Полупроводники для автомобилей что это

Горе от ума: на автозаводах заканчиваются микросхемы. Что такое «полупроводниковый кризис»?

Сергей Знаемский

В полушаге от беспилотной эры у мирового автопрома возник дефицит искусственного интеллекта. Вернее, «железа» для него — заводам не хватает микросхем!

П олупроводниковый кризис, а простыми словами — дефицит компьютерных «мозгов». Сюжет, достойный Азимова, Пелевина или братьев Вачовски, которые уже сестры. ­Постапокалиптический пейзаж, общество в цифровом делириуме, выживание отдельного человека полностью зависит от супергаджетов, которые не только добывают криптовалюту, но и обеспечивают доступ к таким жизненно важным ресурсам, как онлайн-магазины, виртуальные игры и автономный транспорт. Однако прогресс разогнался до таких скоростей, что уже недостаточно раз в год менять гаджеты на более мощную модель, обновления требуются ежедневно, поэтому в технику каждое утро нужно заливать не топливо, а дополнительные «мозги». Проблема только в том, что микросхем на всех не хватает. Кто достал хоть какие-то дополнительные чипы — имеет право шагнуть в завтра, а тому, кто не смог, дедушка Дарвин шлет воздушный поцелуй на прощание.

Эх, жаль ничего подобного пока не сочинили. Хотя реальность не менее изобретательна. Оцените цепочку событий и явлений. Начало 2020 года — коронавирус и вынужденная изоляция парализуют продажи автомобилей, заводы встают, автопроизводители отменяют заказы на комплектующие, включая и такие компоненты, как полупроводниковые микросхемы в составе всевозможных блоков управления. Освободившиеся квоты на микрочипы тут же разбирают производители электроники — у них-то как раз бум, только успевай штамповать ­ноутбуки, приставки, смартфоны и все, на чем можно запустить Zoom или видеоигры. Параллельно начинает взлетать курс биткоина и, следовательно, спрос на видеокарты для криптоферм. В структуре «потребления» полупроводниковых схем, по оценке компании IC Insights, производители компьютеров в ­2019—2020 годах занимали 32%, на смартфоны уходило 28% микрочипов, на бытовую электронику 14%, тогда как автомобили забирали всего 10%. Словом, из-за временной паузы в автопроме и появления лишних микросхем никто особенно не расстроился. Скорее даже наоборот.

Дефицит полупроводников останавливает мировой автопром. Что происходит?

Рост спроса на высокопроизводительные компьютеры в пандемию, когда большинство людей перешли на удаленную работу, спровоцировал дефицит чипов в других отраслях производства. Крупные мировые производители техники и целые отрасли столкнулись с проблемами в поставках — в частности, из-за нехватки полупроводников остановились автомобильные заводы. Разбираемся, как дефицит полупроводников влияет на крупные компании и что будет дальше.

Причины нехватки полупроводников — пандемия и Дональд Трамп

Среди причин глобального сокращения полупроводников называются две основные: последствия пандемии и торговых войн США и Китая, начатых при президенте Дональде Трампе.

В самом начале пандемии были скуплены персональные компьютеры и другая техника для удаленной работы или учебы. Осенью прошлого года повысился спрос на технику развлекательного назначения: игровые приставки, телевизоры, смартфоны и планшеты. Американская торговая группа Consumer Tech Association заявила, что в 2020 году розничные продажи в стране составили рекордные $442 млрд, и запрос на гаджеты, такие как игровые консоли, наушники и устройства для умного дома, в 2021 году будет только расти. Для производства всей этой техники нужны полупроводники.

Негативно на поставках полупроводников сказалось и торговое противостояние США и Китая. В прошлом году власти Штатов наложили ограничения на крупнейшего китайского производителя чипов Semiconductor Manufacturing International (SMIC). В результате компания осталась без возможности закупать оборудование для производства и продавать полупроводники американским компаниям. Заказчики были вынуждены сотрудничать с его конкурентами — например, Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSMC). Как итог — произошло серьезное перераспределение цепочек поставок чипов.

Многие производители полупроводников сейчас — это так называемые «безфабричные производства» (англ. fabless). Они лишь разрабатывают технологию, а само производство чипов передают на аутсорс.

