Производството на чипове се обновява. Ефектите ще бъдат обширни

Глобалният бизнес с полупроводници става едновременно по-разнообразен и по-концентриран. Това носи възможности и рискове

Спънките на Intel я оставиха изолирана на 10 нанометра, а шефът й Боб Суан - без работа.

Ексклузивно съдържание от The Economist

Спънките на Intel я оставиха изолирана на 10 нанометра, а шефът й Боб Суан - без работа. © Reuters

На 13 януари японският производител на коли Honda обяви, че трябва да затвори фабриката си в южния английски град Суиндън за известно време. Не заради Brexit или заразени от коронавирус работници. Причината е недостиг на микрочипове. Други производители също страдат. В резултат на недостига Volkswagen, който е лидер в производството, обяви, че ще направи 100 хил. коли по-малко през това тримесечие. Както почти всичко останало в наши дни - от банкови карти до комбайни - автомобилите не могат да работят без компютри.

Индустрията за производство на чипове процъфтява. Пазарната капитализация на световните листнати компании за полупроводници надхвърля 4 трлн. долара или четири пъти повече от стойността им преди пет години. Цените на акциите на производителите на чипове се повишиха по време на пандемията, защото работата се премести онлайн и стриймингът и видеоигрите се притекоха на помощ на потребителите.

Възход и сливания

Това предизвика вълна от сделки. Nvidia, която проектира мощни чипове за игри и изкуствен интелект, обяви през септември, че ще купи базираната във Великобритания Arm, чиито чипове се използват във всички смартфони, в сделка за 40 млрд. долара. През октомври AMD, която проектира графични карти и чипове за общо предназначение, обяви поредната мегасделка - да придобие производителя на препрограмируеми чипове Xilinx за 35 млрд. долара.

Капиталовите разходи също нарастват. Южнокорейският конгломерат Samsung иска да инвестира повече от 100 млрд. долара в бизнеса си с чипове през следващите 10 години (въпреки че част от сумата ще отиде за чиповете й за памет, които се използват в продукти като флаш памет, а не в микропроцесори). На 14 януари тайванската компания за производство на полупроводници (TSMC), която превръща проектите в силиций по зявка на фирми като AMD и Nvidia, зашемети пазарите, като увеличи капиталовите си разходи за 2021 г. от 17.2 млрд. долара до почти 28 млрд. долара в очакване на силно търсене. Това е един от най-големите бюджети на частна фирма в света.

Всичко това се случва сред обединение на големи тенденции, които пренареждат производството на чипове. От единия край на индустрията има сериозна конкуренция и иновации. Утвърдени дизайни на чипове, включително тези на AMD, Nvidia и най-големия производител на чипове по приходи Intel, са изправени пред нови модели. Интернет гигантите като Amazon и Google, които са клиенти на сегашните лидери в индустрията, подготвят свои собствени проекти. Към тях се присъединяват множество стартъпи, които имат силно желание да капитализират търсенето на хардуер за нуждите на изкуствения интелект, на мрежите или на други специализирани приложения.

Всичко това би било безспорно добра новина за всички, ако не беше случващото се от другия край - във фабриките, където тези дизайни се превръщат в електронни схеми, гравирани върху парчета силиций. Нарастващите разходи в резултат на напредналите технологии означават, че експлозията от дизайни на чипове се насочва към все по-малък брой компании, способни да ги произвеждат. Само три фирми в света могат да произвеждат модерни процесори: Intel, TSMC, чийто дом е земетръсен остров, обявен от Китай за своя територия, и южнокорейската Samsung, която има деспотичен и въоръжен с ядрено оръжие северен съсед. Асоциацията на полупроводниковата индустрия в Америка изчислява, че 80% от глобалното производство на чипове се намира в Азия.

Скоро авангардът може да намали до двама. Intel, която развива най-новите постижения в индустрията в продължение на 30 години, се препъна. Публикации в медиите от 18 януари изказват предположение, че компанията, която трябваше да публикува отчетите си за последното тримесечие на 21 януари, може да започне да възлага част от производството си на TSMC.

