Ewolucja na rynku półprzewodników: wyzwania i perspektywy

Rynek półprzewodników charakteryzuje się cyklicznością, z okresami wzrostu i spadku przychodów, głównie ze względu na wahania popytu. W ciągu ostatnich dwóch dekad dominacja w branży znacząco przesunęła się z krajów amerykańskich i europejskich na kraje azjatyckie. Obecnie obserwujemy jednak ponowną stopniową zmianę tego trendu.

Od początków istnienia rynku usług foundry, czyli produkcji półprzewodników na zlecenie, dominującą rolę odgrywały firmy z Tajwanu, takie jak UMC i TSMC, które wspólnie kontrolują ponad połowę rynku. Oprócz nich znaczące obroty w sektorze osiągają: GlobalFoundries i Samsung. Budowa i uruchomienie fabryki półprzewodników to znacząca inwestycja, z życiem zakładu trwającym zaledwie kilka lat, po których dominują koszty amortyzacji. Wyzwaniem dla firm jest zapewnienie fabryce zamówień, aby stopień wykorzystania zdolności produkcyjnych był jak najbliższy 100% lub wyższy.

Sektor foundry zrodził się jako odpowiedź na wyzwania związane z nadmiernymi zdolnościami produkcyjnymi zakładów specjalizujących się w wytwarzaniu płytek krzemowych. Często zdarzało się, że podmioty te nie były w stanie osiągnąć odpowiedniej skali produkcji, aby pokryć koszty budowy i utrzymania swoich zakładów. Rozwiązaniem problemu okazało się być powstanie przedsiębiorstw fabless, czyli producentów półprzewodników bez własnych linii produkcyjnych, co stanowiło kolejny etap ewolucji branży. Założony w 1987 roku TSMC wprowadził rewolucję na rynku, umożliwiając projektowanie półprzewodników bez konieczności inwestowania w infrastrukturę produkcyjną. Model IDM (Integrated Design Manufacturer), polegający na samodzielnym wytwarzaniu układów scalonych, zaczął ustępować modelowi fab-lite, w którym redukuje się inwestycje w infrastrukturę i korzysta z usług zewnętrznych zakładów foundry. W obliczu rosnących kosztów zakładania nowych linii produkcyjnych wiele wiodących IDM-ów takich jak AMD Freescale i Sony zdecydowało się na przejście na model fabless lub fab-lite.

Kryzys na rynku półprzewodników — pandemia COVID-19

Rynek półprzewodników, który do 2020 roku charakteryzował się delikatną równowagą, doświadczył znaczących wstrząsów w wyniku pandemii COVID-19, która spowodowała wprowadzenie ograniczeń w funkcjonowaniu gospodarek i wstrzymanie produkcji w zakładach elektronicznych i motoryzacyjnych, głównie w Stanach Zjednoczonych i Europie. Doprowadziło to do globalnego załamania się łańcucha dostaw, szczególnie dotykając branże wykorzystujące półprzewodniki.

Niedobór półprzewodników, który rozpoczął się właśnie w 2020 roku, pogłębił się w połowie roku 2021. Dotknął on 169 branż, w tym przede wszystkim producentów samochodów i sprzętu elektronicznego. Wzrost popytu na urządzenia umożliwiające pracę zdalną, takie jak laptopy, komputery osobiste i telefony komórkowe, których kluczowym składnikiem są półprzewodniki, spowodował znaczne braki tych komponentów. To z kolei doprowadziło do zahamowania rozwoju innych sektorów, w tym motoryzacyjnego, w którym w 2021 roku osiągnięto tylko część zakładanej pierwotnie produkcji. Branża motoryzacyjna, po okresie lockdownów, zaczęła odnotowywać gwałtowne zwiększenie zainteresowania zakupem samochodów, co jeszcze bardziej nasiliło niedobór półprzewodników. Kryzys został dodatkowo spotęgowany przez wojnę handlową między USA a Chinami, zwłaszcza po tym jak nałożono sankcje na chińskiego producenta układów scalonych, SMIC.

Do kryzysu przyczyniła się również susza na Tajwanie w 2021 roku. Wyspa ta, będąca kluczowym ośrodkiem produkcji i dystrybucji układów scalonych, doświadczyła problemów z niedoborem wody. Szczególnie dotknęło to firmy takie jak TSMC. Sytuację na rynku zaostrzyła inwazja Rosji na Ukrainę.

