В индустрии микросхем США есть огромная проблема

138
19 минут
В индустрии микросхем США есть огромная проблема

«Единственные операторы - те, у кого есть потолок», - говорит Крис Белфи, одетый в костюм кролика Tyvek, окрашенный в желтый цвет под светом фотобезопасности. Роботы носятся по воздушным путям, моргая и жужжа. Каждые несколько секунд человек останавливается над гигантской машиной. Из его корзины для белья размером с живот на пластиковых проводах выпадает тонкая коробка, как Том Круз в комбинезоне. В нем ценный груз: до 25 пластинок из драгоценного кремния каждая размером с 12-дюймовую пиццу, да? Процесс преобразования их в крошечные компьютерные мозги - назовем их микрочипами, полупроводниками или просто чипами - занимает почти три месяца. «Я использую аналогию с выпечкой торта», - говорит Белфи, инженер по автоматизации из компании GlobalFoundries, производящей микросхемы. Единственная разница в том, что наш торт состоит примерно из 66 слоев.

Этот комплекс стоимостью 15 миллиардов долларов, спрятанный за деревьями к северу от Олбани, штат Нью-Йорк, является одним из немногих специализированных полупроводниковых заводов или фабрик в США. Его приемные доки требуют 256 сложных химикатов, таких как аргон и серная кислота. Его транспортные доки отправляют готовые пластины, готовые к сборке, разрезанию металлических и керамических корпусов и заключению во все, от подушек безопасности до блендеров, от наушников до истребителей.

С момента открытия в 2011 году, как это известно, он оставался на низком уровне, поскольку он открылся только в 2011 году. Но, как и в случае с туалетной бумагой и куриными крылышками, пандемия потрясла глобальную цепочку поставок полупроводников, что привело к дефициту в неожиданных местах и В центре внимания полупроводниковая промышленность США. Автомобильная промышленность пострадала больше всего. Когда первоначальные ограничения привели к падению продаж автомобилей, производители автомобилей сократили заказы на запчасти, включая полупроводники. Фраза «Сколько денег я могу заплатить остальным?» также использовался в сборнике цитат в течение короткого периода времени о том, как лучше всего это сделать. Производители микросхем заметили спад и переориентировали производство, чтобы удовлетворить растущий спрос на бытовую электронику, такую как веб-камеры и ноутбуки.

Когда прошлой осенью продажи автомобилей резко упали, стала очевидной серьезная ошибка: автопроизводители не смогли получить достаточно чипов. Они все еще не могут. Ожидается, что пропущенные чипы сократят мировое производство на 3,9 миллиона автомобилей (или 4,6%) в 2021 году. Ford рассчитывает произвести на 1,1 миллиона меньше автомобилей в одиночку, что может привести к потере прибыли в 2,5 миллиарда долларов. Как лучше всего думать о мире?

Когда автопроизводители и производители микросхем боролись за равновесие, Белый дом вмешался, чтобы помочь, призвав лидеров отрасли увеличить цепочки поставок и разблокировать производство. Проблема заключалась не только в том, что в Америке производилось недостаточно чипов. Проблема заключалась в том, что никто не обращал внимания на то, где на самом деле производятся чипы, и, что более важно, сколько времени уходит на их изготовление. В июне Сенат принял двухпартийный законопроект с финансированием в размере 52 миллиардов долларов, направленный на увеличение производства микросхем и исследование мировой конкуренции, что напрямую конкурирует с амбициями Китая стать мировым чемпионом в области полупроводников. Но для производства новых чипов требуются годы. Теперь аналитики опасаются, что нехватка микросхем перейдет в потребительскую электронику, что повлияет на производство вплоть до Рождества. «Никогда не видел ничего подобного, - написал в Твиттере генеральный директор Tesla Илон Маск.

