Как биткоин, коронавирус и ошибочные прогнозы лишили нас автомобилей в 2021 году: дефицит чипов

Все уже слышали про проблемы с поставками новых машин и даже выходом новых поколений из-за дефицита чипов? Читайте самый полный разбор кризиса, его причин и последствий для нас, захватывающий не меньше детективного расследования.

Производство автомобилей по всему миру застопорилось из-за нехватки микросхем? Для многих стало шоком, что автомобильная индустрия критично зависит от таких высокотехнологичных отраслей, а не только от рулей и колес. И проблема гораздо серьезнее и глубже, чем просто увеличение очереди вкупе со сроками отгрузки новеньких автомобилей.

Почему образовался дефицит микрочипов для машин? Как на это повлиял коронавирус? Причем тут биткоин и IT-гиганты? Кто за все это заплатит? И есть ли свет в конце туннеля? Разберемся.

Сколько компьютеров в современном автомобиле

Сидя в салоне любой машины, можно сходу предположить наличие, как минимум, двух узлов с электронными компонентами внутри — модуля управления двигателем и мультимедийной системы. Казалось бы, неужели автопроизводители не могут обеспечить себе на складах 2-3, ну, даже если пять микроконтроллеров на каждое выпускаемое транспортное средство?

Диаграмма блока управления двигателем (ECU)

Впечатление обманчиво: даже не говоря о напичканных «умными» технологиями и функциональными блоками моделях премиум-класса, вроде Range Rover или Mercedes-Benz C-Класса, компьютеров в современных машинах десятки. И почти на каждый из них нужно больше чем по одному чипу — помимо процессора необходима «обвязка» для питания и коммуникаций с другими устройствами на борту.

Микроконтроллеры — это небольшие специализированные компьютеры.

У них есть вычислительное ядро или ядра (как в процессоре ПК или ноутбука), своя постоянная и оперативная память, модули ввода и вывода, а также различные специфические блоки, необходимые для выполнения конкретных задач. Микроконтроллеры могут быть исполнены в виде одной микросхемы, а могут устанавливаться на плату вместе с дополнительными полупроводниковыми устройствами. В любом случае, это всегда один или несколько чипов, то есть сложнейших интегральных схем, упакованных в компактный корпус.

Они управляют в современной машине буквально всем. Начиная от корректного срабатывания подушек безопасности, преднатяжителей ремней, открывания окон и регулировки зеркал и заканчивая приборной панелью, климат-контролем, сигнализацией, иммобилайзером и педальным узлом.

Фактически любая функция в машине управляется каким-то контроллером.

Иногда несколько действий «завязаны» на один чип, иногда чипы управляют каждый своей функцией, но «модерируются» более высокоуровневым компьютером.

<лок управления двигателем (ECU) от Nissan Micra

Самые важные и при этом сложные компьютеры — блоки управления двигателем, трансмиссией и тормозной системой (ABS, BAS, EBD и прочие аббревиатуры, ежедневно спасающие жизни людей). Именно им приходится в реальном времени производить мониторинг десятков параметров узлов и систем машины, а затем незамедлительно принимать решение об изменении режима их работы. Трудно сказать, сколько всего в нынешних автомобилях чипов — каждый производитель может использовать собственный подход. Но счет идет на десятки, а иногда и сотни.

Блок управления двигателем

Ремарка для ретроградов

Да, на этом месте можно начать причитать, что все эти «рюшечки и оборочки» нормальной машине не нужны. Вот нынешняя ситуация, мол, этот тезис лишний раз и доказывает. Все это верно, если нам по-прежнему нужны автомобили, потребляющие топливо в два-три раза больше на ту же мощность, с отсутствующими активными системами безопасности и требующие настройки карбюратора каждый раз, как топливо на заправке оказалось чуть хуже, чем обычно. И, естественно, об экологичности тоже можно забыть.

Что самое главное, использование микроэлектроники позволяет существенно снизить стоимость автомобиля за счет более простой архитектуры проводки — обмен данными между исполнительными механизмами и датчиками в цифровом виде не требует отдельной линии на каждый канал.

Производственный коронавирусный ад

В норме, на отлаженном производстве, новые готовые автомобили сходят с конвейера каждые несколько минут, а весь цикл их сборки занимает считанные часы. Но только электронных деталей в современных машинах — многие сотни. Чтобы обеспечить плавную и безостановочную работу производственной линии, необходимо организовать стабильный и гарантированный поток комплектующих. Все это достигается долгосрочными контрактами с четко обозначенными объемами поставок и возможными их колебаниями. Что самое главное, невероятное множество поставщиков также рассчитывают свою производительность исходя из запросов автозаводов.

Проблема в том, что эта система обладает не самой лучшей гибкостью для реакции на глобальные кризисы. Если в одной стране внезапно резко снизился выпуск автомобилей, производители комплектующих, как минимум, могут попытаться реализовать часть продукции на других рынках. Или просто переориентироваться на другие марки. В прошлом году вся промышленность заглохла почти одновременно по всему миру. Ограничения, введенные для снижения скорости распространения коронавирусной инфекции, связали по рукам и ногам как автопроизводителей, так и их поставщиков.

Одновременно с этим резко снизился спрос на новые машины — отрасль попала в полномасштабный кризис. У покупателей появилось гораздо больше несколько иных проблем, чем выбор нового автомобиля. Глядя на весь этот экономический кошмар, ведущие игроки рынка решили, что продолжаться он будет довольно долго. И радикально снизили производство — иногда вплоть до полной остановки заводов. Для внезапных небольших колебаний спроса при плавном улучшении ситуации должно было хватать накопленных на складах запасов, но в целом все скорректировали контракты в сторону уменьшения объемов поставок.

Никто не ожидал, что рынок начнет возвращаться к «докоронавирусным» показателям так быстро — это начало происходить уже прошлой осенью. Иными словами, к концу 2020 года автопроизводители оказались лицом к лицу с непредвиденной сложностью. Казалось бы, можно радоваться: спрос растет, а значит и убытки будут ниже, чем планировалось. Однако выяснилось, что далеко не все поставщики могут быстро возобновить поставки требуемых комплектующих. И в числе самых проблемных оказались чипмейкеры.

Загвоздка с микрочипами

Создание кремниевых чипов — процесс, сильно отличающийся от популярного образа производственной линии, где делают технику. Даже крупные заводы, выпускающие микросхемы, представляют собой огромные чистые комнаты: в большинстве их помещений должна поддерживаться строго определенная атмосфера. Причем буквально — речь идет о строгом контроле влажности и количества пыли в воздухе. Это один из факторов, ограничивающих масштабы производства чипов. Фактически почти весь выпуск микрочипов в мире обеспечивается парой десятков гигантских фабрик (или «фабов»), расположенных всего в нескольких странах.

Кремниевая «вафля» с напечатанными на ней чипами

Чтобы понять дополнительные ограничения этой индустрии, рассмотрим весь процесс создания микрочипов вкратце. Сначала из монокристаллического кремния выращивается цилиндр типового диаметра, который затем нарезается на заготовки в форме диска (wafer, «вафля»). Они покрываются специальными фоточувствительными составами, которые формируют схемотехнику чипов. На следующем этапе заготовки подвергаются действию света определенной длины волны, в результате чего с микросхемы удаляются лишние детали. В итоге получается диск, на котором находятся несколько десятков чипов — их остается лишь нарезать и упаковать или объединить в многослойные структуры.

Цилиндры монокристаллического кремния разного диаметра с нарезанными «вафлями» рядом

Чтобы чипы были дешевыми и доступными всем отраслям, их производят на очень крупных фабриках в огромных количествах.

Однако плюсом всей технологии является ее универсальность. Есть только два ключевых параметра, которые ограничивают выпуск разных микросхем на одном конвейере — размер заготовки (диаметр) и техпроцесс. Последний можно описать как разрешающую способность фотолитографической установки: минимальный размер геометрической области на заготовке, которую она может сформировать. Он измеряется в нанометрах (миллионных долях миллиметра), и в современной полупроводниковой индустрии используются стандарты от ста (в промышленных контроллерах и военных микросхемах) до менее чем десяти нанометров (в потребительской электронике). В последнем случае транзисторы на такой микросхеме состоят всего из нескольких атомов.

Таким образом, перенастроить производственную линию на выпуск других чипов можно сравнительно быстро. Что и произошло, когда автомобильные компании резко уменьшили свои запросы в кризис. Контракты на выпуск такие же длинные, как в автоиндустрии, так что склады пополнялись микросхемами примерно до осени прошлого года. Но после этого новые заказы были сформированы в меньших объемах, существующие скорректированы, и фабы заняли свои линии другими задачами.

В свою очередь, именно зимой продажи машин стали расти, и запасы электроники на автомобильных заводах начали таять. Полупроводниковая индустрия не резиновая и уже была загружена почти полностью, так что помочь никак не могла — бывшие «ваши» линии заняты, ждите очереди. Сейчас фабы возвращаются к производству чипов для автомобильной индустрии. Однако нужные объемы поступят на заводы не сразу, и этому способствует еще парочка факторов.

Криптовалюты, эхо локдаунов и общий дефицит чипов

В самом начале этого года начался очередной бум криптовалют в целом и биткоина в частности — последний за пару недель вырос в цене более чем в два с половиной раза. И продолжает расти, кстати. Это привело к повторению истории 2017 года: майнинг на потребительской электронике снова стал выгоден. Желающие обогатиться на «валюте будущего» судорожно скупают видеокарты и вообще любое высокопроизводительное компьютерное «железо». Результатом такого ажиотажного спроса стало усугубление кризиса в полупроводниковой индустрии. Да, он и так был в разгаре, но об этом чуть ниже.

