Chip War: The Fight for the World's Most Critical Technology

Последствия для мировой экономики будут катастрофическими. Дефицит полупроводников после событий, произошедших после событий, связанных с выпуском микросхем, стал напоминанием о том, что микросхемы нужны не только в телефонах и компьютерах. Самолеты и автомобили, микроволновые печи и производственное оборудование - продукция всех типов может столкнуться с катастрофическими задержками. Около трети производства процессоров для ПК, включая чипы, разработанные компаниями Apple и AMD, будет остановлено до тех пор, пока не появятся новые заводы в других местах. Резко замедлится рост мощностей центров обработки данных, особенно серверов, ориентированных на алгоритмы искусственного интеллекта, которые в большей степени зависят от чипов тайваньского производства таких компаний, как Nvidia и AMD. Сильнее пострадают другие объекты инфраструктуры передачи данных. Например, для новых радиоустройств 5G требуются чипы нескольких разных фирм, многие из которых производятся на Тайване. Это приведет к практически полной остановке развертывания сетей 5G.

Приостановить модернизацию сетей сотовой связи имеет смысл потому, что купить новый телефон тоже будет крайне сложно. Большинство процессоров для смартфонов производятся на Тайване, как и многие из десяти или более микросхем, входящих в состав обычного телефона. В автомобилях для работы часто требуются сотни микросхем, поэтому мы столкнемся с задержками, гораздо более серьезными, чем дефицит 2021 года. Конечно, если начнется война, нам придется думать не только о микросхемах. Огромная китайская инфраструктура сборки электроники может быть отрезана. Нам придется искать других людей, чтобы собрать все телефоны и компьютеры, для которых у нас есть комплектующие.

Однако гораздо проще найти новых рабочих для сборки, как бы трудно это ни было, чем копировать тайваньские предприятия по производству микросхем. Проблема будет заключаться не только в строительстве новых заводов. Этим предприятиям потребуется квалифицированный персонал, если только не удастся каким-то образом переправить многих сотрудников TSMC из Тайваня. Кроме того, новые заводы должны быть укомплектованы оборудованием, например, инструментами компаний ASML и Applied Materials. Во время дефицита микросхем в 2021-2022 гг. компании ASML и Applied Materials объявили о задержках в производстве оборудования, поскольку они не могли приобрести достаточное количество полупроводников. В случае тайваньского кризиса они столкнутся с задержками в приобретении чипов, необходимых их оборудованию.

После катастрофы на Тайване, другими словами, общие затраты будут измеряться триллионами. Потеря 37% производимой нами ежегодно вычислительной мощности может оказаться более дорогостоящей, чем пандемия COVID и ее экономически катастрофические блокировки. Для восстановления утраченных мощностей потребуется не менее полувека. Сегодня, заглядывая на пять лет вперед, мы надеемся на создание сетей 5G и метавселенных, но если Тайвань будет выведен из строя, мы, возможно, столкнемся с проблемой приобретения посудомоечных машин.

Президент Тайваня Цай Ин-вэнь недавно утверждала в журнале Foreign Affairs, что чиповая промышленность острова является "кремниевым щитом", который позволяет Тайваню защитить себя и других от агрессивных попыток авторитарных режимов нарушить глобальные цепочки поставок". Это весьма оптимистичный взгляд на ситуацию. Чиповая промышленность острова, безусловно, заставляет США более серьезно относиться к обороне Тайваня. Однако концентрация полупроводникового производства на Тайване ставит под угрозу и мировую экономику, если "кремниевый щит" не сдержит Китай.

В ходе опроса, проведенного в 2021 году, большинство тайваньцев заявили, что война между Китаем и Тайванем либо маловероятна (45%), либо невозможна (17%). Однако вторжение России на Украину напоминает о том, что, несмотря на то, что последние несколько десятилетий Тайваньский пролив был в основном мирным, завоевательная война отнюдь не является чем-то немыслимым. Российско-украинская война также иллюстрирует, насколько масштабный конфликт будет частично определяться положением страны в цепочке поставок полупроводников, которое будет определять ее способность использовать военную и экономическую мощь.

Российская чип-индустрия, отстававшая от Кремниевой долины со времен советского министра Шокина и основания Зеленограда, пришла в упадок после окончания холодной войны, поскольку большинство российских заказчиков предпочли отказаться от закупок у отечественных чипмейкеров и перевели производство на аутсорсинг в TSMC. Остались только оборонная и космическая отрасли, которые не были достаточно крупными покупателями микросхем, чтобы финансировать передовое отечественное производство. В результате даже высокоприоритетные оборонные проекты в России с трудом приобретали необходимые им микросхемы. Например, российский аналог спутников GPS столкнулся с задержками из-за проблем с поставками полупроводников.