Но некоторые компании заранее подготовились к возможным сбоям и закупили полупроводники еще до введения жестких санкций против китайского бизнеса. Так поступила Huawei, сделавшая запасы важных для нее радиочипов. Среди автопроизводителей так сделала Toyota, заявившая, что не планирует сокращать производство, так как накопила запасы полупроводников на четыре месяца вперед.

Из-за дефицита чипов больше всего пострадали автопроизводители

Сильнее всего нехватка полупроводников ударила по автопроизводителям, которые используют их для программного обеспечения машин. О приостановках или замедлении в выпуске автомобилей уже заявили GM, Ford, Volkswagen, Honda, Fiat Chrysler, Volvo, Nissan, Mitsubishi, Nio.

Дефицит микросхем задел производителей процессоров для электроники Qualcomm и AMD, поставляющих детали для технологических гигантов, в том числе Sony и Microsoft. Sony заявила, что сложности с поставками полупроводников могут привести к дефициту игровых консолей PlayStation 5. Даже Apple не справляется с нехваткой полупроводников — компания не может полностью закрыть высокий спрос на новые модели iPhone.

Автомобильные производства конкурируют с технологическими компаниями за поставки чипов не напрямую, так как для автомобилей не всегда нужны столь же современные полупроводники, как и для гаджетов. Они покупают чипы, которые как управляют основными процессами в машине, так и используются в более второстепенном ПО.

Особенность цикла цепочек поставок в автопроизводстве — все детали закупаются точно к моменту сборки, запасов на будущее не делается. Но отсутствие даже одного чипа может остановить производственную линейку крупного завода.

По значимости для производителей чипов автомобилестроительные компании на втором месте после технологических, так как создатели гаджетов заключают долгосрочные контракты на поставку. В 2020 году только 3% продаж TSMC приходилось на автомобильные чипы, а на полупроводники для смартфонов — 48%.

Что происходит с автомобильными компаниями из-за дефицита полупроводников

Ford — приостановил производство в Огайо, на другом заводе сокращена одна из рабочих смен. Ford F-150, а также кроссовер Ford Edge будут собираться без определенных деталей и отправляться дилерам только после того, как производитель получит микросхемы. Если проблемы с поставками полупроводников сохранятся на протяжении полугода, то годовая скорректированная операционная прибыль Ford снизится на $1–2,5 млрд.

Honda — останавливает шесть заводов в США, Канаде и Мексике.

Hyundai — сократил работу в выходные дни, чтобы скорректировать производство таких брендов, как Kona, Avante, Grandeur и Sonata.

Volvo — сократил производство грузовиков по всему миру.

Nissan — скорректирует производства на заводах в США и Мексике.

Nio — приостановила производство автомобилей на заводе Хэфэй. Компания снизила прогноз по производству на первый квартал до 19,5 тыс. единиц (предыдущий прогноз: 20–20,5 тыс. единиц).

Toyota — приостановила производство в Чехии.

Volkswagen — приостановил производство на заводе в Португалии.

Mitsubishi — сократил производство на внутреннем рынке на 4–5 тыс. единиц в марте и пересматривает производственный план на апрель.

Теперь автопроизводители оказались в самом уязвимом положении. Зная это, TSMC сообщила, что планирует вложить до $28 млрд на увеличение мощностей. Ожидается, что нехватка чипов приведет к сокращению продаж только среди автопроизводителей на $61 млрд в этом году.

Какие еще факторы влияют на дефицит полупроводников

• Резкое февральское похолодание в Техасе привело к отключению электроэнергии на производствах, что сказалось на предприятиях, выпускающих полупроводники.
• В Тайване, где находится крупнейшее производство микросхем, наблюдается сильнейшая за последние десятилетия засуха, из-за чего снижается водоснабжение заводов.
• В марте на заводе одного из ведущих мировых производителей автомобильных чипов Renesas Electronics в Японии произошел пожар, в результате которого было уничтожено все оборудование. Потери компании составят до $160 млн в месяц.

TSMC — главный бенефициар дефицита полупроводников

Главные производители чипов на данный момент — тайваньская TSMC и южнокорейский Samsung. TSMC контролирует более половины мирового рынка микросхем, изготавливаемых на заказ. Сейчас компания строит новый завод. Предполагается, что полупроводники с нового производства станут на 70% более быстрыми и эффективными, чем прежние. Производство будет запущено в 2022 году.

