'Loppua ei näy': kaikki mitä tulee tietää suuresta mikrosirupulasta

Viime vuoden lopusta lähtien mikrosiruista on ollut vakava pula, mikä vaikuttaa nyt teollisuudenaloihin kaikkialla maailmassa.

Kuinka paha pula on? En ole koskaan nähnyt mitään vastaavaa, Teslan Elon Musk twiittasi viime kuussa. Vuoden 2020 lopusta lähtien maailma on kohdannut odottamaton pula mikrosiruista – pienistä integroiduista piireistä, joita nykyään löytyy käytännössä kaikista valmistetuista akulla tai pistokkeella varustetuista laitteista – leivänpaahtimesta televisioon, turvatyynyihin ja hävittäjiin.

The Week Unwrapped: Muotia vuokralle, sirupula ja eutanasia
Kaikki mitä sinun tulee tietää Kiinan avaruuskilpailusta
Onko kasvojentunnistustekniikka turvallista?

Pula nähtiin ensin hienostuneessa kulutuselektroniikassa: pelikonsoleissa, kuten PlayStation 5:ssä ja uudessa Xboxissa, on ollut suuria tilauskantoja; tietokoneen näytönohjainten hinnat ovat nousseet. Mutta koska puolijohdesiruja on niin kaikkialla, monet teollisuudenalat ovat kärsineet.

Autoteollisuus on kärsinyt kaikista eniten. Nykyaikaiset autot voivat helposti sisältää 3 000 sirua, ja pula on hidastanut ajoneuvojen kokoonpanolinjoja eri puolilla maailmaa: maailmanlaajuinen tuotanto vähenee neljällä miljoonalla autolla, lähes 5 % tänä vuonna.

Miksi se tapahtuu?

Parhaimmillaan sirujen toimitusketjuja on vaikea ylläpitää: se on ala, joka on alttiina ylikuormitukselle ja pulalle. Kehittyneiden sirujen valmistuslaitokset (fabs) ovat maailman monimutkaisimpia tuotantolaitoksia, ja niiden rakentaminen maksaa kymmeniä miljardeja dollareita. Laserit tulostavat miljardeja transistoreita pienille piikiekkojen alueille; suuren piikiekon muuttaminen käyttökelpoiseksi sirueräksi voi kestää kolmesta neljään kuukautta.

Niinpä teollisuudella on taipumus heilua ali- ja ylitarjonnan välillä, kuten taloustieteilijät ovat kalaporan kiertokulkuja: kuten jalostussikojen kohdalla, tuotannossa on viiveitä. Tuottajat investoivat, kun hinnat ovat korkeita, ja huomaavat, että heillä on liikaa kapasiteettia, kun se lopulta tulee markkinoille. Tällä hetkellä alan trendi on kuitenkin säälimätön laajentuminen: vihreä teknologia, pilvilaskenta, 5G, tekoäly, kryptovaluutta, robotiikka – kaikki nämä kasvualueet syövät siruja. Ja pandemia on auttanut luomaan täydellisen myrskyn.

Mitä vaikutuksia pandemialla oli?

Se sulki useita tehtaita väliaikaisesti. Samaan aikaan kotoa työskentelyn voimakas lisääntyminen ja kotiviihteen kysynnän lisääntyminen loivat elektroniikan kysynnän nousuun. PC-myynti kasvoi 13 prosenttia viime vuonna. Pelkästään New Yorkissa opetusministeriö osti 350 000 iPadia. Videopuhelut tarkoittivat, että datakeskukset tarvitsivat lisää kapasiteettia.

Ja pandemian pahimman kauden aikana autojen ostot romahtivat. Joten kun elektroniikkayritykset ostivat kaiken käytettävissä olevan tuotantokapasiteetin, autonvalmistajat peruuttivat tilauksensa. Mutta myöhemmin, kun autonvalmistajat olivat valmiita tehostamaan tuotantoa uudelleen, he huomasivat olevansa jonon takaosassa: mikrosirujen valmistuksessa voi kestää jopa kuusi kuukautta ennen kuin tietyntyyppisten sirujen tuotanto aloitetaan uudelleen.

Miten tämä vaikuttaa meihin?

Ison-Britannian johtava autoliike Pendragon varoitti viime viikolla, että myytävien autojen tarjontaa rajoitetaan myöhemmin tänä vuonna. Kun myydään vähemmän autoja, hinnat nousevat; ja huippuluokan elektroniset ominaisuudet, kuten navigointijärjestelmät tai lisänäytöt, jätetään pois sirujen tarjonnan laajentamiseksi.

Elektroniikassa tietokonemuistien kauppahinnat ovat nousseet noin 30 % vuoden 2020 alusta, mikä on nostanut esimerkiksi kannettavien tietokoneiden ja tulostimien kustannuksia. HP on nostanut kuluttajatietokoneiden hintoja 8 % ja tulostimia yli 20 % vuodessa. Myös televisioiden, älypuhelimien ja kodinkoneiden hinnat näyttävät nousevan. Sirupula saa myös hallitukset huolestuneiksi.

Miksi hallitukset ovat huolissaan?

