De grote chipcrisis bedreigt de belofte van de Wet van Moore

Met deze extreem-ultraviolette lithografiemachine kunnen fabrikanten geavanceerde chips maken met eigenschappen van enkele nanometers groot. ASML

Een jaar na de covid-19-pandemie herdacht Apple het groeiende aantal apparaten met zijn aangepaste M1-chip met veel tamtam, waaronder een Missie onwaarschijnlijke advertentie op tv met een jonge man die over de daken van zijn ruimteschipcampus in Cupertino rent en de faciliteit infiltreert om de baanbrekende microprocessor van een MacBook te stelen en in een iPad Pro te plaatsen.

De speciaal ontworpen chip van Apple is de nieuwste triomf voor De wet van Moore , werd de observatie een self-fulfilling prophecy dat chipmakers het aantal transistors op een chip om de paar jaar kunnen verdubbelen. De M1 verpakt 16 miljard transistors op een microprocessor ter grootte van een grote postzegel. Het is een wonder van de hedendaagse bekwaamheid in de productie van halfgeleiders.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2021

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Maar zelfs toen Apple de M1 vierde, werd de wereld geconfronteerd met een economisch verwoestende tekort aan microchips , met name de relatief goedkope die veel van de huidige technologieën mogelijk maken.

Autofabrikanten hebben assemblagelijnen gesloten en werknemers ontslagen omdat ze niet genoeg chips van $ 1 kunnen krijgen. Fabrikanten hebben hun toevlucht genomen tot het bouwen van voertuigen zonder de chips die nodig zijn voor navigatiesystemen, digitale achteruitkijkspiegels, aanraakschermen en brandstofbeheersystemen. Over het algemeen zou de wereldwijde auto-industrie meer kunnen verliezen dan $ 110 miljard aan het tekort voor 2021.

De productie is ook vertraagd voor smartphones, laptops, videogameconsoles, tv's en zelfs slimme apparaten, allemaal vanwege het ontbreken van goedkope microchips. Het gebruik ervan is zo essentieel en zo wijdverbreid dat sommige waarnemers denken dat de chipcrisis het wereldwijde economische herstel van de pandemie kan bedreigen.

Het wereldwijde tekort werpt een felle schijnwerper op het vermogen van de halfgeleiderindustrie om goedkopere en krachtigere microchips te leveren. De al lang bestaande belofte van chips met steeds meer mogelijkheden inspireerde ingenieurs, programmeurs en productontwerpers om generaties nieuwe producten en diensten te creëren. De wet van Moore is meer geweest dan alleen een routekaart voor de halfgeleiderindustrie - het heeft de technologische verandering in de afgelopen halve eeuw bepaald.

Nu is die belofte van overal meer rekenkracht aan het afbrokkelen, maar niet omdat chipmakers eindelijk tegen de fysieke grenzen van de technologie zijn aangelopen om steeds kleinere transistors te maken. In plaats daarvan hebben de stijgende kosten van het in stand houden van de wet van Moore de consolidatie onder chipmakers aangemoedigd en meer knelpunten gecreëerd in de immens complexe business van chipproductie.

Hoewel microchips essentieel zijn geworden in zoveel producten, zijn de ontwikkeling en productie ervan gedomineerd door een klein aantal producenten met een beperkte capaciteit - en eetlust - om de basischips te produceren die een hoofdbestanddeel zijn van de huidige technologieën. En omdat het maken van chips honderden productiestappen en maanden productietijd vereist, kan de halfgeleiderindustrie niet snel draaien om te voldoen aan de door pandemie veroorzaakte toename van de vraag.

Na decennia van piekeren over hoe we kenmerken van slechts enkele nanometers op siliciumwafels zullen uitsnijden, wordt de geest van de wet van Moore - de verwachting dat goedkope, krachtige chips direct beschikbaar zullen zijn - nu bedreigd door iets veel alledaagser: onbuigzaam toeleveringsketens.

Een eenzame grens

Twintig jaar geleden had de wereld 25 fabrikanten die geavanceerde chips maakten. Alleen vandaag Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) in Taiwan, Intel in de Verenigde Staten, en Samsung in Zuid-Korea beschikken over de faciliteiten, of fabs, die de meest geavanceerde chips produceren. En Intel, al lang een technologieleider, worstelt om bij te blijven, omdat het herhaaldelijk deadlines heeft gemist voor het produceren van de nieuwste generaties.

