Jak się to robi w Ameryce, czyli rola przemysłu militarnego dla branży półprzewodników

Przemysł militarny a produkcja półprzewodników

Kluczowym elementem współczesnej broni jest mikroelektronika. Podobnie jak ma się to w przypadku każdego innego sektora, naraża to łańcuch dostaw dla sektora militarnego na turbulencje, wywoływane okresowym brakiem chipów. Co więcej, w przypadku militariów szczególną uwagę należy poświęcić też kwestiom cyberbezpieczeństwa.

- Obecny w Polsce mocny sektor militarny to ważny przyczynek do powstania własnej fabryki półprzewodników. Można zaryzykować stwierdzenie, że wiele znanych na świecie koncernów, wyrosła właśnie na współpracy z sektorem militarnym. To bardzo popularny model na Zachodzie, co pozwala na rozwój niewielkich, ale bardzo dobrze wyspecjalizowanych wytwórni. W każdym kraju przemysł zbrojeniowy stanowi koło zamachowe nowych technologii - mówił w rozmowie z nami Kamil Pierściński z Łukasiewicz-IMiF. Istnieje też ważny aspekt zabezpieczenia dostaw: fakt, że ktoś gdzieś produkuje potrzebny przyrząd półprzewodnikowy, nie oznacza automatycznie, że jest do niego łatwy dostęp. Wręcz przeciwnie, aby go kupić, musimy przejść całą procedurę kwalifikacyjna, a często zdarza się tak, iż nie można kupić technologii najnowszej generacji. Na rynku militarnym cena ma mniejsze znaczenie, a nabierają go inne parametry, takie jak dostępność czy bezpieczeństwo danych. Firmy z sektora zbrojeniowego doskonale rozumieją te problemy, jednak w tym sektorze absolutnie niezbędne jest długofalowe wsparcie państwa.

Najpopularniejszym zestawieniem, obrazującym krajobraz sektora militarnego w świecie jest ranking szwedzkiej SIPRI, grupujący 100 największych firm branży wg. przychodów uzyskiwanych na rynku wojskowym. Niepodzielnie królują na niej firmy ze Stanów Zjednoczonych: Lockheed Martin, Raytheon, Northop Grumman i dziesiątki innych. Ważna jest tu skala działalności: przychody Lockheed na rynku militarnym to 59 mld USD, podczas gdy przychody PGZ SA (miejsce 71 w rankingu), skupiającej zdecydowaną większość firm w Polsce z tej branży, to 1.6 mld USD, a więc 37 razy mniej.

Tabela: Przychody największych firm na rynku militarnym

Źródło: SIPRI   

Od roku 2003 w USA od lat funkcjonuje program DoD Trusted Foundry, zarządzany przez agencję DMEA. Program zapewnia bezpieczne projektowanie i produkcję zaufanych układów scalonych, wytwarzanych z zaawansowanych technologiach. Akredytację w ramach programu, skupiającego obecnie około 75 firm, muszą posiadać projektanci obwodów scalonych, brokerzy, firmy foundry i OSAT itp.

Co więcej, największe firmy zbrojeniowe posiadają własne odlewnie. Raytheon posiada zakład w stanie Massachusetts, specjalizujący się w szczególnie ważnej dla militariów technologii GaN. Także Northrop Grumman od 50 lat wytwarza własne przyrządy półprzewodnikowe. Firmy militarne nawiązują też bliską współpracę z wybranymi partnerami, czego przykładem jest ogłoszone niedawno partnerstwo pomiędzy BAE oraz GlobalFoundries.

