Итак, что такое полупроводники и где их используют?


В основе техники, которой мы ежедневно пользуемся, лежат микрочипы. Но если раньше это в большей степени касалось «сложной» техники вроде смартфонов и ноутбуков, то нынешние резко поумневшие часы, лампочки, кофеварки и машины также нуждаются в микропроцессорах и микроконтроллерах. В машине электроника может быть нужна для системы парковки или бортового компьютера, умной кофеварке нужен процессор для связи со смартфоном, а умным часам, к примеру, теперь требуется LTE-модуль. Микросхемы печатают на кремниевых пластинах, состоящих из мелких полупроводниковых кристаллов, которые имеют одно интересное свойство ― они проводят электричество не столь хорошо, как металлы, но и не столь плохо, как большинство изоляторов. Фактически полупроводник является критически важным элементом любой электроники, будь то суперкомпьютер NASA, умная кофеварка, новенькие Apple Watch или старенький японский телевизор.

Дефицит кремния, кризис производства и роль TSMC


Для производства полупроводников нужен кремний. Хотя природные запасы кремния огромны — это 28% массы земной коры, но металлический кремний, используемый в микросхемах и автомобилестроении, требует специальной обработки, поэтому так получилось, что добыча и обработка кремния сейчас сосредоточена в Китае. И вот в конце 2019 года правительство Китая запустило политику снижения энергопотребления, которое сказалось и на количестве добываемого кремния, и на ценах.

Второй куда большей проблемой оказалась нехватка производителей микросхем. В 2000 году в мире было несколько десятков крупных производителей интегральных схем, сейчас все производство ушло на аутсорс в Азию, где рулит тайваньская компания TSMC. Это детище бывшего руководителя Texas Instruments Мориса Чжана, который в начале 80-х уехал на родину строить свой успешный бизнес. Там он понял, что ему выгоднее выпускать полупроводниковые пластины для других IT-гигантов калибра Dell, Intel и Huawei, нежели заниматься самостоятельной разработкой процессоров или чипов памяти.

В итоге TSMC стала монополистом в этой сфере — даже условная AMD, которая по факту является производителем микросхем, отдает большую часть работы на аутсорс в Тайвань. Поэтому чем сильнее дорожает производство микросхем, тем прочнее становятся позиции TSMC.

Куда и почему они пропали?


В 2020-м году пандемия нарушила хрупкий баланс на рынке электроники, словно на пляж к ленивцам выпустили парочку голодных тигров. Из-за массовых локдаунов и непонимания, что будет дальше, сбились производственные цепочки. Спрос на микрочипы вырос из-за компьютеризации автомобилей, в странах, где работают фабрики по производству чипов, объявляли локдауны, а из-за массового перехода на удаленную работу вырос спрос на ноутбуки, что еще больше усугубило ситуацию.


В конце 2020 года о дефиците микросхем заговорили производители авто и электроники в Японии, Южной Корее и Китае. Тогда причиной нехватки чипов назвали оптовые закупки микросхем китайскими техногигантами Huawei Technologies и Xiaomi, пожар на заводе по производству микросхем в Японии, и локдауны в Юго-Восточной Азии. Согласно данным на начало 2021 года, спрос на микросхемы на 10 – 30% превышал предложение. Затем дефицит быстро перекинулся на рынок консолей и видеокарт. Кризис ударил сразу по всем сферам, причем как быстрорастущим, так и по тем, что сидят тихо в углу и никого не трогают.

Какие отрасли пострадали больше всего

Изначально речь шла о компьютерной технике ― в первую очередь видеокартах, которые скупают майнеры, и компьютерах/ноутбуках, спрос на которые резко вырос после того, как многие компании перешли на работу из дому. Чуть позже оказалось, что все не так уж просто, и от нехватки полупроводников пострадали автомобильная промышленность, сфера коммуникации, гигантский рынок смартфонов, производители игровых приставок и даже военные. На слайде ниже вы можете узнать, в каком количестве ресурсов нуждается каждая индустрия.


В первые месяцы кризиса его проецировали исключительно на рынок видеокарт, после чего геймеры пошли священной войной на майнеров. В твиттере так точно. В то же время главы Apple, Samsung и других компаний производителей смартфонов уверяли своих поклонников в том, что дефицита не будет. Чуть позже глава Apple Тим Кук сменил пластинку, дескать какие-то детали будут в дефиците, но на общую картину это не повлияет, переживать не стоит, каждому желающему достанется свой айфон.

