Egy ideig csak az elektronikával foglalkozók érezték meg a globális chip-hiány helyzetet. Először a mikrovezérlők kezdtek el eltűnni a globális piacról, majd ezt követően az egekbe szökött minden elektronikai alkatrész és elektronikai árucikk ára. Nem csak a COVID19 felelős a kialakult szituációért, hanem közrejátszottak gazdasági tényezők is, COVID-ot megelőző kormányzati döntések az USA-ban, és természeti/vagyoni katasztrófák, szállítási és hajózási krízisek is.

Nagyon sokféle információk (és ellentmondó információk) is napvilágot láttak már a témában, illetve az időrendiség is csak nehezen meghatározható a sok párhuzamos folyamat miatt, ezért jelen cikkben is inkább érdekes összefüggéseket és egzakt ok-okozatokat igyekszem sorravenni, hiszen ezek mindegyike hozzájárult a jelenlegi helyzet kialakulásához.

Huawei-incidens, Huawei-ZTE embargó

Amikor az Egyesült Államok Kereskedelmi Minisztériuma tiltólistára helyezte a Xiaomi-t, Huawei-t és a ZTE vállalatokat (2019. május - 2021. január). A befektetők minden alkalommal elkezdtek megszabadulni az említett cégek részvényeitől, így például a Xiaomi embargó bejelentése után azonnal több mint 10%-ot esett egyetlen egy nap leforgása alatt.

Hogyan hatott ez a chip válságra?

Részben úgy hatott rá, hogy ezen cégek nagymennyiségű félvezetőt alkalmaznak a gyártásukhoz, illetve hatalmas megrendelői a TSMC-nek (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company-ről később még bővebben). Érthető okokból a hatalmas piacvesztés miatt a gyártók óvatos üzemmódba kapcsoltak, és módosították az előrejelzéseket a beszállítók felé, hogy elkerüljük a túlkészletezést.

Indul a COVID és a home-office

A 2019-es év végén elindult a SARS-CoV-2 vírus (újtípusú koronavírus) terjedése. Sokáig a világ úgy gondolta, hogy semmi hatása nem lesz a világra, kínában marad a probléma. 2020. januárjában azonban kiderült mindenki számára, hogy nem marad az induló országban a probléma.

Hirtelen ijedtség miatt minden ország az első alkalommal nagyon szigorú szabályozásokat vezetett be, hogy legyen ideje a szakembereknek tanulmányozni a probléma valódi mértékét és viselkedését. Akit csak tudtak home-officeba küldtek a cégek, és elkezdték csökkenteni a készletezéseket és gyártásokat a gazdasági visszaesés miatt. A home-office-on túl a minden országot érintő kijárási tilalmak saját otthonukba ragasztották az embereket.

Hogyan hatott ez a chip válságra?

Egyrészt a visszavett gyártási kapacitások óvatosságot és szintén előrejelzés módosításokat eredményeztek a beszállítók irányába, másrészt a home-office és a kijárási tilalmak elképesztő mértékű műszaki cikk fogyasztást eredményeztek.

Rengetegen elkezdtek számítógépeket vásárolni, a notebookok egy pillanat alatt egyszerűen eltűntek a piacról, webkamerákat hónapokig nem lehetett kapni (amit meg igen, annak pedig horror ára lett). A munka miatt otthon maradt emberek, szórakozás tekintetében is otthoni környezetre korlátozódtak, így elképesztő mértékben felfutott a játék-konzolok és egyéb szórakoztatóelektronikai cikkek forgalma. Ugrásszerűen megnőtt az okostelefonok iránti kereslet is.

Mivel ezen fogyasztás növekedés nem trendszerűen, hanem egyik hétről a másikra következtek be, illetve a bizonytalanság miatt a gyártók csökkenteni kezdték a gyártási kapacitásukat, csak idő kérdése volt, míg a készletek egyszerűen elfogynak.

Home-office kőműves

Ahogy a vízszerelő vagy a kőműves sem tud home-officeban dolgozni, úgy a félvezető gyártás sem tud home-officeba folyni, így számos gyártó csökkentett kapacitással volt kénytelen üzemelni. Így tehát nem csak az irodai munkákat folytatóknak kellett világszinten megbírkózniuk a problémával, hanem a gyárakban dolgozóknak is.

Hogyan hatott ez a chip válságra?

A home-office miatt az irodai kommunikációk is nagymértékben lassultak, így az ügyintézések is lassultak a nagyvállalatoknál. Hiszen sokáig a technikai lehetősége sem volt adott annak, hogy mindenki teljesértékűen tudjon otthonról dolgozni. Az alkalmazottak nem érték el a vállalati hálózatokat, hirtelen biztonságos VPN-ek sokaságát kellett létrehozni, alkalmas technikai eszközöket kellett a munkavállalóknak biztosítani, át kellett alakítani az IT infrastruktúrákat is ahhoz, hogy távelérésben lehessen folyamatokba bekapcsolódni. Ez időt vett igénybe, ez idő alatt gyakorlatilag a nagyvállalatok részben-egészben megbénultak.

Az autógyártás

Az autógyártás vitte be az utolsó ütést ennek az ingadozó helyzetnek, ugyanis a COVID miatt hatalmas mértékben megugrott első körben az autóvásárlások száma a világban. Vélhetően mindenki így próbált meg biztonságosabban közlekedni?!

Hogyan hatott ez a chip válságra?

A modern autókban minden mikrovezérlővel működik. Előbb lenne értelme USB kábelt adni hozzá, mint szerszámos táskát. Az ablakemelőtől kezdve, az infotainment rendszeren át, az összes biztonsági rendszer mind-mind mikrovezérlők százait jelenti. Így a kezdeti autó eladások mégnagyobb keresletet jelentettek a félvezetők iránt, és „hála” a JIT gyártási elvnek (just-in-time), mivel minden áru akkor és csak akkor ér be a gyárba amikor szükség van rá, így nincsenek hatalmas felhalmozott készletek. A JIT rendszerbe szervezett beszállítók is az előrejelzések szerint szállítanak be időre, maguknál is minimális raktárfelhalmozást valósítanak meg. Ez azt jelenti, hogy az autóipari megugrást alig pár napos késéssel követi a félvezetők iránti megugrás is.

Raktárfelhalmozás

Sajnos mind a Huawei elleni szankció, mind pedig a kezdődő válság készlet felhalmozásra késztette az alacsonyabb szinten lévő gyártókat/beszállítókat, hogy biztosítani tudják a folyamatos gyártást. A felvásárlás hatalmas űrt hagyott maga után, és az egekbe tolta az árakat.

A TSMC probléma

A TSMC azaz a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company-ről egész addig szinte nem hallott senki, amíg minden rendben ment, pedig a világ félvezetőinek ijesztően nagy hányada ettől az egyetlen egy cégtől származik.

Azt tudni kell, hogy az olyan cégek mint például az ST Microelectronics is tervező és fejlesztő cég, nem tényleges gyártó. A tényleges gyártásokat alig egy tucat vállalat végzi a világon. Elég csak rátekinteni arra, hogy az 5 és 7 nanométeres technológiával mennyi cég processzorait – félvezetőit gyártja a TSMC.

Előbbi példánál maradva az ST tervezi és biztosítja a supportot például az STM32 mikrovezérlőkhöz, de a tényleges gyártás a TSMC végzi az ST-nek. De így van ez több-száz másik gyártó esetén is.

Fontos: Ez a gyártás nem a tokozást és a bondingot jelenti, ez a szilícium lapkára való félvezetőgyártást jelenti.

Egyszerűen látható, hogy ha megbicsaklik valami a TSMC gyáraiban, akkor annak egytől egyig mindenki megérzi a hatását. A korábbi 13 hetes átlagos vállalási határidő jelenleg 36 és 42 hét között mozog. Ugyan ez a helyzet a TSMC-vel és a másik Taiwani gyártóval, a Micron Technology-val is.

Hogyan hatott ez a chip válságra?

Ez a chip válság legkomolyabb problémája! A központosított gyártás nagyon nagy veszélyeket hordoz, ami most meg is mutatta az igazi arcát.

