Language:  

Как устроена экономика полупроводниковой отрасли: инвестиционный обзор рынка

 
Метки: Инвестиции | Инвестиционный обзор | Микроэлектроника | Автомобили | Мобильные телефоны | Потребительская электроника | Производство | Промежуточная продукция | Инновации | Кластер | Специализация
 

Опубликованная ниже статья - это не обзор на конкретную дату и не анализ того, что с компаниями из анализируемой отрасли может произойти в ближайшем будущем. Мы постарались абстрагироваться от текущей конъюнктуры, и попробовали собрать самое главное о том, что влияет на рассматриваемую отрасль в долгосрочном периоде, включая закономерности, которым подчиняются основные составляющие денежного потока участников рынка. Как любая модель, данная статья представляет собой упрощение - сказанное ниже не обязательно будет в точности применимо к любой компании из отрасли. Тем не менее, мы надеемся, что статья будет полезна тем инвесторам и аналитикам, которым необходимо быстро познакомиться с отраслью, чтобы в дальнейшем выводы, сформулированные в статье, дополнить результатами собственного анализа на конкретную дату и для конкретной компании.

Цепочка создания стоимости

Чипы (интегральные схемы) на основе полупроводников - основной элемент в современных вычислительных системах. Это важнейшая сквозная технология, которая применяется в компьютерах, смартфонах, автомобилях, потребительской электронике - практически в любой современной технике. Чипы на аппаратном уровне отвечают за логику работы тех или иных устройств, являясь своеобразным "интеллектуальным центром" в современных инженерных системах.

Термины чип/микрочип (chip/microchip) и интегральная схема /микросхема (integrated circuit) фактически являются синонимами. Интегральная схема - это набор микроскопических (а сегодня - наноскопических) устройств (в первую очередь транзисторов, а также диодов, резисторов, конденсаторов), которые логически соединены между собой и выполняют определенную функцию. Основной конструктивный элемент любой микросхемы - транзистор. Он может находиться во включенном (единица) или выключенном (ноль) состоянии, что позволяет с его помощью хранить и обрабатывать информацию, включая проведение самых сложных и разнообразных вычислений. Транзисторы пришли на смену громоздким и энергоемким вакуумных лампам. По мере развития технологий стало возможным разместить миллионы транзисторов на квадратном сантиметре площади. Это позволило создать миниатюрные устройства небывалой вычислительной мощности, при этом характеризующиеся незначительным объемом энергопотребления.

Принцип работы кремниевого транзистора

Принцип работы кремниевого транзистора

Сферу производства интегральных микросхем называют полупроводниковой отраслью по той причине, что основной компонент любой микросхемы - транзистор - является полупроводником. Сами полупроводники производятся на основе кремния - одного из наиболее распространенных химических элементов на планете. Поэтому территория в американской Калифорнии, где зародилась полупроводниковая отрасль, стала известна в мире под названием Силиконовая Долина.

Каждый атом кремния в кристаллической решетке имеет 4 электрона на своем внешнем уровне, и каждый из этих электронов образует связь с соответствующими электронами соседнего атома кремния. Так как свободные электроны в такой схеме отсутствуют, то в чистом виде кремний электрический ток не проводит (является изолятором). Чтобы кремний начал проводить электрический ток, необходимо заменить некоторые атомы кремния в кристаллической решетке на атомы с 3 электронами (бор) или 5 электронами (фосфор) на внешнем уровне. За счет такой замены в кристаллической решетке образуется один свободный электрон, а атом принимает или положительный (бор) или отрицательный (фосфор) заряд. Слой с положительным зарядом называется сток (drain), а слой с отрицательным - исток (source). Каждый из этих слоев покрыт изолятором из кремния. При подаче на затвор (gate) напряжения ток либо потечет с истока к стоку, либо нет. Это будет будет соответствовать логическому 0 или 1. Данный процесс называют P/N переходом - любой транзистор в микросхеме может многократно менять хранимое в нем значения с 0 на 1.

