(בעקבות חלק א': עיצוב מעגל משולב)

ארבע, על ייצור מעגלים משולבים

(I) ההערכות הבסיסיות של Citigroup לגבי תעשיית ייצור ה-IC

מוצרי מוליכים למחצה מניעים כמעט כל מגזר במשק, כולל אנרגיה, שירותי בריאות, חקלאות, מוצרי צריכה אלקטרוניים, ייצור ותחבורה. הביקוש הגלובלי לשימוש קצה עבור מוליכים למחצה ב-2019 הוא: טלפונים ניידים (26%), תשתית מידע ותקשורת (כולל מרכזי נתונים, רשתות תקשורת) (24%); מחשבים (19%), תעשייה (12%), רכב (10%) ואלקטרוניקה צריכה (10%).

מבין היישומים המגוונים הללו, כ-9% תומכים ישירות ביישומי ביטחון לאומי ותשתית קריטית. שימושי הקצה העיקריים של מוצרי מוליכים למחצה כוללים תעופה וחלל, רשתות תקשורת, אנרגיה ושירותים, שירותי בריאות ושירותים פיננסיים. ושימושים ממשלתיים אחרים מהווים קצת יותר מ-1 אחוז מצריכת המוליכים למחצה העולמית.

חלקו של ארה"ב בייצור המוליכים למחצה העולמי ירד מ-37% ב-1990 ל-12% כיום, והוא צפוי לרדת עוד יותר ללא אסטרטגיה מקיפה בארה"ב לתמיכה בתעשייה.

כושר הייצור בארה"ב אינו מספק: כושר הייצור בארה"ב ירד כבר עשרות שנים. העשור הראשון של המאה הזו היה הרסני במיוחד עבור הייצור בארה"ב, כאשר שליש ממשרות הייצור אבדו בין השנים 2000 ל-2010. ארגונים קטנים ובינוניים (SMES) נפגעו קשה במיוחד. חלק מהירידה ניתן לייחס לתחרות מצד מדינות בעלות שכר נמוך. כלכלנים מעריכים כי ניתן לייחס כ-25% מאובדן מקומות עבודה לעלייתה של סין, במיוחד לאחר הצטרפותה של המדינה לארגון הסחר העולמי. אבל גם ארה"ב ראתה את צמיחת הפריון המקומי עומדת על קיפאון בהשוואה לעמיתותיה הכלכליות, למשל, בפיגור אחרי גרמניה בממוצע וברוב התעשיות. כיום, עסקים קטנים בארצות הברית הם בדרך כלל פחות פרודוקטיביים מיצרנים גדולים. בניגוד לדעה הרווחת כי בינה מלאכותית ורובוטיקה נמצאים ממש מעבר לפינה, יצרנים אמריקאים של עסקים קטנים ובינוניים אינם משקיעים פחות בטכנולוגיות חדשות לשיפור הפרודוקטיביות. אובדן כושר הייצור מוביל לאובדן כושר החדשנות. יכולת ייצור היא הבסיס לחדשנות המוצר. ברגע שכושר החדשנות אובד, קשה לבנות מחדש. כאשר קיבולת המעגלים המשולבים עברה מעבר לים בעשורים האחרונים, מחקר ופיתוח ושרשרת האספקה ​​התעשייתית הרחבה יותר באו בעקבותיו.

(2) שרשרת אספקה ​​של מוצרי מוליכים למחצה

מעיצוב ועד אריזה ועד לשילוב במוצרים האלקטרוניים הסופיים שנרכשו על ידי הלקוחות, הרשת התעשייתית מורכבת ביותר ומפוזרת גיאוגרפית. תהליך ייצור מוליכים למחצה טיפוסי כולל מספר מדינות ומוצרים עשויים לחצות גבולות בינלאומיים 70 פעמים בשל ההתמחות של המשרד בקישורים ספציפיים. כל התהליך אורך עד 100 ימים, מתוכם 12 ימים מועברים בין חוליות שרשרת האספקה. להלן ייצוג פשוט של שרשרת האספקה.