A 200 és 300mm-es lapka probléma

Tudni kell, hogy egy félvezető gyár felépítése hatalmas költség, és rettenetesen sok és drága gépet igényel. Ennek köszönhető, hogy a gazdaságosság érdekében a fejlettebb gyártók térnek át a 300mm-es lapka (wafer) méretre. Az indok nagyon egyszerű, a szilícium egykristály húzásakor egy kör keresztmetszetű egykristály jön létre, melyet aztán felszeletelnek. 200mm átmérő esetén 725um vastagra, 300mm átmérő esetén 775um vastagra. Látható, hogy a széleken a nem teljesen fedett die-okból milyen nagymennyiségű hulladék keletkezik. (Die maga az a cél félvezető amit gyártanak éppen, egy-egy die az egy-egy mikrovezérlő például)

Teljesen elkülönülő gépsorokat igényel a két eltérő méretű lapka kezelése-gyártása, a kettő között nincs átjárás. Viszont azok a gyártók, akik átállnak 300mm-es („12inch” néven illetett, valójában 11.8in) lapkákra, annak a 200mm-es gépsoraik gyakorlatilag eladóvá válnak. Hogy visszaforgassák a dollár-milliárdjaikat, a 300mm-re átálló gyárak eladják a gépsoraikat náluknál kisebb gyártóknak.

Másik jellegzetesség még, hogy míg a 200mm-es wafer-rel dolgozó gépsorok lehetőséget adnak olcsóbb semi-automatic (félautomata) gyártás technológiára, addig a 300mm-es gépsorok teljes automatizálást kívánnak már meg.

Hogyan hatott ez a chip válságra?

Mivel eladják a régi gépeiket ezen gyártók, így ha átmeneti lapka hiány lép fel a 300mm-nél, akkor nem fognak tudni 200mm-re gyártani, és fordítva sem. 

Több gyártó is jelezte (TSMC 2020. decemberében, majd Samsung pedig 2021. februárjában), hogy nincs elegendő 200mm-es wafer a piacon. Kisebb, másodlagos gyártók is szerepelnek a februári ECIA reportban, például GlobalFoundries, SMIC, UMC, Towerjazz és SkyWater (ECIA Report, 2021. február 11, EMS Now).

Az olcsóbb és nagyobb csíkszélességű félvezető IC-ket, továbbra is szinte kivétel nélkül 200mm-es lapkára gyártják (Ilyenek például a táp IC-k, MEMS eszközök, analóg IC-k, stb).

A szilícium egykristály probléma

A szilícium egykristály húzásának folyamata egy nagyon drága és nagyon lassú folyamat. A cikkben részletesen nem kívánok kitérni rá, autodidakta módon bárki utána olvashat. Mankónak kulcsszavak: Szilícium egykristály, intrinsic silicon, silicon monocrystal.

A lényegét tekintve szilícium-dioxidot (SiO₂, aminek a leggyakoribb ásványa a kvarchomok) nagyon magas 1900 °C-os hőmérsékletre hevítenek, majd kemence alján keletkező polikristályos szilíciumot tovább tisztítják. A nagytisztaságú polikristályos szilíciumból létrehozott olvadékból kontrollált körülmények között forgatva-húzva emelik ki. A forgatás sebességével tudják kontrollálni az egykristály átmérőjét. A folyamatos kiemeléssel folyamatosan alakul ki a szilícium egykristály (kristályosodik ki). Majd ezt tisztítják, kezelik és szeletelik wafer-ré.

Hogyan hatott ez a chip válságra?

Több oldalról hatott rá. Egyrészt ha megnövekszik a kereslet, a szilícium egykristály akkor sem kristályosodik gyorsabban, így a gyártás ütemét technikai okokból nem tudják fokozni. Másrészt a folyamat nagyon lassú. Gyorsítással alacsonyabb minőségű egykristályt tudnak csak létrehozni, ami a magasabb szennyeződési ráta miatt magasabb selejtarányt is fog jelenteni.

Miért nem építenek akkor még félvezető gyárakat?

A félvezető gyárak építése hatalmas költség, és üzembentartása is nagyon költséges. A folyamat teljesen alkalmatlan on-demand igények kiszolgálására, így csak akkor gazdaságos üzemeltetni, ha abban 24/7 folyamatos gyártás van. Ha mindenki építene magának gyárat, akkor a saját félvezetőinek az árába kellene beleépítenie a dollár-milliárdos költségeket, másrészt a gyár állásakori kieséseket is ezekből kellene finanszíroznia. A folyamat nem úgy működik, hogy ha beesik 100.000 db STM32F103-ra rendelés, akkor beröffentik a gépeket a reggeli műszak előtt.

Felépítése tehát nem csak pénz, de rengeteg időt is vesz igénybe. Egyes források minimum 1 éves építési időt és minimum 3 éves első éles gyártási időt mondanak.

Most jöttek rá a politikai körökben is, hogy nagyon sérülékeny szituáció ez, hogy például még a nagy amerikai félvezető fejlesztő cégek is a távolkeleten gyártanak. Ennek hozománya például a Biden adminisztráció 2021. február 24-én aláírt 50 milliárd dolláros tervezete, mellyel ösztönözné a helyi nagyvállalatokat, hogy az USA-n belül hozzanak létre félvezetőgyártó egységeket.

Hogyan hatott ez a chip-válságra?

Mivel a fogyasztás hirtelen növekedés ütemét nem voltak képesek követni a gyártók, így a COVID miatti csökkentett gyártókapacitást sem sikerül egy nap alatt újra visszaépíteni, vagy új gyárakba átcsoportosítani.

Természeti katasztrófák – Texas

Ha önmagában a kereslet megugrása nem lenne elég megoldandó probléma, a félvezetők egyik őshazájában Texasban is (Dallas, Texas Instruments, stb) 2021. februárjában szélsőséges időjárások uralkodtak. Az egész hozománya egy 195.6 milliárd dollárra becsült anyagi kár, ugyanis február 10 és február 27 között számos alkalommal Texast szinte teljes mértékben érintő áramszünetek voltak. A „The Great Texas Blackout 2021”-nak keresztelt hatalmas áramszünet nem csak számos gyártóüzem teljes leállását és az akkor gyártott anyagok leselejtezését hozta magával, de 111 halálesetet is követelt.

Hogyan hatott ez a chip válságra?

Mivel méteres hótorlaszok és teljes áramszünet volt a félvezető piac egyik őshazájában majdnem három héten keresztül, így kevésbé volt lehetséges koordinálni a fennálló kereslet növekedést.

Vagyoni katasztrófák – Renesas tűzvész

Van hova fokozni természetesen, ugyanis 2021. március 19-én a Renesas Naka gyárában (Hitachinaka, Ibaraki Prefektúra, Japán) ahol 300mm-es lapkákkal dolgoztak, tűz ütött ki, és 17 gyártósor teljesen leégett az N3 épületben. A teljes becsült anyagi kár 24 milliárd yen (kb. 67.2 milliárd forint).

Vagyoni katasztrófák – TSMC és Micron Technology vízkorlátozás

Taiwanban nem az első eset, hogy vízkorlátozást vezetnek be súlyos aszály miatt. Az ilyen vízkorlátozások nagy hatással vannak a félvezető gyártásra is. A TSMC a gyártáshoz szükséges víz 85-87%-át újrahasznosítja, amit szeretnének majd 90%-ra növelni (Richard Yu, TSMC szóvivő, Január 26), de ettől függetlenül víz utánpótlásra szükségük van a gyártáshoz. Sosem jó jel, amikor a TSMC saját vízszállító teherautóval szállítja a vizet a gyáraihoz, és gyakorlatoznak, hogy a helyzet súlyosbodása esetén, hogyan tudnak folyamatos gyártást biztosítani.

(TSMC gyár, és a vízszállító teherautók, 2021. Április, AFP/Jiji)

Vagyoni katasztrófák – TSMC áramszünet

Miközben hatalmas aszály súlytja Taiwant, a TSMC-nek már csak egy áramszünet „hiányzott”. Hiányzott egészen 2021. április 14-ig. Ugyanis a reggeli órákban Tainan-ban egy építkezés közben átvágtak egy erősáramú kábelt a Tainan-i Science Center építésénél, mely miatt a Tainan városban található „Fab 14 P7” nevű TSMC gyártóegységben teljes áramszünet következett, melyet ugyan sikerült aznap este 7 órára visszaállítani, ám a 45/40 nm és 16/12 nm-es csíkszélességű lapkák gyártásában így is 10-25 millió dolláros kárt okozott. (EMS Now, április 15)

Konténerválság

A mikrovezérlőket kevésbé, viszont minden más hozzá szükséges nyersanyagot érint a 2020 év vége óta fennálló konténerválság. A konténerválság oka, hogy nincs szabad konténer a piacon, amiben a konténerszállító cégek az árukat szállítják.

Konténerhiány több okból lépett fel. Egyrészt a kereslet megnövekedése miatt az áruval teli konténerek nagyon gyorsan elfogytak, másrészt pedig számos konténer a célországban ragadt, ugyanis a globális kereskedelem adja meg a konténerek rendes áramlásának lehetőségét. Üres konténereket semelyik vállalat nem szeret szállítani, így a célországból akkor hozzák vissza a konténert, ha onnan másfajta áruval megpakolva gazdaságosan visszahozható.

Rengeteg áru indult el Kínából az USA-ba, viszont mivel ott rengeteg gyártó megállt, így nem volt áru, amivel a konténereket meg lehetett volna rakodni, így nem hozták vissza üresen a konténerszállító cégek. Emiatt Kínában egyszerűen elfogyott a konténer. Ennek köszönhető, hogy 2020. közepén még 2200 USD átlagáron tett meg egy utat egy 40-lábas hajózási konténer Kína és Európa között, addigra 2020. decemberében már 7000 USD felett volt, 2021. januárjában pedig túllépett a 9700 USD átlagáron is.

Hogyan hatott ez a chip válságra?

Egyértelműen alapanyag hiány formájában hatott. Olyan alapanyagok melyek nehezek / nagy térfogatúak, azok légi szállítása nem gazdaságos, illetve a késztermék ára nem engedi meg, hogy például a műanyag pellet ára 10-szeresére nőjön. A konténer válság, kihatott minden nyersanyag áramlásra.

Nyersanyag árak változása

Számos makrogazdasági tényező kihatott a nyersanyagok árának emelkedésére. Egyes nyersanyagokat a szállítási nehézségek és fennakadások drágítottak, másoknál egyszerűen további nyersanyag hiány lépett fel. Ilyen például a vasáruk előállítása. A vas nyersanyagára is nagymértékben növekedett annak köszönhetően, hogy megállt a használt/bontott/hulladék vas kohókba visszaszállítása, így a vas előállítása drágább lett.

Ugyan ez a jelenség söpört végig a réz és alumínium nyersanyagoknál is. Az újrahasznosítási láncban fellépő hiány, felemelte a nyersanyagok árát.

Autógyárak megállása

Sorra jelentik be az autógyárak is a teljes leállást. 2021. április 9-én a General Motors további gyáraiban függesztette fel a gyártást, és kötelező szabadságra küldött több mint 10.000 munkavállalót. (General Motors: GMC, Opel, Chevrolet, stb.). Ugyan ez a helyzet a Ford gyáraiban is szerte a világon.

Frissítés: 2021. április 22-én a kecskeméti Mercedes gyár is bejelentette, hogy 10 napra leáll a chiphiány miatt. A Mercedes gyár globálisan a Reuters hírügynökség értesülései alapján összesen 18.5 ezer dolgozójának munkaidejét csökkentette az alkatrészhiány miatt.

Fogy a türelmük az autógyártóknak, hiszen egy pár száz forintos mikrovezérlő hiánya miatt nem tudják eladni a több millió forintos autókat.

A nagy kérdés: Mikor fog elmúlni?

Egyes elemzők a probléma megoldását 2022 év közepére teszik, amikor nagyjából mérséklődnek majd a félvezetőpiacot ért terhelések, míg mások úgy becsülik, hogy 2021 második félévében már látható jelei lesznek a rendeződésnek.

Egy biztos, minden résztvevő nehezen viseli, hogy a mikrovezérlők árai 2-10 szeresére nőttek, a sima tranzisztorok és egyszerűbb félvezetők is már szinte mindenhol kétszeres áremelkedést szenvedtek el, ráadásul hatalmas hiány van minden típusból.

Ha nem húzták volna be a COVID elején a vészféket a félvezetőgyártók a bizonytalanság miatt, és folyamatosan termeltek volna a lehetőségekhez mérten persze, vélhetően ez a probléma nem is létezne most.