• Polprevodniki, natančneje mosfet tranzistorji v integriranih vezjih, so najbolj množičen industrijski izdelek v zgodovini človeštva. Brez njih ni modernosti, niti digitalnega vsakdana.
  • Dostop do, ter proizvodnja, najnaprednejših čipov postaja sfera “hladno-vojne” tekme med ZDA in Kitajsko, v katero sta vpeta tudi EU in preostali svet.
  • V ozadju leži tehnološka zahtevnost načrtovanja in izdelave mikročipov, kakor tudi dostopnost surovin. K polemiki dodaja svoje še prenos znanja (technology transfer) in varnostna vprašanja, kot so cyberattack in backdoor v napravah. Celotno stanje je otežila še pandemija, ki je skrhala oskrbovalne verige in privedla do vsesplošnega pomanjkanja čipov.
  • V kolikor se nadaljuje globalna digitalizacija družb in civilizacije, bo računska moč mikročipov ostala ena od ključnih komponent razvoja. Glede na hladne odnose v mednarodni areni je tekmovanje skorajda neizbežno.

Polprevodniki so širši pojem kot tranzistor. Slednji so le daleč najpogostejša oblika polprevodnikov. Tranzistorji (najmanjši 5nm) so sestavni del integriranih vezij – tudi več milijard na nekaj cm2. Integrirano vezje (tudi čip) je mikrovezje, sestavljeno iz množice elektronskih elementov, ki so na skupnem substratu iz polprevodniškega materiala med seboj povezani v električno vezje. Integrirano vezje se po izdelavi vgradi v ohišje tej celoti pa pravimo čip. Beseda čip izhaja iz ameriškega računalniškega slenga in pomeni silicijevo rezino. Odličen pregled računalniške znanosti se nahaja tu, ter sama izdelava 1, 2, 3, 4, 5.

GEOPOLITIKA TRANZISTORJEV in INTEGRIRANIH VEZIJ

Polprevodniki, natančneje mosfet tranzistorji v integriranih vezjih, so osnovni gradnik napredka zadnjega stoletja. Brez njih ni modernosti, niti digitalnega vsakdana. So najbolj množičen industrijski izdelek v zgodovini človeštva. Ocenjuje se, da je bilo med 1960 in 2018 izdelanih 13 triljard (sextillion) – 13×10²¹ – mosfet tranzistorjev. Pričelo se je z velikostjo 50µm (mikrometer); trenutno je najnovejši proces 5nm (nanometer); v razvoju je 3nm.

Dostop do, ter proizvodnja, najnovejših mikročipov postaja del “hladnovojne” tekme med ZDA in Kitajsko, v katero sta vpeta tudi EU in preostali svet. Globalni ustroj tokrat ni popolnoma bipolaren, temveč multipolaren – mednarodna skupnost ne bo nujno omejena le na dva bloka (ZDA vs Kitajska), temveč se pričakuje množico različnih zavezništev med državami in aktivno diplomacijo v regijah ter globalni ravni. Pomembna razlika je tudi globalna povezanost svetovne trgovine, daleč nad stanjem med prvo Hladno vojno.

Geopolitiko povrhu komplicira tehnološka zahtevnost načrtovanja in izdelave mikročipov, kakor tudi dostopnost surovin. K polemiki dodaja svoje še prenos znanja (technology transfer) in varnostna vprašanja, kot so cyberattack in backdoor v napravah. Pandemija je medtem razkrila trhlost oskrbovalnih verig (stoječe tovarne zaradi pomanjkanja čipov in visoke cene elektronike) ter sočasno povečala povpraševanje po svetu. Prihodnost, vsaj scenarij nadaljnje digitalizacije družbe, predpostavlja večje potrebe po računski moči – IoT in metaverse hype nista možna brez triljard tranzistorjev v bilijonih mikročipov.

