
Jak układy scalone przejęły świat
Ani USA, które wynalazły układy scalone dziesięciolecia temu, ani Chiny, szukające w swoich działaniach niezależności od USA, nie byłyby w stanie poradzić sobie bez Tajwanu dostarczającego układy scalone do budowanych na ich terenach urządzeń, kupowanych później przez firmy i odbiorców prywatnych – pisze James ASHTON.
Tajwan – najważniejsza fabryka świata
.Było około 22.45 czasu lokalnego 2 sierpnia 2022 roku. Boeing C-40C właśnie wylądował na pasie lotniska Songshan w stolicy Tajwanu, Tajpej.
Samolot sił powietrznych Stanów Zjednoczonych jakieś cztery godziny wcześniej wystartował z Kuala Lumpur w Malezji i leciał okrężną trasą w kierunku indonezyjskiej części Borneo, a później skręcił na północ, zahaczając o wschodnie rejony Filipin. Był śledzony przez wiele par oczu. Flightradar24, strona śledząca ruch samolotów, zarejestrowała 2,9 miliona sprawdzeń statusu samolotu w trakcie tej podróży, co czyniło go jednym z najbaczniej obserwowanych lotów w historii. Większość osób, które patrzyły na trasę lotu, dokładnie wiedziała, dlaczego pilot zdecydował się nie podążać najbardziej logiczną ścieżką nad Morzem Południowochińskim.
Wkraczając w noc, starsza kobieta ubrana w różowy kostium, z maseczką na twarzy, chwyciła za poręcze, zręcznie schodząc na pas. Nancy Pelosi, spikerka Izby Reprezentantów Stanów Zjednoczonych, jak też trzecia polityk pod względem dzierżonej w Stanach Zjednoczonych władzy, została tam powitana przez Josepha Wu, ministra spraw zagranicznych Tajwanu, oraz przedstawicielkę USA w Tajwanie, Sandrę Oudkirk.
Przybycie Pelosi miało ogromne znaczenie. W oczekiwaniu na lądowanie hongkoński indeks giełdowy Hang Seng spadł o 2,5 procent, chiński Shanghai Composite o 2,3 procent, a oprocentowanie 10-letnich obligacji skarbowych USA zanotowało rekordowo niską wartość.
W ciągu poprzednich 25 lat nie odbyła się żadna tak doniosła wizyta amerykańskiego przedstawiciela na Tajwanie, uznawanym przez Chiny za swoje terytorium. W myśli zasad mówiących o „jednych Chinach” rząd w Waszyngtonie ostrożnie odnosił się do Pekinu, który uznaje, że istnieje tylko jeden rząd chiński, jak też nie utrzymywał stosunków dyplomatycznych z Tajwanem, choć kontakty nieoficjalne i „strategiczne wieloznaczności” pozwalały mu dostarczać na Tajwan broń, jak też milcząco udzielać pomocy w sytuacjach nadzwyczajnych.
Status quo jednak zaczęło się chwiać. Prezydent Chin, Xi Jinping, oświadczył, że ponowne zjednoczenie z Tajwanem „musi się dokonać” i ostrzegł prezydenta USA, Joe Bidena, przed przekraczaniem pewnych granic, informując go podczas rozmowy telefonicznej, że „kto mieczem wojuje, ten od miecza ginie”. W dniach poprzedzających oczekiwaną wizytę Pelosi Chiny wysłały w okolice linii mediany, nieoficjalnej granicy wodnej między Chinami a Tajwanem, okręty bojowe i samoloty, a w głębi lądu zmobilizowano wojsko uzbrojone w czołgi.
Niezrażona Pelosi podczas swojej serii krótkich wizyt w rejonie potwierdziła niezachwiane zaangażowanie USA w zachowanie demokracji w Tajwanie, jak też na całym świecie.
W całej tej sytuacji występowało nie tylko napięcie natury politycznej, ale towarzyszyło mu też wysokie ryzyko gospodarcze. Na przestrzeni lat wzrostowi potęgi militarnej Chin dorównał jedynie poziom produkcji najbardziej wartościowych towarów XXI wieku: układów scalonych w Tajwanie.
Geopolityczne awantury lat wcześniejszych wynikały z dążenia do przejęcia kontroli nad obszarami bogatymi w zasoby lub z pobudek religijnych. W erze cyfrowej nową pożądaną zdobyczą stały się wafle krzemowe napędzające najnowsze bronie, jak też smartfony, samochody czy sprzęt medyczny, który nabrał całkowicie nowego znaczenia w trak- cie pandemii COVID-19.
W niecałe dwa pokolenia wyspa o powierzchni niewiele przekraczającej stan Maryland i niecałe dwa razy powierzchnię Walii produkowała 92 procent światowej liczby najbardziej zaawansowanych układów elektronicznych. Takie układy wytwarza się aktualnie w procesie technologicznym o skali co najwyżej 10 nanometrów – taka jest przestrzeń pomiędzy dwoma tranzystorami w układzie; stanowi ona czterokrotność szerokości łańcucha ludzkiego DNA. Pozostałe 8 procent to produkcja południowokoreańska. Ani USA, które wynalazły układy scalone dziesięciolecia temu, ani Chiny, szukające w swoich działaniach niezależności od USA, nie byłyby w stanie poradzić sobie bez Tajwanu dostarczającego układy scalone do budowanych na ich terenach urządzeń, kupowanych później przez firmy i odbiorców prywatnych.
Jak ściśle powiązane były ze sobą te dwie strony, ilustruje taka zależność: Chiny kupowały około 60 procent światowej produkcji układów elektronicznych, z czego połowa opuszczała kraj w gotowych produktach. Wiele z tych produktów trafiało do Stanów Zjednoczonych w ramach ustanowionych w lepszych czasach łańcuchów dostaw.
Wszystko to uzasadnia, dlaczego Pelosi zasiadła do wspólnego lunchu z prezydentem Tajwanu Tsai Ingwenem, prezesem Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) Markiem Liu oraz legendarnym założycielem firmy Morrisem Changiem.
TSMC było największym światowym producentem kontraktowym układów scalonych, wytwarzało układy według specyfikacji klientów, samo ich jednak nie opracowywało. W 2021 roku firma produkowała 12 302 różne modele układów, stosując 291 technologii produkcyjnych dla 535 nabywców. Największym klientem, jak sądzono, był Apple, odpowiedzialny za jedną czwartą produkcji TSMC i instalujące jego układy w iPhone’ach, iPadach i zegarkach, ale TSMC dostarczało swoje produkty również do największych potentatów elektroniki: Qualcommu, Nvidii, NXP, Advanced Micro Devices (AMD) czy Intela – z kolei dostarczających chipy do samochodów czy konsol gier wideo. TSMC produkowało również układy dla amerykańskiego sprzętu wojskowego. Mówiono o dostawach m.in. na potrzeby budowy myśliwców F-35 i pocisków Javelin.
W przeszłości strategiczne znaczenie TSMC uznawano za pewien rodzaj „krzemowej tarczy”, wystarczającej do zapewnienia Tajwanowi skutecznego wsparcia ze strony USA i ochrony przed chińską inwazją. Eksperci spoza świata wojskowości uważali jednak zgoła inaczej. Wojna pomiędzy USA a Chinami mogła przynieść wielkie zniszczenie, doprowadzając do napisania nowego porządku świata. Zamknięcie fabryk układów scalonych w Tajwanie załamałoby też światową gospodarkę. Co więcej, oba scenariusze były prawdopodobne.
Większość fabryk TSMC znajdowała się bezpośrednio na linii ognia. Zlokalizowane w parku technologicznym Hsinchu Science Park na zachodnim wybrzeżu Tajwanu, wręcz z widokiem na Chiny, były położone bardzo blisko tak zwanych czerwonych plaż, nazwanych tak, gdyż były prawdopodobnym miejscem desantu sił chińskich.
Jeśli jednak Chiny dokonałyby inwazji, wcale nie było powiedziane, że przejęłyby fabryki w stanie nienaruszonym. A nawet gdyby się tak stało, obsługa linii produkcyjnych nie polegała na prostym naciśnięciu włącznika. Do tego potrzeba było tajwańskiej wiedzy i tysięcy inżynierów wsparcia procesu rozsianych po całym świecie i komunikujących się zdalnie z personelem fabryk w Tajwanie, często poprzez rzeczywistość rozszerzoną. Liu ostrzegał, że inwazja przyniosłaby ze sobą „zniszczenie porządku świata opartego na zasadach” i spowodowałaby, że fabryki staną się bezużyteczne. W przypadku mało prawdopodobnego scenariusza, w którym udałoby się stronie chińskiej utrzymać produkcję, zostałaby ona szybko pozbawiona połączeń z resztą światowego łańcucha dostaw.
„Jak więc rozwiązać tę sytuację? – pytał Liu. – Prosto. Tajwan musi być bezpieczny. Jeśli tego nie zrobicie, ponowne dotarcie do punktu wyjścia zajmie dziesięć, piętnaście lat i pochłonie setki miliardów dolarów”.
Na rok przed wizytą Pelosi Malcolm Penn, weteran analityki rynku układów scalonych, opisał katastrofalne skutki potencjalnego ataku Chin na Tajwan. „Zapasy układów scalonych szybko się wyczerpią, a linie produkcji sprzętu na całym świecie zostaną zatrzymane w ciągu tygodni, może nawet dni – napisał w raporcie FutureHorizons. – Prawie natychmiastowy wpływ na handel i gospodarkę globalną będzie o całe rzędy wielkości większy niż upadek banku Lehman Brothers z 2008 roku czy covidowe lockdowny z 2020 roku”.
Układy scalone – jak powstają i ile kosztują
.Wyobraźmy sobie plątaninę tuneli londyńskiego metra czy system ulic dużego miasta, dajmy na to Pekinu. Pomnóżmy to miliardy razy, a potem zmniejszmy tę furę spaghetti do czegoś, co ledwo można dostrzec ludzkim okiem.
Jako zobrazowanie stopnia skomplikowania budowy współczesnego układu scalonego nie wyszło nam źle, tyle że współczesne układy to już nie siatki dróg, ale wieżowce wręcz przepełnione aktywnością. Każdy układ zawiera miliardy tranzystorów, malutkich przełączników, które otwierają lub odcinają elektronom przepływ miliardy razy na sekundę, obliczając to, co ma obliczać urządzenie, w którym je zainstalowano, lub rozwiązując zadania. Aby upakować w chipie więcej tranzystorów, by był on potężniejszy, sieci połączeń między tranzystorami układa się nawet na 150 warstwach.
Każdy tranzystor, cegiełka współczesnych obliczeń, jest wycięty w krzemie, idealnym półprzewodniku, lokującym się pośrodku pomiędzy metalem a niemetalem, którego właściwości przewodzące można dostrajać i w stronę przewodzenia, i w stronę izolowania, zależnie od domieszkowania z innymi substancjami, takimi jak fosfor czy bor.
Układy mniejsze od paznokcia produkowane są w procesie rzędu 3 nanometry – mniej niż struktura białka, cząstka szerokości czerwonej krwinki człowieka, ćwierć gabarytu typowego wirusa. Firmy ścigają się jednak, by ten proces jeszcze zmniejszyć. Więcej tranzystorów w układzie? Więcej mocy obliczeniowej i to przy niezmiennym zużyciu prądu!
W sierpniu 2021 roku Intel ogłosił zapierające dech w piersiach osiągnięcie – pierwszy układ scalony ze stu miliardami tranzystorów. „W zasadzie to nawet nie wiem, czy można to jeszcze nazywać chipem – powiedziała Masooma Bhaiwala, główna inżynierka projektu ochrzczonego mianem Ponte Vecchio i stworzonego do rozwiązywania zadań z wykorzystaniem sztucznej inteligencji. – To zespół układów, na które mówimy kafelki i które są splecione wysokoprzepustowymi łączami, dzięki czemu całość zachowuje się jak jeden układ”.
Nieustępliwość przemysłu elektronicznego była tak wielka, że niewielu zatrzymało się choćby na chwilę, żeby popodziwiać osiągnięcie. Siedem miesięcy później Intel stracił palmę pierwszeństwa. Nowy układ M1 Apple’a, zaprojektowany dla biurkowych stacji roboczych Mac Studio, zawierał 114 miliardów tranzystorów.
Szanse na to, że producent iPhone’ów długo utrzyma prowadzenie, są niewielkie. ASML, niezbyt znana holenderska firma, której osprzęt laserowy jest nieodzowny w przesuwaniu granic mikroelektroniki, jest na najlepszej drodze do upchnięcia w jednym układzie 300 miliardów tranzystorów i chce tego dokonać do roku 2030. Intel w tym samym czasie chce dojść do biliona tranzystorów. A amerykańskie przedsiębiorstwo z branży AI Cerebras Systems zdążyło już umieścić 2,6 biliona tranzystorów w układzie, choć jest on wielkości krzemowego wafla, okrągłej płytki, z której zwykle powstają setki tzw. kości.
Jednak zarówno inżynierowie, jak i docelowi użytkownicy bardziej niż liczbowymi przechwałkami są raczej zainteresowani tym, co układy scalone potrafią. Postęp przybrał formę zmniejszenia urządzenia ledwo mieszczącego się w pokoju do rozmiarów przenośnych. Jest to na przykład iPhone, „urządzenie do wszystkiego”, o mocy 100 tysięcy razy przewyższającej sprzęt, dzięki któremu człowiek stanął pierwszy raz na Księżycu w ramach misji Apollo 11 w 1969 roku. W jednym urządzeniu mieści się wiele zastosowań – aparat, kamera wideo, konsola do gier – bo tak się da, bo technologia podążyła za wizjonerstwem.
Tworzenie układów scalonych to przedsięwzięcie globalne. Piasek, z którego pozyskuje się krzem, może być wykopywany w jednym z wielu miejsc na świecie, na przykład w należącej do Quartz Corporation kopalni w Spruce Pine w Północnej Karolinie. Następnie jest przewożony do wioski Drag w północnej Norwegii do oczyszczenia – co stanowi pierwszy znak tego, że w procesie wytwarzania lekkich dóbr wysokiej jakości dystanse nie stanowią przeszkody. Stamtąd materiał może jechać do Japonii, gdzie specjalistyczne firmy przygotowują wafle krzemowe – cienkie, mieniące się kolorami tęczy płaty, na których nadrukowywane są potem układy scalone.
W wielkich fabrykach, głównie zlokalizowanych w Azji, wafle są bezszelestnie przenoszone z jednego etapu procesu do następnego w zrobotyzowanych kapsułach, poruszających się na podwieszonych pod sufitem taśmociągach. Bez opuszczania budynku wafle przemierzają tysiące kilometrów podczas poddawania ich trzem tysiącom procesów technologicznych w ciągu trzech miesięcy. W czystych halach produkcyjnych, gdzie dzięki pompom oczyszczone powietrze zawiera tysiąc razy mniej cząsteczek pyłu niż w sali operacyjnej, technicy ubrani w charakterystyczne stroje zakrywające ich od stóp do głów, zwane kombinezonami króliczka (ang. bunny suits), obserwują procesy produkcji.
Jest to też biznes wyjątkowo drogi. TSMC wydała prawie 20 miliardów dolarów na budowę fabryki numer 18 w mieście Tainan, na południu Tajwanu, która uruchomiła produkcję w 2020 roku na po- wierzchni 950 tysięcy metrów kwadratowych, co stanowi powierzchnię 133 boisk piłkarskich.
W czeluściach fabryki wafle krzemowe pokrywane są warstwami światłoczułego materiału i wielokrotnie wystawiane na działanie światła przepuszczanego przez fotomaskę, której wykonanie kosztuje miliony dolarów. Te miejsca na krzemowym waflu, których nie dotknęło światło, są warstwa po warstwie chemicznie usuwane, odkrywając plątaninę ścieżek w układzie scalonym. Czyste hale produkcyjne skąpane są w żółtym świetle, dzięki czemu nie występuje tam światło o krótkiej długości fali, które może wpłynąć negatywnie na proces produkcji.
Po zakończeniu procesu produkcyjnego wafel krzemowy cięty jest laserem na nawet tysiące układów scalonych, pakowanych do obudów, testowanych i wysyłanych na linie produkcyjne klientów, do instalacji w urządzeniach, z którymi trafiają do konsumentów.
Stopień skomplikowania procesu produkcyjnego układów scalonych jest taki sam, jak proces projektowania tych układów. Rozwój układu może trwać lata, pochłaniać pracę tysięcy inżynierów i kosztować miliony dolarów. Podobnie jak z budowaniem domu – należy z pomocą architektów zdefiniować plany poszczególnych pięter, ustalić ich funkcje, koszty i szybkość budowy. W przypadku tak drogiej produkcji należy wszystko skalkulować, żeby uniknąć później kosztownych błędów.
Patrząc z góry, widać przemysł zrodzony w latach 60. XX wieku, złożony z wielu firm wykonujących wiele funkcji, który rozczłonkował się na szereg specjalistów. Poszukiwanie lepszych procesów i wysokie koszty zawęziły sferę projektowania, produkcji, sprzętu do wytwarzania czy pakowania tak, że na rynku dominuje jeden gracz albo dwóch. Popyt na coraz więcej coraz bardziej wszechstronnych układów rósł przez lata, przez co coraz mniej firm było w stanie sprostać wymaganiom użytkowników. Tylko niewielka grupka poradziła sobie z tym zadaniem nadzwyczaj dobrze – nierzadko przez dekady usprawniając jeden aspekt swojego działania.
Nic dziwnego, że TSMC jest w centrum politycznego zainteresowania. Nie jest tam jednak sam. W procesie wytwarzania najbardziej zaawansowanych układów scalonych jedyną dostępną technologią jest litografia w skrajnym ultrafiolecie. Urządzenia do tego procesu wytwarza holenderska firma ASML. Jedno urządzenie kosztuje 160 milionów dolarów, ma gabaryty niewielkiego autobusu, a jego opracowanie zajęło 20 lat.

Twierdz jest więcej. Jedną z nich jest zdecydowanie twierdza własności intelektualnej, na kanwie której jest oparta niniejsza książka. W prawie tej samej odległości od amerykańskich tytanów produkcji mikroprocesorów co od azjatyckich zakładów produkcyjnych leży firma, która narodziła się w brytyjskim Cambridge, mieście uniwersyteckim. W tradycyjnym sensie firma ta niczego nie wytwarza, nie dysponuje maszynami laserowymi czy przestrzennymi fabrykami. Ale w miarę zyskiwania przez tę firmę nowych segmentów rynku, powoli, małymi kroczkami jej projekty dostarczają wszystko. Mowa o Advanced RISC Machines, w skrócie Arm.
James Ashton
Fragment książki: „Druga rewolucja krzemowa. Chipy, geopolityka i sukces brytyjskiego ARM”, tłum. Wojciech Pędzich, wyd. Prześwity, Warszawa 2024 [LINK].