Исходя из осуществляемых ими функций, выделяют четыре основных разновидности интегральных схем (чипов):

  • Микропроцессоры (microprocessors) - это интегральная схема, содержащая базовую логику для выполнения задач, стоящих перед системой. Это вычислительный центр любого устройства, основа аппаратного контроля его работы.
  • Чипы памяти (memory chips) - это интегральные схемы, предназначенные для хранения информации. Микросхемы оперативной памяти (RAM) обеспечивают временные рабочие пространства (хранение информации, которая необходима здесь и сейчас для выполнения конкретной задачи), тогда как микросхемы флэш-памяти хранят информацию постоянно. Скорость доступа к информации, хранимой во флэш-памяти, будет ниже, при этом объем хранимой информации - существенно выше.
  • Графические (видео) карты (graphic processing units, GPUs) - технически являются разновидностью микропроцессоров. Они предназначены для подготовки графики для отображения на экране электронного устройства (рендеринга).
  • Товарные интегральные схемы (commodity integrated circuits), также называемые стандартные чипы (standard chips) - несложные микросхемы, предназначенные для выполнения повторяющихся несложных задач. Такие микросхемы обычно специализированы, т.е. могут быть использованы для решения конкретной простой задачи. Например, они используются в сканерах штрих-кодов и для майнинга криптовалют.

Интегральные схемы также делятся на цифровые и аналоговые исходя из того, какая схема кодирования информации в них используется. Аналоговый сигнал кодируется непрерывной функцией, в то время как цифровой - дискретной (набор точек). И хотя аналоговые сигналы имеют ряд преимуществ перед цифровыми (более точное кодирование информации), они имеют также ряд существенных недостатков. Сегодня основу современной микроэлектронной отрасли составляют цифровые микросхемы - именно о них речь пойдет дальше. При этом в отдельных отраслях по прежнему продолжают применятся аналоговые чипы или смешанные аналого-цифровые варианты.

Цепочка создания стоимости в полупроводниковой отрасли выглядит следующим образом:

  • Проектирование микросхемы. На этом этапе проектировщик, руководствуясь предназначением микросхемы, проектирует её логику - какие транзисторы и прочие элементы схемы и в какой последовательности следует разместить, чтобы она максимально эффективно выполняла свою функцию.
  • Производство микросхемы. На этом этапе микросхема производится в необходимом количестве на специальной фабрике, исходя из того дизайна, который был спроектирован на предыдущем этапе.
  • Производство готовой продукции. На этом этапе микросхема устанавливается в то или иное устройство - компьютер, смартфон, домашнюю электронику, автомобиль и пр.

Производство конечной продукции включено выше в цепочку создания стоимости для демонстрации последовательности процесса. При этом производителей конечного продукта обычно не относят к полупроводниковым компаниям (хотя возможны исключения). При этом к полупроводниковой отрасли обычно относят 1) производителей оборудования, необходимого для производства интегральных схемы 2) производителей химических веществ и реагентов, необходимых для создания чипов 3) производителей программного обеспечения, используемого для проектирования дизайна микросхем 4) производителей кремниевых кристаллов, из которых изготавливаются микросхемы. Такая группировка связана с тем, что большая часть оборудования, реагентов и программного обеспечения специфична, то есть не может быть использована в других отраслях промышленности.

Факторы спроса на интегральные схемы

Микросхемы являются сквозной технологией и применяются во многих отраслях экономики. Консалтинговая компания McKinsey приводит информацию о структуре потребления микросхем по отраслям (а также прогноз её изменения):

Структура потребления микросхем в мире по отраслям

Структура потребления микросхем в мире по отраслям (источник)

Из графика видно, что спрос на чипы не определяется каким-то одним показателем (например, продажи смартфонов и т.д.). Потребление микрочипов определяется ситуацией в экономике в целом. Поэтому в качестве основного драйвера спроса на изделия микроэлектронной промышленности рекомендуется рассматривать валовой внутренний продукт.

