Ezért nem kapsz karácsonyra új pc-t, játékkonzolt, tabletet vagy telefont

Nincsen jövőnk tudomány nélkül, nincsen Qubit nélkületek. Támogasd a munkánkat!

Ha galléron ragadnánk az utca emberét, és megkérdeznénk tőle, hogy tudja-e, mi az a szubsztrát, jó eséllyel akkor se tudna válaszolni, ha az élete múlna rajta. Pedig a szubsztrát mindennapos használati tárgy, pontosabban a mindennap haszált elektronikai eszközök nélkülözhetetlen alkotóeleme.

A chipgyártás globális nehézségei jó ideje ismertek, mivel a koronavírus-járvány miatt világszerte összeomlottak a kereskedelmi és beszállítói láncok. Állandó az alkatrész- és gyártókapacitás-hiány, és a szükséges nyersanyagok, alapvető alkotóelemek beszerzése is problémás. Ilyen alkotóelem a szubsztrát, amit a számítógépek és más elektronikus eszközök gyártása során arra használnak, hogy rögzítsék a chipeket az áramköri lapokon, és biztosítsák az alkatrészek vezetőképességét. Bár ezek nem bonyolult alkotóelemek - vagyis nem annyira, mint az áramköri lapokon rögzített chipek -, a szubsztrátok legalább olyan fontos elemei a chipgyártásnak, mint maga a szilícium.

A chipgyártás válságát eddig a nagy elektronikai gyártók érezték meg a legkevésbé. Mivel ők voltak a beszállítók legfontosabb ügyfelei, az alvállalkozók kezüket-lábukat törték, hogy a lehető legkevésbé érintse őket az alkatrész- és a munkaerőhiány. Mára sokat változott a helyzet. Az Apple, az Nvidia, az Intel és az AMD egyaránt nyersanyaghiánnyal küszködnek; és minél fejlettebb elektronikai eszközöket gyárta(t)nak, annál keservesebben érinti őket a szubsztrátok hiánya.

Nem is foglalkoztak velük...

Arra a kérdésre, hogy ki foglalkozik szubsztrátgyártással, nemhogy az imént említett utca embere, de még a műszaki érdeklődésűek sem feltétlenül tudnának válaszolni. A gyártók jellemzően ázsiai vállalatok: Tajvanban a Unimicron Technology, Japánban az Ibiden Company, Dél-Koreában a Samsung Electro-Mechanics foglalkozik szubsztrátgyártással.

Egy 300 milliméteres ostya (wafer), azaz szubsztrát. A vékony félvezetőszeletet integrált áramkörök gyártásához használják. Mivel az ostya nélkülözhetetlen az integrált áramkörök beágyazásához, az elektronikuseszköz-gyártásban ez az egyik legfontosabb komponens.Fotó: MATTHIAS RIETSCHEL/dpa Picture-Alliance via AFP

A szűkös gyártókapacitás alapján azt hihetnénk, hogy igen komplex folyamatról van szó, de ez nem igaz. A szubsztrátgyártáshoz nincs szükség olyan kifinomult és drága eszközökre, mint amilyenekre a legmodernebb chipek gyártásához van szükség, de épp a modern chipek gyártásához kellenek a legfejlettebb szubsztrátok.

A problémát az okozza, hogy a szubsztrátgyártást a chipgyártó vállalatok többsége külsős partnerekkel végezteti. Maguk a gyártók inkább a chipek fejlesztésére és a gyártástechnológia finomítására költik a kutatás-fejlesztési büdzsét, mint az alacsony megtérüléssel kecsegtető szubsztrátokra.

Idővel a szubsztrátok egyre komplexebbé váltak, és a minőségük egyre nagyobb hatást gyakorolt a chipek teljesítményére. A gyártók kilobbizták, hogy a beszállítók tartsák alacsonyan a szubsztrátok árát. A csökkenő profitráta és az alacsony ár miatt viszont nem maradt erőforrásuk a kutatás-fejlesztésre, ami a gyártókapacitás csökkenéséhez vezetett.

„Sok termék iránt nőtt a kereslet, de az emberek nem bővítették a termelési kapacitást. Ez sokba került volna, és nem érdekelte őket a bővítés, miután folyamatosan le tudták nyomni az árakat.”

mondta a Wall Street Journalnek Jan Vardaman, a texasi Techsearch International elnöke.

... aztán megtörtént a baj

Hogy az elektronikai cégek alulfinanszírozták a szubsztrátgyártást, annak történelmi okai vannak. Kamewada Tamashi, az Intel korábbi nyersanyag-beszerzési menedzsere a Wall Street Journalnek azt mondta, 2010-ben arra számítottak, hogy a személyi számítógépek piaca évente 20 százalékkal nőhet. Hogy ehelyett mi történt, azt tudjuk: piacra kerültek az első tabletek, egyre népszerűbbé váltak az okostelefonok, a pc-s piac pedig 2012 és 2018 között folyamatosan zsugorodott. A szubsztrátgyártók fennmaradását a megváltozott piaci helyzetben tovább súlyosbították a növekvő rezsiköltségek és az egyre gyakoribb üresjáratok. Végül csak annyi gyártó maradt a piacon, amennyire okvetlenül szükség volt a kereslet kielégítéséhez.

Senki nem gondolta, hogy a gyártókapacitás idővel szűkösnek bizonyulhat. A koronavírus-járvány kezdetén megnőtt a kereslet az elektronikus eszközök iránt. Az otthoni munkavégzéshez, a videókonferenciákhoz és a távoktatáshoz megfelelő kütyükre volt szükség, ami ugrásszerű keresletnövekedéssel járt. A mobileladások ugyan stagnáltak, de a járvány kezdete egybeesett az 5G hálózat kiépítésével, és a járműipari megrendelések száma is növekedett.

A helyzetet tovább súlyosbította, hogy 2020 októberében tűz ütött ki a tajvani Unimicron szubsztrátgyárban. A korábban említett okok miatt senki nem gondolt rá, hogy bővíteni kéne a szubsztrátgyártó kapacitást, de a Unimicron kiesését az egész világon megérezték. Az eset rávilágított a beszállítói láncok sebezhetőségére és az alacsony árak tarthatatlanságára. A csökkenő termelési kapacitás miatt a szubsztrátok ára megugrott, az átfutási idő pedig legalább 14 hétre nőtt. A nyersanyaghiány az úgynevezett flip chip ball grid (FC-BGA) szubsztrátok esetében volt a legszembetűnőbb, mivel a szerverekhez és a hálózati eszközökhöz nagyobb felületű, megnövelt rétegszámú szubsztrátokat használnak.

Akkor miért nem építenek újabb szubsztrátgyárakat, hogy megoldják a készlethiányt? Azért, mert egy új gyár megépítése sokáig tart, és a szubsztrátgyártáshoz használt berendezések beüzemelése további egy évet is igénybe vehet. Hogy kivédjék a helyzetből fakadó kellemetlenségeket, a legnagyobb chipgyártók sajátos taktikához folyamodtak: hatalmas összegeket fizetnek előlegként a szubsztrátgyártóknak, hogy legyen elég tőkéjük a termelőkapacitás bővítésére. Egyesek az új gyártósorok felépítését és beüzemelését is finanszíroznák, így jelezve, hogy hosszú távú együttműködést terveznek a beszállítókkal.

Nem sprint lesz, hanem maraton

Az együttműködés azonban, tetszik vagy sem, mindenképpen hosszú távú lesz. A világ legfejlettebb chipjeihez és processzoraihoz használt szubsztrátkészletek igencsak szűkösek, és egyes iparági szakértők szerint évekbe telhet, mire a kínálat képes lesz fölzárkózni a kereslethez. A készletek elosztásánál előnyt élveznek a legnagyobb elektronikai gyártók (a már említett Intel, az AMD és az Nvidia), akik a feltörekvő gyártóknak is boldogan biztosítanának új piacot.

„Csak annyit kell mondanod, hogy szubsztrátgyártással foglalkozol, és azonnal kaphatsz új megrendeléseket. Ez tiszta őrület.”

– mondta a Wall Street Journalnek Nicholas Stukan, a dél-kínai Zhuhai Access Semiconductor Company üzletfejlesztési vezetője.

