Półprzewodniki – te malutkie układy scalone z krzemu – są mózgami nowoczesnej elektroniki, obecnymi we wszystkim: od smartfonów i samochodów po centra danych i myśliwce. W 2024 roku globalna sprzedaż półprzewodników wzrosła do ponad 600 miliardów dolarów i może osiągnąć 1 bilion dolarów do 2030 roku, co podkreśla, jak kluczowe stały się układy scalone dla światowej gospodarki deloitte.com, blog.veolianorthamerica.com. Te mikrochipy umożliwiają powstawanie produktów i usług wartych biliony dolarów, stanowiąc ukrytą podstawę naszego cyfrowego życia steveblank.com. Jednak w ciągu ostatnich dwóch lat produkcja półprzewodników stała się areną o wysoką stawkę innowacji i napięć geopolitycznych. Niedobór chipów wywołany pandemią pokazał, jak kruchy może być łańcuch dostaw, zatrzymując fabryki i podnosząc ceny. Jednocześnie państwa ścigają się w zwiększaniu krajowej produkcji chipów ze względów gospodarczych i bezpieczeństwa, inwestując setki miliardów w nowe fabryki (zakłady produkcji chipów) i wywołując globalną „wojnę o chipy”.
Niniejszy raport przedstawia kompleksowy, aktualny przegląd świata półprzewodników – wyjaśnia, czym są półprzewodniki i jak działają, jak wygląda pełen proces produkcji chipów, kim są główni gracze (firmy i kraje) na każdym etapie oraz gdzie leżą słabe punkty łańcucha dostaw. Zgłębimy także najnowocześniejsze technologie i materiały, które umożliwiają powstawanie współczesnych chipów, najnowsze innowacje i trendy w badaniach i rozwojuoraz geopolityczne i polityczne batalie, które przekształcają branżę. Na koniec przyjrzymy się wpływowi ekonomicznemu sektora półprzewodników, jego środowiskowemu śladowioraz nadchodzącym wyzwaniom kadrowym. Od najnowszych opinii ekspertów po kluczowe wydarzenia w latach 2024-2025, raport ten pokaże, dlaczego produkcja półprzewodników jest dziś jednym z najważniejszych – i najbardziej zacięcie rywalizowanych – obszarów na świecie.
Czym są półprzewodniki i jak działają?
Półprzewodniki to materiały (takie jak krzem), które w różnych warunkach mogą działać jako przewodnik lub izolator elektryczny, co czyni je idealnymi do kontrolowania przepływu prądu techtarget.com. W praktyce urządzenie półprzewodnikowe (układ scalony) to w zasadzie sieć mikroskopijnych przełączników elektrycznych (tranzystorów), które można włączać lub wyłączać za pomocą sygnałów elektrycznych. Nowoczesne układy scalone umieszczają miliardy tych przełączników tranzystorowych na chipie wielkości paznokcia, umożliwiając wykonywanie złożonych obliczeń i przetwarzanie sygnałów. „W prostych słowach, półprzewodnik to elektryczny przełącznik, który można włączyć lub wyłączyć za pomocą prądu. Większość współczesnych technologii składa się z milionów tych małych, połączonych ze sobą przełączników”, wyjaśnia inżynierski przewodnik TechTarget techtarget.com.
Ponieważ mogą precyzyjnie kontrolować przepływ prądu, układy półprzewodnikowe pełnią rolę „mózgu” lub „pamięci” urządzeń elektronicznych. Układy logiczne (takie jak CPU, GPU, akceleratory AI) przetwarzają dane i podejmują decyzje, układy pamięci przechowują informacje, a układy analogowe/zasilające łączą się ze światem fizycznym. Poprzez domieszkowanie czystych kryształów półprzewodnikowych niewielkimi ilościami zanieczyszczeń, producenci tworzą komponenty takie jak tranzystory, diody i układy scalone, które wykorzystują fizykę kwantową do przełączania i wzmacniania sygnałów elektrycznych techtarget.com. W rezultacie półprzewodniki mogą wykonywać działania arytmetyczne, przechowywać dane binarne i komunikować się z czujnikami/aktuatorami – są to możliwości, które stanowią podstawę praktycznie całej współczesnej technologii, od komunikacji cyfrowej po sprzęt AGD i urządzenia medyczne steveblank.com.
Dzisiejsze układy scalone to zdumiewające osiągnięcia inżynierii. Najnowocześniejszy procesor może zawierać dziesiątki miliardów tranzystorów wytrawionych w krzemie, z elementami o rozmiarach rzędu kilku nanometrów (w skali atomowej). Na przykład układ Apple M1 Ultra zawiera 114 miliardów tranzystorów na jednym kawałku krzemu bipartisanpolicy.org. Te tranzystory przełączają się z prędkościami rzędu gigaherców, umożliwiając urządzeniu wykonywanie miliardów operacji na sekundę. Krótko mówiąc, półprzewodniki stały się podstawową technologią współczesnego świata, napędzając wszystko – od smartfonów i samochodów po serwery chmurowe i maszyny przemysłowe. Często mówi się, że „półprzewodniki to nowa ropa naftowa” – niezbędny zasób, od którego zależą narody i przemysł w kwestii postępu i bezpieczeństwa.
Jak powstają układy scalone: proces produkcji półprzewodników
Budowa mikroczipu to jeden z najbardziej złożonych procesów produkcyjnych, jakie kiedykolwiek opracowano – „biznes, który manipuluje materiałami na poziomie pojedynczych atomów” w fabrykach kosztujących dziesiątki miliardów dolarów steveblank.com. Wszystko zaczyna się od surowców, a kończy na gotowych układach scalonych zapakowanych do użycia. Oto przegląd procesu produkcji chipów od początku do końca:- Od surowego krzemu do wafla: Zwykły piasek (dwutlenek krzemu) jest rafinowany do czystego krzemu. Kryształowy blok krzemu jest hodowany, a następnie cięty na cienkie wafle (okrągłe dyski), na których powstaną tysiące chipów bipartisanpolicy.org. Każdy wafel wygląda na błyszczący i gładki, ale w skali mikroskopowej to nieskazitelna sieć atomów krzemu.
- Produkcja front-end: Prawdziwa magia dzieje się w „fabie” – sterylnym pomieszczeniu, gdzie na każdym waflu budowane są złożone układy. Produkcja chipów obejmuje setki precyzyjnych etapów, ale kluczowe z nich to: depozycja ultracienkich warstw materiału na waflu; pokrywanie fotooporem; fotolitografia (użycie skupionego światła do wytrawiania drobnych wzorów na waflu przez maski, podobnie jak drukowanie planu obwodu); trawienie i domieszkowanie (usuwanie materiału i implantacja jonów w celu utworzenia tranzystorów i połączeń); oraz powtarzanie tych kroków warstwa po warstwie bipartisanpolicy.org. Tranzystory – będące w istocie przełącznikami on/off – powstają dzięki tym wzorowanym warstwom, które tworzą mikroskopijne ścieżki elektryczne. To produkcja w skali nanometrów – nowoczesne chipy mogą mieć ponad 50 warstw układów i elementy o szerokości zaledwie 3 nm (nanometrów). Każdy etap musi być kontrolowany z precyzją atomową; drobina kurzu lub minimalne przesunięcie może zniszczyć chip.
- Back-end i pakowanie: Po zakończeniu produkcji front-end, gotowy wafel zawiera siatkę wielu pojedynczych chipów (układów). Wafel jest cięty na osobne chipy, a każdy chip jest następnie pakowany. Pakowanie polega na zamontowaniu delikatnego chipu na podłożu, połączeniu go z maleńkimi stykami ze złota lub miedzi oraz zamknięciu (często w żywicy ochronnej i z radiatorem), aby można go było obsługiwać i zintegrować z płytkami drukowanymi bipartisanpolicy.org. Zapakowany chip to ten, który jest lutowany do płyty głównej twojego telefonu lub komputera. Na tym etapie chipy przechodzą również rygorystyczne testy, aby upewnić się, że działają zgodnie z założeniami.
Pomimo uproszczonego podsumowania powyżej, produkcja zaawansowanych półprzewodników to niesamowicie złożony, wielomiesięczny proces. Najnowocześniejszy układ scalony może wymagać ponad 1000 etapów procesu i urządzeń o ekstremalnej precyzji. Na przykład najnowsze maszyny do fotolitografii (które odwzorowują wzory obwodów za pomocą światła ultrafioletowego) mogą kosztować ponad 300 milionów dolarów za sztukę, a każda taka maszyna „może zużywać tyle prądu, co tysiąc domów” według Bloomberga bipartisanpolicy.org. Te urządzenia wykorzystują światło ekstremalnie ultrafioletowe (EUV) do wycinania ultramałych struktur i są tak zaawansowane, że obecnie tylko jedna firma na świecie (ASML w Holandii) je produkuje patentpc.com. Nakłady inwestycyjne są ogromne: budowa nowej fabryki układów scalonych może zająć ponad 3 lata i wymagać inwestycji przekraczających 10 miliardów dolarów bipartisanpolicy.org. Wiodące firmy, takie jak TSMC, Samsung i Intel, wydają co roku dziesiątki miliardów na rozbudowę i wyposażenie fabryk.
Efektem całego tego wysiłku jest zdumiewająca technologia: pojedynczy 12-calowy wafelek, po pełnym przetworzeniu, może zawierać setki gotowych układów scalonych, które łącznie mają biliony tranzystorów steveblank.com. Każdy układ jest testowany i po wdrożeniu może wykonywać miliardy obliczeń na sekundę. Mikroskopijna skala i wysoka gęstość nowoczesnych układów scalonych nadają im niesamowitą moc. Jak zauważył jeden z branżowych blogów, ten wafelek w cleanroomie „ma dwa biliony tranzystorów” wyprodukowanych z kontrolą na poziomie atomowymsteveblank.com. Ta biegłość w produkcji – nieustannie doskonalona przez dekady – umożliwia dziś istnienie naszej potężnej i przystępnej cenowo elektroniki.
Najwięksi gracze w łańcuchu dostaw półprzewodników (firmy i kraje)
Produkcją półprzewodników nie zajmuje się jeden typ firmy; to złożony ekosystem przedsiębiorstw, z których każde specjalizuje się w innym etapie. Jeśli zajrzymy do łańcucha dostaw, znajdziemy sieć setek wysoko wyspecjalizowanych podmiotów na całym świecie, które są od siebie wzajemnie zależne steveblank.com. Oto główne kategorie uczestników i ci, którzy w nich dominują:
- Projektanci układów scalonych (firmy bez własnych fabryk): To firmy, które projektują półprzewodnikowe układy scalone, ale zlecają ich faktyczną produkcję na zewnątrz. Tworzą projekty i własność intelektualną układów. Wiele z najbardziej znanych marek układów scalonych na świecie – w tym Apple, NVIDIA, Qualcomm, AMD, Broadcom – to projektanci bez własnych fabryk. USA mają silną pozycję w tym segmencie (są siedzibą ok. 50% firm bez własnych fabryk patentpc.com), a także firmy w Europie (np. ARM w Wielkiej Brytanii, projektująca rdzenie IP układów scalonych steveblank.com) i w Azji. Firmy bez własnych fabryk koncentrują się na badaniach i rozwoju oraz innowacjach w architekturze układów, a następnie zlecają produkcję kontraktowym producentom.
- Zintegrowani producenci urządzeń (IDM): To giganci tacy jak Intel, Samsung i Micron, którzy zarówno projektują, jak i produkują układy scalone we własnym zakresie. Intel (USA) historycznie przodował w projektowaniu i produkcji mikroprocesorów do komputerów PC i serwerów, Samsung (Korea Południowa) i Micron (USA) robią to zwłaszcza w zakresie pamięci. IDM-y kontrolują własne fabryki i produkują układy do własnych produktów (a czasem także dla innych). Jednak w ostatnich dekadach trendem stało się przechodzenie na model bez własnych fabryk i zlecania produkcji dla większej efektywności.
- Odlewnie półprzewodników (producenci kontraktowi): Odlewnie to fabryki układów scalonych, które faktycznie produkują układy (dla klientów bez własnych fabryk lub IDM-ów zlecających część produkcji). Ten segment jest zdominowany przez firmy azjatyckie. TSMC z Tajwanu (Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.) jest niekwestionowanym liderem, samodzielnie kontrolując ok. 55% światowego rynku odlewni w 2023 roku patentpc.com. TSMC jest głównym producentem dla Apple, AMD, NVIDIA i wielu innych, zwłaszcza w zakresie najbardziej zaawansowanych układów (węzły 5nm, 3nm). Samsung w Korei Południowej to druga co do wielkości odlewnia (ok. 15–20% udziału) patentpc.com, również produkująca zaawansowane układy logiczne. Inne znaczące odlewnie to GlobalFoundries (USA, skupiająca się na średnich węzłach), UMC (Tajwan) oraz SMIC (największa odlewnia w Chinach). Warto zauważyć, że Tajwan i Korea Południowa razem odpowiadają za zdecydowaną większość produkcji najbardziej zaawansowanych układów scalonych – w rzeczywistości około 92% światowych mocy produkcyjnych układów scalonych <10nm znajduje się wyłącznie na Tajwanie, według raportu rządu USA z 2023 roku usitc.gov. Pokazuje to, jak bardzo produkcja układów scalonych jest skoncentrowana w kilku lokalizacjach.
- Producenci układów pamięci: Pamięć to wyspecjalizowany podsektor, ale kluczowy (dla RAM, pamięci flash itp.). Zdominowany jest przez IDM-y takie jak Samsung i SK Hynix (obie firmy z Korei Południowej) oraz Micron (USA). Na przykład Samsung i SK Hynix razem produkują ponad 70% światowych układów pamięci DRAMpatentpc.com. Firmy te inwestują ogromne środki w produkcję pamięci DRAM i NAND flash, często w olbrzymich zakładach w Korei Południowej, na Tajwanie, w USA, Japonii i Chinach.
