Europejski rynek wytwórni układów scalonych

Decydującym ogniwem w tym łańcuchu jest fabryka i związana z nią technologia. Są firmy takie jak np. AMD czy Intel, które nie udostępniają swojej technologii na zewnątrz i wykorzystują całą moc przerobową fabryk do własnych produktów. Inne udostępniają technologię zewnętrznym klientom, a jeszcze inne produkują wyłącznie na zlecenie.

Każdy człowiek posiadający wiedzę i oprogramowanie, po podpisaniu specjalnych umów może zaprojektować układ scalony korzystając z bibliotek projektowych danej wytwórni. Nie trzeba od razu produkować milionów sztuk. Do sprawdzenia poprawności i weryfikacji projektu służą cykle produkcyjne uruchamiane co kilka miesięcy, w których koszty wytworzenia struktur dzielone są na wszystkich uczestników (MPW - Multi Project Wafer). W przeliczeniu koszt powierzchni układu scalonego w cyklu MPW jest o wiele wyższy niż w przypadku normalnej, wielkoseryjnej produkcji.

Nowe i stare technologie

Firma TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing) oferuje kilka wariantów procesu technologicznego CMOS o długości kanału tranzystora 45nm. W technologii oprócz tranzystorów o bardzo krótkim kanale zastosowano warstwy dielektryczne między warstwami metalu o małej przenikalności względnej. W późniejszym czasie w technologii pojawią się dielektryki o dużej przenikalności pod bramkami tranzystorów oraz biblioteki projektowe z elementami pozwalającymi na projektowanie układów scalonych w.cz. Następnie planowane jest dodanie bibliotek z elementami pamięci RAM.

Rodzina procesów 45nm oferowana jest w następujących opcjach: LP – obniżonego poboru mocy, GS – ogólnego stosowania oraz LGP - o grubszej w stosunku do standardowej warstwie dielektryka bramki. W technologii dostępne są tranzystory o kilku napięciach progowych oraz tranzystory wejścia/wyjścia przystosowane do napięć 1,8V, 2,5V lub 3,3V. Jak zapewnia TSMC opcja LP umożliwia dwukrotne zmniejszenie powierzchni i mocy pobieranej przez układ scalony w stosunku do technologii 65nm, dlatego nadaje się do urządzeń przenośnych. Z kolei proces GS pozwala na tworzenie układów co najmniej o 40% szybszych niż ich odpowiedniki w 65nm.

Jest jednak wielu klientów, dla których technologia 45nm oferuje za dużo i jest za droga. Europejskie wytwórnie układów scalonych znajdują wielu klientów na produkcję układów w technologii od 350 do 130nm. Jedynym ich problemem jest to, iż TSMC również oferuje te technologie i próbuje zagarnąć cały rynek. Świadczy o tym fakt, że TSMC inwestuje tyle samo w zwiększenie swoich mocy produkcyjnych w technologii 180nm, co we wdrożenie nowej technologii 45nm i jej wariantów.

To samo zjawisko można zaobserwować u innych wielkich graczy na rynku. Zapowiadane lub prognozowane ograniczenie wydatków kapitałowych w tym roku i następnych latach przez 4 największe wytwórnie układów scalonych (TSMC, UMC, SMIC i Chartered) nie poprawi sytuacji mniejszych graczy. Oprócz spowolnienia na rynku na zmniejszenie wydatków wpływ ma także przeinwestowanie z zeszłego roku. Dlatego też duże firmy poszukają w tym roku oszczędności próbując wykorzystać starsze linie technologiczne do nowych procesów, np. przechodząc z 130nm do 65nm. To wszystko stawia europejskie wytwórnie układów scalonych takie jak Austriamicrosystems, X-Fab Semiconductor Foundries czy Tower Semiconductor w trudnej sytuacji. Presja jest coraz większa, ale szansą jest ściślejsza współpraca z centrami projektowymi, które nie dysponują własnymi zakładami produkcyjnymi.

Z drugiej strony sytuacja centrów projektowych, w szczególności w dziedzinie projektowania układów analogowych powinna w tym roku ulec poprawie. A to ze względu na prognozowany wzrost rynku układów analogowych, a także wzrost potrzeb na outsourcing. Giganci w sprzedaży układów scalonych nawet, jeśli nie udostępniają technologii, to zlecają projektowanie sprzedawanych przez siebie układów firmom zewnętrznym.

