Светът в силициева черупка

Пандемия, 5G и недостиг на чипове. Това са трите теми, които властват в технологичния свят през последната година и половина. Всяка една от тях оказва директно влияние върху нашето ежедневие и в световните процеси като цяло. Докато пандемията е по-скоро здравен проблем, много хора и издания се опитват да я пречупят през призмата на технологиите, с цел да се възползват от популярността ѝ. Темата за мобилните мрежи от пето поколение (5G) е покрита доста силно от TechTrends.

През цялото това време недостигът на чиповете беше само споменаван в този сайт, без да бъде разгледан подробно. Причините за това са няколко. През почти цялата 2020 г. за този проблем се говореше интензивно, но доста повърхностно. Той беше загатван само от вендори, без да има достатъчно информация за причините, факторите и мащабите на дефицита. Едва през настоящата година започнахме да усещаме първите последствия, които позволяват да се даде много повече контекст и да се анализира в детайл.

По-голямата причина, която наложи да изчакаме с подробното разглеждане на темата е друга – геополитическият аспект. За него имаше много малко детайли през 2020 г., но през последните месеци има достатъчно индикации, че краткосрочните проблеми на дефицита на чипове, ще имат много, ама много по-голям ефект в дългосрочен план. Той ще е концентриран върху надпреварата на някои основни световни сили в постигането на технологична независимост върху пълния цикъл на производство и дистрибуция на тези ключови компоненти.

Дефицитът на чипове отключва тези процеси, които почти сигурно ще предначертаят технологичния пазар за следващите десетилетия. Този аспект е много по-важен и ключов, отколкото самия недостиг и затова изчаквахме да обединим двете теми в една, тъй като те са взаимосвързани. Най-малкото защото светът вече е в силициева черупка – толкова е зависим от дигиталните технологии.

Част I: Пътят на силиция

За да разберем дефицита, трябва да видим каква е настоящата ситуация със значението на процесорите, техния цикъл на дизайн-производство-дистрибуция и пазара. Или с други думи да проследим тяхната основна роля и като цяло пътя на силиция след преработването му до интеграцията му в устройствата.

1.1 Ключова роля

Малко хора си дават сметка, че скоростната дигитализация през последните години води до ситуация, в която все повече предмети и устройства идват с вградени чипове. Самите те можем условно да разделим на два типа – ниско и високопроизводителни. Търсенето и към двете се увеличава с геометрична прогресия през последните години.

Когато стане дума за чипове, всеки един от нас почти винаги си представя процесорите от компютрите, лаптопите и все повече – смартфоните. Тези компоненти много често формират основна част от цената на дадено устройство. Независимо дали става дума за изчислителни, графични или комбинирани процесори. Те започват да се интегрират и в други системи – телевизори, конзоли, автомобили.

Нископроизводителните включват разнообразни сензори или чипове с много тясна специализация, ниска консумация на ток и ниска изчислителна мощ. Те могат да се намерят във всякакви джаджи, като охранителни камери, сензори за стълбищно осветление или врати. В един автомобил например все повече има десетки, ако не и стотици такива компоненти, които следят различни параметри.

Колкото и да се дава значение на софтуера през последните десетилетия, дигиталната революция не може да се осъществи без специализирания хардуер. Чиповете заемат основна роля при последния. 5G мрежите ще отключат още повече възможности за свързани устройства и търсенето на подобни компоненти само ще се увеличава.

1.2 Архитектура и дизайн

Разработката на процесори също е нещо, което доста често се разбира погрешно. Повечето потребители си мислят, че компании, като Apple, Samsung, Qualcomm, Nvidia и др. правят свои модели високопроизводителни чипове, но и ги произвеждат. Процесът не е точно такъв.

Първо, се създава самата архитектура, по която впоследствие се прави дизайн на различните модели. В момента има два установени стандарта и три компании, които ги разработват. Това са познатите ARM и x86 архитектури. Първата е дело на едноименната британска фирма, а втората се развива от Intel и AMD.