הגודל הקטן והמשקל הקל של מוצרי מוליכים למחצה הם גורמים חשובים להשגת שרשרת אספקה ​​חוצה גיאוגרפית מורכבת כל כך. עלות משלוח מוצרי מוליכים למחצה נמוכה בהשוואה לערכם. עם זאת, המשמעות היא גם ששיבושים בנתיבי התחבורה עלולים להוות סיכון לשרשרת האספקה. יש להשתמש בצורות שונות של תחבורה (למשל אוויר, ים, משאית) בשרשרת, בהתאם לשלב ולמרחק שיש לנסוע, כמו גם לאופי המוצר. במקרים מסוימים, ההובלה דורשת גם טיפול מיוחד, כגון טיפול בגזים ובכימיקלים מסוכנים ובעלי טוהר גבוה המשמשים בייצור, או הגנה על ציוד אלקטרוני רגיש מפני נזק.

ייצור מוליכים למחצה: מבנה תעשייתי

למפעלים המעבדים פרוסות ומייצרים מעגלים משולבים יש שני מודלים עסקיים בסיסיים. הראשון הוא חברת מוליכים למחצה משולבת אנכית או ארגון IDM. הם מבצעים את כל השלבים של תהליך התכנון והייצור של מוצר מוליכים למחצה בבית, מהתכנון ועד לבדיקה הסופית. חברות IDM מהוות כשני שלישים מקיבולת המוליכים למחצה העולמית. למרות שאינטל, חברת ה-IDM המובילה בארצות הברית, מייצרת בעיקר התקני לוגיקה, רוב חברות ה-IDM האחרות מייצרות בעיקר שבבי זיכרון כמו DRAM, מכשירים דיסקרטיים ומעגלים משולבים אנלוגיים. בנוסף לאינטל, ארה"ב היא ביתם של כמה מחברות ה-IDM המובילות בעולם, לרבות Analog Devices, Maxim Integrated Products, MicrochipTechnology, micron, על מוליכים למחצה ומכשירי טקסס. ראוי לציין שבעוד שהחברות הללו ממוקמות בארצות הברית, הן עושות את ייצור המוצרים הסופי שלהן במפעלים ברחבי העולם. בנוסף לארה"ב, למשל, יש לאינטל מפעלים לעיבוד פרוסות בישראל, באירלנד ובסין. ולסמסונג, שבסיסה בדרום קוריאה, ולחברות זרות אחרות (לא אמריקאיות) יש מפעלי שבבים בארצות הברית בנוסף למפעלי שבבים (לא אמריקאים). לפי דו"ח SIA, 44% מהקיבולת של חברות מוליכים למחצה בארה"ב ממוקמת בארצות הברית. בסך הכל, ארגוני IDM בארה"ב היוו 51% מסך ההכנסות התפעוליות של יצרני IDM גלובליים בשנת 2020. ארצות הברית חזקה במיוחד במעגלים משולבים לוגיים דיגיטליים ומעגלים משולבים אנלוגיים.

ישנם עוד מוצרי מוליכים למחצה אמריקאיים יותר ארגונים מובילים (לדוגמה, AMD, nvidia, broadcom ו-Qualcomm ורוח המשחק) הוא המודל העסקי "no fabs semiconductors" המודל העסקי, החברה תתכנן נתונים כדי לספק חברה עצמאית המתמחה בייצור יציקה מוליכים למחצה, על ידי מפעלי היציקה לייצור ועיבוד מוצרי שבבים. מפעלי יציקה של צד שלישי אלה מסווגים כ"יציקות מוליכים למחצה טהורים" מכיוון שהם אינם מתכננים או מוכרים אף אחד ממוצרי השבבים שלהם, אלא פועלים כיצרני חוזים עבור חברות מוליכים למחצה חסרות אגדות (מפעלי יציקה אלה מספקים לפעמים קיבולת נוספת או מייצרות שבבים מסוימים עבור IDM ספקים). חברות IDM מסוימות, בעיקר סמסונג, מספקות גם שירותי עיבוד לחברות מוליכים למחצה נטולות אגדות.

