Кто есть кто на мировом рынке микроэлектроники
Типичная новость про электронику начала 2020 года: "Intel, вероятно, не будет размещать заказ на производство у TSMC, но рассматривает возможность сотрудничества с GlobalFoundries". Кто такие Intel — всем понятно, но что за GlobalFoundries и TSMC? Когда деревья были большими, каждая микроэлектронная компания самостоятельно производила свои микросхемы, а то и технику на их основе, как какая-нибудь Toshiba или IBM. С тех пор утекло много воды, производство подорожало, сложность приборов возросла, и в создании такого приземленного и распространенного девайса, как айфон, участвует несколько десятков высокотехнологичных компаний с трех континентов. Размеры мирового рынка полупроводниковых микросхем и приборов оцениваются больше, чем в 400 миллиардов долларов, но не все гиганты этого рынка имеют дело с конечными пользователями и часто появляются в новостях. Зато когда появляются — могут сбить с толку. Автор описал в своем блоге на Хабр, кто есть кто. Українські Новини частично публикуют этот материал.
Рынок
Начнем собственно с рынка, на котором полупроводниковые компании пытаются зарабатывать. Его годовой объем по состоянию на 2019 год оценивается 400-500 миллиардов долларов годовой выручки. Такой большой разброс вызван тем, что из-за американо-китайской торговой войны вместо ожидавшегося роста произошло падение, так что, с одной стороны, к фактическому состоянию ближе нижняя оценка, зато верхняя показывает, куда рынок может попасть прямо сейчас, если геополитическая ситуация успокоится. Для сравнения, мировой рынок конечных устройств на основе электроники — более полутора триллионов долларов, в том числе смартфоны перевалили в 2018 за 480 миллиардов. Если сравнивать с не (совсем) электронным рынком, то автопроизводители всего мира получают 450 миллиардов за один квартал.
Разделение на сегменты на этом рисунке весьма расплывчатое, но будем считать, что общее представление оно даёт. В computer наверняка включены серверы, а communications — это в основном смартфоны. Отдельно хочу отметить 1% госзаказа и 12% автомобильной индустрии. Эти 12% важны тем, что в отличие от более-менее устоявшихся и понятных остальных рынков, количество электроники в автомобилях стремительно растет — это и системы помощи водителю, и электропривод, и просто дисплеи вместо стрелочных приборов на панели.
Самые большие
Что мы видим здесь? С Intel, Samsung, Toshiba и Nvidia более-менее все ясно, эти компании постоянно на слуху. SK Hynix (бывшее полупроводниковое подразделение Hyundai) и Micron специализируются на производстве памяти. TSMC — крупнейший в мире контрактный производитель микросхем (об этом чуть позже). Broadcom и Qualcomm — лидеры в коммуникационных чипах, а Texas Instruments — в аналоговых микросхемах. Стоит заметить, что эти десять компаний — это две трети всего рынка, и все остальные в основном собирают то, до чего у гигантов не дошли руки. Впрочем, оставшаяся треть рынка все ещё огромна, и на ней работает множество отлично себя чувствующих больших и маленьких компаний, многие из которых делают уникальные, хоть и нишевые решения.
Важным дополнением к таблице будет то, что в ней указана только выручка от продаж микросхем. Например, общая выручка Toshiba примерно в три раза больше, чем у их полупроводникового подразделения. Общая годовая выручка Samsung — больше двухсот миллиардов долларов. В качестве ориентиров для сравнения можно использовать Apple (около 260, из которых собственная разработка чипов соответствует примерно 7 миллиардам), Microsoft (125), “Газпром” (120).
Еще одно — три компании из списка (Broadcom, Qualcomm, Nvidia) вообще не имеют собственного производства микросхем. По забавному совпадению, все трое, будучи грандами так называемой fabless-модели, аутсорсят производство своих чипов на тайваньской фабрике TSMC (хотя и не только на ней). Так же поступают и многие компании, имеющие какое-то собственное производство, но размещающие на фаундри заказы по самым маленьким и, соответственно, самым дорогим проектным нормам.
На этих двух рисунках вы можете посмотреть, как продвинулась интеграция в коммерческой электронике за десять лет. Вместо большого набора мелких микросхем и дискретных пассивных компонентов все, что можно, теперь упаковывается в сложнофункциональные системы на кристалле — ради уменьшения площади и объема платы, сокращения потребления энергии и удешевления производства. Заодно можно наблюдать, как Apple нарастила за десять лет собственную разработку чипов. А еще со времени выхода изображенного iphone XS яблочники купили команды, делавшие большую часть чипов, помеченных на рисунках как продукция Intel (модемы, основные конкуренты Qualcomm) и Dialog (чипы управления питанием). Но даже с учетом этого, можно видеть, что банальный сотовый телефон — продукт кооперации десятка микроэлектронных компаний и еще кто знает скольких фирм, являющихся их поставщиками и субподрядчиками.
Производство
Как вы могли заметить, в топе таблицы 1 компании из четырех стран: США, Японии, Кореи и Тайваня. Означает ли это, что все мировое производство микросхем сосредоточено в этих странах? И да, и нет. Про то, что минимум три компании из десятки производят свои чипы на Тайване, я уже сказал. Заводы Intel, кроме США, есть еще в Израиле и Ирландии, а заводы американской Micron — еще на Тайване, в Сингапуре и в Японии. В целом картина мирового производства выглядит вот так:
Как видите, Тайвань, Корея и Япония дают больше половины мирового производства, а если к ним добавить еще Китай и занимающие большую часть “остального мира” Сингапур и Малайзию, то Юго-Восточная Азия займет три четверти мирового производства. Обратите внимание, что на этом рисунке показаны не деньги, а количество пластин. При этом пластины, произведенные по более тонким проектным нормам, дороже и прибыли обычно приносят больше. Если учесть проектные нормы, то картинка получается еще более интересная.
Что мы видим на этом рисунке? Первое — половина мирового производства делается по нормам 28 нм и выше (и эта половина по объему даёт больше двух третей денег). Второе — самые тонкие нормы непропорционально развиты в Японии и Корее (это следствие размещения там специализированных фабрик для памяти), тогда как нормы в основном контрактного тайваньского производства распределены более равномерно. Третье — отсутствие Индии. Парадоксально, но факт — в Индии до сих пор нет вообще никакого полупроводникового производства, и в целом микроэлектроника в ней до недавних пор была крайне отсталой. Впрочем, в последние годы знаменитые индийские программисты-аутсорсеры осваивают и дизайн микросхем тоже, и разработка в Индии растет как на дрожжах за счет отличного сочетания качества и стоимости рабочей силы. И четвертое — среди регионов, где производство микросхем все же есть, Европа в явных отстающих. В Старом свете, собственно, есть только четыре 300 мм фабрики: завод Intel в Ирландии, завод STM во французском Кролле, завод GlobalFoundries в Дрездене (это та самая фабрика AMD, старое оборудование которой купил многострадальный “Ангстрем-Т”) и завод Infineon тоже в Дрездене. Еще одну фабрику STM буквально на днях начали строить в окрестностях Милана, и на этом все.
Впрочем, старые проектные нормы — это тоже многомиллиардный рынок, и при умелом использовании такие фабрики могут приносить значительные прибыли. Устаревающее оборудование перепрофилируют на производство силовой электроники, МЭМС, светодиодов, а то и дискретных компонентов. Свежий писк моды в оборудовании, предназначенном для работы с пластинами 100 и 150 мм — переход на карбид кремния, крайне востребованный в быстрорастущей силовой электронике. Так, например, поступили STM со своей фабрикой в сицилийской Катании, и она теперь вместо прозябания основной поставщик силовых транзисторов для Tesla model 3. Фабрики с пластинами 200 мм тоже уже вовсю осваивают кремниевые дискретные элементы — и тот же карбид будет для них следующим шагом.
Обратите внимание, что общий объем производства почти не упал, несмотря на очевидное устаревание проектных норм (200 мм — это 130 нм и больше). «Очевидность» устаревания хорошо видна на изменении доли памяти в общем объеме производства: для нее нет причин оставаться на более толстых нормах, если доступны тонкие.