Теоретически, можно ожидать, что спрос на микросхемы должен быть эластичным по цене. Это связано с тем, что смартфоны, компьютеры и автомобили, при производстве которых используются чипы, не являются товарами первой необходимости. При этом они являются товарами длительного пользования - это означает, что потребитель может отложить приобретение таких товаров в случае неблагоприятной ценовой коньюнктуры. Тем не менее, высокая востребованность чипов (и не желание многих потребителей отказываться от покупки нового смартфона или компьютера) приводят к тому, что спрос на чипы последние годы не является эластичным по цене.

Спрос на интегральные схемы характеризуется высокой эластичностью спроса по доходу (больше единицы). Связано это с тем, что по мере роста дохода и удовлетворения своих базовых потребностей (в еде, жилье и т.д.) потребители увеличивают спрос на электронные устройства и другие товары, содержащие в себе чипы. Полупроводниковые микросхемы не имеют сегодня близких заменителей, разные типы микросхем конкурируют в основном между собой.

Факторы предложения интегральных микросхем

В краткосрочном периоде предложение интегральных микросхем ограничено доступными производственными мощностями и практически неэластично по цене. В долгосрочном периоде предложение чипов эластично и может быть увеличено посредством строительства новых фабрик или расширения мощностей уже существующих. Срок строительства завода по производству микросхем составляет около трех лет.

Вместе с тем, необходимо понимать, что увеличить мощности должны все производители в отрасли - включая производителей оборудования (в первую очередь фотолитографии). Также необходимо учитывать, что существуют очень высокие барьеры для входа в эту отрасль (высокая стоимость инвестиций в строительство завода и недоступность для большинства игроков продвинутых технологий производства чипов). Поэтому наращивать мощности в реальности может только ограниченное количество игроков в отрасли (см детали в разделе Основные участники и преобладающие стратегии ведения бизнеса). Из этого можно сделать вывод, что даже в долгосрочном периоде предложение не является полностью эластичным по цене.

Технология производства интегральных схем

Производство кремниевых кристаллов

Прежде чем переходить к рассмотрению производственного процесса на фабриках по производству чипов, кратко опишем, как получают кремний - основное сырье для производства микросхем. Оксид кремния (Si02) встречается на планете повсеместно и в больших объемах. В первую очередь он распространен в виде кварца, основного компонента обычного речного песка. Песок смешивают с коксом (чистый углерод, получают из каменного угля) и разогревают в печи до 1800 градусов по Цельсию. Этот процесс называется карботермическое восстановление, он позволяет удалить из оксида кислород и получить чистый кремний. Далее проводится ряд дополнительных процессов по очистке кремния. Таким образом получают поликристаллический кремний - для производства интегральных схем необходим монокристаллический кремний.

Процесс Чохральски для выращивания кремниевых кристаллов

Процесс Чохральски для выращивания кремниевых кристаллов (источник)

Для получения монокристаллического кремния используется так называемый процесс Чохральски (Czochralski process). Небольшой целый кусок кремния помещают в расплав кремния. Данный кусок постепенно вытягивают вверх. В процессе вытягивания исходный кусок обрастает кремнием, при этом получающийся слиток принимает монокристаллическую структуру. На выходе получают цилиндр из монокристаллического кремния (с небольшим конусовидным острием). Это и есть исходный материал, из которого на заводе будут делать интегральные схемы.

Проектирование дизайна микросхем

Прежде чем начать производство интегральной схемы, необходимо спроектировать её дизайн. Иными словами, определить, какую вычислительную функцию и с какой производительностью микросхема будет выполнять, сколько нужно транзисторов и других элементов (диодов, резисторов, конденсаторов), в какие блоки их необходимо объединить между собой (ячейки памяти, микроконтроллеры, криптографические модули) и т.д. Все это большая работа, которую сегодня выполняют команды из десятков или сотен инженеров. Для разработки дизайна микросхем существует большое количество разнообразного программного обеспечения, как профессионального, так и бесплатного. Такое программное обеспечение позволяет создавать дизайн микросхем из конструктивных элементов, симулировать электрические и физические их свойства. Также существуют инструменты, которые позволяют автоматизировать процесс проектирования чипов. После того, как дизайн микросхемы подготовлен, он сохраняется в цифровой файл специального формата, который отправляется на производство.

