Używamy plików cookie, aby zapewnić najlepszą jakość korzystania z naszej strony.

Półprzewodniki – problem skali mikro, czy makro?

Ilustracja: Mateusz Szostek
Artykuł ukazał się w 13. numerze kwartalnika „Młodzi o Polityce”

Dla niektórych czytelników termin półprzewodnik może być czymś znanym, inni go kojarzą, ale dla większości jest on całkowicie pustą nazwą, z którą nigdy się nie spotkali. Fakt ten nie dziwi, ponieważ temat ten jest rzadko omawiany, zwłaszcza w polskiej przestrzeni publicznej. Któż mógłby jednak przypuszczać, że tak stosunkowo niszowe zagadnienie jest tak bardzo kluczowe dla całej branży najnowocześniejszych technologii? Czytelnik na pewno uniósłby brwi ze zdziwienia, gdybym powiedział mu, że dzięki półprzewodnikom w ogóle jest w stanie czytać ten artykuł. Czym są mikrochipy? Dlaczego są tak ważne? Dlaczego światowe mocarstwa toczą o nie wojnę i co może z tego wyniknąć? Zapraszam do mikroświata, który stwarza wcale nie tak małe problemy.

Małe, ale kluczowe

Półprzewodniki[1] są mikroskopijnymi urządzeniami, które ze względu na swoje właściwości i pod wpływem odpowiednich warunków, potrafią zmieniać przepływ prądu elektrycznego[2]. Ta bardzo charakterystyczna cecha okazała się niezwykle przydatna w rozwoju nowoczesnych urządzeń elektrycznych, sprawiając, że obecnie znajdują się one praktycznie w każdym urządzeniu elektrycznym. Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem oraz dynamicznym rozwojem branży elektronicznej, mikrochipy stale udoskonalano, sprawiając, że stawały się coraz mniejsze i zdolne do przesyłania większej ilości energii elektrycznej. Obecnie osiągnęły one wręcz niewyobrażalnie małą skalę, którą określa się za pomocą odległości pomiędzy ich poszczególnymi komponentami.

Istnieją więc najmniej zaawansowane półprzewodniki o wielkości od 28 do około 18 nanometrów, które wykorzystuje się na przykład w pralkach, lodówkach oraz innych sprzętach RTV i AGD[3]. Następnie w hierarchii mamy średniozaawansowane układy, które liczą od 17 do 10 nanometrów i znaleźć je można przede wszystkim w samolotach, systemach samochodowych, ale także najnowszych smartfonach i komputerach. Na szczycie technologicznego podium mamy wreszcie najbardziej zaawansowane półprzewodniki, które mają od 9 do nawet 3 nanometrów. Wykorzystywane są w najbardziej rozwiniętych urządzeniach, takich jak: satelity, systemy rakietowe, superkomputery[4] oraz sztuczna inteligencja (ang. Artificial Intelligence – AI).

Przytoczona przeze mnie skala mikroskopijności półprzewodników może nie wprawiać czytelnika w osłupienie, dopóki nie uzmysłowi sobie jak niewyobrażalnie małą jednostką jest nanometr. Dla porównania grubość przeciętnego ludzkiego włosa wynosi… 100 000 nanometrów. Dobrze obrazuje to z jak bardzo zaawansowanymi i skomplikowanymi układami mamy do czynienia.

Do wyprodukowania mikrochipa potrzeba więc nie tylko materiałów, takich jak silikon, krzem czy metale szlachetne, ale także niezwykle precyzyjnych maszyn i technologii produkcyjnej oraz specjalistycznego oprogramowania do ich obsługi. Sprawia to, iż za cały proces projektowania, produkcji i dystrybucji półprzewodników na świecie wymaga wykorzystania olbrzymich nakładów pracy i kapitału. Przekłada się to również na ich wartość. W 2022 roku cały rynek półprzewodników warty był 580 mld dolarów, a szacuje się, że do roku 2030 ta wartość może osiągnąć nawet 1 bilion dolarów[5].

