W przeszłości mianem technologii określano najnowsze modele telefonów czy też uruchamiane na nich aplikacje, nikt raczej nie zwracał większej uwagi na krzemowe konstrukcje. Sytuacja ta uległa zmianie przy okazji pandemii COVID-19. W momencie, gdy wstrzymano produkcję w największych na świecie fabrykach samochodów, świat zauważył, że łańcuch dostaw czegoś tak małego, jak układy scalone jest niezwykle złożony. Typowy chip może być zaprojektowany na bazie architektury japońskiej firmy ARM, której siedziba mieści się w Wielkiej Brytanii, przez zespół inżynierów w Izraelu, przy wykorzystaniu oprogramowania ze Stanów Zjednoczonych. Gdy projekt jest gotowy, wysyła się go do fabryki na Tajwanie, która kupuje ultraczysty krzem w Japonii. Wyprodukowanie układu możliwe jest dzięki najprecyzyjniejszym maszynom na świecie, które to budowane są tylko przez pięć firm – holenderską, japońską i dwie amerykańskie. Gotowe układy są pakowane i testowane w Azji Południowo-Wschodniej, głównie Malezji, skąd trafiają do Chin, gdzie umieszcza się je na elektronicznych płytkach. Trzeba przyznać, że proces ten jest dość skomplikowany, a problemy na którymkolwiek etapie mogą skutkować brakiem dostępności elektroniki dla klientów końcowych. Branża półprzewodnikowa jest naprawdę szerokim tematem, jakiś czas temu przygotowałem artykuł „Półprzewodnikowa zimna wojna”, który to jest szerszym spojrzeniem na tę dziedzinę gospodarki, zachęcam do zapoznania się z nim.
„Technologiczna różnica między chińskim SMIC a tajwańskim TSMC to tylko trzy lata postępu.”
W ten sposób sytuację na rynku półprzewodnikowym opisują źródła zbliżone lub też w lepszym ujęciu tego słowa powiązane z krajem środka. W rzeczywistości jednak tego rodzaju oceny mogą być dość mylące. W ostatnich latach zrozumienie chińskiego przemysłu półprzewodnikowego staje się coraz trudniejsze. Przede wszystkim przez fakt, że branża ta uznana została przez KPCh jako szczególnie wrażliwa, ze wskazaniem, że wszelkie informacje, które wcześniej pojawiały się w przestrzeni publicznej, obecnie są niemile widziane. Nie jest to szczególnie zaskakujące, co więcej tego typu proces mogliśmy obserwować już wcześniej. W okolicach 2015 roku Stany Zjednoczone wprowadziły ograniczenia handlu na półprodukty i technologie związane z rynkiem komputerów o wysokiej wydajności, argumentując całą sytuację tym, że te wykorzystywane są w chińskim sektorze wojskowym. Obecną sytuację na świecie opisać możemy jako dość podobną, z tym że rynek komputerów zamieniony został na układy scalone. Amerykańsko-chińskie przepychanki i ograniczenia handlowe sprawiły, że kraj środka chcąc nadal korzystać z nowoczesnych technologii, musi produkować je samodzielnie, co nie jest wcale takim prostym tematem. Chiny mają problem z nowoczesnymi chipami i tym właśnie problemom przyjrzymy się dokładniej w tym materiale.
Historia chińskich półprzewodników
Historia opracowania tranzystora, czy też jako takiej branży półprzewodnikowej w Stanach Zjednoczonych, jest dość powszechnie znana. Nawet osoby, które na co dzień nie zajmują się technologią, kojarzą, że był ktoś taki jak William Shockley, należący do zespołu opracowującego tranzystor w Bell Labs. Organizacja ta, jak i sylwetki amerykańskich naukowców, pojawiają się dość powszechnie w tekstach kultury, sam nawet nie tak dawno przygotowałem artykuł „Bell Labs – organizacja, która wynalazła „przyszłość””, jednak mimo tego, wiedza o chińskich półprzewodnikach w powszechnej świadomości jest niemal zerowa.
W 1953 roku chińska partia komunistyczna ogłasza swój pierwszy plan pięcioletni. W jego ramach znalazły się 153 projekty przemysłowe, realizowane we współpracy ze Związkiem Radzieckim, gdzie jednym z nich była też fabryka 774. Zakład ten funkcjonował też pod nazwą – Pekińska fabryka lamp elektronowych i produkował, jak nietrudno się domyślić, lampy elektronowe. Jednak, poza tym misją przedsiębiorstwa było też prowadzenie prac badawczo rozwojowych w dziedzinie półprzewodników.
