Odporność amerykańskiego łańcucha dostaw półprzewodników

W lutym 2021 roku prezydent Biden podpisał rozporządzenie wykonawcze (EO) 14017 „America’s Supply Chains”, zobowiązujące siedem agencji federalnych do przeprowadzenia oceny odporności i bezpieczeństwa krytycznych łańcuchów dostaw kraju. W wyniku tego Departament Energii USA (DOE), za pośrednictwem krajowych laboratoriów, przeprowadził analizy łańcuchów dostaw obejmujących amerykańską bazę przemysłową sektora energetycznego, ze szczególnym uwzględnieniem technologii niezbędnych do dekarbonizacji Stanów Zjednoczonych do 2050 roku.

Poniżej znajduje się synteza raportu Deep Dive Report poświęconego amerykańskiemu łańcuchowi dostaw półprzewodników, jednemu z 11 ocenianych sektorów, opublikowanego przez DOE w lutym 2022 roku.

Wprowadzenie

Aby przeciwdziałać kryzysowi klimatycznemu i uniknąć najpoważniejszych skutków zmian klimatu, Stany Zjednoczone zobowiązują się do osiągnięcia 50–52% redukcji emisji gazów cieplarnianych netto w całej gospodarce do 2030 roku, stworzenia sektora energetycznego wolnego od emisji dwutlenku węgla do 2035 roku oraz osiągnięcia zerowej emisji netto w całej gospodarce najpóźniej do 2050 roku. 

Amerykańska baza przemysłowa sektora energetycznego będzie wymagać radykalnych transformacji, aby zrealizować dekarbonizację do 2050 roku, a rozwój, efektywność energetyczna i bezpieczeństwo łańcucha dostaw półprzewodników stanowią kluczowe elementy tej transformacji. 

Półprzewodniki są technologią podstawową w sektorze energetycznym, ponieważ są niezbędne do funkcjonowania niemal każdego pojazdu elektrycznego, stacji ładowania i turbiny wiatrowej, jak również całej sieci elektroenergetycznej, które to elementy są kluczowe dla dekarbonizacji.  

Półprzewodniki mają także kluczowe znaczenie dla amerykańskiej gospodarki — w 2020 roku ich udział w produkcie krajowym brutto (PKB) Stanów Zjednoczonych przekroczył 246,4 mld dolarów. Przy wartości eksportu na poziomie 49 mld dolarów były one czwartym co do wielkości produktem eksportowym USA w 2020 roku, po statkach powietrznych, rafinowanej ropie i ropie surowej. 

Raport koncentruje się zarówno na konwencjonalnych półprzewodnikach elektroniki mocy, jak i na półprzewodnikach szerokopasmowych (WBG, wide bandgap), ponieważ oba rodzaje mają kluczowe znaczenie dla osiągnięcia zerowej emisji netto. 

Technologia 

Dla celów tego raportu „półprzewodniki” dotyczą półprzewodników stosowanych w aplikacjach istotnych dla dekarbonizacji sektora energetycznego, z wyłączeniem fotowoltaiki.

Obejmuje to:

• Półprzewodniki WBG (np. SiC i azotek galu (GaN)), które kontrolują, przetwarzają i kształtują przepływ energii dla pojazdów elektrycznych (EV), technologii przemysłowych zasilanych energią elektryczną (takich jak przemysłowe pompy ciepła) oraz innych zastosowań w OZE, jak generatory wiatrowe i słoneczne.
• Konwencjonalne półprzewodniki (np. na bazie krzemu) sterujące przepływem danych w aplikacjach związanych z efektywnością energetyczną oraz OZE, w tym w EV, zintegrowanych bezprzewodowych systemach czujników dla energooszczędnej produkcji, efektywności energetycznej budynków oraz innych technologiach odnawialnych.

Główną siłą napędową różnic w zastosowaniach jest zakres pracy danego półprzewodnika. Oba typy sprawdzają się w zakresie 600–900 V, ale urządzenia SiC pracują także przy znacznie wyższych napięciach. Obszarem obecnego nakładania się zastosowań GaN i SiC jest sektor EV. 

Mapowanie łańcucha dostaw półprzewodników

Rynek i łańcuch dostaw półprzewodników są globalne i niezwykle złożone. Projektowanie, produkcja i pakowanie produktu półprzewodnikowego zajmuje nawet do 100 dni, w tym 12 dni transportu, a całość logistycznie przekracza granice międzynarodowe nawet 70 razy.

Większość łańcuchów dostaw można podzielić na 5 głównych segmentów: surowce, materiały przetworzone, podzespoły, produkt oraz recykling/ponowne wykorzystanie na końcu cyklu życia. Złożoność półprzewodników oznacza jednak, że konieczne jest wyróżnienie kilku dodatkowych segmentów łańcucha dostaw: projektowanie, sprzęt do produkcji półprzewodników (SME), a także montaż, testy i pakowanie (ATP), w tym zaawansowane pakowanie oraz badania i rozwój (R&D), jak przedstawiono na rysunku 9. 