Večina integriranih vezij se načrtuje sicer v zahodnih državah, vendar proizvaja in sestavlja v vzhodni Aziji in ZDA (1, 2). Rezultat je dirka med državami za vzpostavitev “lokalne” proizvodnje, ki bi bila odpornejša na šoke v oskrbovalnih verigah ter varnejša glede tehnološke kraje in vdorov. V teku so načrti za nove ameriške in evropske tovarne integriranih vezij (semiconductor fab); industrijo spodbujajo tudi drugje po svetu, med drugim v Indiji ter na Japonskem. Dodatne kapacitete gradi južno-korejski Samsung in tajvanski TSMC. Seveda je tudi Kitajska v zadnjih letih namenila za razvoj in proizvodnjo več deset milijard $.

Povprečen fab zahteva več let in med 10-20 milijard $ investicije za zagon. Potrebuje zanesljivo oskrbo z elektriko, vodo in čim manj potresov, ter seveda visoko izobražen kader. K naštetemu je potrebno dodati še surovine. Kitajska je v zadnjih dveh desetletjih dominirala trg redkih kovin (rare earths), vendar se razmere obračajo. Preostali svet kljub temu pohitreno odpira nove rudnike in išče dodatna nahajališča.

  • Prva era integriranih vezij z mosfet tranzistorji se odvije v ZDA. Sledi premik proizvodnje v Azijo, kjer več držav stavi na panogo za bodočo gospodarsko rast in financira razvoj s proračunom. V 80tih so dominantni Japonci. Tekom 90tih postaneta močna Južna Koreja (Samsung) in Tajvan (TSMC), ki sta med tremi največjimi proizvajalci čipov še danes, poleg ameriškega Intel. (1, 2, 3, 4, 5) Pregled največjih proizvajalcev po svetu jasno kaže njihove lokacije – večinsko so v “zahodnem bloku” oziroma sferi, seveda s caveat multipolarnosti. ZDA in EU si nista več tako blizu kot med Hladno vojno: NATO postaja relikvija, saj se ZDA fokusira na Pacifik, kar odražata AUKUS in QUAD zavezništvi.
  • Glede proizvodnega procesa je potrebno razlikovati med načrtovanjem in fizično proizvodnjo procesorja (foundry). Mnogo proizvajalcev, ki je pred desetletji proizvajalo čipe interno, jih sedaj naročajo pri drugih (fabless). Razvoj fotolitografije zahteva milijarde konstantnih investicij, v kolikor želi proizvajalec ostati na vrhu. K temu je potrebno dodati 10+ milijard dolarjev investicij za fab. Kot omenjeno imajo najnovejši node Intel, TSMC in Samsung. “Drugorazrednih” gigantov s starejšimi procesi je mnogo več – Broadcom (zda), Qualcomm (zda), Hynix (kr), Micron (zda), Texas Instruments (zda), GlobalFoundries (zda), Infineon (de), SMIC (cn), TowerJazz (il) etc. Preostane še pure play “liga” proizvajalcev, ki le tiskajo čipe in sestavljajo vezja (assembly) za brande. Industrija je izjemno prepletena – pooenostavljeno se podjetja deli na fabless, IDM, ter pure play.
  • Tehnološko imajo najnovejšo fotolitografijo na voljo Intel, Samsung in TSMC – pred desetletjem so skupaj investirali 10-20 milijard $ v nizozemski ASML, ki proizvaja najnaprednejše aparate za proizvodnjo tiskanih vezij na svetu. Večina tovarn za mikročipe kupuje opremo za izdelavo od ASML (1, 2, 3, 4, 5). Najnovejši EUV proces (nujen za mikroprocesorje <7nm) je pod embargom za izvoz na Kitajsko. Slednja ima že na voljo fabe s starejšim procesom, ki je cca 5-10 let v zaostanku glede na ASML (10-20nm). Prek nakupa Via je dobila tudi dostop do starejše x86 arhitekture, iz katere se razvija “avtarkične” kitajske procesorje.
  • Dober fabless primer je Apple, ki ima tesno vez z TSMC; Apple naredi načrt, TSMC ga pretvori v oprijemljiv mikročip. Fabless sta tudi ARM in Nvidia. Intel proizvaja čipe interno: po novem naj bi omogočil zunanja naročila. AMD jih naroča pri GlobalFoundries in TSMC. Broadcom in Qualcomm sta fabless in zamudila svoj razvoj 5G (bila sta dominantna med tri in 4G), kar je eden od razlogov za 5G histerijo zoper Kitajsko (partija je pomagala kitajskim podjetjem pri razvoju; na poti je šesta generacija).

