Горе от ума: на автозаводах заканчиваются микросхемы. Что такое «полупроводниковый кризис»?
В полушаге от беспилотной эры у мирового автопрома возник дефицит искусственного интеллекта. Вернее, «железа» для него — заводам не хватает микросхем!
П олупроводниковый кризис, а простыми словами — дефицит компьютерных «мозгов». Сюжет, достойный Азимова, Пелевина или братьев Вачовски, которые уже сестры. Постапокалиптический пейзаж, общество в цифровом делириуме, выживание отдельного человека полностью зависит от супергаджетов, которые не только добывают криптовалюту, но и обеспечивают доступ к таким жизненно важным ресурсам, как онлайн-магазины, виртуальные игры и автономный транспорт. Однако прогресс разогнался до таких скоростей, что уже недостаточно раз в год менять гаджеты на более мощную модель, обновления требуются ежедневно, поэтому в технику каждое утро нужно заливать не топливо, а дополнительные «мозги». Проблема только в том, что микросхем на всех не хватает. Кто достал хоть какие-то дополнительные чипы — имеет право шагнуть в завтра, а тому, кто не смог, дедушка Дарвин шлет воздушный поцелуй на прощание.
Эх, жаль ничего подобного пока не сочинили. Хотя реальность не менее изобретательна. Оцените цепочку событий и явлений. Начало 2020 года — коронавирус и вынужденная изоляция парализуют продажи автомобилей, заводы встают, автопроизводители отменяют заказы на комплектующие, включая и такие компоненты, как полупроводниковые микросхемы в составе всевозможных блоков управления. Освободившиеся квоты на микрочипы тут же разбирают производители электроники — у них-то как раз бум, только успевай штамповать ноутбуки, приставки, смартфоны и все, на чем можно запустить Zoom или видеоигры. Параллельно начинает взлетать курс биткоина и, следовательно, спрос на видеокарты для криптоферм. В структуре «потребления» полупроводниковых схем, по оценке компании IC Insights, производители компьютеров в 2019—2020 годах занимали 32%, на смартфоны уходило 28% микрочипов, на бытовую электронику 14%, тогда как автомобили забирали всего 10%. Словом, из-за временной паузы в автопроме и появления лишних микросхем никто особенно не расстроился. Скорее даже наоборот.
Почему дефицит микросхем – это миф, но автокомпаниям и дилерам он выгоден
Марк Лю, глава одного из крупнейших производителей микрочипов в мире, Taiwan Semiconductor Manufacturing Co (TSMC), который является поставщиком Apple, Intel, Qualcomm и AMD, развенчал миф о дефиците микросхем для автомобилей
В прошлом году автопром сильно пострадал из-за локдаунов. Автокомпаниям приходилось закрывать заводы, а дилерам – шоу-румы и торговать машинами буквально из-под полы. Словом все они понесли солидные издержки, а эти издержки нужно как-то покрывать. Но как? Просить помощи от государства? Оно конечно поможет, но долги придется отдавать. Резко поднять цены на автомобили? Покупатели не поймут, и продажи могут упасть еще сильнее. Выпускать больше машин и заработать за счет объема? Увы, рынок не бездонный и даже с учетом отложенного спроса может возникнуть затоваривание, а, следовательно, вновь придется нести убытки.
И на данном этапе рассуждений в голову какого-то менеджера приходит гениальная по своей простоте мысль: а что если создать искусственный дефицит? Все мы знаем, что происходит, когда возникает нехватка того или иного ходового товара, будь то гречка или туалетная бумага – покупатели начинают сметать его с полок по любой цене.
Аналогичная история повторилась и с автомобилями. Их вдруг стало не хватать, причем по всему миру. Покупатели же готовы были тратить деньги, которые накопились за счет отложенных поездок на отдых и «вертолетной» финансовой помощи от государства (в развитых странах). Машину захотели иметь даже те, кто раньше о ней и не думал: в постковидную эпоху личный транспорт стал своего рода «оберегом», защищающим человека от вирусов.
Словом спрос появился нешуточный, а вот машин сильно больше производиться не стало. А что делают продавцы, когда спрос превышает предложение? Правильно – повышают цены. Причем повышают ровно на столько, насколько покупатели готовы переплатить. Если есть люди, согласные взять новый Land Cruiser, на который дилер накинул миллион сверху, как-то странно продавать этот же внедорожник за официальный прайс.