Производство интегральных схем

Все процессы, описанные ниже, осуществляются непосредственно на заводе по производству микросхем.

Процесс нарезки силиконовых пластин

Процесс нарезки силиконовых пластин (источник)

Первый этап производственного процесса - подготовка силиконовых пластин (preparing the silicon wafer). Тонкая круглая кремниевая пластина отрезается от цилиндрического слитка (произведенного с помощью процесса Чохральски) с помощью точной режущей машины, называемой пластинорезкой. Каждый ломтик имеет толщину от 0,004 до 0,01 см. Поверхность, на которой должны быть сформированы интегральные схемы, полируется и покрывается диоксидом кремния (чтобы сформировать изолирующую основу и предотвратить любое окисление кремния, которое могли бы вызвать примеси).

Второй этап производства - засветка кремниевой пластины (masking). Из полученных от проектировщиков файлов интегральной схемы на заводе делают фотомаски — шаблоны для печати микросхем. Маска непрозрачна в одних местах и ​​прозрачна в других. В маске сохраняются изображения нескольких сотен интегральных схем, которые должны быть напечатаны на пластине.

В целом процесс производства микросхем очень сильно напоминает процесс проявки фотопленки и печати фотографий (речь идет о процессе, который массово использовался в мире до перехода фотоиндустрии на цифровую печать). На пленочный негатив направлялся луч света, который, проходя через фотоувеличитель, превращался в фотографию. Также этот процесс схож с принципом работы различных видов проекторов, использующихся в киноиндустрии.

В печати микросхем используется схожая техника. Пластины из монокристаллического кремния, полученные на первом этапе, помещаются в специальное устройство - степпер (основной компонент фотолитографического комплекса). Пластина покрывается специальным веществом - фоторезистом. Покрытая фоторезистом пластина затем помещается под маску первого слоя и облучается светом. Для проникновения через крошечные прозрачные участки на маске используется ультрафиолетовый свет с очень короткой длиной волны (также могут использоваться пучки электронов или рентгеновские лучи). Маска убирается. Непокрытые области затем либо подвергаются химическому травлению, чтобы сделать слой в этом месте пустым, либо химическому легированию, чтобы создать на его месте слой транзисторов.

Процесс фотолитографии

Процесс фотолитографии, 1 - пространственный модулятор света, 2 - источники света, 3 - линзы, 4 - пластины (источник)

На третьем этапе применяется один из двух методов - атомная диффузия (atomic diffusion) или имплантация ионов (ion implantation). Основная задача этого этапа - добавить в микросхему атомы бора и фосфора, чтобы транзисторы на схеме приобрели полупроводниковые свойства (могли осуществлять P/N переход, то есть в зависимости от ситуации хранить 1 или 0). При атомной диффузии пластины нагреваются в специальной печи до температуры 816-1205°C, а затем в среде, состоящей из инертного газа, вносятся химические добавки - бор и фосфор. При имплантации ионов газ, содержащий внедряемые элементы, ионизируется, чтобы получить пучок высокоэнергетических ионов, которые обжигают определенные области пластины. Второй метод настолько точен, что не требует маскирования — он впрыскивает присадку туда, где это необходимо. Однако процесс имплантации ионов занимает гораздо больше времени, чем процесс атомной диффузии.

Обращаем внимание, что описанный выше процесс позволяет получить лишь один уровень пластины (а интегральные схемы состоят из множества таких уровней). Поэтому второй и третий этап производства обычно повторяют многократно. Также иногда между слоями полупроводников укладывают слой диэлектрика. После того, как все необходимы слои уложены, производство интегральной схемы фактически завершено.

В зависимости от размера, на одной силиконовой пластине помещается от нескольких десятков до нескольких тысяч микросхем. Поэтому после завершения производственного процесса пластину разрезают на части и получают множество интегральных схем. Производственный процесс осуществляется индивидуально для каждой пластины.