— Wszystkie obserwowane zdarzenia prowadzą do dwóch istotnych wniosków. Po pierwsze, widoczna jest zdecydowana dywersyfikacja w przenoszeniu produkcji półprzewodników z Dalekiego Wschodu do innych lokalizacji, głównie w USA i Europie. Chodzi o coś więcej niż tylko plany czy zapowiedzi. Mamy do czynienia z rzeczywistymi programami, które finansowo wspierają rozwój dużych instytutów badawczych i firm półprzewodnikowych. Inicjatywy te, zabezpieczone konkretnymi budżetami, są realizowane zarówno w Europie, jak i w Stanach Zjednoczonych. Trend ten pozostanie przez dłuższy okres stabilny i z perspektywy Polski oraz Europy wydaje się bardzo korzystny — mówi dr hab. inż. Mariusz Sochacki, prof. uczelni Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW. - Po drugie, patrząc na wskaźniki ekonomiczne, znajdujemy się w momencie stopniowego wyjścia z kryzysu w sektorze produkcji elektroniki i półprzewodników. Jeśli nie dojdzie do kolejnych nieprzewidzianych wydarzeń, powinniśmy obserwować umiarkowany, ale dynamiczny wzrost. Szczególnie ważna pod tym względem była druga połowa ubiegłego roku, a zwłaszcza II kwartał, który przyniósł wyraźne ożywienie w globalnym przemyśle półprzewodnikowym.

Raport ESPAS, “Global Semiconductor Trends and the Future of EU Chip Capabilities - 2022”

Zmiany w europejskich paradygmatach współpracy, szczególnie po agresji Rosji na Ukrainę, uwypukliły, jak bardzo Europa polega na zewnętrznych dostawcach kluczowych surowców i technologii. Wzrosło zaniepokojenie wobec dominacji chińskiej produkcji i tajwańskich półprzewodników w globalnym łańcuchu dostaw.

Zgodnie z raportem ESPAS, 'Global Semiconductor Trends and the Future of EU Chip Capabilities - 2022', Unia Europejska, w tym Polska, stoją przed szansą wzmocnienia swojej pozycji na globalnym rynku półprzewodników. Nasz kraj, dzięki swojemu strategicznemu położeniu i rosnącym kompetencjom technologicznym, ma potencjał do odgrywania — wraz z Ukrainą, bogatą w zasoby metali ziem rzadkich — ważniejszej roli w europejskim łańcuchu wartości półprzewodników. Raport podkreśla, że aby wykorzystać te szanse, konieczne jest skoncentrowanie się na: inwestycjach w badania i rozwój, budowaniu silnych partnerstw między sektorem publicznym a prywatnym oraz dążeniu do zwiększenia autonomii w łańcuchach dostaw.

Na możliwość Polski (wspólnie z Ukrainą) do stania się europejskim centrum produkcji półprzewodników wskazuje także Analiza Blue Europe, zgodnie z którą nasz kraj, będący częścią UE może skorzystać z unijnych inicjatyw i funduszy wspierających rozwój branży półprzewodnikowej. Współpraca międzynarodowa i integracja z europejskim rynkiem mogą stanowić klucz do rozwoju i zwiększenia konkurencyjności polskiego sektora półprzewodników. Nasz kraj posiada wiele atutów inwestycyjnych, w tym konkurencyjność kosztową, dostęp do wykwalifikowanej siły roboczej, bliskość rynków zbytu, dobrą infrastrukturę transportową oraz wsparcie lokalnych władz.

— Raport ESPAS koncentruje się na aktualnych trendach w polityce światowej oraz strategiach przyjmowanych przez wiodące globalne korporacje. Jednak nasz wpływ na te procesy jest ograniczony, głównie z powodu braku zainteresowania ze strony polskich władz — kontynuuje Mariusz Sochacki. — Raport ten z wszystkimi jego sugestiami i wnioskami nie doprowadził do żadnej deklaracji ze strony polskiego rządu mającej na celu przygotowanie strategii rozwoju przemysłu półprzewodnikowego. Od lat 90. nie powstał żaden dokument, który by regulował tę kwestię w jakikolwiek sposób.

Zgodnie z najnowszymi danymi opublikowanymi przez organizację The World Semiconductor Trade Statistics (WSTS) prognozy dla globalnego rynku półprzewodników na rok 2024 są obiecujące. Po spadku sprzedaży w 2023 roku o 9,4%, oczekuje się silnego odbicia w roku bieżącym, z prognozowanym wzrostem na poziomie 13,1%. Wartość światowego rynku półprzewodników ma osiągnąć 588 mld USD, rosnąc z poziomu 520 mld. Sektor pamięci z prognozowaną wartością ok. 130 mld USD, będzie głównym motorem napędowym, notując wzrost o 40%. W ujęciu regionalnym wszystkie rynki, w tym obie Ameryki oraz region Azji i Pacyfiku, mają odnotować znaczny, dwucyfrowy wzrost rok do roku.