Не знаю, кто начал эту спекулятивную игру первым – дилеры или сами автопроизводители, но она оказалась выгодна и тем и другим. Одни смогли быстро заработать и отбить убытки от локдауна, другие – стали делать больше машин в дорогих комплектациях, которые приносят наибольшую прибыль – ведь покупатель готов купить все, что ему дают. Плюс заводы получили заказы на месяцы вперед, а вместе с ними и уверенность в завтрашнем дне. Ну и зачем, спрашивается, им нарушать эту идиллию? Гораздо проще сослаться на мифический дефицит микросхем, оправдывая многомесячные очереди и улетевшие в космос цены на машины.
Хотя здесь тоже все не так просто. Ведь автоконцерны формально не причем, и винят во всех грехах производителей автокомпонентов – это им не хватает чипов. Тот же завод Bosch Самара, сорвавший поставки блоков ABS/ESP на конвейер АВТОВАЗа, прогремел на всю страну. И подумайте, стал бы немецкий бренд портить свою репутацию, только для того, чтобы автопроизводитель и его дилер смогли больше заработать на дефиците машин?
А может быть, чипы оседают на складах перекупщиков, которые тянут с поставками для того, чтобы тоже заработать? Такой вариант исключать нельзя. Более того, возможен даже «заговор» на уровне… правительств! И это не шутка: американцы уже давно хотели развернуть масштабное производство микросхем у себя дома, чтобы не зависеть от несговорчивого Китая и других азиатских поставщиков – а тут и повод подвернулся, под который можно запросить у государства дополнительные ассигнования на строительство новых заводов.
Автомобильный справочник
для настоящих любителей техники
Полупроводниковые технологии в автомобилестроении
Тенденции развития автомобильного транспорта, применение современных двигателей, выполняемых на основе принципиально новых конструктивных решений и материалов, выдвигают требования работы электронных устройств в расширенных температурных диапазонах и меньших по объему пространствах. Поиск альтернативных методов получения энергии и развития беспроводных коммуникационных систем требуют повышения многофункциональности и снижения энергоемкости используемых для решения этих задач микроэлектронных устройств. Вот о том, что представляют собой современные полупроводниковые технологии в автомобилестроении, мы и поговорим в этой статье.
Электрическая проводимость твердых тел
Способность отдельных материалов проводить электрический ток определяется количеством и подвижностью имеющихся в них свободных носителей заряда. Так, различие в удельной электропроводимости для твердых тел при комнатной температуре проявляется в пределах диапазона, определяемого от 10-й до 24-й степени. Поэтому материалы соответствующим образом могут быть подразделены по электрическим свойствам на три электрических класса. В табл. «Классификация проводимости материалов» приведено их описание с примерами.
Проводники (металлы)
В твердых телах содержится приблизительно 10 22 атомов на кубический сантиметр. Вместе их удерживают электрические силы. В металлах имеется большое число свободных носителей заряда (один свободный электрон приходится на атом). Свободные носители зарядов обеспечивают металлам высокую электрическую проводимость. Для хороших проводников она составляет примерно 10 6 См/см.
Диэлектрики (изоляторы)
Число свободных носителей заряда, обнаруживаемое в изоляторах, практически равно нулю. Соответственно, их электрическая проводимость незначительна. Для хороших изоляторов она составляет примерно 10 18 См/см.
Полупроводники
Полупроводники по электрической проводимости занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Это — в отличие от проводимости металлов и диэлектриков — в значительной степени зависит от следующих факторов:
Так как полупроводники зависят от указанных факторов, они пригодны для использования в качестве датчиков давления, температуры и света.
Легирование полупроводников
Электрическая проводимость полупроводников
Рассмотрим изменение этого параметра на примере кремния. В твердом состоянии кремний имеет кристаллическую решетку с четырьмя равноудаленными смежными атомами. Каждый атом кремния имеет четыре валентных электрона с двумя парными электронами, формирующими валентную связь между каждой парой атомов кремния. В таком идеальном состоянии кремний не имеет свободных носителей заряда и не является проводимым. Условия резко изменяются при добавлении соответствующей присадки и подводе энергии.
Здесь мы поясним легирование на простой и очевидной модели. Тем не менее, важно помнить, что далеко не все эффекты можно объяснить при помощи этой модели.
n-легирование
 |  |
р-легирование
Введение примесных атомов с тремя валентными электронами (например, бор) обеспечивает появление дырок, так как атом бора имеет на один электрон меньше, чем в кристаллической решетке кремния (рис. в, «Лигированный кремний«). Дырка означает нехватку электрона. Дырки перемещаются внутри кремния; в электрическом поле они перемещаются в направлении, противоположном направлению движения электронов. Дырки являются носителями свободного положительного заряда. Таким образом, каждый дополнительный атом бора предоставляет свободную положительно заряженную дырку (положительная дырка). Кремний превращается в p-проводник и называется кремнием р-типа.