Skutkuje to tym, iż w procesie wytwórczym półprzewodników bierze udział wąska grupa wysoko rozwiniętych przedsiębiorstw, dysponujących największym kapitałem i technologią. Jednocześnie proces koncepcyjno-produkcyjny jest rozproszony w specyficzny, geograficzny sposób. Za systemy komputerowe oraz projektowanie mikrochipów odpowiadają głównie firmy amerykańskie, takie jak Applied Materials oraz Lam Research Corporation oraz południowokoreański Samsung[6]. Produkcją niezwykle złożonych i precyzyjnych maszyn do wytwarzania półprzewodników zajmuje się wyłącznie jedno przedsiębiorstwo na świecie – holenderskie ASML[7]. Z kolei w procesie wytwórczym króluje największe tajwańskie przedsiębiorstwo – TSMC, które odpowiada za około 90% całej światowej produkcji tych podzespołów[8]. W produkcji półprzewodników biorą również udział inne firmy z Korei Południowej, Japonii, Stanów Zjednoczonych, a także Chin, jednak wyłącznie tajwański gigant jest zdolny do produkcji najbardziej zaawansowanych i pożądanych mikrochipów o wielkości 3 nm.

Ze względu na specyficzną strukturę łańcucha produkcyjnego półprzewodników, branża ta jest szczególnie wrażliwa na perturbacje mające miejsce w globalnej polityce. Na cały sektor produkcji układów scalonych wpływa również zlokalizowanie głównych firm w Azji Wschodniej, przede wszystkim w Chinach i na Tajwanie, których relacje są, lekko mówiąc, napięte. Mikrochipy, które stanowią kluczowy element rozwoju sektora technologicznego, stały się w ostatnim czasie jednym z głównych punktów zainteresowania Chin i Stanów Zjednoczonych, które toczą rywalizację o wpływy i pozycję światowego lidera. Gorące spory i rosnące napięcie pomiędzy Pekinem i Waszyngtonem w dużym stopniu wpływają na rynek półprzewodników, który stanowi jednocześnie arenę starcia obu ośrodków. Jeden z nich znajduje się jednak na mocno przegranej pozycji.

Chińskie problemy

Półprzewodniki są podstawą nie tylko sprzętów codziennego użytku, takich jak telefony, laptopy czy lodówki, ale stanowią również kluczowe komponenty wszystkich technologii militarnych. Bez tych zaawansowanych systemów niemożliwe byłoby działanie satelitów, systemów rakietowych i lotniczych, a także superkomputerów. To właśnie na innowacjach w sektorze wojskowości skupia się w ostatnich latach uwaga Chin. Dynamiczny rozwój armii, która nie tylko ilością, ale również nowoczesnym uzbrojeniem, będzie dorównywać innym supermocarstwom, m.in. Stanom Zjednoczonym, stanowi jeden z chińskich priorytetów. Fakt ten powoduje na krajowym rynku zaawansowanych technologii olbrzymie zapotrzebowanie na wiedzę, surowce oraz skomplikowane komponenty techniczne.

Pekin na swojej drodze napotkał jednak dość dużą przeszkodę. Pomimo obszernego i zasobnego w surowce mineralne terytorium oraz drugiej największej liczby mieszkańców na świecie, chińskie firmy nie dysponują technologią umożliwiającą produkcję najbardziej zaawansowanych półprzewodników. Krajowe przedsiębiorstwa są co prawda zdolne wytworzyć mikrochipy w standardzie 24 nm, a największy chiński producent półprzewodników – SMIC opracował układ o wielkości 7 nm, jednak wskazuje się, że mogą minąć lata zanim będzie w stanie sprostać zapotrzebowaniu rynku wewnętrznego[9].

Sprawia to, że Chiny zmuszone są do importowania zagranicznych podzespołów. W 2022 roku były one największym importerem półprzewodników na świecie[10]. Tylko w 2021 roku Państwo Środka przeznaczyło na ten cel 432 mld dolarów[11]. Stawia to kraj w bardzo niekorzystnej pozycji międzynarodowej i uzależnia od zagranicznych technologii.

