Где используются полупроводники в автомобиле
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.
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
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.
Какие еще факторы влияют на дефицит полупроводников
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.
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.
Больше новостей об инвестициях вы найдете в нашем аккаунте в Instagram
Кризис полупроводников в 2022 году: удорожание чипов, усугубление проблем автомобилестроения, игровой отрасли и медицины
Несколько недель назад мы публиковали статью, в которой собрали мнения игроков индустрии полупроводниковой электроники о кризисе дефицита чипов. Тогда в материал попало мнение пары оптимистически настроенных экспертов.
Но, похоже, оптимизм не был оправданным. Дело в том, что ситуация продолжает усугубляться, причем мало того, что дефицит остается актуальным, так еще и чипы дорожают. Так что производителям электроники, включая автомобилестроение и поставщиков медицинской техники, придется постараться, чтобы раздобыть в нужных количествах подорожавшие на несколько десятков процентов чипы.
Что там с подорожанием?
Поскольку спрос сейчас растет со скоростью примерно 17% в год, а предложение увеличивается за то же время лишь на 6%, нетрудно понять, насколько серьезные сложности испытывают вендоры устройств, где эти чипы применяются. При этом больше, чем сейчас поставщики полупроводниковых компонентов выдавать не могут — загружено около 97% мощностей основных производителей.
А ведь деться некуда — покупателям приходится искать любые возможности по приобретению крупных или хотя бы каких-нибудь партий чипов. Производители это понимают, и пользуются ситуацией.
TSMC осенью 2021 года заявила о зимнем повышении цен. Компания поднимает стоимость относительно простых чипов на 20%, а более продвинутых — на 10%. Но увеличивает стоимость продукции не только TSMC, но и южнокорейская компания Samsung, о чем тоже было заявлено.
При этом представители TSMC заявляют о том, что нынешние высокие цены во многом обусловлены деятельностью посредников. Якобы такие компании, поставляя купленные на фабрике чипы, перепродают их потребителям гораздо дороже. Особенно активно действуют игроки автомобильного рынка, но вроде как замечены накрутки посредников и в других отраслях. Стоит напомнить, что это версия поставщиков полупроводниковых компонентов. Проверить ее не так просто, ведь во многих случаях логистическая цепочка закрыта от посторонних глаз.
Производство полупроводников — весьма интересная тема, но у нас есть и другие статьи, оцените — мы рассказываем о:
Почему все так сложно? Ведь можно просто взять и нарастить объемы производства
А вот и нет. Проблема в том, что процесс производства и поставки чипов отлажен, но в нем есть даже не одно, а сразу несколько «бутылочных горлышек». Негативно влияющие на отрасль факторы накладываются друг на друга, что в итоге приводит к текущей ситуации — крайнем дефиците компонентов.
О торговых войнах, климатических проблемах, нехватке ресурсов мы уже писали. Но есть еще одна проблема — сложность и дороговизна производства микросхем. Одно из главных звеньев цепочки производства кремниевых чипов — создание кристалла по методу Яна Чохральского, так называемый CZ process. Заготовки кристаллов полупроводника постепенно вытягивают, что происходит очень медленно, пока кристалл не достигает нужного размера. Потом его разрезают на заготовки нужного размера, применяют множество технологических процессов, после чего готовые пластины нарезаются на заготовки для чипов. Их компоновка — последний этап в цепочке.
Выращивание кристаллов возможно лишь при условии необходимой инфраструктуры производства, которая крайне сложна. Производители чипов даже шутят, что создание полупроводниковых компонентов гораздо сложнее подготовки ракеты к полету в космос с последующим запуском. Если бы удалось упростить процесс подготовки кристалла-заготовки, скорее всего, дефицит был бы побежден относительно оперативно.
Ну а так производителям чипов, которые планируют увеличить объемы производства, приходится ждать по многу месяцев подготовки необходимой инфраструктуры. Кроме технологий, предприятия должны быть очень чистыми — можно сказать, что условия производства чипов должны быть строго стерильными в плане наличия пыли и прочих сторонних компонентов в воздухе. Быстро с нуля такое не построишь.
Неожиданно пострадавшие
О том, что в эпоху тотального дефицита полупроводниковых компонентов проблемы есть у вендоров игровых устройств, ноутбуков и ПК, сложной бытовой техники, говорят многие. Но есть и отрасли, на которых текущая проблема с нехваткой полупроводников отразилась действительно неожиданно.