Kluczowe luki łańcucha dostaw półprzewodników w USA 

• Wysiłki na rzecz dekarbonizacji zwiększą zapotrzebowanie na OZE i niezbędną infrastrukturę, w tym zarówno na konwencjonalny, jak i szerokopasmowy łańcuch dostaw półprzewodników mocy. Brak krajowej zdolności produkcyjnej oraz ograniczony dostęp do surowców ulegną dalszemu pogorszeniu. Prognozowana globalna produkcja krzemu nie nadąża za tym tempem wzrostu, co spowoduje dalsze obciążenie innych odcinków łańcucha dostaw. Sektor EV może być szczególnie dotknięty z uwagi na wzrost zastosowań półprzewodników w pojazdach oraz potrzebną infrastrukturę ładowania. 

• Globalne zużycie energii przez produkty z półprzewodnikami podwajało się co trzy lata od 2010 roku. Przewiduje się, że ten wykładniczy wzrost przyspieszy jeszcze bardziej w związku ze zwiększeniem elektryfikacji w wyniku dekarbonizacji oraz rozwojem energochłonnych zastosowań komputerowych.

• Dynamiczny wzrost wykorzystania technologii półprzewodnikowych we wszystkich sektorach, zwłaszcza w energetyce, sprawia, że wydajność i efektywność półprzewodników mają bezpośredni wpływ na efektywność i wydajność technologii w tych branżach. 
• Algorytmy sztucznej inteligencji podwajają swoją moc co dwa miesiące, a zużycie energii przez półprzewodniki wykorzystywane do wydobycia Bitcoinów przekracza zużycie energii w niektórych krajach Europy, z czasem podwojenia wynoszącym rok. 

• W 1995 roku 26% światowych mocy produkcyjnych półprzewodników znajdowało się w USA. Do 2020 roku udział ten spadł do 10% (dane: European Semiconductor Industry Association). Rozwój technologii odpowiednich dla potrzeb sektora energetycznego ma tu szczególne znaczenie. USA ma już silną pozycję na rynku SiC power electronics i obecność w segmencie urządzeń wysokiego napięcia. Technologie te oraz ich zaplecze wymagają jednak dalszego rozwoju pod kątem jakości i kosztów. Brak inwestycji może spowodować szybką utratę przewagi konkurencyjnej. 

• Wprowadzenie nowych urządzeń bezpośrednio do wielomiliardowych fabryk jest praktycznie niemożliwe. Narzędzia oparte na ultradokładnych technikach wykorzystywanych przy produkcji energooszczędnych urządzeń mogą być wdrażane poprzez producentów narzędzi.

• USA musi również poprawić swoje kompetencje w zakresie zaawansowanego pakowania. Technologia ta zyskuje na znaczeniu ze względu na wymogi dotyczące wydajności i efektywności, a jej rola będzie rosła wraz z postępującą elektryfikacją. To innowacyjny, dynamicznie rozwijający się obszar, oparty głównie na możliwościach projektowych, w których USA przoduje, jednak przemysł wymaga budowy krajowych fabryk produkcyjnych, aby nie utracić pozycji w tym krytycznym obszarze. 

• Produkcja półprzewodników wiąże się z istotnym zużyciem wody oraz śladem węglowym wynikającym z dużego zapotrzebowania na energię i stosowania związków fluorowanych. Kluczowe jest więc adresowanie potencjalnych oddziaływań środowiskowych związanych ze wzrostem produkcji. 

• Budowanie odpornego łańcucha dostaw opiera się na dostępie do rozbudowanej, wysoko wykwalifikowanej kadry. Zapotrzebowanie to obejmuje zarówno wykwalifikowanych pracowników, jak i specjalistów z zaawansowanymi stopniami naukowymi, i będzie musiało być realizowane zarówno przez obywateli USA, jak i pracowników zagranicznych. Ważne jest zapewnienie, by programy szkoleniowe, polityka migracyjna oraz cała infrastruktura wspierająca były dostosowane do tego celu, jednocześnie gwarantując wysokie standardy pracy i konkurencyjne wynagrodzenie. 

Wnioski 

Stany Zjednoczone utrzymują pozycję lidera w branży półprzewodników, jednak pozycja ta systematycznie słabnie, zwłaszcza w aspekcie krajowej produkcji oraz zaawansowanego pakowania. 

Choć dostępne są technologie ograniczające emisję dwutlenku węgla, obecnie opierają się one na surowcach sprzedawanych na nietransparentnych i zmiennych globalnych rynkach, które często znajdują się w regionach o wrażliwej sytuacji geopolitycznej. 

Co więcej, środkowe ogniwa łańcuchów dostaw — takie jak przetwarzanie materiałów i produkcja komponentów — są skoncentrowane w krajach obcych, utrzymujących złożone stosunki geopolityczne ze Stanami Zjednoczonymi.

Aby USA utrzymały i rozwinęły swoją pozycję lidera w branży półprzewodników, muszą sprostać gwałtownie rosnącemu popytowi na konwencjonalne oraz szerokopasmowe półprzewodniki elektroniki mocy, zwiększając produkcję i zastosowanie obu typów półprzewodników, jednocześnie zapewniając rozwój nowych, energooszczędnych rozwiązań o niskim wpływie środowiskowym.

Aby realizować te cele, USA muszą rozwijać własną, wykwalifikowaną kadrę zarówno w zakresie półprzewodników konwencjonalnych, jak i szerokopasmowej elektroniki mocy WBG.