Следващата стъпка е в изработването на дизайна на самите процесори или системи на чип (System on a Chip – SoC). Специфичното за ARM е, че компанията има приета бизнес стратегия, само да създава архитектурата и след това да я лицензира към други технологични дружества, които да изграждат своите модели. Точно, по този начин Apple създава чиповете за своите устройства, като от последната година преминава почти изцяло на собствен дизайн компоненти, използвайки за база архитектурата на британците.

AMD и Intel създават собствени дизайни и не лицензират своите. Те въпреки това може да работят в тясно сътрудничество с крайните производители на компютри, но не им дават достъп до проектантската част на отделните модели чипове.

Точно с ARM архитектура се хвалят разработчици като Apple, Samsung, Huawei, Mediatek, Qualcomm и други, че имат собствен „силиций“. При графичните чипове имаме малко по-различна ситуация, като Nvidia и AMD имат собствени архитектури, които ползват за своите цели. В разработките на Intel и ARM, GPU-то може да бъде интегрирано в SoC решението.

1.3 Производство и пазар

За момента всичко изглежда добре с разгръщаща се фуния на производствения цикъл – имаме две архитектури, развивани от три компании, които после се развиват от около десетина други дружества. Техните дизайни обаче трябва да се произведат – също високотехнологичен процес. През годините той е оптимизиран и до голяма степен аутсорснат към тясно специализирани компании. Към 2021 г. има само ТРИ производителя на високопроизводителни и модерни чипове – тайванската TSMC, Intel и Samsung. Което вместо да разширява допълнително, реално стеснява фунията на дистрибуция.

Причината да има само една компания, която има затворен цикъл на разработка, дизайн и производство е проста – изключително високите разходи. Например, изграждането на поточна и оборудвана линия за процесори с 3nm ARM архитектура коства на TSMC 19.5 млрд. долара. Има много други производители, но те могат да си позволят инфраструктура за нископроизводителни или по-стари модели чипове и технология за тях. Китайският SMIC направи такава за 14nm към края на миналата година.

Икономическата логика е следната – колкото по-сложна е технологията, толкова по-скъпа за направа е, но и с по-голям марж. Затова създаването на фабрики с леярни (foundries) за чипове с най-модерната архитектура е сравнително трудно за изпълнение и само няколко фирми могат да си го позволят. Самите те използват и старото оборудване, за да произвеждат и нископроизводствени чипове. TSMC отговаря за 28% от целия пазар на процесори с до 40nm технология за 2021 г. Като основна част са съсредоточени във високия клас чипове.

Основните производствени капацитети се намират в Тайван, Китай и САЩ. Малка част от средните класове процесори може да се намерят и в други страни в Европа, Америка и Азия, а ниския клас все повече се аутсорсва в евтини дестинации. При последните е и България, с производствените мощности на Melexis, например.

Част II: Недостигът на чипове

Ограниченият капацитет, особено на високопроизводителни компоненти и повишеното търсене подлагат на изпитание доставките още в края на 2018 г. За недостиг се говори в професионалните среди все повече през 2019 г., като експертите подчертават например, че възстановяването на PC пазара може да бъде заплашено от недостатъчно наличните процесори. Пандемията налива допълнително масло в огъня през 2020 г. С което достигаме до настоящата ситуация.

Така се стига до ситуация в която просто има огромен интерес на пазара, а производството е изправено пред различни предизвикателства. Търговската война между Китай и САЩ също допринасят за това напрежение при доставчиците. Дори без коронавирус пандемия, щеше да се стигне до дефицит, макар и не толкова остър.

2.1 Причини и фактори

Причините за увеличеното търсене във всеки сектор е различно. То е факт още от края на 2019 г. и може би е добре да видим нуждите на някои от водещите индустрии по света преди избухването на пандемията:

PC и лаптопи – Търсенето на нови устройства е подсилено през 2019 г. и много компании планират повече доставки през 2020 г. също. Причината е в подмяната на оборудването, покрай приключването на поддръжката на Windows 7 и преминаването на компютри, които могат да ползват по-новия Windows 10.