Собственная электропроводность
Под действием температуры и света в необработанном кремнии могут образоваться свободные носители заряда, представляющие собой связанные электронно-дырочные пары (экситоны), которые обеспечивают материалу собственную проводимость. Она является объединением проводимостей р- и n-типа, получаемых легированием. Повышение температуры ведет к экспоненциальному росту числа электронно-дырочных пар, в конечном счете устраняющему разность электрических потенциалов между р- и n-областями, созданными легированием. Это явление налагает ограничение температуры, которым могут подвергаться полупроводниковые компоненты. Для германия — это 90-100 °С, для кремния —150— 200 °С, а для арсенида галлия — 300-350 °С.
В полупроводниках как n-, так и р-типа всегда имеется небольшое количество носителей заряда противоположной полярности. Их наличие сказывается на рабочих характеристиках практически всех полупроводниковых приборов.
p-n-переход
Пограничный слой между р и n-областью в пределах одного и того же кристалла полупроводника называется p-n-переходом. Его свойства определяют рабочие характеристики большинства полупроводников.
р-n-переход без внешнего электрического напряжения
P-область характеризуется наличием большого количества дырок, в то время как n-область имеет их очень немного. В n-области присутствует большое количество электронов, в то время как в p-области их исключительно мало. Каждый тип подвижного носителя заряда стремится двигаться в противоположную зону (диффузионные токи) (рис. в, «р-n-переход в диоде» ).
 |  |
Диффузия дырок в n-область приводит к тому, что p-область становится отрицательно заряженной в области пространственного заряда, так как отрицательно заряженные атомные радикалы, например, бора, остаются неподвижными. Недостаток электронов приводит к тому, что n-область становится положительно заряженной, так как в ней образуется избыток неподвижных положительно заряженных атомных радикалов, например, фосфора. Возникает разность потенциалов между p- и n-областями (потенциал поля p-n-перехода UD), противодействующая миграции носителей заряда и в конечном счете приводящая к полному прекращению обмена дырок и электронов. Потенциал UD создан за счет диффузии, и его невозможно непосредственно измерить извне, для кремния он обычно составляет всего лишь 0,6 В.
В p-n-переходе образуется область с недостаточным количеством подвижных носителей заряда. Эта зона называется областью пространственного заряда или запирающим слоем. Она имеет электрическое поле, напряженность которого также зависит от внешнего приложенного напряжения.
р-n-переход с внешним электрическим напряжением
Теперь можно описывать условия работы диода, так как p-n-переход соответствует структуре диода. Анод находится в p-легированном кремнии, а катод — в n-легированном кремнии.
При подаче напряжения U в обратном направлении (отрицательный полюс — в p-области, а положительный — в n-области) область пространственного заряда расширяется (рис. с, «р-n-переход в диоде» ). В этих условиях электрический ток I прерывается, за исключением минимального остаточного тока (обратный ток), поддерживаемого незначительным количеством носителей заряда. Напряжение U затем падает в области пространственного заряда. Соответственно, эта область становится зоной высокой напряженности электрического поля.
Напряжение туннельного пробоя р-п- перехода — это напряжение обратной полярности и такой величины, когда минимальное его увеличение становится достаточным для резкого возрастания обратного тока (рис. «Вольт-амперная характеристика кремниевого диода» ). Этот эффект объясняется следующим. Электроны, достигающие области пространственного заряда, значительно ускоряются за счет высокой напряженности поля. Таким образом, они могут, в свою очередь, генерировать свободные носители заряда в результате такого воздействия; этот эффект также известен как ударная ионизация. Это приводит к резкому возрастанию тока и вызывает лавинный пробой. Дополнительно к лавинному пробою на основе туннельного эффекта возникает также зенеровский пробой. Пробой может привести к нарушению p-n-перехода и поэтому иногда нежелателен. Тем не менее, во многих случаях пробой бывает полезен. Лавинный и зенеровский пробои возникают только в том случае, когда диод работает в обратном направлении.