В первую очередь, это автомобильная промышленность. Да, современные автомобили постепенно цифровизуются, превращаясь, образно говоря, в «смартфоны на колесах». Но мало кто мог предвидеть дикую нехватку чипов именно в автомобилестроении.
Аналитики агентства The Boston Consulting Group (BCG) прогнозируют, что мировой дефицит компонентов приведет к сокращению производства автомобилей на 7-9 млн единиц транспорта в год. Естественно, эта проблема спровоцирует появление других, так что в итоге мы получим (уже почти получили) эффект домино с наслоением различных факторов из разных отраслей.
В 2022 году, скорее всего, ситуация будет аналогичной 2021, если не хуже. Так, специалисты JPMorgan считают, что рынок начнет оздоравливаться не ранее 2023 года. Но есть и эксперты, например, из концерна Daimler, которые считают, что проблемы сохранятся и в следующем году.
Во вторую очередь дефицит сказался на медицинской отрасли. Дело в том, что медицина тоже активно цифровизуется. Во многих случаях те же аппараты ИВЛ представляют собой сложные устройства с новейшими чипами.
Ну а поскольку объемы производства такого оборудования в связи с пандемией растут, то и потребность в чипах со стороны медицины тоже увеличивается. Томографы, ультразвуковая диагностика, ИВЛ, инфузоматы и многие другие современные медгаджеты сейчас производятся на основе относительно сложных электронных компонентов. Конечно, там нет мощнейших видеочипов или процессоров, но дефицит сейчас распространился даже на простейшие полупроводниковые компоненты.
Дошло до того, что производители медицинского оборудования модифицируют модели прошлых лет, а не разрабатывают новые.
Надежда на решение проблемы все же есть
Несмотря на мрачные перспективы, производители все же стараются решить проблему — скорее всего, не потому, чтобы всем стало хорошо, а просто потому, что так можно больше заработать, выпуская большие объемы полупроводниковых элементов.
Активнее всех работает в этом направлении все та же компания TSMC. Она построила огромный комплекс, который будет производить 3нм чипы, причем в больших объемах. Кроме того, TSMC построила и новую фабрику по выпуску 5нм чипов. Аналитики считают, что в ближайшие годы потребность в чипах вырастет в несколько раз, поэтому тайваньская компания «готовит сани» уже сейчас, чтобы потом не было слишком поздно.
При этом не забывает она и о прибыли — по собственным прогнозам TSMC, к концу года показатель прибыли должен вырасти на четверть, если не больше. Ну а учитывая все обстоятельства, о которых говорилось выше — то, скорее всего, прибыль увеличится весьма значительно.
Значительное повышение объемов производства тоже может быть опасным
И это плохо, и то нехорошо — действительно, проблема есть и в повышении объемов производства чипов. Дело в том, что если потребность в них упадет, по любой из десятков причин, по которым это уже происходило ранее, то возникнет проблема перепроизводства.
Сейчас TSMC, Intel, Samsung и другие поставщики компонентов стараются максимально ускориться. Если спрос резко упадет, перепроизводство будет просто гигантским. А это означает резкое падение цен и кризис уже в отрасли производства чипов.
Но это, как говорится, уже совсем другая история…
Почему дефицит микросхем – это миф, но автокомпаниям и дилерам он выгоден
Марк Лю, глава одного из крупнейших производителей микрочипов в мире, Taiwan Semiconductor Manufacturing Co (TSMC), который является поставщиком Apple, Intel, Qualcomm и AMD, развенчал миф о дефиците микросхем для автомобилей
В прошлом году автопром сильно пострадал из-за локдаунов. Автокомпаниям приходилось закрывать заводы, а дилерам – шоу-румы и торговать машинами буквально из-под полы. Словом все они понесли солидные издержки, а эти издержки нужно как-то покрывать. Но как? Просить помощи от государства? Оно конечно поможет, но долги придется отдавать. Резко поднять цены на автомобили? Покупатели не поймут, и продажи могут упасть еще сильнее. Выпускать больше машин и заработать за счет объема? Увы, рынок не бездонный и даже с учетом отложенного спроса может возникнуть затоваривание, а, следовательно, вновь придется нести убытки.