Сохраняющиеся у России трудности с производством и приобретением микросхем объясняют, почему сбитые над Украиной беспилотники напичканы иностранной микроэлектроникой. Это также объясняет, почему российские вооруженные силы продолжают широко использовать боеприпасы с неточным наведением. Недавний анализ боевых действий России в Сирии показал, что до 95% сброшенных боеприпасов были неуправляемыми. Тот факт, что Россия столкнулась с нехваткой управляемых крылатых ракет уже через несколько недель после нападения на Украину, отчасти объясняется плачевным состоянием ее полупроводниковой промышленности. Между тем Украина получила от Запада огромные запасы управляемых боеприпасов, таких как противотанковые ракеты Javelin, в которых при наведении на вражеские танки используется более 200 полупроводников в каждой.

Зависимость России от иностранных полупроводниковых технологий дает США и их союзникам мощный рычаг давления. После вторжения России США ввели масштабные ограничения на продажу некоторых типов микросхем для российского технологического, оборонного и телекоммуникационного секторов, которые координировали с партнерами в Европе, Японии, Южной Корее и Тайване. Ключевые производители микросхем, от американской Intel до тайваньской TSMC, теперь отрезаны от Кремля. Производственный сектор России столкнулся с серьезными перебоями в работе: значительная часть российского автомобильного производства была выведена из строя. По данным американской разведки, даже в таких чувствительных секторах, как оборонная промышленность, российские заводы предпринимают уклоняющиеся маневры, например, устанавливают в ракетные системы чипы , предназначенные для посудомоечных машин. У России нет другого выхода, кроме как сократить потребление микросхем, поскольку ее производственные возможности сегодня еще слабее, чем во времена расцвета космической гонки.

Однако зарождающаяся холодная война между США и Китаем будет не такой однобокой, когда дело дойдет до полупроводников, учитывая инвестиции Пекина в эту отрасль и тот факт, что большая часть мощностей по производству микросхем, на которые опирается Америка, находится в пределах досягаемости ракет НОАК. Было бы наивно полагать, что то, что произошло на Украине, не может произойти в Восточной Азии. Рассматривая роль полупроводников в российско-украинской войне, китайские правительственные аналитики публично заявляли, что если напряженность между США и Китаем усилится, то " мы должны захватить TSMC".

Во время первой холодной войны было противостояние вокруг Тайваня - в 1954 г. и в 1958 г., после того как военные Мао Цзэдуна подвергли артиллерийскому обстрелу удерживаемые Тайванем острова. Сегодня Тайвань находится в зоне досягаемости гораздо более разрушительных китайских сил - не только ракет малой и средней дальности, но и самолетов с авиабаз Лонгтиан и Хуянь на китайской стороне пролива, откуда до Тайваня всего семь минут полета. Не случайно в 2021 г. эти авиабазы были модернизированы: построены новые бункеры, удлинены взлетно-посадочные полосы, установлены противоракетные системы. Новый кризис в Тайваньском проливе будет гораздо опаснее, чем кризисы 1950-х годов. Риск ядерной войны сохранится, особенно с учетом растущего атомного арсенала Китая. Но вместо противостояния из-за бедного острова на этот раз полем битвы станет бьющееся сердце цифрового мира. Еще хуже то, что, в отличие от 1950-х годов, нет уверенности в том, что Народно-освободительная армия в конце концов отступит. На этот раз Пекин может поспорить, что он вполне может победить.

Заключение

Всего через пять дней после того, как в 1958 г. войска Народно-освободительной армии начали обстрел удерживаемого Тайванем острова Куэмой, Джек Килби продемонстрировал своим коллегам, что все компоненты схемы - транзисторы, резисторы и конденсаторы - могут быть изготовлены из полупроводниковых материалов. Через четыре дня после этого Джей Лэтроп впервые въехал на парковку Texas Instruments. Он уже оформил патент на процесс изготовления транзисторов с помощью фотолитографии, но еще не получил армейскую премию, которая позволила ему купить новый универсал. За несколько месяцев до этого Моррис Чанг оставил работу в массачусетской электронной компании и перешел в Texas Instruments, заслужив репутацию человека, обладающего почти магической способностью устранять ошибки в процессах производства полупроводников. В том же году президентом Texas Instruments был назначен Пэт Хаггерти, совет директоров которого решил, что создание электроники для военных систем - более выгодный бизнес, чем производство приборов для разведки нефти, для создания которых и была основана компания. Хаггерти уже собрал талантливую команду инженеров, таких как Уэлдон Ворд, которые создавали электронику, необходимую для "умного" оружия и точных датчиков.