ככל שהטכנולוגיה מתקדמת ועלות הבנייה והתחזוקה של מתקני ייצור חדישים של מוליכים למחצה מזנקת, מודל העסקים של "מפעלים ללא ייצור" + "בית יציקה" הופך נפוץ יותר ויותר. התקדמות מתמשכת בטכנולוגיית ייצור השבבים דורשת ציוד ייצור חדש לחלוטין ויקר יותר ויותר. מפעלים חדישים (בצמתי תהליך של 5 ננומטר) עולים לפחות 12 מיליארד דולר. מכונת ליתוגרפיה אחת בקרינה אולטרה סגולה קיצונית (EUV), הנדרשת ב-5 ננומטר ומטה ולעתים קרובות משמשת ב-7 ננומטר, יכולה לעלות עד 150 מיליון דולר. בנוסף למכונות פוטוליתוגרפיה, מפעלים דורשים סוגים רבים אחרים של ציוד. ההערכה היא שההשקעה הנדרשת עבור הדור הבא של מפעלים, שיפעלו על צמתי 3 ננומטר, עשויה לעלות על 20 מיליארד דולר. בנוסף, לאחר הקמת מפעלים חדשים, עלויות התפעול יהיו גבוהות מאוד וידרשו השקעות הון מתמשכות ויקרות; יש צורך גם לשמור על הטכנולוגיה המתקדמת הנדרשת על ידי מתכנני תהליכים כדי להמשיך לפעול בצמתי הייצור המתקדמים ביותר. בתי יציקה טהורים נהנים מיתרונות גודל המאפשרים להם לספוג ולספוג את העלויות העצומות של מפעלי מוליכים למחצה עם ניצול קיבולת גבוה ויעיל. בתי יציקה טהורים מהווים כשליש מקיבולת השבבים העולמית, על פי SIA. ביניהם, ייצור שבבי לוגיקה היווה כמעט 80%. חברת טייוואן לייצור מוליכים למחצה (TSMC), בית היציקה הראשון בעולם של פרוסות ופלים טהורות, נוסדה בשנת 1987 ושולטת בשוק בתי היציקה כיום.

שוק הייצור החוזי נשלט על ידי חברות טייוואניות, כאשר TSMC לבדה מהווה 53% מהשוק. בסך הכל, חברות יציקה טייוואניות מהוות 63% משוק היציקה העולמי. דרום קוריאה מהווה 18% וסין 6%. ל-GlobalFoundries, חברת יציקה שבסיסה בארה"ב, בבעלות אבו דאבי, נתח של 7%, המהווה יותר ממחצית מ-13% הנותרים של שוק היציקה.

כפי שצוין לעיל, למרות שלארה"ב נתח שוק גדול בשבבים המיוצרים על ידי מפעלי IDM, היא מהווה רק כ-10% מהכנסות היציקה העולמיות. בתי יציקה אסייתיים מהווים כ-80% מהסך הכל. טייוואן לבדה מהווה 63% מייצור החוזה העולמי. משמעות הדבר היא שבעוד שארה"ב מובילה בתכנון מוליכים למחצה, חברות ה-Fabless המקומיות שלה מסתמכות במידה רבה על יצרני חוזים זרים, בעיקר באסיה, כדי לייצר את מוצריהן. למרות שמודל עסקי-סוכן זה מתאים למוצרי מעגלים משולבים עבור יישומים מסחריים בנפח גבוה, יישומים קשורים רבים הם במנות קטנות, מה שהופך את אימוץ טכנולוגיות ייצור מוליכים למחצה מתקדמות עבור יישומים ללא ודאית ומאתגרת.

עבור ארצות הברית, הרוב המכריע של ייצור המוליכים למחצה (הן במודלים של IDM והן במודלים של יציקה) מתבצע בחו"ל: טייוואן, דרום קוריאה, יפן, סין וארצות הברית. כ-12% מכושר ייצור המוליכים למחצה העולמי ממוקם בארצות הברית, ירידה מ-37% בשנות ה-1990. בשנת 2019, טייוואן היוותה כ-20% מהכושר המותקן העולמי, ואחריה דרום קוריאה עם 19%. יפן היוותה 17%, סין 16% ואירופה 9%. 6% הנותרים של הקיבולת ממוקמים בסינגפור, ישראל וחלקים אחרים של העולם.

