ABD Yarı İletken Tedarik Zincirinin Dayanıklılığı

Şubat 2021’de Başkan Biden, yedi yürütme organına ülkenin kritik tedarik zincirlerinin dayanıklılığını ve güvenliğini değerlendirmeleri talimatını veren 14017 sayılı Başkanlık Kararnamesi'ni (EO) “Amerika’nın Tedarik Zincirleri” imzaladı. Bu kapsamda, ABD Enerji Bakanlığı (DOE), ulusal laboratuvarlar aracılığıyla, Enerji Sektörü Endüstriyel Tabanı’nı kapsayan tedarik zincirlerinin değerlendirmesini gerçekleştirdi. Özellikle, ABD’nin 2050’ye kadar karbonsuzlaştırılması için gereken teknolojilere odaklanıldı.

Bu metin, DOE tarafından 2022 Şubat'ta yayımlanan ve değerlendirmeye alınan 11 sektörden biri olan ABD Yarıiletken Tedarik Zinciri’ne ilişkin Detaylı İnceleme Raporu’nun bir özetidir.

Giriş

İklim krizine karşı mücadele etmek ve iklim değişikliğinin en ağır etkilerinden kaçınmak için ABD, 2030’a kadar ekonominin genelinde net sera gazı kirliliğinde %50 ila %52 oranında azaltım sağlamayı, 2035’e kadar karbon kirliliği olmayan bir enerji sektörü oluşturmayı ve 2050’den geç olmamak üzere net sıfır emisyona ulaşmayı taahhüt etmektedir. 

ABD Enerji Sektörü Endüstriyel Tabanı’nın 2050’ye kadar karbonsuzlaştırılması için köklü dönüşümler gerekmektedir; yarıiletken tedarik zincirinin büyümesi, enerji verimliliği ve güvenliği, bu dönüşümde kilit rol oynamaktadır. 

Yarıiletkenler, enerji sektöründeki neredeyse her elektrikli araç, şarj istasyonu ve rüzgar türbini ile tüm elektrik şebekesinin çalışması için vazgeçilmezdir ve bunlar, karbonsuzlaşmada kritik öneme sahiptir.  

Yarıiletkenler ayrıca Amerikan ekonomisi için de hayati önem taşımaktadır; 2020 yılında ABD’nin gayri safi yurt içi hasılasına 246,4 milyar doların üzerinde katkı sağlamıştır. 49 milyar dolarlık ihracat değeriyle, 2020’de uçak, rafine petrol ve ham petrolden sonra ABD’nin en büyük dördüncü ihracatı olmuştur. 

Rapor, net sıfır karbondioksit emisyonuna ulaşılmasında her ikisi de kritik olan geleneksel ve geniş bant aralıklı (WBG) güç elektroniği (PE) yarıiletkenlerine odaklanmaktadır. 

Teknoloji 

Bu raporda “yarıiletken”, fotovoltaikler hariç olmak üzere enerji sektörünün karbonsuzlaştırılması için önemli uygulamalarda kullanılan yarıiletkenleri ifade etmektedir.

Bunlar arasında şunlar yer almaktadır:

• WBG yarıiletkenler (ör. SiC ve galyum nitrür (GaN)), elektrikli araçlar (EV), endüstriyel ısı pompaları gibi elektrikli endüstriyel teknolojiler ile rüzgar ve güneş jeneratörleri gibi diğer yenilenebilir enerji uygulamaları için güç akışının kontrolü, dönüşümü ve düzenlenmesinde kullanılır.
• Geleneksel yarıiletkenler (ör. silisyum tabanlı) ise enerji verimliliği ve yenilenebilir enerji uygulamalarında, EV’ler, enerji verimli üretim için entegre kablosuz sensör sistemleri, binalarda enerji verimliliği ve diğer yenilenebilir enerji teknolojileri dahil olmak üzere veri akışının kontrolünde kullanılır.

Uygulamalardaki farkı belirleyen temel etken yarıiletkenlerin çalışma aralığıdır. Her iki yarıiletken de 600-900 V aralığında iyi performans gösterir, ancak SiC cihazları çok daha yüksek voltajlarda da çalışabilmektedir. GaN ve SiC arasındaki mevcut uygulama örtüşmesinin görüldüğü alanlardan biri EV sektörüdür. 

Yarıiletken Tedarik Zinciri Haritalaması

Yarıiletkenlerin pazarı ve tedarik zinciri küreseldir ve son derece karmaşıktır. Bir yarıiletken ürününün tasarlanması, üretilmesi ve paketlenmesi 100 güne kadar sürebilir, bunun 12 günü nakliyedir ve süreç boyunca uluslararası sınırlar 70 kez aşılabilir.

Çoğu tedarik zinciri beş ana segment ile tanımlanabilir: hammadde, işlenmiş malzemeler, alt bileşenler, ürün ve kullanım ömrü sonunda geri dönüşüm/yeniden kullanım. Ancak yarıiletkenlerin karmaşıklığı, ek tedarik zinciri segmentlerini de gerektirmektedir: tasarım, yarıiletken üretim ekipmanı (SME), montaj, test ve paketleme (ATP), ileri paketleme ve araştırma-geliştirme (Ar-Ge), Şekil 9’da görüldüğü gibi. 