Микрочипы, долгое время считавшиеся мозгом современного общества, стали его самой большой головной болью. Ставки выходят за рамки нехватки продовольствия в эпоху пандемии. Поскольку чипы являются важнейшим компонентом многих биотехнических технологий - от возобновляемых источников энергии и искусственного интеллекта до роботов и кибербезопасности, - их производство стало геополитической занозой в отрасли. В 20 веке нефть была главным глобальным ресурсом земли. Однако дефицит в этом году вызвал у политиков и дипломатов лозунг 21-го века: чипсы - это новые масла. По мере того как США возвращаются к нормальной жизни после пандемии, стабильные поставки полупроводников становятся высокоприоритетным критерием готовности и устойчивости. Но есть более серьезная проблема: полупроводники были изобретены в США, но GlobalFoundries превратились в вымирающую породу. В 1990 году 37% чипов производилось на американских заводах, но к 2020 году это число сократилось до 12%. Все новые части расширяющегося пирога отправились в Азию: Тайвань, Южную Корею и Китай. Chipfabs - это не просто фабрики, это стержень американской самодостаточности.

Полупроводники невероятно сложно изготавливать, поскольку миллиарды транзисторов упакованы в пространство размером с монету, и их удивительно сложно построить. Если Генри Форд вообразил сборочную линию, путь кремниевой пластины через фабрику больше похож на лабиринт. В GlobalFoundries путь от сырья до готовой микросхемы - то, что инженеры вроде Белфи называют «технологическим процессом», обычно составляет 85 дней и включает более сотни шагов. Чип все время путешествует в человеческих капсулах, называемых FOUP, которые полностью закрыты запечатанными руками. Роботы едут, кружась по подвесным гусеницам над машинами размером с небольшой дом на колесах. Полируют вафли суспензией, которая действует как жидкая наждачная бумага. Другой использует лазеры для печати схем шириной всего 12 нанометров - примерно так, длина вашего ногтя увеличивается за 12 секунд. Электронные микроскопы проверяют пластины на наличие дефектов, а химическая рука погружает их, как резервуар для макания, 25 за раз в ванну для роботов. «На самом деле мы доставляем вафли в каждую секцию фабрики и обратно каждый день, - говорит Белфи. «Это много надевать, снимать, печатать, печатать, надевать больше, снимать больше. Люди вторгаются только тогда, когда что-то идет не так. Showstopper - это проблема одной из литографических машин, которая задает темп всей операции. Каждый из них стоит более 100 миллионов долларов в год. По словам Белфи, когда один из них выходит из строя, кажется, что все в его руках. «Мы никогда не закрываем ни одной фабрики - ни на час, - вспоминает Том Колфилд, генеральный директор GlobalFoundries, находящийся на двух уровнях над фабричным этажом в своем офисе. Давно привыкшие носить маски и полные СИЗ, инженеры как обычно следили за роботами. С бизнес-потрясениями справиться стало труднее. Как и во многих других отраслях, первоначальные финансовые модели Колфилда заставляли его готовиться к худшему. Мы сказали нашей команде: «Мы вместе покинули эту пандемию; мы собираемся войти вместе. Миру нужно, чтобы мы продолжали производить полупроводники. Это не было преуменьшением. На чипах работали веб-камеры, ноутбуки и машины для тестирования COVID-19. Только в Нью-Йорке Департамент образования купил 350 000 iPad.

Казалось, новая машина никому не нужна, по крайней мере, сначала. Продажи упали на треть в апреле, мае и июне 2020 года. Компании по производству автокомпонентов - не известные автомобильные компании, а их поставщики, а также поставщики своих поставщиков отменили заказы.