Структура и основные драйверы себестоимости интегральных схем

Сравнительный анализ компаний в полупроводниковой отрасли основан на том, какой технический процесс они используют для производства интегральных схем. Технологический процесс обычно обозначают в нанометрах. Сегодня производятся чипы, построенные на техпроцессах от 7 нанометров (наиболее передовые технологии) до 250 нанометров (наиболее устаревшие технологии). Данный показатель описывает расстояние между транзисторами на интегральной схеме. Чем меньше это расстояние, тем больше транзисторов можно разместить на единицу площади.

Как результат, устройство, построенное на более плотной микросхеме, будет обладать более высокой производительностью.

В условиях, когда для очень многих устройств имеет значение их вес (смартфон, ноутбук), возможность производить миниатюрные устройства с заданной производительностью имеет большое значение. Кроме того, такое устройство будет обладать более высокой энергетической эффективностью. Литий-ионные батареи, используемые в современной портативной технике, разряжаются достаточно быстро. Поэтому снижение энергоемкости устройств и увеличение продолжительности цикла без перезарядки существенно улучшает их потребительские характеристики.

Стоимость чипа складывается из себестоимости двух основных производственных процессов. Первый - проектирование чипа. Второй - производство чипа. Рассмотрим каждый из этих этапов подробнее.

Себестоимость проектирования микросхем

Проектирование чипов - достаточно трудоемкая операция. Она требует труда большого количества высоковалифицированных и высокооплачиваемых инженеров. Меньшую, но также значимую роль в себестоимости играет амортизация оборудования. Все основные затраты проектного бюро можно отнести к условно-постоянным. При этом общая величина расходов определяется ассортиментом выпускаемых микросхем - так как над проектированием каждой разновидности работает отдельный коллектив инженеров. Поэтому на этом переделе эффект масштаба имеет огромное значение. Чем большими объемами выпускаются проектируемые компанией чипы и чем меньше ассортимент выпускаемых микросхем, тем более низкими будут затраты в пересчете на единицу выпускаемого изделия.

Себестоимость производства микросхем

Основная составляющая себестоимости на этапе производства микросхем - амортизация оборудования и нематериальных активов. Данная статья может составлять в общей себестоимости 50% и более. Доля расходов на оплату труда составляет от 20% до 30%. Остальные расходы приходятся на себестоимость различных материалов и реагентов, используемых в процессе производства, а также прочие накладные расходы. Отметим, что стоимость исходного сырья - диоксида кремния - в стоимости заготовки ничтожна (в стоимости пластин преобладают затраты на обработку диоксида кремния).

Высокая доля амортизации связана с высокой сложностью (и как следствие, стоимостью) используемого оборудования, в первую очередь фотолитографического. Создание микросхем со все большей плотностью транзисторов требует огромных инвестиций в НИОКР, а также в производство все более сложного оборудования. Это приводит к устойчивому росту в реальном выражении себестоимости в расчете на микросхему - такая тенденция наблюдается в полупроводниковой отрасли в течение нескольких последних десятилетий. При этом себестоимость в расчете на единицу вычислительной мощности продолжает снижаться. Вычислительная мощность является основным показателем, за который платят потребители микросхем. Именно эта тенденция мотивирует компании в отрасли создавать все более совершенные и миниатюрные технологические процессы.

Поэтому важна именно себестоимость в расчете на единицу вычислительной мощности.

Расходы на оплату труда также занимают существенную долю в себестоимости производственного передела. Технологический процесс включает в себя более 300 операций на разных видах оборудования. Операции проводятся последовательно для каждого слоя пластины. Кроме того, одновременно может выпускаться большой ассортимент пластин, что также создает трудности по их перемещению. Исторически электронное производство требовало большого объема рутинного операторского труда. Пластина (помещенная в специальный SMIF контейнер) перемещается между различными установками операторами. Исторически именно фактор дешевого операторского труда, а также высокие требования к исполнительности таких сотрудников мотивировали перемещение производств микросхем в страны Юго-Восточной Азии.