- Dostawcy sprzętu półprzewodnikowego: Te firmy produkują narzędzia i maszyny do wytwarzania układów scalonych – to absolutnie kluczowy, zaawansowany technologicznie sektor sam w sobie. Wiodący producenci sprzętu to ASML (Holandia), który jako jedyny wytwarza systemy litografii EUV niezbędne do produkcji układów 7 nm i mniejszych patentpc.com; Applied Materials, Lam Research, KLA (wszystkie z USA), dostarczające sprzęt do nanoszenia warstw, trawienia i inspekcji; Tokyo Electron i Nikon (Japonia) – litografia i narzędzia do trawienia; oraz inni. Bez tych najnowocześniejszych maszyn faby nie mogą funkcjonować. USA, Japonia i Holandia historycznie dominują w branży sprzętu półprzewodnikowego – to jeden z powodów, dla których ograniczenia eksportowe tych narzędzi stały się kwestią geopolityczną (więcej o tym później).
- Dostawcy materiałów i chemikaliów: Produkcja układów scalonych opiera się także na złożonym łańcuchu dostaw wyspecjalizowanych materiałów – od ultrapure płytek krzemowych po egzotyczne chemikalia i gazy. Kilka przykładów: Shin-Etsu Handotai i SUMCO (Japonia) produkują dużą część światowych płytek krzemowych. JSR, Tokyo Ohka Kogyo (Japonia) i inni dostarczają fotorezysty (światłoczułe chemikalia) steveblank.com. Firmy gazowe, takie jak Linde, Air Liquide dostarczają ponad 100 rodzajów gazów używanych w fabach (np. fluor, neon, argon) steveblank.com. Wiele z tych kluczowych materiałów jest skoncentrowanych w Japonii, Chinach i Europie. Na przykład Japonia od dawna jest potęgą w dziedzinie chemikaliów półprzewodnikowych, podczas gdy Chiny rafinują wiele rzadkich minerałów wykorzystywanych w układach (takich jak gal i german). Oznacza to, że kraje dominujące w surowcach (Chiny, Rosja itp.) oraz te przodujące w wyspecjalizowanych chemikaliach (Japonia) odgrywają ponadprzeciętną rolę w łańcuchu dostaw.
- Dostawcy EDA i IP: Przed produkcją chipy muszą zostać zaprojektowane i zweryfikowane. Narzędzia programowe Electronic Design Automation (EDA) są dostarczane zasadniczo przez trzy główne firmy – Synopsys, Cadence (obie z USA) oraz Siemens EDA (Mentor Graphics) – wszystkie to firmy amerykańskie lub powiązane z USA steveblank.com. Mają one niemal monopol na złożone oprogramowanie używane przez inżynierów do projektowania miliardów tranzystorów i przeprowadzania symulacji. Dodatkowo, podstawowe projekty (takie jak rdzenie CPU) są często licencjonowane od firm IP, takich jak ARM (Wielka Brytania), która dostarcza projekty wykorzystywane w większości procesorów mobilnych steveblank.com. Ci gracze z górnego łańcucha są kluczowymi umożliwiaczami dla całego przemysłu.
- Outsourcowany montaż i testowanie półprzewodników (OSAT): Po wyprodukowaniu płytek krzemowych, wyspecjalizowani podwykonawcy zajmują się pakowaniem i testowaniem chipów. Główne firmy OSAT to ASE Technology Holding (Tajwan) – największy na świecie podmiot zajmujący się pakowaniem – oraz Amkor (USA), a także wiele firm z Chin, Malezji i Wietnamu. W rzeczywistości Azja Południowo-Wschodnia stała się centrum montażu chipów: na przykład, Malezja realizuje około 13% światowych usług pakowania i testowania chipów patentpc.com, a sektor OSAT w Wietnamie szybko się rozwija patentpc.com. Te etapy są pracochłonne, dlatego firmy często lokują je w krajach z wykwalifikowaną siłą roboczą i niższymi kosztami.
Podsumowując, produkcja półprzewodników to globalnie rozproszone przedsięwzięcie, ale z krytycznymi punktami wąskich gardeł – kilka firm lub krajów dominuje w każdym segmencie. Na przykład tylko trzy firmy (TSMC, Samsung, Intel) odpowiadają za zdecydowaną większość produkcji zaawansowanych układów scalonych, a tylko trzy kraje (Tajwan, Korea Południowa, Chiny) wytwarzają niemal wszystkie układy scalone obecnie patentpc.com. Ta skoncentrowana struktura ma ogromne znaczenie dla bezpieczeństwa łańcucha dostaw, co omówimy dalej.
Struktura i podatności łańcucha dostaw
Łańcuch dostaw półprzewodników został nazwany „najbardziej złożonym łańcuchem dostaw w jakiejkolwiek branży” usitc.gov – a ostatnie wydarzenia ujawniły, jak bardzo jest on kruchy. Od klęsk żywiołowych po konflikty geopolityczne, wiele zagrożeń zagraża płynności dostaw układów scalonych. Kluczowe wąskie gardła i ryzyka obejmują:
- Duża koncentracja geograficzna: Klastrowanie się branży w określonych regionach geograficznych oznacza, że zakłócenie w jednym regionie może zatrzymać cały świat. Najlepiej widać to na przykładzie ogromnej roli Tajwanu. Choć Tajwan produkuje około 18% wszystkich układów scalonych pod względem ilości, odpowiada za „około 92% światowych mocy produkcyjnych najbardziej zaawansowanych układów scalonych”, według raportu USITC z 2023 roku usitc.gov. Innymi słowy, niemal wszystkie najnowocześniejsze (poniżej 10 nm) układy scalone pochodzą z Tajwanu (głównie TSMC), a reszta z Korei Południowej. To ogromne ryzyko dla dostaw – każde zakłócenie (trzęsienie ziemi, kryzys geopolityczny) może sparaliżować globalne łańcuchy dostaw technologii usitc.gov. Eksperci zauważają, że poważne zakłócenie pracy tajwańskich fabryk byłoby katastrofą gospodarczą daleko wykraczającą poza sektor technologiczny. Korea Południowa to kolejny pojedynczy punkt awarii: na przykład niemal wszystkie zaawansowane układy pamięci pochodzą od dwóch firm z tego kraju. Mając to na uwadze, kraje i firmy próbują obecnie zdywersyfikować produkcję geograficznie (przesunięcie z globalizacji na „regionalizację”) nefab.com, ale budowa nowych fabryk w innych miejscach wymaga czasu.
- Uzależnienie od pojedynczych dostawców: Niektóre kluczowe komponenty zależą od jednego lub bardzo ograniczonej liczby dostawców. Najlepszym przykładem jest ASML – holenderska firma jest jedynym źródłem maszyn do litografii EUV niezbędnych do produkcji najbardziej zaawansowanych układów scalonych patentpc.com. Jeśli ASML nie może dostarczyć sprzętu (czy to z powodu zakazów eksportowych, czy problemów produkcyjnych), postęp w produkcji chipów zostaje wstrzymany. Podobnie, kluczowe chemikalia mają często tylko kilku kwalifikowanych dostawców. Na przykład, garstka japońskich firm dostarcza większość światowych chemikaliów do fotorezystów. Zaawansowane oprogramowanie do projektowania układów scalonych (narzędzia EDA) to kolejny wąskie gardło, zdominowane przez zaledwie trzech amerykańskich dostawców. Te punkty koncentracji oznaczają, że cały łańcuch jest tak silny, jak jego najsłabsze (lub najwęższe) ogniwo.
- Ryzyka związane z materiałami i surowcami naturalnymi: Produkcja półprzewodników zależy od niektórych rzadkich materiałów i rafinowanych chemikaliów – a zakłócenia w ich dostawach już powodowały problemy. Wojna Rosja–Ukraina w 2022 roku to pokazała: Ukraina dostarczała około 25–30% światowej produkcji oczyszczonego gazu neonowego (używanego do litografii laserowej), a Rosja podobny udział światowej produkcji palladu (wykorzystywanego w niektórych procesach produkcji chipów) usitc.gov. Gdy wojna zakłóciła te dostawy, zagroziło to produkcji chipów, dopóki nie uruchomiono alternatywnych źródeł usitc.gov. Kolejny przykład pojawił się w połowie 2023 roku: Chiny odpowiedziały na amerykańskie restrykcje technologiczne, zakazując eksportu galu i germanu – dwóch mało znanych metali kluczowych dla laserów półprzewodnikowych, układów radiowych i ogniw słonecznych deloitte.com. Chiny produkują większość tych pierwiastków, więc ten ruch zmusił producentów do gorączkowego poszukiwania innych dostawców. Te przypadki pokazują słabość: jeśli jedno źródło kluczowego materiału przestanie działać, może to zablokować cały proces produkcji chipów.
- Ekstremalna złożoność i długie czasy realizacji: Wyprodukowanie partii chipów może zająć miesiące, a budowa nowej fabryki od podstaw – lata. Tak długi czas realizacji oznacza, że łańcuch dostaw nie może szybko wrócić do normy po zakłóceniach. Na przykład podczas pandemii COVID-19 gwałtowny wzrost popytu w połączeniu z przestojami doprowadził do poważnego niedoboru chipów w 2021 roku, którego rozwiązanie trwało ponad rok usitc.gov. Niedobór szczególnie mocno dotknął producentów samochodów – fabryki stanęły, a branża motoryzacyjna straciła szacunkowo 210 miliardów dolarów ze sprzedaży w 2021 roku z powodu braku chipów usitc.gov. Złożony, oparty na dostawach just-in-time łańcuch dostaw chipów (przy minimalnych zapasach) sprawia, że nawet drobna awaria – pożar w japońskiej fabryce, zamarznięcie zakładów w Teksasie czy susza na Tajwanie ograniczająca dostawy wody – może spowodować globalne opóźnienia w produkcji. Widzieliśmy to w przypadku pożaru w fabryce chipów Renesas dla motoryzacji w 2021 roku oraz przerw w dostawie prądu w teksańskich fabrykach w tym samym roku, z których każde powodowało opóźnienia w dostawach produktów.
- Kruchy łańcuch „just-in-time”: Przez lata efektywność skłaniała firmy do utrzymywania niskich zapasów i polegania na dostawach w czasie rzeczywistym. To jednak sprawiło, że nie było żadnej rezerwy na wypadek zakłóceń. Zglobalizowany łańcuch był zoptymalizowany pod kątem kosztów, a nie odporności. Teraz, po doświadczeniach pandemii, firmy i rządy dążą do „odporności” – budując większe zapasy chipów lub surowców, przenosząc produkcję do zaprzyjaźnionych krajów („friendshoring”) oraz podwajając źródła kluczowych komponentów reuters.com. Jednak zmiany są stopniowe i kosztowne.
- Fragmentacja geopolityczna: Być może największą pojawiającą się podatnością jest upolitycznienie łańcucha dostaw chipów. Rywalizacja technologiczna USA-Chiny doprowadziła do kontroli eksportu i czarnych list, które skutecznie dzielą świat na dwie części w zakresie półprzewodników. „W sektorze chipów globalizacja umarła. Wolny handel jeszcze nie do końca, ale jest zagrożony,” powiedział założyciel TSMC Morris Chang w 2023 roku. W ciągu ostatniego roku USA i ich sojusznicy coraz bardziej ograniczali dostęp Chin do zaawansowanych technologii chipowych, obawiając się konsekwencji dla bezpieczeństwa. To skłoniło Chiny do podwojenia wysiłków na rzecz rozwoju rodzimej technologii, a nawet do wprowadzenia własnych ograniczeń eksportowych w odpowiedzi. W rezultacie powstał bardziej podzielony łańcuch dostaw – taki, w którym ekosystemy powiązane z Zachodem i z Chinami mogą stać się mniej współzależne. Choć może to wprowadzić pewną redundancję, oznacza także mniejszą efektywność, wyższe koszty i potencjalne dublowanie wysiłków w dwóch sferach technologicznych theregister.com. Chang stwierdził wprost, że „globalizacja jest prawie martwa, a wolny handel prawie martwy”theregister.com, ostrzegając, że złota era zjednoczonego, globalnego łańcucha chipowego dobiega końca. Ten okres przejściowy wprowadza niepewność i ryzyko, ponieważ firmy muszą poruszać się wśród nowych, złożonych zasad dotyczących tego, komu mogą sprzedawać i gdzie mogą budować.
Krótko mówiąc, łańcuch dostaw półprzewodników to miecz obosieczny: jego globalny charakter przyniósł niezwykłą innowacyjność i skalę przy niskich kosztach, ale także stworzył niebezpieczne pojedyncze punkty awarii. Susza na Tajwanie lub polityczny impas na Morzu Południowochińskim to nie tylko lokalny problem – może zakłócić produkcję smartfonów, samochodów i serwerów centrów danych na całym świecie usitc.gov. Ta świadomość napędza obecnie ogromne wysiłki na rzecz zwiększenia odporności – od rządowych subsydiów dla lokalnych fabryk po dywersyfikację dostawców. Jednak budowanie redundancji wymaga czasu, a w międzyczasie świat pozostaje bardzo podatny na szoki w dostawach półprzewodników.
Kluczowe materiały i technologie w produkcji chipów
Sztuka produkcji chipów opiera się na zestawie najnowocześniejszych technologii i specjalistycznych materiałów. Zrozumienie ich pozwala pojąć, dlaczego produkcja chipów jest tak trudna (i dlaczego tylko nieliczni gracze potrafią to robić na najwyższym poziomie):
- Płytki krzemowe: Większość układów scalonych powstaje na krzemie – pierwiastku występującym w dużych ilościach, którego właściwości półprzewodnikowe czynią go idealnym materiałem. Monokrystaliczne sztaby krzemu są cięte na idealnie gładkie płytki (obecnie w najbardziej zaawansowanych fabach mają średnicę 300 mm). Te płytki stanowią bazę do produkcji układów scalonych. Wytwarzanie wolnych od defektów, czystych kryształów krzemu to zaawansowany proces technologiczny, opanowany przez zaledwie kilka firm (głównie w Japonii). Inne materiały półprzewodnikowe są również wykorzystywane w zastosowaniach niszowych: np. arsenek galu lub fosforek indu do układów RF o wysokiej częstotliwości, a także węglik krzemu (SiC) lub azotek galu (GaN) do elektroniki dużej mocy (takiej jak sterowniki silników pojazdów elektrycznych i stacje bazowe 5G), ze względu na ich lepsze właściwości elektryczne przy wysokich napięciach lub częstotliwościach. Te półprzewodniki związkowe są kluczowe dla 5G, pojazdów elektrycznych i przemysłu lotniczego, a obecnie trwają prace nad zwiększeniem ich produkcji (często z udziałem firm z USA, Europy i Japonii, przodujących w nauce o materiałach).
- Technologia fotolitografii: Sercem nowoczesnej produkcji układów scalonych jest fotolitografia – wykorzystanie światła do wytrawiania mikroskopijnych wzorów. Technologia ta osiągnęła niemal science-fiction poziom zaawansowania. Najnowocześniejsze faby używają obecnie litografii ekstremalnie ultrafioletowej (EUV), działającej przy długości fali 13,5 nm i wymagającej niezwykle złożonej optyki, plazmowych źródeł światła i systemów próżniowych. Jak wspomniano, ASML jest jedynym producentem skanerów EUV patentpc.com. Każda maszyna EUV waży 180 ton, składa się z tysięcy komponentów (m.in. zwierciadła Zeiss, plazmowe źródło światła laserowego itd.) i kosztuje ponad 300 milionów dolarówbipartisanpolicy.org. EUV umożliwia odwzorowanie struktur o rozmiarze ~7 nm i mniejszych przy mniejszej liczbie etapów. W starszych technologiach (np. 28 nm, 14 nm) faby używają litografii głębokiego ultrafioletu (DUV) – nadal skomplikowanej, ale z nieco szerszą bazą dostawców (ASML, Nikon, Canon dostarczają te narzędzia). Postęp w litografii był kluczowym czynnikiem napędzającym prawo Moore’a, umożliwiając podwajanie gęstości tranzystorów. Już trwają prace nad kolejnym etapem litografii: High-NA EUV (obiektywy o wyższej aperturze numerycznej dla jeszcze drobniejszych wzorów), planowanej dla układów 2 nm i mniejszych w latach 2025-2026. Cały świat produkcji układów scalonych w dużej mierze opiera się na postępach w tej technologii optycznej.
- Procesy chemiczne i gazy: Nowoczesna fabryka wykorzystuje zadziwiającą gamę chemikaliów – od gazów takich jak fluor, argon, azot, silan po ciekłe rozpuszczalniki, kwasy i fotorezysty. W różnych etapach osadzania i trawienia może być używanych ponad 100 różnych gazów (wiele z nich jest toksycznych lub wysoce specjalistycznych) steveblank.com. Chemikalia fotorezystowe to światłoczułe polimery rozprowadzane na płytkach w celu przeniesienia wzorów obwodów – nisza zdominowana przez japońskie firmy steveblank.com. Zawiesiny do chemiczno-mechanicznego planaryzowania (CMP) zawierające nano-ścierniwa są używane do polerowania warstw płytek na płasko steveblank.com. Nawet zdejonizowana ultraczysta woda jest kluczowym „materiałem” – fabryki zużywają jej ogromne ilości do płukania płytek (jak omówiono w sekcji środowiskowej). Każdy materiał musi spełniać ekstremalne wymagania czystości, ponieważ pojedynczy atom lub cząstka zanieczyszczenia może zniszczyć miliardy tranzystorów. Dlatego dostarczanie tych materiałów to samo w sobie zaawansowane technologicznie przedsięwzięcie, często z niewielką liczbą kwalifikowanych dostawców (a więc podatne na zakłócenia, jak wspomniano wcześniej).
- Technologia tranzystorowa (generacje węzłów): Układy scalone są często klasyfikowane według swojego „węzła” lub rozmiaru tranzystora – np. 90nm, 28nm, 7nm, 3nm itd. Mniejszy rozmiar jest zazwyczaj lepszy (więcej tranzystorów na powierzchnię, większa szybkość, mniejsze zużycie energii). Jak powstają te maleńkie tranzystory? Wymaga to zarówno litografii do definiowania ich małych cech jak i sprytnej architektury tranzystora. Przemysł przeszedł od tradycyjnych płaskich (planarnych) tranzystorów do FinFET (tranzystory z żebrem 3D) około węzła 22nm, aby kontrolować upływność. Obecnie, przy ~3nm, wprowadzany jest nowy projekt zwany Gate-All-Around (GAA) lub tranzystory nanosheet (Samsung 3nm używa GAA, a TSMC/Intel planują GAA przy 2nm) – bramka tranzystora całkowicie otacza kanał, zapewniając jeszcze lepszą kontrolę. Te postępy w strukturze urządzeń, wraz z nowymi materiałami (np. dielektryki o wysokiej stałej k, metalowe bramki), wydłużyły prawo Moore’a, mimo że proste skalowanie staje się coraz trudniejsze bipartisanpolicy.org. Istnieje cały łańcuch badań i rozwoju nad nowymi materiałami na poziomie tranzystora – na przykład wykorzystanie germanu lub materiałów 2D (takich jak grafen) jako kanałów w celu zwiększenia mobilności, lub półprzewodników III-V dla niektórych warstw. Chociaż nie są jeszcze produkowane na dużą skalę dla logiki, takie materiały mogą pojawić się w nadchodzących latach, gdy tranzystory krzemowe osiągną fizyczne granice.
- Technologie pakowania i integracji układów scalonych: Gdy dalsze zmniejszanie tranzystorów przynosi coraz mniejsze korzyści, innowacje przesuwają się w stronę pakowania i integracji układów scalonych. Zaawansowane pakowanie umożliwia łączenie wielu układów (chipletów) w jednym opakowaniu, połączonych gęstymi interkonektami. Techniki takie jak CoWoS i SoIC firmy TSMC, Foveros Intela oraz architektura chipletów AMD pozwalają projektantom łączyć różne „klocki” (rdzenie CPU, GPU, IO, pamięć) w jednym module. Poprawia to wydajność i uzysk (mniejsze układy łatwiej wyprodukować bez wad, a następnie połączyć w całość). Przykładowo, najnowsze procesory AMD wykorzystują chiplet, podobnie jak nadchodzący Meteor Lake Intela. Stackowanie 3D to kolejna technologia – układanie układów jeden na drugim, jak np. pamięci na logice (np. stosy pamięci HBM o wysokiej przepustowości), by pokonać ograniczenia przepustowości. Branża standaryzuje interfejsy chipletów (UCIe), by w przyszłości układy różnych producentów mogły współpracować w jednym opakowaniu bakerbotts.com. Krótko mówiąc, „chiplet to jak klocki Lego – mniejsze, wyspecjalizowane układy, które można łączyć, by tworzyć potężniejsze systemy”, jak żartował MIT Tech Review (ilustrując główny trend innowacji). Ta rewolucja w pakowaniu to kluczowa strategia technologiczna, by nadal poprawiać wydajność systemów, nawet jeśli skalowanie tranzystorów zwalnia.
- Oprogramowanie projektowe i IP: Choć to nie materiał, warto wspomnieć o narzędziach EDA (Electronic Design Automation) i rdzeniach IP, które są kluczowymi technologiami przy projektowaniu układów. Współczesne układy są tak złożone, że pojawiają się narzędzia EDA wspomagane AI – obecnie wykorzystują uczenie maszynowe do optymalizacji rozmieszczenia układów i szybszej weryfikacji projektów steveblank.com. Po stronie IP, projekty rdzeni takie jak rdzenie CPU ARM czy rdzenie GPU Imagination to podstawowe technologie, które wiele firm licencjonuje zamiast wymyślać od nowa, służąc de facto jako klocki budulcowe.
- Nowe paradygmaty obliczeniowe: Poza tradycyjnymi układami cyfrowymi, badane są nowe technologie: układy do obliczeń kwantowych (wykorzystujące kubity z obwodów nadprzewodzących lub uwięzionych jonów) obiecują wykładnicze przyspieszenie dla niektórych zadań, choć wciąż są na etapie badań. Zintegrowane układy fotoniczne wykorzystują światło zamiast prądu do komunikacji, a potencjalnie także do obliczeń z bardzo dużą szybkością i niskim nagrzewaniem – już stosowane w niektórych infrastrukturach komunikacyjnych. Układy neuromorficzne mają na celu odwzorowanie sieci neuronowych mózgu w sprzęcie do zastosowań AI. Choć nie są jeszcze powszechne, trwające badania i rozwój mogą sprawić, że staną się częścią krajobrazu półprzewodników w najbliższych latach.
Podsumowując, produkcja półprzewodników wymaga opanowania niewiarygodnej liczby technologii – od nauki o materiałach (hodowla idealnych kryształów, chemia trawienia) przez fizykę optyczną (nanofotonika litografii) po informatykę (algorytmy projektowe). Ta złożoność sprawia, że tylko kilka ekosystemów (Tajwan, Korea Południowa, USA, Japonia, Europa) w pełni panuje nad tymi technologiami, a nowi gracze mają ogromne trudności, by nadgonić. To także powód, dla którego układy scalone są tak trudne do wykonania – ale tak cudowne w tym, co potrafią.
Innowacje i kierunki badań i rozwoju (R&D)
Przemysł półprzewodnikowy napędzany jest nieustanną innowacją – słynnie ujętą w Prawie Moore’a, które mówi, że liczba tranzystorów na układach scalonych podwaja się mniej więcej co dwa lata. Choć Prawo Moore’a zwalnia wraz z pojawieniem się ograniczeń fizycznych, badania i rozwój (R&D) w świecie układów scalonych są bardziej dynamiczne niż kiedykolwiek, poszukując nowych sposobów na dalszą poprawę wydajności. Oto kilka kluczowych innowacji i przyszłych kierunków na lata 2024-2025:
- Przekraczanie granic technologicznych: Najwięksi gracze ścigają się, by skomercjalizować kolejne generacje technologii układów scalonych. TSMC i Samsung rozpoczęły produkcję w technologii 3 nanometrów w latach 2022-2023; obecnie TSMC planuje fabryki 2 nm do 2025-2026, a IBM (wraz z Rapidus w Japonii) zaprezentował nawet laboratoryjny prototyp układu 2 nm. Intel zamierza odzyskać pozycję lidera w procesach technologicznych dzięki węzłom, które nazywa 20A i 18A (odpowiednik ok. 2 nm) do 2024-2025, integrując tranzystory typu GAA w stylu wstęgowym („RibbonFET”). Każde zmniejszenie węzła wymaga ogromnych nakładów na R&D – nowych trików litograficznych, nowych materiałów (jak kobalt czy ruten do połączeń, nowe izolatory) oraz większej liczby warstw EUV. Mówi się nawet o procesach poniżej 1 nm (tzw. skala angstremowa) w drugiej połowie dekady, choć wtedy oznaczenia „nm” będą głównie marketingowe – rzeczywiste rozmiary elementów mogą mieć grubość zaledwie kilku atomów.
- Architektury chipletowe i modułowe: Jak wspomniano, projektowanie oparte na chipletach to kluczowa innowacja, na którą warto zwrócić uwagę. Już jest stosowane (procesory AMD Zen, nadchodzący Intel Meteor Lake, Apple M1 Ultra, który w zasadzie łączy dwa układy M1 Max za pomocą interposera) i rozwija się wraz ze standaryzowanymi interfejsami. To modułowe podejście pozwala na ponowne wykorzystanie bloków IP, łączenie różnych węzłów technologicznych (np. analogowy chiplet na starszym węźle, CPU na nowszym), a także lepsze uzyski. Konsorcjum UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express) utworzone w 2022 roku opracowuje otwarte standardy, dzięki którym firma mogłaby kupować gotowe komponenty chipletowe i integrować je – jak składanie klocków Lego. W 2024 roku widzimy, że chiplet umożliwiają bardziej wyspecjalizowane kombinacje, np. łatwą integrację akceleratorów AI czy stosów pamięci HBM w celu skalowania wydajności bakerbotts.com. W przyszłości może to radykalnie zmienić sposób projektowania układów scalonych i to, kto może je produkować (obniżając bariery wejścia dla nowych graczy, którzy mogą skupić się na jednej niszy chipletowej).
- Sztuczna inteligencja (AI) i wyspecjalizowane układy scalone: Rosnące zapotrzebowanie na obliczenia AI (np. trenowanie dużych sieci neuronowych dla generatywnej AI) kształtuje innowacje w dziedzinie układów scalonych. Tradycyjne procesory CPU są nieefektywne dla obciążeń AI, dlatego procesory graficzne GPU oraz akceleratory AI (TPU, NPU itd.) cieszą się dużym popytem. W 2024 roku byliśmy świadkami „gorączki złota AI” w branży półprzewodników – na przykład GPU do centrów danych firmy Nvidia sprzedają się tak szybko, jak tylko są produkowane, a wiele startupów projektuje układy scalone dedykowane AI. Układy scalone do generatywnej AI (obejmujące CPU, GPU, wyspecjalizowane akceleratory AI, pamięć, sieci) prawdopodobnie przekroczyły 125 miliardów dolarów przychodu w 2024 roku – ponad dwukrotnie więcej niż początkowe prognozy – stanowiąc ponad 20% całkowitej sprzedaży układów scalonych deloitte.com. To napędza badania i rozwój nad architekturami zoptymalizowanymi pod kątem AI: mowa o procesorach tensorowych, układach neuromorficznych, obliczeniach w pamięci (przetwarzanie danych w macierzach pamięci), a nawet obliczeniach analogowych dla AI. Najwięksi gracze, tacy jak NVIDIA, Google (TPU), Amazon (Inferentia) oraz startupy (Graphcore, Cerebras itd.) wprowadzają innowacyjne projekty. CEO AMD Lisa Su oszacowała, że całkowity rynek układów scalonych związanych z AI może osiągnąć 500 miliardów dolarów do 2028 roku deloitte.com – to liczba większa niż cały rynek półprzewodników w 2023 roku, co podkreśla transformacyjny potencjał AI. Takie prognozy napędzają ogromne inwestycje w badania i rozwój układów AI.
- Integracja 3D i integracja heterogeniczna: Poza chipletami umieszczanymi obok siebie, układanie 3D (układy scalone jeden na drugim) to kolejna granica. Układanie pamięci (np. HBM na GPU) jest już powszechne. Następnym krokiem jest układanie układów logicznych w celu skrócenia połączeń – na przykład umieszczenie pamięci podręcznej bezpośrednio nad warstwą rdzenia CPU dla szybszego dostępu. Projekty badawcze eksplorują układy 3D IC z tysiącami pionowych połączeń (przez krzem lub nawet łączenia między układami na poziomie nanometrowym). Integracja heterogeniczna oznacza łączenie różnych technologii (logika CMOS, pamięć DRAM, fotonika itd.) w jednym opakowaniu lub stosie. Amerykańska ustawa CHIPS finansuje zaawansowane zakłady do pakowania i integracji, ponieważ jest to postrzegane jako klucz do przyszłych postępów, gdy czyste skalowanie zwalnia. W 2024 roku Intel zademonstrował ułożenie układu obliczeniowego na układzie I/O z „PowerVia” dostarczaniem zasilania od spodu pomiędzy nimi, jako część nadchodzących projektów. To najnowocześniejsze badania i rozwój w dziedzinie pakowania układów scalonych.
- Nowe materiały i paradygmaty tranzystorów: Naukowcy pracują także nad technologiami po-krzemowymi, po-CMOS. Grafen i nanorurki węglowe mają kuszące właściwości (ultraszybka ruchliwość elektronów), które mogłyby umożliwić tworzenie znacznie mniejszych tranzystorów, ale ich integracja z produkcją masową jest wyzwaniem. Mimo to, eksperymentalne tranzystory FET z nanorurek węglowych zostały zaprezentowane w układach laboratoryjnych (MIT kilka lat temu stworzył 16-bitowy mikroprocesor w całości z tranzystorów z nanorurek węglowych). Półprzewodniki 2D takie jak disiarczek molibdenu (MoS₂) są badane pod kątem ultracienkich kanałów. Tymczasem spintronika (wykorzystanie spinu elektronu do pamięci, jak MRAM), ferroelektryczne FET-y oraz urządzenia kwantowe to aktywne obszary badań, które mogą ulepszyć lub zastąpić obecną technologię w wybranych zastosowaniach. Żadna z tych technologii nie trafi do produkcji masowej w 2025 roku, ale inwestycje już teraz mogą przynieść przełomy pod koniec dekady. Warto odnotować: IBM i Samsung ogłosiły badania nad VTFET (Vertical Transport FET) w 2021 roku – nową pionową strukturą tranzystora, która teoretycznie może zapewnić duży skok gęstości dzięki pionowej orientacji tranzystorów przez cały układ scalony.
- Komputery kwantowe i fotonika krzemowa: Chociaż nie są bezpośrednio częścią głównych planów rozwoju CMOS, zarówno komputery kwantowe, jak i integracja fotoniki to przyszłe kierunki powiązane z półprzewodnikami. Badania nad komputerami kwantowymi przyciągnęły miliardy inwestycji – firmy takie jak IBM, Google, Intel produkują nawet układy procesorów kwantowych (choć w zupełnie innej technologii – np. obwody nadprzewodzące w temperaturach kriogenicznych). Jeśli komputery kwantowe się rozwiną, mogą uzupełniać klasyczne półprzewodniki w wybranych zadaniach (kryptografia, złożone symulacje) w ciągu dekady lub dwóch. Fotonika krzemowa z kolei już łączy się z tradycyjnymi układami: integruje interfejsy optyczne dla ultraszybkich połączeń danych (np. między układami serwerowymi) przy użyciu miniaturowych laserów i falowodów na chipie. Giganci technologiczni (np. Intel, Cisco) mają programy układów fotonicznych, a startupy pracują nad optycznymi sieciami neuronowymi. W 2024 roku obserwowaliśmy dalszy postęp wraz z drugą generacją optycznych układów transceiverów dla centrów danych oraz badania nad fotonicznym przetwarzaniem dla AI.
- Zaawansowane technologie pamięci: Innowacje dotyczą nie tylko układów logicznych. Pamięci także ewoluują: 3D NAND flash osiąga już ponad 200 warstw (Micron i SK Hynix ogłosiły układy z ponad 230 warstwami), a do 2030 roku być może nawet 500+ warstw, układając komórki pamięci niczym wieżowce. Nowe pamięci, takie jak MRAM, ReRAM i pamięć zmiennofazowa są rozwijane, by potencjalnie zastąpić lub uzupełnić DRAM i flash, oferując nieulotność przy lepszej szybkości lub wytrzymałości. W 2023 roku Intel i Micron zaprezentowały postępy w tych pamięciach nowej generacji. Pamięć obliczeniowa (gdzie pamięć może wykonywać część obliczeń) to kolejny kierunek.
Ogólnie rzecz biorąc, pipeline B+R jest bogaty – od natychmiastowych udoskonaleń produkcji nowej generacji (2 nm, tranzystory GAA) po rewolucyjne nowe paradygmaty obliczeniowe. Branża otrzymuje również bezprecedensowe wsparcie rządowe dla B+R: na przykład amerykańska ustawa CHIPS przeznacza miliardy na nowe krajowe centra badawcze półprzewodników, a europejska ustawa Chips w podobny sposób zwiększa finansowanie B+R semiconductors.org. Wysiłki te mają na celu zapewnienie przywództwa w przyszłych technologiach. Jednym z wyraźnych trendów jest masowa współpraca między firmami, rządami i środowiskiem akademickim w zakresie badań prekonkurencyjnych (ze względu na związane z tym koszty).
Stojąc w 2025 roku, Prawo Moore’a może zwalniać w tradycyjnym sensie, ale innowatorzy są przekonani, że „More Moore” i „More than Moore” (nowe możliwości wykraczające poza skalowanie) będą kontynuowane. W niedawnym artykule w Economist zauważono, że nawet jeśli tranzystory nie będą się zmniejszać o połowę co dwa lata, tempo postępu może być utrzymane dzięki architekturze chipletów, projektowaniu wspomaganemu przez AI i specjalizacji economist.com. Innymi słowy, koniec Prawa Moore’a nie oznacza końca szybkich postępów – będą one po prostu pochodzić z innych kierunków. Najbliższe lata będą ekscytujące, gdy będziemy świadkami, czy przełomy takie jak High-NA EUV, układanie chipów 3D, czy może nieprzewidziana nowa technologia, wyniosą branżę na nowe wyżyny.
Napięcia geopolityczne i implikacje polityczne
Półprzewodniki to nie tylko biznes – to żetony geopolityczne w globalnej grze o władzę. Ponieważ zaawansowane układy scalone są kluczowe dla siły gospodarczej i bezpieczeństwa narodowego (pomyśl o technologii wojskowej, infrastrukturze krytycznej, bezpiecznej komunikacji), państwa coraz częściej podejmują działania, aby chronić i kontrolować zdolności półprzewodnikowe. W latach 2024-2025 napięcia te tylko eskalowały, przekształcając politykę i stosunki międzynarodowe. Oto główne wątki:
- Amerykańsko-chińska „wojna o chipy” technologiczne: Stany Zjednoczone i Chiny są uwikłane w zaciętą rywalizację o półprzewodniki. USA postrzegają postęp Chin w dziedzinie chipów jako potencjalne zagrożenie dla bezpieczeństwa (zaawansowane chipy mogą zasilać AI dla wojska itp.) i podejmują zdecydowane działania, aby odmówić Chinom dostępu do najnowocześniejszych technologii chipowych. W październiku 2022 r. USA ogłosiły szeroko zakrojone kontrole eksportu, które zabraniają chińskim firmom pozyskiwania zaawansowanych chipów (powyżej określonych progów wydajności) oraz sprzętu do ich produkcji. W 2023 i pod koniec 2024 roku ograniczenia te zostały jeszcze bardziej zaostrzone – na przykład zakazano eksportu do Chin nawet niektórych mniej zaawansowanych chipów AI firmy Nvidia oraz rozszerzono listę chińskich firm (takich jak SMIC, Huawei) objętych sankcjami deloitte.com. USA wywierały także presję na sojuszników Holandię i Japonię, aby ograniczyli eksport zaawansowanych narzędzi litograficznych i innych narzędzi do produkcji chipów do Chin, na co zgodzili się na początku 2023 roku (tym samym całkowicie odcinając Chiny od maszyn EUV, a nawet niektórych zaawansowanych narzędzi DUV). Celem tych ograniczeń jest spowolnienie postępów Chin w zakresie najbardziej zaawansowanych półprzewodników, zwłaszcza tych potrzebnych do wojskowej AI i superkomputerów theregister.comm. Przedstawiciele USA otwarcie stwierdzili, że chcą utrzymać „małe podwórko, wysokie ogrodzenie” – czyli niewielki zestaw najnowocześniejszych technologii, ale z praktycznie nie do sforsowania blokadą wokół nich.
- Odpowiedź Chin – samowystarczalność i rekrutacje: Chiny nie pozostały bezczynne. Uruchomiły program „Made in China 2025” o wartości ponad 150 miliardów dolarów, aby rozwinąć krajowe zdolności produkcji półprzewodników i zmniejszyć zależność od zagranicznych technologii. Chińskie fabryki, takie jak SMIC, robią stałe (choć umiarkowane) postępy – pomimo sankcji, SMIC zdołał wyprodukować chipy 7 nm w latach 2022-23 (wykorzystując starszą litografię DUV w kreatywny sposób) patentpc.com, co widać w smartfonie Huawei wprowadzonym na rynek w 2023 roku, w którym rozbiórki ujawniły chiński układ SoC 7 nm. Chiny wykorzystują także luki prawne i podwajają nakłady na badania i rozwój narzędzi, których nie mogą importować (np. rozwijając własny sprzęt do litografii, choć wciąż są lata za konkurencją). Inną taktyką jest podkupywanie talentów. Ponieważ amerykańskie przepisy zabraniają Amerykanom wspierania chińskich firm półprzewodnikowych, Chiny agresywnie rekrutują inżynierów z Tajwanu, Korei i innych krajów, oferując hojne benefity. „Chiny agresywnie rekrutują zagraniczne talenty… oferując wysokie pensje, darmowe domy i inne korzyści,” podał Reuters deloitte.com. Ta „wojna o talenty” to próba importu know-how. Dodatkowo, Chiny nałożyły własne kontrole eksportu na niektóre materiały (gall, german), w połowie 2023 roku deloitte.com, sygnalizując, że mogą się odwdzięczyć, wykorzystując swoją dominację w niektórych surowcach niezbędnych do produkcji półprzewodników.
- Ustawy CHIPS i polityka przemysłowa: Uderzającym zjawiskiem jest to, jak wiele rządów wprowadziło polityki mające na celu przeniesienie produkcji chipów do kraju lub do krajów sojuszniczych, zrywając z dekadami podejścia leseferystycznego. Ustawa CHIPS i Nauka Stanów Zjednoczonych (2022) przeznaczyła 52,7 miliarda dolarów na bezpośrednie wsparcie krajowej produkcji chipów, a także 25% ulgi podatkowe na inwestycje w fabrykibipartisanpolicy.org. W latach 2023-24 Departament Handlu USA zaczął przyznawać te środki na projekty – na przykład w 2023 roku ogłoszono pierwsze dotacje i gwarancje kredytowe dla firm budujących fabryki w USA. bipartisanpolicy.org. Celem jest zwiększenie udziału USA w globalnej produkcji (obecnie ok. 12%) oraz zapewnienie, że najbardziej zaawansowane chipy (np. do celów obronnych) będą mogły być produkowane na terenie USA. Podobnie, UE uruchomiła Europejski Akt w sprawie Chipów (2023), którego celem jest zmobilizowanie 43 miliardów euro, aby podwoić udział Europy w produkcji do 20% do 2030 roku consilium.europa.eu. Obejmuje to dotacje na nowe fabryki (Intel otrzymał dużą dotację na fabrykę w Niemczech, TSMC również jest zachęcane do budowy fabryki w Niemczech), wsparcie dla startupów i finansowanie badań. Japonia również przeznaczyła miliardy na dotacje – przyciągnęła TSMC do budowy fabryki w Kumamoto (z Sony i Denso jako partnerami), oferując prawie połowę kosztów (476 miliardów jenów ≈ 3,2 mld dolarów dotacji) reuters.com. Japonia utworzyła także Rapidus, konsorcjum z udziałem firm takich jak Sony, Toyota, wspierane przez rząd, aby opracować technologię procesu 2 nm we współpracy z IBM. Korea Południowa ogłosiła własne zachęty dla mega „klastra półprzewodnikowego” i wsparcie dla swoich firm, takich jak Samsung, w budowie nowych fabryk. Indie uruchomiły program zachęt o wartości 10 mld dolarów, aby przyciągnąć producentów chipów do budowy fabryk (choć na 2024 rok postępy są powolne, z pewnym zainteresowaniem fabrykami analogowymi/dojrzałymi i pakowaniem). Nawet Arabia Saudyjska i ZEA zadeklarowały chęć dużych inwestycji w półprzewodniki, by zdywersyfikować swoje gospodarki patentpc.com. Ta globalna fala polityki przemysłowej jest bezprecedensowa dla branży chipów, która historycznie miała pewne wsparcie rządowe (jak długoterminowe wsparcie Tajwanu dla TSMC), ale nigdy tak szerokiej koordynacji. Ryzykiem jest możliwa nadwyżka mocy produkcyjnych w dłuższej perspektywie i nieefektywna alokacja, ale główną obawą jest bezpieczeństwo narodowe i odporność łańcucha dostaw.
- Sojusze i „friendshoring”: Na geopolitycznej szachownicy powstały nowe sojusze skoncentrowane wokół chipów. USA pracują nad stworzeniem swoistego „sojuszu chipowego” z krajami o podobnych poglądach i przodującymi w technologii – często określanymi jako „Chip 4” (USA, Tajwan, Korea Południowa, Japonia) – aby koordynować bezpieczeństwo łańcucha dostaw i chronić kluczowe technologie przed dostaniem się w ręce przeciwników. Holandia (siedziba ASML) jest również kluczowym partnerem. Kraje te razem kontrolują większość zaawansowanych patentów, narzędzi i produkcji chipów. Wspólne oświadczenia w 2023 i 2024 roku pomiędzy USA i Japonią oraz USA i Holandią potwierdziły współpracę w zakresie kontroli półprzewodników. Z drugiej strony Chiny i kraje z ich orbity (być może Rosja i kilka innych) mogą pogłębiać własne więzi technologiczne – np. Chiny zwiększyły współpracę technologiczną z Rosją i poszukują sprzętu półprzewodnikowego w każdym kraju, który jest gotów go sprzedać. Kwestia Tajwanu jest kluczowa: USA otwarcie mówią, że nie mogą pozostawać zależne od Tajwanu w kwestii chipów w nieskończoność (stąd zachęcanie TSMC do budowy fabryki w Arizonie). Tajwan z kolei chce utrzymać swoją „krzemową tarczę” – ideę, że światowa zależność od jego chipów odstrasza agresję militarną. Jednak napięcia są wysokie – scenariusze gier wojennych i wypowiedzi niektórych urzędników sugerowały nawet skrajne pomysły, takie jak zniszczenie tajwańskich fabryk chipów w przypadku inwazji, aby nie wpadły w ręce Chintheregister.com. Pokazuje to, jak półprzewodniki są obecnie powiązane z planowaniem obrony narodowej.
- Wyższe koszty i kompromisy: Jedną z konsekwencji upolitycznienia łańcucha dostaw są wyższe koszty i nieefektywności. Morris Chang ostrzegał, że reorganizacja produkcji z powodów politycznych podniesie ceny – rozproszony, globalny model just-in-time był bardzo opłacalny kosztowo theregister.com. Teraz, dublowanie fabryk w wielu krajach, czasem nie w pełni wykorzystywanych, lub wybieranie mniej optymalnych lokalizacji (z perspektywy kosztów) oznacza, że konsumenci mogą zapłacić więcej za chipy i produkty od nich zależne. Już teraz TSMC ogłosiło, że chipy produkowane w nowej fabryce w Arizonie będą kosztować znacznie więcej niż te z Tajwanu (niektóre szacunki mówią o ~50% wyższych kosztach) reuters.com. Firmy mogą przerzucić te koszty na klientów. Jest też wyzwanie związane ze skalowaniem talentów i łańcuchów dostaw w nowych regionach (co pokazało opóźnienie TSMC w Arizonie, patrz sekcja Workforce). Niemniej jednak rządy wydają się gotowe ponieść te koszty w zamian za korzyści w zakresie bezpieczeństwa.
- Kontrole eksportu i zgodność z przepisami: Kolejnym zjawiskiem są skomplikowane reżimy kontroli eksportu wprowadzane na świecie. Biuro Przemysłu i Bezpieczeństwa (BIS) Departamentu Handlu USA aktywnie aktualizuje przepisy. Na przykład pod koniec 2024 r. USA ogłosiły przepisy mające ograniczyć nawet dostęp do zaawansowanych modeli AI w krajach objętych sankcjami oraz ograniczyły eksport niektórych mniej zaawansowanych chipów, które mogłyby zostać wykorzystane do celów wojskowych deloitte.com. Monitorowanie i egzekwowanie tych przepisów stanowi wyzwanie – istnieje prężnie działający szary rynek odsprzedawców i pośredników próbujących dostarczać zakazane chipy do Chin lub innych objętych zakazem miejsc. W odpowiedzi USA zwiększają działania egzekucyjne. Tymczasem Chiny opracowują własną listę kontroli eksportu (być może obejmującą więcej pozycji, takich jak magnesy ziem rzadkich itp., poza już ograniczonymi metalami). Ta gra w kotka i myszkę prawdopodobnie będzie trwać, a firmy czasem znajdą się pośrodku (np. NVIDIA musiała stworzyć zmodyfikowane, wolniejsze wersje swoich chipów AI, aby legalnie sprzedawać je do Chin zgodnie z przepisami, co z kolei spotkało się z kolejnymi ograniczeniami ze strony USA).
- Suwerenność technologiczna vs. współpraca: Wiele krajów mówi o „suwerenności technologicznej” – UE używa tego terminu, by uzasadnić inwestycje zapewniające, że nie będzie całkowicie zależna od zagranicznych technologii. Z drugiej strony innowacje w półprzewodnikach opierają się na globalnej współpracy (żaden kraj nie jest w stanie zrobić wszystkiego tanio samodzielnie). Dlatego decydenci muszą znaleźć równowagę: budować lokalne zdolności, nie izolując się od globalnej sieci dostawców i klientów. Ustawa CHIPS w USA zawiera nawet zapisy, że firmy otrzymujące dofinansowanie nie mogą budować zaawansowanych nowych mocy produkcyjnych w Chinach przez 10 lat, próbując zapewnić rozdzielenie rynków bipartisanpolicy.org. Chiny z kolei promują „samowystarczalność”, nawet jeśli oznacza to wymyślanie koła na nowo. Jeśli rozłam się pogłębi, możemy zobaczyć równoległe ekosystemy – na przykład Chiny rozwijające własne narzędzia EDA, własny sprzęt, choć o generację wstecz. W dłuższej perspektywie niektórzy obawiają się, że duplikacja obniża ogólną efektywność innowacji (ponieważ wcześniej firma taka jak TSMC mogła rozłożyć koszty R&D, sprzedając wszystkim na świecie; w podzielonym świecie wolumeny są niższe na każdy rynek).
W 2024 roku napięcia geopolityczne w sektorze półprzewodników pozostają na rekordowo wysokim poziomie. Pionier branży, Morris Chang, popiera działania USA mające na celu spowolnienie Chin – zauważył „USA rozpoczęły swoją politykę przemysłową dotyczącą chipów, aby spowolnić postęp Chin. … Popieram to,” nawet przyznając, że era wolnego handlu chipami dobiega końca. Firmy takie jak ASML wyrażają obawy, że niektóre ograniczenia wydają się „bardziej motywowane ekonomicznie” niż podyktowane wyłącznie kwestiami bezpieczeństwa reuters.com, jak zauważył CEO ASML, mając nadzieję na stabilną równowagę reuters.com. Tymczasem kraje takie jak Korea Południowa czasami czują się złapane w środku – zależne od Chin jako rynku, ale sprzymierzone z USA. Na przykład Korea Południowa otrzymała pewną elastyczność (zwolnienia) dla swoich firm Samsung i SK Hynix, aby mogły kontynuować działalność fabryk w Chinach pomimo amerykańskich przepisów, ale pod koniec 2024 roku nawet Korea Południowa stanęła w obliczu „niespodzianki” przy rozważaniu własnej polityki technologicznej pod presją deloitte.com.
„Wojna na chipy” w sektorze półprzewodników prawdopodobnie nadal będzie kształtować globalną politykę. Z jednej strony napędza ogromne inwestycje w technologię i moce produkcyjne (co może być pozytywne dla innowacji i miejsc pracy). Z drugiej strony grozi stworzeniem bardziej podzielonego i niestabilnego krajobrazu technologicznego, gdzie szoki podażowe i spory handlowe stają się coraz częstsze. Dla ogółu społeczeństwa jednym z natychmiastowych skutków jest to, że zapewnienie stabilnych dostaw chipów stało się priorytetem dla rządów – podobnie jak bezpieczeństwo energetyczne. W nadchodzących latach można się spodziewać wiadomości o nowych budowach fabryk w sercu USA lub stolicach Europy, wzajemnych zakazach eksportu między głównymi mocarstwami oraz obecności półprzewodników jako kluczowego punktu w rozmowach dyplomatycznych. Globalna rywalizacja o supremację w produkcji chipów jest już w pełni rozpoczęta i będzie miała głęboki wpływ zarówno na ewolucję branży półprzewodników, jak i na szerszą równowagę sił gospodarczych w XXI wieku.
Wpływ gospodarczy branży półprzewodników
Przemysł półprzewodników nie tylko umożliwia funkcjonowanie innych sektorów – jest ogromną siłą gospodarczą samą w sobie. W 2024 roku globalny rynek półprzewodników gwałtownie wzrósł, gdy niedobory związane z pandemią ustąpiły, a nowe zapotrzebowanie gwałtownie wzrosło. Światowa sprzedaż układów scalonych osiągnęła około 630,5 miliarda dolarów w 2024 roku semiconductors.org, co oznacza solidny wzrost o ~18–20% w porównaniu z rokiem poprzednim, a prognozy na 2025 rok przewidują nowe rekordy (około 697 miliardów dolarów) deloitte.com. Jeśli obecne trendy się utrzymają, branża może zbliżyć się do 1 biliona dolarów rocznie do 2030 roku deloitte.com. Dla porównania, to mniej więcej tyle, ile wynosi PKB Holandii lub Indonezji generowane każdego roku przez układy scalone.
Ale prawdziwy wpływ gospodarczy półprzewodników jest znacznie większy niż sama sprzedaż układów scalonych. „Firmy z ekosystemu półprzewodników produkują układy … i sprzedają je firmom, które projektują je do systemów i urządzeń … Przychody z produktów zawierających układy scalone są warte dziesiątki bilionów dolarów,” wyjaśnia ekspert branżowy Steve Blank steveblank.com. W rzeczywistości praktycznie każdy nowoczesny produkt elektroniczny (smartfony, komputery PC, samochody, sprzęt telekomunikacyjny, maszyny przemysłowe) zawiera układy scalone – te rynki końcowe mają łączną wartość wielu bilionów dolarów i napędzają produktywność całej gospodarki. Na przykład półprzewodniki są podstawą kluczowych branż takich jak motoryzacja (współczesne samochody mają dziesiątki mikrokontrolerów), komputery i usługi chmurowe, telekomunikacja (sieci 5G), elektronika użytkowa oraz nowe dziedziny, takie jak sztuczna inteligencja i odnawialne źródła energii. Dostępność i koszt układów scalonych bezpośrednio wpływają na kondycję i tempo innowacji w tych sektorach.
Kilka konkretnych punktów dotyczących wpływu gospodarczego:
- Umożliwianie rewolucji technologicznych: Półprzewodniki są często wąskim gardłem lub katalizatorem nowych fal technologicznych. Wzrost popularności smartfonów i mobilnego internetu w latach 2010. był możliwy dzięki coraz wydajniejszym i energooszczędnym układom scalonym w telefonach. Obecny boom na AI (z modelami podobnymi do ChatGPT i systemami autonomicznymi) jest możliwy dzięki najnowocześniejszym GPU i akceleratorom AI; gdyby postęp w chipach się zatrzymał, algorytmy AI nie mogłyby działać na praktyczną skalę. Przyszła ekspansja IoT (Internetu Rzeczy), samochodów elektrycznych i autonomicznych, automatyzacji Industry 4.0 oraz komunikacji 6G zakłada dalszy postęp w dziedzinie chipów. W kategoriach ekonomicznych, chipy mają ogromny efekt mnożnikowy – przełom w półprzewodnikach może uwolnić zupełnie nowe branże. Dostrzegając to, rządy nazywają półprzewodniki branżą „strategiczną”; na przykład Biały Dom stwierdził, że półprzewodniki są „kluczowe dla wzrostu gospodarczego i bezpieczeństwa narodowego USA”, co wyjaśnia, dlaczego ustawa CHIPS została uzasadniona bipartisanpolicy.org.
- Tworzenie miejsc pracy i zatrudnienie wysoko wykwalifikowanych pracowników: Sektor półprzewodników zapewnia dużą liczbę miejsc pracy na całym świecie, z których wiele to wysoko płatne stanowiska wymagające wysokich kwalifikacji (inżynierowie, technicy, naukowcy). W ośrodkach projektowania chipów, takich jak Dolina Krzemowa (USA) czy Hsinchu (Tajwan), firmy półprzewodnikowe są głównymi pracodawcami. Jedna nowa fabryka może stworzyć tysiące bezpośrednich miejsc pracy i dziesiątki tysięcy pośrednich (budownictwo, dostawcy, usługi). Na przykład planowane fabryki Intela w Ohio i TSMC w Arizonie mają każda stworzyć ok. 3 000 bezpośrednich miejsc pracy oraz znacznie więcej w szerszej gospodarce. Co więcej, są to dokładnie takie zaawansowane miejsca pracy w przemyśle, na których zależy wielu krajom rozwiniętym ze względów gospodarczych i bezpieczeństwa. Jednak, jak omówimy w następnej sekcji, znalezienie wykwalifikowanych pracowników do tych stanowisk staje się coraz większym wyzwaniem, co samo w sobie ma konsekwencje ekonomiczne (ograniczenia kadrowe mogą spowolnić ekspansję i podnieść płace).
- Handel globalny i łańcuchy dostaw: Półprzewodniki są jednym z najczęściej wymienianych towarów na świecie. Roczny globalny handel półprzewodnikami i powiązanym sprzętem sięga setek miliardów dolarów. Na przykład chipy są stale wśród najważniejszych towarów eksportowych dla takich krajów jak Tajwan, Korea Południowa, Malezja i coraz częściej Chiny (które eksportują wiele tańszych chipów, jednocześnie importując te zaawansowane). W rzeczywistości od 2020 roku import chipów do Chin (około 350 mld USD w 2022 r.) przewyższył import ropy naftowej, co podkreśla, że chipy są kluczowym towarem importowym dla tego kraju patentpc.com. Ta dynamika wpływa także na bilans handlowy i negocjacje. Gospodarki nastawione na eksport, takie jak Korea Południowa i Tajwan, polegają na eksporcie chipów dla wzrostu – na Tajwanie sama TSMC jest głównym kontrybutorem PKB i nadwyżki handlowej. Tymczasem kraje polegające na imporcie chipów (jak wiele w Europie czy Indie) widzą poprawę swojej pozycji handlowej jako jeden z powodów do rozwoju krajowej produkcji.
- Bezpieczeństwo gospodarcze: Niedobór chipów w latach 2021-2022 był sygnałem ostrzegawczym: brak półprzewodników za 1 dolara wystarczył, by zatrzymać produkcję samochodów wartych 40 000 dolarów, co przyczyniło się do inflacji i niższego wzrostu PKB w niektórych regionach. Badania szacowały, że niedobór chipów obniżył globalną produkcję samochodów o kilka procent i spowolnił dostępność elektroniki konsumenckiej, co prawdopodobnie miało niewielki, ale odczuwalny wpływ na PKB w 2021 roku. Rządy traktują obecnie zapewnienie dostaw chipów jako element bezpieczeństwa gospodarczego. Raport PwC z 2023 roku ostrzegał nawet, że poważne zakłócenia w dostawach chipów spowodowane zmianami klimatu mogą zagrozić jednej trzeciej prognozowanej produkcji o wartości 1 biliona dolarów w ciągu dekady, jeśli branża się nie dostosuje pwc.com – co znacząco zaszkodziłoby globalnej gospodarce. Planiści gospodarczy włączają więc półprzewodniki do analiz ryzyka, które zwykle zarezerwowane są dla kluczowych surowców.
- Giełda i wzrost korporacyjny: Same firmy półprzewodnikowe stały się jednymi z najbardziej wartościowych firm na świecie. Pod koniec 2024 roku łączna kapitalizacja rynkowa 10 największych firm z branży chipów wynosiła około 6,5 biliona dolarów, co oznacza wzrost o 93% w porównaniu z rokiem poprzednim deloitte.com, dzięki gwałtownemu wzrostowi wycen związanych ze sztuczną inteligencją. Giganci tacy jak TSMC, NVIDIA, Samsung, Intel i ASML mają kapitalizacje rzędu setek miliardów dolarów. Wyniki tych firm silnie wpływają na indeksy giełdowe i przepływy inwestycyjne. W rzeczywistości Philadelphia Semiconductor Index (SOX) jest często postrzegany jako barometr kondycji sektora technologicznego. Bogactwo stworzone przez wzrost tych firm jest ogromne, a one z kolei inwestują rekordowe kwoty w badania i rozwój oraz wydatki kapitałowe (TSMC wydało ok. 36 mld dolarów na inwestycje kapitałowe w 2022 roku reuters.com, co odpowiada kosztowi budowy kilku lotniskowców). Tworzy to korzystny cykl innowacji i aktywności gospodarczej, o ile popyt utrzymuje się na wysokim poziomie.
- Wpływ na konsumentów i ceny: Chipy stanowią istotną część kosztów wielu produktów. Wraz ze wzrostem mocy chipów (zgodnie z prawem Moore’a) często koszt pojedynczej funkcji spada, co umożliwia tańszą elektronikę lub więcej funkcji w tej samej cenie – to korzyść dla konsumentów i produktywności. Jednak ostatni kryzys podażowy i dodatkowe koszty „bezpiecznych” łańcuchów dostaw (np. dublowanie fabryk w droższych regionach) mogą wywierać presję inflacyjną. Widzieliśmy na przykład, jak ceny samochodów znacznie wzrosły w latach 2021-2022 częściowo dlatego, że producenci nie mogli zdobyć wystarczającej liczby mikrokontrolerów, co prowadziło do niskich stanów magazynowych. Raport Goldman Sachs z 2021 roku wykazał, że chipy są obecne w szerokiej gamie dóbr konsumenckich, więc długotrwały niedobór chipów może wpłynąć na inflację o zauważalną część procenta. Z drugiej strony, gdy podaż chipów się normalizuje, może to mieć deflacyjny wpływ na ceny elektroniki. W dłuższej perspektywie postęp w półprzewodnikach jest siłą deflacyjną (elektronika albo tanieje, albo staje się znacznie bardziej zaawansowana w tej samej cenie każdego roku).
- Dotacje rządowe i zwrot z inwestycji (ROI): Z dziesiątkami miliardów środków publicznych obecnie przeznaczonych na inicjatywy związane z półprzewodnikami, podatnicy i ekonomiści obserwują zwroty. Zwolennicy twierdzą, że te dotacje zwrócą się poprzez tworzenie wysoko płatnych miejsc pracy i ochronę kluczowych gałęzi przemysłu. Istnieje także efekt mnożnikowy – np. budowa fabryki półprzewodników wiąże się z dużą ilością prac budowlanych, a następnie z miejscami pracy wymagającymi wysokich kwalifikacji, a każde miejsce pracy w fabryce podobno wspiera ~4–5 innych miejsc pracy w gospodarce (w utrzymaniu, usługach itp.). Jednak krytycy ostrzegają przed nadpodażą lub nieefektywnością rządowego wybierania zwycięzców. Finansowanie z ustawy CHIPS, na przykład, wiąże się z warunkami (podział zysków w przypadku nadmiernych zysków, wymogi dotyczące opieki nad dziećmi dla pracowników fabryk itp.), aby zapewnić szerokie korzyści. Sukces lub porażka tych polityk będzie miała efekt domina w gospodarce: jeśli się powiodą, regiony takie jak amerykański Midwest czy Saksonia w Niemczech mogą stać się nowymi Dolinami Krzemowymi, wzmacniając lokalne gospodarki. Jeśli nie, istnieje ryzyko kosztownych „białych słoni”.
Podsumowując, półprzewodniki mają ogromny wpływ gospodarczy zarówno bezpośredni, jak i pośredni. Napędzają wzrost w branżach komplementarnych i są sercem wzrostu produktywności (szybsze komputery = więcej symulacji naukowych, lepsza AI = więcej automatyzacji). Cykliczny charakter sektora (cykle boom-bessa spowodowane wahaniami popytu) może również wpływać na szersze cykle gospodarcze. Na przykład spadek w cyklu półprzewodników (jak w 2019 lub 2023 dla pamięci) może zaszkodzić eksportowi i PKB gospodarek opartych na produkcji, podczas gdy wzrost (jak obecny boom AI) może je napędzać.
Wchodząc w 2025 rok, perspektywy są optymistyczne: w branżowym raporcie Deloitte odnotowano, że 2024 był bardzo mocny z ~19% wzrostem, a 2025 może przynieść kolejne ~11% wzrostu, co stawia branżę na drodze do tego bilionowego celu deloitte.com. Wzrost napędzany jest przez popyt na nowe technologie (AI, 5G, pojazdy elektryczne), który rekompensuje ewentualne spowolnienie w smartfonach czy komputerach PC. Wyzwanie będzie polegało na radzeniu sobie z kosztami lokalizacji i ograniczeniami geopolitycznymi bez tłumienia innowacyjności i skali, które uczyniły półprzewodniki taką historią sukcesu gospodarczego.
Kwestie środowiskowe i zrównoważonego rozwoju
Choć technologia półprzewodnikowa jest imponująca, jej produkcja wiąże się z istotnymi kosztami środowiskowymi. Branża coraz częściej mierzy się z wyzwaniami zrównoważonego rozwoju – w tym ogromnym zużyciem wody i energii, emisją gazów cieplarnianych oraz odpadami chemicznymi. Paradoksalnie, choć układy scalone umożliwiają powstawanie bardziej ekologicznych technologii (jak wydajna elektronika i rozwiązania czystej energii), ich produkcja może być zasobożerna i zanieczyszczająca, jeśli nie jest odpowiednio zarządzana. Oto kluczowe kwestie środowiskowe:
- Zużycie wody: „Półprzewodniki nie mogą istnieć bez wody – i to w dużych ilościach,” zauważa Kirsten James z Ceres weforum.org. Fabryki wymagają ogromnych ilości ultraczystej wody (UPW) do płukania płytek po każdym procesie chemicznym. Woda ta musi być niezwykle czysta (tysiące razy czystsza niż woda pitna), aby uniknąć jakiegokolwiek zanieczyszczenia minerałami lub cząstkami weforum.org. Do wyprodukowania 1 000 galonów UPW potrzeba około 1 400–1 600 galonów wody miejskiej (reszta staje się ściekami) weforum.org. Pojedyncza duża fabryka chipów może zużywać 10 milionów galonów wody dziennie, co odpowiada zużyciu wody przez ok. 30 000–40 000 gospodarstw domowych weforum.org. Na całym świecie szacuje się, że wszystkie fabryki półprzewodników razem zużywają wodę w ilości porównywalnej do miasta liczącego miliony mieszkańców; jeden z raportów wskazał, że fabryki chipów na całym świecie zużywają tyle wody, co miasto Hongkong (7,5 mln ludzi) rocznie weforum.org. Tak duże zapotrzebowanie wywiera presję na lokalne zasoby wodne, zwłaszcza w regionach już borykających się z suszą lub deficytem wody (np. fabryki TSMC na Tajwanie były zagrożone poważną suszą w 2021 roku, co wymagało racjonowania wody przez rząd, a nawet dowożenia wody ciężarówkami do fabryk). Niedobór wody staje się słabym punktem branżyweforum.org. Ponadto ścieki z fabryk mogą zawierać niebezpieczne chemikalia (takie jak kwasy, metale). Bez odpowiedniego oczyszczania te ścieki mogą zanieczyszczać rzeki i wody gruntowe, szkodząc ekosystemom weforum.org. Rzeczywiście, w niektórych ośrodkach produkcji chipów w Chinach i Korei Południowej władze zgłaszały naruszenia środowiskowe przez fabryki z powodu zanieczyszczenia wody weforum.org. Branża odpowiada, inwestując w recykling wody: wiele fabryk obecnie odzyskuje część zużywanej wody. Na przykład nowa fabryka TSMC w Arizonie deklaruje, że odzyska około 65% zużywanej na miejscu wody <a href=”https://www.weforum.org/stories/2024/07/the-water-challenge-foweforum.org, a Intel współpracował z lokalnymi władzami w Oregonie i Arizonie, aby zbudować oczyszczalnie wody w celu uzupełnienia wód gruntowych weforum.org. Niektóre fabryki w Singapurze i Izraelu odzyskują jeszcze wyższe procenty wody. Jednak wraz ze wzrostem zapotrzebowania na chipy, całkowite zużycie wody nadal będzie rosło, co czyni z tego kluczowy problem zrównoważonego rozwoju.
- Zużycie energii i emisje: Produkcja chipów jest energochłonna. Praca cleanroomów, pomp i procesów termicznych w fabie 24/7 pochłania ogromne ilości energii. Pojedyncza zaawansowana fabryka może zużywać około 100 megawatów energii elektrycznej nieprzerwanie – co odpowiada zużyciu energii przez małe miasto (dziesiątki tysięcy domów). W rzeczywistości „standardowa duża fabryka chipów zużywa ponad 100 000 megawatogodzin energii … każdego dnia”, a cały sektor zużył około 190 milionów ton CO₂-ekwiwalentu w 2024 rokublog.veolianorthamerica.com. (Ta wartość emisji – 190 milionów ton – to mniej więcej roczna emisja krajów takich jak Wietnam czy Australia). Część tego śladu węglowego pochodzi z pośredniego zużycia energii (jeśli lokalna sieć oparta jest na paliwach kopalnych), a część z bezpośrednich emisji procesowych. Fabryki używają związków perfluorowanych (PFC) do trawienia i czyszczenia; gazy te, takie jak CF₄ czy C₂F₆, mają potencjał globalnego ocieplenia tysiące razy wyższy niż CO₂ i mogą utrzymywać się w atmosferze przez tysiące lat. Chociaż branża stara się ograniczać wycieki PFC (w ramach dobrowolnych porozumień z Protokołu z Kioto), nadal stanowią one istotną część emisji. Według badania TechInsights, jeśli produkcja chipów podwoi się do 2030 roku (aby osiągnąć rynek wart 1 bilion dolarów), bez działań ograniczających emisje branży mogą znacznie wzrosnąć pwc.com. Aby ograniczyć zużycie energii, producenci chipów coraz częściej inwestują w energię odnawialną do zasilania fabryk. TSMC, na przykład, stał się jednym z największych korporacyjnych nabywców energii odnawialnej na świecie, dążąc do 40% udziału energii odnawialnej do 2030 roku i 100% do 2050 roku. Intel również ma fabryki zasilane w 100% energią odnawialną w niektórych lokalizacjach. Poprawa efektywności energetycznej w fabach (np. wykorzystanie odzysku ciepła, wydajniejszych chłodziarek) to kolejny priorytet. Co ważne, bardziej zaawansowane chipy często wymagają więcej energii na wyprodukowanie jednego wafla (np. litografia EUV jest mniej energooszczędna niż starsze techniki litografii), więc istnieje napięcie między postępem technologicznym a zużyciem energii na chip. Niektórzy analitycy obawiają się, że jeśli prawo Moore’a zwolni, zużycie energii na tranzystor może faktycznie wzrosnąć.
- Odpady chemiczne i niebezpieczne: Proces produkcji półprzewodników wykorzystuje toksyczne i niebezpieczne substancje – gazy takie jak silan czy arsyna, żrące ciecze (kwasy, rozpuszczalniki) oraz metale ciężkie. Bezpieczne zarządzanie strumieniami odpadów jest kluczowe. Fabryki generują odpady chemiczne, które muszą być starannie przetwarzane lub utylizowane. Na przykład zużyte rozpuszczalniki i trawiące substancje mogą być destylowane i poddawane recyklingowi, kwasy neutralizowane, a zawiesiny filtrowane do ponownego użycia. Firmy takie jak Veolia oferują usługi specjalnie pomagające fabrykom w recyklingu odpadów – przekształcając zużyte chemikalia w użyteczne produkty lub bezpiecznie spalając odpady i odzyskując energię blog.veolianorthamerica.com. Pomimo najlepszych praktyk, zdarzają się wypadki (wycieki chemiczne, niewłaściwe składowanie), które mogą powodować lokalne szkody środowiskowe. Kolejnym aspektem są odpady opakowaniowe – produkcja wiąże się z dużą ilością jednorazowych plastikowych pojemników, rękawic, fartuchów itp. w cleanroomach. Wiele firm stara się obecnie również ograniczać i poddawać recyklingowi te odpady stałe blog.veolianorthamerica.com. Istnieją także odpady elektroniczne w dalszym łańcuchu, ale to dotyczy raczej utylizacji gotowych produktów elektronicznych niż samej produkcji chipów.
- Odporność na zmiany klimatu: Paradoksalnie, zmiany klimatu stanowią bezpośrednie zagrożenie dla produkcji chipów, nawet jeśli chipy będą potrzebne do walki ze zmianami klimatu. Fabryki znajdują się w miejscach coraz częściej doświadczających ekstremalnych zjawisk pogodowych: tajfunów we wschodniej Azji, fal upałów i susz (np. zachodnie USA, Tajwan) itd. Raport CNBC z 2024 roku podkreślił, jak pojedyncza burza lub powódź uderzająca w kluczowe „miasto chipowe” może zakłócić dostawy – na przykład hipotetyczny tajfun Helene uderzający w tajwańskie miasto Hsinchu (gdzie znajduje się siedziba TSMC) mógłby być katastrofalny deloitte.com. Firmy obecnie oceniają ryzyka klimatyczne dla swoich zakładów. Deficyt wody jest na pierwszym planie – w badaniu z 2023 roku wśród menedżerów branży półprzewodników 73% wyraziło obawy dotyczące ryzyka związanego z zasobami naturalnymi (woda) dla swojej działalności weforum.org. Wiele firm wdraża odporność na zmiany klimatu, np. budując magazyny wody na miejscu, zapasowe źródła energii i dywersyfikując lokalizacje geograficzne. PricewaterhouseCoopers ostrzegł, że bez adaptacji nawet 32% globalnych dostaw półprzewodników jest zagrożonych do 2030 roku z powodu stresu wodnego i innych skutków klimatycznych pwc.com.
- Pozytywne inicjatywy: Z jaśniejszej strony, branża zwiększyła zobowiązania dotyczące zrównoważonego rozwoju. Do 2025 roku prawie wszystkie główne firmy półprzewodnikowe mają jakiś cel redukcji emisji dwutlenku węgla lub neutralności klimatycznej. TSMC planuje zmniejszyć emisje o 20% do 2030 roku (względem poziomu z 2020 roku) i osiągnąć zerową emisję netto do 2050 roku. Intel ma cel zerowej emisji operacyjnej do 2040 roku i inwestuje w ekologiczne fabryki (już osiągnął 82% ponownego wykorzystania wody i 100% zielonej energii w zakładach w USA na rok 2022). Samsung ogłosił podobne cele środowiskowe – np. pozyskiwanie energii odnawialnej dla zagranicznych operacji i poprawę efektywności energetycznej swoich procesów. Kolejnym pozytywem jest to, że produkty branży pomagają redukować emisje w innych sektorach – na przykład energooszczędne układy scalone obniżają zużycie energii w centrach danych i elektronice; układy w systemach energii odnawialnej poprawiają efektywność sieci. Jedno z badań SIA (Stowarzyszenie Przemysłu Półprzewodników) sugerowało, że na każdą tonę CO₂ wyemitowaną przez sektor półprzewodników, technologie umożliwione przez układy scalone pomagają zredukować kilka ton w innych sektorach (poprzez oszczędności energii). Czy to równoważy ślad węglowy – to kwestia dyskusyjna, ale jasne jest, że półprzewodniki są kluczowe dla rozwiązań klimatycznych (inteligentne sieci, pojazdy elektryczne itd.).
Aby zobrazować postępy: japoński oddział półprzewodnikowy Sony poinformował, że jedna z jego fabryk ponownie wykorzystuje około 80% ścieków i buduje nowe instalacje recyklingowe, by to poprawić weforum.org. Wiele firm dołączyło do inicjatyw Responsible Business Alliance na rzecz zrównoważonych łańcuchów dostaw, zapewniając, że używane przez nie minerały (np. kobalt, tantal) są wolne od konfliktów i wydobywane w sposób odpowiedzialny. Powstają także konsorcja, które mają wspólnie rozwiązywać powszechne problemy – np. IMEC w Belgii prowadzi programy dotyczące zrównoważonej produkcji półprzewodników, badając alternatywy dla gazów PFC i sposoby redukcji zużycia energii na płytkę.
Podsumowując, wpływ produkcji półprzewodników na środowisko jest znaczący i musi być zarządzany. Dobrą wiadomością jest to, że liderzy branży to dostrzegają. Jak ujęto w jednym z raportów Deloitte, wyprodukowanie chipów o wartości biliona dolarów w 2030 roku będzie miało wpływ na środowisko – pytanie brzmi, jak go ograniczyć www2.deloitte.com. Droga naprzód obejmuje większą przejrzystość (firmy ujawniające dane dotyczące wody i emisji dwutlenku węgla), wyznaczanie celów opartych na nauce dla emisji, inwestowanie w praktyki gospodarki o obiegu zamkniętym (jak ponowne wykorzystanie chemikaliów, cele „zero odpadów na składowiska” blog.veolianorthamerica.com) oraz współpracę z rządami (w zakresie infrastruktury, takiej jak energia odnawialna i oczyszczanie wody). Konsumenci i inwestorzy również naciskają na bardziej ekologiczne praktyki – główni odbiorcy chipów, tacy jak Apple, chcą, aby ich łańcuch dostaw (w tym dostawcy chipów jak TSMC) korzystał w 100% z energii odnawialnej. Ta zewnętrzna presja pomaga wymuszać zmiany.
Tak więc, chociaż branża półprzewodników ma jeszcze sporo do zrobienia, by zmniejszyć swój ślad środowiskowy, podejmuje znaczące kroki. W końcu oszczędzanie wody i energii często idzie w parze z długoterminowym obniżaniem kosztów. A w świecie, w którym zrównoważony rozwój staje się coraz ważniejszy, doskonałość w „zielonej produkcji chipów” może stać się kolejną przewagą konkurencyjną. Być może technologie takie jak nowe metody suchego trawienia (zużywające mniej chemikaliów) czy substytuty gazów PFC staną się standardem, napędzane ekologicznym podejściem do badań i rozwoju. Mamy nadzieję, że kolejna faza rozwoju półprzewodników będzie możliwa w sposób, który działa z środowiskiem, a nie przeciwko niemu blog.veolianorthamerica.com – zapewniając, że cyfrowa rewolucja napędzana chipami będzie zrównoważona dla planety.
Wyzwania związane z siłą roboczą i talentami
Produkcja półprzewodników to nie tylko cleanroomy i maszyny – w gruncie rzeczy opiera się na ludziach o wysoko wyspecjalizowanych umiejętnościach. I tutaj branża stoi przed poważnym wyzwaniem: rosnący niedobór talentów i luka kompetencyjna. W miarę jak państwa inwestują w nowe fabryki i badania, pojawia się pytanie: kto będzie obsadzał te zakłady i napędzał innowacje, zwłaszcza w czasach, gdy obecna kadra się starzeje, a młodsze talenty wybierają branżę oprogramowania lub inne dziedziny?
Kluczowe kwestie i trendy dotyczące siły roboczej w branży półprzewodników:
- Starzejąca się kadra i fala emerytur: W wielu regionach obecna kadra inżynierów półprzewodników to głównie starsi, doświadczeni specjaliści – a duża grupa zbliża się do emerytury. Na przykład w Stanach Zjednoczonych „55% pracowników branży półprzewodników ma ponad 45 lat, podczas gdy mniej niż 25% ma poniżej 35 lat”, według danych z połowy 2024 roku deloitte.com. Podobnie jest w Europie: „20% pracowników branży półprzewodników w Europie ma ponad 55 lat, a około 30% niemieckiej kadry półprzewodnikowej przejdzie na emeryturę w ciągu najbliższej dekady”, według analizy EE Times deloitte.com. To nadciągający „drenaż mózgów”, gdy doświadczeni eksperci odchodzą. Branża ryzykuje utratę dziesięcioleci wiedzy instytucjonalnej szybciej, niż jest w stanie ją odtworzyć – co zauważono w badaniu talentów Deloitte, ostrzegając przed „niespójnym przekazywaniem wiedzy i zbyt małą liczbą nowych pracowników, by przejąć doświadczenie” deloitte.com.
- Niewystarczający napływ nowych talentów: Historycznie kariery w inżynierii układów scalonych (czy to inżynieria elektryczna, nauka o materiałach, czy utrzymanie sprzętu) nie przyciągały tak dużej liczby młodych talentów jak np. programowanie czy data science. Praca ta jest często postrzegana jako bardziej wyspecjalizowana, wymagająca zaawansowanych stopni naukowych, a pozycja branży wśród absolwentów osłabła od czasów boomu na komputery osobiste. Wspólne badanie SEMI-Deloitte już w 2017 roku podkreślało „nadchodzącą lukę talentów” i zauważało, że branża półprzewodników zmaga się z wizerunkiem i propozycją wartości dla nowych absolwentówdeloitte.com. W latach 2023-2024, pomimo zaawansowanego technologicznie charakteru branży, coraz mniej studentów wybiera kierunki związane z półprzewodnikami, a firmy zgłaszają trudności z obsadzeniem stanowisk – od poziomu podstawowego po badaczy z tytułem doktora. Efekt: wiele ofert pracy, niewielu wykwalifikowanych kandydatów. Jest to szczególnie dotkliwe w regionach próbujących rozwinąć produkcję układów scalonych od niskiego poziomu (np. USA, które muszą przeszkolić znacznie więcej techników do nowych fabryk, czy w przypadku początkowych wysiłków Indii).
- Regionalne niedopasowania i lekcja TSMC z Arizony: Jednym z najbardziej nagłośnionych przykładów problemów z talentami było opóźnienie TSMC w Arizonie. TSMC buduje fabrykę o wartości 40 miliardów dolarów w Arizonie – jeden z filarów amerykańskich starań o przeniesienie zaawansowanej produkcji chipów do kraju. Jednak w połowie 2023 roku TSMC ogłosiło, że otwarcie fabryki zostanie przesunięte z 2024 na 2025 rok, powołując się na „niewystarczającą liczbę wykwalifikowanych pracowników” w lokalnej sile roboczej manufacturingdive.com. Firma miała trudności ze znalezieniem wystarczającej liczby amerykańskich pracowników posiadających specjalistyczną wiedzę do budowy i instalacji zaawansowanego sprzętu fabrycznego, a także spotkała się z „oporem związków zawodowych wobec prób sprowadzenia pracowników z Tajwanu” do pomocyreuters.com. TSMC musiało wysłać setki doświadczonych techników z Tajwanu do Arizony, aby szkolić miejscowych i dokończyć instalację cleanroomów. Przewodniczący firmy Mark Liu zauważył, że każdy nowy projekt ma swoją krzywą uczenia się, ale zasugerował, że niedobór siły roboczej w USA był poważną przeszkodą reuters.com. Ten scenariusz podkreśla, że wiedza specjalistyczna jest skoncentrowana w istniejących ośrodkach (takich jak Tajwan w przypadku zaawansowanej produkcji) i nie przenosi się łatwo. Obecnie amerykańskie projekty fabryk (nowe fabryki Intela, rozbudowa fabryki Samsunga w Teksasie itd.) intensyfikują rekrutację i szkolenia, współpracując z college’ami i wydziałami inżynierskimi w celu rozwoju talentów. Jednak wyszkolenie świeżo upieczonego absolwenta na doświadczonego inżyniera procesów półprzewodnikowych może zająć lata praktyki. W rezultacie rozwój krajowych talentów może nie nadążać za tempem budowy fabryk.
- Chińska ofensywa na talenty: Tymczasem Chiny agresywnie poszukują talentów z branży chipów na całym świecie, aby przezwyciężyć swoje ograniczenia technologiczne. Jak już wspomniano, w związku z ograniczeniami transferu technologii przez kraje zachodnie, Chiny zwróciły się ku rekrutacji indywidualnych specjalistów. Dochodzenie Reutersa z 2023 roku wykazało, że Chiny po cichu zatrudniły setki inżynierów z tajwańskiego TSMC i innych firm, oferując im pakiety wynagrodzeń czasem dwukrotnie wyższe niż dotychczasowe pensje oraz dodatkowe korzyści, takie jak mieszkanie deloitte.com. Celem jest importowanie wiedzy do chińskich fabryk i biur projektowych (co w pewnym stopniu przypomina sposób, w jaki Tajwan początkowo rozwinął swój przemysł, sprowadzając inżynierów wykształconych w USA w latach 80.). Jednakże wywołało to napięcia – Tajwan wszczął nawet śledztwa i zaostrzył prawo, aby zapobiec wyciekowi własności intelektualnej poprzez podkupywanie talentów. USA również obecnie zabraniają swoim obywatelom (i posiadaczom zielonej karty) pracy dla niektórych chińskich firm produkujących chipy bez odpowiedniej licencji deloitte.com, po tym jak zauważono, że wielu byłych pracowników amerykańskich firm podejmowało lukratywne posady w Chinach. Niemniej jednak „wojna o talenty” sprawia, że doświadczeni inżynierowie na całym świecie są bardzo poszukiwani, a ich wynagrodzenia rosną. To świetna wiadomość dla inżynierów, ale może być problematyczne dla firm i regionów, które nie są w stanie dorównać ofertom płacowym bogatszych konkurentów (czy to państwowo dotowanego chińskiego startupu, czy fabryki finansowanej z amerykańskiego CHIPS Act).
- Inicjatywy szkoleniowe i edukacyjne: Dostrzegając wąskie gardło w postaci niedoboru talentów, pojawiło się wiele nowych inicjatyw. W ramach CHIPS Act USA przeznaczyły środki nie tylko na fabryki, ale także na rozwój kadr – współpracując z uniwersytetami i college’ami społecznymi w celu tworzenia nowych programów edukacyjnych z zakresu półprzewodników bipartisanpolicy.org. Na przykład Uniwersytet Purdue uruchomił program studiów półprzewodnikowych, którego celem jest coroczne kształcenie setek inżynierów wyspecjalizowanych w chipach, a Uniwersytet Stanowy Arizony rozszerza programy wspierające obecność TSMC. Podobnie europejski Chips Act obejmuje stypendia i sieci szkoleń międzynarodowych, aby kształcić więcej ekspertów od mikroelektroniki. Firmy również zwiększają zakres szkoleń wewnętrznych; Intel na przykład od lat prowadzi wewnętrzny „college dla fabryk” i rozwija programy stażowe oraz praktyki. Jednym z wyzwań jest jednak to, że wiele wiedzy praktycznej w produkcji chipów nie jest przekazywane w podręcznikach – zdobywa się ją poprzez praktykę w fabrykach. Dlatego zwiększenie liczby specjalistów będzie wymagało połączenia formalnej edukacji z praktycznymi stażami w istniejących zakładach. Rządy mogą nawet złagodzić przepisy imigracyjne, aby przyciągnąć zagraniczne talenty (USA rozważają specjalną kategorię wizową dla ekspertów od chipów, a Japonia zabiega o tajwańskich i koreańskich inżynierów do pracy w Rapidus).