И на данном этапе рассуждений в голову какого-то менеджера приходит гениальная по своей простоте мысль: а что если создать искусственный дефицит? Все мы знаем, что происходит, когда возникает нехватка того или иного ходового товара, будь то гречка или туалетная бумага – покупатели начинают сметать его с полок по любой цене.
Аналогичная история повторилась и с автомобилями. Их вдруг стало не хватать, причем по всему миру. Покупатели же готовы были тратить деньги, которые накопились за счет отложенных поездок на отдых и «вертолетной» финансовой помощи от государства (в развитых странах). Машину захотели иметь даже те, кто раньше о ней и не думал: в постковидную эпоху личный транспорт стал своего рода «оберегом», защищающим человека от вирусов.
Словом спрос появился нешуточный, а вот машин сильно больше производиться не стало. А что делают продавцы, когда спрос превышает предложение? Правильно – повышают цены. Причем повышают ровно на столько, насколько покупатели готовы переплатить. Если есть люди, согласные взять новый Land Cruiser, на который дилер накинул миллион сверху, как-то странно продавать этот же внедорожник за официальный прайс.
Не знаю, кто начал эту спекулятивную игру первым – дилеры или сами автопроизводители, но она оказалась выгодна и тем и другим. Одни смогли быстро заработать и отбить убытки от локдауна, другие – стали делать больше машин в дорогих комплектациях, которые приносят наибольшую прибыль – ведь покупатель готов купить все, что ему дают. Плюс заводы получили заказы на месяцы вперед, а вместе с ними и уверенность в завтрашнем дне. Ну и зачем, спрашивается, им нарушать эту идиллию? Гораздо проще сослаться на мифический дефицит микросхем, оправдывая многомесячные очереди и улетевшие в космос цены на машины.
Хотя здесь тоже все не так просто. Ведь автоконцерны формально не причем, и винят во всех грехах производителей автокомпонентов – это им не хватает чипов. Тот же завод Bosch Самара, сорвавший поставки блоков ABS/ESP на конвейер АВТОВАЗа, прогремел на всю страну. И подумайте, стал бы немецкий бренд портить свою репутацию, только для того, чтобы автопроизводитель и его дилер смогли больше заработать на дефиците машин?
А может быть, чипы оседают на складах перекупщиков, которые тянут с поставками для того, чтобы тоже заработать? Такой вариант исключать нельзя. Более того, возможен даже «заговор» на уровне… правительств! И это не шутка: американцы уже давно хотели развернуть масштабное производство микросхем у себя дома, чтобы не зависеть от несговорчивого Китая и других азиатских поставщиков – а тут и повод подвернулся, под который можно запросить у государства дополнительные ассигнования на строительство новых заводов.
Автомобильный справочник
для настоящих любителей техники
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.
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:
Так как полупроводники зависят от указанных факторов, они пригодны для использования в качестве датчиков давления, температуры и света.
Легирование полупроводников
Электрическая проводимость полупроводников
Рассмотрим изменение этого параметра на примере кремния. В твердом состоянии кремний имеет кристаллическую решетку с четырьмя равноудаленными смежными атомами. Каждый атом кремния имеет четыре валентных электрона с двумя парными электронами, формирующими валентную связь между каждой парой атомов кремния. В таком идеальном состоянии кремний не имеет свободных носителей заряда и не является проводимым. Условия резко изменяются при добавлении соответствующей присадки и подводе энергии.
Здесь мы поясним легирование на простой и очевидной модели. Тем не менее, важно помнить, что далеко не все эффекты можно объяснить при помощи этой модели.
n-легирование
 |  |
р-легирование
Введение примесных атомов с тремя валентными электронами (например, бор) обеспечивает появление дырок, так как атом бора имеет на один электрон меньше, чем в кристаллической решетке кремния (рис. в, «Лигированный кремний«). Дырка означает нехватку электрона. Дырки перемещаются внутри кремния; в электрическом поле они перемещаются в направлении, противоположном направлению движения электронов. Дырки являются носителями свободного положительного заряда. Таким образом, каждый дополнительный атом бора предоставляет свободную положительно заряженную дырку (положительная дырка). Кремний превращается в p-проводник и называется кремнием р-типа.
