Den store chipkrise truer løftet om Moores lov

Denne ekstreme ultraviolette litografimaskine gør det muligt for producenterne at lave avancerede chips med funktioner på få nanometer i størrelse. ASML

Et år inde i covid-19-pandemien fejrede Apple det voksende udvalg af enheder med dens brugerdefinerede M1-chip med stor fanfare, inklusive en Mission Implausible annonce på tv med en ung mand, der løber hen over tagene på sit rumskibscampus i Cupertino og infiltrerer anlægget for at stjæle den banebrydende mikroprocessor fra en MacBook og placere den i en iPad Pro.

Apples specialdesignede chip er den seneste triumf for Moores lov , viste observationen en selvopfyldende profeti om, at chipproducenter kan fordoble antallet af transistorer på en chip hvert par år. Det M1 pakker 16 milliarder transistorer på en mikroprocessor på størrelse med et stort frimærke. Det er et vidunder af nutidens halvlederproduktionsdygtighed.

Denne historie var en del af vores juli 2021-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Men selv da Apple fejrede M1, stod verden over for en økonomisk ødelæggende mangel på mikrochips , især de relativt billige, der gør mange af nutidens teknologier mulige.

Bilproducenter har lukket samlebånd og afskediget arbejdere, fordi de ikke kan få nok $1 chips. Producenter har tyet til at bygge køretøjer uden de nødvendige chips til navigationssystemer, digitale bakspejle, touchskærme og brændstofstyringssystemer. Samlet set kan den globale bilindustri miste mere end 110 milliarder dollars til manglen i 2021.

Produktionen er også aftaget for smartphones, bærbare computere, videospilskonsoller, tv'er og endda smarte apparater, alt sammen på grund af manglen på billige mikrochips. Deres brug er så væsentlig og så udbredt, at nogle iagttagere mener, at chipkrisen kan true det globale økonomiske opsving fra pandemien.

Den globale mangel retter et skarpt søgelys på halvlederindustriens evne til at levere billigere og mere kraftfulde mikrochips. Det langvarige løfte om chips med stadig flere muligheder inspirerede ingeniører, programmører og produktdesignere til at skabe generationer af nye produkter og tjenester. Moores lov har været mere end blot en køreplan for halvlederindustrien - den har styret teknologiske forandringer i løbet af det sidste halve århundrede.

Nu er det løfte om mere computerkraft overalt ved at krølle sammen, men ikke fordi chipproducenter endelig er stødt op mod teknologiens fysiske grænser for at lave stadigt mindre transistorer. I stedet har de voksende omkostninger ved at opretholde Moores lov tilskyndet til konsolidering blandt chipproducenter og skabt flere choke points i den uhyre komplekse forretning med chipproduktion.

Selvom mikrochips er blevet essentielle i så mange produkter, er deres udvikling og fremstilling blevet domineret af et lille antal producenter med begrænset kapacitet – og appetit – til at udskille de råvarechips, der er en fast bestanddel af nutidens teknologier. Og fordi fremstilling af chips kræver hundredvis af fremstillingstrin og måneders produktionstid, kan halvlederindustrien ikke hurtigt dreje for at tilfredsstille den pandemiske stigning i efterspørgslen.

Efter årtiers bekymringer om, hvordan vi vil udskille funktioner så små som et par nanometer på siliciumwafers, er ånden i Moores lov – forventningen om, at billige, kraftfulde chips vil være let tilgængelige – nu truet af noget langt mere banalt: ufleksibel. forsyningskæder.

En ensom grænse

For 20 år siden havde verden 25 producenter, der fremstillede førende chips. Kun i dag Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) i Taiwan, Intel i USA, og Samsung i Sydkorea har de faciliteter, eller fabs, der producerer de mest avancerede chips. Og Intel, der længe har været teknologileder, kæmper for at følge med, efter at have gentagne gange overset deadlines for at producere sine seneste generationer.

