نیمه‌هادی چیست؟ راهبردهای مکنزی برای نیمه‌هادی‌ها
نیمه هادی‌ها قهرمانان گمنام دنیای فناوری هستند.
در این مقاله به این پرسش جواب می‌دهیم که نیمه‌هادی چیست؟ نیمه‌هادی‌ها اساساً قهرمانان گمنام دنیای فناوری هستند: قطعات ساخته شده از عناصر خالص که در پشت صحنه کار می‌کنند تا همه چیز را از تلفن‌های هوشمند گرفته تا ماشین‌ها توانمند و به هم متصل کنند.
کمبود نیمه‌هادی‌ها
عبارت «کمبود نیمه هادی‌ها» یکی از آن عبارات مهم دوران همه‌گیری کرونا بود. مانند عبارات دیگری نظیر «مشکلات زنجیره تامین» یا «فاصله گذاری فیزیکی» که درد عمیقی را برای صاحبان کسب‌وکارها تداعی می‌کند. اما بسیاری از مردم درک مبهمی از اینکه نیمه‌هادی چیست دارند. شاید این سؤال را از خود پرسیده باشید که چرا اتومبیل شما بسیار بیشتر از آنچه فکر می‌کردید ارزش دارد. بسیاری از ما به سختی می‌توانیم توضیح دهیم که واقعاً چرا؟
هادی، عایق و نیمه‌هادی
اولین گام برای پاسخ به این سؤال که نیمه‌هادی چیست، شکستن این کلمه است. هادی (Conductor)، همانطور که ممکن است از علوم دبستان به یاد داشته باشید، چیزی است که از طریق آن الکترون ها آزادانه از یک نوع ماده به ماده دیگر حرکت می کنند. آیا تا به حال در زمستان پس از دست زدن به دستگیره در دچار شوک شده‌اید؟ این به این دلیل است که فلز رسانای عالی الکتریسیته است. (در واقع بدن انسان هم همینطور است، به همین دلیل است که گاهی اوقات می توانید شوک را به یک فرد ناآگاه منتقل کنید.) نقطه مقابل هادی یک عایق است که مانع از جریان الکترون‌ها از یک ماده به ماده دیگر می‌شود. لاستیک یک عایق عالی است، به همین دلیل است که در هنگام رعد و برق، داخل ماشین (که از لاستیک پوشیده است) ایمن است.
نیمه‌هادی ماده‌ای است که در جایی در زنجیره بین هادی و عایق قرار می‌گیرد. تولیدکنندگان، سیلیکون و سایر مواد را پردازش کرده و به نیمه رساناهایی برای استفاده در انواع دستگاه های الکترونیکی تبدیل می‌کنند. این نیمه هادی‌ها یا تراشه‌ها امروزه تقاضای بیشتری نسبت به قبل دارند. وجه تمایز انقلاب صنعتی چهارم (4IR) که تولید و به طور کلی تجارت جهانی را متحول می‌کند، رایانه‌های هوشمند و دستگاه‌های متصل به هم است. در این دوره هوشمندی یعنی اتصال و اتصال یعنی تراشه.
با اینکه که نیمه هادی ها می‌توانند فرصت‌های فراوانی را برای صنایع در سراسر جهان باز کنند، اتکا به نیمه هادی‌ها آسیب‌پذیری‌هایی را در زمانی که عرضه کمتر از تقاضا است، ایجاد کرده است. در این مقاله ما ریشه‌های کمبود نیمه‌هادی‌ها در دوران همه‌گیری کرونا را بررسی می‌کنیم. اینکه چگونه سازمان‌ها می‌توانند خطرات مرتبط با اتکا به نیمه‌هادی‌ها را کاهش دهند، و چرا نیمه‌هادی‌ها در دهه آینده در تجارت جهانی تسلط خواهند داشت.
چه چیزی باعث کمبود نیمه‌هادی شد؟ و چرا اینقدر آسیب‌زا بوده است؟
حدود یک سال پس از همه‌گیری کرونا، کمبود تراشه‌های سیلیکونی کوچک موج‌های بزرگی را در صنایع در سراسر جهان ایجاد کرد. در سه ماهه اول سال 2021، خطوط مونتاژ تولید همه چیز از تلفن های هوشمند گرفته تا لوازم خانگی و سیستم‌های کمک راننده متوقف شد. صنعت خودرو به طور خاص تحت تأثیر قرار گرفت. خودروسازان بزرگ اعلام کردند که از سطح تولید خود عقب‌نشینی قابل توجهی کرده‌اند و این باعث اختلال میلیارد دلاری در درآمد آنها شده است. (این به نوبه خود باعث افزایش ارزش بسیاری از خودروهای دست دوم شد.) در ادامه برخی از عواملی که منجر به بحران نیمه‌هادی‌ها شدند آمده است.