Однако сразу же после презентации iPhone 13 в Bloomberg вышел материал о том, что Apple таки снижает темпы производства на 11%. Крайними остались компании Broadcom и Texas Instruments, которые не смогли в нужном объеме наладить производство компонентов для Face ID и беспроводных модулей связи. Параллельно на нехватку комплектующих пожаловались в Samsung и Xiaomi. Все это приводит к тому, что производители смартфонов либо отказываются выходить на не родные рынки, либо повышать цены. К примеру, Google уже объявила, что Pixel 5a будет продаваться исключительно на территории США и Японии. А Xiaomi уже поднимает цены на некоторые популярные смартфоны. Так официальная цена на Redmi Note 10 поднялась на 8% со $161 до $174.


И пока производители смартфонов искали решение, на рынке компьютеров царила смесь из воодушевления и ужаса. Воодушевления потому, что пандемия привела к сильному перегреву рынка ― многие люди перешли на домашнюю работу и озаботились покупкой рабочего компьютера или ноутбука. По разным данным продажи ноутбуков в Европе и США в период пандемии выросли на 40 – 48%. В целом мировой рынок ПК, в который входят все ноутбуки, настольные компьютеры и рабочие станции, еще в 2020-м году достиг отметки в почти 80 млн активных единиц. По данным Canalys это самый высокий рост рынка за последние 10 лет.


Ну а ужас вызывал тот факт, что скоро все это кончится, ведь добра совершенно точно не хватит на всех желающих. Особенно сильно ударило по художникам, дизайнерам, аниматорам, специалистам по визуальным эффектам, разработчикам игр и другим спецам, чья работа напрямую зависит от мощности компьютера. Раньше у большинства были домашние ноутбуки и компьютеры для подготовительной работы, а вся серьезная работа велась на мощный рабочих станциях. Теперь эти рабочие станции пришлось втридорога строить дома.

Ох, а про рынок видеокарт и говорить нечего. Помните анонс NVIDIA Ampere, когда глава компании Дженсен Хуанг обещал, что карточка RTX 3060 порвет всех и вся, дав геймерам народный 4K? Так вот, она и правда порвала, но спустя год вместо обещанных $400 ценники на нее стартуют с $1000 и могут достигать $1500 за версии с мощным разгоном и тройным охлаждением. А все потому, что параллельно с дефицитом полупроводников начась новая волна майнинговой лихорадки. После того, как курс биткоина пробил потолок в $50 000, покупка видеокарты даже с двойной наценкой стала считаться удачей. В итоге 2021 год прошел под лозунгом «иногда они возвращаются», а геймеры всего мира получили уникальную возможность купить втридорога новую-старую GeForce GT 1030 или 1050 Ti.

В августе 2021 года финансовый директор Sony Хироки Тотоки пообещал инвесторам, что компания до весны 2022 года Sony отгрузит обещанные 22.6 миллионов консолей PlayStation 5. Не знаем, поверили ли ему инвесторы, но геймеры тут же вспомнили мем про кота-аниматора, который никому не верит, и ничего не ждет. Несмотря на бодрый тон представителей Sony, большинство из ныне живущих людей видели консоли нового поколения лишь на картинках. Кризис сильно перегрел индустрию, обещанные $500 тут же превратились в $1000, а большинство проданных экземпляров болтаются на торговых площадках у перекупщиков.

На крик геймеров «доколе это будет продолжаться»? ответили ребята из Toshiba. Как оказалось, последний год они работают на износ, а их менеджеры круглосуточно решают вопросы с поставками в телефонном режиме, но этого мало. По их данным они не смогу выпустить обещанное количество контроллеров памяти, поэтому дефицит консолей продлится как минимум до конца 2022 года. Каждый производитель по-своему отреагировал на эту новость. Глава Xbox Фил Спенсер напирает на развитие сервисов а-ля Gamepass и NVIDIA Now с помощью которых геймеры сможет поиграть в новинки игропрома, не растрачивая последние деньги на покупку игр и железа.


По данным Bloomberg Sony пойдет другим путем и снова изменит дизайн печатной платы PS5. Либо найдет нового поставщика, что маловероятно. Ну, а Nintendo уже провернула подобный фокус с обновкой консоли Switch. Пока все фанаты ждали новый Switch Pro с 4K экраном, японцы ограничились модификацией с OLED-дисплеем. Судя по витиеватым заявлениям их руководства в нынешних условиях они физически не могли заново собрать новую партию консолей.


