Новый бум производства чипов «made in America»

Производители потребительской электроники уже год страдают от растущего дефицита чипов. Во время пандемии возрос спрос на смартфоны, ноутбуки, настольные компьютеры, «умные» телевизоры и устройства, подключенные к интернету. Нехватка компьютерных микросхем больно ударила по таким отраслям, как автопроизводство и производство медицинского оборудования.
На данный момент ведущими производителями полупроводников являются Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) и Samsung. Первая занимает 54% рынка, вторая — 17%.

Сенат Конгресса США летом 2021 г. одобрил законопроект о выделении из бюджета 250 млрд. долл. на решение проблемы с нехваткой микрочипов. 52 млрд долл. ушли на развитие производства полупроводников в стране для «борьбы с зависимостью от китайских компаний и технологий».

Многие штаты и города в Америке увидели в этом для себя возможность того, что усилия по резкому увеличению производства микросхем в Соединенных Штатах приведут к появлению завода по производству микросхем на их «заднем дворе». Один из таких городов — Тейлор, в штате Техас, с населением 17 000 человек, расположенный в 40 минутах езды к северо-востоку от Остина. Власти штата и города заполучили завод Samsung на 17 миллиардов долларов, который компания планирует построить в США в начале следующего года.
А Intel в сентябре начала строительство двух заводов в Аризоне и объявит о месте планируемого производственного кампуса к концу года.

Гонка микросхем

Подавляющее большинство полупроводников производится на Тайване, в Южной Корее и материковом Китае. Соединенные Штаты контролируют всего 12 % мирового производства. Нехватка чипов показывает, как ограниченная роль Америки в отрасли ставит экономику страны в шаткое положение. Политики опасаются, что Китай предпримет шаги по усилению своего контроля над глобальными поставками полупроводников, ставя Соединенные Штаты в технологически невыгодное положение, которое может иметь серьезные последствия для национальной безопасности.



Новый завод в Тейлоре увеличит и без того значительный объем присутствия Samsung в Техасе, где на сегодняшний день компания инвестировала 17 миллиардов долларов в обширный комплекс в Остине, в котором работают 3000 сотрудников. Согласно документам, представленным официальным лицам Тейлора, Samsung планирует инвестировать ещё 17 миллиардов долларов и создать 1800 рабочих мест в течение 10 лет.
Власти города Чандлер, штат Аризона, одобрили выделение 30 миллионов долларов на улучшение водоснабжения и дорог для поддержки завода Intel, которая начала строительство в сентябре. Финикс же потратит 200 миллионов долларов на инфраструктуру нового завода компании TSMC. Когда компания объявила о строительстве завода в 2020 году, она заявила, что субсидии имеют решающее значение для её планов.

Критики корпоративных налоговых льгот говорят, что деньги (выделяемые на субсидии) можно было бы лучше потратить на базовую инфраструктуру и государственные школы. Они говорят, что такие факторы, как наличие талантов и природных ресурсов, более важны для производителей микросхем, чем субсидии. И утверждают, что города в конечном итоге приносят в жертву самое важное, что может внести большой промышленный проект: налоговые поступления.

Субсидии, которые Остин предоставил Samsung в 1990-е годы, оказали положительное влияние на город. Tesla, Oracle, HP, Facebook и Apple переместили свои штаб-квартиры в Остин. По некоторым оценкам, город является лучшим в стране местом для инвестиций в коммерческую недвижимость.


Существующий завод Samsung в Остине

Samsung надеется привлечь больше американских клиентов и сократить разрыв с TSMC, потратив миллиарды на передовые объекты по всему миру. Отраслевой триумвират в лице TSMC, Intel и Samsung стремится удовлетворить постпандемический всплеск спроса, в то время как ожидается, что всё больше подключённых устройств от автомобилей до «умных домов» потребуют больше микросхем в будущем.

Проблемы Intel, связанные с технологиями, и её потенциальная зависимость в будущем от TSMC и Samsung, по крайней мере, в части производства микросхем, подчеркнули, насколько азиатские гиганты продвинулись вперед в последние годы. Администрация Байдена отговорила Intel от реализации планов по созданию завода в Чэнду, Китай, по производству кремниевых пластин.

Samsung обязалась поддержать экономику Южной Кореи, потратив 240 триллионов вон (205 миллиардов долларов), и расширить набор сотрудников до 40 000 человек в течение следующих трёх лет. На «домашней арене» Intel она встретится лицом к лицу с TSMC, которая планирует начать производство на собственном заводе по производству микросхем стоимостью 12 миллиардов долларов в Аризоне к 2024 году. Samsung пытается догнать TSMC в литейном бизнесе по производству чипов для мировых корпораций.



Новый завод Samsung в США будет использовать оборудование для литографии в ультрафиолетовом диапазоне от ASML Holding NV. Компания, которая в течение многих лет боролась с низкой доходностью передовых процессов производства чипов, совершенствует и ускоряет расширение своих мощностей. Компания нацелена на массовое производство 3-нанометровых чипов с помощью технологии Gate All Around с 2022 года, которая может более точно контролировать токи, протекающие по каналам, уменьшать площади чипа и снижать энергопотребление. Samsung пообещал вернуть себе лидерство в отрасли к 2025 году.

