США должны увеличить свои внутренние мощности по добыче высокочистых минералов, газов и химикатов, иначе американские производства полупроводников, а с ними и национальная безопасность, останутся в значительной степени зависимыми от внешних факторов, находящихся вне контроля.

Передовые полупроводники в мире являются основой для важнейших, "обязательных" новых технологий, таких как ИИ, квантовые вычисления, робототехника и передовые беспроводные сети. Потенциал этих приложений для национальной безопасности США огромен настолько же, насколько велика зависимость Америки от поставок из Восточной Азии. Что в свою очередь добавляет рыночные и геополитические риски.

Об этом рассуждают авторы публикации, актуальной не только для США, но и для России.

Критические материалы: минералы, газы и химические вещества

Производство микросхем требует наличия на предприятии более 300 различных материалов. Хотя материалы, полезные ископаемые, промышленные газы, химикаты - это лишь небольшой сегмент того, что требуется для полупроводникового производства, но их наличие в надлежащем ассортименте имеет огромное значение. Как заявляет Ассоциация полупроводниковой промышленности (SEMI), «во многих случаях нет известных альтернатив материалам, которым бы удовлетворяли наши функциональные потребности, и поэтому надежная и непрерывная поставка критически важных материалов имеет решающее значение для нашей отрасли». SEMI оценивает рынок производственных материалов в $40,4 млрд и ожидает неизбежного роста этой оценки, учитывая скачкообразный спрос на них из-за растущего спроса на микросхемы.

На текущий момент Китай контролирует 13% всех выпускаемых в мире материалов для микроэлектронного производства, в то время, как на Восточную Азию без Китая приходится около 57%. На долю США приходится 11%. Такое соотношение приводит к высокому потенциалу сбоев в получении предприятиями необходимых материалов из-за рыночных и геополитических рисков.

Постоянное расширение производственных мощностей лишь усугубляет проблемы с материалами. Тот факт, что Китай, стратегический конкурент США, является крупным поставщиком материалов, еще более усложняет картину. Можно сделать вывод о значительной зависимости Америки от импорта сырья.

Китай, Тайвань, Южная Корея, Евросоюз и США стараются смягчить проблемы с материалами, инвестируя в их локальное производство. Южная Корея, в частности, объявила об инвестициях в материалы, компоненты и оборудование для производства микроэлектроники в размере $5 млрд в 2019 году. Крупные китайские поставщики материалов, например, Kempur Microelectronics, активно расширяют свою деятельность и, в частности, охотно поставляют товары в США.

В США, напротив, есть немалые проблемы в решении вопроса с материалами. В частности, стоимость рабочей силы в США на 50% выше, чем у конкурентов, к тому же запуск проектов занимает от 2 до 15 лет. Существование «проблемы примесей» приводит к тому, что фабы, производящие микросхемы, неохотно меняют поставщиков материалов.

В сложившихся условиях успешная попытка укрепить внутренние сырьевые ресурсы Америки должна опираться на существенные стимулы со стороны правительства США для поощрения производства соответствующих полезных ископаемых, газов и химикатов.

Минералы

Минералы, очевидно, имеют решающее значение для производства полупроводников. Наиболее востребованными являются кремний и арсенид галлия. Кремний — вот уже несколько десятилетий является основным сырьем в микроэлектронике. Арсенид галлия все чаще находит в ней применение. В производстве критическую роль играют также редкоземельные материалы и кобальт.

Не приходится удивляться тому, что рост производственных мощностей приводит к росту спроса на материалы. В частности, спрос на кобальт только в период с 2019 по 2020 год вырос на 30%. Коммерциализация новых соединений для создания полупроводников, более высокочастотных, более надежных, стимулирует спрос и на другие полезные ископаемые.

В результате сейчас в мире цепочки поставок материалов для производства микросхем весьма перегружены. Это ведет к росту цен на материалы и сроков доставки. С начала 2020 года рост спроса на такие вещества, как рутений и иридий измеряется трехзначным числом, также резко выросли цены на медь, кобальт, алюминий. Снижение доступности материалов или сокращение их производства из-за антипандемийных мер также способствовала росту цен. Только в 2021 году сокращение производства в Китае подняло цены на монокристаллический кремний на 300% с августа по декабрь! Поскольку спрос на электромобили и технологии возобновляемых источников энергии продолжает расти, вряд ли можно ожидать стабилизации ситуации с ценами на материалы.

В этом свете, зависимость Америки от иностранных поставок материалов опасна. В 2018 году Геологическая служба США перечислила 35 видов полезных ископаемых, критически важных для экономической и национальной безопасности страны. Из этих ископаемых 30 напрямую задействованы в полупроводниковом производстве, а зависимость США от импорта 23 из этих материалов превышает 75%. По 12 веществам США на 100% зависит от Китая.