Ich efektem były pierwsze germanowe elementy powstałe jeszcze w latach 50. XX wieku. Niedługo później, bo w kolejnym dziesięcioleciu Chińczykom udało się też opracować tranzystory krzemowe. Produkcja jednych, jak i drugich, była dość chałupnicza, zwłaszcza w porównaniu do rodzących się przedsiębiorstw zza oceanem. Wszelkie prace wykonywano ręcznie przy użyciu prymitywnych narzędzie, jednak mimo to powstające elementy działały i spełniały swoje założenie. Dzięki nim uruchomiono produkcję pierwszych chińskich radioodbiorników tranzystorowych, które eksportowano do krajów ościennych po 1963 roku. Co ciekawe fabryka 774 istnieje do dziś, jest już jednak w rękach prywatnych i funkcjonuje pod nazwą Orient Electronics Technology Grupe, produkując wyświetlacze OLED.
Tranzystory to jednak niejedyny produkt chińskiej gospodarki z tamtych lat. Równolegle z fabryką 774 powstał zakład w Szanghaju powiązany z tamtejszym zakładem metalurgii, którego zadaniem miało być produkowanie prostych układów scalonych typu TTL. Ich miejscem przeznaczenia miało być wojsko oraz branża kosmiczna.
„W latach 60. i 70. za bardzo skupialiśmy się na projekcie dwóch rakiet i jednego satelity, zamiast na rozwoju półprzewodników.”
W ten sposób przeszłość wspomina jeden z naukowców Qian Xuesen związany z chińskim programem kosmicznym. Przez pierwsze dziesięć lat produkcja elektroniki w kraju środka rozwijała się dobrze, w porównaniu z innymi państwami można powiedzieć, że nawet całkiem dobrze. Otwierano kolejne mniejsze i większe zakłady, ale sporo wysiłku kładziono też na prace badawczo-rozwojowe. Jednak pierwszy problem pojawił się w 1964 roku, gdy Mao Zedong podjął decyzję o tak zwanym „trzecim froncie”. Celem tej polityki było przeniesienie potencjału gospodarczego, mieszczącego się głównie na wschodnich rubieżach państwa w głąb kraju. Oczywiście przymusowa relokacja objęła też przedsiębiorstwa związane z półprzewodnikami. Opinie historyków o „trzecim froncie” są mieszane, z jeden strony przeniesienie przemysłu było w wielu miejscach impulsem do rozwoju, który poprawił bytność mieszkańców biedniejszych prowincji. Z drugiej jednak strony, co tyczy się również półprzewodników, był to problem. Jakość budowanych w pośpiechu zakładów była niezbyt dobra, łańcuch dostaw został wydłużony i przede wszystkim fabryki pozbawione zostały wykształconej kadry, która nie chciała opuszczać swoich ośrodków naukowych. Przysłowiowym gwoździem do trumny, była też rewolucja kulturowa, której efektem były prześladowania wykształconej kadry związanej z przemysłem półprzewodnikowym.
Tym sposobem Chiny zaprzepaściły początkowe lata rozwoju, w czasie, gdy konkurencja nie zwalniała tempa. Do tego dodać musimy też, że wówczas, nawet jeśli prowadzono jakieś badania z zakresu technologii, to skupiały się one przede wszystkim na wojsku i sektorze kosmicznym, tak jak wspominał Qian Xuesen.
Początek lat 80. XX wieku to czas ożywienia i nadrabiania zaległości, co było efektem polityki Deng Xiaopinga. Przygotowano plany szkolenia nowej kadry, jednocześnie wspierając studentów, którzy chcieli uczyć się za granicą, próbowano pozyskiwać zachodnie maszyny i w konsekwencji otwierano nowe ośrodki przemysłowe. Tylko do 1990 roku w Chinach powstały 33 nowe fabryki, co jest naprawdę ogromną liczbą. W tamtym czasie państwo środka nie było objęte też żadnymi ograniczeniami na zakup zagranicznych technologii, a nawet jeśli tych nie chciano udostępnić, to Chińczycy radzili sobie podobnie jak sowieci, zdobywając je w nie do końca legalny sposób.
Jednak mimo ożywienia gospodarki, chińskie półprzewodniki borykały się z problemem jakości. Ta była dość niska, w fabrykach ignorowano zalecenia co do czystości i innych technicznych procedur, przez co mimo wielu fabryk wolumeny produkcji nie były oszałamiające. Jedynym wyjątkiem była tutaj fabryka 742. Była ona ujęta w szóstym planie pięcioletnim na lata 1981-1986, jako modelowa fabryka półprzewodników. Korzystano w niej z nie najnowszych, ale nadal nowoczesnych linii produkcyjnych Toshiby i dzięki przeszkoleniu chińskiej kadry w japońskich fabrykach, trzymano się ściśle wszelkich procedur co zaowocowało jakością.