Смартфони и гейминг – Производителите на умни телефони очакват повече доставки и заявки, заради преминаването към 5G устройства. Транзицията по план трябваше да се засили през 2020 г. Геймърите също имат повод за подмяна, тъй като Sony и Microsoft планират своите конзоли от ново поколение да излязат през 2020 г. Тези устройства също изискват доста високопроизводителни чипове – CPU и Графичните карти също преминават към новата технология Ray Tracing и в комбинация с интереса на геймърите и на добиващите криптовалути също стават дефицитна стока още през 2019 г.

Авто индустрия – Колите стават все по-сложни и изпълнение със свързани функции, мощни бордови компютри и множество сензори. Екстри като частична автономност изискват доста по-добри процесори, но не само, като това е най-високотехнологичния пример. Съвременната кола е пълна с разнообразни датчици, които стават все по-сложни и свързани един с друг.

Смарт домове и градове – Всяка нова охранителна камера, умен хладилни, часовник и други вече се свързват към интернет и съответно изискват поне един или няколко чипа от по-нисък клас. Това добавя милиони нови устройства и стотици производители, които правят заявки за полупроводници.

Облачни технологии – достъпната дигитализация става възможна най-вече покрай облачните системи и платформи. Те изискват огромни центрове за данни и всеки сървър реално си е цял компютър. Дали ще са базирани на CPU или GPU – няма значение, търсенето на подобен тип услуги, движи и доставките на подобен тип устройства.

2.2 Ефектът на пандемията

Началото на 2020 г. преобрази света в рамките на няколко седмици. Всички останахме затворени по домовете си, покрай първата вълна на пандемията. През пролетта, а после и през есента станахме свидетели на няколко тенденции, които създадоха перфектни условия за кризата с чиповете. Китай, Тайван, Южна Корея и Япония бяха затворени в рамките на няколко месеца. Това означава, почти или пълен блокаж на производството на електроника, включително и на процесори.

В същия момент, хората затворени по домовете си усещат необходимостта от по-нови и повече устройства, за да могат да задоволят своите нужди за дистанционна работа, обучение или забавление. Интересът към компютри и най-вече към лаптопи рязко се повишава в рамките на пандемията.

Компаниите, които са принудени да преминат в дистанционен режим на работа трябва да осигурят нови устройства на своите служители. Така се стига до огромни заявки на корпорации и крайни клиенти, а перспективата за наличности намалява.

Интересът към видеоигрите расте, както и към криптовалутите. Това повишава търсенето на видеокарти, по-мощни процесори и конзоли. Биткойн става един от основните финансови инструменти за спекула и за временно хеджиране на риска от очакваната от всички икономическа криза, вследствие на пандемията.

2.3 Последствията

Всичко това води до брутален дефицит на определени стоки и чипове. Високия клас графични карти вместо да поевтиняват с пускането на новогодишните модели, те стават трудни за намиране и поскъпват. Огромният интерес към процесори с висока производителност и намален производствен капацитет карат основните компании да насочат линиите си към тях. Защото в тях има по-добри маржове и ще могат да компенсират времето, в което фабриките не са работили.

Компютърните и смартфон вендори имат дота добро планиране и логистика, като успяват да се презапасят и реално не усещат толкова силно ефекта на недостига на чипове през 2020 г. Стопяването на складовите наличности обаче поставя под въпрос тяхната адаптация през 2021 г. Търсенето се повишава, а разширяването на производството е доста бавен процес. Затова все повече се чуват предупреждения от компании като Intel, Nvidia, Samsung и дори Apple, че може да имат проблеми с традиционните си портфолиа от устройства през тази, а може би и през следващите не една, а дори две години.

Това оставя „на сухо“ не малка част от по-евтините компоненти и клиенти, които не са толкова традиционни на производителите. Автомобилната индустрия изпада в много лоша ситуация. Кризата при тях е най-очевидна, защото гигантите не са традиционни големи клиенти на премиум чипове. Те нямат толкова отработени процеси за поръчка и логистика на процесори и високотехнологични компоненти. Съответно са по-малко адаптивни към подобни форсмажорни обстоятелства. Сега, автоиндустрията е на колене, като вече за нова кола се чака с месеци, а може би години. Което ни води едно дежавю и лека аналогия от социалистическия период в България и начина по който се сдобиваше обикновения гражданин с автомобил.

Пропуснатите ползи за всички сектори са огромни. Само автомобилната индустрия изчислява загуби на 110 млрд. долара за 2021 г. Почти всеки един от изброените сектори при нормални обстоятелства щеше да разполага със стабилен ръст и приходи. С което пълният мащаб на дефицита на чипове ще се изчислява тепърва, ако изобщо може да се обхване целия ефект.

Част III: Геополитиката на чиповете

До този момент, разпределението на отделните елементи по веригата на проектиране, произвеждане и доставяне на процесорите не е създавала проблеми или напрежение. Отделните държави и компании се възползваха от възможностите на глобализма. Тенденцията за постепенен протекционизъм и евентуална регионализация (или „балканизация“) на технологиите в комбинация с пандемията преобърнаха тази представа.

Производството на чипове във фокуса не само на IT гигантите, но и на политиците. Появи се необходимостта на всяка една от големите регионални и световни сили да разполага със собствен капацитет за разработката и създаването им. Инвестициите на основните страни в тази посока през последните близо две години, показват ясно, че който има контрол върху компоненти, като процесори ще има предимство в геополитичен план.

3.1 Търговската война

Най-силната илюстрация за това дойде с търговската война между САЩ и Китай. Конкретният пример са санкциите върху Huawei, като Вашингтон в един момент отряза достъпа до ключови компоненти за компанията. Забраната за ползване на софтуерната платформа на Google не се оказа толкова фатално, колкото „задушаването“ на доставките на ключови компоненти.

Китайският гигант има собствен дизайн на процесори – Kirin, които все повече се доближават до най-добрите американски образци. Те ползват лиценза на ARM архитектурата. Последната е британска (все още) и САЩ не могат да ѝ повлияят. Но производството на самите чипове е поверено изцяло на тайванската TSMC, която ползва оборудване на щатски вендори. Именно чрез тях, Вашингтон заплаши тайванците, че ще нарушат санкциите, ако доставят чипове за Huawei.

Резултатът е, че китайският гигант беше буквално изкаран от бизнеса със смартфони. Съдбата на целия му бизнес за потребителска електроника в момента се крепи на това, кои доставки с чипове позволява Вашингтон и кои – не.

САЩ може да постигнат по-пълен контрол на началото на веригата. Nvidia обяви, че придобива ARM в историческа сделка за 40 млрд. долара. Въпреки, че производителят на графични чипове е основан от тайванец, компанията е американска. Което може да даде на Вашингтон интересен контрол върху двете основни архитектури за високопроизводствени процесори.

Сделката обаче трябва да мине одобрение през регулаторите в Европа и в Китай, защото ARM има големи звена и в двата региона. Азиатската държава може да не допусне сделката именно поради тази причина.

3.2 Основните конкуренти – САЩ и Китай

Санкциите срещу Huawei принудиха Китай да търси алтернативи. Не само на доставки, но и на производство. В страната е концентриран огромен капацитет, като неслучайно има прозвището „фабриката на света“. За съжаление, това производство е нискотехнологично на фона на тенденциите. Флагманът на Китай при процесорите е SMIC, в която добри позиции имат държавни и военни фондове.

Тя получи допълнително финансиране от 2 млрд. долара през 2020 г., за да изгради модерна поточна линия. Към момента, SMIC има капацитет да прави 14nm чипове. Предвид факта, че най-технологичното ниво на пазара в момента е 5nm, а TSMC вече изгражда 3nm говори доста за пътя, който трябва да извървят китайците.

Пандемията и китайските амбиции карат САЩ да пренасочат част от технологичния цикъл на своя територия. Независимо, че Тайван се води близък съюзник, тя все пак е разположена далеч от Америка, което само по себе си представлява риск за доставките. Политиците във Вашингтон приеха закон, който предвижда осигуряването на 52 млрд. долара за изграждането на производствени мощности за полупроводници в страната. Част от този капацитет на Intel е в САЩ, но доста е аутсорсната, компанията дори планира още повече да изнася.

От друга страна, Вашингтон се опитва да натисне тайванците от TSMC да инвестират в САЩ и да пренесат част от капацитета си там. През юни компанията започна изграждането на такава фабрика в щата Аризона на стойност 12 млрд. долара. Тя ще разполага с леярна за 5nm чипове и ще заработи през 2024 г.

3.3 Реакцията на Южна Корея и изоставането на Европа

Битката между САЩ и Китай е основната при процесорите, но не са единствените държави, които ще се опитат да развият собствено производство на процесори. Южна Корея и най-вече индустриалният гигант Samsung се подготвя да навлезе още по-силно на тази сцена. Компанията планира да инвестира 150 млрд. долара в производствен капацитет до 2030 г. Сеул вече обяви, че ще подпомогне по един или няколко начина тази инициатива. Samsung ще се опита да вземе по-голям част от дела на TSMC.

Стигаме до Европа, която усети кризата с недостига на процесори по най-тежкия начин. Автомобилната индустрия, която е перла в короната на германската икономика пострада значително, а ситуацията е сходна и с френските производители. Старият континент обаче отговаря за едва 10% на доставките на чипове, при това за не толкова високотехнологичните. Европейският съюз (ЕС) разпозна опасностите за регионализация и риска от това да не разполага с механизми за преодоляването на подобни шокове на производството на процесори.

„Определено има игра между САЩ и Китай в момент и тя най-вероятно ще става все по-груба. Ние в Европа имаме намерение да се включим напълно в тази нова геостратегическа игра на шах“ Тиери Бретон, Eврокомисар за единния пазар на ЕС

„Определено има игра между САЩ и Китай в момент и тя най-вероятно ще става все по-груба“, коментира еврокомисарят на единния пазар Тиери Бретон. „Ние в Европа имаме намерение да се включим напълно в тази нова геостратегическа игра на шах“.

Тези думи много добре обобщават добре ситуацията в света на силиция и как недостига на чипове се превръща в истинска геополитическа надпревара. Единствено оптимизмът му за възможностите на Европа може да се окаже по-труден за реализиране отколкото смятат политиците в Брюксел. Което не е добра новина за Стария континент. Проблемът е, че тя започва ако не от нулата, то поне от много ниско ниво на развитие. Което е парадоксално предвид факта, че ARM е един от малкото успешни високотехнологични проекти на ЕС в дългосрочен план. Историята е доста интересна и някой път може да се спрем и на нея.

Лошата новина е, че Брюксел започва да действа по своя познат начин – големи изказвания, които са последвани от тромави процедури и стратегии. Докато реалните резултати идват поне след десетилетие. В някои случаи, когато те се материализират, идеите се оказват морално и технологично остарели. В случая ЕС вече започва да мисли за механизми за финансиране. Надеждата им е в нидерландския доставчик на оборудване ASML, което има нишов монопол върху определени компоненти за леярните за чипове. На Стария континент обаче няма голям производител, който да може да прави самите процесори.

Европа правилно определя новата надпревара в производството и доставката на чипове като геополитическа игра на шах. Тенденцията е за засилване на регионалното производство, за да може основните сили да не са толкова зависими от шокови ситуации. Независимо, дали са предизвикани от пандемия или от търговска война.