Оборудование
Одна из главных проблем микроэлектронного производства — его стремительное удорожание с каждым новым шагом проектных норм. Современные фабрики стоят миллиарды, а то и десятки миллиардов долларов, а цены на технологические установки исчисляются десятками миллионов за штуку. Общий годовой объем рынка производственного оборудования — порядка 50 миллиардов долларов.
В производстве оборудования по большому счету есть только США и Япония. Выпадает из общей картины только голландская компания ASML, которая занимается относительно узкой сферой — литографией — но имеет в ней больше 80% мирового рынка (за остатки бьются Canon и Nikon). Более того, на передовых проектных нормах ASML — монополист, что, на мой вкус, весьма удивительно и что время от времени приводит к интересным последствиям. Например, совсем недавно китайская программа обновления микроэлектроники уперлась в то, что голландское правительство по просьбе американского запретило ASML поставку в Китай новейших литографических степперов. Вообще для этих целей есть ограничения ITAR, но к удивлению американцев, в продукции ASML оказалось меньше нужных 25% американских технологий, и вместо привычного хозяйского запрета пришлось идти на поклон к голландцам.
Foundry
Как я уже сказал выше, когда производственное оборудование было дешевым, все микроэлектронные компании сами разрабатывали и производили свои микросхемы, а многие производители электронной техники имели свое производство микросхем для внутренних нужд. Но уже в семидесятых порог входа начал расти, и перспективным гаражным стартапам стало очень трудно попадать на рынок. Для решения этой проблемы в южнокалифорнийском университете ISI была создана компания MOSIS, собиравшая со всех желающих маленькие заказы и размещавшая их группами на фабриках больших компаний, недозагруженных собственным производством. Хотя опыт оказался удачным и немало способствовал развитию микроэлектроники, в том числе первым опытам с RISC-архитектурами, сторонние клиенты всегда имели у фабрик более низкий приоритет, чем внутренние, что не очень помогало ведению бизнеса.
Коренной перелом в индустрии наступил благодаря тайваньскому инженеру по имени Моррис Чанг. Родившийся в 1931 году в континентальном Китае, в 1948 году он уехал из самого пекла гражданской войны учиться в США, где сделал успешную карьеру, пиком которой были должности вице-президента Texas Instruments и CEO General Instrument. В 1985 году, когда Чанг уже было собрался на пенсию, советник президента Тайваня и бывший премьер-министр Сунь Юньсюань (которого называют архитектором превращения страны в мощную промышленную державу) пригласил его на должность директора НИИ Индустриальной технологии (Industrial Technology Research Institute, ITRI). Так Чанг вернулся на родину и получил возможность воплотить в жизнь свою давнюю идею — создать фабрику, которая не будет ничего разрабатывать и продавать сама, а сконцентрируется исключительно на развитии технологии для нужд сторонних заказчиков. Эта фабрика была основана в 1987 году под названием Taiwan Semiconductor Manufacturing Company или TSMC.
Бизнес-модель TSMC оказалась крайне удачной и позволила превратить fabless-модель в огромную стабильную отрасль мировой экономики, дать небольшим компаниям со всего мира доступ к передовым технологиям, а Тайвань сделать одной из важнейших мировых экономик. Разумеется, у TSMC оказалось множество последователей, но именно эта фабрика так и осталась наиболее успешной, имея чуть больше половины всего мирового контрактного производства микросхем и активно развивая самые передовые проектные нормы. Клиенты TSMC варьируются от гигантов типа Apple и AMD до совсем небольших компаний по всему миру.
Как видите, для того, чтобы хорошо зарабатывать, не обязательно иметь самую современную технологию — хотя что-то хорошее иметь все же стоит. Хорошее, правда, не обязательно означает проектные нормы. Например, GlobalFoundries, отказавшись от борьбы с трио TSMC-Samsung-Intel в освоении норм 7 нм, необходимых для процессоров потребительского сегмента, сделала ставку на перспективные для интернета вещей и СВЧ процессы 12-28 нм FDSOI, а целый ряд оставшихся сразу за бортом десятки фабрик предлагает интеграцию на одном кристалле логики и высоковольтных силовых транзисторов, элементы для СВЧ-схем и другие “фишки”, востребованные в специализированных индустриальных и автомобильных чипах.
