Produkcja półprzewodników w pigułce, czyli początki, rozwój i dzień dzisiejszy sektora foundry

Zbudowanie i uruchomienie fabryki półprzewodników to duża inwestycja. Czas jej życia to zaledwie kilka lat, później koszty są zdominowane przez amortyzację środków trwałych, tj. budynku, urządzeń do oczyszczania powietrza i wody, narzędzi produkcyjnych, etc. Istotne jest więc zapewnienie fabryce zamówień, tak aby stopień wykorzystania zdolności produkcyjnej był jak największy, bliski 100% lub wyższy.

Problemem firm posiadających fabryki płytek krzemowych tradycyjnie była i jest nadmierna zdolność produkcyjna. Firmy często nie są w stanie zapewnić sobie wystarczającej skali produkcji, aby skompensować koszty budowy i utrzymania fabryki - albo też wręcz przeciwnie, fabryka wykorzystuje moce produkcyjne na 100%, ale potrzeby produkcyjne dostawcy półprzewodników są wyższe. Właśnie taka typowa dla branży nierównowaga doprowadziła niecałe trzydzieści lat temu do powstania biznesu foundry, czyli wytwarzania układów scalonych na zamówienie przez firmy półprzewodnikowe dysponujące nadmiarową zdolnością wytwórczą dla producentów aktualnie potrzebujących określonych dodatkowych mocy. W praktyce wyglądało to tak, że firmy, nierzadko konkurenci na rynku, kupowali od siebie nawzajem wyprodukowane surowe płytki podłożowe, aby wyrównać doraźne różnice pomiędzy popytem i podażą.

Fabless i pure play

Kolejnym etapem rozwoju branży było pojawienie się pierwszych dostawców półprzewodników typu fabless, tj. producentów półprzewodników bez własnych fabryk. Według różnych źródeł pierwszą taką firmą mógł być Xilinx bądź Chips & Technologies, obie założone w połowie lat 80. ubiegłego wieku. Podobno w biznesplanach obie one zakładały budowę własnych fabryk układów scalonych, jednak tak naprawdę, ze względu na wysokie koszty, żadna z nich nawet nie planowała zafundowania sobie kosztownych fabryk. Pierwsi dostawcy fabless zawierali z producentami półprzewodników umowy o strategicznym partnerstwie, w ten sposób zapewniając sobie dostęp do wolnych mocy przerobowych w fabrykach półprzewodników. Relacje tego typu miały wymiar "strategiczny", ponieważ kontrakty na samą produkcję układów były wówczas bezprecedensowe.

W 1987 r. powstał TSMC, wyłaniając się z tajwańskiego instytutu badawczego ITRI. Początkowym celem TSMC było tylko zapewnienie usług wytwarzania półprzewodników tym producentom układów, którym brakowało mocy produkcyjnych we własnych fabrykach. Jednym z pierwszych inwestorów TSMC, a zarazem klientem zaopatrującym się u niego w płytki krzemowe, był Philips. Wcześniej na bazie ITRI powstało UMC, z czasem także uruchamiając usługi produkcyjne dla dostawców półprzewodników. UMC rozwijało biznes, wychodząc naprzeciw rosnącemu popytowi, m.in. wskutek powstawania kolejnych firm fabless. Niekwestionowanym liderem branży jest jednak TSMC - o jego obecnym potencjale świadczyć może niedawne zdobycie kontraktu u Apple'a na dostawę znacznej części procesorów do następcy iPhone'a 5. Rywalem TSMC w tym lukratywnym zleceniu jest Samsung.

Zapewnienie usług przez TSMC otwierało w branży nowy rozdział. Od tej pory dowolna firma mogła zająć się projektowaniem półprzewodników bez konieczności posiadania powiązań i specjalnego, strategicznego przymierza z producentem dysponującym fabryką układów. Sama produkcja zaczęła być rozumiana jako odrębna działalność biznesowa - czysty biznes, od angielskiego "pure play". Dodatkowo TSMC i UMC dawały gwarancję na wykonanie usług, natomiast z tradycyjnymi dostawcami półprzewodników przyjmującymi zlecenie z zewnątrz zawsze wiązało się ryzyko, że przy zmianie koniunktury zlecenie od fablesa będzie musiało czekać.

Model IDM

Stopniowo firmy półprzewodnikowe wytwarzające własne układy scalone zaczęto nazywać IDM (Integrated Design Manufacturer), w odróżnieniu od firm fabless zajmujących się jedynie projektami. Z kolei foundry to fabryka, w której półprzewodniki są fizycznie wytwarzane na bazie projektu. Oczywiście zakłady foundry typu pure play różnią się od foundry typu IDM, które przyjmują zlecenia produkcyjne od firm zewnętrznych, ale wytwarzają także własne półprzewodniki na podstawie własnych projektów.

Podział na dostawców typu fabless oraz IDM przestał być tak wyrazisty w ciągu ostatniej dekady. W latach 90. dostawcy IDM sami wytwarzali w fabrykach większość własnych produktów, tylko w niewielkim stopniu korzystając z modelu foundry. Ich wytwórnie były konkurencyjne zarówno pod względem wydajności, jak i procesu technologicznego. Stopniowo jednak obie te rzeczy ulegały zmianie. Wielkość zakładu, warunkująca konkurencyjność cenową układów, stawała się tak duża, że większość producentów nie była w stanie zapewnić 100-procentowego wykorzystania fabryki. Również proces technologiczny stawał się coraz bardziej zminiaturyzowany i skomplikowany, a przez to kosztowny. Doprowadziło to do sytuacji, że na utrzymanie zaawansowania technologii produkcyjnych mogli sobie pozwolić tylko najwięksi producenci.

W celu obniżenia kosztów utrzymywania zaawansowanych procesów technologicznych dostawcy półprzewodników zaczęli grupować się w stowarzyszenia tworzące dla swoich uczestników konkretne technologie procesów, dzieląc się ich kosztami opracowania i rozwoju. Największym z takich stowarzyszeń jest International Semiconductor Developement Alliance (ISDA), grupujące pod patronatem IBM-u takich partnerów jak STMicroelectronics, Infineon, Freescale, NEC, Toshiba czy Samsung.

Fab-lite, mniej fabryk

Obecnie koszt inwestycji w nową fabrykę liczy się w wielu mld. dol. W tym roku SK hynix informował o przeznaczeniu na budowę zaplecza produkcyjnego układów ponad 13 mld dol. w najbliższych kilku latach. 2 lata temu Samsung zapowiedział wydanie 1,9 mld dol. na samą linię produkcyjną 20- i 14-nanometrowych układów logicznych na płytkach 300 mm oraz na budowę fabryki pamięci NAND Flash w Chinach - 4 mld dol. Rozbudowa przez UMC 300-milimetrowego kompleksu fabrycznego Fab 12A na Tajwanie pochłonęła 8 mld dol.

Walka o utrzymanie się na rynku wyraża się tak posiadaniem oferty zaawansowanej technologii, jak i zapewnianiem konkurencyjnych cen, które warunkują niskie koszty działalności. Idąc tą drogą, w 2009 r. z własnych fabryk zrezygnowało AMD, stając się dostawcą fabless. Fabryki AMD przejął inwestor ze Zjednoczonych Emiratów Arabskich, który założył GlobalFoundries, producenta pure play, obecnie drugiego pod względem obrotów kontraktowego dostawcę półprzewodników. Na ten sam co AMD model zdecydowały się też inne duże IDM-y, m.in. Freescale i Sony.

Inne IDM-y przyjęły mniej radykalną strategię i redukując inwestycje w bazę produkcyjną, co stopniowo prowadziło do ograniczenia mocy produkcyjnych układów, przeszły na model fab-lite. Tego typu kroki podjęły m.in. Texas Instruments, STMicroelectronics, Toshiba, Renesas, a także Fujitsu, Hewlett- Packard czy Infineon.

W 2011 r., w trakcie trudnej fuzji z NEC oraz na fali zwolnień i kierowania dużej liczby pracowników na wcześniejszą emeryturę, Renesas zapowiedział, że nie zamierza więcej inwestować w nowe fabryki półprzewodników. W roku ubiegłym Renesas przeniósł trzy swoje fabryki do japońskiego dostawcy usług produkcji i testowania półprzewodników, firmy J-Devices. Wcześniej na zlecenie produkcji części swoich układów logicznych u Samsunga, czyli podpisanie z nim umowy na usługi foundry, zdecydowała się Toshiba. Podobnie STMicro, stopniowo przechodząc na model fab-lite, korzysta z usług produkcyjnych i TSMC, i Samsunga. STMicro jednak w określonym zakresie wciąż inwestuje w bazę produkcyjną i jest np. największym na świecie producentem układów MEMS, świadcząc także usługi ich produkcji kontraktowej, m.in. dla HP.

W partnerstwie zarówno fab-lite-foundry, jak i fabless-foundry powstają więc układy logiczne i analogowe, takie choćby jak czujniki, a więc bardzo różne półprzewodniki. Obok fablesowych dostawców procesorów do urządzeń konsumenckich oraz dostawców układów pamięci to właśnie producenci typu pure play notują najszybsze wzrosty obrotów wśród firm półprzewodnikowych, co pozwala sądzić, że kontraktowi producenci układów mają przed sobą lata dynamicznego rozwoju.

Marcin Tronowicz