Проще говоря, у производителей полупроводниковых чипов и так был забот полон рот, а теперь еще и привалил запрос на рекордные объемы микросхем для видеокарт и процессоров. В этом месте технически подкованный читатель может задать вопрос — а нам-то, автолюбителям, что с этого? Ведь потребительская электроника выпускается с чипами, сделанными по самому современному техпроцессу, а сравнительно простым компьютерам в машинах эта фантастическая производительность и энергоэффективность не особо нужна. К сожалению, одно косвенно влияет на другое.

Ферма майнинга биткоина

Выпуск автомобильных микрочипов — лишь малая часть полупроводникового бизнеса, и ключевые игроки фактически решают проблемы с их выпуском по остаточному принципу. Более того, если автопроизводителям нужны микросхемы, сделанные по «мелкому» техпроцессу, которые могут конкурировать с заказчиками потребительской техники — у них вовсе нет шансов.

Крупнейшие чипмейкеры в первую очередь будут выполнять заказы гигантов IT-индустрии, вроде Apple, Samsung, Nvidia и AMD.

Это банально выгоднее, ведь их контракты «жирнее». В тех областях, где выпуск микросхем осуществляется по более старым и «толстым» техпроцессам, производство и так загружено полностью. В большинстве случаев автопроизводителям просто остается ждать, пока дефицит на их складах плавно восполнится. А до тех пор — снижать объемы отгрузок машин, новые фабы специально для них никто строить не будет.

Масла в огонь подливают и последствия пандемии: производители чипов тоже попали под ограничения во время карантинов и локдаунов. Причем, вопреки общему спаду экономики, спрос на их продукцию только вырос. Люди массово стали переходить на удаленный режим работы, скупать ноутбуки и компьютеры, а также новые смартфоны. В том числе — с поддержкой пятого поколения сотовой связи (5G), которые требуют либо больше микросхем, либо чипсеты большего размера. То есть на одно устройство требуется больше площади заготовок. И этот тренд не собирается идти на спад, фактически запрос на чипы для потребительской электронике только растет. Поэтому чипмейкерам приходится не только подстраиваться под возросший спрос, но еще и нагонять просроченные контракты. В общем, сплошная гонка с кучей дополнительных стрессовых факторов.

В сухом остатке

Задержки и даже отмены поставок автомобилей, вызванные дефицитом микроэлектроники, приобретают все больший размах. Насколько можно судить, сильнее всего от этого пострадал концерн Volkswagen — компания отправила в отпуск 10 тысяч своих работников заводов по всему миру. В качестве причин свою роль сыграло сразу несколько факторов:

• общий дефицит чипов, как из-за возросшего спроса на потребительскую электронику, так и в результате бума криптовалют;
• инертность цепочек поставок в случае глобального кризиса — производство сократили, а возобновить его быстро не получается;
• тотальная зависимость современной автомобильной индустрии от микроэлектроники;
• ошибочные прогнозы по срокам выхода из кризисов.

Кто за все это заплатит

Как обычно — потребитель. Причем именно покупатели автомобилей. С прочими отраслями применения микросхем индустрия их производства разберется: новые заводы вовсю строятся, и они рассчитаны на самые современные или перспективные техпроцессы. А вот автопроизводителям придется туго. В один момент перевести все электронные запчасти на тонкие технологические процессы не получится. Это потребует повторной сертификации слишком большого количества узлов, да и совместимость платформ может пострадать. Но процесс все равно идет полным ходом.

В условиях резкого недостатка товаров цены взлетят. Это хорошо заметно по рынку электроники, но и автомобильный подтянется. Есть все шансы, что в ближайшие полгода-год у желающих приобрести машину будет всего два варианта: либо стоять в очереди у официального дилера несколько месяцев, либо брать почти новую на вторичном рынке еще дороже. Быстро решить проблему поставок автомобильная индустрия навряд ли сможет. Самые оптимистичные прогнозы — крупные игроки (Volkswagen, General Motors, Toyota) наладят стабильные поставки электронных компонентов не раньше середины весны этого года. А очереди удастся сократить только к лету.

Пессимистичные и того печальнее: перебои продолжатся до конца года, не меньше.

Немножечко позитива

Как и любой кризис, этот принесет серьезные изменения. Можно предположить, что возрастет и без того высокая унификация электронных компонентов между разными марками. Тогда в аналогичной ситуации автопроизводителям не придется ждать у моря погоды и рассчитывать, что освободятся специфичные для них фабы. Также вполне вероятно будут разработаны индустриальные механизмы борьбы с такими проблемами (вроде совместных инвестиций в фабы «под себя»). Наконец, не стоит забывать про расширение производства микрочипов. Как минимум, в США администрация нового президента взяла вопрос на личный контроль и собирается радикально нарастить выпуск полупроводников внутри страны в ближайшие годы. Не отстает и Азия: все лидирующие чипмейкеры строят новые заводы в беспрецедентном темпе.