При подаче напряжения U в прямом направлении (положительный полюс в p-области, а отрицательный — в n-области) область пространственного заряда уменьшается (рис. d, «р-n-переход в диоде» ). Носители заряда проникают в p-n-переход под действием большого тока в прямом направлении (рис. «Вольт-амперная характеристика кремниевого диода» ), так как область пространственного заряда больше не имеет значительного сопротивления. Эффективно только объемное сопротивление, то есть активное сопротивление легированных слоев. Ток I возрастает экспоненциально как функция U. Однако, следует помнить о «тепловом пробое», так как при этом полупроводник может полностью выйти из строя из-за перегрева. Это может произойти, например, если диод работает в прямом направлении при недопустимо высоком токе.
Автокомпании массово сокращают производство из-за нехватки микросхем
Автомобильная промышленность по всему миру бьет тревогу из-за нехватки полупроводников, так как их все чаще используют в других продуктах, например, смартфонах или ноутбуках. Из-за этого автопроизводители вынуждены сокращать выпуск новых машин — в частности, с проблемой уже столкнулись Volkswagen, Toyota, Honda, Nissan, Ford, Chrysler и другие.
Например, как пишет издание Nikkei Asia, Toyota на своем заводе в американском Техасе сокращает производство пикапов Tundra и пока пытается понять, хватит ли чипов на остальные модели. Nissan сокращает производство модели Note на 5 тысяч экземпляров в январе и думает над продлением сокращений на февраль. Volkswagen урезает выпуск в Китае, Северной Америке и Европе, Honda — в Японии.
General Motors и BMW заявили, что пока не пострадали, но пристально следят за ситуацией.
Полупроводники критически важны для автопрома. Их использование стало еще более распространенным, потому что электромобили и машины на автопилоте становятся более популярными, а при их сборке, по данным KPMG Japan, используют в два раза больше микросхем.
Кроме того, пандемия коронавируса заставила заводы массово сократить выпуск автомобилей. Однако при этом производство смартфонов и ноутбуков продолжалось. Люди стали чаще покупать технику, что привело к еще большему увеличению производимых гаджетов и, как следствие, использованию чипов.
Автомобильные компании сами не выпускают полупроводники, потому что это слишком сложно, — они закупают их у производителей. А у тех сейчас всплеск спроса, который не удается удовлетворить в полном объеме: покупатели сметают с полок ноутбуки, чтобы работать дома и играть, и новые смартфоны, провоцируя производство новых устройств.
Поставки задерживаются, например, от голландско-американской NXP Semiconductors и швейцарской STMicroelectronic — они не успевают произвести достаточное количество микросхем, чтобы хватило всем. В компаниях говорят, что авторынок восстановился после коронакризиса неожиданно быстро, и успеть за ним непросто.
Из-за этого же задерживаются поставки запчастей от немецких Continental и Bosch, которые в своей работе тоже нуждаются в полупроводниках.
Эксперты говорят, что может потребоваться полгода, чтобы наверстать спрос на полупроводники.
Дефицит полупроводников останавливает мировой автопром. Что происходит?
Рост спроса на высокопроизводительные компьютеры в пандемию, когда большинство людей перешли на удаленную работу, спровоцировал дефицит чипов в других отраслях производства. Крупные мировые производители техники и целые отрасли столкнулись с проблемами в поставках — в частности, из-за нехватки полупроводников остановились автомобильные заводы. Разбираемся, как дефицит полупроводников влияет на крупные компании и что будет дальше.
Причины нехватки полупроводников — пандемия и Дональд Трамп
Среди причин глобального сокращения полупроводников называются две основные: последствия пандемии и торговых войн США и Китая, начатых при президенте Дональде Трампе.
Негативно на поставках полупроводников сказалось и торговое противостояние США и Китая. В прошлом году власти Штатов наложили ограничения на крупнейшего китайского производителя чипов Semiconductor Manufacturing International (SMIC). В результате компания осталась без возможности закупать оборудование для производства и продавать полупроводники американским компаниям. Заказчики были вынуждены сотрудничать с его конкурентами — например, Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSMC). Как итог — произошло серьезное перераспределение цепочек поставок чипов.
Многие производители полупроводников сейчас — это так называемые «безфабричные производства» (англ. fabless). Они лишь разрабатывают технологию, а само производство чипов передают на аутсорс.
Но некоторые компании заранее подготовились к возможным сбоям и закупили полупроводники еще до введения жестких санкций против китайского бизнеса. Так поступила Huawei, сделавшая запасы важных для нее радиочипов. Среди автопроизводителей так сделала Toyota, заявившая, что не планирует сокращать производство, так как накопила запасы полупроводников на четыре месяца вперед.