Przewidując potencjalne negatywne skutki tej zależności, Chiny postanowiły rozpocząć inwestycję w swój przemysł. Już w 2015 roku wydano strategię rozwoju rynku krajowego Made in China 2025, której jednym z kluczowych elementów stała się właśnie branża mikrochipów[12]. Celem stało się osiągnięcie 70% niezależności tej gałęzi przemysłu do roku 2025. W tym celu rząd w Pekinie co roku przeznacza 146 mld dolarów pod postacią ulg podatkowych i subsydiów w celu rozwoju krajowych przedsiębiorstw high-tech[13]. Trzeba przyznać, że działania te przynoszą efekty. W 2011 roku na chińskim rynku funkcjonowało 1300 firm zajmujących się rozwojem i produkcją półprzewodników. W 2020 roku ta liczba wzrosła do 22 800[14]. Chińczycy na polu mikrochipów rozwijają się więc niezwykle szybko, jednak wskazuje się, że przeznaczone środki oraz bariera technologiczna mogą nie być wystarczające, aby szybko dogonić firmy z Tajwanu czy Korei Południowej[15]. Co gorsze dla Pekinu, ktoś może skutecznie ten rozwój utrudniać.

Starcie gigantów

Nie jest tajemnicą, że największym rywalem Chin na światowej scenie są Stany Zjednoczone. Rywalizacja obu mocarstw często tłumaczona jest w kategorii tzw. pułapki Tukidydesa, czyli sytuacji, w której wschodzące mocarstwo zagraża pozycji dotychczasowego hegemona, co prowadzi do nieprzyjaznych lub wrogich zachowań, a nawet wojny. W opisanej sytuacji to Chiny dążą do podważenia pozycji Stanów Zjednoczonych i reorganizacji światowego układu sił. Nic więc dziwnego, że Waszyngton dąży do jak największego ograniczenia chińskich możliwości rozwoju, aby zachować korzystny dla siebie status quo. Układ ten prowadzi do ciągłego zwiększania napięcia i wrogości pomiędzy oboma ośrodkami.

Rywalizacja amerykańsko-chińska toczy się właściwie na wszystkich możliwych polach, od działań dyplomatycznych, przez przeloty balonów meteorologicznych, po napięte pokazy siły w Cieśninie Tajwańskiej. Zwłaszcza w ciągu ostatniego roku wyjątkowo mocno dało się odczuć tę rywalizację w obszarze nowoczesnych technologii.

Stany Zjednoczone próbują wszelkimi metodami zminimalizować chińskie próby rozwoju, co uwidoczniły ostatnie działania. 7 września 2022 roku Departament Handlu USA opublikował dokument, który wprowadził ograniczenia w eksporcie półprzewodników do Chin. Dyrektywa zakłada, że żaden podmiot nie może bez zgody Waszyngtonu sprzedawać chińskim firmom technologii, oprogramowania oraz podzespołów, które zostały wykonane w Stanach Zjednoczonych lub przy wykorzystaniu ich technologii[16]. Dodatkowo USA wezwało również Japonię, Koreę Południową i Holandię do zaprzestania eksportu ich technologii półprzewodników do Państwa Środka, co te uczyniły w styczniu 2023 roku[17]. Ten niewątpliwie śmiały ruch pozbawił przemysł chiński najbardziej zaawansowanych komponentów, wymaganych do rozwoju nowoczesnych urządzeń elektrycznych. Tylko w ciągu pierwszych 5 miesięcy import mikrochipów do Chin zmniejszył się o 30% w stosunku do tego samego okresu rok wcześniej[18].