W latach 90. chińskie władze zdały sobie sprawę, że mimo dobrych chęci, rozwój półprzewodnikowego przemysłu nie idzie zgodnie z planem. Inwestycje były dość chaotyczne, a sukcesy raczej niewielkie. KPCh biorąc przykład z Korei Południowej, postanowiła skupić się na maksymalnie czterech/pięciu ośrodkach przemysłowych, które miały pełnić rolę lokalnych, a później i światowych czempionów. Głównym z nich miało być przedsiębiorstwo Huajing, czyli wspomniana wcześniej fabryka 742, której nazwę zmieniono po połączeniu jej z ośrodkiem badawczo-rozwojowym w Wuxi.
Niestety projekt lokalnych czempionów ostatecznie skończył się porażką. Przedsięwzięcie to, jak to w kraju socjalistycznym było inicjatywą rządową, przez co borykało się z nadmierną biurokracją i szeregiem opóźnień w podejmowaniu decyzji. Nowe linie technologiczne w momencie uruchomienia okazało się przestarzałe, a produkowane elementy były decyzją nieznających tematu urzędników, przez co nie były nikomu potrzebne.
W listopadzie 1995 roku chiński rząd zdecydował się na kolejny, jak dotąd najbardziej ambitny półprzewodnikowy projekt. Aby ograniczyć biurokrację, na prezesa nowej fabryki powołany został ówczesny minister przemysłu Hu Qili, który miał wolną rękę co do kształtu przedsiębiorstwa. Podobnie jak wcześniej nawiązano współpracę z Japończykami, a dokładniej z firmą NEC, która zgodziła się udostępnić technologię do produkcji chipów pamięci w 500 nanometrowym procesie technologicznym. Wcześniej zadbano też, aby kości pamięci były potrzebne – stosowano je ówcześnie w nowym produkcie, jakim były karty płatnicze IC. Zakłady zarządzane przez Hu Qili działały całkiem sprawnie, poza tym produkowane tam układy, były tak dobrej jakości, że Japończycy zgodzili się udostępnić prawa do marki NEC. Obecnie zakłady powstałe w 1995 roku, są drugim co do wielkości ośrodkiem produkcji półprzewodników w Chinach.
Wspomnieć musimy też o SMIC, czyli o firmie, która jako pierwsza przychodzi do głowy, gdy myślimy o chińskich układach scalonych. Jest to aktualnie największy producent chipów w państwie środka, ale jego historia nie jest zbyt porywająca. Efektem dołączenia Chin do międzynarodowej komisji handlu w 2001 roku było szerokie otwarcie na zachodnie inwestycje. W tym czasie tajwański biznesmen Zhang Rujing sprzedaje swoją fabrykę – Shida Semiconductor za ponad 5 miliardów dolarów przedsiębiorstwu TSMC i dzięki tym funduszom wraca do Chin, gdzie postanawia założyć kolejną fabrykę chipów. Tak powstaje SMIC, które jest typową odpowiedzią na potrzeby rynku. Zachodnie firmy inwestujące w Chinach potrzebują chipów, które wykorzystywane są w produkowanych urządzeniach. Te można ściągać zza granicy, ale jest to kosztowne, dlatego też spółka Rujinga oferuje im współpracę i układy w niskich cenach.
Chińskie problemy
Przez lata chiński przemysł półprzewodnikowy przeżywał wzloty i upadki, jednak praktycznie zawsze charakteryzował się jakimiś wewnętrznymi problemami. W dzisiejszych czasach, mimo że branża jest już znacznie bardziej dojrzała, to nadal boryka się z szeregiem zagadnień, przez które nie może wejść na globalny piedestał, choć bez wątpienia Chiny aspirują do miana lidera.