En grund til konsolideringen er, at det koster mellem 5 og 20 milliarder dollars at bygge en facilitet til at lave de mest avancerede chips. Disse fabs laver chips med funktioner så små som et par nanometer; i industrijargon kaldes de 5-nanometer og 7-nanometer noder. En stor del af omkostningerne ved nye fabrikater går til at købe det nyeste udstyr, såsom et værktøj kaldet en ekstrem ultraviolet litografi (EUV) maskine, der koster mere end $100 mio. Fremstillet udelukkende af ASML i Holland, bruges EUV-maskiner til at ætse detaljerede kredsløbsmønstre med funktioner i nanometerstørrelse.

Chipproducenter har arbejdet på EUV-teknologi i mere end to årtier. Efter milliarder af dollars i investeringer blev EUV-maskiner først brugt i kommerciel chipproduktion i 2018. Det værktøj er 20 år forsinket, 10 gange over budgettet, fordi det er fantastisk, siger David Kanter, administrerende direktør for et åbent ingeniørkonsortium med fokus på maskinlæring. Det er næsten magisk, at det overhovedet virker. Det er fuldstændig ligesom science fiction.

En sådan gigantisk indsats gjorde det muligt at skabe de milliarder af bittesmå transistorer i Apples M1-chip, som blev lavet af TSMC; det er blandt den første generation af avancerede chips, der stoler fuldt ud på EUV.

Kun de største teknologivirksomheder er villige til at betale hundredvis af millioner af dollars for at designe en chip til førende noder.

At betale for de bedste chips giver mening for Apple, fordi disse chips går ind i de nyeste MacBook- og iPhone-modeller, som sælges i millioner til luksusmærkepriser. Det eneste firma, der rent faktisk bruger EUV i høj volumen, er Apple, og de sælger $1.000 smartphones, som de har en sindssyg margin til, siger Kanter.

Ikke kun er fabs til fremstilling af sådanne chips dyre, men omkostningerne ved at designe de uhyre komplekse kredsløb er nu uden for rækkevidde af mange virksomheder. Udover Apple er det kun de største tech-virksomheder, der kræver den højeste computerydelse, som f.eks Qualcomm , AMD , og Nvidia , er villige til at betale hundredvis af millioner af dollars for at designe en chip til førende noder, siger Sri Samavedam, senior vicepræsident for CMOS-teknologier hos Imec, et internationalt forskningsinstitut baseret i Leuven, Belgien.

Mange flere virksomheder producerer bærbare computere, tv'er og biler, der bruger chips lavet med ældre teknologier, og en stigning i efterspørgslen efter disse er kernen i den nuværende chipmangel. Kort sagt, et flertal af chipkunder har ikke råd til – eller ønsker ikke at betale for – de seneste chips; en typisk bil i dag bruger snesevis af mikrochips, mens et elektrisk køretøj bruger mange flere. Det lægger hurtigt op. I stedet har producenter af ting som biler holdt fast i chips lavet ved hjælp af ældre teknologier.

Hvad mere er, kræver mange af nutidens mest populære elektronik simpelthen ikke førende chips. Det giver ikke mening at sætte for eksempel en A14 [iPhone og iPad]-chip i hver eneste computer, vi har i verden, siger Hassan Khan, en tidligere doktorgradsforsker ved Carnegie Mellon University, som studerede de offentlige politiske konsekvenser af slutningen af ​​Moores lov og arbejder i øjeblikket hos Apple. Du behøver det ikke i dit smarte termometer derhjemme, og du behøver ikke 15 af dem i din bil, for det er meget strømkrævende, og det er meget dyrt.

Problemet er, at selvom flere brugere er afhængige af ældre og billigere chipteknologier, har halvlederindustriens giganter fokuseret på at bygge nye avancerede fabrikater. TSMC, Samsung og Intel har alle for nylig annonceret milliarder af dollars i investeringer til de seneste produktionsfaciliteter. Ja, de er dyre, men det er der, overskuddet er - og i de sidste 50 år har det været, hvor fremtiden er.

TSMC, verdens største kontraktproducent for chips, tjente næsten 60 % af sin 2020-omsætning på at lave avancerede chips med funktioner på 16 nanometer og mindre, inklusive Apples M1-chip lavet med 5-nanometer-fremstillingsprocessen.