Na reakcję Pekinu nie trzeba było długo czekać. Jeszcze w grudniu 2022 roku Chiny złożyły na USA skargę przed Światową Organizacją Handlu, oskarżając Waszyngton o zaburzanie stabilności rynków i globalnych łańcuchów dostaw[19]. Dodatkowo Pekin nałożył na Stany Zjednoczone własne kontr sankcje, zakazując importu mikrochipów amerykańskiej firmy Micron, oskarżając jednocześnie producenta o działania szpiegowskie[20].

Rozgorzała więc prawdziwa, pełnoskalowa wojna handlowa lub, jak określił to Nicolas Poitiers z ekonomicznego think-tanku Bruegel, technologiczna zimna wojna[21]. Jej skutki odbiły się nie tylko na aktywnych uczestnikach konfliktu, ale również na całym rynku nowoczesnych technologii, na którym powstał wielki deficyt mikrochipów. Ze względu na niedobory, firma NVIDIA, producent kart graficznych, zanotował spadek dochodów o 20%, podobnie zresztą jak inni producenci sprzętu elektronicznego, tacy jak AMD czy Apple[22]. Aby sprostać zapotrzebowaniu na rynku, tajwański TSMC zainwestował prawie 3 mld dolarów w rozbudowę swoich linii produkcyjnych, przewidując, że kryzys będzie jedynie się pogłębiał, a napięcie na linii Pekin-Waszyngton będzie stale narastać[23]. Problem polega jednak na tym, że ich pełne rozwinięcie i osiągnięcie wymaganej produktywności może zająć nawet kilka lat.

Czy kierownictwo TSMC może mieć rację? Niestety, jest to możliwe, ponieważ nic nie zapowiada, aby relacje między państwami miały się poprawić, a embargo zostać odwołane. Z tego technologicznego chaosu wyłaniają się jednak całkiem nowe ośrodki, które chciałyby wkroczyć na globalną scenę, a może i odegrać na niej jedną z głównych ról.

Nowi gracze

Zawirowania w międzynarodowym środowisku mikrochipów mogą stać się okazją dla innych państw, aby rozwinąć ich własny przemysł półprzewodników. Jednym z takich ośrodków jest Unia Europejska, która w ogromnym stopniu jest zależna od azjatyckich producentów. Pod wpływem niedawnych wydarzeń i dużych niedoborów rynkowych, Bruksela uznała, że potrzebne jest rozbudowanie europejskiego przemysłu mikrochipów, aby ochronić rynek wewnętrzny przed negatywnymi skutkami rywalizacji amerykańsko-chińskiej, a w przyszłości może nawet stać się kluczowym ośrodkiem w tej branży.

Na początku 2023 roku przyjęto tzw. EU Chip Act, czyli dokument, który ma na celu stworzenie warunków do rozwoju technologiczno-produkcyjnego półprzewodników w krajach Unii Europejskiej[24]. Zakłada on przeznaczenie 43 mld euro na inwestycje w sektor publiczny i prywatny, a także dodatkowe ulgi podatkowe i subsydia. Celem, wyznaczonym przez Komisję Europejską jest zwiększenie udziału UE w światowym rynku z 10% w 2022 roku do 20% w roku 2030. Jest to jednocześnie jeden z wielu elementów, który składać ma się na budowę nowego bezpieczeństwa europejskiego.

Swoją własną drogą po Brexicie chce podążać z kolei Wielka Brytania. W maju 2023 roku premier Rishi Sunak ogłosił nową strategię, która ma na celu rozwój krajowego przemysłu półprzewodników. Brytyjczycy planują zainwestować nieco ponad 1 mld dolarów w projektowanie oraz produkcję[25]. Niestety, w porównaniu do programów chińskich oraz unijnych, przeznaczona kwota wydaje się wyjątkowo mała, ponieważ koszt budowy tylko jednej w pełni rozwiniętej linii produkcyjnej nowoczesnych mikrochipów to prawie 2 mld dolarów.