Причины положительного эффекта масштаба

Положительный эффект масштаба наблюдается также на производственном этапе, однако он не такой выраженный, как на этапе разработки. Как уже было сказано, основная причина положительного эффекта масштаба - возможность за счет большей миниатюризации процесса уменьшать себестоимость в пересчете на единицу вычислительной мощности. Однако есть и другие причины. Например, на большом производстве есть возможность эффективнее использовать основные средства. Так как ассортимент чипов широкий, время на выполнение операций разное, самих операций много, то при небольших объемах могут возникать весьма существенные простои отдельных видов оборудования. При больших объемов процент простоев сокращается и появляется больше возможностей оптимизировать схему движения заготовок между установками. Также во многих случаях можно избавиться от труда операторов и предусмотреть передвижение контейнеров с заготовками по конвейеру или другим механизированным способом. Наконец, можно использовать силиконовые пластины большего диаметра (они стоят меньше в пересчете на единицу площади) и напечатать на них больше микросхем.

Себестоимость различных видов микросхем

Если же сравнивать себестоимость интегральных схем между собой, то дешевле будут стоить те микросхемы, которые 1) производятся большим объемом 2) требуют при своем производстве меньше слоев силикона. Первое связано с эффектом масштаба и было детально пояснено выше. Второе связано с тем, что каждый слой производится отдельно и для производства многослойных пластин требуется гораздо больше машинных часов дорогостоящего оборудования.

Расходы на НИОКР не являются непосредственной частью себестоимости, однако для большинства полупроводниковых компаний они также очень существенны (10-20% от выручки, себестоимость занимает обычно 50-60% от выручки). При этом это большей частью именно расходы на исследования, то есть такие компании редко капитализируют их на своем балансе и учитывают в составе амортизации. У компаний, производящих наиболее продвинутые виды микросхем, доля расходов на НИОКР в общих расходах будет выше, чем у остальных компаний.

Капитальные расходы в полупроводниковой отрасли

Полупроводниковое производство - это очень капиталоемковая отрасль. До 90% от стоимости основных средств приходится на машины и оборудование. Самая дорогая часть (50% и выше от всех расходов на оборудование) - это фотолитографические машины (photolithography equipment). Одна такая машина может стоить 150 миллионов долларов, а их требуется большое количество в зависимости от планируемого объема производства. Затраты на строительство и оборудование полупроводниковых производств доходят до 10 миллиардов долларов.

Таким образом, капитальные расходы полупроводниковой компании определяются двумя факторами. Во-первых, это мощность производства - чем она выше, тем больше единиц фотолитографического оборудования потребуется. Во-вторых, используемым технологическим процессом. Чем выше плотность транзисторов на единицу площади пластины, тем все более дорогое оборудование будет необходимо приобрести.

Срок службы фотолитографического оборудования составляет около 10 лет. Однако он может быть и меньше, если фабрика планирует переход на более совершенный технологический процесс - в этом случае устаревшие установки обычно продаются.

Прогнозирование выручки и ценообразование

Цена на микросхемы определяется в зависимости от типа микросхемы и может существенно варьироваться. Основой для определения цены является себестоимость производства конкретной разновидности микросхемы. Этот рынок глобальный, т.е. цены на схожие разновидности микросхем будут едиными по всему миру.

Производство микросхем характеризуется высокими уровнями рентабельности (до 30-40% рентабельность по EBITDA). Это связано с высокой концентрацией в отрасли - многие производители полупроводников доминируют в своих нишах. Появление конкурирующих производств осложнено высокими барьерами входа в отрасль (высокая стоимость инвестиций, большое количество патентов, необходимость найти большой рынок сбыта). Исключение составляют производители товарных интегральных схем. Технология их производства несложная, барьеры входа невелики. Основные поставщики таких микросхем работают в Азии, при этом рентабельность в этой отрасли относительно невелика.

Объемы производства определяются доступными мощностями. В современных условиях в мире установился дефицит полупроводников, что во многом опять же связано с высокими барьерами входа в отрасль.