Поляризация на индустрията

А основополагащата индустрия на световната икономика изглежда е готова да се поляризира още повече, във все по-голямо вълнение в дизайна и все по-концентрирано производство. Тази нова архитектура има бъдщи последствия за производителите на чипове и техните клиенти, които в днешно време включват почти всички.

Да започнем с диверсификацията. Технологичните компании купуваха готови чипове в продължение на години. В 44-годишната си история Apple си е набавяла микропроцесори за своите настолни компютри и лаптопи от MOS Technology, Motorola, IBM и Intel. Въпреки това малко след пускането в продажба на първия iPhone през 2007 г. компанията решава да ги произвежда сама. Следващите версии на смартфона въвеждат собствени дизайни, произведени първо от Samsung, а по-късно и от TSMC. Този подход се оказа толкова успешен, че през 2020 г. Apple обяви, че ще замени продуктите на Intel в настолните си компютри Mac със специално произведени.

Две години по-рано Amazon Web Services, звеното за облачни услуги на онлайн гиганта, започна да заменя някои от чиповете Intel с чипове собствен дизайн "Graviton" в своите центрове за данни. Amazon твърди, че чиповете й са до 40% по-рентабилни от тези на Intel. Приблизително по същото време Google започна да предлага на клиентите на облачни услуги своя чип "Tensor Processing Unit", предназначен да ускори изчисленията от изкуствен интелект. Китайският гигант за търсене Baidu твърди, че чиповете му "Kunlun" изпреварват тези на Nvidia. Говори се, че Microsoft, третият член на западния триумвират в облачните изчисления, работи върху собствени чип проекти.

Умните стартъпи в тази област си осигуряват оценки от милиарди долари. Американската фирма Cerebras, която произвежда чипове за изкуствен интелект, си е заслужила 1.2 млрд. долара. Британският й конкурент Graphcore, който работи съвместно с Microsoft, е оценен на 2.8 млрд. долара през декември. На 13 януари Qualcomm, която е най-популярна с чиповете си за смартфони, плати 1.4 млрд. долара за стартъпа Nuvia, в който работят ветерани от екипа за дизайн на чипове на Apple.

Преди десетилетие персонализираният силиций беше трудна работа. Чиповете за общи цели ставаха по-бързи благодарение на закона на Мур, според който броят компоненти, които могат да бъдат въведени в него, трябва да се удвоява на всеки две години. Днес метрономът на Мур се разпада, защото странните основи на физиката пречат на компоненти, измервани в нанометри, да работят правилно. Всеки такт сега отнема по-скоро три години, отколкото две и предлага по-малко предимства отколкото преди, отбелязва Линли Гуенап, която ръководи изследователската фирма Linley Group.

Леки промени в дизайна дават отлични резултати

Това прави леките промени в дизайна да правят постиженията по-привлекателни, особено за големи и вертикално интегрирани фирми. Никой не знае по-добре от Apple как точно си взаимодействат чиповете й с останалата част от софтуера и хардуера на iPhone. Гигантите в облачните услуги разполагат с огромно количество данни за това как точно се използва хардуерът им и могат да напасват дизайните си.

И докато някога да създадеш собствен чип означаваше да се наложи и да го произведеш, то това вече не е вярно. Сега повечето дизайнери възлагат производствения процес на специалисти като TMSC или като американската GlobalFoundries. Премахването на необходимостта от притежаване на фабрики намали разходите драстично. Дузина автоматизирани дейности улесняват процеса. "Не е толкова просто като да направиш дизайн на собствена тениска в Etsy", казва Маколм Пен, който ръководи Future Horizons, друг анализатор на чип индустрията. Но и това не е по-различно.

Въпреки че проектирането на чипове е по-лесно от всякога, производството им никога не е било по-трудно. Спазването на закона на Мур, макар и със закъснение, изисква харченето на огромни и нарастващи суми за фабрики със супер модерно оборудване: комплект за ецване на плазма (технологични методи за управляемо отстраняване на повърхностен слой материал от заготовката), устройства за физическо отлагане на пари (процес на нанасяне на покрития материал върху повърхността на обработвания детайл чрез физичен метод при вакуумни условия) и 180-тонна литографска машина с размерите на двуетажен автобус. Капиталовите разходи на чип индустрията отново нарастват, след като се понижиха с дял от общите приходи. В абсолютно изражение цената на високотехнологичните "fabs", както са известни фабриките за чипове, нараства безмилостно и без край.

