Didžioji lustų krizė kelia grėsmę Moore'o įstatymo pažadui

Šis ekstremalus ultravioletinių spindulių litografijos aparatas leidžia gamintojams gaminti pažangiausius kelių nanometrų dydžio lustus. ASML

Praėjus metams nuo COVID-19 pandemijos, „Apple“ su didele fanfara paminėjo didėjantį įrenginių, turinčių pritaikytą M1 lustą, asortimentą, įskaitant Misija Neįtikėtina reklama televizijoje, kuriame vaizduojamas jaunas vyras, bėgantis per kosminio laivo miestelio Kupertino stogus ir įsiskverbęs į įrenginį, kad pavogtų proveržio mikroprocesorių iš „MacBook“ ir įdėtų jį į „iPad Pro“.

„Apple“ pagal užsakymą sukurtas lustas yra naujausias triumfas Moore'o dėsnis , stebėjimas tapo savaime išsipildančia pranašyste, kad lustų gamintojai kas kelerius metus gali padvigubinti lusto tranzistorių skaičių. The M1 supakuoja 16 milijardų tranzistorių ant didelio pašto ženklo dydžio mikroprocesoriaus. Tai šiandienos puslaidininkių gamybos meistriškumo stebuklas.

Ši istorija buvo mūsų 2021 m. liepos mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Tačiau net kai „Apple“ šventė M1, pasaulis susidūrė su ekonomiškai pražūtinga situacija mikroschemų trūkumas , ypač santykinai pigios, dėl kurių daugelis šiandieninių technologijų įmanomos.

Automobilių gamintojai uždarė surinkimo linijas ir atleido darbuotojus, nes jie negali gauti pakankamai 1 USD lustų. Gamintojai ėmėsi kurti transporto priemones be lustų, reikalingų navigacijos sistemoms, skaitmeniniams galinio vaizdo veidrodžiams, jutikliniams ekranams ir degalų valdymo sistemoms. Apskritai pasaulinė automobilių pramonė gali prarasti daugiau nei 110 mlrd 2021 metais.

Taip pat sulėtėjo išmaniųjų telefonų, nešiojamųjų kompiuterių, vaizdo žaidimų konsolių, televizorių ir net išmaniųjų prietaisų gamyba, nes trūksta pigių mikroschemų. Jų naudojimas yra toks būtinas ir toks plačiai paplitęs, kad kai kurie stebėtojai mano, kad lustų krizė gali kelti grėsmę pasaulio ekonomikos atsigavimui po pandemijos.

Pasaulinis trūkumas ryškiai atkreipia dėmesį į puslaidininkių pramonės galimybes tiekti pigesnes ir galingesnes mikroschemas. Ilgą laiką duotas lustų su vis daugiau galimybių pažadas įkvėpė inžinierius, programuotojus ir gaminių dizainerius kurti naujų produktų ir paslaugų kartas. Moore'o įstatymas buvo ne tik puslaidininkių pramonės gairės – pastarąjį pusę amžiaus jis valdė technologinius pokyčius.

Dabar tie pažadai, kad visur bus didesnė skaičiavimo galia, žlunga, bet ne todėl, kad lustų gamintojai pagaliau susidūrė su fizinėmis technologijos ribomis, gamindami vis mažesnius tranzistorius. Vietoj to, augančios Moore'o įstatymo palaikymo išlaidos paskatino lustų gamintojų konsolidaciją ir sukūrė daugiau kliūčių nepaprastai sudėtingame lustų gamybos versle.

Nors mikroschemos tapo būtinos daugelyje produktų, jų kūrime ir gamyboje dominuoja nedidelis skaičius gamintojų, kurių pajėgumai ir apetitas yra riboti, kad būtų galima išpirkti prekinius lustus, kurie yra būtini šiuolaikinėms technologijoms. Kadangi lustams gaminti reikia šimtų gamybos etapų ir mėnesių gamybos laiko, puslaidininkių pramonė negali greitai pasisukti, kad patenkintų pandemijos sukeltą paklausos padidėjimą.

Po dešimtmečių nerimo dėl to, kaip ant silicio plokštelių išskirsime net kelių nanometrų ypatybes, Moore'o dėsnio dvasiai – lūkesčiai, kad pigūs galingi lustai bus lengvai prieinami – dabar gresia kažkas daug žemiškesnio: nelankstumo. tiekimo grandines.

Vienišas pasienis

Prieš 20 metų pasaulyje buvo 25 gamintojai, gaminantys pažangiausius lustus. Tik šiandien Taivano puslaidininkių gamybos įmonė (TSMC) Taivane, Intel Jungtinėse Amerikos Valstijose ir Samsung Pietų Korėjoje turi įrenginius arba gamyklas, kurios gamina pažangiausius traškučius. O „Intel“, ilgą laiką buvusi technologijų lyderė, sunkiai neatsilieka nuo to, ne kartą praleidusi naujausių kartų gamybos terminus.