Но полупроводниковая фирма не может работать ни копейки. Kinko - это термин, используемый в индустрии микросхем для обозначения контрактного производителя, как у Kinko's за 15 миллиардов долларов. Только GlobalFoundries печатает микросхемы для более чем 250 клиентов, которые, в свою очередь, поставляют компоненты производителям устройств - крупным промышленным компаниям, таким как Apple или Samsung, а также крупным брендам, таким как Continental или Bosch. Цепочки поставок длинные. На изготовление чипа уходит три месяца, но он не попадет в автомобильный двигатель или интеллектуальный динамик еще несколько месяцев после этого, а в руки потребителей еще много месяцев. В любой день может быть только 10 различных видов чипов на определенном этапе производства в GlobalFoundries. Каждая новая микросхема уникального дизайна оснащена кварцевым стеклом площадью 6 кв. Дюймов, которое называется сеткой. Как старый фотографический слайд, он содержит карту чипа, готовую к проецированию лазером на кремниевую пластину. Сетка является ее исключительной коммерческой тайной, защищенной частью интеллектуальной собственности, принадлежащей компании, которая ее разработала, и изменяется в соответствии с уникальными спецификациями патентованных процессов GlobalFoundries. Сменить фабрику непросто, и уж точно не быстро.

Колфилд начал звонить через восемь месяцев после начала пандемии в День Благодарения. Руководители автопроизводителей, которые никогда не слышали о GlobalFoundries, понимали, что без них они не смогут производить автомобили. «Простите, если вы являетесь владельцем цепочки поставок автомобильной компании и не отправили машину, потому что у вас нет чипа на 5 или 10 долларов, вы никогда не позволите этому повториться». Колфилд говорит. Последствия были тревожными в день Нового года в канун Нового года. В 2019 году автомобильная промышленность потратила на чипы 43 миллиарда долларов, но они составили всего 10% от общего рынка чипов. Крупнейшее литейное предприятие в мире, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, производит больше микросхем, чем большинство других компаний автомобильной промышленности, но автомобильная промышленность составляет лишь 3 процента ее доходов. Когда вы используете слово «позволять» в реальной жизни, это на самом деле из-за вашей зависимости. В GlobalFoundries микросхемы, предназначенные для автомобилей, составляют менее 10% ее бизнеса - недостаточно, чтобы иметь значение, но недостаточно для установки часов.

Политические ставки для производителей микросхем были драматичными в этом году, когда были повышены политические ставки для производителей микросхем. Колфилд призвал своих инженеров смешать свою продукцию, отдавая приоритет определенным заказам и отодвигая на второй план автомобильные чипы. Колфилд говорит, что мы приняли очень трудные решения, «мы сделали». Везде, где мы могли производить больше мощностей, мы отдавали их автомобилестроению, чтобы убедиться, что мы больше не являемся воротами для производства. Последствия для него были очевидны. Чтобы поступить правильно, мне не нужно было письмо из Белого дома.

Однако Белый дом обратил внимание на Белый дом. До этого года законодатели считали производство микросхем местной экономической проблемой. Чак Шумер лоббировал строительство GlobalFoundries в своем штате Нью-Йорк и выступал за большее. Но пандемия показала, что спад производства микросхем имел не только глобальные, но и региональные экономические последствия в региональном масштабе. В феврале президент Байден подписал распоряжение о пересмотре важнейших элементов цепочки поставок. Что еще может произойти, если пандемия может вызвать потрясения, связанные с микросхемами в разных отраслях? «Мы явно рассматривали геополитику как один из рисков для наших цепочек поставок», - говорит высокопоставленный чиновник администрации.

Гордон Мур наблюдал на заре производства полупроводников в 1960-х годах, что он и его коллеги смогли удвоить количество транзисторов, которые они могут втиснуть в чип Intel каждый год. Десять лет спустя этот темп инноваций замедлился до удвоения - только каждые два года - каждый год. Но потом это выдержало. Чипы стали быстрее, дешевле и эффективнее, наконец, создав своего рода социальный взлет - компьютеры, которые поместятся в кармане.