Egy új szubsztrátgyártó létesítmény felhúzása nemcsak sokáig tart, de sokba is kerül: milliárdos nagyságrendű befektetésről van szó. A legnagyobb gyártók - az Intel, az AMD és az Nvidia - hosszú távú megrendelésekkel és hatalmas előlegekkel próbálja előfinanszírozni a távol-keleti gyártók kapacitás-bővítését.Fotó: STR/AFP

Stukan szerint a chipgyártók valósággal könyörögnek az utánpótlásért, és a piaci árnál jóval nagyobb összegeket fizetnének az értékes nyersanyagért. Valóban sokat kockáztatnak: a vásárlók évek alatt megszerzett, készpénzre váltható bizalmát.

A májusi értesülések szerint a szerencsétlen helyzeten az ABF szubsztrátot gyártó tajvani és kínai gyártók kapacitásbővítése változtathat. A DigiTimes cikke szerint erre 2021 vége és 2022 között kerülhet sor: több gyárat és gyártósort telepítenének, hogy tartsák a lépést a megnövekvő kereslettel. Az ABF szubsztrátok nélkülözhetetlenek a félvezetőgyártóknak, mivel ezekkel csatlakoztatják a mikrochipeket a nyomtatott áramkörökhöz: a közelmúltban tapasztalt ABF-szubsztráthiány felel a CPU- és GPU-gyártás akadozásáért is.

Az említett vállalatok rengeteg erőforrást fordítottak alternatív szubsztrátbeszerzési források felderítésére; nemcsak a koreai és tajvani gyártók bővítését támogatják, hanem japán beszállítókkal is kapcsolatba léptek. Az Intel is támogatta a beszállítói (az Ibiden, a Unimicron, az AT&S és a Semco) bővítési terveit, hogy biztosítsák a folyamatos ellátást.

Az Intel ügyvezető igazgatója, Pat Gelsinger a vállalat első negyedéves pénzügyi konferenciáján is szóba hozta a szubsztráthiányt, pedig ezt a téma legalább egy évtizede szóba sem került a vállalati megbeszéléseken. Gelsinger úgy látja, hogy a szubsztráthiány 2023-ig fennakadásokat okozhat a chipgyártásban. Egy júliusi interjúban arról beszélt, hogy ezen egy új gyár beüzemelése sem segíthet, mert ez egy-két évig is eltarthat. Ugyanakkor arra is kitért, hogy az Intel biztosította a gyártáshoz szükséges szubsztrátkapacitást, és új lehetőségeket keres a beszállítókkal való hosszú távú együttműködésre.

A beszállítók is meglátták a lehetőséget

Maguk a gyártók sem tétlenkednek: nyilván látják, hogy évek óta nem mutatkozott ekkora érdeklődés a termékeik iránt, és sejtik, hogy javíthatnak az évek óta változatlan profitrátájukon.

  • A már említett Zhuhai Access egy új, csaknem kétmillió négyzetméteres gyártóüzem létesítését tervezi Makaóban.
  • A japán Ibiden áprilisban jelentette be, hogy lecserélik a régi gyártóüzemüket Okagiban, de erre csak 2023-ban kerülhet sor, és legalább 1,6 milliárd dollárt fog felemészteni.
  • A tajvani Nan Ya PCB augusztusban azt nyilatkozta, hogy még év vége előtt végezhetnek a tajpeji szubsztrátgyártó létesítményük bővítésével, de a tömeges termelés beindulására 2023-ig kell várni.
  • Az osztrák AT&S Technologie & Systemtechnik AG júniusban ígéretet tett egy malajziai gyár létrehozására, ahol szubsztrátokat és nyomtatott áramköröket gyártanának. A projektre 2 milliárd dollárt szánnak, de a termelés csak 2024-ben indulhat be.

Vardaman szerint a a chipgyártók által támasztott példátlan kereslet a szubsztrátgyártók figyelmét sem kerüli el: most kivételesen ők vannak olyan pozícióban, hogy diktálhassák a feltételeket. Valószínű, hogy egyesek áremeléssel próbálhatnak javítani a termelés profitján. Ez azonban nem egyik napról a másikra fog megtörténni. Vardaman előrejelzése szerint a processzorok és más nagy teljesítményű csipek gyártásához használt fejlett szubsztrátok iránti igény továbbra is növekedni fog: 2025-re 185 millió négyzetlábnyi gyártóterületre lesz szükség a ma rendszerben álló 145 millió helyett.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: