Świat bez mikroprocesorów nie istnieje

Świat bez mikroprocesorów nie istnieje

Na Tajwanie i w Holandii są firmy, które kształtują naszą cywilizację

Współczesny świat bez mikroprocesorów nie istnieje. Znajdujemy je w pralkach, lodówkach, kuchenkach mikrofalowych, telewizorach, aparatach fotograficznych, komputerach osobistych, smartfonach, tabletach, samochodach, nowoczesnym uzbrojeniu. W niemal każdym urządzeniu, z którego korzystamy na co dzień. Zapewniają sprawne działanie internetu, sztucznej inteligencji, sieci telefonii komórkowej, łączności satelitarnej, telewizji, handlu elektronicznego, szpitali, usług bankowych. W przyszłości będą odpowiedzialne za sprawne działanie pojazdów autonomicznych oraz internetu rzeczy.

Pandemia COVID-19 spowodowała zerwanie łańcuchów dostaw układów scalonych, w tym mikroprocesorów, co oznaczało ograniczenie produkcji najpierw przez największe koncerny samochodowe, a następnie fabryki produkujące urządzenia AGD. Na rynek trafiło też mniej komputerów osobistych, laptopów i urządzeń zapewniających sprawne działanie internetu. Wojna w Ukrainie oraz rosnące napięcie wokół Tajwanu uświadomiły zachodnim politykom, wojskowym i przedsiębiorcom, że jeśli Chiny zaatakowałyby wyspę, najbogatsze i najbardziej rozwinięte gospodarki świata pogrążyłyby się w niewyobrażalnym kryzysie. Dlaczego? Bo Tajwan jest światowym potentatem w produkcji układów scalonych, w tym najbardziej zaawansowanych mikroprocesorów montowanych w niemal każdym smartfonie, laptopie, komputerze osobistym, serwerze itp.

Na wyspie ma siedzibę i największe zakłady produkcyjne spółka TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), najważniejsza na świecie firma produkująca mikroprocesory dla amerykańskich, chińskich i europejskich koncernów elektronicznych. Jej centrala znajduje się w mieście Xinzhu, a w fabrykach i laboratoriach należących do TSMC zatrudnionych jest ponad 50 tys. pracowników.

Najbardziej spektakularnym przykładem współpracy Tajwańczyków z innym wielkim koncernem jest produkcja na zlecenie Apple’a zaprojektowanych przez Amerykanów procesorów Apple M1 i M2, które są sercem laptopów i komputerów produkowanych przez giganta z Cupertino. Wykonany w technologii 5 nanometrów procesor Apple M1 Ultra składa się ze 114 mld tranzystorów i wykonuje do 22 bln operacji na sekundę. To najpotężniejszy układ montowany w komputerach osobistych.

Wśród firm, które powierzyły TSMC produkcję procesorów, są: Nvidia Corporation – jeden z największych na świecie producentów procesorów graficznych; AMD – główny konkurent Intela, producent procesorów do komputerów osobistych i serwerów; VIA Technologies – produkujący układy scalone do płyt głównych komputerów osobistych, układy graficzne oraz mikroprocesory o niskim zużyciu energii; Qualcomm – producent mikroprocesorów Snapdragon stosowanych w smartfonach.

Lecz TSMC oraz kilku innych producentów nie mogłoby funkcjonować bez holenderskiej spółki ASML Holding N.V. z siedzibą w Veldhoven. Produkuje ona najnowocześniejsze urządzenia do fotolitografii, dzięki którym możliwa jest produkcja nowoczesnych mikroprocesorów oraz innych układów scalonych. Holding zatrudnia ponad 30 tys. pracowników. Współpracuje z 4,6 tys. firm na całym świecie i kontroluje ok. 70% rynku tych urządzeń. Najwięksi konkurenci Holendrów to Cannon, Nikon oraz Ultratech. Obecnie ASML produkuje urządzenia do fotolitografii w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV). Jest też właścicielem licznych patentów, które zapewniają Holendrom co najmniej dziesięcioletnią przewagę nad konkurencją.

Zniszczenie w wyniku działań wojennych zakładów TSMC na Tajwanie cofnęłoby cywilizację o 30-40 lat. Ten sam efekt można osiągnąć, niszcząc zakłady ASML w Veldhoven.

Zaczęło się od miski ryżu

Po II wojnie światowej mieszkańcy Tajwanu – jak trafnie zauważył premier Mateusz Morawiecki – „zapierdalali za miskę ryżu”. Kraj rządzony twardą ręką przez przywódcę Kuomintangu, marszałka Czang Kaj-szeka, miał charakter rolniczy i był biedny. Zmieniło się to po śmierci Czanga w 1975 r. Trzy lata później premierem Tajwanu został Sun Yun-suan, uważany za ojca tajwańskiego cudu gospodarczego. Rozumiał, że jeśli państwo nie będzie miało nowoczesnej gospodarki, padnie łupem Chin, rosnących w siłę po śmierci Mao Zedonga. Kierowany przez niego gabinet rozpoczął inwestycje w infrastrukturę, walczył z inflacją i wspierał rozwój przemysłu. Premier osobiście namawiał Chińczyków pracujących w Stanach Zjednoczonych, by otwierali swoje firmy na Tajwanie. Wkrótce na wyspie wyrosły przedsiębiorstwa produkujące komponenty dla amerykańskich spółek, głównie komputerowych.

Dziś wyspa jest potęgą w dziedzinie mikroelektroniki i ważnym dla całego świata dostawcą najnowocześniejszych układów scalonych, bez których nasza cywilizacja nie może się obejść. Taki jest efekt polityki premiera Sun Yun-suana, który zbudował „krzemowy mur” broniący przed zakusami potężnego sąsiada.

Jedną z pierwszych innowacyjnych firm powstałych na Tajwanie była założona w 1974 r. Foxconn Group, specjalizująca się w produkcji płyt głównych do komputerów. Prawdziwy bum, który odmienił wyspę, przypada na lata 80. W 1986 r. powstała spółka Micro-Star International, bardziej znana pod marką MSI. Jej specjalnością są dziś płyty główne do komputerów osobistych oraz karty graficzne. Istniejąca od 1989 r. firma ASUSTeK Computer Inc. sprzedaje laptopy, płyty główne i karty graficzne pod marką ASUS. Najważniejszą zaś, wspomnianą już TSMC, założył 21 lutego 1987 r. urodzony w Chinach, a wykształcony w USA dr Morris Chang. W 1953 r. ukończył on Massachusetts Institute of Technology, a w 1961 r. uzyskał doktorat na Uniwersytecie Stanforda. Przez ponad 20 lat pracował w koncernie Texas Instruments, dochodząc do stanowiska wiceprezesa. W 1985 r. został prezesem amerykańskiej spółki General Instrument.

Na Tajwan ściągnął go premier Sun Yun-suan, oferując stanowisko przewodniczącego i prezesa Industrial Technology Research Institute – sponsorowanej przez rząd organizacji non profit, która zajmowała się promocją i rozwojem przemysłu oraz nowoczesnych technologii. Dwa lata później dr Chang założył TSMC, która szybko stała się dochodowym producentem układów scalonych. W 2005 r. przekazał stanowisko Rickowi Tsaiowi, który także zdobył doświadczenie w USA, w koncernie Hewlett-Packard, i miał doktorat Uniwersytetu Cornella. Cztery lata później Morris Chang wrócił na fotel prezesa, by w 2018 r. przejść na emeryturę. Założona przez niego firma była wtedy największym i najnowocześniejszym na świecie producentem mikroprocesorów.

Ale jej sukces nie byłby możliwy bez współpracy z holenderskim ASML Holding N.V.

Tajemniczy gigant

Spółka ASML została założona w 1984 r. przez dwie holenderskie firmy – Philips i Advanced Semiconductor Materials International. Zatrudniała 17 pracowników, a zarejestrowano ją pod nazwą ASM Lithography. Zespół ten miał zbudować urządzenie, które, wykorzystując znaną drukarzom technikę litografii, „drukowałoby” na płytkach kryształów krzemu układy scalone. Lata 80. to czas rozwoju komputerów osobistych, które przebojem zdobywały rynek. Zapotrzebowanie na coraz bardziej zaawansowane układy i mikroprocesory rosło niemal w postępie geometrycznym. W 1986 r. zespół liczył już 200 inżynierów. Zbudowali oni i wprowadzili na rynek urządzenie do fotolitografii o nazwie PAS 2500, które zrewolucjonizowało produkcję układów scalonych. Było niezawodne, precyzyjne i bardziej wydajne od produktów konkurencji.

Jako pierwsi z nowych możliwości skorzystali Tajwańczycy z TSMC oraz amerykańska spółka Micron Technology. Dzięki produkowanym przez Holendrów urządzeniom układy scalone, które opuszczały ich fabryki, były tańsze i lepsze od oferowanych przez konkurencję. Dziś obie firmy należą do wiodących – TSMC jako producent mikroprocesorów, a Micron Technology jako producent pamięci półprzewodnikowych.

Rosła też pozycja spółki ASLM. Dzięki współpracy z zachodnioniemieckim producentem optyki, firmą Carl Zeiss, ich kolejne urządzenia do „drukowania” mikroprocesorów, wykorzystujące światło lasera, pozwalały uzyskać większą rozdzielczość i na cieniutkiej płytce krzemu można było upakować więcej tranzystorów. Rosła moc obliczeniowa nowych układów, a komputery osobiste stawały się coraz bardziej wydajne. Postęp był niewyobrażalny. Pierwszy mikroprocesor wyprodukowany w 1971 r. przez Intela miał 2,3 tys. tranzystorów. W roku 1997 spółka wprowadziła na rynek mikroprocesor Pentium II z 7,5 mln tranzystorów. A w roku 2019 r. tajwańska firma TSMC na zlecenie koncernu AMD wyprodukowała procesor EPYC zawierający 39,5 mld procesorów.

Sukces ten był możliwy dzięki opanowaniu przez Holendrów technologii fotolitografii wykorzystującej ekstremalny ultrafiolet – EUV. W tym procesie zamiast szklanych soczewek wykorzystuje się specjalnie wykonane lustra. Precyzję tych urządzeń porównuje się do strzelca, który z Ziemi może trafić główkę od szpilki na powierzchni Księżyca.

Opracowanie technologii EUV zajęło naukowcom i inżynierom ponad 20 lat. Dzięki niej mamy procesory produkowane w technologii 7 nanometrów. W roku bieżącym mają się pojawić procesory Ryzen firmy AMD produkowane na Tajwanie w technologii 5 nanometrów. Ostatnio Intel zapowiedział, że także jego procesory 14. generacji będą produkowane w tej technologii. Oczywiście przez TSMC na urządzeniach holenderskiej kompanii ASLM. Najdalej posunął się koncern IBM. W maju 2021 r. ogłosił, że jego inżynierowie pokonali kolejną barierę – jako pierwsi wyprodukowali układ scalony w technologii 2 nanometrów. Jednak do uruchomienia produkcji na skalę przemysłową jest jeszcze daleko. Nad podobnymi rozwiązaniami od dawna pracują Holendrzy. Chodzi o wykorzystanie w litografii promieni Roentgena, co pozwoliłoby na produkcję mikroprocesorów w technologii 0,1 nanometra.

Wojny krzemowe

W latach 50. i 60. prymat Amerykanów w produkcji układów scalonych był niepodważalny. Pierwszy tranzystor półprzewodnikowy został skonstruowany w 1947 r. w Bell Laboratories. Pierwszy mikroprocesor, Intel 4004, to także dzieło amerykańskich inżynierów. Do lat 90. amerykańskie fabryki uchodziły za najnowocześniejsze. A potem pojawiła się konkurencja, która wyparła je z rynku. Produkcja mikroprocesorów i układów scalonych stała się domeną Tajwanu, Korei Południowej, a ostatnio również Chińczyków z kontynentu. Amerykańskie spółki zajmują się dziś projektowaniem nowych układów. Wyjątki są dwa – Intel i Samsung. Te firmy same projektują i wytwarzają większość swoich mikroprocesorów.

Przez ostatnie 20 lat system ten działał idealnie. Wszystko zmieniła pandemia COVID-19. Z jej powodu na Dalekim Wschodzie czasowo ograniczano produkcję układów scalonych. Pierwsze odczuły to koncerny motoryzacyjne, które z powodu braku układów elektronicznych musiały wstrzymywać produkcję samochodów. Potem przyszła kolej na producentów komputerów, telewizorów, konsoli do gier i innej elektroniki użytkowej. Stany Zjednoczone oraz najbardziej rozwinięte kraje europejskie zrozumiały, jak groźne dla ich gospodarek jest uzależnienie od Azji w dziedzinie mikroelektroniki. W 2020 r. administracja amerykańska podjęła starania, by w USA powstały nowoczesne fabryki procesorów. Inwestorom obiecano wsparcie liczone w setkach miliardów dolarów. Na pewno Intel będzie chciał sięgnąć po część tych środków. Także TSMC planuje inwestycje w Stanach.

W połowie lutego 2021 r. francuski minister finansów zasugerował, że istnieje plan budowy europejskiej fabryki mikroprocesorów, która miałaby powstać dzięki zaangażowaniu światowych liderów tego sektora, czyli TSMC i Samsung Electronics Co. Sfinansowaniem budowy podobnej fabryki zainteresowany jest koncern Volkswagen. Jako producent samochodów potrzebuje niezakłóconych dostaw układów scalonych, którymi naszpikowane są nowoczesne pojazdy, zwłaszcza elektryczne. Na początku sierpnia br. z kolei włoski rząd ogłosił, że w 40% pokryje koszt budowy nowej fabryki Intela na terenie Piemontu lub prowincji Veneto. Wartość inwestycji szacowana jest na 5 mld dol.

To część wartych 88 mld dol. europejskich planów inwestycyjnych Intela, który chce wybudować nowe zakłady w Irlandii, w Niemczech, we Francji i we Włoszech. Berlin zapowiedział, że przyzna mu 7,3 mld dol. na budowę wartej 19 mld dol. fabryki w Magdeburgu. Z pewnością inne kraje będą równie hojne.

Za to w bardzo trudnej sytuacji znalazła się Rosja. Sankcje w reakcji na wojnę w Ukrainie spowodowały, że z dnia na dzień została odcięta od dostaw nowoczesnych układów scalonych. W ostatnich latach Rosjanie zaprojektowali dwa rodzime mikroprocesory, Elbrus i Bajkał, z wykorzystaniem których można produkować komputery osobiste i serwery. Ich wytwarzaniem zajmowała się tajwańska spółka TSMC. Gdy sankcje weszły w życie, przerwała produkcję i Moskwa została z niczym.

Obecnie w Rosji nie ma ani jednej fabryki zdolnej produkować układy scalone o możliwościach choć zbliżonych do tych, jakimi dysponuje Zachód. Kilka lat temu Rosjanie gotowi byli kupić w Holandii urządzenia do fotolitografii produkowane przez ASML, lecz im odmówiono. Dziś, bez względu na oferowaną kwotę, nikt im ich nie sprzeda. Pozostaje przemyt i tzw. import równoległy, co będzie bardzo drogo kosztowało. A bez najnowocześniejszej mikroelektroniki pod znakiem zapytania stanie zdolność rosyjskiego przemysłu zbrojeniowego do produkcji nowoczesnego uzbrojenia. Ten rodzaj sankcji jest i będzie dla Kremla najdotkliwszy.

Polska w mikroelektronice się nie liczy. Niczego nie produkujemy, nie ma też planów budowy fabryk wytwarzających nowoczesne układy scalone. Nie dziwmy się. W gospodarce opartej na węglu, wieprzowinie i służbach specjalnych z powodzeniem można wytwarzać jedynie onuce.

m.czarkowski@tygodnikprzeglad.pl

Fot. ASML

Wydanie: 34/2022

Kategorie: Technologie

Napisz komentarz

Odpowiedz na treść artykułu lub innych komentarzy