Как стало известно, закон Абера Мура - это не вопрос природы, а огромный результат огромных затрат на исследования и разработки для создания новых конструкций микросхем и поиска способов их производства. Каждое новое поколение полупроводников требует, по сути, нового завода по их производству. Каждый новый процесс, как известно, назван в честь размера мельчайших деталей чипа, как у ювелира, кончики пальцев которого становятся все тоньше. В 1970-х годах размеры стружки измерялись в микрометрах или одной миллионной доли секунды. С 1980-х годов фабрики «переднего края» измеряли свою работу в нанометрах или одной миллиардной части метра. Сегодня эталон установлен TSMC, которая использует 5-нанометровую фабрику, из которой производятся новые чипы Apple M 1 для своих новейших компьютеров и планшетов. Каждый шаг в сторону уменьшения размера процесса и увеличения производительности требует переоснащения фабрики литографическими машинами последнего поколения для печати чипов, а также парка оборудования, которое их выделяет. Новейшие фабрики стоят не менее 12 миллиардов долларов.

Сегодня полупроводниковая промышленность преимущественно разделена между производителями микросхем без фабрик и литейными заводами, которые их производят. «На самом деле существует две гигантских части постоянных затрат, - говорит Чад Боун, экономист Института международной экономики Петерсона. Один набор постоянных затрат - это все исследования и разработки - вам нужно придумывать идеи для чипов. Другая фиксированная стоимость - это все капитальное оборудование - вам нужно построить одну из этих фабрик, и на протяжении десятилетий ведущие компании, такие как Intel, делали и то, и другое. «У настоящих мужчин есть сказки» Джерри Сандерс, бывший генеральный директор Advanced Micro Devices, основанный в 1990-х годах в комментарии, столь же устаревшем, сколь и сексистском. В 2009 году AMD обанкротилась, купив свой завод по производству микросхем GlobalFoundries.

Но TSMC на Тайване продемонстрировала разделение между фабриками и фабриками, и сегодня они доминируют в отраслях промышленности. Его основатель Моррис Чанг родился в США и получил образование в Китае. Когда он работал в 1960-х и 1970-х годах в Texas Instruments, его инженерное творчество и управленческая хватка были легендарными. Он помог повысить доходность фабрики по производству чипов - количество чипов, достаточно хороших для продажи, - и снизить цены. Но после управления всем полупроводниковым подразделением в TI Чанг пришел к выводу, что он больше никогда не станет американским генеральным директором. Я чувствовал, что, по сути, меня посадили на пастбище, что я вернулся в опубликованной устной истории. Но моя надежда на дальнейшее продвижение исчезла.

Работая в Texas Instruments, Чанг увидел растущую стоимость производства микросхем и то, как это может сдерживать инновации. Его коллеги с нетерпением ждали новых инноваций, но никогда не могли. Барьеры для входа были слишком высоки, если вам приходилось управлять собственной фабрикой. Он увидел идею «чистого литейного цеха», как он это называл, - торговой полупроводниковой компании, которая была сосредоточена на производстве микросхем для других - и основал TSMC в 1987 году при поддержке правительства Тайваня.

Это был благоприятный момент для мировой торговой политики. Первая администрация Буша провела политику противодействия растущему производству полупроводников в Японии, но администрация Рейгана заняла более сдержанный подход. Картофельные чипсы, компьютерные чипы, в чем разница? Буш, если вы приняли решение, сказал это лучше всех. Вместе с TSMC на Тайване южнокорейские и китайские компании начали наращивать производство микросхем и строить высокотехнологичные предприятия, часто с помощью государственных субсидий. К 1990-м годам даже Intel начала переводить производство за границу. «И пока все это происходит, мы настаиваем на соблюдении наших рыночных экономических принципов - одержимо, - говорит Джон Неуффер, генеральный директор Ассоциации полупроводниковой промышленности, ведущей торговой группы. Преобладающая позиция заключалась в том, чтобы не допускать участия компаний в бизнесе - вынудить правительство уйти из бизнеса.