Wyzwania łańcucha dostaw dla przemysłu militarnego

Mimo prób ustanowienia tak stabilnego łańcucha dostaw półprzewodników, amerykański łańcuch dostaw nie jest wolny od wyzwań. Wiele na ten temat można przeczytać w artykule Alana Pattersona ‘U.S. Military Chip Supply Is Dangerously Low’ na portalu EE Times z czerwca 2023. ‘Według specjalistów z branży i obserwatorów rządowych, ze względu na brak inwestycji w krajowe moce produkcyjne, Departament Obrony USA (DoD) będzie potrzebował długich lat na uniezależnienie się od dostaw azjatyckich chipów. […] Departament Obrony musi bowiem liczyć się z konkurencją ze strony komercyjnych nabywców półprzewodników, wyzwaniem jest też oparcie wielu technologii na starszych architekturach. W rezultacie pojawiają się obawy, że Stany Zjednoczone mogą mieć trudności z reagowaniem nawet przez 10 lat na wojnę z udziałem Tajwanu - kraju, w którym działają producenci dostarczający, jak na ironię, chipy używane przez Departament Obrony’. Według artykułu, problem polega na tym, iż w konstrukcjach wojskowych z powodzeniem wykorzystywane są FPGA, produkowane w najnowocześniejszych technologiach i - w efekcie ich sukcesu na rynkach konsumenckich - na dużą skalę. Jak szybko Intel może dogonić Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), produkującą macierze FPGA dla Altery i Xilinx’a oraz inne chipy wykorzystywane przez DoD w systemach uzbrojenia, takich jak myśliwiec F-35, rakiety oraz sprzęt dowodzenia i kontroli? - czytamy w artykule. Nowo budowany zakład TSMC w Arizonie w roku 2026 rozpocznie co prawda produkcję w technologii 3-nm, dostarczając chipy dla Apple i AMD, ale raczej nie dla DoD, dla którego bardziej odpowiednia byłaby mniejsza odlewnia Intela. Jednak są i minusy takiego układu: ‘Intel Foundry Services może wytwarzać układy scalone dostosowane do konkretnych zastosowań (ASIC), które są o jedną lub dwie generacje opóźnione w procesie w TSMC. To robi różnicę’.

Należąca do Intel’a Altera, producent FPGA, wykorzystuje do ich produkcji technologię TSMC. FPGA można łatwo modyfikować, jednak jednocześnie mają one mniejszą wydajność niż specjalizowane układy ASIC. Departament Obrony jest zmuszony polegać na układach FPGA, ponieważ nie może znaleźć dużej odlewni, takiej jak TSMC czy Samsung, która produkowałaby niestandardowe układy ASIC do swoich systemów uzbrojenia w najnowocześniejszych technologiach. Nie może znaleźć ponieważ z perspektywy odlewni nawet amerykański DoD jest … małym klientem. 

Na opis podobnych wyzwań można natknąć się w raporcie The Semiconductor Ecosystem. Global Features and Europe’s Position, przygotowanym w roku 2022 przez zespół analiz przy Radzie Unii Europejskiej. Wspomina się w nim, iż w ramach opisanego powyżej programu DoD Trusted Foundry do łańcucha dostaw dla sektora militarnego trafia jedynie 2% potrzebnych półprzewodników. Raport UE powołuje się w tej kwestii na powstałe w 2022 opracowanie ‘Semiconductors and National Defense: What Are the Stakes?’ think-tanku Center for Strategic & International Studies. Czytamy w nim między innymi:

‘W 2021 roku w ramach programu DoD Trusted Foundry dostarczono jedynie około 2 procent półprzewodników używanych w systemach wojskowych i były to zazwyczaj chipy wykorzystywane w tajnych programach lub do niezwykle specyficznych zastosowań, takich jak urządzenia zabezpieczone przed promieniowaniem, przeznaczone do użytku w przestrzeni kosmicznej lub podczas konfliktów nuklearnych. Pozostałe chipy potrzebne do zastosowań obronnych pozyskano z rynku cywilnego, korzystając z tzw. COTS (commercial off-the-shelf, komponenty z półki). Jednakże niezależnie od tego, czy łańcuch dostaw opiera się na zaufanych odlewniach, czy na stosowaniu COTS, poleganie na sektorze prywatnym jako niezawodnym źródle chipów do zastosowań wojskowych okazało się ciągłym wyzwaniem, na co wpływa wiele czynników:

• Tempo postępu technologicznego jest znacznie szybsze w branży komercyjnej niż wojskowej, co trwale ogranicza dostęp do najnowocześniejszej technologii.
• Okres życia chipów stosowanych w militariach znacznie przekracza okres życia chipów komercyjnych, co zmusza Departament Obrony US do ciągłego poszukiwania źródeł ‘starej mikroelektroniki’ […]
• […] Zastosowania wojskowe stanowią miks zarówno najnowocześniejszych chipów, jak i tych, które należy określić jako archaiczne pod względem komercyjnym. Niektóre ASIC wymagają ponadto użycia rzadkich materiałów, związków i technik, takich jak arsenek galu, azotek galu i węglik krzemu, które nie są stosowane w komercyjnej produkcji na dużą skalę na bazie krzemu.
• Wielkość zapotrzebowania USA na chipy obronne stanowi niewielki ułamek popytu generowanego przez rynek komercyjny, co sprawia, że ​​dostawa małych partii chipów dla wojska jest nieatrakcyjna dla wielu komercyjnych producentów […].