Viena iš konsolidavimo priežasčių yra ta, kad pažangiausių lustų gamybos įrenginio kūrimas kainuoja nuo 5 iki 20 mlrd. Iš šių gaminių gaminami lustai, kurių savybės siekia vos kelis nanometrus; pramonės žargonu jie vadinami 5 nanometrų ir 7 nanometrų mazgais. Didžioji dalis naujų gaminių išlaidų skiriama perkant naujausią įrangą, pavyzdžiui, įrankį, vadinamą an ekstremali ultravioletinė litografija (EUV) mašina, kainuojanti daugiau nei 100 mln. Pagaminta tik ASML Nyderlanduose, EUV mašinos yra naudojamos detaliems grandinės modeliams išgraviruoti su nanometro dydžio savybėmis.

Lustų gamintojai su EUV technologija dirba daugiau nei du dešimtmečius. Po milijardų dolerių investicijų EUV mašinos pirmą kartą buvo panaudotos komercinėje lustų gamyboje 2018 m. Šis įrankis vėluoja 20 metų, 10 kartų viršija biudžetą, nes tai nuostabu, sako Davidas Kanteris, atviro inžinerijos konsorciumo, orientuoto į mašininį mokymąsi, vykdomasis direktorius. Beveik stebuklinga, kad tai netgi veikia. Tai visiškai kaip mokslinė fantastika.

Tokios milžiniškos pastangos leido sukurti milijardus mažyčių tranzistorių Apple M1 lustoje, kurią pagamino TSMC; tai viena iš pirmosios kartos pažangiausių lustų, visiškai pasikliaujančių EUV.

Tik didžiausios technologijų įmonės yra pasirengusios mokėti šimtus milijonų dolerių, kad sukurtų pažangiausių mazgų lustą.

Mokėti už geriausius lustus Apple prasminga, nes šie lustai patenka į naujausius MacBook ir iPhone modelius, kurie parduodami milijonais prabangių prekių ženklų kainomis. Vienintelė įmonė, kuri iš tikrųjų daug naudoja EUV, yra „Apple“ ir parduoda išmaniuosius telefonus už 1000 USD, kurių marža yra beprotiška, sako Kanteris.

Ne tik tokių lustų gamybos įrenginiai yra brangūs, bet ir nepaprastai sudėtingų grandinių projektavimo sąnaudos daugeliui įmonių nepasiekiamos. Be Apple, tik didžiausios technologijų įmonės, kurios reikalauja didžiausio skaičiavimo našumo, pvz Qualcomm , AMD , ir Nvidia , yra pasirengę mokėti šimtus milijonų dolerių, kad sukurtų pažangiausių mazgų lustą, sako Sri Samavedamas, tarptautinio tyrimų instituto „Imec“, įsikūrusio Liuvene, Belgijoje, vyresnysis CMOS technologijų viceprezidentas.

Daug daugiau kompanijų gamina nešiojamuosius kompiuterius, televizorius ir automobilius, kuriuose naudojami lustai, pagaminti naudojant senesnes technologijas, o jų paklausos padidėjimas yra dabartinio lustų trūkumo priežastis. Paprasčiau tariant, dauguma lustų klientų negali sau leisti arba nenori mokėti už naujausius lustus; Įprastas automobilis šiandien naudoja dešimtis mikroschemų, o elektromobilis naudoja daug daugiau. Greitai prisideda. Vietoj to, tokių dalykų kaip automobilių gamintojai įstrigo lustų, pagamintų naudojant senesnes technologijas.

Be to, daugeliui šiandienos populiariausių elektronikos prietaisų paprasčiausiai nereikia pažangiausių lustų. Nėra prasmės dėti, pavyzdžiui, A14 [iPhone ir iPad] lustą į kiekvieną kompiuterį, kurį turime pasaulyje, sako Hassanas Khanas, buvęs Carnegie Mellon universiteto doktorantas, tyrinėjęs šios problemos viešosios politikos pasekmes. Moore'o įstatymo pabaigos ir šiuo metu dirba „Apple“. Jums jo nereikia išmaniajame termometre namuose ir nereikia 15 jų automobilyje, nes jis labai reikalauja energijos ir yra labai brangus.

Problema ta, kad net kai vis daugiau vartotojų pasitiki senesnėmis ir pigesnėmis lustų technologijomis, puslaidininkių pramonės gigantai sutelkė dėmesį į naujų pažangiausių gaminių kūrimą. TSMC, „Samsung“ ir „Intel“ neseniai paskelbė apie milijardus dolerių investicijas į naujausius gamybos įrenginius. Taip, jie brangūs, bet čia yra pelnas, o pastaruosius 50 metų tai buvo ateitis.