Когда Apple анонсировала свой первый специально разработанный чип, A 4 в 2010 году, было ясно, что он будет производиться на литейном заводе в Азии. Это задело Apple, которая к тому времени уже разрабатывала и производила чипы, используемые Intel для своих устройств. Но такое разделение в отрасли стало нормой и продолжается по сей день: самые сложные микросхемы, вероятно, все еще производятся в Америке, но разрабатываются за границей. Силиконовая долина до сих пор заслуживает своего названия - но только благодаря десяткам стартапов по созданию плодовых чипов, а не литейным цехам, которые когда-то заменили ее фруктовые сады. С правительственными стимулами, предлагаемыми азиатскими странами, это вряд ли изменится. Политика США заключалась в следующем: «Мы не создаем победителей; мы позволяем капитализму работать, - говорит Колфилд из GlobalFoundries. Это отличная философия, если так играют все во всем мире.

Сейчас, конечно, американские законодатели вносят изменения. В июньских законопроектах (Законопроект США) официально объявлен закон США об инновациях и конкуренции, направленный исключительно на конкуренцию с Китаем, частично за счет субсидирования производства полупроводников. «За последние несколько лет у обеих партий усилился консенсус в отношении того, что США необходимо делать больше внутренних инвестиций, чтобы сохранить нашу конкурентоспособность, особенно в эпоху своего рода стратегического соперничества с Китаем, - говорит высокопоставленный чиновник администрации. Нойффер говорит: «Это был простой политический надзор, - говорит Ассоциация полупроводниковой промышленности США. Никакого надзора больше нет. Это больше не оплошность:

Экономическая политика администрации Трампа открыла двери для поддержки более агрессивных торговых интервенций. Теперь они требуют большего. «Здесь была ошибка, - говорит Орен Касс, исполнительный директор American Compass, консервативного аналитического центра, который рассматривает полупроводники как« законченный пример »этого своевременного сдвига в американской экономической политике. «Они настолько очевидно высокотехнологичны, что они так долго доминируют в сфере национальной безопасности, что вы можете почти количественно определить, кто впереди, а кто позади. «Это кристаллизует проблему таким образом, чтобы она могла повлиять только на другие вещи, которые можно было увидеть.

Для президента Байдена полупроводники - это возможность стимулировать американскую индустрию высоких технологий. «Это инфраструктура, - сказал президент в апреле, выставляя перед Белым домом блестящую силиконовую пластину.

Но для того, чтобы наладить производство передовых полупроводников в США, потребуются годы. В марте Intel объявила о планах по расширению своего производственного предприятия в Аризоне за 20 миллиардов долларов, специально предназначенного для производства микросхем для других клиентов в рамках недавно созданного подразделения Intel Foundry Services. Но, в отличие от самой TSMC, Китаю понадобится новый завод в Аризоне, который будет стоить от 10 до 12 миллиардов долларов, и, возможно, больше, он не сможет производить передовые чипы. Меньше значит быстрее, потому что вы можете втиснуть больше транзисторов в меньшее пространство. Однако Intel помешала отправить в оперативный режим даже свой 3-нанометровый узел, в то время как TSMC вышла за рамки своего 5-нанометрового узла и подготовила 7-нанометровый узел для производства. Почему? «Речь идет о« способностях и возможностях », - говорит Аль Томпсон из Intel, вице-президент по связям с правительством США. «Мы собираемся потратить много денег в США, которые помогут создать много рабочих мест, тогда у меня будет лучшая возможность направить нас на путь, гарантирующий, что мы делаем все от нас зависящее для защиты экономики и экономики нашей страны». национальной безопасности, но предстоит еще долгий путь, чтобы наверстать упущенное.

В апреле стартап из Кремниевой долины под названием Cerebras анонсировал новый компьютер под названием CS 2. Он предназначен не для просмотра звонков с увеличением или вечеринок Netflix, а для самых сложных исследований в области искусственного интеллекта - таких как открытие лекарств от рака или моделирование реакций синтеза. В его основе - революционно новый чип с индивидуальным дизайном.