صنعتی در حال فعالیت با ظرفیت کامل
تولید نیمه هادی که به دلیل چرخه‌ای بودن خود شناخته شده است، از لحاظ تاریخی یک صنعت پر تلاطم بوده که گاه با رونق و گاه با رکود روبرو بوده است. از سال 2016 و پس از بیش از یک دهه فعالیت، با افزایش ظرفیت متناسب با رشد تقاضا، رفتار صنعت با ثبات و منطقی‌تر شد. وقتی همه‌گیری شیوع پیدا کرد، کارخانه‌های تولیدی، با ظرفیت نزدیک به 95 درصد کار می‌کردند.
چالش‌های مربوط به همه‌گیری
ریشه‌های بحران نیمه‌هادی در صنعت خودرو را می‌توان در روزهای اولیه بیماری همه‌گیر جستجو کرد. زمانی که فروش خودرو در اروپا 80 درصد کاهش یافت. در همان زمان، تقاضا برای رایانه‌های شخصی، سرورها و تجهیزات برای ارتباطات باسیم افزایش یافت. این تقاضا ناشی از تغییر به سمت دورکاری بود. بنابراین در حالی که سفارشات خودروسازان برای نیمه‌هادی‌ها (برای استفاده در سنسورهای فشار سوخت، سرعت‌سنج‌های دیجیتال، نمایشگرهای ناوبری و موارد دیگر) به شدت کاهش یافت، تولیدکنندگان لوازم الکترونیک شخصی بیش از همیشه سفارش می‌دادند. هنگامی که تقاضای بخش خودرو در نیمه دوم سال 2020 بهبود یافت، صنعت نیمه‌هادی پیش از آن برای پاسخگویی به تقاضای انواع دیگر تولیدکنندگان تغییر کرده بود.
مسیر طولانی برای ساخت تاسیسات جدید تولید نیمه‌هادی
تأسیسات ساخت نیمه‌هادی یا «ویفر فاب (wafer fabs)» سال‌ها طول می‌کشد تا ساخته شوند و میلیاردها دلار هزینه دارد. از تصمیم برای افزودن یک فاب جدید تا ایجاد آن، حتی برای کارآمدترین تولیدکنندگان نیز بیش از سه سال طول می کشد. این زمان صرف ساخت اتاق تمیز نیمه‌هادی، نصب تجهیزات و تولید می‌شود.
تنش‌های ژئوپلیتیکی
تنش‌های سیاسی و ژئوپلیتیکی عامل دیگر تشدیدکننده بحران نیمه‌هادی‌ها در این دوره بود. تحریم‌های آمریکا علیه چین باعث شد که بسیاری از شرکت‌های چینی تراشه‌های خود را احتکار کنند. این احتکار به تنش‌های سیاسی و افزایش فشار بازار منجر شد.
قراردادهای متفاوت با صنایع متفاوت
قراردادهای قطعات خودرو معمولاً زمان تحویل کوتاه‌تری نسبت به قراردادهای قطعات در سایر صنایع دارند. بنابراین زمانی که صنعت خودرو آماده ثبت سفارش‌های بیشتر شد، تولیدکنندگان نیمه‌هادی با قراردادهای طولانی‌تری در خدمت صنایع دیگر بودند.
ورود 5G و همپوشانی با تقاضای تراشه
در این دوره فناوری 5G پا به عرصه گذاشت. این فناوری برای توسعه و فراگیری نیازمند تراشه‌ها و نیمه‌هادی‌ها است. فناوری 5G بر همان نوع تراشه‌های نیمه‌هادی تکیه دارد که خودروها دارند. به همین دلیل، خودروسازان ممکن است همچنان با کمبود تراشه دست و پنجه نرم کنند. چرا که 5G همچنان در سطح جهانی در حال توسعه و گسترش است.