Det, der gør problemet værre, er, at ingen bygger udstyr til fremstilling af halvledere til at understøtte ældre teknologier, siger Dale Ford, chefanalytiker hos Electronic Components Industry Association, en brancheforening baseret i Alpharetta, Georgia. Og så sidder vi lidt fast mellem sten og hård her.

Low-end chips

Alt dette betyder noget for brugere af teknologi, ikke kun på grund af den forsyningsafbrydelse, den forårsager i dag, men også fordi den truer udviklingen af ​​mange potentielle innovationer. Udover at være sværere at få fat i, bliver billigere råvarechips også relativt dyrere, da hver chipgeneration har krævet dyrere udstyr og faciliteter end generationerne før.

Nogle forbrugerprodukter vil simpelthen kræve mere kraftfulde chips. Udbygningen af ​​hurtigere 5G-mobilnetværk og stigningen i computerapplikationer, der er afhængige af 5G-hastigheder, kan tvinge til investeringer i specialiserede chips designet til netværksudstyr, der taler til snesevis eller hundredvis af internetforbundne enheder. Bilfunktioner såsom avancerede førerassistentsystemer og infotainmentsystemer i køretøjer kan også drage fordel af avancerede chips, som det fremgår af elbilsproducenten Teslas rapporterede partnerskaber med både TSMC og Samsung om chipudvikling til fremtidens selvkørende biler.

Men at købe de seneste avancerede chips eller investere i specialiserede chipdesign er måske ikke praktisk for mange virksomheder, når de udvikler produkter til en intelligens overalt i fremtiden. Producenter af forbrugerenheder såsom en Wi-Fi-aktiveret sous vide-maskine vil næppe bruge pengene på at udvikle specialiserede chips på egen hånd for at tilføje endnu mere avancerede funktioner, siger Kanter. I stedet vil de sandsynligvis falde tilbage på de chips, der er lavet ved hjælp af ældre teknologier.

Størstedelen af ​​nutidens chipkunder nøjes med de billigere råvarechips, der repræsenterer en afvejning mellem omkostninger og ydeevne.

Og billigere varer såsom tøj, siger han, har knivtynde marginer, der giver lidt plads til dyrere chips, der ville tilføje en dollar - endsige $ 10 eller $ 20 - til hver vares prisskilt. Det betyder, at den stigende pris på computerkraft kan forhindre udviklingen af ​​tøj, der for eksempel kan registrere og reagere på stemmekommandoer eller ændringer i vejret.

Verden kan sandsynligvis leve uden mere avancerede sous vide-maskiner, men manglen på stadigt billigere og mere kraftfulde chips ville komme med en reel pris: afslutningen på en æra af opfindelser, der er drevet af Moores lov og dens årtier gamle løfte om, at stadig mere overkommelig beregningskraft vil være tilgængelig for den næste innovation.

Størstedelen af ​​nutidens chipkunder nøjes med de billigere råvarechips, der repræsenterer en afvejning mellem omkostninger og ydeevne. Og det er udbuddet af sådanne råvarechips, der virker langt fra tilstrækkeligt, efterhånden som den globale efterspørgsel efter computerkraft vokser.

Det er stadig sådan, at halvlederforbruget i køretøjer stiger, halvlederforbruget i din brødristerovn og for alle mulige ting stiger, siger Willy Shih, professor i ledelsespraksis ved Harvard Business School. Så spørgsmålet er så, hvor kommer manglen til at ramme næste gang?

En global bekymring

I begyndelsen af ​​2021 underskrev præsident Joe Biden en bekendtgørelse om mandat forsyningskæde anmeldelser for chips og kastede sin støtte bag en topartisan skub i Kongressen for at godkende i det mindste 50 milliarder dollars til halvlederfremstilling og forskning . Biden holdt også to topmøder i Det Hvide Hus med ledere fra halvleder- og bilindustrien, herunder et møde den 12. april, hvor han fremtrædende viste en siliciumwafer.