Een van de redenen voor de consolidatie is dat het bouwen van een faciliteit om de meest geavanceerde chips te maken tussen de $ 5 miljard en $ 20 miljard kost. Deze fabs maken chips met eigenschappen zo klein als enkele nanometers; in vakjargon worden ze knooppunten van 5 nanometer en 7 nanometer genoemd. Een groot deel van de kosten van nieuwe fabs gaat naar het kopen van de nieuwste apparatuur, zoals een tool genaamd an extreme ultraviolette lithografie (EUV)-machine die meer dan $ 100 miljoen kost. EUV-machines zijn uitsluitend gemaakt door ASML in Nederland en worden gebruikt om gedetailleerde circuitpatronen te etsen met kenmerken van nanometergrootte.

Chipmakers werken al meer dan twee decennia aan EUV-technologie. Na miljarden dollars aan investeringen werden EUV-machines in 2018 voor het eerst gebruikt voor de productie van commerciële chips. Die tool is 20 jaar te laat, 10x boven het budget, omdat het verbazingwekkend is, zegt David Kanter, uitvoerend directeur van een open engineeringconsortium gericht op machine learning. Het is bijna magisch dat het zelfs werkt. Het is helemaal zoals sciencefiction.

Zulke gigantische inspanningen maakten het mogelijk om de miljarden minuscule transistors te maken in Apple's M1-chip, die werd gemaakt door TSMC; het is een van de eerste generatie geavanceerde chips die volledig op EUV vertrouwt.

Alleen de grootste technologiebedrijven zijn bereid honderden miljoenen dollars te betalen om een ​​chip te ontwerpen voor geavanceerde nodes.

Betalen voor de beste chips is logisch voor Apple, omdat deze chips worden gebruikt in de nieuwste MacBook- en iPhone-modellen, die met miljoenen worden verkocht tegen prijzen van luxemerken. Het enige bedrijf dat echt veel EUV gebruikt, is Apple, en ze verkopen $ 1.000 smartphones waarvoor ze een waanzinnige marge hebben, zegt Kanter.

Niet alleen zijn de fabs voor het vervaardigen van dergelijke chips duur, maar de kosten van het ontwerpen van de immens complexe circuits zijn nu buiten het bereik van veel bedrijven. Naast Apple hebben alleen de grootste technologiebedrijven de hoogste computerprestaties nodig, zoals: Qualcomm , AMD , en Nvidia , zijn bereid honderden miljoenen dollars te betalen om een ​​chip voor geavanceerde nodes te ontwerpen, zegt Sri Samavedam, senior vice-president van CMOS-technologieën bij Imec, een internationaal onderzoeksinstituut gevestigd in Leuven, België.

Veel meer bedrijven produceren laptops, tv's en auto's die gebruikmaken van chips die zijn gemaakt met oudere technologieën, en een piek in de vraag ernaar vormt de kern van het huidige chiptekort. Simpel gezegd, een meerderheid van de chipklanten kan of wil niet betalen voor de nieuwste chips; een typische auto gebruikt tegenwoordig tientallen microchips, terwijl een elektrisch voertuig er veel meer gebruikt. Het telt snel op. In plaats daarvan hebben makers van dingen als auto's vastgehouden aan chips die zijn gemaakt met behulp van oudere technologieën.

Bovendien hebben veel van de meest populaire elektronica van tegenwoordig geen geavanceerde chips nodig. Het heeft geen zin om bijvoorbeeld een A14-chip [iPhone en iPad] in elke computer die we ter wereld hebben te plaatsen, zegt Hassan Khan, een voormalig doctoraatsonderzoeker aan de Carnegie Mellon University die de gevolgen voor het overheidsbeleid van het einde van de wet van Moore en werkt momenteel bij Apple. Je hebt het niet nodig in je slimme thermometer thuis, en je hebt er geen 15 nodig in je auto, omdat het erg veel stroom verbruikt en het is erg duur.

Het probleem is dat zelfs nu meer gebruikers vertrouwen op oudere en goedkopere chiptechnologieën, de reuzen van de halfgeleiderindustrie zich hebben gericht op het bouwen van nieuwe toonaangevende fabs. TSMC, Samsung en Intel hebben onlangs allemaal miljarden dollars aan investeringen aangekondigd voor de nieuwste productiefaciliteiten. Ja, ze zijn duur, maar dat is waar de winst ligt - en de afgelopen 50 jaar is het waar de toekomst ligt.