מתוך 40 מתקני הייצור העיקריים של מוליכים למחצה הממוקמים בארצות הברית, מחצית (20) משתמשים בפרוסות בגודל 300 מ"מ (12 אינץ'); ייצור אחר משתמש בפרוסות של 200 מ"מ (8 אינץ') או פחות. בין 2009 ל-2018, יותר מ-100 מפעלי ייצור פרוסות 150-200 מ"מ נסגרו ברחבי העולם, עם 70% מהסגירות בארה"ב וביפן. לפי IC Insights, לא פחות מ-68 מפעלי ייצור פרוסות הם בני עשרות שנים, מעבר לתוחלת החיים הסבירה שלהם. מפעלים סגורים מוחלפים בחלקם במתקנים חדשים שהם חסכוניים יותר או משודרגים יותר; יש גם כמה מותגים יקרים מדי לתפעול, וחברות פונות לדגמים עסקיים או דגמים עסקיים.

מקומית, שש חברות מפעילות 20 300 מ"מ פאב בשמונה מדינות, כמפורט בטבלה שלהלן. בנוסף לסקורפיוס, חמש חברות נוספות מפעילות גם מפעלי פרוסות מחוץ לארה"ב.

כפי שצוין לעיל, לאינטל יש פעילות ייצור מוליכים למחצה בישראל, אירלנד וסין. בנוסף למפעלים שלה בארצות הברית, מיקרון מפעילה מפעלים בסינגפור, יפן וטייוואן. לטקסס אינסטרומנטס יש ייצור פרוסות סיליקון בסין, מלזיה, טייוואן והפיליפינים, כמו גם בטקסס. GlobalFoundries היא חברת ייצור הפרוסות הסיניות המובילה בארה"ב, בבעלות האמירות אבו דאבי באמצעות קרן ההשקעות הריבונית Mubadala, ויש לה מתקני ייצור פרוסות סיליקון בגרמניה ובסינגפור. בשנת 2019, החברה ביטלה את תוכניותיה לפתוח מפעל בצ'נגדו, סין.

בעוד יכולת ייצור השבבים בארה"ב יציבה יחסית, הקיבולת והייצור מחוץ לארה"ב גדלים, במיוחד באסיה. כתוצאה מכך, SIA צופה כי חלקה של ארה"ב בקיבולת המוליכים למחצה יירד ל-10% עד 2030, בעוד חלקה של אסיה יגדל ל-83%. בשנת 2019, אף אחד מששת מתקני ייצור המוליכים למחצה החדשים שנפתחו בעולם לא היה בארצות הברית, אלא ארבעה היו בסין.

כפי שנדון בסעיף "עיצוב" של דוח זה, שלושה סוגים עיקריים של שבבים מכוסים: זיכרון, לוגיקה או דיגיטלית, ואנלוגי. כפי שמראה התרשים שלהלן, חלקים שונים בעולם מתמחים בתחומים שונים. לדוגמה, רק 5% משבבי הזיכרון מיוצרים בארצות הברית, לעומת 44% בדרום קוריאה ו-14% בסין. בזיכרון, סין התמקדה בהרחבה המהירה של Changjiang Storage, והקצתה לחברה סובסידיות של 24 מיליארד דולר (עבור המפעל שלה בווהאן בלבד). הרחבת המוצרים והמחירים הנמוכים שלה מהווים איום ישיר על יצרניות שבבי הזיכרון של MICron ו-Western Digital, בארה"ב.

בשבבים לוגיים או דיגיטליים (כגון מחשבים ומיקרו-מעבדים של טלפונים ניידים), ארה"ב אינה מייצרת צמתי תהליך מתקדמים (פחות מ-10 ננומטר), בעוד שלטייוואן יש 92 אחוזים. בטכנולוגיית נעילת לוגיקה אחרת, ארצות הברית מובילה מאוד: 43% משבבי הלוגיקה המתקדמים ביותר (10-22 ננומטר), ו-6% עד 9% מהדור הקודם (28 ננומטר ובערך).ove) שבבי לוגיקה מיוצרים בארצות הברית; טייוואן מייצרת 47 אחוזים משבבי לוגיקה כאלה, בעוד שסין מייצרת כ-19 עד 23 אחוזים משבבי לוגיקה. לבסוף, עבור פלח הרכיבים האנלוגיים/הדיסקרטים, 19% מיוצרים בארצות הברית, 17% בסין וכ-27% בקוריאה.