- Kultura pracy i atrakcyjność: Kolejną kwestią jest uczynienie ścieżki kariery w półprzewodnikach atrakcyjną. Branża ta bywa wymagająca – fabryki pracują 24/7, inżynierowie często pracują na zmiany, a wymagana precyzja oznacza środowisko o wysokim poziomie stresu. Jak zauważył Reuters, TSMC odkryło, że amerykańscy pracownicy byli mniej skłonni znosić „wyczerpujący” całodobowy harmonogram fabryk chipów w porównaniu do pracowników z Tajwanu czy Japonii reuters.com. W Japonii istnieje kulturowa norma pracy przez długie godziny, co odpowiada potrzebom fabryk chipów, podczas gdy w USA oczekiwania dotyczące równowagi między życiem zawodowym a prywatnym mogą kolidować z potrzebami pracy na nocne zmiany. Firmy mogą potrzebować się dostosować (np. więcej automatyzacji, by ograniczyć nocne zmiany, lub zachęty do pracy w mniej popularnych godzinach). Branża mogłaby też poprawić swój wizerunek, podkreślając, jak ciekawe i wpływowe jest to zajęcie – umożliwiasz przyszłość technologii – oraz promując różnorodność i inkluzywność (tradycyjnie była zdominowana przez mężczyzn i mogłaby bardziej angażować grupy niedostatecznie reprezentowane). Historyczny brak splendoru w porównaniu z branżą oprogramowania nieco zanika, ponieważ półprzewodniki coraz częściej pojawiają się w mediach, ale dalsza promocja jest kluczowa.
- Niedobór talentów w liczbach: Aby to zobrazować, SEMI (stowarzyszenie branżowe) oszacowało pod koniec 2022 roku, że do 2030 roku branża może zmagać się z niedoborem około 300 000 wykwalifikowanych pracowników na całym świecie, jeśli obecne trendy się utrzymają. Obejmuje to wszystkich – od badaczy z tytułem doktora po techników utrzymania ruchu. Największe braki dotyczą inżynierów sprzętu, inżynierów procesów produkcyjnych oraz specjalistów od oprogramowania EDA. Firmy EDA, takie jak Synopsys, również zgłaszają zapotrzebowanie na większą liczbę ekspertów od algorytmów i AI, by rozwijać kolejną generację narzędzi projektowych (które teraz wykorzystują AI – chipy projektujące chipy!). Kolejny segment to stanowiska techniczne – osoby z 2-letnim wykształceniem technicznym, które obsługują i serwisują urządzenia fabryczne. Kraje takie jak USA w ostatnich dekadach zbyt mało inwestowały w szkolenia zawodowe dla takich ról, więc odbudowa tego zaplecza jest kluczowa.
- Współpraca międzynarodowa kontra ograniczenia: Co ciekawe, choć potrzeby kadrowe są globalne, niektóre polityki komplikują przepływ talentów. Amerykańskie przepisy eksportowe ograniczają nie tylko sprzęt, ale także wiedzę ludzką (osoby z USA potrzebują licencji, by pracować z niektórymi chińskimi fabrykami). Może to ograniczać pulę ekspertów chętnych lub mogących pracować w określonych miejscach, co w praktyce segmentuje rynek pracy. Z drugiej strony, kraje sojusznicze rozważają sposoby dzielenia się talentami – np. program „wymiany talentów” między amerykańskimi a tajwańskimi fabrykami w celu wzajemnego szkolenia inżynierów, czy wzajemne uznawanie kwalifikacji między UE a USA, by inżynierowie mogli łatwiej przenosić się do projektów.
- Wynagrodzenia i konkurencja: Niedobór talentów doprowadził do wzrostu wynagrodzeń w branży, co jest korzystne dla przyciągania ludzi, ale jednocześnie zwiększa koszty dla firm. W latach 2021-2022 niektóre firmy półprzewodnikowe przyznały znaczne podwyżki lub premie, aby zatrzymać pracowników. Podobno TSMC zaoferowało w 2022 roku podwyżki wynagrodzeń przekraczające 20% w obliczu prób podkupywania pracowników. W regionach takich jak Indie, gdzie historycznie płace projektantów układów scalonych były niższe, międzynarodowe koncerny oferują obecnie znacznie wyższe pakiety, aby zatrzymać talenty przed przejściem do konkurencji lub wyjazdem za granicę. Wszystko to jest korzystne dla specjalistów, ale może zawęzić marże zysku lub wpłynąć na to, gdzie firmy będą się rozwijać (mogą szukać regionów z dobrym systemem edukacji, ale wciąż rozsądnymi kosztami pracy – to jeden z powodów, dla których Intel i inni rozważają takie miejsca jak Ohio czy północny stan Nowy Jork zamiast najbardziej konkurencyjnych rynków pracy).
Podsumowując, problem z talentami w branży półprzewodników jest kluczowym ograniczeniem dla ambitnych planów rozwoju tej branży. Jest w tym pewna ironia: możemy wydać miliardy na nowoczesne fabryki, ale bez wykwalifikowanych ludzi do ich obsługi pozostaną one pustymi skorupami. Jak powiedział prezes SIA w 2022 roku, „Nie można mieć odrodzenia produkcji bez odrodzenia siły roboczej”. W najbliższych latach zobaczymy skoordynowane działania mające na celu zainspirowanie i wyszkolenie nowego pokolenia ekspertów od układów scalonych. Może to oznaczać aktualizację programów nauczania inżynierii o większą liczbę treści dotyczących produkcji półprzewodników, oferowanie atrakcyjnych stypendiów, a nawet rozpoczęcie działań promujących STEM już na poziomie szkoły średniej, aby zachęcić uczniów do „budowania kolejnego układu o miliardzie tranzystorów”, a nie tylko pisania kolejnej aplikacji.
Tymczasem firmy będą stosować rozwiązania tymczasowe: przekwalifikowywać inżynierów z pokrewnych branż, zatrudniać emerytowanych specjalistów jako konsultantów oraz wykorzystywać więcej automatyzacji i sztucznej inteligencji, aby zmniejszyć zapotrzebowanie na pracę w fabrykach. Rządy również mogą dostosować politykę imigracyjną – na przykład USA mogłyby przyznawać zieloną kartę absolwentom amerykańskich uczelni z odpowiednimi doktoratami, aby zatrzymać ich w kraju.
Stawka jest wysoka: jeśli problem niedoboru talentów nie zostanie rozwiązany, może stać się wąskim gardłem spowalniającym tempo innowacji i zwiększania mocy produkcyjnych, podważając cele wielomiliardowych inicjatyw dotyczących układów scalonych. Z drugiej strony, jeśli uda się zainspirować nową falę talentów do mikroelektroniki, ten kapitał ludzki może podtrzymać nową złotą erę postępu w dziedzinie półprzewodników. Jak żartobliwie powiedział jeden z ekspertów: „Najważniejszym zasobem branży układów scalonych nie jest krzem, lecz mózgi.” Zapewnienie, że wystarczająco dużo tych mózgów pracuje nad półprzewodnikami, jest równie ważne jak każdy inny czynnik omówiony w tym raporcie.
Półprzewodniki są często nazywane „DNA technologii”, a ta szczegółowa analiza wyjaśnia dlaczego. Od fizyki ich działania, przez złożony globalny taniec produkcji, po strategiczne i ludzkie wyzwania kształtujące ich przyszłość – układy scalone znajdują się na styku nauki, gospodarki i geopolityki. W 2025 roku świat uświadamia sobie, że ten, kto prowadzi w produkcji półprzewodników, prowadzi w nowoczesnej gospodarce. Dlatego widzimy jednocześnie wielomiliardowe inwestycje, międzynarodową walkę o talenty i surowce oraz zawrotne tempo innowacji.
Dla ogółu społeczeństwa wszystko to może wydawać się odległe – dopóki nie przestanie. Niedobór chipów może sprawić, że samochody staną się droższe lub gadżety niedostępne; zmiana polityki może zdecydować, czy następny smartfon będzie miał rewolucyjny procesor, czy przestarzały. Dobrą wiadomością jest to, że w całym 2024 roku i w 2025 roku inwestycje napływają, aby wzmocnić i zrewolucjonizować łańcuch dostaw, na horyzoncie pojawiają się ekscytujące nowe technologie, a eksperci branżowi współpracują, by rozwiązywać wąskie gardła – od litografii po szkolenie kadr. Historia produkcji półprzewodników to naprawdę opowieść o nieustannej innowacji – gdy wydaje się, że osiągamy granicę, inżynierowie znajdują nową drogę (czy to 3D chipy, EUV, czy coś, co dopiero nadejdzie).
W nadchodzących latach warto zwrócić uwagę na kilka kwestii: Czy projekty fabryk w USA i UE szybko przyniosą efekty? Czy Chiny osiągną ambitne cele samowystarczalności mimo sankcji? Czy następcy prawa Moore’a, tacy jak chiplet, będą nadal zapewniać wzrost wydajności? Czy branża stanie się bardziej ekologiczna i przyciągnie różnorodne talenty? Odpowiedzi na te pytania ukształtują nie tylko technologie, z których korzystamy, ale także geopolityczny i gospodarczy krajobraz XXI wieku.
Jedno jest pewne: te maleńkie chipy stały się ogromnie ważne. „wojny chipowe” i wyścig krzemowy będą trwać, ale najlepiej, by odbywały się poprzez konkurencję napędzającą innowacje i współpracę zapewniającą stabilność. Ostatecznie każdy konsument i każde państwo zyska, jeśli ekosystem półprzewodników pozostanie dynamiczny, bezpieczny i zrównoważony. Jak widzieliśmy, wymaga to sprawnego zarządzania wszystkim – od atomów po politykę handlową. Świat patrzy – i inwestuje – w ten sektor jak nigdy dotąd.
Dla zainteresowanych pogłębieniem wiedzy lub śledzeniem nowości, poniżej znajduje się kilka publicznych źródeł i dalszych lektur na temat produkcji półprzewodników i trendów branżowych:
- Semiconductor Industry Association (SIA) – State of the Industry Reports: Szczegółowe coroczne raporty z najnowszymi danymi dotyczącymi sprzedaży, inwestycji i aktualizacji polityki deloitte.com.
- Deloitte’s Semiconductor Outlook 2025: Analiza trendów rynkowych, w tym wpływu popytu na AI, niedoboru talentów i geopolityki deloitte.comdeloitte.com.
- „Chip War” Chrisa Millera: Gorąco polecana książka, która przedstawia historyczny kontekst rywalizacji USA–Chiny o półprzewodniki i wyjaśnia, jak do tego doszło.
- EE Times i Semiconductor Engineering: Branżowe publikacje, które codziennie informują o przełomach technologicznych, problemach z łańcuchem dostaw i planach firm – świetne źródło, by być na bieżąco z rozwojem procesów 3nm/2nm, nowymi architekturami chipów itp.
- Raporty Światowego Forum Ekonomicznego i Ceres dotyczące zrównoważonego rozwoju w branży półprzewodników: Omawiają wpływ na środowisko oraz działania podejmowane w celu rozwiązania problemów związanych z wodą i energią w produkcji układów scalonych weforum.org, blog.veolianorthamerica.com.
- Strony internetowe i blogi firmowe (TSMC, Intel, ASML): Wielu liderów branży publikuje materiały edukacyjne lub aktualizacje (np. cele zrównoważonego rozwoju Intel 2030 RISE, techniczne briefingi ASML na temat EUV).
Śledząc te źródła, można na bieżąco obserwować, jak rozgrywa się dramat produkcji półprzewodników – dramat łączący najnowocześniejsze innowacje z globalną strategią o wysoką stawkę. Nie jest przesadą stwierdzenie, że przyszłość będzie napędzana chipami, a zrozumienie tej dziedziny staje się coraz bardziej niezbędne dla każdego, kto jest ciekawy, dokąd zmierza świat.
Półprzewodniki mogą być maleńkie, ale dźwigają ciężar współczesnego świata – a teraz odsłoniliśmy kulisy tego, jak powstają, kto je produkuje i dlaczego stały się punktem zapalnym zarówno ekscytacji, jak i napięć na arenie międzynarodowej. steveblank.com
___________________________________________________
Prognozy dla branży półprzewodników na 2025 rok | Deloitte Insights
Budowanie zrównoważonej ścieżki rozwoju dla branży półprzewodników
Steve Blank Ekosystem półprzewodników – wyjaśnienie
Czym jest półprzewodnik i do czego służy? | Definicja według TechTarget
Zrozumienie CHIPS, część pierwsza: Wyzwanie produkcji półprzewodników | Bipartisan Policy Center
Największe kraje produkujące półprzewodniki w latach 2020-2030: Statystyki produkcji i eksportu | PatentPC
Ustawa Chips o wartości 43 miliardów euro otrzymuje zielone światło. – TechHQ
Ustawa Chips: Rada daje ostateczną zgodę – Consilium.europa.eu
Zamiana wyzwań w szanse w globalnym sektorze półprzewodników…
TSMC docenia umiejętności Japonii w zakresie chipów po potknięciach USA, twierdzą źródła | Reuters
Zrozumienie CHIPS, część pierwsza: Wyzwanie produkcji półprzewodników | Bipartisan Policy Center
Zmiana na chiplet: Ewolucja standardów interfejsów i komercyjne …
Programy badawczo-rozwojowe CHIPS – Stowarzyszenie Przemysłu Półprzewodników
Koniec prawa Moore’a nie spowolni tempa zmian
Globalizacja się skończyła, według założyciela TSMC • The Register
Prezes ASML mówi, że chęć USA do ograniczenia eksportu do Chin jest „motywowana ekonomicznie” | Reuters
Raport o stanie branży 2025: Inwestycje i innowacje w obliczu …
Zrozumieć CHIPS, część pierwsza: Wyzwanie produkcji półprzewodników | Bipartisan Policy Center
Jedna trzecia (32%) prognozowanego 1 biliona USD dostaw półprzewodników …
Produkcja półprzewodników i wyzwanie wodne wielkiej technologii | Światowe Forum Ekonomiczne
Budowanie zrównoważonej drogi naprzód dla branży półprzewodników
Produkcja półprzewodników i wyzwanie wodne wielkiej technologii | Światowe Forum Ekonomiczne
