В феврале 2019 года, за год до вспышки, SIA (Semiconductor Industry Association of America) объявила, что только в 2018 году было продано рекордное количество чипов «более 1 триллиона». Согласно недавнему отчету в Wall Street Journal, полупроводники являются четвертым наиболее продаваемым продуктом в мире после сырой нефти, нефтепродуктов и автомобилей.
За этим последовало заявление президента США Джо Байдена, прямо назвав чипы «инфраструктурой», подтвердив, что нет никакой двусмысленности в том, что полупроводниковые чипы, которые пользуются большим спросом, являются новой единой валютой. Их способность выполнять миллионы сложных операций и их энергоэффективность сделали полупроводники ключевым компонентом почти каждой отрасли, стимулируя мировую экономику.
Сегодня смартфон обладает гораздо большей вычислительной мощностью, чем компьютер, который НАСА использовало, чтобы отправить человека на Луну в 1969 году. Более того, почти все новые технологии, такие как искусственный интеллект, облачные вычисления, квантовые вычисления, передовые беспроводные сети, блокчейн-приложения, майнинг биткойнов, 5G, Интернет вещей, самоуправляемые автомобили, беспилотные летательные аппараты, робототехника, игры и носимые устройства, управляются этими дискретными технологиями. Но очень сложные полупроводники. Согласно новому отчету Juniper Research, количество одних только устройств Iot достигнет 46 миллиардов к концу 2021 года. Каждое из этих устройств будет питаться от полупроводника.
Полупроводники имеют решающее значение для высокопроизводительных приложений в электронике и производстве, сельском хозяйстве, здравоохранении, инфраструктуре, развлечениях, телекоммуникациях, транспорте, управлении энергией, военных системах и аэрокосмической промышленности.
Столп нескольких отраслей
Начнем с самого важного здравоохранения - полупроводники являются неотъемлемой частью клинической диагностики, терапии и пост-реабилитационных вмешательств. Полупроводниковые устройства, такие как магнитно-резонансная томография (МРТ), кардиостимуляторы, мониторы артериального давления, анализаторы газов крови, беспроводные мониторы пациентов и вентиляторы, спасают жизни каждый день. Некоторые хирургические процедуры революционизируются с использованием роботизированных хирургических систем, которые поддерживают чипы.
Только для лечения Covid тестовое оборудование, кислородные мониторы и почти все системы жизнеобеспечения полагаются на полупроводники. Кроме того, межстрановое распределение вакцин, сертификация на основе приложений, беспилотные летательные аппараты, доставляющие лекарства для жизнеобеспечения, обеспечение постоянного потока данных в военную комнату COVID-19 - все это зависит от кремниевых пластин.
Прогнозы исследования рынка показывают, что веб-интегрированные беспроводные медицинские устройства, 3D-печать носимых устройств и органов, а также медицинские устройства, оснащенные полупроводниками, станут ключевыми факторами для обеспечения новых и творческих подходов к здравоохранению в будущем. Мировой рынок автомобильных полупроводников стоил $48,13 млрд в 2020 году и, как ожидается, достигнет $129,17 млрд к 2026 году.
Автопроизводители интегрируют автомобильные электрические системы, которые требуют силовых диодов и регуляторов с превосходной надежностью. Автомобильные полупроводниковые АСУ ТП с различными функциями используются в различных автомобильных продуктах, таких как навигационные элементы управления, информационно-развлекательные системы и системы обнаружения столкновений. Современный подключенный самоуправляемый автомобиль может легко иметь более 3000 чипов с новейшими технологическими возможностями. В ситуациях, когда нынешняя пандемия заставляет «все удаленно» — будь то бизнес, учеба, развлечения или общение с друзьями и семьей — полупроводники поддерживают техническую инфраструктуру, необходимую для поддержания сетей связи, а не традиционную физическую среду.
Во время этой пандемии организации смогли плавно перевести свои операции в онлайн с помощью цифровых полупроводниковых устройств и технологий и позволить людям работать безопасно и удаленно без помех. Эта цифровая трансформация открыла новый мир возможностей для полупроводниковой промышленности.
Ездит на чипе
Новые технологии, особенно Интернет вещей, искусственный интеллект, дополненная и расширенная реальность и блокчейн, становятся все более заметными в различных отраслях. По мере того, как этим приложениям уделяется все больше внимания по всему спектру, растет потребность в специализированных датчиках, интегральных схемах, улучшенной памяти и улучшенных процессорах.
Многие умные города по всему миру стремятся к значительному улучшению городских услуг и критически важной гражданской инфраструктуры для своих граждан. Для этого им необходимо подключить практически все аспекты муниципальной инфраструктуры к различным устройствам, которые в свою очередь будут подключены к физическим лицам. Эта взаимосвязанная инфраструктура будет питаться полупроводниками.
Мобильные сети пятого поколения предназначены для подключения практически всех и вся — машин, объектов и устройств; Обеспечьте пиковую скорость передачи данных; Достижение сверхнизкой задержки; Повышенная надежность; Огромная пропускная способность сети; Более высокое удобство использования и более унифицированный пользовательский интерфейс. В основе этого следующего поколения технологий передовые полупроводниковые чипы с меньшими узлами и большей эффективностью обеспечат критические, быстрые и высокопроизводительные вычисления.
