Zapomniany gigant obwieścił przełom w półprzewodnikach

• Amerykanie stopniowo dokręcają śrubę, rozszerzając zakres pozacelnych ograniczeń handlowych.
• Huawei usiłuje udowodnić Waszyngtonowi i Pekinowi, że sankcje są nieskuteczne i Chiny mogą w zakresie półprzewodników "dogonić i przegonić" USA.
• Mimo niewątpliwych postępów, inni liderzy chińskiego sektora półprzewodników przedstawiają umiarkowanie optymistyczny obraz przyszłości branży.

8 czerwca Pentagon ogłosił coroczną aktualizację Sekcji 1260H. Obejmuje ona podmioty, z którymi Departament Obrony nie może zawierać nowych ani przedłużać dotychczasowych kontraktów. Alibaba, Baidu i BYD zostały zidentyfikowane jako "chińskie firmy wojskowe" działające bezpośrednio lub pośrednio na terenie Stanów Zjednoczonych. Zdaniem waszyngtońskiej administracji z uwagi na politykę "fuzji cywilno-wojskowej", chińskie firmy technologiczne są kanałem, za pomocą którego chińska armia uzyskuje dostęp do najnowszych technologii z dziedziny sztucznej inteligencji (SI), pojazdów elektrycznych i e-handlu, czyli właściwie systemów zarządzania danymi.

Wpisanie do Sekcji 1260H nie oznacza sankcji. Jest jednak poważnym ciosem wizerunkowym. Może bowiem uderzyć w naznaczone w ten sposób przedsiębiorstwa, a także w ich łańcuchy dostaw i klientów.

Jaki jest mechanizm? Podmioty z USA lub z dużą ekspozycją na ten rynek, dwa razy będą musiały się zastanowić, czy dla współpracy z przedsiębiorstwami z listy warto ryzykować swoją przyszłość w USA. Waszyngton po raz kolejny daje do zrozumienia: albo robisz interesy z firmami z czarnej listy, albo z rządem Stanów Zjednoczonych.

Jednocześnie wchodzą w życie zmiany w przepisach, zakładające kary dla amerykańskich podmiotów angażujących lobbystów na rzecz chińskich przedsiębiorstw umieszczonych na czarnej liście. Jak donosi agencja Bloomberga, to przygotowanie do planowanego na przyszły rok wprowadzenia przepisów blokujących pośrednio możliwość zakupu komponentów produkowanych przez firmy z tego wykazu.

Chipy ciągle kością niezgody

Na tym jednak nie koniec. Za prezydentury Joe Bidena w 2022 r. weszła w życie amerykańska ustawa CHIPS and Science Act, której celem było zahamowanie rozwoju technologii militarnych i sztucznej inteligencji w Chinach poprzez zablokowanie im dostępu do zaawansowanych półprzewodników (chipów) oraz maszyn do ich produkcji.

Departament Handlu obecnie pracuje nad zamknięciem luk prawnych umożliwiających chińskim firmom pozyskiwanie najbardziej zaawansowanych półprzewodników niezbędnych w rozwoju SI. Niektóre układy o niższej wydajności uzyskały zezwolenie na eksport w ramach specjalnych porozumień licencyjnych. Najlepszym przykładem jest układ H20 NVidii - wersja przeznaczona specjalnie dla Chin, zaprojektowana tak, by spełniać wymogi przepisów eksportowych.

Huawei ogłasza półprzewodnikową rewolucję

W sytuacji ostrej konkurencji chińsko-amerykańskiej poszczególne przedsiębiorstwa szukają własnej drogi. Dobrym przykładem jest Huawei, który stara wymyślić się na nowo po dotkliwym uderzeniu amerykańskimi sankcjami za pierwszej prezydentury Donalda Trumpa (2017-21). Centralną rolę w tych planach odgrywa właśnie sektor półprzewodników. Nauczony doświadczeniem koncern stara się stworzyć na tym polu własne zdolności, niezależne od obcych rządów. Plany te są po myśli Pekinu, który dał swoje błogosławieństwo i wsparcie.

Jednym z głównych wyzwań dla rozwoju chińskiej branży półprzewodników jest odcięcie od maszyn litograficznych pracujących w technologii skrajnego ultrafioletu (EUV), których jedynym dostawcą jest holenderski ASML. Bez EUV nie da się produkować obecnie najbardziej zaawansowanych półprzewodników koniecznych do rozwoju SI. Z jednej strony trwają prace nad uruchomieniem produkcji własnych maszyn litograficznych, z drugiej zaś poszukiwane są alternatywne metody.

25 maja na konferencji IEEE ISCAS w Szanghaju He Tingbo, szefowa działu półprzewodników Huawei, ogłosiła przełom mający zapewnić firmie wielki skok naprzód i przełamanie Prawa Moore'a. Reguła ta, zidentyfikowana przez Gordona Moore'a, współzałożyciela Intela, głosi, że liczba tranzystorów w mikroprocesorach regularnie podwaja się przy jednoczesnym spadku kosztów ich produkcji. Obecnie czas ten wynosi 24 miesiące. Zgodnie z prawami fizyki klasycznej rozmiary układów scalonych nie mogą jednak maleć w nieskończoność.

Jednym z rozwiązań są komputery kwantowe. Cały czas pozostają one jednak niedoskonałe, kosztowne i trudne w eksploatacji. Stąd próby znalezienia bardziej konwencjonalnego rozwiązania.

He ogłosiła Prawo skalowania Tau (τ). Technologia ta polega na układaniu obwodów logicznych pionowo na dwóch warstwach wafli, wykorzystując ultraprecyzyjne hybrydowe łączenie. Zamiast ciągłego zmniejszania tranzystorów mamy do czynienia ze skracaniem ścieżki sygnałów.

Według He procesor Kirin 2026 przeznaczony do telefonów, który ma pojawić się jeszcze w tym roku, zapewnia o 55 proc. większą gęstość tranzystorów i o 41 proc. większą efektywność energetyczną w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami. Według zapowiedzi do 2031 r. układy Huawei mają oferować parametry odpowiadające procesorom wykonanym w procesie technologicznym 1,4 nm, a więc blisko fizycznej granicy "grubości" atomu.

Nie tak łatwo

Natychmiast po wystąpieniu He, media obiegły wiadomości o epokowym sukcesie Huawei, kontrproduktywności amerykańskich sankcji oraz końcu dominacji tajwańskiego TSMC i Doliny Krzemowej. Sprawa jest jednak znacznie bardziej złożona.

Taki zniuansowany obraz prezentuje weteran amerykańskiej branży półprzewodników, Jimmy Goodrich. Jego zdaniem Huawei nie jest jedyną firmą eksperymentującą z warstwowym układaniem obwodów logicznych. Sporymi osiągnięciami na tym polu może pochwalić się tajwański TSMC, który pod koniec ubiegłego roku osiągnął odstęp między połączeniami na poziomie 6 μm. AMD, Intel i Samsung dążą do rozstawu poniżej 1 μm.

Goodrich zadaje bardzo istotne pytanie: co będzie, kiedy TSMC zacznie warstwowo układać półprzewodniki 1,4 nm? Ich produkcja seryjna ma zostać uruchomiona już w 2028 r. Huawei zamierza wprowadzić układy scalone o zbliżonych parametrach dopiero w 2031 r. Oznacza to w praktyce, że firma z Chin kontynentalnych w zakresie mocy obliczeniowych chipów będzie trzy lata w tyle za TSMC, a więc kilka generacji na tym szybko zmieniającym się rynku. Trzeba jeszcze pamiętać, że pomimo niemałych osiągów procesory Huawei są bardziej energochłonne i trudniejsze w eksploatacji niż zagraniczne odpowiedniki.

Światowi liderzy wdrażają równolegle obie metody produkcji mikroprocesorów, starając się wykorzystać możliwie najlepiej ich zalety. Huawei natomiast pośrednio przyznał, że przed 2031 r. nie liczy na dostęp do krajowych maszyn litograficznych EUV. Zdaniem Goodricha:

Chiny imponująco wprowadzają innowacje w obrębie zamkniętego ogrodu, z którego jeszcze nie mogą się wydostać, podczas gdy wszyscy inni korzystają z tego samego układania na coraz lepszych płytkach logicznych.

Wskazuje też na polityczne, podwójne znaczenie komunikatu skierowanego do Pekinu i Waszyngtonu przez Huawei. Ogłoszenie zapewne nieprzypadkowo zbiegło się w czasie z wizytą Trumpa w Pekinie. Huawei stara się przekonać amerykańskich decydentów, że sankcje jedynie przyspieszają rozwój chińskiego sektora półprzewodników. Natomiast komunikat pod adresem Pekinu brzmi: można zrezygnować z układów Nvidii i warto dalej inwestować w rozwój krajowych zdolności.

Skąd wziąć maszyny litograficzne?

Do realizacji tego celu nie trzeba przekonywać władz w Pekinie, które od lat traktują rozwój krajowego sektora półprzewodników jako priorytet strategiczny. Kluczowym wyzwaniem pozostaje jednak podział publicznego wsparcia między poszczególnych producentów. W praktyce oznacza to konieczność wykazania przez firmy zdolności do osiągania postępów technologicznych i ograniczania zależności od zagranicznych dostawców.

Zaostrzanie amerykańskich przepisów robi jednak swoje. Chińskie firmy chętnie sprowadzają używany sprzęt, szukają też nowych jego źródeł. W ostatnich latach stały się nimi Singapur i Malezja. Według chińskich władz celnych w ubiegłym roku sprowadzono stamtąd maszyny użyteczne w produkcji chipów o łącznej wartości 9,1 mld dolarów. Dla porównania, import z Japonii i Holandii wyniósł łącznie ok. 18 mld dolarów.

Chińska dyskusja: w jakie zdolności półprzewodnikowe warto inwestować

Ciekawy wgląd w nastroje panujące w chińskiej branży półprzewodników daje dokument "Refleksje i sugestie". To będący komentarzem do uchwalonego w marcu 15 planu pięcioletniego list otwarty skierowany do władz, a napisany przez prezesów firm takich jak Nemura i YMTC, czołowych krajowych producentów układów scalonych oraz wykładowców zaangażowanych w sektorze uczelni na czele z elitarnym Uniwersytetem Tsinghua. Głównym autorem jest Wang Yangyuan, jeden z współtwórców chińskiego sektora półprzewodników w latach 80.

Obraz, jaki malują chińscy teoretycy i praktycy, daleki jest od triumfalizmu Huawei. W ramach planu pięcioletniego, czyli do końca dekady, zalecają umocnienie w pełni samodzielnego łańcucha dostaw i produkcji półprzewodników starszych typów. Chodzi przede wszystkim o wytwarzanie tych o grubości 28 nm, stabilną produkcję układów 14 nm w oparciu o krajowe zasoby i rozwiązania, a wreszcie próbną produkcję tranzystorów 7 nm.

W pełni krajowa produkcja półprzewodników 28 nm oznaczać będzie opanowanie produkcji na skalę zaspokajającą własne potrzeby odpowiednio niezawodnych maszyn litograficznych pracujących w technologii głębokiego ultrafioletu (DUV).

W mediach i oficjalnych wystąpieniach najwięcej uwagi poświęca się EUV, ale to właśnie DUV jest obecnie najważniejszym wąskim gardłem dla chińskich producentów. Dodajmy jeszcze, że ASML wprowadziło DUV na dużą skalę ok. 2010 r. Bez opanowania tej technologii można zapomnieć o w pełni samodzielnej produkcji półprzewodników 7 nm. Poza maszynami, Chinom brakuje też jeszcze umiejętności wytwarzania niezbędnych chemikaliów odpowiedniej jakości.

Autorzy listu zwracają uwagę na jeszcze jeden istotny problem, jakim jest rozdrobnienie branży. Obecnie funkcjonuje ponad sto firm EDA (automatyzacja projektowania układów elektronicznych), 116 OSAT (zewnętrzny montaż i testowanie półprzewodników), 185 firm produkujących sprzęt do wytwarzania wafli krzemowych oraz 224 firmy produkujące sprzęt do pakowania.

Zainteresowanie i środki trafiają przede wszystkim na projektowanie układów scalonych. W tym sektorze działa 3626 firm, z czego blisko 90 proc. zatrudnia poniżej 100 osób, a blisko połowa ma roczne przychody poniżej 10 mln juanów (5,4 mln zł).

Jako ciekawy kontrprzykład warto zwrócić uwagę na ASML. Holenderska firma ma ok. 5 tys. poddostawców. W Chinach nie istnieje podobny ekosystem, zaś autorzy listu obawiają się, że "pogoń za sławą i fortuną" doprowadzi do zmarnowania niemałych osiągnięć. Władze powinny więc poważnie zastanowić się, jak uniknąć takiej sytuacji i stworzyć "chiński ASML", bez czego nie ma co myśleć o wdrażaniu rodzimego EUV, bez niego z kolei nie ma najbardziej zaawansowanych półprzewodników własnej produkcji.

Czy Chiny dogonią Zachód?

Rywalizacja technologiczna między Stanami Zjednoczonymi a Chinami pozostaje jednym z głównych pól globalnej konkurencji strategicznej. Z jednej strony Waszyngton konsekwentnie rozszerza ograniczenia wobec chińskich firm nowych technologii i stara się odciąć Pekin od najbardziej zaawansowanych półprzewodników oraz maszyn do ich produkcji. Z drugiej strony Huawei i inne chińskie przedsiębiorstwa intensyfikują wysiłki na rzecz budowy własnych zdolności technologicznych, prezentując rozwiązania mające ograniczyć skutki amerykańskich sankcji.

Choć ogłoszenia Huawei dotyczące nowych metod projektowania układów scalonych pokazują zdolność Chin do innowacji i adaptacji, eksperci branżowi podkreślają, że kraj ten nadal pozostaje zależny od zagranicznych technologii w kluczowych obszarach, zwłaszcza w zakresie zaawansowanej litografii.

Jednocześnie sama chińska branża półprzewodników prezentuje znacznie bardziej ostrożną ocenę własnych możliwości niż oficjalne komunikaty i medialne doniesienia. Priorytetem pozostaje budowa samodzielnego łańcucha dostaw, opanowanie produkcji maszyn DUV oraz konsolidacja rozdrobnionego sektora dostawców. Oznacza to, że mimo szybkich postępów Pekin wciąż stoi przed szeregiem barier technologicznych i organizacyjnych.

Niewątpliwie amerykańskie sankcje przyspieszyły rozwój chińskiej branży półprzewodników i wymusiły poszukiwanie niekonwencjonalnych rozwiązań. Jednak pomimo licznych sukcesów Chiny cały czas są w tyle i mają ograniczone pole manewru. Kontrole eksportu sprzętu do produkcji półprzewodników pozostają kluczowym narzędziem dla przewagi USA i ich sojuszników w dziedzinie determinującej rozwój technologii.