Производством чипов занимается и Intel, однако американская компания не справляется с этой задачей на 100% и часть работ передает на аутсорс TSMC. По данным Financial Times, Intel уже обговаривает возможное партнерство с TSMC по новому производству в Тайване. Аналитик по производству микросхем в Bernstein Марк Ли считает, что в 2023 году Intel передаст TSMC на аутсорс 20% производства процессоров.

В феврале TSMC объявила о создании дочерней компании в Японии для проведения исследований в области новых полупроводниковых материалов.

По мнению аналитиков, одна из ключевых причин, по которой TSMC настолько эффективна и прибыльна, это концентрация производства в Тайване. По оценкам приближенных к компании людей, производственные затраты в США будут на 8–10% выше, чем в Тайване.

Европейские компании занимаются разработкой полупроводников, но избегают создания собственных производств, а вместо этого передают большую часть работ сторонним компаниям вроде TSMC. Поэтому производство микросхем в Европе на несколько поколений отстает от лидеров отрасли, таких как TSMC и Samsung. Остальные мелкие производители серьезно уступают лидерам в технологиях и производственных мощностях.

Что будет дальше

Проблема с нехваткой полупроводников начинает набирать все большие обороты: правительства и компании уже высказывают обеспокоенность тем, что дефицит микросхем может замедлить восстановление экономики после пандемии.

Samsung предупреждает, что сбои с поставками чипов могут распространиться и на более широкий технологический сектор.

В исследовательской компании TrendForce считают, что общеотраслевые усилия по ускорению производства автомобильных микросхем могут привести к замедлению поставок полупроводников для бытовой электроники и промышленных приложений.

Глава Intel Пэт Гелсинджер заявил, что на устранение дефицита чипов потребуется около двух лет. Для этих целей компания построит два новых завода, вложив в увеличение мощностей $20 млрд. Intel будет производить полупроводники и для себя, и для других компаний.

Президент США Джо Байден также сообщил, что будет добиваться выделения $37 млрд для увеличения производства чипов в стране.

Полупроводниковые технологии в автомобилестроении

Тенденции развития автомобильного транспорта, применение современных двигателей, выполняемых на основе принципиально новых конструктивных решений и материалов, выдвигают требования работы электронных устройств в расширенных температурных диапазонах и меньших по объему пространствах. Поиск альтернативных методов получения энергии и развития беспроводных коммуникационных систем требуют повышения многофункциональности и снижения энергоемкости используемых для решения этих задач микроэлектронных устройств. Вот о том, что представляют собой современные полупроводниковые технологии в автомобилестроении, мы и поговорим в этой статье.

• Проводники (металлы)

Электрическая проводимость твердых тел

Способность отдельных материалов проводить электрический ток определяется количеством и подвижностью имеющихся в них свободных носителей заряда. Так, различие в удельной электропроводимости для твердых тел при комнатной температуре проявляется в преде­лах диапазона, определяемого от 10-й до 24-й степени. Поэтому материалы соответствующим образом могут быть подразделены по электри­ческим свойствам на три электрических класса. В табл. «Классификация проводимости материалов» приведено их описание с примерами.

Проводники (металлы)

В твердых телах содержится приблизительно 10 22 атомов на кубический сантиметр. Вместе их удерживают электрические силы. В ме­таллах имеется большое число свободных носителей заряда (один свободный электрон приходится на атом). Свободные носители зарядов обеспечивают металлам высокую электрическую проводимость. Для хоро­ших проводников она составляет примерно 10 6 См/см.

Диэлектрики (изоляторы)

Число свободных носителей заряда, обнару­живаемое в изоляторах, практически равно нулю. Соответственно, их электрическая про­водимость незначительна. Для хороших изо­ляторов она составляет примерно 10 18 См/см.

Полупроводники

Полупроводники по электрической проводи­мости занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Это — в от­личие от проводимости металлов и диэлек­триков — в значительной степени зависит от следующих факторов:

• Давление влияет на подвижность носите­лей заряда;
• Температура влияет на количество и под­вижность носителей заряда;
• Воздействие света влияет на количество и подвижность носителей заряда;
• Присутствие добавок также определяет, среди прочего, количество и тип носите­лей заряда.

Так как полупроводники зависят от указанных факторов, они пригодны для использования в ка­честве датчиков давления, температуры и света.