Вместо того, чтобы нарезать 12-дюймовую пластину, Cerebras разработала силиконовую пластину на сотни крошечных чипов, выбивая каждый из них, как имбирное печенье, - размером больше, чем горстка чипсов, Cerebras нашла способ сделать уникальный гигантский чип, похожий на печенье. кекс. Сегодняшние чипы для смартфонов содержат миллиарды миниатюрных транзисторов, встроенных в кремний, как крошечный город. Изготовленный на заказ чип Cerebras содержит триллионы транзисторов. Чтобы заставить его работать, инженеры Cerebras нашли способ обойти основной недостаток кремниевых пластин. Обычно их нарезают из слитка и нарезают, как салями. Но даже самые прозрачные из этих сложных дисков имеют дефекты, которые разрушают микросхему. Разработчики и производители полупроводников избегают этого, выбрасывая каждый чип и выпуская хорошие. Как коммерческий фотограф я не люблю слов типа «сделай меня счастливым и будь счастливым».

Инженеры Cerebras создали дизайн из 850000 флебовидных блоков, таких как обои, и систему отключения любых идентичных секций без разрушения всего чипа. Большинство суперкомпьютеров объединяют в цепочку тысячи отдельных микросхем. Но перемещение информации между чипами замедляет работу. Cerebras хранит все это на одном гигантском чипе. «Мы нашли способ использовать тот факт, что кремний перемещает информацию со скоростью света и за крошечные доли энергии, потребляемой где-либо еще, - говорит генеральный директор Cerebras Эндрю Фельдман. Для таких клиентов, как GlaxoSmithKline и Аргоннская национальная лаборатория, он обеспечивает мощность, необходимую для достижений в области искусственного интеллекта - ключевого объекта промышленной политики США.

Это своего рода американские идеи, которые определяют первые дни инноваций Кремниевой долины и бесконечную креативность смелых разработчиков микросхем. Но если в течение 1960 и 1970-х годов по всей долине были расположены фабрики по производству чипов, когда Cerebras пришло время искать фабрику для производства своих чипов, местных вариантов не было. Фельдман говорит, что есть только две возможности, если вы хотите создавать чипы на переднем крае. «Вы можете переплыть из одного места в Китай, а можете бросить камень в демилитаризованную зону в другое», имея в виду тайваньские TSMC и Samsung. Как и Apple, штаб-квартира которой находится всего в 10 минутах езды, Cerebras использует TSMC для своего производства, используя свою фабрику в масштабе 7 нанометров.

Если бы такое мнение было у президентов США, это были бы хорошие новости из Китая и Индии. Закон об инновациях и конкуренции может пройти через Палату представителей и стать законом, миллиарды федеральных долларов потекут в полупроводниковую промышленность - уже одну из самых прибыльных отраслей. Но потребуются годы, чтобы превратить эти инвестиции в новые фабрики микросхем, новые конструкции микросхем и новый поток инженерных талантов. Задача отрасли заключается не только в том, чтобы достичь того места, где находится Китай сейчас и Китай планирует стать к 2025 году, но и в том, чтобы решить их там, где они могут быть в будущем, или пойти дальше.

Кроме чипов улучшаются нелинейно. Узел 5 нанометров дороже, чем 3 нанометра. По словам Алисы Шерер, независимого эксперта по производству микросхем, количество денег, необходимых для того, чтобы оставаться на опережение, продолжает расти. И моя декламация тоже. Пропустить поколения практически невозможно. На получение одного только экологического разрешения могут уйти годы. «Это не Taco Bells», - говорит Фельдман. - Их не вырубишь. Они не поступают в коробку. Для его гигантских чипов искусственного интеллекта Samsung и TSMC - единственные два варианта '', - насколько хватит глаз.

А пока производство микросхем - и все геополитические и экономические последствия, которые оно вызывает, - будет по-прежнему зависеть от глобальной сети, изящно протянувшейся через океаны.

Блюм - автор книги «Трубы: путешествие в центр Интернета». Погодная машина: путешествие внутрь прогноза.

Это появится в выпуске TIME от 5 июля 2021 года.

  • Комментарии
Загрузка комментариев...