Den stora chipkrisen hotar löftet om Moores lag

Denna extrema ultravioletta litografimaskin tillåter tillverkare att tillverka ledande chips med funktioner som är några nanometer stora. ASML

Ett år in i covid-19-pandemin firade Apple det växande utbudet av enheter med sitt anpassade M1-chip med stor fanfar, inklusive en Mission Implausible-annons på TV med en ung man som springer över hustaken på sitt rymdskeppscampus i Cupertino och infiltrerar anläggningen för att stjäla den banbrytande mikroprocessorn från en MacBook och placera den i en iPad Pro.

Apples specialdesignade chip är den senaste triumfen för Moores lag , visade observationen en självuppfyllande profetia att chiptillverkare kan fördubbla antalet transistorer på ett chip med några års mellanrum. De M1 packar 16 miljarder transistorer på en mikroprocessor lika stor som ett stort frimärke. Det är ett under av dagens halvledartillverkningsförmåga.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2021

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Men även när Apple firade M1 stod världen inför ett ekonomiskt förödande brist på mikrochips , särskilt de relativt billiga som gör många av dagens teknologier möjliga.

Biltillverkare har stängt av löpande band och sagt upp arbetare eftersom de inte kan få tillräckligt med $1-chips. Tillverkare har tillgripit att bygga fordon utan de chips som krävs för navigationssystem, digitala backspeglar, pekskärmar och bränslehanteringssystem. Sammantaget kan den globala bilindustrin förlora mer än 110 miljarder dollar till bristen år 2021.

Produktionen har också avtagit för smartphones, bärbara datorer, videospelskonsoler, TV-apparater och till och med smarta apparater, allt på grund av bristen på billiga mikrochips. Deras användning är så viktig och så utbredd att vissa observatörer tror att chipkrisen kan hota den globala ekonomiska återhämtningen från pandemin.

Den globala bristen riktar ett hårt fokus på halvledarindustrins förmåga att leverera billigare och kraftfullare mikrochips. Det långvariga löftet om chips med allt fler möjligheter inspirerade ingenjörer, programmerare och produktdesigners att skapa generationer av nya produkter och tjänster. Moores lag har varit mer än bara en färdplan för halvledarindustrin – den har styrt tekniska förändringar under det senaste halvseklet.

Nu skrynklas löftet om mer datorkraft överallt, men inte för att chiptillverkarna äntligen har stött på teknikens fysiska gränser för att göra allt mindre transistorer. Istället har de växande kostnaderna för att upprätthålla Moores lag uppmuntrat konsolidering bland chiptillverkarna och skapat fler choke-punkter i den oerhört komplexa verksamheten med chipproduktion.

Även när mikrochips har blivit väsentliga i så många produkter, har deras utveckling och tillverkning kommit att domineras av ett litet antal tillverkare med begränsad kapacitet – och aptit – för att ta bort de råvaruchips som är en bas för dagens teknologier. Och eftersom tillverkning av chips kräver hundratals tillverkningssteg och månader av produktionstid, kan halvledarindustrin inte snabbt svänga för att tillfredsställa den pandemidrivna ökningen av efterfrågan.

Efter decennier av oro över hur vi ska skapa egenskaper så små som några nanometer på kiselwafers, hotas andan i Moores lag – förväntningen att billiga, kraftfulla chips kommer att vara lättillgängliga – nu av något mycket mer vardagligt: ​​oflexibelt leveranskedjor.

En ensam gräns

För tjugo år sedan hade världen 25 tillverkare som tillverkade ledande chips. Bara idag Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) i Taiwan, Intel i USA, och Samsung i Sydkorea har de anläggningar, eller fabs, som producerar de mest avancerade chipsen. Och Intel, som länge varit teknikledare, kämpar för att hänga med, efter att upprepade gånger missa deadlines för att producera sina senaste generationer.