Основные участники и преобладающие стратегии ведения бизнеса

Полупроводниковая технология - одна из (если не самая) сложных технологий, изобретенных человечеством за всю его историю. Технологический процесс осуществляется на наноуровне (10-9) уровне. Литографический процесс работает с материалом не на химическом (уровень отдельного вещества), а на атомном уровне (уровень отдельного атома). Помимо этого, отрасль характеризуется существенным эффектом масштаба. Чем сложнее становится процесс производства интегральных схем, тем более высокие инвестиции требуются от компаний в НИОКР и оборудование, чтобы поддерживать конкурентоспособную себестоимость. Таблица ниже показывает количество компаний в мире, производящих передовые для своего времени интегральные схемы (по данным Deutshe Bank и NFC Consulting):

Год Количество компаний, ед. Техпроцесс, нанометров Компании
2001 17 130нм TSMC, Samsung, Intel, AMD, IBM, STM, Toshiba, TI, Fujitsu, NEC, Sony, Motorola, Hithachi, Philips, Mitsubishi, Siemens, SMIC, UMC
2003 17 90нм TSMC, Samsung, Intel, AMD, IBM, STM, Toshiba, TI, Fujitsu, NEC, Sony, Panasonic, Renesas, Infineon, NXP, SMIC, UMC
2005 14 65нм TSMC, Samsung, Intel, AMD, IBM, STM, Toshiba, TI, Fujitsu, NEC, Renesas, Freescale, SMIC, UMC
2007 12 45нм TSMC, Samsung, Intel, AMD, IBM, STM, Toshiba, TI, Fujitsu, Panasonic, SMIC, UMC
2009 9 32нм TSMC, Samsung, Intel, AMD, IBM, STM, Panasonic, SMIC, UMC
2012 6 22нм TSMC, Samsung, Intel, AMD, SMIC, UMC
2015 4 14нм TSMC, Samsung, Intel, AMD
2017 3 10нм TSMC, Samsung, Intel
2020 2 7нм TSMC, Samsung

Основа производства интегральных схем - литографическое оборудование. Это одно из сложнейших видов оборудования, для производства которого используются передовые достижения из огромного количества областей человеческого знания. В таких условиях ни одна компания, более того, ни одна страна, не в состоянии контролировать полную производственную цепочку.

По мере развития технологического прогресса специализация становится единственной возможной стратегией для компаний из полупроводниковой отрасли.

Полупроводниковая отрасль по своей организационной структуре очень напоминает легковое автомобилестроение и авиастроение. В этих отраслях также существует небольшое количество всемирно известных компаний, производящих конечную продукцию. Это Volkswagen, Toyota, Daimler, General Motors, Ford, Nissan, Fiat, Hyandai в автомобилестроении, Boeing, Airbus в авиастроении. При этом эти компании опираются на целую сеть независимых производителей комплектующих (так называемых OEM производителей), причем зачастую в конечной продукции от разных брендов используются одни и те же комплектующие. Сами производители комплектующих, в свою очередь, делятся на так называемый high tech - компании, производящие сложные и высокотехнологичные решения и так называемый low tech - компании, производящие несложные комплектующие на основе общедоступного технологического процесса. Высокая зависимость от передовых ноу-хау приводит к кластеризации производств - Детройтский кластер в автомобилестроении и Силиконовая долина в полупроводниковой отрасли. Это позволяет использовать синергетические эффекты от взаимного обмена знаниями.

Полупроводниковая отрасль устроена похожим образом. Её верхний слой - производители конечной продукции. Их очень много по всему миру и работают они в огромном количестве отраслей экономики. Но основу спроса на полупроводники составляют производители компьютеров (Lenovo, Hewlett-Packard, Dell, Acer, Asus и множество других), смартфонов (Samsung, Apple, Huawei, Xiaomi, Oppo), потребительской электроники (Sony, Panasonic, LG). Даже крупнейшие из производителей конечных устройств имеют специализацию, пусть и достаточно широкую (то есть специализируются на производстве определенного класса устройств). Данные компании практически никогда не занимаются разработкой и производством микросхем, хотя, как можно было увидеть из таблицы выше, некоторые из них делали такие попытки. Сегодня только Samsung можно назвать полностью вертикально-интегрированной компанией.