Pri tehnologiji zaslužni za proizvodnjo čipov je hladna-vojna dejansko že v polnem teku. Kitajska in Tajvan sta povezana zgodovinsko in ekonomsko, ne glede na politično stanje. Tajvanske (in druge) korporacije proizvajajo čipe na otoku, assembly se mnogokrat odvija na kitajski celini zaradi nizke cene delovne sile. Kitajska je 2018 in 2019 uvozila za 300 milijard $ čipov, polovico za lasten trg in polovico za izvoz v končnih izdelkih. 2019 je ZDA uvedla sankcije, ki so okrnile dostop kitajskih proizvajalcev do tujih čipov in tehnologije. (1, 2, 3, 4, 5, 6) Partija je v zadnjih desetletjih sočasno investirala v razvoj in izgradnjo lastne proizvodnje čipov. Načrtno je tudi silila k sodelovanju in zahtevala čim več prenosa tehnologije in znanja. Diplomatski odnosi med Tajvanom in PRC so seveda dominirani z zgodovino, vendar je del enačbe tudi TSMC ter ostali tajvanski fabi in baza znanja – posledično ne čudi, da je Tajvan deležen aktivne diplomacije s strani ZDA in EU.

V zadnjem letu in pol sta med globalnim pomanjkanjem čipov akutnost situacije doumeli ZDA in EU ter preostali svet. Več držav namerava prek sodelovanja s TSMC in Samsungom izgraditi več “lokalne” proizvodnje. S strani TSMC je alociranih 100 milijard $ investicij do 2023. Tajvanska stran se zaveda, da jo poglabljanje vezi z velesilami ščiti pred kitajskim pritiskom; med njihovimi kupci je tudi ameriška vojska. Dogajanje se lahko smatra za del obljubljenega decouplinga. Tehnološko tekmo se je sicer pričakovalo, oz prihaja v ospredje že zadnje desetletje, saj je venomer element geopolitike. (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13)

Napovedi prihodnjega dogajanja o ločevanju in tekmi niso le težavna, temveč mnogokrat pretirana. Dosega polprevodniške “neodvisnosti” je nerealen cilj, saj je proizvodnji proces prezahteven za nesmiselno podvajanje kapacitet. Pričakuje se pojav novih fabov v ZDA in EU, kakor tudi drugod. Mnogo držav si želi vsaj nek del “avtarkične” proizvodnje, s 100% varno verigo nastanka od načrtov do tiska in uporabe čipa – prva odjemalca v vrsti sta varnostni in obrambni sektor, sledi jima telekomunikacijski. Glede ostale potrošniške elektronike bo trg najverjetneje še vedno rasel, vendar postajal vedno bolj globalen – proizvodnja čipa je namreč le en korak. Za assembly je ključna poceni delovna sila. Svoje polje analiz je dobava surovin (1, 2, 3).

TLDR – Dirka za mikročipe je heterogena in večslojna. Poleg načrtovanja in proizvodnje obstoječih čipov, je prisotna tehnološka tekma glede nadaljnjega razvoja tranzistorjev. V kolikor se nadaljuje globalna digitalizacija družb/civilizacije, bo računska moč mikročipov ostala ključna komponenta razvoja. Glede na hladne odnose v mednarodni areni je tekmovanje skorajda neizbežno. Zelo verjetno smo v danem trenutku priča le prvi fazi daljšega obdobja.

MOSFET – TEHNOLOŠKA PODSTAT DIGITALNOSTI

Poznamo več vrst polprevodnikov – najpogostejši so MOSFET tranzistorji iznajdeni 1959, ki so gradniki integriranih vezij aka mikročip. So najbolj množičen industrijski izdelek v zgodovini človeštva. Ocenjuje se, da jih je bilo med 1960 in 2018 izdelanih 13 triljard (sextillion) – 13×10²¹. Pričelo se je z velikostjo 50µm (mikrometer); trenutno je najnovejši proces 5nm (nanometer); v razvoju je 3nm. Odličen pregled računalniške znanosti se nahaja tu, ter sama izdelava 1, 2, 3, 4, 5.