Собственная электропроводность
Под действием температуры и света в необработанном кремнии могут образоваться свободные носители заряда, представляющие собой связанные электронно-дырочные пары (экситоны), которые обеспечивают материалу собственную проводимость. Она является объединением проводимостей р- и n-типа, получаемых легированием. Повышение температуры ведет к экспоненциальному росту числа электронно-дырочных пар, в конечном счете устраняющему разность электрических потенциалов между р- и n-областями, созданными легированием. Это явление налагает ограничение температуры, которым могут подвергаться полупроводниковые компоненты. Для германия — это 90-100 °С, для кремния —150— 200 °С, а для арсенида галлия — 300-350 °С.
В полупроводниках как n-, так и р-типа всегда имеется небольшое количество носителей заряда противоположной полярности. Их наличие сказывается на рабочих характеристиках практически всех полупроводниковых приборов.
p-n-переход
Пограничный слой между р и n-областью в пределах одного и того же кристалла полупроводника называется p-n-переходом. Его свойства определяют рабочие характеристики большинства полупроводников.
р-n-переход без внешнего электрического напряжения
P-область характеризуется наличием большого количества дырок, в то время как n-область имеет их очень немного. В n-области присутствует большое количество электронов, в то время как в p-области их исключительно мало. Каждый тип подвижного носителя заряда стремится двигаться в противоположную зону (диффузионные токи) (рис. в, «р-n-переход в диоде» ).
 |  |
Диффузия дырок в n-область приводит к тому, что p-область становится отрицательно заряженной в области пространственного заряда, так как отрицательно заряженные атомные радикалы, например, бора, остаются неподвижными. Недостаток электронов приводит к тому, что n-область становится положительно заряженной, так как в ней образуется избыток неподвижных положительно заряженных атомных радикалов, например, фосфора. Возникает разность потенциалов между p- и n-областями (потенциал поля p-n-перехода UD), противодействующая миграции носителей заряда и в конечном счете приводящая к полному прекращению обмена дырок и электронов. Потенциал UD создан за счет диффузии, и его невозможно непосредственно измерить извне, для кремния он обычно составляет всего лишь 0,6 В.
В p-n-переходе образуется область с недостаточным количеством подвижных носителей заряда. Эта зона называется областью пространственного заряда или запирающим слоем. Она имеет электрическое поле, напряженность которого также зависит от внешнего приложенного напряжения.
р-n-переход с внешним электрическим напряжением
Теперь можно описывать условия работы диода, так как p-n-переход соответствует структуре диода. Анод находится в p-легированном кремнии, а катод — в n-легированном кремнии.
При подаче напряжения U в обратном направлении (отрицательный полюс — в p-области, а положительный — в n-области) область пространственного заряда расширяется (рис. с, «р-n-переход в диоде» ). В этих условиях электрический ток I прерывается, за исключением минимального остаточного тока (обратный ток), поддерживаемого незначительным количеством носителей заряда. Напряжение U затем падает в области пространственного заряда. Соответственно, эта область становится зоной высокой напряженности электрического поля.
Напряжение туннельного пробоя р-п- перехода — это напряжение обратной полярности и такой величины, когда минимальное его увеличение становится достаточным для резкого возрастания обратного тока (рис. «Вольт-амперная характеристика кремниевого диода» ). Этот эффект объясняется следующим. Электроны, достигающие области пространственного заряда, значительно ускоряются за счет высокой напряженности поля. Таким образом, они могут, в свою очередь, генерировать свободные носители заряда в результате такого воздействия; этот эффект также известен как ударная ионизация. Это приводит к резкому возрастанию тока и вызывает лавинный пробой. Дополнительно к лавинному пробою на основе туннельного эффекта возникает также зенеровский пробой. Пробой может привести к нарушению p-n-перехода и поэтому иногда нежелателен. Тем не менее, во многих случаях пробой бывает полезен. Лавинный и зенеровский пробои возникают только в том случае, когда диод работает в обратном направлении.
При подаче напряжения U в прямом направлении (положительный полюс в p-области, а отрицательный — в n-области) область пространственного заряда уменьшается (рис. d, «р-n-переход в диоде» ). Носители заряда проникают в p-n-переход под действием большого тока в прямом направлении (рис. «Вольт-амперная характеристика кремниевого диода» ), так как область пространственного заряда больше не имеет значительного сопротивления. Эффективно только объемное сопротивление, то есть активное сопротивление легированных слоев. Ток I возрастает экспоненциально как функция U. Однако, следует помнить о «тепловом пробое», так как при этом полупроводник может полностью выйти из строя из-за перегрева. Это может произойти, например, если диод работает в прямом направлении при недопустимо высоком токе.