De veerkracht van de Amerikaanse halfgeleider-supply chain

In februari 2021 ondertekende president Biden Executive Order (EO) 14017, “America’s Supply Chains”, waarmee zeven federale agentschappen werden opgedragen de veerkracht en veiligheid van de kritieke supply chains van het land te evalueren. Als gevolg hiervan heeft het Amerikaanse Department of Energy (DOE), via de nationale laboratoria, evaluaties uitgevoerd van de supply chains binnen de Energy Sector Industrial Base, met bijzondere aandacht voor technologieën die vereist zijn om de VS uiterlijk in 2050 te decarboniseren.

Dit is een samenvatting van het Deep Dive Report over de Amerikaanse semiconductor-supply chain, één van de elf sectoren die door het DOE zijn geëvalueerd en in februari 2022 zijn gepubliceerd.

Introductie

Om de klimaatcrisis te bestrijden en de ernstigste gevolgen van klimaatverandering te voorkomen, streeft de VS naar een reductie van netto broeikasgasemissies met 50 tot 52 procent economiebreed tegen 2030, een volledig koolstofvrije energiesector in 2035 en netto-nul-emissies economiebreed uiterlijk in 2050. 

De Amerikaanse Energy Sector Industrial Base vereist ingrijpende transformaties om uiterlijk in 2050 te decarboniseren. Groei, energie-efficiëntie en beveiliging van de semiconductor-supply chain zijn sleutelcomponenten van deze transformatie. 

Semiconductors zijn een essentiële technologie in de energiesector omdat zij cruciaal zijn voor nagenoeg elk elektrisch voertuig, laadstation en elke windturbine, evenals het volledige elektriciteitsnet, welke allen belangrijk zijn voor decarbonisatie.  

Semiconductors zijn bovendien van vitaal belang voor de Amerikaanse economie en droegen in 2020 meer dan $246,4 miljard bij aan het bruto binnenlands product (BBP) van de VS. Met een exportwaarde van $49 miljard vormden zij in 2020 de vierde grootste Amerikaanse exportcategorie, na vliegtuigen, geraffineerde olie en ruwe olie. 

Het rapport richt zich op zowel conventionele als wide bandgap (WBG) power electronics (PE) semiconductors, gezien beide cruciaal zijn om netto-nul CO2-emissie te realiseren. 

De technologie 

In dit rapport verwijst “semiconductor” naar semiconductors die worden ingezet in toepassingen die belangrijk zijn voor de decarbonisatie van de energiesector, met uitzondering van die in fotovoltaïsche systemen.

Deze omvatten:

• WBG-semiconductors (zoals SiC en galliumnitride (GaN)) die het energieverloop regelen, omzetten en conditioneren voor elektrische voertuigen (EV’s), geëlektrificeerde industriële technologieën (zoals industriële warmtepompen) en andere hernieuwbare energie toepassingen, zoals wind- en zonnegeneratoren.
• Conventionele semiconductors (bijvoorbeeld op siliciumbasis) die de datastroom regelen voor energie-efficiëntie- en hernieuwbare energie toepassingen, waaronder EV’s, geïntegreerde draadloze sensorsystemen voor energie-efficiënte productie, energiezuinige gebouwen en andere hernieuwbare energietechnologieën.

Het belangrijkste verschil in toepassingen wordt bepaald door het werkingsbereik van semiconductors. Beide types functioneren goed tussen 600 en 900 V, maar SiC-apparaten kunnen ook bij veel hogere spanningen worden ingezet. Eén van de huidige overlappingen in toepassingen tussen GaN en SiC vindt plaats in de EV-sector. 

Semiconductor-supply chain mapping

De markt en supply chain voor semiconductors zijn wereldwijd en uiterst complex. Het ontwerpen, fabriceren en verpakken van een semiconductor-product duurt tot 100 dagen, inclusief 12 dagen transport, en kan tot 70 keer internationale grenzen passeren.

De meeste supply chains kunnen worden onderverdeeld in vijf hoofdsegmenten: grondstoffen, bewerkte materialen, subcomponenten, product en end-of-life-recycling/hergebruik. De complexiteit van semiconductors vereist echter extra supply chain-segmenten: ontwerp, semiconductor manufacturing equipment (SME), en assembly, testing & packaging (ATP), inclusief geavanceerde packaging en research & development (R&D), zoals weergegeven in figuur 9. 