Arhaična doba “računalnikov” je elektro-mehanična (releji in stikala). Sledijo vakuumske cevi, ki so hitrejše in zanesljivejše in se razvijajo sočasno z releji v prvi polovici 20. stoletja. V 1940tih se pojavijo prve ideje integriranih vezij. Digitalni preboj se zgodi 1959 z iznajdbo MOSFET tranzistorja, ki se jih združi v integrirana vezja prek fotolitografije in s tem naredi prve mikročipe. (Materija je izjemno kompleksna, saj na software strani vključuje še binarni sistem, Boolean logiko, etc).

Prva era modernih polprevodnikov – integrirana vezja z mosfet tranzistorji – se odvije v ZDA. Sledi premik proizvodnje v Azijo, kjer v povojnem obdobju več držav investira proračune za razvoj panoge. V 80tih so dominantni Japonci. Od 90tih naprej jih zamenja Južna Koreja (Samsung) in Tajvan (TSMC), ki sta med tremi največjimi proizvajalci še danes.

  • Obdelava (eg računanje) in hramba podatkov (eg beleženje vrednosti) ni nov pojav, temveč sega v drugo tisočletje BCE. Prvi abakus je znan iz Sumerije. Z nami ostanejo več tisočletij med katerim se pojavijo bolj kompleksna orodja, kot so astronomske skale, ure za merjenje časa, ipd.
  • Razvoj moderne elektronike, čipov in računalnikov je rezultat inkrementalnih napredkov znanosti od cca 16. stoletja naprej, ter električne revolucije in industrije v drugi polovici 19. stoletja (omrežje, žarnice, radio, telefon).
  • Naslednji premik se odvije v 17. stoletju z razvojem stepped reckoner, ki je sposoben izvajati osnovne matematične operacije. Do takrat, ter vse do 19. stoletja, je computer termin za človeka, čigar služba je bila računanje. Za znanost (in vojsko) so medtem matematiki razvili tabele z rezultati, saj je bilo hitreje najti rešitev v knjigi, kot sproti računati kompleksne enačbe.
  • Skupaj z razvojem ostale znanosti napredujejo tudi aparati za računanje, vendar ostajajo mehanični (podobni mehanizmi kot analogne ure). Njihove sposobnosti so s tem omejene saj zahtevajo kompleksnejše informacije vedno več premikajočih členov, kar poveča število napak in upočasni operacije. Neka kompleksna enačba je lahko zahtevala tudi več ur za razrešitev.
    • Pojavi se več teoretičnih izboljšav, kot je difference engine in analytical engine, ki so konceptualna podstat kasnejšega razvoja. Zaradi omejene tehnologije jih v takratnem času ni mogoče fizično zgradit.
  • Naslednji večji tehnološki skok so električni releji razviti v prvi polovici 19. stoletja, ki so ena od tehnologij za razvoj telegrafa.
    • Razvoj je financiran s strani države saj je nova tehnologija ključna za hitrejšo izvedbo ameriškega cenzusa – uporabi se tudi prvo obliko “spomina” – punch cards.
  • 1907 se pojavijo prve komercialne vacuum tubes, ki se smatrajo za prvi moderen polprevodnik (brez premikajočih delov). Do 1940tih postane njihova uporaba množična saj so bolj zanesljive od relejev, vendar še vedno nagnjene k napakam in okvari. V B29 bombniku iz 1944 jih je bilo uporabljenih med 300-1000.
    • Prvi “računalniki” se pojavijo med WW2. Elektro-mehaničen Bombe je pomagal Britancem zlomiti enigmo. Koncept nadgradijo 1943 s Colossus, ki pomaga zaveznikom hitreje zaključiti vojno in že uporablja vakuumske cevi (1600 njih). Ameriški ENIAC (1945) je imel že 17k cevi. Harvard mark I je uporabljal starješe releje in stikala – 765k različnih delov – in od 1944 pomagal pri izračunih Manhattan projekta.