Sirut ovat nyt niin tärkeä osa monissa strategisissa teknologioissa – puolustusjärjestelmistä kyberturvallisuuteen ja uusiutuvaan energiaan –, että niiden valmistamisesta on tullut iso geopoliittinen kysymys: päättäjät sanovat, että hake on uusi öljy. Ne keksittiin Yhdysvalloissa, ja suurin osa huippuluokan suunnittelusta tapahtuu edelleen siellä, mutta noin 80 % tuotannosta tapahtuu nyt Aasiassa, koska kustannukset ovat alhaisemmat: enimmäkseen Taiwanissa, Etelä-Koreassa ja Kiinassa.

Maailman suurin tuottaja volyymiltaan on TSMC Taiwanissa. Kaliforniassa sijaitseva Intel on liikevaihdoltaan suurin. Etelä-Korean Samsungin ohella nämä yritykset hallitsevat huippuluokan erikoissiruja. Mutta Kiinasta tulee suurin tuottaja vuoteen 2030 mennessä: sen uusimmassa viisivuotissuunnitelmassa asetetaan tavoitteeksi kattaa 70 % sen puolijohdetarpeesta vuoteen 2025 mennessä. Euroopan osuus maailman sirutuotannosta on alle 10 %.

Joe Biden pitelee mikrosirua, kun hän puhuu kokouksessaan edustajainhuoneen ja senaatin jäsenten kanssa koronaviruksen aiheuttamista toimitusketjun häiriöistä ovaalitoimistossa helmikuussa 2021

SAUL LOEB/AFP Getty Imagesin kautta

Mitä hallitukset tekevät asialle?

Viime kuussa Yhdysvaltain senaatti hyväksyi Innovation and Competition Actin, 250 miljardin dollarin laskun, jonka tarkoituksena on lisätä Yhdysvaltain puolijohteiden tuotantoa sekä tieteellistä tutkimusta ja muita strategisia teknologioita.

Maaliskuussa Euroopan komissio esitti kunnianhimoisen suunnitelman kasvattaa osuutensa maailmanlaajuisista puolijohdemarkkinoista 20 prosenttiin vuoteen 2030 mennessä ja sitoi 160 miljardia dollaria Covid-palautusrahastostaan teknologiaprojekteihin. Yhdistyneellä kuningaskunnalla on pitkään ollut vahva läsnäolo alan suunnittelupuolella, mutta tuottajia on vähän; Newport Wafer Fab, Ison-Britannian suurin siruvalmistaja, on ostanut kiinalaisomisteisen Nexperian.

Kauanko pula kestää?

Loppua ei näy. Intelin toimitusjohtaja Pat Gelsinger sanoi, että hänen mielestään voi kestää kaksi vuotta, ennen kuin tuotanto voi nousta. Pula jatkuu todennäköisesti muutaman vuoden, sanoi Michael Dell, Dell Technologiesin toimitusjohtaja aiemmin tänä vuonna. TSMC, Samsung ja Intel investoivat kaikki voimakkaasti.

Mutta vaikka sirutehtaita rakennettaisiin kaikkialle maailmaan, se vie aikaa, Dell sanoo. Monet yritykset tutkivat toimitusketjujaan: Tesla harkitsee sirutehtaan ostamista suoraan. Korkean teknologian teollisuudenalat todennäköisesti elpyvät ensin, tämän vuoden loppupuolella. Autot ja kodinkoneet, joissa käytetään halvempia, vanhempia siruja, vievät kauemmin: ne eivät ole valmistajille niin kannattavia, joten niillä ei ole sysäystä investoida. Tuotteiden viivästykset ja osapulat jatkuvat vielä jonkin aikaa.

Mikrosirun voitto

Mikrosiru on kokoelma muutamasta sadasta kymmeniin miljardeihin pieniä piirejä pienellä piikiekolla. Pii on puolijohde – se voi joko johtaa sähköä tai sisältää sitä. Sirulla piitransistorit ovat miniatyyrikytkimiä, jotka voidaan kytkeä päälle ja pois päältä elektronisilla signaaleilla. Tietokoneet toimivat binäärikoodilla. Transistorit heijastavat tätä: binäärimuodossa käytetyt numerot 1 ja 0 edustavat transistorin päälle ja pois päältä -tiloja. Pohjimmiltaan sirun tehtävänä on siirtää elektroneja ympäriinsä tietokonekoodin määräämällä tavalla. Kaikki tietokoneilla olevat tiedot – numerot, kuvat, musiikki, kuvat – tallennetaan ja käsitellään tällä tavalla.

Japanilaisen mikroprosessoreita valmistavan Renesas Electronicsin työntekijät kesäkuussa 2021

KAZUHIRO NOGI/AFP via Getty Images

Tämäntyyppisen transistorin keksintö Bell Labsissa New Jerseyssä vuonna 1947 ja sen lisääntyvä pienentäminen on modernin elektroniikan selkäranka. Sirun pioneerin Gordon Mooren laatima Mooren laki sanoo, että transistorien määrä sirulla kaksinkertaistuu noin kahden vuoden välein, mikä tekee tietokoneista entistä tehokkaampia.

Nykypäivän edistykselliset sirut ovat hämmentävän monimutkaisia: laserleveyspiirit ovat vain 12 nanometriä leveät, kynnen pituus kasvaa 12 sekunnissa. Transistorien uskotaan olevan maailman historian eniten valmistettuja esineitä. Maailmanlaajuisesti myytyjen mikrosirujen määrä nousi huhtikuussa lähes 100 miljardiin ennätykseen.