Най-съвременните чипове днес са петнанометрови (макар че 5 нанометра вече не се отнася до действителния размер на транзисторите, както при предишните поколения). Както Samsung, така и TSMC започнаха да ги произвеждат през 2020 г. Техните 3-нанометрови наследници трябва да бъдат представени до 2022 г., а 2-нанометровите се очаква да бъдат на пазара след няколко години.

В началото на хилядолетието една модерна фабрика можеше да струва 1 млрд. долара. Доклад от 2011 г. на консултантската фирма McKinsey сочи, че усъвършинствана фабрика струва 3-4 млрд. долара. Производственото предприятие на TSMC в южен Тайван, което беше завършено през 2020 г., струва 19.5 млрд. долара. Фирмата вече обмисля изграждането на още едно за 2-нанометрови чипове, което със сигурност ще бъде по-скъпо.

Спънките на Intel я оставиха изолирана на 10 нанометра, а шефът й Боб Суан - без работа. Неговият наследник Пат Гелзингер ще трябва да реши дали компанията, която за разлика от TSMC изработва и дизайните на чиповете си, ще продължи да ги произвежда. Потенциалните нови участници на пазара са изправени пред огромни бариери на входа. Икономиката на фабриките за чипове ги тласка нагоре със всеки технологичен напредък.

Това е от значение. Не всяко производство на чипове изисква модерна технология. Автомобилите използват предимно по-стари и по-бавни полупроводници. Миниатюризацията може да не изглежда наложителна в големите центрове за данни. Но е ключова: има някои изчисления, с които само най-мощните чипове могат да се справят.

А търсенето им най-вероятно ще нарасне, защото силицият дава живот на продукти от термостати до трактори в т.нар. интернет на нещата. Между клиентите на TSMC и Samsung вече са и големите технологии - Apple, Amazon, Google, Nvidia, Qualcomm (и скоро, ако новините са верни, самата Intel). Тъй като неща като автомобили стават все по-компютъризирани и електрифицирани, то чиповете, които се използват в тях, също ще стават по-усъвършенствани. Американският производител на електромобили Tesla вече разчита на 7-нанометровите фабрики на TSMC, за да произвежда чиповете й за автопилот.

Азиатският нанотехнологичен дуопол остава яростно конкурентен, защото Samsung и TSMC се следят изкъсо. Оперативните маржове на тайванската фирма са малко или много стабилни от 2005 г. насам, когато 15 други фирми са работели с най-модерните технологии. Но логичният край на непрестанното нарастване на производствените разходи е, че в един момент една компания, по всяка вероятност TSMC, може да бъде последната останала напреднала фабрика. Един ветеран от индустрията споделя, че шефовете на технологични компании отричат проблема в продължение на години с надеждата, че ще си отиде. Но не е.

Тези притеснения са изострени от нарастващото политическо значение на индустрията. Като част от икономическата война срещу Китай, Америка се опита да откаже възможност на китайските фирми да изградят собствени модерни фабрики за чипове. Китай постави полупроводниците в основата на план за милиарди долари, за да осигуряват сами производството им в критични технологии до 2025 г. - особено сега, когато американските санкции я лишиха от всякакъв внос.

Структурните сили зад повишената концентрация са тук, за да останат. Америка, която се притеснява да не изгуби достъп до най-напредналите фабрики, дава отстъпки на TSMC в замяна на фабрика в Аризона. Samsung може да разшири тази, която управлява в Тексас. Друг пакет от субсидии и поощрения очаква одобрение от Конгреса. Европейският съюз, който има високотехнологични системи в Белгия и Холандия, иска да има повече. През декември 17 европейски страни се съгласиха да похарчат десетки милиарди за пост-пандемични стимули, за да се опитат да създадат високотехнологични фабрики до средата на десетилетието. Историята на чип индустрията предполага, че тези суми само ще станат още по-високи с времето.