Jednym z głównych problemów chińskiego sektora chipów jest uzależnienie od zagranicznych technologii. Chcąc produkować najnowocześniejsze układy scalone na świecie, trzeba skorzystać z maszyn holenderskiej firmy ASML, która ma monopol w tym sektorze. Urządzenia EUV (Extreme Ultraviolet Lithography) pozwalają wytwarzać chipy w technologii mniej więcej od 7nm w dół, czyli te najnowocześniejsze, obecnie produkowane głównie w tajwańskim TSMC. Jakiś czas temu pod naciskiem USA, ASML zablokowało sprzedaż swoich urządzeń do Chin, przez co te zostały odcięte od najnowszych technologii do produkcji układów. Próbą obejścia tego ograniczenia jest stosowanie maszyn DUV (Deep Ultraviolet Lithography), te jednak są dość powszechnie uznawane za urządzenia o klasę niższą. Jednak co ciekawe chińskie źródła informują, że mimo mniej rozwiniętego procesu technologicznego udało im się osiągnąć poziom linii produkcyjnych EUV. Informacje te są ciekawe, jednak temat nadal jest dość mglisty i póki nie pojawią się oficjalne układy w technologii 3/4nm produkowane w Chinach to musimy patrzeć na tego typu zapewnienia z pewnym przymrużeniem oka.
Ograniczenia handlu nie obejmują tylko maszyn, również oprogramowanie i materiały okołoprodukcyjne za sprawą Stanów Zjednoczonych stały się w Chinach znacznie mniej dostępne. Wiemy, że przed 2022 rokiem w kraju środka korzystano z narzędzi projektowych takich jak Synopsys i Cadence, jednak ich dystrybucja została zatrzymana. Podobnie wygląda kwestia wysokooczyszczonych gazów i substratu do wafli krzemowych importowanych z Japonii. Handel nimi również znacznie ograniczono, przez co Chińskie przedsiębiorstwa muszą korzystać tylko i wyłącznie z półproduktów dostępnych na rodzimym rynku.
Problemem chińskich fabryk jest też brak odpowiedniego zaplecza inżynieryjnego. Choć branża rozwijana jest od lat, wielu obiecujących pracowników często wybiera emigrację, szukając pracy w zagranicznych przedsiębiorstwach. Tam mogą liczyć na znacznie lepsze zarobki i przede wszystkim możliwości rozwoju. Oczywiście nie znaczy to, że Chińczycy nie potrafią projektować układów scalonych, ale w porównaniu z innymi firmami są nieco mniej rozwinięci. Większość chińskich start-upów projektuje chipy na bazie zagranicznych architektur, przykładowo ARM, bez opracowywania własnych innowacji.
Podobnie jak przed laty wiele półprzewodnikowych projektów nadal jest centralnie sterowanych. W wielu przypadkach produkowane chipy nie były efektem zapotrzebowania rynku, a decyzją polityczną, która mogła wyglądać na innowacyjną, ale przy bliższej analizie okazywała się zbędna. Poza tym Chiny nadal borykają się z korupcją, w 2014 roku powołany do życia Fundusz Rozwoju Półprzewodników, zainwestował on ponad 30 miliardów dolarów w przedsięwzięcia półprzewodnikowe. Z czasem okazało się, że większość z tych pieniędzy zasiliła kieszenie urzędników zamiast budżety fabryk.
Niegospodarność i wygórowane ambicje w przypadku Chin kończą się zazwyczaj źle. Wuhan Hongxin Semiconductor Manufacturing, Tacoma Semiconductor Technology i Dehuai Semiconductor Technology to tylko kilka z realizowanych w latach 2019-2021 projektów ośrodków technologicznych, które miały pchnąć kraj środka w kierunku niezależności. Jednak mimo rządowych pieniędzy żaden z nich nie został ukończony, większość środków stracono, a wiele firm budowlanych, które miały budować fabryki, utknęło w sporach sądowych z lokalną administracją.
Chiny stoją przed ogromnym wyzwaniem budowy niezależnego przemysłu półprzewodnikowego. Mimo ambitnych planów i inwestycji, wciąż brakuje im dostępu do kluczowych technologii, doświadczonej kadry oraz stabilnego otoczenia geopolitycznego. Oczywiście postępy są widoczne, ale droga do technologicznej niezależności, która jest w chińskim interesie, pozostaje raczej dość długa i niepewna, zwłaszcza z perspektywy ostatnich lat.
Źródła:
„Chip War” – Chris Miller
The Evolution of China’s Semiconductor Industry under U.S. Export Controls
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1667736059647742966&wfr=spider&for=pc
https://en.wikipedia.org/wiki/Zhang_Rujing
https://www.bloomberg.com/news/articles/2020-09-05/china-s-smic-says-assumptions-of-ties-with-military-are-false?embedded-checkout=true
https://en.wikipedia.org/wiki/Hongxinhttps://www.manufacturingdive.com/news/tsmc-deal-arizona-labor-union-chip-factory/704890/
https://en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_Manufacturing_International_Corporation
https://www.osw.waw.pl/en/publikacje/osw-commentary/2024-07-23/a-siege-broken-chinas-processor-sector-under-us-sanctions