Oprócz prognoz dotyczących wzrostu rynku istotnym wskaźnikiem dynamiki branży jest globalna sprzedaż sprzętu do produkcji półprzewodników. Według SEMI, w 2023 roku sprzedaż ta osiągnęła 100 mld USD, co oznacza spadek o 6,1% w porównaniu z rekordowym rokiem 2022, kiedy to wyniosła 107,4 mld USD. Jednak w roku bieżącym oczekuje się wzrostu sprzedaży, a prognozy wskazują na nowy rekord na poziomie 124 mld USD w roku 2025. Wzrost ten będzie napędzany przez zwiększenie mocy produkcyjnych, nowe projekty fabryczne oraz wysoki popyt na zaawansowane technologie i rozwiązania w segmencie front-end i back-end.

Kluczowa rola mikroprocesorów

Mikroprocesory pełnią kluczową rolę w nowoczesnej globalnej gospodarce, będąc niezbędnymi elementami w wielu sektorach. Ich zastosowanie obejmuje branże takie jak komputery, telekomunikacja, sprzęt AGD, bankowość i finanse, cyberbezpieczeństwo, służba zdrowia, transport, energetyka oraz przemysł i obrona. Kontrolowanie produkcji mikroprocesorów pozwala na wywieranie istotnego wpływu na gospodarkę światową.

Państwa członkowskie UE odpowiadają za 20% globalnego popytu na mikroprocesory, podczas gdy ich udział w światowej produkcji wynosi tylko 8%. Szczególnie zaawansowane technologicznie mikroprocesory w technologii o wymiarze krytycznym <10nm są prawie wyłącznie produkowane na Tajwanie (92%). Wzrastające napięcia wokół tego kraju i chińskie plany osiągnięcia gotowości bojowej do inwazji na tę 'zbuntowaną prowincję' do 2027 roku oznaczają, że Unia Europejska stoi w obliczu ryzyka przerwania strategicznych łańcuchów dostaw i rosnącej gospodarczej zależności od Chin.

Rozwiązaniem tych problemów może być zacieśnienie współpracy gospodarczej z Ukrainą po zakończeniu wojny. Kluczowe znaczenie ma tu bogactwo tego kraju w metale ziem rzadkich, których wartość szacuje się na 3-11,5 bln USD. Dzięki temu Ukraina plasuje się na czwartej pozycji wśród światowych gospodarek (i pierwszej w Europie) pod kątem wartości złóż. Przystąpienie Ukrainy do Unii Europejskiej mogłoby zmienić centrum gospodarcze Wspólnoty, przesuwając je z Niemiec w kierunku Polski. Taki rozwój wydarzeń mógłby wzmocnić pozycję naszego kraju jako kluczowego centrum gospodarczego i logistycznego w regionie.

Tymczasem… technologiczną rewolucję w Europie przyśpiesza Intel, inwestując w fabryki w Polsce, Niemczech i Irlandii

Intel, globalny gigant w branży półprzewodników, inicjuje serię inwestycji w Europie, które mają zasadnicze znaczenie dla technologicznej przyszłości kontynentu. Te strategiczne działania, realizowane w Polsce, Niemczech i Irlandii, mają na celu nie tylko zwiększenie europejskiej niezależności w produkcji półprzewodników, ale także stymulację wzrostu gospodarczego i technologicznego.

Inwestycja w Polsce

W Miękini niedaleko Wrocławia Intel planuje zbudować Zakład Integracji i Testowania Półprzewodników. Projekt ten, o wartości ok. 20 mld PLN, otrzyma wsparcie publiczne w wysokości 6 mld PLN. Zakład ma zatrudnić około 2 tys. pracowników, głównie specjalistów i inżynierów. Jest to największa bezpośrednia inwestycja zagraniczna w historii naszego kraju, mająca kluczowe znaczenie dla integracji polskiej gospodarki z globalnym łańcuchem dostaw w branży półprzewodnikowej. Projekt ten, wraz z istniejącą fabryką podłoży krzemowych w Leixlip w Irlandii i planowaną fabryką w Magdeburgu w Niemczech, ma pomóc stworzyć pierwszy w swoim rodzaju, kompleksowy łańcuch wartości produkcji półprzewodników w Europie.