Второй слой - производство интегральных схем. Сегодня в отрасли осталось всего две такие компании - корейский Samsung и тайваньский TSMC (если говорить о самых современных технологических процессах). О планах вернуться в этот клуб избранных сообщает Intel. Данные компании обеспечивают производство всех наиболее современных микросхем в мире. Intel и Samsung самостоятельно занимаются как производством, так и проектированием микросхем. TSMC только производит микросхемы в соответствии с дизайном, предоставленным заказчиком.

Третий слой - проектирование дизайна микросхем. Это один из наиболее технологичных этапов во всей цепочке создания стоимости. Компании, занимающиеся проектированием микросхем, делят на производителей интегральных устройств (IDE - Integrated device manufacturers) и на бесфабричные компании (fabless manufacturers). Производители интегральных устройств объединяют в своем составе не только проектирование, но и производство чипов, а бесфабричные компании отдают производство на аутсорсинг. К первой группе, помимо упомянутых выше Intel и Samsung, принято относить Texas Instuments, Micron, SK Hynix, TI, Analog Devices. Ко второй группе относят следующие компании: AMD, Nvidia, Qualcomm, Broadcom. Для всех перечисленных компаний в обеих группа характерна специализация на определенном типе микросхем. Intel и AMD специализируется на процессорах для настольных компьютеров, Qualcomm - на производстве процессоров для смартфонов, NVidia - на производстве графических плат, Broadcom - на производстве чипов промышленного предназначения (хранилища данных, системы беспроводной связи и пр.), Micron и SK Hynix - на чипах памяти, TI и Analog Devices на аналоговых микросхемах.

На принципах специализации построены стратегии компаний в связанных с полупроводниками отраслях. Оборудование, необходимое производителям плат, поставляют следующие компании: Applied Materials, KLA, LAM, Tokyo Electron, ASML, Semes, Screen, Canon, Hithachi. В сегменте разработки программного обеспечения для проектирования микросхем доминируют следующие компании: Cadence, Mentor, Synopsys, ARM, Ceva, SST, Imagination Technologies. Химические вещества и реагенты, участвующие в производственном процессе, поставляют следующие компании: Air Liquide, Linde, Cabot, JSR, MKC, USTT, Ichor, Brooks, Jabil, Celestica, Dow Advanced Energy. Следующие компании являются ведущими поставщиками силиконовых пластин: Shin-Etsu, Sumco, GlobalWafer, Siltronic, SK Siltron. Надо понимать, что многие из этих компаний сами, в свою очередь, закупают материалы и комплектующие у большого количества компаний. Например, ASML - нидерландская компания, являющаяся одним из ведущих производителей фотолитографического оборудования, сама, в свою очередь, закупает комплектующие для его производства у более чем 5000 поставщиков. С учетом такой высокой специализации большинство компаний из приведенного выше списка поставляет свое оборудование/программное обеспечение/комплектующие/сырье абсолютно всем потенциальным покупателям по всему миру.

Основным проектировщиком дизайна процессоров в России является Московский центр SPARC-технологий (МЦСТ). Основным российским производителем интегральных схем является компания Микрон (не путать с американским Micron, производящим чипы памяти). Полупроводниковый кластер в России сосредоточен в Зеленограде, территории к северо-западу от Москвы.

Почему одни страны, города или компании добиваются экономического успеха, а другие - вынуждены влачить жалкое существование? Почему экономический рост такой слабый, а неравенство доходов все выше? Как новые технологии могут изменить глобальный экономический ландшафт? Присоединяйтесь к нашей группе ВКонтакте, чтобы получать больше информации о долгосрочных трендах в экономике и бизнесе.

Комментарии:
Авторизация через:
Здесь пока нет комментариев. Чтобы их оставить, авторизуйтесь вверху страницы или с помощью аккаунта ВКонтакте либо зарегистрируйтесь .
1