En anledning till konsolideringen är att att bygga en anläggning för att tillverka de mest avancerade markerna kostar mellan 5 och 20 miljarder dollar. Dessa fabs gör chips med funktioner så små som några nanometer; i industrijargong kallas de 5-nanometer och 7-nanometer noder. Mycket av kostnaderna för nya fabrikat går till att köpa den senaste utrustningen, till exempel ett verktyg som kallas an extrem ultraviolett litografi (EUV) maskin som kostar mer än 100 miljoner dollar. Tillverkade enbart av ASML i Nederländerna, EUV-maskiner används för att etsa detaljerade kretsmönster med nanometerstora funktioner.

Chiptillverkare har arbetat med EUV-teknik i mer än två decennier. Efter miljarder dollar i investeringar användes EUV-maskiner först i kommersiell chipproduktion 2018. Det verktyget är 20 år försenat, 10 gånger över budget, eftersom det är fantastiskt, säger David Kanter, verkställande direktör för ett öppet ingenjörskonsortium fokuserat på maskininlärning. Det är nästan magiskt att det ens fungerar. Det är helt som science fiction.

Sådana gigantiska ansträngningar gjorde det möjligt att skapa miljarder små transistorer i Apples M1-chip, som gjordes av TSMC; det är bland den första generationen av ledande chips som fullt ut förlitar sig på EUV.

Endast de största teknikföretagen är villiga att betala hundratals miljoner dollar för att designa ett chip för ledande noder.

Att betala för de bästa markerna är vettigt för Apple eftersom dessa marker går in i de senaste MacBook- och iPhone-modellerna, som säljs i miljontals till priser av lyxmärken. Det enda företaget som faktiskt använder EUV i hög volym är Apple, och de säljer $1 000 smartphones som de har en galen marginal för, säger Kanter.

Inte bara är fabs för att tillverka sådana chips dyra, utan kostnaden för att designa de oerhört komplexa kretsarna är nu utom räckhåll för många företag. Förutom Apple är det bara de största teknikföretagen som kräver högsta datorprestanda, som t.ex Qualcomm , AMD , och Nvidia , är villiga att betala hundratals miljoner dollar för att designa ett chip för ledande noder, säger Sri Samavedam, senior vice president för CMOS-teknologier vid Imec, ett internationellt forskningsinstitut baserat i Leuven, Belgien.

Många fler företag tillverkar bärbara datorer, TV-apparater och bilar som använder chips tillverkade med äldre teknologier, och en ökning av efterfrågan på dessa är kärnan i den nuvarande chipbristen. Enkelt uttryckt, en majoritet av chipskunderna har inte råd med – eller vill inte betala för – de senaste markerna; en vanlig bil idag använder dussintals mikrochips, medan ett elfordon använder många fler. Det går snabbt ihop. Istället har tillverkare av saker som bilar fastnat för chips gjorda med äldre teknik.

Dessutom kräver många av dagens mest populära elektronik helt enkelt inte ledande chips. Det är inte meningsfullt att till exempel sätta ett A14-chip [iPhone och iPad] i varje enskild dator som vi har i världen, säger Hassan Khan, en före detta doktorandforskare vid Carnegie Mellon University som studerade de offentliga politiska konsekvenserna av slutet av Moores lag och arbetar för närvarande på Apple. Du behöver det inte i din smarta termometer hemma, och du behöver inte 15 av dem i din bil, eftersom det är väldigt energikrävande och det är väldigt dyrt.

Problemet är att även när fler användare förlitar sig på äldre och billigare chipteknologier, har jättarna inom halvledarindustrin fokuserat på att bygga nya ledande fabs. TSMC, Samsung och Intel har alla nyligen meddelat miljarder dollar i investeringar för de senaste tillverkningsanläggningarna. Ja, de är dyra, men det är där vinsterna finns – och under de senaste 50 åren har det varit där framtiden finns.

TSMC, världens största kontraktstillverkare för chips, tjänade nästan 60 % av sina intäkter för 2020 på att tillverka ledande chips med funktioner på 16 nanometer och mindre, inklusive Apples M1-chip tillverkat med 5-nanometers tillverkningsprocessen.

Att göra problemet värre är att ingen bygger utrustning för tillverkning av halvledarprodukter för att stödja äldre teknologier, säger Dale Ford, chefsanalytiker på Electronic Components Industry Association, en branschorganisation baserad i Alpharetta, Georgia. Och så är vi typ fast mellan sten och sten här.

Low-end chips

Allt detta är viktigt för användare av teknik, inte bara på grund av de leveransstörningar den orsakar idag, utan också för att det hotar utvecklingen av många potentiella innovationer. Förutom att vara svårare att få tag på, blir billigare råvaruchips också relativt sett dyrare, eftersom varje chipsgeneration har krävt dyrare utrustning och anläggningar än generationerna innan.

Vissa konsumentprodukter kommer helt enkelt att kräva mer kraftfulla chips. Utbyggnaden av snabbare 5G-mobilnätverk och ökningen av datortillämpningar som är beroende av 5G-hastigheter skulle kunna tvinga fram investeringar i specialiserade chip designade för nätverksutrustning som talar till dussintals eller hundratals internetanslutna enheter. Fordonsfunktioner som avancerade förarassistanssystem och infotainmentsystem i fordon kan också dra nytta av ledande chips, vilket framgår av elbilstillverkaren Teslas rapporterade partnerskap med både TSMC och Samsung på chiputveckling för framtida självkörande bilar.

Men att köpa de senaste ledande chipsen eller investera i specialiserade chipdesigner kanske inte är praktiskt för många företag när de utvecklar produkter för en intelligens överallt i framtiden. Tillverkare av konsumentenheter som en Wi-Fi-aktiverad sous vide-maskin kommer sannolikt inte att spendera pengarna på att utveckla specialiserade chips på egen hand för att lägga till ännu snyggare funktioner, säger Kanter. Istället kommer de sannolikt att falla tillbaka på de chips som tillverkats med äldre tekniker kan ge.

Majoriteten av dagens chipkunder nöjer sig med de billigare råvaruchipsen som representerar en avvägning mellan kostnad och prestanda.

Och billigare föremål som kläder, säger han, har knivskarpa marginaler som lämnar lite rörelseutrymme för dyrare marker som skulle lägga till en dollar - än mindre $10 eller $20 - till varje artikels prislapp. Det betyder att det stigande priset på datorkraft kan förhindra utvecklingen av kläder som till exempel kan upptäcka och svara på röstkommandon eller väderförändringar.

Världen kan förmodligen leva utan snyggare sous vide-maskiner, men bristen på allt billigare och kraftfullare chips skulle komma med en verklig kostnad: slutet på en era av uppfinningar som drivs av Moores lag och dess decennier gamla löfte om att allt mer överkomlig beräkningskraft kommer att vara tillgänglig för nästa innovation.

Majoriteten av dagens chipkunder nöjer sig med de billigare råvaruchipsen som representerar en avvägning mellan kostnad och prestanda. Och det är tillgången på sådana råvaruchips som verkar långt ifrån tillräcklig när den globala efterfrågan på datorkraft växer.

Det är fortfarande så att halvledaranvändningen i fordon ökar, halvledaranvändningen i din brödrost och för alla möjliga saker går upp, säger Willy Shih, professor i managementpraxis vid Harvard Business School. Så då är frågan, var kommer bristen att slå härnäst?

Ett globalt bekymmer

I början av 2021 undertecknade president Joe Biden en verkställande order granskning av leveranskedjan för marker och kastade sitt stöd bakom en tvåpartisk push i kongressen för att åtminstone godkänna 50 miljarder dollar för halvledartillverkning och forskning . Biden höll också två toppmöten i Vita huset med ledare från halvledar- och bilindustrin, inklusive ett möte den 12 april där han tydligt visade upp en kiselwafer.

Åtgärderna kommer inte att lösa obalansen mellan efterfrågan och utbud av chip någon gång snart. Men åtminstone, säger experter, representerar dagens kris en möjlighet för den amerikanska regeringen att äntligen försöka fixa leveranskedjan och vända den övergripande nedgången i halvledarinnovation – och kanske stärka USA:s kapacitet att tillverka de välbehövliga chipsen.

Uppskattningsvis 75 % av all chiptillverkningskapacitet var baserad i Östasien från och med 2019, med USA:s andel på cirka 13 %. Taiwans TSMC enbart har nästan 55 % av gjuterimarknaden som hanterar beställningar av konsumentchipstillverkning.

Över allt står rivaliteten mellan USA och Kina. Kinas nationella mästarföretag SMIC har byggt fabriker som fortfarande ligger fem eller sex år efter spetsen inom chipteknologi. Men det är möjligt att kinesiska gjuterier kan hjälpa till att möta den globala efterfrågan på chips byggda på äldre noder under de kommande åren. Med tanke på de statliga subventionerna de får är det möjligt att kinesiska gjuterier kommer att vara de billigaste tillverkarna eftersom de står upp på 22 nanometer och 14 nanometer noderna, säger Khan. Kinesiska fabriker kanske inte är konkurrenskraftiga vid gränsen, men de kan tillgodose en växande del av efterfrågan.

Relaterad berättelse

Vi är inte förberedda på slutet av Moores lag

Det har underblåst välstånd under de senaste 50 åren. Men nu är slutet i sikte.

Den globala halvledarindustrin kommer att behöva nästan fördubbla den totala kapaciteten till 2030 för att hålla jämna steg med efterfrågan, enligt Semiconductor Industry Association (SIA), en Washington-baserad industrigrupp, som har förespråkat för att stärka den globala leveranskedjan snarare än att försöka bygga upp helt självförsörjande inhemsk tillverkningskapacitet.

Men i en nick till vikten av avancerade chips för nationell säkerhet och kritisk infrastruktur, föreslår SIA att USA tillhandahåller marknadsdrivna incitament för företag att bygga två eller tre nya ledande fabriker på hemmaplan. Det kan hjälpa till att säkerställa att landets centrala telekommunikationsnätverk och datacenter – tillsammans med den amerikanska militären – har ett inhemskt utbud av chips.

Vita husets fotooperation med presidenten påminde om den roll som regeringen har spelat sedan halvledarindustrins början som gav Silicon Valley dess namn. Att göra den fronten och mitten är inget som presidenten har pratat om på det sättet sedan Ronald Reagan, säger Margaret O’Mara, historiker vid University of Washington i Seattle. Biden sitter där och viftar med en oblat - jag tror aldrig att jag har sett det i en presidentshand någonsin.

Den amerikanska regeringen blev dalens första, och kanske största, riskkapitalist, skrev O'Mara i sin bok från 2019 Koden: Silicon Valley and the Remaking of America . Stora statliga beställningar på chip för att leverera NASA:s Apollo-program och militärens interkontinentala ballistiska missiler från Minuteman uppmuntrade chiptillverkare att börja massproduktion och bidrog till att sänka kostnaden för de första kiselchipsen från 1 000 $ vardera 1960 till bara 25 $ 1965.

Prisfallet gjorde datorkraft överkomlig för många utöver bara statliga myndigheter med djupa fickor. Det kickstartade guldåldern av Moores lag, där kunderna skördade frukterna av billigare marker som också levererade bättre prestanda med några års mellanrum. Och du kanske inte visste att dess löfte var i fara om allt du behövde gå på var Apples senaste annons.

Medan jag intervjuade O'Mara för den här historien, dök en förlossningsperson upp vid hennes dörr som på väg.

På tal om chips, jag får precis min helt nya dator, sa hon med ett skratt. Ja, jag har min nya MacBook med mitt M1-chip.

Jeremy Hsu är en teknik- och vetenskapsjournalist baserad i New York City.

Dölj