Легендарный камбэк

Потеряв лидерство из-за полувековых проблем с модернизацией своего производства, Intel выбрала стратегию комфортного застоя в качестве второсортного разработчика процессоров с использованием вчерашних технологий. Некогда отличник Кремниевой долины уступил долю рынка процессоров давнему сопернику — AMD, отстала от TSMC и Samsung в производстве чипов.

Пэт Гелсинджер, новый исполнительный директор Intel, хочет восстановить былой статус компании как лидера полупроводниковой индустрии, чрезвычайно прибыльного новатора, достигающего ежегодных результатов в области смартфонов, ПК, умных часов, интернет-сервисов и всего остального в цифровой индустрии. Чтобы это сделать, потребуется серия крупных производственных обновлений и поставка квартета новых чипов, которые эти обновления позволят: Alder Lake для игровых ПК в этом году и ноутбуков в следующем, Ponte Vecchio и Sapphire Rapids для серверов в 2022 году и Meteor Lake для ПК в 2023 году. После многих лет череды ошибок, на этот раз Intel придётся делать все правильно.
Гелсинджер в интервью говорит, что «после десятилетия плохих решений исправить ситуацию в одночасье не получится. Но темная полоса позади».

Когда большая часть лидеров обрабатывающей промышленности 20-го века мигрировала в Азию, особенно в Китай, Intel — один из самых ярких примеров компании, пытающейся поддерживать производство в США.
На огромном пустом участке земли на своём существующем объекте в Аризоне Intel начала строить фабрики 52 и 62 общей стоимостью 20 миллиардов долларов, которые должны будут производить самые передовые чипы Intel, начиная с 2024 года. Позже в этом году компания объявит о строительстве в США третьего по величине производственного комплекса на участке площадью 1000 акров и стоимостью 100 миллиардов долларов. Такие расходы заставляют выглядеть дёшево модернизацию фабрики в Нью-Мексико стоимостью 3,5 миллиарда долларов.


Строительство новых заводов Intel 52 и 62. Фото с завода 42

Цель состоит в том, чтобы восстановить долю США в производстве микросхем, которая упала с 37% в 1990 году до 12% сегодня. «За предстоящее десятилетие мы должны довести долю США до 30% мирового производства полупроводников», — говорит Гелсинджер.

Но не так-то легко запустить прибыльное производство чипов, чтобы окупить гигантские инвестиции, необходимые для того, чтобы оставаться на переднем плане. Если компания, не будет идти в ногу со временем, будет вытеснена, как IBM в 2014 году или Global Foundries в 2018 году. Чтобы наверстать упущенное, Intel теперь планирует пятикратно модернизировать свое производство в течение следующих четырёх лет, что является головокружительным темпом по отраслевым стандартам.

Гелсинджер присоединился к Intel в 1979 году в качестве специалиста по контролю качества, получив в компании степень бакалавра электротехники. Спустя три десятилетия, он дослужился до инженера по микросхемам, затем руководил разработкой 486, а в 2001 году стал главным техническим директором.
Когда стало очевидно, что его не назначат генеральным директором, Гелсинджер ушёл из Intel в 2009 году в компанию EMC, производящую системы хранения данных, а в 2012 году взял на себя её дочернее предприятие по разработке программного обеспечения, VMware. Его мечта возглавить Intel осуществилась в феврале этого года, когда совет директоров назначил его вместо Боба Суона, бывшего финансового директора Intel, проработавшего на этой должности два года. У Суона не было инженерного образования.



У Гелсинджера есть план не только восстановления собственного производства Intel, но и производства чипов для других компаний, в том числе и TSMC. Для этого он открывает фабрики Intel Foundry Services (IFS).
Правление Intel одобрило план Гелсинджера по управлению компанией в стиле первых трёх технически опытных генеральных директоров компании: соучредителя компании — Роберта Нойса, Гордона Мура (того самого Мура) и Энди Гроува.

Хоть Гелсинджер и заручился полной поддержкой совета директоров Intel, а техническое сообщество компании его просто боготворит, то акционеры всё же от него не в восторге.
В октябре этого года энтузиазм инвесторов по поводу возвращения Гелсинджера поубавился, когда Intel раскрыла расходы на стратегию IDM 2.0 в своих финансовых результатах за третий квартал. Intel рассчитывает получить 2 миллиарда долларов наличными в 2022 году по сравнению с 20 миллиардами в 2020 году, поскольку капитальные затраты на новые фабрики вырастут до 25-28 миллиардов долларов, а рентабельность резко упадет. После этой новости акции Intel упали на 12% в октябре.

Аналитики Bernstein Research выразили обеспокоенность по поводу «раздувания» расходов и о том, что Intel рассчитывает на рост рынка ПК, которого на самом деле не произойдет. — «Ожидание Intel, что выручка будет расти на 10–12% ежегодно в течение следующих четырёх-пяти лет, кажется диковинной».