В 2021 году на китайских рудниках было произведено 60% мировых запасов редкоземельных элементов, а на американских — всего 15%. В период с 2017 по 2020 год Китай был источником 78% импорта РЗЭ в США.

Значительный контроль Китая над полупроводниковыми материалами представляет собой серьезную геополитическую проблему для США. Пекин ранее уже демонстрировал готовность использовать эту ситуацию, как оружие. На фоне дипломатического спора 2010 году был наложен фактический запрет на экспорт РЗЭ в Японию. Затем, во время торговой войны между США и Китаем в 2019 году, Национальная комиссия по развитию и реформам Китая, курирующая государственную экономическую политику, предупредила, что если кто-то хочет использовать продукты, производимые на основе РЗЭ, для сдерживания развития Китая, «весь китайский народ не будет счастлив» — в переводе с языка китайских политиков — это серьезная угроза.

Пекин разработал проект экспортного контроля в отношении РЗЭ, учитывающий потребности оборонной промышленности США. Экспортные запреты, наряду с экспортными квотами, являются причиной дальнейшего скачка мировых цен. Доминирование Китая по части критически важных материалов будет продолжаться за счет контроля этой страны над значительной долей мировых запасов полезных ископаемых. К ним относятся, в частности, вольфрам (51%); сурьма (24%) и РЗЭ (37%).

В Вашингтоне пытаются решить этот вопрос, хотя автор статьи отмечает бессистемность предпринимаемых мер. В частности, Минобороны заключило контракты с компаниями Lynas и MP Materials на строительство предприятий по переработке редкоземельных элементов, а Министерство энергетики изучает возможность развертывания предприятий по переработке критически важных полезных ископаемых.

Промышленные газы

В процессе изготовления чипа на различных этапах используется не менее сотни различных газов. Их подразделяют на bulk gases — массовые и electronic speciality gases — специфичные для микроэлектронного производства. Массовые газы — это N2, O2, Ar, He, H2, CO2. Специальные — это более сотни разных газов, включая аммиак, силан, хлористый водород, трифторид азота и оксид азота. По мере роста объемов производства микросхем, спрос на промышленные газы в ближайшие 3-5 лет также продолжит расти.

Основным поставщиком промышленных газов также является Восточная Азия. Более 75% рынка специальных газов для микроэлектроники приходится на Южную Корею, Тайвань, Китай и Японию. Китай, например, производит 60% всего флюорита, который является важным компонентом для получения таких газов, как CF, NF3, HF, WF6 и SF6. Большинство крупнейших производителей этих газов расположены не в США: Merck (Германия, лидер рынка), 718 (Китай), Huate (Китай), Nata (Китай), Air Liquide (Франция), Linde (Нидерланды), Showa Denko (Япония), Matheson (Япония), Wonik (Южная Корея) и SK Materials (Южная Корея), Entegris (США).

Спрос на промышленные газы будет расти вместе с ростом спроса на микросхемы, что может привести к дефициту газов. Чтобы понять, насколько это серьезно, напомним, что, например, только нехватка C4F6 на сумму $60-80 млн, может привести к суммарным потерям производителей микроэлектроники в размере $10-$18 млрд.

Цена игры высока, поэтому крупные производители обычно создают у себя запасы газов в объемах, достаточных для работы предприятия в течение около 1 года. Небольшие производители. как правило, не имеют столь значительных запасов и вероятно уже имеют опыт проблем с поставками.

В ответ на рост спроса, Тайвань, Япония и Южная Корея находятся в процессе расширения локальных производственных мощностей, отвечающих за производство промышленных газов для микроэлектроники. Крупные газовые компании модернизируют свои мощности во всей Восточной Азии. В этот период доля Китая на рынке промышленных газов продолжит расти до 2025 года, поскольку Китай ставит перед собой задачу выйти на самообеспечение страны микросхемами. Это не может не беспокоить Вашингтон, поэтому в США также будут наращиваться мощности производства промышленных газов. Как правило, их сооружают в близости от крупных компаний, занимающихся выпуском полупроводников. В частности, Linde инвестирует $600 млн в газовые производства в Аризоне, чтобы снабжать планируемый к развертыванию в США завод TSMC.

Химикаты

В производстве полупроводников используется около 500 различных химикатов, включая фоторезисты, суспензии, а также жидкие вещества, как изопропиловый спирт и соляная кислота. Растущее потребление этих веществ растет, особенно это касается фоторезистов для процесса, использующего экстремальный ультрафиолет (EUV).