  • V 1920tih se pojavijo prvi “delujoči” tranzistorji v laboratorijih vendar nimajo širših aplikacij. Tehnologija postopoma napreduje v naslednjih desetletjih in postane manjša in hitrejša od relejev in vakuum cevi. Prvi tranzistorji segajo v 1927; naslednji korak je opravljen z razvojem integrated circuit v petdesetih od Noyca, ki dela za Fairchild; zadnji člen za digitalno revolucijo se odvije 1959 z iznajdbo MOSFET tranzistorjev v ameriških Bell Lab. Rezultat so MOS IC – integrirana vezja iz mosfet tranzistorjev.
  • Naslednja desetletja so priča tekmi med podjetji, ki razvijajo različne arhitekture integriranih vezij. Zmaga Intel z razvojem boolean logic gates iz tranzistorjev v monolitnih integriranih vezjih. Njihov čip služi v prvih IBM osebnih računalnikih; 1978 postavijo x86 standard, ki je podstat PCjev še danes. Opisan je le vrh ledene gore – mikročipi se v istih desetletjih razširijo v vse pore družbe.
  • Elektronika (releji, vakuum cevi in tranzistorji) se primarno razvijajo v ZDA saj sledijo širitvi električnega omrežja, ki je prav tako ameriški izum. Pri razvoju tehnologije in aplikacij sodelujejo različna podjetja –  IBM nastane 1911 iz konglomerata podjetij nastalih v 1880tih, ki so se ukvarjala z zgodnjo elektroniko (telegrafi, radio, kamere, ipd). Med osrednjimi akterji so Bell Labs, ki se razvijejo iz Volta Laboritory ustanovljen 1880 od Graham Bella (izumitelj telefona). Pri celotni zgodbi so udeleženi še Westinghouse (1886), General Electric s patenti Edisona (1892), ter med pričetki mosfet revolucije in integriranih vezij: Texas Instruments (1951), Fairchild (1957), ki med drugim zniža ceno proizvodnje in izdela čip za pilotiranje Apollo 11. Med Fairchild raziskovalci sta Noyce in Moore, ki leta 1968 ustanovita Intel. Njihov čip služi v prvih IBM osebnih računalnikih; 1978 postavijo x86 standard, ki je podstat PCjev še danes.
  • Prva era integriranih vezij z mosfet tranzistorji se odvije v ZDA. Sledi premik proizvodnje v Azijo, kjer več držav stavi na panogo za bodočo gospodarsko rast in financira razvoj s proračunom. V 80tih so dominantni Japonci. Tekom 90tih postaneta močna Južna Koreja (Samsung) in Tajvan (TSMC), ki sta med tremi največjimi proizvajalci čipov še danes, poleg ameriškega Intel. (1, 2, 3, 4, 5) Pregled največjih proizvajalcev po svetu jasno kaže njihove lokacije – večinsko so v “zahodnem bloku” oziroma sferi, seveda s caveat multipolarnosti. ZDA in EU si nista več tako blizu kot med Hladno vojno: NATO postaja relikvija, saj se ZDA fokusira na Pacifik, kar odražata AUKUS in QUAD zavezništvi.
  • Čipi prihajajo dandanes v različnih variantah. Niso le procesorji v računalnikih ali telefonih, temveč se uporabljajo povsod – od industrije, električnih aparatov, kontrolnih vezij, telekomunikacije, električnem omrežju, v avtih, telefonih in računalnikih, ter ostali “pametni” tehniki. Prilagojeni so glede na tip uporabe.
    • Poenostavljeno bo imela bela tehnika manj kompleksne cenejše čipe temelječe na starejšem proizvodnem procesu, medtem imajo znanost, vojska, ter največje korporacije, na voljo najnovejšo tehnologijo – dostop do najnovejše tehnologije postaja del hladnovojne tekme med ZDA in Kitajsko, v katero je vpeta tudi EU in preostali svet.