Ударило и по другим отраслям, которые на первый взгляд никак не связанными с высокими технологиями. К примеру, по автопрому. Не секрет, что нынешние автомобили все больше и больше превращаются из механизмов в гаджеты. И речь тут не только об «умных» Теслах и напичканных электроникой зеленых электромобилях, а буквально о любой современной машине. Согласно отчету Bloomberg в период с начала 70-х по конец 2020-х годов стоимость электроники выросла с 5% до 45%! Полупроводники и управляющие контроллеры нужны для корректной работы паркинга, стеклоподъемников, дворников, аудиосистемы, навигации, бортового компьютера и т. д. Как оказалось, автомобильная промышленность была совершенно не готова к кризису. Пока IT-гиганты жалуются на дефицит, параллельно регистрируя рекордные доходы, гигант Ford к концу 2021 года недосчитался почти $2.5 млрд, General Motors прогнозирует потерю около $2 млрд выручки, а компания Nissan еще не посчитала все убытки, но уже приостановила свои производства в Мексике и США.


Неожиданно для многих экспертов, кризис ударил не по рынку ноутбуков или выручке Apple, которая не продала пачку новых айфонов, а по промышленной сфере. Дело в том, что большинство электротехнических товаров используют технологии прошлого или позапрошлого поколения, а многие жизненно важные вещи вроде платы контроллера пожарной системы построены на разработках начал нулевых. Все это логично привело к повсеместному взлету цен.

Например, копеечный микроконтроллер STM32F103RCT6 на Aliexpress подорожал в 10 – 15 раз и практически пропал из продажи. Тоже самое коснулось и другой подобной мелочи. Происходящее идет вразрез с желанием IT-гигантов не отставать от прогресса. К примеру, Hynix, которая является крупнейшим в мире производителем чипов оперативной памяти, с конца 2020 года мечтает приступить к массовому производству памяти DDR5. Возвращаться на 10 лет назад во времена DDR3 компании и не интересно, и финансово не выгодно.

Когда все наладится?


В TSMC говорят, что линии загружены под самую завязку, но они все равно не справляются с темпами производства. В недавнем заявлении компании прогноз снова изменился ― раньше обещали победить кризис к концу 2021 года, теперь советуют затянуть пояса как минимум на весь 2022 год. В таком случае возникает вопрос, а почему бы не расширить производство?

Именно этим вопросом нынче озабочена вся крупная рыба в IT-индустрии. Intel объявила о создании отдельного полупроводникового подразделения Intel Foundry Services (IFS), в которое уже вложили 20 млрд долларов. Эти деньги будут потрачены на строительство двух новых фабрик на территории США. Новый генеральный директор Intel Пэт Гелсингер считает, что появление еще одного игрока на рынке микросхем поможет решить спрос в любой индустрии — от игровой до автомобильной. TSMC под давлением Apple и Qualcomm объявила, что в ближайшие 3 года вложит порядка $100 млрд в расширение и модернизацию уже построенных заводов.


Параллельно TSMC объявила о создании совместного с Sony предприятия Advanced Semiconductor Manufacturing (JASM). Для него построен новый завод в Японии, который будет изготавливать чипы исключительно по устаревшим 22-м и 28-нм техпроцессам, что поможет справиться с дефицитом полупроводников в автомобильной и промышленной отраслях. Предварительная стоимость проекта составит $7 миллиардов.

Однако надеяться на скорую трансформацию не стоит. По мнению Адама Хана, основателя AKHAN Semiconductor, широкий кризис предложения может продлиться до второго квартала 2022 года, причем такой сценарий он рассматривает как «обнадеживающий». Ну а на то, чтобы полностью приноровиться к новым реалиям полупроводниковой индустрии может понадобиться десятилетие.

На это есть несколько причин. Во-первых, было потеряно много времени. Из-за изначальных оптимистичных прогнозов производители не спешили вкладываться в производственные линии, чтобы потом не оказалось, что дополнительную продукцию потом некому продавать. Во-вторых, постройка одного-двух заводов глобально ничего не решит. По прогнозам TMC новая линия в Аризоне, в производство которой вложили порядка 20 миллиардов долларов, сможет покрывать не больше 2% от всего ежегодного объема произведенных полупроводников.


В-третьих, и это очень важно, спешка выгодна далеко не всем. К примеру, как бы руководство NVIDIA не ругалось на майнеров и не извинялось перед геймерами, компания отлично зарабатывает на сложившейся ситуации. В финансовом плане 2021 года стал для нее рекордным ― чистая прибыль по сравнению с прошлым годом повысилась с 662 млн до 2.37 млрд долларов, цена акции NVIDIA выросла в 2 с лишним раза, а по рыночной капитализации компания обогнала таких гигантов, как Visa, JPMorgan и Walmart. Что тут говорить, если в 2021 году они выпустили майнерскую версию старой видеокарты GTX 1660 с официальным прайсом в $720. Хотя на момент релиза в 2019 году она стоила не больше $250. Судя по квартальным отчетам, многие другие IT-гиганты калибра AMD, Apple и Intel тоже заметно подорожали.