Co równie istotne projekt fabryki Intela w Polsce może przyciągnąć do naszego kraju inne firmy z branży półprzewodnikowej, co podkreśla Greg Anderson mianowany dyrektorem generalnym Zakładu Integracji i Testowania Półprzewodników w Miękini.

— Lokowana na terenie Polski technologii Intela koncentruje się na tzw. 'back-end', czyli przede wszystkim na montażu i pakowaniu gotowych chipów w obudowy. W tym zakresie polska jednostka produkcyjna amerykańskiej firmy nie wymaga specjalistycznej wiedzy w rozwoju samych komponentów półprzewodnikowych. Proces montażu oparty jest raczej o mikromechanikę oraz interdyscyplinarną wiedzę z zakresu inżynierii materiałowej, elektroniki i mechatroniki — mówi Mariusz Sochacki. - Choć technologie montażowe są bardzo istotne w produkcji półprzewodników, nigdy nie będą pełniły funkcji wiodącej, ponieważ są one końcowym etapem produkcji, przygotowującym produkt do sprzedaży. Polska od wielu lat jest atrakcyjnym miejscem do lokowania zakładów montażowych na skalę światową i europejską, co już zaobserwowano w przypadku produkcji dekoderów telewizyjnych, odbiorników TV, akumulatorów i innego sprzętu elektronicznego.

Prof. uczelni Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW dodaje, że z pewnością fabryka Intela w Miękini pod Wrocławiem przyczyni się do rozwoju polskiego sektora półprzewodnikowego, ale głównie poprzez tworzenie nowych miejsc pracy. - Bardzo prawdopodobne jest, że w wyniku tej inwestycji, wiele przedsiębiorstw współpracujących z Intelem zacznie rozważać przeniesienie swoich działów do Polski lub innych krajów Europy Środkowo-Wschodniej. Dodatkowo rodzime firmy mogą zyskać szansę na dostarczanie materiałów, komponentów i świadczenie usług dla zakładu Intela, co otworzy nowe możliwości rozwoju dla lokalnego przemysłu.

Inwestycja w Niemczech

Intel ogłosił budowę zaawansowanego technologicznie zakładu procesorów, o wartości 30 mld EUR w Magdeburgu. Niemiecki rząd zobowiązał się do pokrycia jednej trzeciej tej kwoty. Fabryka będzie wykorzystywać supernowoczesne technologie, w tym litografię High-NA EUV, do produkcji układów scalonych w technologii Angstrema.

Niedawno, w ramach rozszerzenia projektu Intel i niemiecki rząd federalny zaktualizowali umowę intencyjną. Teraz obejmuje ona budowę dwóch nowoczesnych zakładów produkcji półprzewodników, co znacząco zwiększa zakres i skalę inwestycji. Pierwsza z fabryk ma rozpocząć produkcję w ciągu czterech do pięciu lat, po zatwierdzeniu pakietu zachęt przez Komisję Europejską.

Fabryka w Magdeburgu będzie mieć bezpośrednie powiązanie z inwestycją w Polsce, gdyż struktury krzemowe produkowane w Niemczech będą testowane w zakładzie pod Wrocławiem.

Inwestycje w Polsce i Niemczech wraz z istniejącą już fabryką w Irlandii stanowią część strategii Intela na rzecz wzrostu i mają na celu stworzenie korytarza produkcyjnego, który obejmie cały proces.

Nie tylko Intel, ale i TSMC

TSMC, Robert Bosch, Infineon Technologies i NXP Semiconductors ogłosiły plany wspólnej inwestycji w nową fabrykę półprzewodników. Projekt, nazwany European Semiconductor Manufacturing Company (ESMC) GmbH, ma zostać zrealizowany w Dreźnie. Przeprowadzenie inwestycji będzie jednak zależało od potwierdzenia poziomu finansowania publicznego projektu.

Planowana fabryka, o miesięcznej zdolności produkcyjnej 40 000 12-calowych płytek w technologii 28/22 nanometrów planarnych CMOS i 16/12 nanometrów FinFET firmy TSMC, ma stworzyć około 2000 miejsc pracy dla specjalistów z branży high-tech. Rozpoczęcie budowy zakładu jest planowane na drugą połowę 2024 roku, a produkcja ma się rozpocząć do końca 2027 roku.

W ramach joint venture TSMC będzie posiadać 70% udziałów, a Bosch, Infineon i NXP po 10%. Łączna wartość inwestycji ma przekroczyć 10 mld euro, z finansowaniem pochodzącym z kapitału, pożyczek dłużnych oraz wsparcia ze strony Unii Europejskiej i rządu niemieckiego.