Handlingerne vil ikke løse ubalancen mellem chipefterspørgsel og udbud på et øjeblik. Men i det mindste, siger eksperter, repræsenterer dagens krise en mulighed for den amerikanske regering til at forsøge endelig at fikse forsyningskæden og vende den overordnede afmatning i halvlederinnovation - og måske styrke USA's kapacitet til at lave de hårdt tiltrængte chips.

Anslået 75 % af al chipproduktionskapacitet var baseret i Østasien fra 2019, med den amerikanske andel på cirka 13 %. Taiwans TSMC alene har næsten 55% af støberimarkedet, der håndterer ordrer til fremstilling af forbrugerchips.

Over alt er rivaliseringen mellem USA og Kina. Kinas nationale mesterfirma SMIC har bygget fabrikater, der stadig er fem eller seks år bagud i forkant med chipteknologier. Men det er muligt, at kinesiske støberier kan hjælpe med at imødekomme den globale efterspørgsel efter chips bygget på ældre noder i de kommende år. I betragtning af de statstilskud, de modtager, er det muligt, at kinesiske støberier vil være de billigste producenter, da de står op på 22-nanometer- og 14-nanometer-knudepunkterne, siger Khan. Kinesiske fabrikater er måske ikke konkurrencedygtige ved grænsen, men de kan levere en voksende del af efterspørgslen.

Relateret historie

Vi er ikke forberedt på slutningen af ​​Moores lov

Det har givet næring til velstanden i de sidste 50 år. Men enden er nu i sigte.

Den globale halvlederindustri bliver nødt til næsten at fordoble den samlede kapacitet inden 2030 for at holde trit med efterspørgslen, ifølge Semiconductor Industry Association (SIA), en Washington-baseret industrigruppe, som har slået til lyd for at styrke den globale forsyningskæde i stedet for at forsøge at bygge fuldt selvforsynende indenlandsk fremstillingskapacitet.

Men i et nik til vigtigheden af ​​avancerede chips for national sikkerhed og kritisk infrastruktur, foreslår SIA, at USA giver markedsdrevne incitamenter for virksomheder til at bygge to eller tre nye førende fabrikater på hjemmemarkedet. Det kunne være med til at sikre, at landets centrale telekommunikationsnetværk og datacentre – sammen med det amerikanske militær – har en indenlandsk forsyning af chips.

Fotoops fra Det Hvide Hus med præsidenten mindede om den rolle, som regeringen har spillet siden begyndelsen af ​​halvlederindustrien, der gav Silicon Valley sit navn. At lave den front og centrum er ikke noget, som præsidenten har talt om på den måde siden Ronald Reagan, siger Margaret O'Mara, historiker ved University of Washington i Seattle. Biden sidder der og vinker rundt med en oblat - det tror jeg aldrig, jeg har set i en præsidenthånd.

Den amerikanske regering blev dalens første, og måske dens største, venturekapitalist, skrev O'Mara i sin bog fra 2019 Koden: Silicon Valley og genskabelsen af ​​Amerika . Store offentlige ordrer på chips til at forsyne NASAs Apollo-program og militærets interkontinentale ballistiske missiler fra Minuteman tilskyndede chipproducenter til at begynde masseproduktion og hjalp med at sænke prisen på de første siliciumchips fra $1.000 hver i 1960 til kun $25 i 1965.

Prisfaldet gjorde computerkraft overkommelig for mange ud over blot dybe lommer af offentlige myndigheder. Det satte gang i Moores lovs guldalder, hvor kunderne høstede fordelene af billigere chips, der også leverede bedre ydeevne med få års mellemrum. Og du ved måske ikke, at dets løfte var i fare, hvis alt du skulle fortsætte var Apples seneste annonce.

Mens jeg interviewede O'Mara til denne historie, dukkede en leveringsperson op ved hendes dør, som om hun var på vej.

Apropos chips, så får jeg lige udleveret min splinternye computer, sagde hun med et grin. Ja, jeg har fået min nye MacBook med min M1-chip.

Jeremy Hsu er en teknologi- og videnskabsjournalist baseret i New York City.

skjule