Техас находился на противоположном конце света от Тайваня, но Килби не случайно изобрел свою интегральную схему в условиях американо-китайского кризиса. Доллары, предназначенные для нужд обороны, текли в фирмы, производящие электронику. Американские военные полагались на технологии, чтобы сохранить свое преимущество. В условиях, когда Советская Россия и коммунистический Китай создавали вооруженные силы в промышленных масштабах, США не могли рассчитывать на создание больших армий или танков. Зато они могли создавать больше транзисторов, более точные датчики, более эффективные средства связи - все это в конечном итоге сделает американское оружие гораздо более мощным.

То, что Моррис Чанг искал работу в Техасе, а не, скажем, в Тяньцзине, также не было случайностью. Для амбициозного ребенка из семьи высшего класса пребывание в Китае было чревато преследованиями или даже смертью. На фоне хаоса холодной войны и разрушительных процессов деколонизации, охвативших весь мир, лучшие и талантливые люди из многих стран пытались пробиться в Соединенные Штаты. Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели первый транзистор, но именно их коллеги по Bell Labs Мохамед Аталла и Давон Канг разработали структуру транзистора, пригодную для массового производства. Двое из "предательской восьмерки" инженеров, основавших вместе с Бобом Нойсом компанию Fairchild Semiconductor, родились за пределами США. Спустя несколько лет венгерский эмигрант с острыми локтями, известный под именем Андраш Гроф, помог Fairchild оптимизировать использование химикатов в процессах производства микросхем и встал на путь к должности генерального директора.

В то время, когда большая часть мира еще не слышала о кремниевых микросхемах и еще меньше понимала, как они работают, американские центры производства полупроводников привлекали самые блестящие умы мира в Техас, Массачусетс и, прежде всего, в Калифорнию. Этими инженерами и физиками двигала вера в то, что миниатюризация транзисторов может в буквальном смысле изменить будущее. Их правота оказалась намного выше их самых смелых мечтаний. Такие провидцы, как Гордон Мур и профессор Калифорнийского технологического института Карвер Мид, видели будущее на десятилетия вперед, но предсказание Мура, сделанное в 1965 году, о "домашних компьютерах" и "персональном портативном коммуникационном оборудовании" едва ли описывает центральное место микросхем в нашей жизни сегодня. Мысль о том, что полупроводниковая промышленность в конечном итоге будет ежедневно производить больше транзисторов , чем клеток в человеческом теле, основатели Кремниевой долины сочли бы немыслимой.

По мере роста масштабов отрасли и уменьшения размеров транзисторов необходимость в обширных глобальных рынках становится все более актуальной. Сегодня даже бюджет Пентагона в 700 млрд. долл. недостаточно велик, чтобы позволить себе создавать на территории США передовые микросхемы для оборонных целей. Министерство обороны имеет специальные верфи для строительства подводных лодок стоимостью миллиард долларов и авианосцев стоимостью десять миллиардов долларов, но многие микросхемы оно закупает у коммерческих поставщиков, часто на Тайване. Даже стоимость разработки передового чипа, которая может превышать 100 млн. долларов, становится слишком дорогой для Пентагона. Предприятие по производству самых современных логических микросхем стоит в два раза дороже авианосца, а передовым оно будет лишь пару лет.

Ошеломляющая сложность производства вычислительных мощностей показывает, что Силиконовая долина - это не просто история науки или инженерии. Технологии развиваются только тогда, когда находят рынок сбыта. История полупроводников - это также история продаж, маркетинга, управления цепочками поставок и снижения затрат. Силиконовая долина не существовала бы без предпринимателей, которые ее создали. Боб Нойс был физиком, получившим образование в Массачусетском технологическом институте, но проявил себя как бизнесмен, увидев огромный рынок для продукта, которого еще не существовало. Способность Fairchild Semiconductor "впихивать все больше компонентов в интегральные схемы", как выразился Гордон Мур в своей знаменитой статье 1965 г., зависела не только от физиков и химиков компании, но и от таких жестких руководителей производства, как Чарли Спорк. Стремление освободить производственные цеха от профсоюзов и предложение опционов на акции большинству сотрудников неуклонно повышали производительность. Сегодня транзисторы стоят намного меньше миллионной доли их цены 1958 года благодаря духу, выраженному ныне забытым сотрудником Fairchild, который при увольнении из компании написал в анкете: "Я... ХОЧУ... СТАТЬ... БОГАТЫМ".

Поразмыслив, можно сказать, что чип создал современный мир, так как наше общество и наша политика определили характер исследований, проектирования, производства, сборки и использования чипов. Например, DARPA, научно-исследовательское подразделение Пентагона, буквально сформировало полупроводник , финансируя важнейшие исследования трехмерных транзисторных структур, называемых FinFET, которые используются в самых современных логических микросхемах. И в будущем китайские субсидии будут серьезно изменять цепочку поставок полупроводников, независимо от того, достигнет ли Китай своей цели - полупроводникового господства или нет.

Конечно, нет никакой гарантии, что чипы останутся такими же важными, какими они были в прошлом. Спрос на вычислительную мощность вряд ли когда-нибудь уменьшится, но предложение может иссякнуть. Знаменитый закон Гордона Мура - это всего лишь предсказание, а не физический факт. Светила индустрии, от генерального директора Nvidia Дженсена Хуанга до бывшего президента Стэнфорда и председателя совета директоров Alphabet Джона Хеннесси, на сайте объявили закон Мура мертвым. В какой-то момент законы физики сделают невозможным дальнейшее уменьшение размеров транзисторов. Еще раньше их производство может стать слишком дорогим. Темпы снижения стоимости уже значительно замедлились. Инструменты, необходимые для производства все более мелких микросхем, стоят ошеломляюще дорого, не говоря уже о машинах для EUV-литографии, стоимость каждой из которых превышает 100 млн. долларов.

Прекращение действия закона Мура стало бы катастрофой для полупроводниковой промышленности и для всего мира. Каждый год мы производим все больше транзисторов только потому, что это экономически выгодно. Однако это уже не первый случай, когда закон Мура объявляется практически мертвым. В 1988 г. Эрих Блох, авторитетный специалист из IBM и впоследствии глава Национального научного фонда, заявил, что закон Мура перестанет работать, когда транзисторы уменьшатся до четверти микрона - барьер, который индустрия преодолела десять лет спустя. Гордон Мур в своей презентации 2003 г. опасался, что "привычный ход вещей обязательно столкнется с барьерами в ближайшее десятилетие или около того", но все эти потенциальные препятствия были преодолены. В то время Мур считал трехмерную транзисторную структуру "радикальной идеей", но менее чем через два десятилетия мы уже произвели триллионы этих трехмерных транзисторов FinFET. Карвер Мид, профессор Калифорнийского технологического института, который ввел в обиход фразу "закон Мура", полвека назад шокировал ученых-полупроводников, предсказав, что чипы со временем будут содержать 100 млн. транзисторов на квадратный сантиметр. Сегодня самые передовые фабрики способны вместить в чип в сто раз больше транзисторов, чем считал возможным даже Мид.

Иными словами, долговечность закона Мура удивила даже того, в честь кого он назван, и того, кто его придумал. Возможно, это удивит и сегодняшних пессимистов. Джим Келлер, звездный разработчик полупроводников, которому принадлежит огромная заслуга в преобразовании чипов Apple, Tesla, AMD и Intel, заявил, что он видит четкий путь к пятидесятикратному увеличению плотности размещения транзисторов в чипах. Во-первых, по его мнению, существующие транзисторы в форме ребер можно напечатать более тонкими, что позволит упаковывать их в три раза больше. Затем на смену транзисторам в форме ребер придут новые транзисторы в форме трубок, часто называемые "gate-all-around". Это проволочные трубки, позволяющие прикладывать электрическое поле со всех сторон - сверху, сбоку и снизу, что обеспечивает более эффективный контроль над "переключателем" и позволяет справиться с проблемами, возникающими при уменьшении размеров транзисторов. По словам Келлера, эти крошечные провода позволят удвоить плотность упаковки транзисторов. По его прогнозам, укладка этих проводов друг на друга может увеличить плотность еще в восемь раз. Таким образом, количество транзисторов, которые могут быть размещены на чипе, увеличится примерно в пятьдесят раз. "Атомы не кончаются", - заявил Келлер. "Мы знаем, как печатать отдельные слои атомов".

Несмотря на все разговоры о том, что закон Мура закончился, в индустрию чипов вливается больше денег, чем когда-либо прежде. Стартапы, разрабатывающие чипы, оптимизированные для алгоритмов искусственного интеллекта, за последние несколько лет собрали миллиарды долларов, надеясь стать следующей Nvidia. Крупные технологические компании - Google, Amazon, Microsoft, Apple, Facebook, Alibaba и другие - теперь вливают деньги в разработку собственных чипов. Дефицита инноваций явно не наблюдается.

Лучшим аргументом в пользу тезиса о том, что закон Мура заканчивается, является то, что вся эта новая деятельность по созданию микросхем для конкретных целей или даже для отдельных компаний вытесняет те улучшения в области вычислений "общего назначения", которые обеспечивались регулярным выпуском компанией Intel все более мощных микропроцессоров на протяжении последних полувека. Нил Томпсон и Свенья Спанут (Neil Thompson, Svenja Spanuth), два исследователя, зашли настолько далеко, что утверждают: мы наблюдаем "упадок компьютеров как технологии общего назначения". По их мнению, будущее вычислительной техники будет разделено между "быстрыми" приложениями, которые получат мощные специализированные чипы, и "медленными" приложениями, которые застрянут в использовании чипов общего назначения, прогресс которых угаснет".

Бесспорно, что микропроцессор, рабочая лошадка современных вычислений, частично вытесняется микросхемами, созданными для конкретных целей. Менее понятно, является ли это проблемой. Графические процессоры Nvidia не являются универсальными, как микропроцессоры Intel, в том смысле, что они разработаны специально для работы с графикой и, все чаще, с искусственным интеллектом. Однако благодаря Nvidia и другим компаниям, предлагающим чипы, оптимизированные для ИИ, искусственный интеллект стал намного дешевле в реализации, а значит, и доступнее. Сегодня ИИ стал гораздо более "универсальным", чем это было возможно десять лет назад, во многом благодаря новым, более мощным чипам.

Наметившаяся в последнее время тенденция к разработке собственных микросхем крупными технологическими компаниями, такими как Amazon и Google, знаменует собой очередное изменение ситуации последних десятилетий. Компании Amazon и Google занялись разработкой микросхем, чтобы повысить эффективность серверов, на которых работают их общедоступные облака. Любой желающий может получить доступ к чипам TPU в облаке Google за определенную плату. С пессимистической точки зрения это можно расценить как разделение вычислительной техники на "медленную полосу" и "быструю полосу". Однако удивительно то, насколько легко практически любой человек может попасть в "быструю полосу", купив чип Nvidia или арендовав доступ к облаку, оптимизированному для ИИ.

Кроме того, теперь как никогда ранее легко комбинировать различные типы микросхем. Раньше в устройствах часто использовался один процессорный чип. Теперь в нем может быть несколько процессоров, одни из которых ориентированы на выполнение общих операций, а другие оптимизированы для управления специфическими функциями, например, камерой. Это стало возможным благодаря тому, что новые технологии упаковки упрощают эффективное соединение микросхем, позволяя компаниям легко заменять те или иные микросхемы в устройстве при изменении требований к процессору или стоимости. Крупные производители микросхем сегодня как никогда тщательно продумывают системы, в которых будут работать их микросхемы. Поэтому важным вопросом является не то, достигли ли мы, наконец, пределов закона Мура , как его первоначально определил Гордон Мур, - экспоненциального увеличения количества транзисторов на чипе, - а то, достигли ли мы пика вычислительной мощности, которую может экономически эффективно производить чип. Многие тысячи инженеров и многие миллиарды долларов уверены, что нет.

В декабре 1958 г., когда Моррис Чанг, Пэт Хаггерти, Уэлдон Уорд, Джей Лэтроп и Джек Килби собрались в компании Texas Instruments, в ветреном Вашингтоне состоялась конференция по электронике. В тот день Чанг, Гордон Мур и Боб Нойс пошли пить пиво, а затем, на закате дня, возвращались в гостиницу, молодые и возбужденные, пели среди сугробов. Никто из прохожих на улице не мог предположить, что это три будущих титана технологий. А ведь они оставили неизгладимый след не только на миллиардах кремниевых пластин, но и на всей нашей жизни. Изобретенные ими микросхемы и созданная ими промышленность представляют собой скрытую схему, которая определила нашу историю и будет определять наше будущее.