    • Povprečen smartphone ima 10-20 različnih čipov: wifi in 5G, procesor, spomin, napajanje, etc so vsak zase svoj čip.
  • Glede trenutnega proizvodnega procesa je potrebno razlikovati med načrtovanjem in fizično proizvodnjo procesorja. Mnogo proizvajalcev, ki je pred desetletji proizvajalo čipe interno, jih sedaj naročajo pri drugih (fabless). Razvoj fotolitografije zahteva milijarde konstantnih investicij, v kolikor želi proizvajalec ostati na vrhu. K temu je potrebno dodati 10+ milijard dolarjev investicij za fab.
  • Kot omenjeno imajo najnovejši node Intel, TSMC in Samsung. “Drugorazrednih” gigantov je mnogo več – Broadcom (zda), Qualcomm (zda), Hynix (kr), Micron (zda), Texas Instruments (zda), GlobalFoundries (zda), Infineon (de), SMIC (cn), TowerJazz (il) etc. Preostane še pure play “liga” proizvajalcev, ki le tiskajo čipe in sestavljajo vezja (assembly) za brande. Industrija je izjemno prepletena – pooenostavljeno se podjetja deli na fabless, IDM, ter pure play.
    • Dober fabless primer je Apple, ki ima tesno vez z TSMC; Apple naredi načrt, TSMC ga pretvori v oprijemljiv mikročip. Fabless sta tudi ARM in Nvidia. Intel proizvaja čipe interno: po novem naj bi omogočil zunanja naročila. AMD jih naroča pri GlobalFoundries in TSMC. Broadcom in Qualcomm sta fabless in zamudila svoj razvoj 5G (bila sta dominantna med tri in 4G), kar je eden od razlogov za 5G histerijo zoper Kitajsko (partija je pomagala kitajskim podjetjem pri razvoju; na poti je šesta generacija).
  • Večina integriranih vezij se načrtuje sicer v zahodnih državah (in Indiji s poceni programerji), vendar proizvaja v vzhodni Aziji in ZDA. Najpomembnejši igralci so ameriški Intel, južno-korejski Samsung in tajvanski TSMC. Slednji trije imajo dostop do najnovejše fotolitografije od (nepoznane) nizozemske tvrdke ASML, ki je dominanten igralec na tržišču opreme za proizvodnjo čipov. Razvoj EUV fotolitografije, ki je “odklenila” čipe manjše od 7nm je zahtevala več desetletij razvoja od same ideje (trenutno so v masovni uporabi 5nm; pripravlja se 3nm). 2012 so Intel, TSMC in Samsung skupaj investirali več kot 10 miliajrd $ v euv razvoj ASML. Proizvodnja najnaprednejših aparatov (150 milijonov $ za enega) je počasna in deloma zaslužna za pomanjkanja najnaprednejših čipov.
  • Preostali svet, še posebej kitajski proizvajalci imajo na voljo le starejšo tehnologijo. Partija skupaj z industrijo in znanostjo investira v razvoj modernejših procesov, vendar bo proces trajal vsaj nekaj let – ameriška administracija je že med Trumpom poostrila pogoje za tehnološki prenos na Kitajsko, ter specifično prek nizozemske vlade prepovedala prodajo euv opreme Kitajcem.
  • Rezultat stanja je dirka med državami za vzpostavitev “lokalne” proizvodnje, ki bi bila odpornejša na šoke v oskrbovalnih verigah ter varnejša glede tehnološke kraje in vdorov. V teku so načrti za nove ameriške in evropske tovarne integriranih vezij (semiconductor fab); industrijo spodbujajo tudi drugje po svetu. med drugim v Indiji ter na Japonskem. Dodatne kapacitete gradi Samsung in TSMC.
  • Holy grail je iskanje naslednje “mosfet revolucije”, ki bi premostila fizikalne meje trenutnega postopka. Od cca 10nm je proizvodni proces vedno bolj kompleksen; od 5nm naprej zahteva leta in se bliža fizikalnim omejitvam mosfet tranzistorjev – Ghz so ujeti okrog pet; proizvajalci povečujejo število jeder.