Из-за дефицита чипов больше всего пострадали автопроизводители
Сильнее всего нехватка полупроводников ударила по автопроизводителям, которые используют их для программного обеспечения машин. О приостановках или замедлении в выпуске автомобилей уже заявили GM, Ford, Volkswagen, Honda, Fiat Chrysler, Volvo, Nissan, Mitsubishi, Nio.
Дефицит микросхем задел производителей процессоров для электроники Qualcomm и AMD, поставляющих детали для технологических гигантов, в том числе Sony и Microsoft. Sony заявила, что сложности с поставками полупроводников могут привести к дефициту игровых консолей PlayStation 5. Даже Apple не справляется с нехваткой полупроводников — компания не может полностью закрыть высокий спрос на новые модели iPhone.
Автомобильные производства конкурируют с технологическими компаниями за поставки чипов не напрямую, так как для автомобилей не всегда нужны столь же современные полупроводники, как и для гаджетов. Они покупают чипы, которые как управляют основными процессами в машине, так и используются в более второстепенном ПО.
Особенность цикла цепочек поставок в автопроизводстве — все детали закупаются точно к моменту сборки, запасов на будущее не делается. Но отсутствие даже одного чипа может остановить производственную линейку крупного завода.
По значимости для производителей чипов автомобилестроительные компании на втором месте после технологических, так как создатели гаджетов заключают долгосрочные контракты на поставку. В 2020 году только 3% продаж TSMC приходилось на автомобильные чипы, а на полупроводники для смартфонов — 48%.
Что происходит с автомобильными компаниями из-за дефицита полупроводников
Honda — останавливает шесть заводов в США, Канаде и Мексике.
Hyundai — сократил работу в выходные дни, чтобы скорректировать производство таких брендов, как Kona, Avante, Grandeur и Sonata.
Volvo — сократил производство грузовиков по всему миру.
Nissan — скорректирует производства на заводах в США и Мексике.
Nio — приостановила производство автомобилей на заводе Хэфэй. Компания снизила прогноз по производству на первый квартал до 19,5 тыс. единиц (предыдущий прогноз: 20–20,5 тыс. единиц).
Toyota — приостановила производство в Чехии.
Volkswagen — приостановил производство на заводе в Португалии.
Mitsubishi — сократил производство на внутреннем рынке на 4–5 тыс. единиц в марте и пересматривает производственный план на апрель.
Какие еще факторы влияют на дефицит полупроводников
TSMC — главный бенефициар дефицита полупроводников
Главные производители чипов на данный момент — тайваньская TSMC и южнокорейский Samsung. TSMC контролирует более половины мирового рынка микросхем, изготавливаемых на заказ. Сейчас компания строит новый завод. Предполагается, что полупроводники с нового производства станут на 70% более быстрыми и эффективными, чем прежние. Производство будет запущено в 2022 году.
Производством чипов занимается и Intel, однако американская компания не справляется с этой задачей на 100% и часть работ передает на аутсорс TSMC. По данным Financial Times, Intel уже обговаривает возможное партнерство с TSMC по новому производству в Тайване. Аналитик по производству микросхем в Bernstein Марк Ли считает, что в 2023 году Intel передаст TSMC на аутсорс 20% производства процессоров.
В феврале TSMC объявила о создании дочерней компании в Японии для проведения исследований в области новых полупроводниковых материалов.
По мнению аналитиков, одна из ключевых причин, по которой TSMC настолько эффективна и прибыльна, это концентрация производства в Тайване. По оценкам приближенных к компании людей, производственные затраты в США будут на 8–10% выше, чем в Тайване.
Европейские компании занимаются разработкой полупроводников, но избегают создания собственных производств, а вместо этого передают большую часть работ сторонним компаниям вроде TSMC. Поэтому производство микросхем в Европе на несколько поколений отстает от лидеров отрасли, таких как TSMC и Samsung. Остальные мелкие производители серьезно уступают лидерам в технологиях и производственных мощностях.
Проблема с нехваткой полупроводников начинает набирать все большие обороты: правительства и компании уже высказывают обеспокоенность тем, что дефицит микросхем может замедлить восстановление экономики после пандемии.
Samsung предупреждает, что сбои с поставками чипов могут распространиться и на более широкий технологический сектор.
В исследовательской компании TrendForce считают, что общеотраслевые усилия по ускорению производства автомобильных микросхем могут привести к замедлению поставок полупроводников для бытовой электроники и промышленных приложений.
Больше новостей об инвестициях вы найдете в нашем аккаунте в Instagram