Wracając jeszcze do komentarzy zawartych w raporcie opracowanym dla UE, znajdujemy w nim taki osąd: ‘Popyt ze strony sektora militarnego stanowi po prostu zbyt mały odsetek globalnego popytu, aby wpływać na decyzje podejmowane przez podmioty komercyjne. W efekcie, producenci militariów muszą polegać na rozwiązaniach komercyjnych, opracowywanych z myślą o efektach ekonomicznych, z pominięciem wymagań militarnych’.

Polska w łańcuchu dostaw półprzewodników dla przemysłu militarnego

Podsumowując, ze względu na stosowanie wielu układów COTS oraz konkurencję ekonomiczną sektora obronnego oraz komercyjnego, łańcuch dostaw półprzewodników dla sektora obronnego jest pełen wyzwań. Nie oznacza to jednak, że w przypadku Polski przemysł militarny nie może on odegrać istotnej, pozytywnej roli w rozwoju branży produkcji półprzewodników.

Zaczynając od pojedynczych przykładów: jednym z kluczowych klientów VIGO Photonics jest Safran, firma prowadzi też wspólne projekty z PCO SA. W ostatnim czasie międzynarodową sławę zdobyły polskie pociski przeciwpancerne - zastosowany w nich system naprowadzania oparty jest o dedykowane detektory produkowane w Polsce, bez których ich sukces nie byłby możliwy. Patrząc nieco szerzej, branża elektroniki militarnej w Polsce jest bardzo mocna: według naszych obliczeń z obrotami na poziomie 2.7 mld PLN stanowi około 22.2% obrotów całego rynku OEM w Polsce (2022).

W skali świata czy Europy, to wciąż niewiele i aby z sukcesem wykorzystać siłę rodzimego przemysłu, trzeba spojrzeć szerzej. Polski przemysł elektroniczny - obecnie głównie firmy EMS oraz OEM - przez ostatnie 30 lat został umiejętnie wpleciony w europejski i światowy łańcuch dostaw i podobnie może stać się w przypadku produkcji półprzewodników. Taka jest też jedna z konkluzji naszego raportu Dorobek i perspektywy branży produkcji półprzewdoników w Polsce (zaprezentujemy go na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024) - szansą na rozwój jest umiejętne wykorzystanie naszego położenia geograficznego i włączenie się w europejski łańcuch produkcyjny. Europejski przemysł militarny prezentuje już znacznie większy potencjał niż tylko połączone siły PGZ i WB Electronics, wszak BAE Systems z obrotami 27 mld USD jest na 6 miejscu w rankingu SIPRI, a cały europejski przemysł militarny stanowi 20.2% obrotów branży w skali świata. Przemysł militarny, a także elektronika służąca zachowaniu bezpieczeństwa zostały uznane przez IPC jako strategiczne kierunki rozwoju przemysłu elektronicznego w Europie (tutaj więcej na ten temat).

Pomóc mogą też nasze dobre kontakty ze Stanami Zjednoczonymi – kupiliśmy w ostatnich latach całą masę uzbrojenia od amerykańskich koncernów, które z powodzeniem transferują do Polski część produkcji i serwisu. Jeśli Polska będzie dostatecznie bezpiecznym geopolitycznie krajem, można tę współpracę rozszerzyć o produkcję półprzewodników, a polskie firmy mogłyby stać się częścią programu DoD Trusted Foundry. 

Jak pokazał nasz wspomniany wcześniej raport, mamy w Polsce zaledwie zaczątek przemysłu produkcji półprzewodników. Nie bez znaczenia jest jednak fakt, iż wiele z nich specjalizuje się mikroelektronice i fotonice opartej nie na krzemie, lecz innych związkach chemicznych, wykorzystywanych do produkcji półprzewodników, mających kluczowe znaczenie dla przemysłu militarnego. Mamy w Polsce zarówno producentów tego typu materiałów bazowych, projektantów układów, jak i producentów gotowych przyrządów. 

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!

Zdjęcie tytułowe: VIGO Photonics