С февраля по октябрь Гелсинджер удвоил количество кремниевых пластин, которые команда Intel Technology Development может отправлять через фабрики Intel для тестирования и отладки новых технологий. Эта работа стоит дорого, потому что пластины для разработки заменяют приносящие доход пластины для производства микросхем. Поскольку требуется более 500 этапов обработки, и на изготовление одного чипа уходит три месяца или больше, каждая пластина драгоценна.

Make Intel great again

Исторически прогресс в производстве процессоров фиксировался законом Мура. На протяжении десятилетий миниатюризация означала, что производители микросхем могли каждые два года удваивать количество транзисторов. Текущие проблемы Intel связаны с трудностями перехода от 14-нанометрового к 10-нанометровому техпроцессу.
Но поскольку прогресс миниатюризации замедлился. Производители микросхем теперь часто сосредотачиваются не только на том, чтобы уменьшить площадь, занимаемую каждым транзистором, но также на их производительности и энергопотребления, вместе называемые PPA (power, performance and area).



Продвинуть Intel к ускоренному производству микросхем будет сложно отчасти потому, что потребуется гораздо больше этапов обработки в производстве, чем раньше. Возникающая в результате надбавка к стоимости может отбить у клиентов желание платить за продукцию последнего поколения, что замедлит прогресс и сделает вложения Intel в производство рискованными.
TSMC и Samsung также продвигаются вперёд, хотя у них были меньшие проблемы с графиком.
TSMC перейдет на транзисторы с универсальным затвором (GAA), которые повышают миниатюризацию и производительность, к 2025 году. Samsung планирует представить транзисторы GAA уже в 2022 году, а массовое производство начать в 2023 году.
Тем не менее Intel, вероятно, лидирует с PowerVia, которая добавляет больше этапов обработки, но отделяет каналы передачи данных транзисторов от каналов питания для повышения производительности и меньшего размера.

Для ПК Intel начала продавать свои первые чипы Alder Lake, первые массовые процессоры Intel с высокопроизводительными вычислительными ядрами. Для Alder Lake Intel создает чипы с использованием процесса Intel 7.
Alder Lake — более сильный конкурент чипам Apple M1, M1 Pro и M1 Max, которые сейчас используются на большинстве компьютеров Mac.



В 2022 году появятся два важных процессора для центров обработки данных: Sapphire Rapids, представитель семейства серверных чипов Xeon, и Ponte Vecchio, высокопроизводительный вычислительный движок, официально названный Xe HPC, который является мозгом суперкомпьютера Aurora Министерства энергетики в Аргоннской национальной лаборатории. И Sapphire Rapids, и Ponte Vecchio прибывают с опозданием, но обещают значительное увеличение скорости — Aurora должна удвоить свою первоначальную производительность до 1 экзафлоп, или квинтиллион вычислений в секунду.

Meteor Lake, который должен появиться в 2023 году, будет разработан с использованием процесса Intel 4 и должен охватывать очень широкий спектр применений, от ноутбуков со сверхнизким энергопотреблением до мощных игровых ПК.

Хоть Intel и отстала от TSMC и Samsung в целом, но впереди с более важной технологией: корпусом микросхемы, позволяющим Intel создавать один процессор из нескольких элементов микросхемы, которые по-разному называются плитками, чиплетами или матрицами.
Два подхода Intel здесь называются EMIB, сокращение от встраиваемого многоуровневого межсоединительного моста, который соединяет два чиплета бок о бок, и Foveros, который позволяет Intel размещать чиплеты друг над другом. Intel надеется сохранить лидерство, выполнив обновления под названием Foveros Omni и Foveros Direct.

Упаковка имеет решающее значение для продуктов следующего поколения. Ponte Vecchio использует как EMIB, так и Foveros второго поколения, чтобы соединить 47 активных кремниевых элементов в один процессор с более чем 100 миллиардами транзисторов. Для сравнения: M1 Max от Apple, один из крупнейших чипов с одним кристаллом, использует 57 миллиардов транзисторов.
Sapphire Rapids использует EMIB для соединения четырёх микросхем меньшего размера в один действительно большой процессор, и этот продукт будет поставляться миллионами в центры обработки данных. Meteor Lake, использующий Foveros, будет поставляться на рынок ПК в ещё большем количестве.






Существующий завод Intel 42 в Аризоне

Гелсинджер настаивает на том, что на этот раз всё будет по-другому, с изменениями, касающимися оборудования для производства микросхем, стратегией маркетинга, отдельным бизнес-подразделением, подчиняющимся непосредственно ему, лицензионными соглашениями, позволяющими Intel создавать чипы с конкурирующими конструкциями Arm и RISC-V.
Если ему удастся вывести Intel в лидеры, это поможет закрепить в США производство критически важной электроники. «Мы будем наращивать наши возможности до тех пор, — говорит Гелсинджер, — пока у нас не будет больше устойчивости от стихийных бедствий и геополитической неопределенности».