Może się jednak okazać, że ambicje Europejczyków o triumfalnym wejściu na rynek półprzewodników są wygórowane. Branża najbardziej zaawansowanych technologii jest bardzo kapitałochłonna i zmienia się niezwykle szybko, a przez to wymaga bardzo konkretnego planu rozwojowego. Dodatkowo, tworzenie linii produkcyjnych od zera jest o wiele trudniejsze, niż unowocześnianie tych już istniejących. Przed Unią Europejską i Wielką Brytanią stoją więc przeszkody o skali, z której chyba nie do końca zdają sobie sprawę. Czas pokaże, czy wysiłki się opłacą.

Czy czeka nas kolejna (nano)wojna?

Międzynarodowa sytuacja wokół półprzewodników już wrze, ale czy może być jeszcze gorzej? Chińsko-amerykańska rywalizacja wpłynęła jak dotąd na cały rynek mikrochipów, przez co wystąpiły znaczące niedobory na zaawansowane komponenty techniczne. Już teraz amerykańskie działania, w tym nałożone na Pekin embargo, nazywane są najmocniejszym ciosem wymierzonym przez USA[26].

Bardzo trudno przewidzieć dalsze działania obu państw. Czy ograniczenia zostaną utrzymane? Czy sankcje obejmą również inne sektory gospodarki? A może nastąpi nieoczekiwany zwrot w relacjach i sytuacja na rynku się ustabilizuje? To ostatnie wydaje się jednak najmniej prawdopodobne. Relacje między Chinami a Stanami Zjednoczonymi ciągle pozostają napięte, również za sprawą Tajwanu, który nadal stanowi oś konfliktu. Nie wiadomo również jaka byłaby przyszłość całego rynku, gdyby Pekin zdecydował się na aneksję wyspy, ale tę sprawę wolę pozostawić futurologom.

Każdy medal ma jednak dwie strony. Niewątpliwie zawirowania w branży mikrochipów sprawiły, że właściwie wszystkie ośrodki aktywnie korzystające z najnowocześniejszych technologii zostały zmuszone do intensyfikacji rozwoju przemysłu krajowego. Coraz większe środki inwestowane w nowoczesne komponenty dają szansę na opracowanie jeszcze bardziej wydajnych półprzewodników, które usprawnią działanie nowych systemów.

Skomplikowaną sytuację wokół mikrochipów warto jednak śledzić, bo jakby nie patrzeć, dotyka ona każdego z nas, a powiększające się niedobory mogą znacząco wpłynąć na nasze codzienne funkcjonowanie. Sektor zaawansowanych technologii ewoluuje tak szybko, że trudno za nim nadążyć. Niektóre zachodzące zmiany wydają się mikroskopijne, jak mikrochipy, ale ich konsekwencje mogą urosnąć do prawdziwej makroskali.

  1. Półprzewodniki w mediach i literaturze nienaukowej często określa się również mianem mikrochipów (ang. microchips) lub układów scalonych, mimo iż występują między nimi pewne różnice techniczne. Na potrzeby tego opracowania autor używa ww. nazw zamiennie, określając wysoko zaawansowane komponenty znajdujące się we wszystkich urządzeniach elektrycznych. ↑

  2. A. Zola, Semiconductor, listopad 2021, TechTarget, https://www.techtarget.com/whatis/definition/semiconductor (dostęp: 20.08.2023). ↑

  3. A. Khan, Semiconductor wars, 3.05.2023, The Geopolity, https://thegeopolity.com/2023/05/03/semiconductor-wars/ (dostęp: 22.08.2023). ↑

  4. Superkomputery to niezwykle skomplikowane urządzenia, które dysponują mocą obliczeniową wielokrotnie przewyższającą siłę typowych komputerów domowych. Wykorzystywane są one przez ośrodki badawcze, wojsko oraz duże korporacje do prowadzenia zaawansowanych symulacji biochemicznych, astrofizycznych lub wykonywania złożonych obliczeń. ↑

