Het afgelopen jaar is er veel geschreven over de halfgeleiderindustrie: chiptekorten, de CHIPS Wetonze afhankelijkheid van Taiwan en TSMCChina enz.
Maar ondanks al dat gepraat over chips en halfgeleiders begrijpen maar weinigen hoe de industrie in elkaar zit. Ik heb ontdekt dat de beste manier om iets ingewikkelds te begrijpen, is door het stap voor stap in een diagram uit te werken. Dus hier is een korte picturale tutorial over hoe de industrie werkt.
Het Halfgeleiderecosysteem
We zien de digitale transformatie van alles. Halfgeleiders – chips die digitale informatie verwerken – zitten in bijna alles: computer systems, auto’s, huishoudelijke apparaten, medische apparatuur, enz. Halfgeleiderbedrijven zullen $ 600 miljard aan chips dit jaar.
Kijkend naar onderstaande figuur, lijkt de branche vrij eenvoudig. Bedrijven in het halfgeleiderecosysteem maken chips (de driehoek hyperlinks) en verkopen die aan bedrijven en overheidsinstanties (rechts). Die bedrijven en overheidsinstanties ontwerpen de chips vervolgens in systemen en apparaten (bijv. iPhones, computer’s, vliegtuigen, cloud computing, enz.) en verkopen ze aan consumenten, bedrijven en overheden. De opbrengst van producten die chips bevatten is tientallen waard Tmiljarden {dollars}.
Maar gezien hoe groot het is, blijft de industrie voor de meesten een mysterie. Als je überhaupt aan de halfgeleiderindustrie denkt, zie je misschien arbeiders in konijnenpakken in een fantastische cleanroom (de chipfabriek) met een 12-inch wafel. Toch is het een bedrijf dat materialen atoom voor manipuleert en zijn fabrieken kosten tientallen miljarden {dollars} om te bouwen. (Trouwens, die wafel heeft er twee biljoen transistoren erop.)
Als je in de simpele driehoek kon kijken die de halfgeleiderindustrie voorstelt, zou je in plaats van een enkel bedrijf dat chips maakt een industrie vinden met honderden bedrijven die allemaal van elkaar afhankelijk zijn. Als geheel genomen is het behoorlijk overweldigend, dus laten we een deel van het ecosysteem tegelijk beschrijven. (Waarschuwing – dit is een vereenvoudigd weergave van een zeer complexe industrie.)
Segmenten Van De Halfgeleiderindustrie
De halfgeleiderindustrie kent zeven verschillende soorten bedrijven. Elk van deze afzonderlijke industriesegmenten voert zijn middelen door in de waardeketen naar de volgende totdat uiteindelijk een chipfabriek (een “Fab”) alle ontwerpen, apparatuur en materialen heeft die nodig zijn om een chip te vervaardigen. Van onderaf bekeken zijn deze segmenten van de halfgeleiderindustrie:
- Chip Intellectuele Eigendom (IP) Kernen
- Hulpmiddelen voor elektronische ontwerpautomatisering (EDA).
- Gespecialiseerde materialen
- Wafer Fab-apparatuur (WFE)
- “Fabless” chipbedrijven
- Fabrikanten van geïntegreerde apparaten (IDM’s)
- Chipgieterijen
- Uitbestede Assemblage En Take A Look At Van Halfgeleiders (OSAT)
De volgende paragrafen hieronder geven meer particulars over elk van deze acht segmenten van de halfgeleiderindustrie.
Chip Intellectuele Eigendom (IP) Kernen
- De ontwerp van een chip kan eigendom zijn van een enkel bedrijf, of…
- Sommige bedrijven geven licenties voor hun chipontwerpen – als softwarebouwstenen, IP Cores genoemd – voor breed gebruik
- Er zijn meer dan 150 bedrijven die IP-chipkernen verkopen
- Apple licentieert bijvoorbeeld IP Cores van ARM als een bouwsteen van hun microprocessors in hun iPhones en computer systems
Hulpmiddelen Voor Elektronische Ontwerpautomatisering (EDA).
- Ingenieurs ontwerpen chips (door hun eigen ontwerpen toe te voegen bovenop alle IP-kernen die ze hebben gekocht) met behulp van gespecialiseerde Electronic Design Automation (EDA)-software
- De industrie wordt gedomineerd door drie Amerikaanse leveranciers: Cadans, Mentor (nu onderdeel van Siemens) en Synopsie
- Het kost een groot technisch workforce dat deze EDA-tools gebruikt 2-3 jaar om een complexe logische chip te ontwerpen, zoals een microprocessor die in een telefoon, laptop of server wordt gebruikt. (Zie de afbeelding van het ontwerpproces hieronder.)
- Nu logica-chips steeds complexer worden, beginnen alle Electronic Design Automation-bedrijven kunstmatige-intelligentie-hulpmiddelen in te voegen om het proces te automatiseren en te versnellen
Gespecialiseerde Materialen En Chemicaliën
Tot nu toe zit onze chip nog in de software program. Maar om er iets tastbaars van te maken, moeten we het fysiek produceren in een chipfabriek die ‘fab’ wordt genoemd. De fabrieken die chips maken, moeten gespecialiseerde materialen en chemicaliën kopen:
- Siliciumwafels – en om die te maken hebben ze kristalgroeiovens nodig
- Meer dan 100 gassen worden gebruikt – bulkgassen (zuurstof, stikstof, kooldioxide, waterstof, argon, helium) en andere exotische/giftige gassen (fluor, stikstoftrifluoride, arsine, fosfine, boortrifluoride, diboraan, silaan, en de lijst gaat maar door…)
- vloeistoffen (fotoresiststoplagen, CMP-slurries)
- Fotomaskers
- Apparatuur voor het hanteren van wafels, in blokjes snijden
- RF-generatoren
Wafer Fab Equipment (WFE) Maak De Chips
- Deze machines maken de chips fysiek
- Vijf bedrijven domineren de industrie – Toegepaste materialen, KL, LAM, Tokio Electron En ASML
- Dit zijn enkele van de meest gecompliceerde (en dure) machines op aarde. Ze nemen een plakje silicium en manipuleren de atomen op en onder het oppervlak
- We zullen later uitleggen hoe deze machines worden gebruikt
“Fabless” Chipbedrijven
- Systeembedrijven (Apple, Qualcomm, Nvidia, Amazon, Facebook, enz.) die voorheen kant-en-klare chips gebruikten, ontwerpen nu hun eigen chips.
- Ze maken chipontwerpen (met behulp van IP-kernen en hun eigen ontwerpen) en sturen de ontwerpen naar “gieterijen” die “fabrieken” hebben die ze vervaardigen
- Ze mogen de chips uitsluitend gebruiken in hun eigen apparaten, bv. Apple, Google, Amazon ….
- Of ze verkopen de chips aan iedereen, bijvoorbeeld AMD, Nvidia, Qualcomm, Broadcom…
- Ze bezitten geen Wafer Fab-apparatuur en gebruiken geen gespecialiseerde materialen of chemicaliën
- Ze gebruiken Chip IP en Electronic Design Software om de chips te ontwerpen
Fabrikanten Van Geïntegreerde Apparaten (IDM’s)
- Integrated Device Manufacturers (IDM’s) ontwerpen, produceren (in hun eigen fabrieken) en verkopen hun eigen fiches
- Ze hebben hun eigen “fabrieken”, maar kunnen ook gieterijen gebruiken
- Ze gebruiken Chip IP en Electronic Design Software om hun chips te ontwerpen
- Ze kopen Wafer Fab-apparatuur en gebruiken gespecialiseerde materialen en chemicaliën
- De gemiddelde kosten voor het opnemen van een nieuwe geavanceerde chip (3nm) bedragen nu $ 500 miljoen
Chipgieterijen
- Gieterijen maken chips voor anderen in hun “fabs”
- Ze kopen en integreren apparatuur van verschillende fabrikanten
- Wafer Fab Apparatuur en gespecialiseerde materialen en chemicaliën
- Ze ontwerpen unieke processen met behulp van deze apparatuur maken de chips
- Maar zij ontwerp geen chips
- TSMC in Taiwan is de leider in logica, Samsung is tweede
- Andere fabs zijn gespecialiseerd in het maken van chips voor analoog, energy, rf, shows, veilige militairen, enz.
- Het kost 20 miljard greenback om een fabriek voor de fabricage van een nieuwe generatie chips (3nm) te bouwen
Fabs
- Fabs is een afkorting van fabrication vegetation – de fabriek die chips maakt
- Fabrikanten van geïntegreerde apparaten (IDM’s) En Gieterijen hebben allebei fabs. Het enige verschil is of ze chips maken die anderen kunnen gebruiken of verkopen, of ze voor zichzelf maken om te verkopen.
- Zie een Fab als analoog aan een boekdrukkerij (zie onderstaande figuur)
- Net zoals een auteur een boek schrijft met behulp van een tekstverwerker, ontwerpt een ingenieur een chip met behulp van elektronische ontwerpautomatiseringstools
- Een auteur sluit een contract met een uitgever die gespecialiseerd is in zijn style en stuurt de tekst vervolgens naar een drukkerij. Een ingenieur selecteert een fab die geschikt is voor hun kind chip (geheugen, logica, RF, analoog)
- De drukkerij koopt papier en inkt. Een fab koopt grondstoffen; silicium, chemicaliën, gassen
- De drukkerij koopt drukmachines, persen, ordners, snijmachines. De fab koopt wafer fab-apparatuur, etsers, depositie, lithografie, testers, verpakkingen
- Het drukproces voor een boek maakt gebruik van offsetlithografie, filmen, strippen, blauwdrukken, het maken van platen, binden en trimmen. Chips worden vervaardigd in een gecompliceerd proces waarbij atomen worden gemanipuleerd met behulp van etsers, depositie, lithografie. Zie het als offsetdruk op atomair niveau. Vervolgens worden de wafels in stukken gesneden en worden de chips verpakt
- De fabriek produceert miljoenen exemplaren van hetzelfde boek. De fabriek levert miljoenen exemplaren van dezelfde chip
Hoewel dit eenvoudig klinkt, is het dat niet. Chips zijn waarschijnlijk de meest gecompliceerde producten die ooit zijn gemaakt. Het onderstaande schema is een vereenvoudigde versie van de 1000+ stappen die nodig zijn om een chip te maken.