TSMC, didžiausia pasaulyje sutartinė lustų gamintoja, beveik 60 % savo 2020 m. pajamų uždirbo gamindama pažangiausius 16 nanometrų ir mažesnių ypatybių lustus, įskaitant Apple M1 lustą, pagamintą taikant 5 nanometrų gamybos procesą.

Problemą dar labiau apsunkina tai, kad niekas nekuria puslaidininkių gamybos įrangos, kuri paremtų senesnes technologijas, sako Dale'as Fordas, Elektroninių komponentų pramonės asociacijos, prekybos asociacijos, įsikūrusios Alfaretoje, Džordžijos valstijoje, vyriausiasis analitikas. Taigi mes čia tarsi įstrigome tarp uolos ir kietos vietos.

Žemos klasės lustai

Visa tai technologijų naudotojams aktualu ne tik dėl šiandien sukeliamo tiekimo sutrikimo, bet ir dėl to, kad tai kelia grėsmę daugelio galimų naujovių plėtrai. Be to, kad jas sunkiau įsigyti, pigesni lustai taip pat tampa santykinai brangesni, nes kiekvienai lustų kartai reikėjo brangesnės įrangos ir įrenginių nei ankstesnėms kartoms.

Kai kuriems plataus vartojimo produktams tiesiog reikės galingesnių lustų. Spartesnių 5G mobiliųjų tinklų kūrimas ir kompiuterinių programų, priklausančių nuo 5G spartos, augimas gali priversti investuoti į specializuotus lustus, skirtus tinklo įrangai, kuri palaiko ryšius su dešimtimis ar šimtais prie interneto prijungtų įrenginių. Kaip rodo elektrinių transporto priemonių gamintojas, automobilių funkcijoms, tokioms kaip pažangios vairuotojo pagalbos sistemos ir transporto priemonės informacinės pramoginės sistemos, taip pat gali būti naudingi pažangiausi lustai. Tesla pranešė apie partnerystę su TSMC ir Samsung lustų kūrimu būsimiems savaeigiams automobiliams.

Tačiau pirkti naujausius pažangiausius lustus arba investuoti į specializuotą lustų dizainą daugeliui įmonių gali būti nepraktiška kuriant produktus, skirtus žvalgybai visur ateityje. Vargu ar vartotojų įrenginių, tokių kaip „Wi-Fi“ palaikančių „sous vide“ aparatų, gamintojai išleis pinigų tam, kad patys sukurtų specializuotus lustus, siekdami pridėti dar geresnių funkcijų, sako Kanteris. Vietoj to, jie greičiausiai naudos bet kokius lustus, pagamintus naudojant senesnes technologijas.

Dauguma šiandieninių lustų klientų tenkina pigesnius prekių lustus, kurie yra kainos ir našumo kompromisas.

O pigesnių daiktų, tokių kaip drabužiai, anot jo, maržos yra labai plonos, todėl brangesnėms drožlėms lieka mažai vietos, kurios kiekvienos prekės kainą papildytų po 10 ar 20 USD. Tai reiškia, kad didėjanti skaičiavimo galios kaina gali neleisti sukurti drabužių, kurie galėtų, pavyzdžiui, aptikti ir reaguoti į balso komandas ar oro pokyčius.

Tikriausiai pasaulis gali gyventi be įmantresnių „sous vide“ aparatų, tačiau vis pigesnių ir galingesnių lustų trūkumas kainuotų realią kainą: baigtųsi išradimų eros, kurią paskatino Moore'o dėsnis ir dešimtmečius senas pažadas, kad skaičiavimo galia vis labiau prieinama. bus prieinama kitai naujovei.

Dauguma šiandieninių lustų pirkėjų tenkina pigesnius prekių lustus, kurie sudaro kompromisą tarp kainos ir našumo. Ir būtent tokių prekinių lustų pasiūla toli gražu neatrodo pakankama, nes auga pasaulinė skaičiavimo galios paklausa.

Vis dar didėja puslaidininkių naudojimas transporto priemonėse, puslaidininkių naudojimas jūsų skrudintuvui ir visoms kitoms reikmėms, sako Willy Shih, Harvardo verslo mokyklos vadybos praktikos profesorius. Taigi kyla klausimas, kur toliau pasireikš trūkumas?

Pasaulinis rūpestis

2021 m. pradžioje prezidentas Joe Bidenas pasirašė vykdomąjį įsakymą, įpareigojantį tiekimo grandinės apžvalgos dėl žetonų ir metė savo paramą už dviejų partijų spaudimo Kongrese, kad bent jau pritartų 50 milijardų dolerių puslaidininkių gamybai ir tyrimams . Bidenas taip pat surengė du Baltųjų rūmų viršūnių susitikimus su puslaidininkių ir automobilių pramonės lyderiais, įskaitant balandžio 12 d. susitikimą, kurio metu jis aiškiai demonstravo silicio plokštelę.