Belangrijkste kwetsbaarheden in de Amerikaanse semiconductor-supply chain 

• Decarbonisatie zal de vraag naar hernieuwbare energie en de bijbehorende infrastructuur — inclusief zowel conventionele als WBG power electronics-semiconductor-supply chains — verder verhogen. Het huidige tekort aan binnenlandse productiefaciliteiten en beperkte toegang tot grondstoffen zal hierdoor verergeren. De huidige wereldwijde siliciumproductie is niet toereikend voor deze groei. Ook andere supply chains zullen waarschijnlijk onder druk komen te staan. Vooral de EV-sector kan worden geraakt door de sterke toename van semiconductor-gebruik in voertuigen en de benodigde laadinfra. 

• Het wereldwijde energieverbruik van producten met semiconductors is sinds 2010 elke drie jaar verdubbeld. Door verdere elektrificatie voor decarbonisatie en een exponentiële groei van energie-intensieve computerapplicaties zal deze toename nog verder versnellen.

• Door de enorme toename van semiconductor-gebruik in alle sectoren, vooral de energiesector, beïnvloeden prestaties en efficiëntie van semiconductors direct de prestaties en efficiëntie van technologieën in andere sectoren. 
• AI-algoritmen verdubbelen hun rekenkracht iedere twee maanden en het stroomverbruik van semiconductors voor uitsluitend Bitcoin-mining overschrijdt al het jaarlijks verbruik van sommige Europese landen, met een verdubbelingstijd van één jaar. 

• In 1995 lag 26% van de mondiale semiconductor-productiecapaciteit in de Verenigde Staten; in 2020 was dit nog slechts 10% (European Semiconductor Industry Association). De ontwikkeling van technologieën ter ondersteuning van de energiesector is steeds essentiëler. De Verenigde Staten hebben al een sterke positie in de SiC-power electronics-markt en een voet aan de grond in de HV-markt. Echter, deze en aanverwante technologieën vereisen verdere ontwikkeling om kwaliteit en kosten te verbeteren. Zonder tijdige investeringen verdwijnt dit concurrentievoordeel mogelijk naar het buitenland. 

• Het is vrijwel onmogelijk om nieuwe apparaten direct in miljarden-dollar-fabrieken te introduceren. Tools gebaseerd op uiterst precieze besturingstechnieken die gebruikt worden voor deze energie-efficiënte apparaten kunnen beter via gereedschapsfabrikanten worden ingevoerd.

• De Verenigde Staten moeten hun capaciteiten op het gebied van geavanceerde packaging verbeteren. Deze technologie wordt snel belangrijker voor performance en efficiëntie. Met toenemende elektrificatie wordt belang verder vergroot. Advanced packaging is een groeiend, innovatief domein dat sterk afhankelijk is van designcapaciteiten — een gebied waarin de Verenigde Staten uitblinken — maar zonder binnenlandse productiefaciliteiten zal de VS op dit kritieke terrein snel worden ingehaald. 

• Voor de productie van semiconductors is veel water nodig en deze heeft een hoge carbon footprint door het aanzienlijke energieverbruik en het gebruik van gefluoreerde verbindingen. Het is daarom cruciaal om de mogelijke milieueffecten van verhoogde productie aan te pakken. 

• Een veerkrachtige supply chain vereist een sterke, goed opgeleide beroepsbevolking. Deze behoefte omspant het gehele spectrum van vaktechnisch personeel tot academisch opgeleiden en moet worden vervuld door zowel Amerikaanse burgers als buitenlandse krachten. Het op elkaar afstemmen van opleidingsprogramma’s, immigratiebeleid en ondersteunende infrastructuur is essentieel, evenals waarborgen van sterke arbeidsnormen en concurrerende lonen. 

Conclusies 

De Verenigde Staten lopen voorop in de semiconductor-industrie, maar dit leiderschap neemt af, met name door afnemende binnenlandse productie en geavanceerde packaging. 

Hoewel technologieën beschikbaar zijn om de CO2-uitstoot te verminderen, zijn deze op dit moment afhankelijk van grondstoffen die worden verhandeld op ondoorzichtige en volatiele wereldmarkten, vaak afkomstig uit geopolitiek gevoelige regio’s. 

Daarbij zijn midstream-fasen van supply chains, zoals materiaalbewerking en componentproductie, geconcentreerd in het buitenland, vaak in landen met complexe geopolitieke relaties met de VS.

Om het leiderschap binnen de semiconductor-industrie te behouden en uit te breiden, moet de VS de sterk stijgende vraag naar conventionele en wide bandgap power electronics opvangen door zowel productie als het gebruik van beide typen semiconductors te verhogen, en zorgen voor verdere ontwikkeling van nieuwe energie-efficiënte semiconductors met lage milieu-impact.

Om deze doelen te behalen dient de VS een goed opgeleide binnenlandse beroepsbevolking te ontwikkelen, zowel voor conventionele semiconductors als WBG power electronics.