Достижения в области полупроводниковых технологий
Разделительной линией между производством средне- и средне- и высокопроизводительных интегральных схем (ИС) является 12/16 нм и 7 нм техпроцесс. Они используются в таких приложениях, как центральные процессоры, графические процессоры, искусственный интеллект и в таких продуктах, как телевизоры, кондиционеры, автомобили, высокоскоростные поезда, спутники, промышленные роботы, лифты и беспилотные летательные аппараты.
Достижения в области полупроводниковых технологий привели к внедрению технологии 5 нм, которая меньше и быстрее, чем предыдущие поколения чипов.
С недавней первой в мире технологией производства 2-нм чипов IBM (на 45% быстрее и на 75% более энергоэффективной, чем основные 7-нм чипы, используемые сегодня во многих ноутбуках и мобильных телефонах), отрасль стремится разблокировать более высокую производительность и энергоэффективность в будущем.
Комплексное производство чипов
Производство чипов само по себе является сложным процессом, включающим в себя несколько зависимостей страны / региона. От проектирования чипов до закупки основного сырья, производства, сборки, тестирования, упаковки, хранения и окончательной поставки полупроводников, адаптированных для различных отраслей промышленности, процесс может включать в себя более 1000 шагов и 70 национальных пограничных пунктов. В настоящее время запатентованная технология и способность выполнять от Alpha до Omega зависит от профессиональных мировых лидеров, таких как Intel, TSMC и Samsung, а также ряда других.
В нынешнем глобальном контексте Соединенные Штаты, с их университетами мирового класса и инженерными талантами и инновационной экосистемой, ориентированной на рынок, обеспечивают большую часть интенсивных исследований и разработок, таких как автоматизация электронного проектирования, основная интеллектуальная собственность, проектирование чипов и передовое производственное оборудование и капитальные инвестиции.
Такие регионы, как Тайвань, материковый Китай и Южная Корея, лидируют в производстве пластин, что требует значительных капиталовложений, сильной инфраструктуры и квалифицированной рабочей силы. Тайвань также является лидером в области сборки, упаковки и тестирования полупроводников, за ним следуют Китай и Малайзия, которые являются менее квалифицированными и капиталоемкими.
Глобальный кризис чипов
Кризис COVID-19 привел к широко распространенной нехватке чипов по всему миру, открыв дыры в глобальной цепочке поставок полупроводников и поставив под угрозу многие технологии и продукты, критически важные для нашей повседневной жизни.
Основными причинами этого дефицита являются недостаточные инвестиции в мощности пластин в предыдущие годы, сбои в цепочке поставок из-за пандемии COVID-19, растущий спрос на новые технологии, такие как искусственный интеллект и электромобили, а также повышенный спрос на продукты для работы на дому (WFH).
Добавьте к этому засуху на Тайване (некоторые из крупнейших и наиболее передовых высокотехнологичных литейных заводов в мире полагаются на водоемкие производственные процессы для распределения воды) и растущую геополитическую неопределенность в отношении торговли с Китаем.
Путь вперед
Хорошей новостью является то, что несколько производителей-основателей, включая TSMC, Intel и GXIC, инвестируют миллиарды долларов в модернизацию оборудования и строительство новых производственных линий для удовлетворения растущего спроса и дефицита предложения на «многофункциональные» чипы.
TSMC недавно обнародовала крупнейшую в отрасли инвестицию, выделив 100 миллиардов долларов в течение следующих трех лет для увеличения мощностей. Intel пообещала выделить 20 миллиардов долларов на два сайта в Аризоне и заявляет, что возьмет на себя дальнейшие инвестиционные обязательства в этом году. Южнокорейская Samsung Electronics выделила 116 миллиардов долларов инвестиций к 2030 году для диверсификации производства чипов.
Индия также завершает планы по массовому производству полупроводниковых чипов в рамках своей программы «Make in India». Страна предлагает более 1 миллиарда долларов наличными каждой полупроводниковой компании, которая создает производственное подразделение в стране. Чипы местного производства будут обозначены как «надежные источники» и могут использоваться в продуктах, начиная от камер видеонаблюдения и заканчивая оборудованием 5G. В декабре Индия пригласила «выражения заинтересованности» от производителей чипов по поводу создания производственных подразделений в стране или приобретения таких единиц.
Все дело в достижении самодостаточности в производстве полупроводников, обеспечении лучшего контроля над безопасностью данных и предотвращении того, чтобы страны по всему миру были привлечены к выкупу конкретными членами существующей цепочки поставок полупроводников.
Понятно, что полупроводники меняют правила игры в нашем современном, быстро меняющемся мире. Очевидно, что полупроводниковая промышленность сталкивается с новыми вызовами. Чтобы быть более ясным, правительства во всем мире сейчас находятся в режиме антикризисного управления, и в ближайшем будущем полупроводники получат статус «критической инфраструктуры» в большинстве стран.