ABD Yarıiletken Tedarik Zincirinin Temel Kırılganlıkları 

• Karbonsuzlaşma çabaları, yenilenebilir enerji ve onun destekleyici altyapısının (hem geleneksel yarıiletken hem de WBG güç elektroniği tedarik zincirleri dahil) talebini artıracaktır. Mevcut yurtiçi üretim kapasitesi eksikliği ve hammaddeye erişim sorunları daha da artacaktır. Şu anda öngörülen küresel silisyum üretimi bu büyüme hızına yetişememektedir ve diğer tedarik zincirlerinde de benzer darboğazlar yaşanması muhtemeldir. EV sektörü, hem araçlardaki yarıiletken kullanımının hem de gerekli şarj altyapısının artması nedeniyle öne çıkan bir şekilde etkilenebilir. 

• 2010’dan bu yana yarıiletken içeren ürünlerin küresel enerji kullanımı her üç yılda bir ikiye katlanmıştır. Karbonsuzlaşmadan kaynaklanan elektrifikasyon artışı ve enerji yoğun bilgisayar uygulamalarındaki üstel büyüme nedeniyle bu enerji kullanımındaki artışın daha da hızlanacağı öngörülmektedir.

• Yarıiletken teknolojilerinin tüm sektörlerde, özellikle enerji sektöründe kullanımının patlaması, ilgili sektörlerdeki teknolojilerin performansı ve verimliliğini doğrudan etkilemektedir. 
• Yapay zeka algoritmalarının işlem gücü her iki ayda bir ikiye katlanırken, sadece Bitcoin madenciliğinde yarıiletkenlerin enerji tüketimi, bazı Avrupa ülkelerinden fazla elektrik harcıyor ve yılda ikiye katlanma oranında artıyor. 

• 1995’te küresel yarıiletken üretim kapasitesinin %26’sı ABD’deydi; bu oran 2020 itibarıyla %10’a gerilemiştir (Avrupa Yarıiletken Endüstrisi Derneği). Enerji sektörlerinin ihtiyaçlarına cevap verecek teknolojilerin geliştirilmesi özellikle kritiktir. ABD, şu anda SiC güç elektroniği pazarında önemli bir avantaja ve HV pazarında ise bir konum elde etmiştir. Ancak bu teknoloji ve destekleyici teknolojilerin kalite ve maliyet açısından geliştirilmesi için yeni yatırımlara ihtiyaç vardır. Şimdi yatırım yapılmazsa, bu avantaj kolayca yurtdışına kayabilir. 

• Yeni cihazların doğrudan milyarlarca dolarlık üretim tesislerine sokulması neredeyse imkansızdır. Bu tür enerji verimli cihazların üretiminde kullanılan ultra hassas kontrol tekniklerine dayalı ekipmanlar, doğrudan üreticiler üzerinden sisteme kazandırılabilir.

• ABD ayrıca ileri paketleme yeteneklerini geliştirmek zorundadır. Bu teknoloji, performans ve verimlilik nedenleriyle hızla önem kazanmakta ve elektrifikasyonun artmasıyla önemi daha da hızlanacaktır. İleri paketleme, ABD’nin tasarım alanındaki gücüne dayanan yenilikçi ve büyüyen bir alan olmakla birlikte, ABD endüstrisinin imalat tesislerini burada kurması gerekmektedir. Aksi takdirde, bu kritik alanda geride kalma riski yüksektir. 

• Yarıiletken üretimi, yüksek su talebi ve önemli miktarda enerji tüketimi ile birlikte, florlu bileşiklerin kullanımından dolayı yüksek bir karbon ayak izine sahiptir. Artan üretimin olası çevresel etkilerine karşı gerekli önlemler alınmalıdır. 

• Dayanıklı bir tedarik zincirinin güvence altına alınmasının temeli, sağlam ve iyi eğitimli bir işgücüne sahip olmaktır. Bu ihtiyacın karşılanması meslek gruplarından ileri derecelere kadar tüm alanları kapsar ve hem ABD vatandaşlarının hem de yabancı çalışanların katkısı gereklidir. Eğitim programlarının, göçmenlik politikalarının ve destekleyici tüm altyapının bu ihtiyaca yanıt verdiğinden ve aynı zamanda güçlü çalışma standartları ile rekabetçi ücretlerin sağlandığından emin olmak kritik önemdedir. 

Sonuçlar 

ABD, yarıiletken endüstrisinde lider bir konuma sahiptir ancak bu konum, özellikle yurtiçi üretim ve ileri paketleme konularında aşınmaya başlamıştır. 

Karbon emisyonlarını azaltmaya yardımcı olabilecek teknolojiler mevcut olsa da, bunlar şu anda çoğu zaman şeffaf olmayan ve dalgalı küresel piyasalarda satılan, jeopolitik açıdan hassas bölgelerde bulunan ham maddelere bağımlıdır. 

Dahası, malzeme işleme ve bileşen üretimi gibi tedarik zinciri aşamaları, genellikle ABD ile karmaşık jeopolitik ilişkilere sahip yabancı ülkelerde yoğunlaşmıştır.

ABD’nin yarıiletken endüstrisinde liderliğini sürdürmesi ve genişletmesi için, konvansiyonel ve geniş bant aralıklı güç elektroniğine yönelik artan talebi karşılamak amacıyla, her iki tür yarıiletkenin üretimini ve kullanımını artırırken, çevresel etkisi düşük, yeni enerji verimli yarıiletkenlerin geliştirilmesini de sağlaması gerekmektedir.

Bu hedeflere ulaşmak için ABD, hem geleneksel yarıiletkenler hem de WBG güç elektroniği alanında yetkin bir yurtiçi işgücü geliştirmelidir.