Uitbestede Assemblage En Take A Look At Van Halfgeleiders (OSAT)
- Bedrijven die chips van gieterijen en IDM’s verpakken en testen
- OSAT-bedrijven nemen de wafel die door gieterijen is gemaakt, dobbelen (snijden) ze in afzonderlijke chips, testen ze en verpakken ze vervolgens en verzenden ze naar de klant
Fantastische Problemen
- Naarmate chips dichter zijn geworden (met biljoenen transistors op een enkele wafer), zijn de kosten van het bouwen van fabrieken omhooggeschoten – nu> $ 10 miljard voor één chipfabriek
- Een van de redenen is dat de kosten van de apparatuur die nodig is om de chips te maken omhoog zijn geschoten
- Slechts één geavanceerde lithografiemachine van ASMLeen Nederlands bedrijf, kost 150 miljoen greenback
- Er zijn ~500+ machines in een fab (niet allemaal zo duur als ASML)
- Het fantastische gebouw is ongelooflijk complicated. De cleanroom waar de chips worden gemaakt, is slechts het topje van de ijsberg van een complicated geheel van leidingen die gassen, stroom en vloeistoffen allemaal op het juiste second en op de juiste temperatuur in de wafer fab-apparatuur voeren
- De kosten van meerdere miljarden {dollars} om aan de high te blijven, hebben ertoe geleid dat de meeste bedrijven zijn afgehaakt. In 2001 waren er 17 bedrijven die de meest geavanceerde chips maakten. Vandaag zijn er slechts twee – Samsung in Korea en TSMC in Taiwan.
- Aangezien China gelooft dat Taiwan een provincie van China is, kan dit voor het Westen problematisch zijn.
Wat Is De Toekomst – Technologie
Het wordt veel moeilijker om chips te bouwen die compacter en sneller zijn en minder stroom verbruiken, dus hoe nu verder?
- In plaats van een enkele processor al het werk te laten doen, hebben ontwerpers van logica-chips meerdere gespecialiseerde processors in een chip geplaatst
- Geheugenchips worden nu dichter gemaakt door ze meer dan 100 lagen hoog te stapelen
- Naarmate chips steeds complexer worden om te ontwerpen, wat betekent dat grotere ontwerpteams en een langere time-to-market nodig zijn, integreren Electronic Design Automation-bedrijven kunstmatige intelligentie om delen van het ontwerpproces te automatiseren
- Fabrikanten van waferapparatuur ontwerpen nieuwe apparatuur om fabs te helpen chips met een lager vermogen beter te maken prestaties, optimale area-to-cost en snellere time-to-market
Wat Is De Volgende Stap – Zakelijk
Het bedrijfsmodel van Integrated Device Manufacturers (IDM’s) zoals Intel is snel aan het veranderen. In het verleden was het een enorm concurrentievoordeel om verticaal geïntegreerd te zijn, dwz je eigen ontwerptools en fabs te hebben. Tegenwoordig is het een nadeel.
- Gieterijen hebben schaalvoordelen en standaardisatie. In plaats van het allemaal zelf uit te vinden, kunnen ze de hele stapel innovatie in het ecosysteem gebruiken. En concentreer je gewoon op de productie
- amd heeft bewezen dat het mogelijk is om over te stappen van een IDM naar een fabelloos gieterijmodel. Intel probeert. Ze gaan gebruiken TSMC als gieterij voor hun eigen chips en het opzetten van een eigen gieterij
Wat Is Het Volgende – Geopolitiek
Het beheersen van geavanceerde chipproductie in de 21e eeuw zou wel eens kunnen blijken te zijn als het beheersen van de olievoorziening in de 20e. Het land dat deze productie controleert, kan de militaire en economische macht van anderen smoren.
- Zorgen voor een constante aanvoer van chips is een nationale prioriteit geworden. (China’s grootste import met $’s zijn halfgeleiders – groter dan olie)
- Vandaag de dag, zowel de VS als China proberen snel hun halfgeleiderecosystemen van elkaar te ontkoppelen; China schenkt meer dan $ 100 miljard aan overheidsstimulansen in het bouwen van Chinese fabrieken, terwijl het tegelijkertijd probeert inheemse leveringen van waferfabriekapparatuur en software program voor elektronische ontwerpautomatisering te creëren
- In de afgelopen decennia hebben de VS de meeste fabrieken naar Azië verplaatst. Vandaag stimuleren we het terugbrengen van fabrieken en chipproductie naar de VS
Een industrie die voorheen alleen interessant was voor technologen, is nu een van de grootste stukken in de grote machtsconcurrentie.
Gearchiveerd onder: Gordian Knot Center for National Security Innovation, Technology |
Source: steveblank.com