TSMC, 's werelds grootste contractfabrikant voor chips, verdiende bijna 60% van zijn 2020-omzet met het maken van geavanceerde chips met functies van 16 nanometer en kleiner, inclusief de M1-chip van Apple die is gemaakt met het fabricageproces van 5 nanometer.

Wat het probleem nog erger maakt, is dat niemand apparatuur voor de productie van halfgeleiders bouwt om oudere technologieën te ondersteunen, zegt Dale Ford, hoofdanalist bij de Electronic Components Industry Association, een handelsvereniging in Alpharetta, Georgia. En dus zitten we hier een beetje vast tussen een rots en een harde plek.

Goedkope chips

Dit alles is van belang voor gebruikers van technologie, niet alleen vanwege de verstoring van de levering die het vandaag veroorzaakt, maar ook omdat het de ontwikkeling van veel potentiële innovaties bedreigt. Behalve dat ze moeilijker verkrijgbaar zijn, worden goedkopere basischips ook relatief duurder, aangezien elke chipgeneratie duurdere apparatuur en faciliteiten vereist dan de generaties ervoor.

Sommige consumentenproducten vragen gewoon om krachtigere chips. De uitbouw van snellere mobiele 5G-netwerken en de opkomst van computertoepassingen die afhankelijk zijn van 5G-snelheden, zouden investeringen kunnen afdwingen in gespecialiseerde chips die zijn ontworpen voor netwerkapparatuur die met tientallen of honderden met internet verbonden apparaten praat. Automotive-functies zoals geavanceerde rijhulpsystemen en infotainmentsystemen in voertuigen kunnen ook profiteren van geavanceerde chips, zoals blijkt uit de fabrikant van elektrische voertuigen Tesla's gerapporteerde partnerschappen met zowel TSMC als Samsung op chipontwikkeling voor toekomstige zelfrijdende auto's.

Maar het kopen van de nieuwste geavanceerde chips of investeren in gespecialiseerde chipontwerpen is misschien niet praktisch voor veel bedrijven bij het ontwikkelen van producten voor een intelligentie overal in de toekomst. Het is onwaarschijnlijk dat makers van consumentenapparatuur, zoals een sous-vide-machine met Wi-Fi, het geld zullen uitgeven om zelf gespecialiseerde chips te ontwikkelen om nog mooiere functies toe te voegen, zegt Kanter. In plaats daarvan zullen ze waarschijnlijk terugvallen op alle chips die met oudere technologieën zijn gemaakt.

De meerderheid van de huidige chipklanten doet het met de goedkopere basischips die een afweging vormen tussen kosten en prestaties.

En goedkopere artikelen zoals kleding, zegt hij, hebben flinterdunne marges die weinig speelruimte laten voor duurdere chips die een dollar, laat staan ​​$ 10 of $ 20, zouden toevoegen aan het prijskaartje van elk artikel. Dat betekent dat de stijgende prijs van rekenkracht de ontwikkeling van kleding kan voorkomen die bijvoorbeeld spraakopdrachten of weersveranderingen kan detecteren en erop kan reageren.

De wereld kan waarschijnlijk leven zonder liefhebber sous-vide-machines, maar het ontbreken van steeds goedkopere en krachtigere chips zou een reële prijs met zich meebrengen: het einde van een tijdperk van uitvindingen gevoed door de wet van Moore en zijn decennia-oude belofte dat steeds betaalbare rekenkracht beschikbaar zal zijn voor de volgende innovatie.

De meerderheid van de huidige chipklanten doet het met de goedkopere basischips die een afweging vormen tussen kosten en prestaties. En het is het aanbod van dergelijke basischips dat verre van voldoende lijkt naarmate de wereldwijde vraag naar rekenkracht groeit.

Het is nog steeds zo dat het gebruik van halfgeleiders in voertuigen stijgt, het gebruik van halfgeleiders in je broodroosteroven en voor allerlei andere dingen, zegt Willy Shih, hoogleraar managementpraktijk aan de Harvard Business School. Dus dan is de vraag: waar gaat het tekort de volgende keer toeslaan?

Een wereldwijd probleem

Begin 2021 ondertekende president Joe Biden een uitvoerend bevel waarin supply chain beoordelingen voor chips en wierp zijn steun achter een tweeledige druk in het Congres om tenminste goed te keuren $ 50 miljard voor productie en onderzoek van halfgeleiders . Biden hield ook twee topontmoetingen in het Witte Huis met leiders uit de halfgeleider- en auto-industrie, waaronder een bijeenkomst op 12 april waarin hij prominent een siliciumwafel toonde.

De acties zullen de onbalans tussen vraag en aanbod van chips niet snel oplossen. Maar volgens experts biedt de huidige crisis op zijn minst een kans voor de Amerikaanse regering om te proberen de toeleveringsketen eindelijk te herstellen en de algehele vertraging van de halfgeleiderinnovatie om te buigen - en misschien de capaciteit van de VS om de broodnodige chips te maken te versterken.

Naar schatting 75% van alle chipproductiecapaciteit was vanaf 2019 gevestigd in Oost-Azië, met het aandeel van de VS op ongeveer 13%. Taiwan's TSMC alleen al heeft bijna 55% van de gieterijmarkt die bestellingen van consumentenchips verwerkt.

Boven alles doemt de rivaliteit tussen de VS en China op. China's nationale kampioen SMIC heeft fabrieken gebouwd die nog steeds vijf of zes jaar achterlopen op het snijvlak van chiptechnologieën. Maar het is mogelijk dat Chinese gieterijen de komende jaren kunnen helpen te voldoen aan de wereldwijde vraag naar chips die op oudere knooppunten zijn gebouwd. Gezien de staatssubsidies die ze ontvangen, is het mogelijk dat Chinese gieterijen de goedkoopste fabrikanten zullen zijn, aangezien ze op de 22-nanometer en 14-nanometer knooppunten staan, zegt Khan. Chinese fab's zijn misschien niet concurrerend aan de frontier, maar ze zouden aan een groeiend deel van de vraag kunnen voldoen.

Verwant verhaal

We zijn niet voorbereid op het einde van de wet van Moore

Het heeft de welvaart van de afgelopen 50 jaar aangewakkerd. Maar het einde is nu in zicht.

De wereldwijde halfgeleiderindustrie zal tegen 2030 de totale capaciteit bijna moeten verdubbelen om gelijke tred te houden met de vraag, volgens de Semiconductor Industry Association (SIA), een in Washington gevestigde industriegroep, die heeft gepleit voor het versterken van de wereldwijde toeleveringsketen in plaats van te proberen te bouwen volledig zelfvoorzienend binnenlands productievermogen.

Maar in een knipoog naar het belang van geavanceerde chips voor de nationale veiligheid en kritieke infrastructuur, suggereert de SIA dat de VS marktgestuurde prikkels biedt voor bedrijven om in eigen land twee of drie nieuwe toonaangevende fabrieken te bouwen. Dat zou kunnen helpen ervoor te zorgen dat de belangrijkste telecommunicatienetwerken en datacentra van het land - samen met het Amerikaanse leger - een binnenlandse levering van chips hebben.

De foto's van het Witte Huis met de president doen denken aan de rol die de regering heeft gespeeld sinds het begin van de halfgeleiderindustrie waaraan Silicon Valley zijn naam dankt. Dat front en center maken is niet iets waar de president op die manier over heeft gesproken sinds Ronald Reagan, zegt Margaret O'Mara, historicus aan de Universiteit van Washington in Seattle. Biden zit daar met een wafeltje rond te zwaaien - ik denk niet dat ik dat ooit in een presidentiële hand heb gezien.

De Amerikaanse regering werd de eerste en misschien wel de grootste durfkapitalist van de Valley, schreef O'Mara in haar boek uit 2019 De code: Silicon Valley en de remake van Amerika . Grote overheidsorders voor chips voor het Apollo-programma van NASA en de Minuteman intercontinentale ballistische raketten van het leger moedigden chipmakers aan om met massaproductie te beginnen en hielpen de kosten van de eerste siliciumchips te verlagen van $ 1.000 per stuk in 1960 tot slechts $ 25 in 1965.

De prijsdaling maakte rekenkracht betaalbaar voor veel meer dan alleen diepgewortelde overheidsinstanties. Het luidde de gouden eeuw van de wet van Moore in, waarin klanten de vruchten plukten van goedkopere chips die ook om de paar jaar betere prestaties leverden. En je zou misschien niet weten dat zijn belofte in gevaar was als je alleen maar verder hoefde te gaan met de nieuwste advertentie van Apple.

Terwijl ik O'Mara aan het interviewen was voor dit verhaal, verscheen er een bezorger aan haar deur alsof ze op bevel stond.

Over chips gesproken, ik krijg net mijn gloednieuwe computer overhandigd, zei ze lachend. Ja, ik heb mijn nieuwe MacBook met mijn M1-chip.

Jeremy Hsu is een technologie- en wetenschapsjournalist gevestigd in New York City.

zich verstoppen