Veiksmai artimiausiu metu neišspręs lustų paklausos ir pasiūlos disbalanso. Tačiau ekspertų teigimu, šiandieninė krizė yra bent jau galimybė JAV vyriausybei pabandyti pagaliau sutvarkyti tiekimo grandinę ir pakeisti bendrą puslaidininkių inovacijų sulėtėjimą ir galbūt sustiprinti JAV galimybes gaminti labai reikalingus lustus.

Apytiksliai 75 % visų lustų gamybos pajėgumų 2019 m. buvo Rytų Azijoje, o JAV dalis sudarė apie 13 %. Vien Taivano TSMC užima beveik 55 % liejyklų rinkos, kuri tvarko vartotojų lustų gamybos užsakymus.

Visko šmėžuoja JAV ir Kinijos konkurencija. Kinijos nacionalinė čempionų įmonė SMIC kuria gaminius, kurie vis dar penkerius ar šešerius metus atsilieka nuo pažangiausių lustų technologijų srityje. Tačiau gali būti, kad Kinijos liejyklos ateinančiais metais gali padėti patenkinti pasaulinę lustų, pagamintų ant senesnių mazgų, paklausą. Atsižvelgiant į jų gaunamas valstybės subsidijas, gali būti, kad Kinijos liejyklos bus pigiausių gamintojų, nes jos stovės 22 nanometrų ir 14 nanometrų mazguose, sako Khanas. Kinijos gaminiai gali būti nekonkurencingi pasienyje, tačiau jie gali patenkinti didėjančią paklausos dalį.

Susijusi istorija

Mes nesame pasiruošę Moore'o įstatymo pabaigai

Pastaruosius 50 metų tai skatino gerovę. Bet dabar jau matoma pabaiga.

Pasaulinė puslaidininkių pramonė iki 2030 m. turės beveik padvigubinti bendrus pajėgumus, kad neatsiliktų nuo paklausos, teigia Vašingtone įsikūrusi pramonės grupė Semiconductor Industry Association (SIA), kuri pasisakė už pasaulinės tiekimo grandinės stiprinimą, o ne bandymą kurti. visiškai savarankiškas vidaus gamybos pajėgumas.

Tačiau, atkreipdama dėmesį į pažangių lustų svarbą nacionaliniam saugumui ir kritinei infrastruktūrai, SIA siūlo, kad JAV teiktų rinkos skatinamas paskatas įmonėms sukurti du ar tris naujus pažangiausius gaminius šalies viduje. Tai galėtų padėti užtikrinti, kad pagrindiniai šalies telekomunikacijų tinklai ir duomenų centrai, kartu su JAV kariuomene, turėtų vietinį lustų tiekimą.

Baltųjų rūmų nuotrauka su prezidentu primena vaidmenį, kurį vyriausybė atliko nuo puslaidininkių pramonės aušros, kuri suteikė Silicio slėniui pavadinimą. Pasak Vašingtono universiteto Sietle istorikė Margaret O'Mara, prezidentas taip nekalbėjo nuo Ronaldo Reigano laikų, kad būtų padarytas priekyje ir centre. Baidenas sėdi ir mojuoja vafliu – nemanau, kad kada nors mačiau to prezidento rankoje.

JAV vyriausybė tapo pirmąja slėnio ir, ko gero, didžiausia rizikos kapitaliste, savo 2019 m. knygoje rašė O'Mara. Kodas: Silicio slėnis ir Amerikos perdarymas . Dideli vyriausybės užsakymai lustams tiekti NASA Apollo programai ir karinėms tarpžemyninėms balistinėms raketoms Minuteman paskatino lustų gamintojus pradėti masinę gamybą ir padėjo sumažinti pirmųjų silicio lustų kainą nuo 1000 USD 1960 m. iki 25 USD iki 1965 m.

Sumažėjus kainoms, skaičiavimo galia tapo prieinama daugeliui, o ne tik vyriausybinėms agentūroms. Tai pradėjo Moore'o įstatymo aukso amžių, kai klientai naudojosi pigesnių lustų pranašumais, kurie kas kelerius metus taip pat buvo geresni. Ir jūs galbūt nežinote, kad jo pažadui iškilo pavojus, jei viskas, ką turėtumėte tęsti, būtų naujausia „Apple“ reklama.

Kol aš kalbinau O'Marą šiai istorijai, prie jos durų tarsi užuomina pasirodė siuntėjas.

Kalbant apie lustus, man tik įteikiamas visiškai naujas kompiuteris, – juokdamasi sakė ji. Taip, aš turiu savo naująjį „MacBook“ su M1 lustu.

Jeremy Hsu yra technologijų ir mokslo žurnalistė, įsikūrusi Niujorke.

paslėpti