И вновь приходится отметить доминирование на этом рынке Восточной Азии. Один из показательных примеров, — японские фирмы, какие как Tokyo Ohka Kogyo Co., JSR Corp., Shin-Etsu Chemical Co., контролируют 90% мирового объема фоторезистов EUV.
Китай является основным источником жидких химикатов, прежде всего, кислот, например, столь востребованных, как плавиковая.
США, напротив, на текущий момент практически не производят химикатов высокой частоты, необходимых для производства логических микросхем, и не расширяет имеющиеся емкости, закупая все необходимые вещества в других странах.

Поставки химии особенно подвержены риску перебоев из-за недостаточных мощностей по производству сверхчистых химикатов. В итоге эксперты прогнозируют рост цен на серную кислоту в США на 37% и на гидроксид аммония — на 46%. TECHCET, консультационная фирма в области материалов, предупредила, что в 2023 может сформироваться нехватка. Различные особенности, присущие химикатам, производимых разными производителями, не позволяют предприятиям быстро переключаться на материалы от других поставщиков. Вместе с авариями на некоторых фабриках и новым регулированием, это создает предпосылки катастрофы.

Тайвань, например, является основным источником изопропилового спирта сверхвысокой чистоты. Это лишний фактор опасности возможного конфликта вокруг Тайваня.

Япония производит около 90% фторированного полиимида и 70% фтористого водорода, и поставляла в Южную Корею около 90% всех потребляемых в этой стране фоторезистов. После известного конфликта Японии и Южной Кореи в июле 2019 года, ограничение экспорта фоторезистов в Южную Корею стоило корейскому народу порядка $8,4 млрд в месяц.

В ситуации, когда ясно прослеживаются настоящие и будущие потребности участников рынка, Южная Корея и Тайвань наращивают инвестиции, необходимые для увеличения производства химической продукции. Сеул ставит перед южнокорейскими производителями цель — добиться 70%-ной доли в производстве специальных материалов к 2023 году. Китай инвестирует немалые средства в производство фоторезистов. Прогнозируется, что китайские компании, производящие фоторезисты, изрядно заработают в ближайшие 3-5 лет. Впрочем, Япония также, скорее всего, сохранит доминирующие позиции на рынке химии для полупроводникового производства.

Что касается США, здесь все та же проблема — сооружение американского химического завода обходится в 5-6 раз дороже, чем аналогичного в Азии, к тому же такая стройка тянется 2-3 года.

Ситуация тревожная и требует экстренных мер

Вашингтон должен стимулировать повышение качества и рост производственных объемов выпуска полупроводниковых материалов. Это необходимо по соображениям национальной безопасности США.

Но если по части исследований и производства и предпринимаются шаги, взять, например, подготовку «Закона о чипах», то по части минералов, газов и химических веществ, можно констатировать пренебрежительное отношение. Даже если текущие цели по масштабированию производства и будут выполнены, в США столкнутся со значительной зависимостью от рынков Восточной Азии, что будет создавать серьезные риски. Без достаточного количества и разнообразия материалов, поддерживать работоспособность производств, выпускающих микросхемы, не получится. Осознание проблемы есть, в справке, подготовленной в Белом доме в отношении рынка микроэлектроники, четко сказано: «Перебои с поставками любого из этих материалов могут иметь далеко идущие последствия для производства полупроводников».

США должны увеличить свои внутренние мощности по добыче высокочистых минералов, газов и химикатов, иначе американские мощности по производству полупроводников — и национальная безопасность — останутся в значительной степени зависимыми от внешних факторов, находящихся вне контроля.

Об авторах:

• Шубхам Двиведи — докторант программы Фулбрайта Джорджтаунского университета.
• Грегори Д. Вишер является кандидатом в магистратуру по программе исследований в области безопасности Джорджтаунского университета.

--

Ситуация с материалами для производства микроэлектроники в США весьма напоминает мне ситуацию в России. Вплоть до последовательно невнимательного отношения к теме, когда долгие годы считалось, что нет никаких проблем в том, чтобы закупить все необходимое для «отечественного производства» в других странах. При этом некоторые российские предприятия называли себя «предприятиями полного цикла». Сложившаяся после 24.02 ситуация наглядно показала, насколько недальновидным и опасным может быть такой подход для России. Стоит и по части материалов подготовить какую-то стратегию создания их производств в нашей стране, коль скоро мы собираемся развивать локальные производственные мощности? \\

--

За новостями телекома и IT удобно следить в телеграм-канале abloud62. телеграм-трансляции и анонсы пресс-релизов вы найдете в канале abloudRealTime, также подключайтесь к Сообществу RUSmicro в VK

теги: микроэлектроника тренды материалы