Na rynku istnieje wiele centrów projektowych, nie ma natomiast zbyt wielu wytwórni, a konkurencja między nimi jest silna. Produkcja układów scalonych jest bardzo droga, a jej koszty rosną eksponencjalnie. Wybudowanie fabryki produkującej układy scalone w nowej technologii to koszt, co najmniej 3 mld dol. Dodatkowy miliard kosztuje opracowanie i scharakteryzowanie procesu technologicznego tak, aby projektanci układów mogli z niego korzystać. Na koniec dochodzą jeszcze bieżące koszty utrzymania fabryki. Konsekwencją tego faktu jest silna koncentracja rynku. Według danych z drugiej połowy zeszłego roku 42,3% rynku należy do TSMC. Druga w kolejności United Microelectronic Corp. (UMC) ma 3 razy mniejszy udział, a SMIC (Semiconductor Manufacturing International Corp) i CSM (Chartered Semiconductor Manufacturing) aż 6 razy mniejszy. Na 7. miejscu plasuje się największa europejska wytwórnia X-Fab.

Trzeba jednak pamiętać, że na tym rynku istnieje dość duża płynność. Tak wysoki koszt opracowania technologii sprawia, że jest ona dobrze sprzedającym się towarem. Dlatego całe technologie lub jej wybrane elementy opracowane przez jednego producenta są często po pewnym czasie sprzedawane innym. Rzadko się zdarza, żeby któraś z małych firm miała technologię opracowaną całkowicie przez siebie. Ma to tę zaletę, że standardowe procesy różnych producentów o tym samym wymiarze charakterystycznym w większości przypadków różnią się na tyle mało, że zmiana producenta układu scalonego, choć wymaga zmian projektu nie pociąga za sobą konieczności zaprojektowania układu od początku.

Co będzie w przyszłości?

Według TSMC, spectrum zastosowań najnowszych, zaawansowanych technologii jest na tyle szerokie, że firma zapowiada rozpoczęcie produkcji układów scalonych w technologii 32nm w 2009 roku i prace badawczo rozwojowe nad technologiami 22nm i mniejszymi. Czas pokaże jak wspomniane ograniczenie wydatków kapitałowych wpłynie na te plany. Trzeba jednak jasno stwierdzić, że dla firm oferujących głównie układy cyfrowe (np. Xilinx) duży stopień scalenia, który może być zaoferowany tylko przez największych producentów układów jest gwarantem konkurencyjności na rynku. Z tego względu takie firmy będą zawsze poszukiwać najnowszych technologii.

W układach analogowych przejście do technologii 90nm lub nowszej nie wiąże się ze znaczącymi oszczędnościami, gdyż większy koszt układu nie jest kompensowany przez zmniejszenie jego powierzchni. Jedynie w układach mixed signal, w których bloki cyfrowe współdziałają z analogowymi użycie nowszej technologii może przynieść korzyści.

Największe firmy oferują opcje analogowe, cyfrowe i mixed signal do swoich technologii od 350 do 130nm, a nawet do 65nm. W efekcie TSMC realizuje wiele takich samych aplikacji jak Austriamicrosystems, Tower czy X-Fab.

Działania europejskich wytwórni

Odpowiedzią europejskich producentów układów scalonych jest poszukiwanie niszowych zastosowań takich jak np. struktury mikromechaniczne (MEMS), w których główni producenci na razie mogą nie chcieć konkurować oraz na oferowaniu technologii dopasowywanej pod konkretne zastosowania klienta. Głównym celem prowadzonych obecnie prac badawczo rozwojowych w firmie X-Fab nie jest tworzenie nowych, bardziej zaawansowanych technologii, ale identyfikacja i penetracja niszy rynkowych. Z tego względu główny nacisk firma kładzie na integrację układów analogowych, mixed-signal, wysoko napięciowych, optoelektronicznych, MEMS oraz sensorów. Idąc tym samym tropem firma Tower kładzie główny nacisk na niszowe rynki z wysoko wyspecjalizowanymi przetwornikami obrazu CMOS, układami RF-CMOS, nieulotnymi pamięciami oraz układami zarządzania poborem energii. Austriamicrosystems skupia się na sensorach i ich interfejsach, układach wysokonapięciowych oraz układach do zarządzania poborem mocy. Ta ostatnia dziedzina jest dla firmy kluczowa. Ponadto wytwórnie układów scalonych nie mogąc samodzielnie konkurować z TSMC dobierają sobie partnerów. Np. wspomniana Austriamicrosystems udostępniła swoją wysokonapięciową technologię 350nm firmie IBM, która dzięki temu rozszerzyła swój proces RF CMOS 180nm.

Dariusz Pieńkowski