آیا همچنان کمبود نیمه‌هادی‌ها ادامه دارد؟
در یک کلام، نه. در برخی حوزه‌ها مانند ریزپردازنده‌های همه منظوره و تراشه‌های حافظه، موجودی مازاد قابل توجهی وجود دارد. اما هنوز کمبود جهانی تراشه‌های تخصصی مورد استفاده در برخی از کاربردهای خودرو و صنعتی وجود دارد. از آنجایی که صنعت نیمه‌رسانا پیش از همه‌گیری تحت فشار بود، کوید19 افزایش تقاضا را در صنعتی که هنوز در حال رشد است ایجاد کرد. بر اساس تجزیه و تحلیل مک کینزی، کمبود احتمالاً برای انواع خاصی از تراشه ها حداقل تا تابستان 2025، ادامه خواهد داشت.
قابلیت‌های صنعت نیمه‌هادی چیست؟
دنیای آینده بر روی نیمه‌هادی‌ها بنا نهاده می‌شود. روندهایی مانند دورکاری، توسعه هوش مصنوعی و تقاضای فزاینده برای وسائل الکترونیکی در حال تغییر شکل دنیایی است که ما در آن زندگی می کنیم. بر این اساس، صنعت جهانی نیمه‌هادی برای یک دهه پر رونق آماده است. مک‌کینزی پیش‌بینی می‌کند که درآمد این صنعت تا سال 2030 به 1 تریلیون دلار برسد.
حدود 70 درصد از این رشد تنها توسط سه صنعت خودروسازی، محاسبات و ذخیره سازی داده‌ها و ارتباطات بی‌سیم تحریک می‌شود. تنها در خودروسازی، مک‌کینزی افزایش سه برابری تقاضا را پیش‌بینی می‌کند که تا حدی به دلیل افزایش تقاضا برای خودروهای الکتریکی است. بر این اساس، این بخش مسئول 20 درصد از گسترش صنعت در سال های آینده خواهد بود.
شرکت‌های نیمه‌هادی چگونه می‌توانند تقاضای فزاینده را برآورده کنند؟
با نگاهی به ارقام، به نظر می رسد زمان بسیار خوبی برای حضور در تجارت نیمه‌هادی است. تقاضا در حال افزایش است و درآمدهای سالانه 23 درصد در سال 2021 افزایش یافته است. بسیار بالاتر از افزایش 5 درصدی گزارش شده در سال 2019. در سال 2021، سهامداران شرکت‌های نیمه‌هادی به طور متوسط 50 درصد بازدهی را مشاهده کردند زیرا نیمه‌هادی‌ها به قدرت بخشیدن به انقلاب دیجیتال کمک کردند.
اما با نگاهی دقیق‌تر، شرکت‌های نیمه‌هادی با چالش‌های مهمی روبرو هستند. کمبود صنعت که در زمان همه‌گیری رخ داد، دولت‌ها را وادار کرد تا تولید تراشه را به خانه خود نزدیک‌تر کنند. کمبود استعداد، هم در نقش‌های مرتبط با مهندسی و هم در نیروی کار اجرایی، باید برطرف شود. تراشه‌ها گران‌تر می‌شوند زیرا در مکان‌هایی با مزیت اقتصادی کمتر تولید می‌شوند. فراهم کردن مقادیر زیاد برق پایدار و آب خالص مورد نیاز برای برخی از فرآیندهای تولید نیمه‌هادی نیز آسان نیست.
راهبردهای مک‌کینزی برای نیمه‌هادی چیست؟
اما راهبرد مناسب برای پیگیری موضوع نیمه‌هادی چیست؟ مک کینزی چندین استراتژی را شناسایی کرده است که می‌تواند به شرکت‌های نیمه‌هادی کمک کند تا بهره‌وری را بهبود بخشند و همچنین بفهمند که چه زمانی می‌توان افزایش ظرفیت را توجیه کرد. در اینجا شش حوزه حیاتی وجود دارد که در آن شرکت‌های نیمه‌هادی می‌توانند نقاط قوت و ضعف خود را ارزیابی کنند:
1- رهبری فناوری
رقابت برای تسلط در صنعت نیمه هادی‌ها ادامه دارد و برنده هر شرکتی خواهد بود که بتواند کوچک‌ترین، سریع‌ترین و کم‌مصرف‌ترین دستگاه‌ها را بسازد.