  5. T. Duthois, E. Kandoul, Chip war: what are semiconductors and why are they at the heart of a ‘technology cold war’?, 18.05.2023, Euronews, https://www.euronews.com/next/2023/05/18/chip-war-what-are-semiconductors-and-why-are-they-at-the-heart-of-a-technology-cold-war (dostęp: 19.08.2023). ↑

  6. A. Khan, Semiconductor wars, 3.05.2023, The Geopolity, https://thegeopolity.com/2023/05/03/semiconductor-wars/ (dostęp: 22.08.2023). ↑

  7. Ibidem. ↑

  8. A. Hawkins, China’s war chest: how the fight for semiconductors reveals the outlines of the future conflict, 22.05.2023, The Guardian, https://www.theguardian.com/world/2023/may/22/chinas-war-chest-how-the-fight-for-semiconductors-reveals-the-outlines-of-a-future-conflict (dostęp: 25.08.2023). ↑

  9. Ibidem. ↑

  10. T. Duthois, E. Kandoul, Chip war: what are semiconductors and why are they at the heart of a ‘technology cold war’?, 18.05.2023, Euronews, https://www.euronews.com/next/2023/05/18/chip-war-what-are-semiconductors-and-why-are-they-at-the-heart-of-a-technology-cold-war (dostęp: 19.08.2023). ↑

  11. A. Khan, op. cit. ↑

  12. Ibidem. ↑

  13. A. Hawkins, op. cit. ↑

  14. Ibidem. ↑

  15. Z. Li, The future of China-US Chip War, 2.03.2023, The Diplomat, https://thediplomat.com/2023/03/the-future-of-the-china-us-chip-war (dostęp: 20.08.2023). ↑

  16. Bureau of Industry and Security U.S. Department of Commerce, Commerce Implements New Export Controls on Advanced Computing and Semiconductor Manufacturing Items to the People’s Republic of China (PRC), October 7 2022, https://www.bis.doc.gov/index.php/documents/about-bis/newsroom/press-releases/3158-2022-10-07-bis-press-release-advanced-computing-and-semiconductor-manufacturing-controls-final/file (dostęp: 17.08.2023). ↑

  17. A. Hawkins, Chip wars: how semiconductors became a flashpoint in the US-China relationship, 5.07.2023, The Guardian, https://www.theguardian.com/world/2023/jul/05/chip-wars-how-semiconductors-became-a-flashpoint-in-the-us-china-relationship (dostęp: 23.08.2023). ↑

  18. Ibidem. ↑

  19. J. Josephs, S. Tewari, US-China chip war: How the technology dispute is playing out, 16.12.2022, BBC News, https://www.bbc.com/news/business-63995570 (dostęp: 19.08.2023). ↑

  20. A. Hawkins, op. cit. ↑

  21. T. Duthois, E. Kandoul, op. cit. ↑

  22. J. Liu, Taiwan’s TSMC to invest $2.9 billion in new plant as demand for AI chips soars, 25.07.2023, CNN Business, https://edition.cnn.com/2023/07/25/tech/taiwan-tsmc-ai-factory-hnk-intl/index.html (dostęp: 23.08.2023). ↑

  23. Ibidem. ↑

  24. EU Chips Act: Leaders strike €43 billion deal to boost semiconductor production in Europe, 19.04.2023, Euronews, https://www.euronews.com/next/2023/04/19/eu-strikes-deal-to-boost-semiconductor-chip-production (dostęp: 24.08.2023). ↑

  25. R. Mason, D. Milmo, UK’s £1bn strategy for semiconductor industry lacks ambition, say critics, 19.05.2023, The Guardian, https://www.theguardian.com/business/2023/may/19/uk-1bn-strategy-semiconductor-industry-lacks-ambition (dostęp: 24.08.2023). ↑

  26. A. Hawkins China’s war chest: how the fight for semiconductors reveals the outlines of the future conflict, 22.05.2023, The Guardian, https://www.theguardian.com/world/2023/may/22/chinas-war-chest-how-the-fight-for-semiconductors-reveals-the-outlines-of-a-future-conflict (dostęp: 25.08.2023). ↑