Fabless
Из всех компаний, упомянутых в статье, участники этой таблицы наиболее понятны обычному человеку. Qualcomm Snapdragon — это де-факто стандарт процессоров для мобильников на Android; Broadcom — разнообразное сетевое оборудование (и чип в Raspberry Pi), Mediatek и HiSilicon — тоже известны как производители комплектующих для телефонов, с яблочниками и AMD все ясно и без меня. Xilinx чуть сложнее, но про них в курсе все, кто когда-то слышал термин “ПЛИС”, а Marvell и Novatek уже такие маленькие, что про них нужно знать только специалистам и биржевым игрокам.
Но как среди компаний без собственных фабрик оказалась такая старая и уважаемая фирма, как AMD? Ответ на этот вопрос довольно прост: в 2009 году, сразу после разрушительного финансового кризиса, AMD в рамках кампании по оздоровлению бизнеса выделила свое производство в отдельную фирму, названную GlobalFoundries, и продала ее инвесторам из Объединенных Арабских Эмиратов, став для новой компании якорным клиентом (по факту просто оставив все как было, но сняв с себя инфраструктурные расходы). После этого те же инвесторы купили и присоединили к GloFo крупную сингапурскую фабрику Chartered Semiconductor (тоже сотрудничавшую с AMD) и полупроводниковое подразделение IBM (включающее в числе прочего, допущенные к американской оборонке заводы в окрестностях Нью-Йорка). Получившийся конгломерат стал второй по размеру контрактной фабрикой в мире (впрочем, в пять раз меньшей, чем TSMC) с заводами в США, Германии, Сингапуре. Забавный факт: GloFo — крупнейший частный работодатель американского штата Вермонт.
Последовавшая гонка вооружений с лидерами — TSMC и Samsung — закончилась для GloFo не очень здорово, потерей крупнейшего клиента (AMD) в результате неспособности запустить нормы 7 нм. Впрочем, этот шок стал для компании благотворным и позволил запустить процесс избавления от неудобных активов и переориентацию (хоть и вынужденную) на другие рынки, в результате чего финансовое положение GloFo значительно улучшилось. Частично вернулась AMD (для I/O чипов, которым подходят нормы 14 нм), появились заказы в сферах интернета вещей и 5G. В последние недели также ходят слухи, что у фабрики есть перспектива получить вкусный контракт от Intel, которому не хватает собственных мощностей по нормам 14 нм. Если сделка состоится, и бывшие заводы AMD будут производить чипы “синих”, получится довольно иронично.
Если не кремний, то кто?
Несмотря на огромные деньги, вкладываемые в развитие альтернатив кремнию, очевидно упершемуся уже даже не в экономический и технологический, а в физический потолок, ничего существенного в ближайшие годы ожидать не приходится. Кандидаты, кажущиеся “материалом будущего”, приходят и уходят (арсенид галлия, углеродные нанотрубки, графен и так далее и тому подобное), а кремниевые МОП-транзисторы никуда не деваются. Впрочем, существует достаточно много рыночных ниш, в которых другие материалы успешно составляют кремнию конкуренцию, а то и вовсе вытесняют его. Эти ниши, с одной стороны, составляют в лучшем случае единицы процентов от всего рынка, а с другой стороны, мы говорим о миллиардах долларов.
Почти в миллиард долларов оценивается рынок излучателей для полупроводниковых лазеров, представляющих собой сложные гетероструктуры из GaAs, AlGaAs, InGaAs и так далее и тому подобное. Кстати, за открытие этих гетероструктур получил нобелевскую премию по физике Жорес Алферов. Или например, светодиоды, тоже изготавливаемые из гетероструктур на основе материалов A3B5, стремительно проникающие в наш быт; пока что рынок светодиодов составляет единицы миллиардов, а вот мировой рынок диодных осветительных приборов уже перевалил за пятьдесят, и ожидается, что он продолжит расти по крайней мере до тех пор, пока совсем не исчезнут лампы накаливания.
Другая интересная история — рынок мощных высоковольтных приборов, на котором кремниевые МОП-транзисторы и IGBT начали стремительно уступать МОП-транзисторам на основе карбида кремния (SiC) и транзисторам с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе нитрида галлия (GaN). И те, и другие новички за счет лучших свойств материала позволяют добиться лучших параметров, чем кремний может обеспечить даже теоретически. Те же самые новые приборы отбирают часть рынка СВЧ у GaAs — благодаря, например, лучшему температурному диапазону. Основные рынки, на которых внедряются новинки — это электромобили, базовые станции сетей 5G и, например, зарядные устройств для мобильных телефонов.
А еще в новостях регулярно пишут о том, что какие-нибудь ученые добились прорыва в использовании нового полупроводника. Все эти сообщения, разумеется, надо делить на десять, но даже с учетом этого множество новых интересных материалов действительно на подходе: оксид галлия (Ga2O3), алмаз, новые варианты соединений A3B5 и A2B6, перовскиты — это только то, что я видел в новостях за последнюю пару месяцев. Никто из них не заменит кремний, но они сделают наши солнечные батареи эффективнее, интернет быстрее, а лазеры — пригоднее к установке на огромных человекоподобных роботов.
Немного разного
Вышеописанным рынок микроэлектроники, разумеется, не ограничивается. Вокруг него есть еще множество связанных рынков, например, измерительное оборудование с такими гигантами, как Keysight (4.3 миллиарда), Rohde&Schwarz (2.04 миллиарда) и National Instruments (1.02 миллиарда). Или производство собственно кремниевых пластин, на которых изготавливаются чипы -— это тоже десятимиллиардный рынок, со своими китами, о которых обычный человек никогда не слышит. Да что там обычный человек, даже я, будучи разработчиком микросхем, до начала написания этой статьи знал только одного из пяти топовых производителей подложек, и только потому, что французская Soitec — лидер в подложках кремния на изоляторе, к которому у меня профессиональный интерес. Кстати, популярность КНИ подложек очень быстро растет, и, что самое смешное, лидеры в их использовании — европейские фабрики GlobalFoundries и STM, работающие с FDSOI техпроцессами для интернета вещей и связных радиочастотных схем. Ах да, на всякий случай: крупнейший в мире производитель кремниевых подложек — немецкая компания Siltronic, головная фабрика которой находится в баварском городе Бургхаузен с населением в восемнадцать тысяч человек.
Микросхемы, в свою очередь, служат сырьем для триллионной электронной промышленности, охватывающей сегодня вообще все сферы человеческой жизни. При этом выпуск конечной продукции почти всегда оказывается более прибыльным, чем создание универсальных запчастей. С другой стороны, если речь идет не о запчастях, а о чем-то специфичном, то став лучшими в своей нише, вполне можно построить миллиардную компанию — как мы можем видеть на примерах Xilinx, Qualcomm или, например, Skyworks — которые размером почти как AMD, продукция которых стоит в огромном количестве смартфонов, но о которых вы наверняка ничего не знаете.
С другой стороны, конкуренция на рынке приводит к тому, что производители конечной продукции пытаются подгребать под себя основные ключевые компетенции, не отдавая их на аутсорс — этакий частичный возврат к вертикальной интеграции. Разумеется, о постройке IT-компаниями собственных заводов речи не идет, но Google, Amazon и Facebook занялись созданием серверных микропроцессоров, Huawei все расширяет и расширяет свою микроэлектронную “дочку” HiSilicon, а в случае с Apple мы можем видеть (например на рисунках 3 и 4), как в дизайне микросхем они прошли путь от полностью внешних компонентов до одних из лучших процессоров на рынке, после чего начали активно скупать соответствующие подразделения своих поставщиков — Intel и Dialog, а с графикой вообще не стали заморачиваться и переманили сотрудников Imagination в соседнее здание. Впрочем, в последнем случае шалость не совсем удалась, и уже в 2020 году стороны после многочисленных обоюдных угроз судами объявили о подписании нового лицензионного соглашения. Тем не менее, рынок становится все конкурентнее и конкурентнее, так что желание IT-гигантов обеспечивать свое превосходство на хардверном уровне вполне понятно.