2- تحقیق و توسعه بلندمدت
شرکت‌های نیمه‌هادی ثابت کرده‌اند که سرمایه‌گذاری‌های جسورانه و بلندمدت می‌تواند در نهایت بازدهی قابل‌توجهی را به همراه داشته باشد. این بازدهی نه تنها برای سهامداران، بلکه به نفع کل جامعه است. برای مثال، ایجاد تراشه‌های تخصصی برای محاسبات کوانتومی، می‌تواند برنامه‌های توسعه دارویی و پایداری را بهبود بخشد.
3- تاب آوری
اختلالات بزرگ ناشی از همه‌گیری کوید19 هنوز هم موج‌های جدی در تجارت جهانی ایجاد می‌کند. یک چیز واضح است: تاب‌آوری در همه بخش‌ها برای عبور از عدم قطعیت‌های آینده مورد نیاز است. شرکت‌های نیمه‌رسانا می‌توانند برای چابکی بیشتر کار کنند. این به آنها امکان را می‌دهد تا سریع‌تر به تغییرات بازار واکنش نشان دهند.
4- مدیریت استعداد
تاسیسات تولید نیمه‌هادی در مناطق جدید در حال توسعه است. این توسعه به منابع جدید و استعدادها نیاز دارد. شرکت‌های صنعت نیمه‌هادی، علاوه بر افزایش تلاش‌های خود برای جذب استعداد، می‌توانند به سایر مسائلی که منجر به جذابیت محیط کار می‌شود هم بپردازند. مسائلی که از سوی کارکنان گزارش می‌شود.
5- قابلیت‌های زیست‌بوم
افزایش همکاری با سایر شرکت‌های نیمه هادی می‌تواند در رسیدگی به چالش‌های مربوط به طراحی تراشه‌های پیچیده و رقابت برای استعدادها مفید باشد. به عنوان مثال، یک شرکت می تواند مالکیت معنوی را توسعه دهد و به دیگران مجوز دهد.
6- افزایش ظرفیت
نهایتاً اینکه، افزایش ظرفیت می‌تواند مزایایی را برای برخی از شرکت‌های نیمه‌هادی به همراه داشته باشد. اما اینها تصمیمات آسانی نیستند. ساخت یک کارخانه جدید ساخت نیمه‌هادی تا سه سال طول می‌کشد و می‌تواند تا 5 میلیارد دلار هزینه داشته باشد. شرکت‌ها باید قبل از اقدام، مزایا و معایب پذیرش یارانه‌های دولتی، مشارکت با سازندگان تجهیزات و سایر اقدامات بالقوه کاهش هزینه را بررسی کنند.
چگونه صنعت نیمه هادی می‌تواند انتشار گازهای گلخانه‌ای خود را در حین رشد کنترل کند؟
تامین انرژی 4IR یک امر ضروری است. اما این به تنهایی کفایت نمی‌کند. مشتریان به طور فزاینده‌ای از تامین‌کنندگان می‌خواهند که تلاش‌های خود را برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای افزایش دهند. شرکت‌های نیمه‌رسانا تعهداتی در این زمینه دارند، اما در حال حاضر این تعهدات برای محدود کردن انتشار گازهای گلخانه‌ای که طبق توافقنامه پاریس ۲۰۱۶ الزامی است، کافی نیست. برخی از اقداماتی است که صنعت می‌تواند در کوتاه‌مدت انجام دهد عبارتند از:
- سیستم‌های کاهش گاز برای تبدیل گازهای مضر به گازهایی با پتانسیل آسیب‌رسانی کمتر نصب شوند.
- سیال‌های انتقال حرارت را می‌توان با سیال هایی با پتانسیل آسیب‌رسانی کمتر جایگزین کرد.
- منابع سوخت را می‌توان با گزینه‌های تمیزتری نظیر هیدروژن یا زیست‌توده (Biomass) جایگزین کرد.
در بلندمدت، شرکت‌های نیمه‌رسانا باید به سمت رویکردی نوآورانه‌تر حرکت کنند، سرمایه‌گذاری بیشتری در کربن‌زدایی انجام دهند و تمایل به آزمایش راه‌حل‌های نوآورانه را نشان دهند. همکاری در اینجا مفید خواهد بود. شرکت‌ها می‌توانند فناوری‌های کربن‌زدایی در مراحل اولیه را با استارت‌آپ‌ها و آزمایشگاه‌های دانشگاهی توسعه دهند. سپس با کنسرسیومی از شرکت‌ها به اشتراک بگذارند.
