и др.) или для продажи сторонним производителям (AMD, Nvidia, Qualcomm, Broadcom и др.), не осуществляя их производство. Данные кампании обращаются в литейные заводы для производства чипов (см.ниже)

Ранее данные компании использовали в своих товарах чипы чужих производителей или имели у себя производственные мощности. В настоящее же время, они осуществляют только проектирование микросхемы на базе IP-cores с использованием EDA (см.выше). Далее они направляют проекты дизайнов новых чипов в полупроводниковые литейные заводы. Полученные чипы могут быть использованы в собственных устройствах или проданы сторонним компаниям.

Одним словом, бесфабричные компании не владеют оборудованием для производства пластин и не используют специализированные материалы или химикаты. Они осуществляют только проектирование чипов.

6. Производители чипов (IDM)

Производители интегрированных устройств (IDM) - это компании полного цикла производства и продажи чипов. Они с использованием IP-cores и EDA разрабатывают чипы и далее производят их на собственном оборудовании. В последнее время они также стали прибегать к литейным заводам.

Существует три категории IDM – Память (например, Micron, SK Hynix), Логика (например, Intel), Аналоговые (TI, Аналоговые устройства).

Средняя стоимость создания и производства нового передового чипа (3 нм) составляет около 500 миллионов долларов.

7. Полупроводниковые литейные заводы

Литейные заводы занимаются исключительно производством полупроводников без проектной составляющей. Они покупают специализированное оборудование от различных производителей, материалы и химикаты. Они разрабатывают, оптимизируют и внедряют новые технологические процессы по производству чипов.

На сегодняшний день лидером выступает компания TSMC на Тайване. Производственная мощность составляет около 13 миллионов пластин диаметром 300 мм в год. Она производит чипы для клиентов с технологическими узлами от 2 микрон до 5 нанометров. В число крупнейших клиентов TSMC входят Apple и Huawei. Samsung занимает второе место. Несмотря на то, что занялась данным бизнесом относительно недавно (2006г.). Есть также компании в США, Китае, Израиле, Ю.Кореи.

Стоимость строительства завода/фабрики по производству чипов оценивается около 20 млрд. долларов США. На таких заводах производят пластины (12 дюймов), на которых размещается около двух триллионов транзисторов. Интересный факт, по технологии производства подложка пластин с чипами изготавливается в виде диска (нарезается кремневый стержень), а сами чипы – в форме квадратов. Причина такой формы чипов очень простая – в форме квадрата больше размещается чипов на круглой подложке.

Общий процесс работы фабрик по производству чипов

Производители чипов (IDM) и полупроводниковые литейные заводы имеют фабрики, на которых установлено специализированное оборудование, организовано хранение сырья и материалов и т.п. Разница между IDM и литейными заводами в том, что первые делаю чипы для себя, а вторые – для заказчиков. Фабрики могут специализироваться на разные технологии.

Для более полного понимания процесса производства чипов, можно привести аналогию с книгопечатанием. Точно так же, как автор пишет книгу, используя особенности своего языка и текстовый редактор, производители разрабатывают чипы, используя IP cores и автоматизированные программы проектирования (EDA).

Далее автор заключает контракт с издателем, который отправляет рукопись в типографию. Также и производитель выбирает Фабрику, соответствующий его типу микросхемы (память, логика, радиочастотный, аналоговый).

Типография закупает бумагу и чернила. Фабрика покупает сырье; кремний, химикаты, газы.

Типография закупает печатное оборудование, прессы, переплетчики, триммеры. Фабрика закупает оборудование для производства пластин, травители, напыление, литографию, тестеры, упаковку.

Процесс печати книги использует офсетную литографию, съемку, зачистку, чертежи, изготовление печатных форм, переплет и обрезку. Чипы изготавливаются в сложном процессе манипулирования атомами с использованием травителей, осаждения, литографии.

Типография выпускает тысячи экземпляров одной и той же книги. Также и Фабрика - миллионы копий одного и того же чипа.

Производство микросхем, являются одним из самых сложных товаров и состоит из более чем 1000 этапов.

Перспективы развития отрасли

Технологии

Производители создают всю более сложные чипы с большей плотностью. Внутри чипа поместили несколько специализированных процессоров. Чипы стали более плотными за счет укладки их более чем в 100 слоев.

Для создание таких чипов требуется более сложное программное обеспечение по их проектированию. В последнее время активно внедряется искусственный интеллект для автоматизации отдельных частей проектирования. Это в свою очередь также влияет на разработку нового оборудования для «литья» чипов, которое должно обеспечить производство чипов с меньшей мощностью, лучшей производительностью, оптимальным соотношением площади и стоимости и более быстрым выводом на рынок.

Бизнес-модели

Бизнес-модели производителей микросхем быстро меняются. Ранее, модель в виде вертикально интегрированного холдинга с полным производственным процессом давал огромное конкурентное преимущество (IDM). Ярким примером является конкуренция между Intel и AMD, где первая компания работает как IDM, а вторая – как безфабричная компания. AMD пока выигрывает.

Литейные заводы имеют экономию за счет масштаба и стандартизации.

Геополитика

В настоящее время производство и проектирование чипов стало играть значительно большую роль чем просто ИТ-технология. Страна, которая будет контролировать это производство, может подавить военную и экономическую мощь других стран. Как следствие, обеспечение стабильных поставок чипов стало национальным приоритетом в США и Китае. Эти страны пытаются отделить свои полупроводниковые экосистемы друг от друга.

Китай выделяет более 100 миллиардов долларов государственных стимулов на создание своей инфраструктуры по производству и проектирования чипов.

В свою очередь США стимулируем возвращение фабрик и производства чипов в США.

Отрасль, которая раньше представляла интерес только для технарей, теперь является одним из ключевых направлений в конкурентной борьбе великих держав.

Источники:

1. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. Дэвид М. Хэррис и Сара Л. Хэррис
   
2. https://www.semiconductors.org/global-semiconductor-sales-increase-24-year-to-year-in-october-annual-sales-projected-to-increase-26-in-2021-exceed-600-billion-in-2022/
   
3. https://www.codetd.com/ru/article/12295324
   
4. https://www.linde-gas.com/en/images/Gasworld%20-%20Creating%20a%20Semiconductor%20FEB18_tcm17-477345.pdf
   
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82
   
6. https://www.surfaceconditioning.saint-gobain.com/news/choosing-best-cmp-slurry
   
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%88%D0%B0%D0%B1%D0%BB%D0%BE%D0%BD
   
8. https://www.microwavejournal.com/articles/21140-rf-technology-in-semiconductor-wafer-processing
   
9. https://wikiboard.ru/wiki/Wafer_fabrication
   
10. https://habr.com/ru/company/dcmiran/blog/490682/
    
11. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B5%D1%81%D1%84%D0%B0%D0%B1%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F
    
12. https://books.google.ru/books?id=cTABIcYYWDgC&pg=PA8&dq=Integrated+device+manufacturer&redir_esc=y#v=onepage&q=Integrated%20device%20manufacturer&f=false
    
13. https://steveblank.com/
    
14. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B8%D1%81%D0%BE%D0%BA_%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B8%D0%B7%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%81%D1%82%D0%B2
    
15. https://technosports.co.in/2020/12/18/top-10-semiconductor-foundries-of-the-world/
    
16. https://zen.yandex.ru/media/mbnw/pochemu-kremnievaia-plastina-kruglaia-a-mikroshemy-na-nei-delaiut-kvadratnymi-60aab3d7288764247f5c9d62