Znaczenie inwestycji dla Unii Europejskiej

Europa, dążąc do zwiększenia swojej obecności na globalnym rynku półprzewodników, podjęła znaczące kroki w kierunku rozwijania własnego sektora chipów. Kluczowym elementem tej strategii jest European Chips Act, zatwierdzony pod koniec ubiegłego roku. Przewiduje on przeznaczenie 43 mld EUR na wsparcie produkcji układów scalonych na terenie Europy. Celem inicjatywy jest nie tylko zaradzenie niedoborowi półprzewodników na rynku, ale także zwiększenie udziału kontynentu w globalnej branży z obecnych 10% do co najmniej 20% do roku 2030.

— Uczestniczyłem w rozmowach przedstawicieli Unii Europejskiej z Ministerstwem Rozwoju i Technologii na temat implementacji Europejskiego Aktu dotyczącego Półprzewodników (European Chip Act). Podczas tych dyskusji zostało jasno zaznaczone, że jeśli rząd Polski nie opracuje strategii działania i nie przeznaczy środków z własnego budżetu na rozwój technologii półprzewodnikowych, to ten akt prawny nie będzie miał efektywnego przełożenia na dofinansowanie aktywności w kraju — wyjaśnia Mariusz Sochacki. - Jego wpływ dotyczy wszystkich państw członkowskich UE, ale bez aktywnego zaangażowania i alokacji odpowiednich środków finansowych, Polska nie skorzysta z możliwości pozyskania tych funduszy. Nawet jeśli dla zagranicznych przedsiębiorców czy koncernów inwestowanie w naszym kraju byłoby atrakcyjne, bez konkretnych decyzji rządowych i finansowego wsparcia w rozwój technologii najwyższego poziomu, nie będziemy mogli wykorzystać tych szans. Zostało to wyraźnie podkreślone. Oczekuje się od nas aktywności w tym obszarze.

Odrodzenie rynku półprzewodników w Polsce: kluczowe wsparcie rządowe

Ożywieniu sektora półprzewodników w naszym kraju ma służyć rządowy program wspierający inwestycje, które przyczyniają się do zwiększenia innowacyjności i konkurencyjności polskiej gospodarki. Projekt zatytułowany: „Program wspierania inwestycji o istotnym znaczeniu dla gospodarki polskiej na lata 2011-2030”, został zainicjowany przez Ministerstwo Rozwoju i Technologii.

W ramach tego programu możliwe jest dofinansowanie zarówno dużych inwestycji strategicznych, jak i średniej wielkości projektów innowacyjnych. Premiowane są przedsięwzięcia adaptujące nowoczesne technologie i przewidujące prowadzenie działalności badawczo-rozwojowej, co ma bezpośrednie przełożenie na rozwój sektora półprzewodników.

Wsparcie przyznawane jest w formie dotacji, na podstawie umowy zawartej pomiędzy Ministrem Rozwoju i Technologii a inwestorem, regulującej warunki wypłaty dotacji oraz harmonogram realizacji inwestycji. Program jest w całości finansowany ze środków budżetu państwa.

Znaczącym krokiem w kierunku wzmocnienia polskiego sektora półprzewodników jest również projekt: 'Krajowe Ramy Wspierania Strategicznych Inwestycji Półprzewodnikowych', przedłożony przez ministra cyfryzacji.

Program ten ma na celu zapewnienie wsparcia dla inwestycji związanych z tworzeniem zintegrowanych zakładów produkujących półprzewodniki i jest odpowiedzią na globalne niedobory w tym sektorze oraz długotrwałe słabości unijnego rynku, zwłaszcza silne uzależnienie od państw trzecich.

— Obecnie mamy do czynienia ze wstępnymi zarysami polityki i projektami dotyczącymi technologii półprzewodnikowych w Polsce. Ich dalszy rozwój będzie zależał od skutecznej implementacji tych planów. Kolejnym krokiem powinno być wprowadzenie konkretnych aktów wykonawczych, które umożliwią rozwój specyficznych obszarów, takich jak edukacja w zakresie projektowania układów scalonych czy wsparcie dla małych i średnich przedsiębiorstw w tej dziedzinie. Cieszę się, że pojawiają się takie deklaracje, ponieważ przez ostatnie kilka dekad nie zanotowano większego postępu w tej dziedzinie. To daje pewne nadzieje, choć nadal pozostaję ostrożny i uważam, że są to na razie tylko wstępne zapowiedzi. Czy przekształcą się one w konkretne działania? - kończy Mariusz Sochacki.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!