(iv) סקירה של ייצור מעגלים משולבים

לארצות הברית אין כושר ייצור ברמה הטכנולוגית המתקדמת ביותר:

לארה"ב חסרה כושר ייצור מוליכים למחצה עבור צמתי תהליך המוליכים למחצה המתקדמים ביותר (כיום 5 ננומטר), המופעלים כיום רק על ידי TSMC (טייוואן) וסמסונג (דרום קוריאה). ה-FAB המתקדם ביותר בארצות הברית הוא קו התהליך של 10 ננומטר המופעל על ידי אינטל, אשר לא צפוי להיכנס לייצור מלא של 7 ננומטר עד 2023, והודיע ​​בינואר 2021 כי ישתמש ב-7 ננומטר ה"משופר" של TSMC או מתחת לקו הייצור עבור מוצרי מעגל ההיגיון העדכניים ביותר שלה. כתוצאה מכך, חברות השבבים האמריקניות מסתמכות כעת כמעט לחלוטין על יצרנים אסייתים, במיוחד TSMC, כדי לייצר את השבבים המתקדמים ביותר (7 ננומטר ומטה). בנוסף לסיכוני שרשרת האספקה ​​הנגרמים על ידי ייצור מרוכז גיאוגרפית, היעדר יכולות טכנולוגיות מקומיות חדישות מעורר חששות בטחוניים לאומיים, שכן יישומים מסוימים דורשים גישה מאובטחת לטכנולוגיית תהליכים חדישה כדי להבטיח עליונות טכנולוגית.

ההכנסה ממכירת מוצרי שבבים תלויה בסין:

גם יצרניות השבבים האמריקאיות מסתמכות במידה רבה על מכירות לסין בגלל הדומיננטיות שלה בייצור אלקטרוניקה. סין היא השוק הגדול ביותר של מוליכים למחצה, שרובם מיוצאים מחדש כשהם מורכבים לאלקטרוניקה מסוף, כולל מוצרי אלקטרוניקה ומכשירי חשמל. לדוגמה, ספקית שבבי הטלפונים הסלולריים קוואלקום קיבלה שני שלישים מהכנסותיה מסין, בעוד שיצרנית הזיכרון מיקרון קיבלה 57% מהכנסותיה מסין, על פי נתוני 2018 של האקונומיסט. אינטל דיווחה ב-2020 כי סין אחראית ל-26% מהכנסותיה. הסתמכות רבה על מכירות סיניות מספקת לממשלת סין מינוף כלכלי ופוטנציאל לנקום בארצות הברית.

הרצון של סין להוביל את תעשיית המוליכים למחצה:

חלקה של סין בתעשיית המוליכים למחצה העולמית קטן יחסית, והחברות שלה מייצרות בעיקר שבבים נמוכים. SMIC, מפעלי היציקה הטהורים המתקדמות ביותר בסין, יכולה לייצר רק בצמתים של 14 ננומטר ויש לה קיבולת מוגבלת. עם זאת, סין נמצאת בעיצומו של מאמץ גדול בראשות המדינה לפיתוח תעשיית ה-IDM המשולבת הילידים שלה, במטרה להפוך את התעשייה למובילה בכל התחומים עד 2030. חלקה של סין בקיבולת פרוסות המוליכים למחצה עמד על 16% ב-2019, אך הוא צפוי לגדול ל-28% עד 2030. ממשלת סין מספקת סובסידיות של 100 מיליארד דולר לתעשיית המוליכים למחצה שלה, כולל פיתוח של 60 מפעלי ייצור חדשים. כפי שנדון בחלק ה"עיצובי" של שרשרת האספקה, סין סבסדה באגרסיביות את יצרניות שבבי הזיכרון שלה כדי לשבור את התלות שלה בשלוש חברות הזיכרון הגדולות בעולם: סמסונג (דרום קוריאה), SK Hynix (דרום קוריאה) ומיקרון (ארה"ב). ). מיקרון, חברת זיכרון אמריקאית, היא מתחרה ישירה של אחסון Changjiang וככל הנראה תהיה החברה האמריקאית הראשונה שרואה את התחרותיות והחדשנות העתידית שלה מאוימים על ידי סובסידיות סיניות למתחרותיה.

כתב ויתור: מאמר זה נדפס מחדש מתוך "שיחת המסעדה של מר וואנג", מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר, אינו מייצג את דעותיהם של Sakwei והתעשייה, רק כדי להדפיס מחדש ולשתף, לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני, להדפיס מחדש נא לציין את המקור והמחבר המקורי, אם יש הפרה, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק.