Инвестиционный прогноз отражает роль полупроводниковой промышленности в обеспечении технологического прогресса во многих секторах.
Полупроводниковая промышленность переживает период беспрецедентного роста, и, по прогнозам, в период с 2024 по 2030 год глобальные инвестиции в производство превысят 1,5 трлн. долларов. Эти огромные расходы, равные всем инвестициям, вложенным за последние 20 лет, показывают, что в настоящее время мир рассматривает производство полупроводников как важное для экономики и стратегически важное направление.
Масштаб увеличения инвестиций
Масштаб этого всплеска инвестиций свидетельствует о том, что общие усилия превратили полупроводниковую отрасль из специализированной в центральную часть современной цифровой инфраструктуры. Анализ показывает, что капитальные затраты превзойдут исторические тенденции, и более 70% из них будут приходиться на азиатские рынки, несмотря на то, что западные страны работают над укреплением внутреннего производства с помощью таких мер, как, например, Закон США о чипах.
Такое ускорение инвестиций происходит в период, когда традиционное масштабирование по закону Мура сталкивается с растущими физическими и экономическими ограничениями. По мере того, как технологические процессы становятся менее 7 нм, затраты, связанные с каждым новым поколением разработок, растут в геометрической прогрессии. Ответом отрасли стали значительные инвестиции в альтернативные подходы, включая передовые технологии упаковки и специализированные архитектуры чипов.
Наглядное представление глобального распределения инвестиций в производство полупроводников по регионам, показанное на рис. 1, подчеркивает концентрацию инвестиций в Азии наряду с новыми инвестициями в США и Европу (ОС – остальные страны). Ожидается, что в связи с быстрым распространением искусственного интеллекта спрос на логические полупроводники приведет к дополнительным инвестициям, что потенциально повлияет на дальнейшее увеличение производственных расходов в течение этого периода.
Искусственный интеллект как основной катализатор
Нынешняя волна инвестиций в основном обусловлена устройствами с использованием искусственного интеллекта, которые требуют беспрецедентных вычислительных мощностей. По прогнозам, к 2030 году энергопотребление центров обработки данных, поддерживающих рабочие нагрузки с использованием искусственного интеллекта, более чем удвоится, что создаст огромный спрос на специализированные полупроводники, включая ускорители искусственного интеллекта, память с высокой пропускной способностью и передовые решения для охлаждения.
Это преобразование выходит за рамки обычных вычислительных потребностей и включает в себя совершенно новые архитектуры чипов. Ожидается, что к 2030 году на долю ускорителей искусственного интеллекта будет приходиться около 50% от общего объема продаж микросхем для центров обработки данных (рис. 2). Это связано с переходом от процессоров общего назначения к специализированным интегральным схемам, предназначенным для рабочих нагрузок машинного обучения. Этот переход требует значительных инвестиций в новые производственные мощности, поскольку в этих чипах часто используются самые передовые технологические узлы и технологии упаковки.
Это преобразование выходит за рамки обычных вычислительных потребностей и включает в себя совершенно новые архитектуры чипов. Ожидается, что к 2030 году на долю ускорителей искусственного интеллекта будет приходиться около 50% от общего объема продаж микросхем для центров обработки данных (рис. 2). Это связано с переходом от процессоров общего назначения к специализированным интегральным схемам, предназначенным для рабочих нагрузок машинного обучения. Этот переход требует значительных инвестиций в новые производственные мощности, поскольку в этих чипах часто используются самые передовые технологические узлы и технологии упаковки.
Память с высокой пропускной способностью представляет собой еще одно критическое узкое место, стимулирующее инвестиции. Спрос на эту технологию растет в среднем на 27,8% в год, но проблемы с поставками сохраняются из-за сложности производства с использованием исчерпавшего все возможности кремния и ограниченной доступности специализированных матриц с базовой логикой. Эти ограничения вынуждают производителей памяти вкладывать значительные средства в новые производственные линии и современное упаковочное оборудование.
Спрос на полупроводники в автомобилестроении
Электромобили и автономные транспортные средства являются вторым основным фактором, определяющим спрос на полупроводники. Согласно прогнозам, к 2030 году на электромобили будет приходиться около 50% мировых продаж транспортных средств, в то время как ожидается, что доля беспилотных транспортных средств третьего уровня мощности превысит 10% от общего объема поставок.
Такая трансформация автомобильной промышленности создает множество требований к полупроводникам. Электромобилям требуются сложные полупроводниковые элементы для управления питанием, включая устройства из карбида кремния и нитрида галлия, которые могут работать с переключением высокого напряжения более эффективно, чем традиционные кремниевые компоненты. Переход от двигателей внутреннего сгорания к электрическим силовым агрегатам коренным образом меняет содержание полупроводников в автомобилях, поскольку на силовые полупроводники потенциально приходится более 50% общих затрат на микросхемы в электромобилях.
Возможности беспилотного вождения создают еще один уровень сложности, требуя усовершенствованных сенсорных систем, высокопроизводительных вычислительных платформ и систем связи в режиме реального времени. Для обеспечения полной автономии транспортных средств может потребоваться более 1000 полупроводниковых элементов по сравнению с 200-300, которые используются сегодня в обычных автомобилях. Такое увеличение требований к чипам распространяется на камеры, радарные системы, лидар-датчики и центральные процессоры, синтезирующие эти данные для принятия решений о вождении.
Геополитические факторы и устойчивость цепочки поставок
Государственные субсидии и стратегические политические решения привели к увеличению инвестиций в полупроводниковые заводы. Закон США о чипах, стратегия Европейского союза в области полупроводников и аналогичные инициативы в Азии демонстрируют, что возможности по производству полупроводников являются важнейшей национальной инфраструктурой.
Подход Китая существенно отличается от западных стратегий, поскольку из-за ограничений экспортного контроля на современное производственное оборудование основное внимание уделяется изготовлению готовых узлов с производительностью 28 нм и выше. Несмотря на эти ограничения, китайские инвестиции в производство полупроводников продолжают существенно расти, что обусловлено внутренним спросом и стратегическими целями самообеспечения.
Это геополитическое измерение создает как возможности, так и риски для мировой полупроводниковой промышленности. Хотя государственная поддержка снижает инвестиционные риски и предоставляет значительные субсидии, она также разрушает цепочки поставок и потенциально приводит к избыточным производственным мощностям в определенных сегментах. Наличие самого современного производства всего в нескольких регионах создает риски, о чем наглядно свидетельствуют недавние сбои в цепочке поставок.
Производственные проблемы
Масштаб планируемых инвестиций отражает растущую сложность и стоимость современного полупроводникового производства. Системы экстремальной ультрафиолетовой литографии, необходимые для производства чипов 7 нм и меньше, стоят около 200 млн. долларов каждая, а на их создание и квалификацию требуется около 12 месяцев. Это создает фундаментальное препятствие для развития производственных мощностей, поскольку только одна компания (ASML) поставляет эти системы по всему миру.
Передовые упаковочные технологии представляют собой еще одну область, требующую значительных инвестиций, поскольку традиционные подходы к масштабированию становятся все менее эффективными. Гибридное соединение для 3D-укладки чипов, архитектура микрочипов для гетерогенной интеграции и решения «система в упаковке» - все это требует специализированных производственных мощностей и значительных капиталовложений.
Проблемы материаловедения, связанные с этими достижениями, требуют инвестиций в новые материалы и процессы изготовления. Медные межкомпонентные соединения теряют эффективность в современных узлах, что приводит к внедрению альтернативных материалов, таких как рутений. Аналогичным образом, традиционные диэлектрические материалы должны быть заменены альтернативами с очень низкой диэлектрической постоянной, чтобы сохранить электрические характеристики по мере уменьшения геометрии устройства.
Стабильность спроса
Согласно прогнозам, к 2030 году доходы мирового рынка полупроводников превысят 1 трлн. долларов, что в среднем составляет 8,6% от текущего объема рынка, размер которого оценивается в 627 млрд. долларов. Такая траектория роста предполагает устойчивый спрос на различных конечных рынках, особенно на рынке серверных и сетевых устройств, где прогнозируется рост на уровне 11,6% в год (рис. 3).
Однако в истории полупроводниковой промышленности есть периоды как ускорения, так и коррекции. Рынки памяти по-прежнему подвержены дисбалансу спроса и предложения, что может существенно повлиять на доходность инвестиций. Текущее внимание к устройствам с использованием искусственного интеллекта может привести к аналогичной динамике, если рост спроса не будет соответствовать текущим прогнозам или если появятся технологические альтернативы.
Трудовые ресурсы и инфраструктура
Масштаб планируемых инвестиций поднимает серьезные вопросы о способности отрасли эффективно реализовать эти планы. В отчете указывается на существенную нехватку квалифицированных кадров, отмечая, что к 2030 году может потребоваться более 300 000 инженеров, при этом в настоящее время в наличии имеется только около 200 000 человек. Такой дефицит трудовых ресурсов может ограничить способность отрасли в полной мере использовать запланированные производственные мощности.
Требования к инфраструктуре распространяются не только на производственные мощности, но и на инженерные коммуникации, транспортные сети и экосистемы поставщиков. Современные производители полупроводников потребляют огромное количество электроэнергии и сверхчистой воды, требуя при этом точного климат-контроля и виброизоляции. Географическая концентрация этих предприятий создает потенциальные узкие места в поддерживающей инфраструктуре.
Последствия для структуры отрасли
Этот всплеск инвестиций, вероятно, повлияет на конкуренцию в полупроводниковой отрасли. Компании, имеющие доступ к передовым производственным мощностям и значительным капитальным ресурсам, смогут занять наиболее ценные сегменты рынка, в то время как те, у кого этих ресурсов нет, могут оказаться вытесненными в развитые технологические узлы или специализированные ниши.
Капиталоемкость современного полупроводникового производства также способствует стратегиям консолидации и партнерства. Немногие компании могут самостоятельно финансировать инвестиционные проекты, необходимые для создания передовых производственных мощностей, что способствует расширению сотрудничества между проектными компаниями, заводами, занимающимися производством микросхем, и поставщиками технологий. Эта эволюция в сторону более специализированных и взаимозависимых отраслевых сегментов представляет собой отход от вертикально интегрированной модели, которая исторически доминировала в производстве полупроводников.
Прогнозируемые инвестиции в размере 1,5 трлн. долларов в конечном итоге отражают центральную роль полупроводниковой промышленности в обеспечении технологического прогресса во многих секторах. Хотя масштабы этих обязательств значительны, они также подчеркивают критическую важность полупроводниковых мощностей для поддержания технологического лидерства и экономической конкурентоспособности в условиях все более цифровой глобальной экономики.
