Van grafische kaarten over IoT tot spelconsoles en wagens: het wereldwijde tekort aan semiconductors laat zich overal voelen. Hoewel het probleem al maanden aansleept, blijft een oplossing veraf. Waar loopt het mis?
Er rollen te weinig microchips van de band. Semiconductorfabrikanten kunnen niet aan de grote vraag voldoen, ongeacht de niche waarin ze actief zijn. De tekorten gelden in het hypermoderne segment, verantwoordelijk voor de productie van de nieuwste processors en grafische kaarten, maar ook aan de onderkant van de markt waar IoT-fabrikanten en autobouwers tevergeefs wachten op hun goedkopere en minder geavanceerde chips. In onze digitale wereld treft het ongeziene tekort een veelvoud aan sectoren. Laptops, grafische kaarten, camera’s, routers, switches, wagens, smartphones, spelconsoles…: allemaal wachten ze tot de chipfabriek hun silicium hart kan bakken.
Het is al te gemakkelijk om met de vinger naar de Covid-19-pandemie te wijzen. Het coronavirus is zeker een belangrijke schuldige, maar er is meer aan de hand. Het aanhoudende tekort is het resultaat van het spijtige samenspel van een veelvoud aan factoren. Sommige daarvan kunnen we snel oplossen, anderen niet.
Wie maakt er microchips?
De basis van de huidige problematiek ligt bij de complexiteit van semiconductorproductie. Microchips bakken doe je niet zomaar. Je hebt er enorm geavanceerde installaties voor nodig. Het gros van de wereldwijde productie is in handen van TSMC, Samsung en Intel. Intel bouwt vooral zijn eigen chips, terwijl Samsung voor zowel zichzelf als klanten produceert. De grootste naam is Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, of TSMC voor de vrienden. Buiten de technologiewereld is TSMC geen klinkende naam, maar dat is onterecht. Het bedrijf heeft een kwartaalomzet van om en bij de tien miljard dollar en is eigenhandig verantwoordelijk voor de fabricage van de chips van AMD en Apple, om enkele belangrijke klanten te noemen.
Er zijn nog heel wat andere fabrikanten actief in de markt, zoals Globalfoundries, Texas Instruments, Fujitsu en SMIC. Die bedrijven nemen voor het grootste deel de markt van minder geavanceerde chips voor hun rekening. TSMC, Intel en Samsung innoveren met 10 nm (nanometer), 7 nm en 5 nm-nodes voor ’s werelds meest complexe microchips, terwijl andere partijen zich focussen op minder ingewikkelde chips voor een veelvoud aan toepassingen. Niet iedere processor moet immers de modernste in zijn soort zijn: een IoT-camera moet vooral betaalbaar zijn en heeft geen nood aan een 7 nm 64-core-cpu onder de motorkap.
De ’eenvoudigere’ chips zijn echter nog steeds bijzonder complexe producten om te maken. Productielijnen voor semiconductorfabricage vereisen heel gespecialiseerde machines en grondstoffen. Chips worden erg nauwkeurig gevormd op een silicium wafer aan de hand van chemische processen en licht.
Zeldzame componenten, ongelooflijke investeringen
Om je een idee te geven: de componenten van een moderne microchip worden getekend via lithografie. Dat is een proces waarbij licht in contact komt met een chemische laag op de chip om zo onderdelen van de interconnects of transistors te vormen. Het licht in kwestie moet zo’n fijne golflengte hebben dat het onzichtbaar is voor het blote oog en zelfs door de meest geavanceerde spiegels wordt geabsorbeerd. Wil je zo’n machine in huis halen voor je fabriek? Dan is er één adres: ASML in Eindhoven. Prijskaartje voor zo’n EUV-toestel: ongeveer 100 miljoen euro.
Dergelijke bedragen maken van semiconductorproductie een ontoegankelijke markt. Een chipfabriek neerzetten kost al snel tussen de 1 en de 4 miljard dollar. Voor fabrieken die moderne 10 nm-, 7 nm- en 5 nm-chips moeten produceren, loopt die kost nog op. TSMC’s 5 nm-fabriek zal naar schatting 12 miljard dollar kosten. Een dergelijke installatie staat bovendien niet meteen klaar. Reken al snel drie tot zelfs vijf jaar om een chipfabriek te bouwen en operationeel te krijgen.
Torenhoge instapkosten maken van semiconductorproductie een ontoegankelijke markt.
Het resultaat van die realiteit is dat het gros van de fabrieken in handen is van enkele heel gespecialiseerde spelers. Die zijn vooral uit Azië afkomstig, waar de meeste fabs staan. Ook voor een Amerikaanse speler als Intel is het bovendien kostenefficiënter om fabs in Azië neer te poten. China, Taiwan en Korea huisvesten een buitenproportionele hoeveelheid van ’s werelds semiconductorproductiecapaciteit.
Onvoorspelbare economische wendingen
Met die kennis in het achterhoofd spoelen we even terug naar de start van de pandemie aan het begin van 2020. Het tot dan onbekende virus kwam voort uit China, waar de eerste reactie er één van strenge lockdowns was. Fabrieken over het hele continent sloten tijdelijk de deuren, met een onderbreking van de productie tot gevolg. Die pauze alleen is echter niet verantwoordelijk voor het huidige tekort.
Dat is voor een groot stuk het gevolg van de veranderende economische situatie. Entertainmentopties buitenshuis zijn momenteel nog steeds beperkt. Mensen investeren daarom in alternatieven. De verkoop van tv’s kende een boost en tablets kenden hun grootste vraag sinds 2015. Toevallig lanceerden Sony en Microsoft aan het einde van 2020 hun nieuwe consoles. De Xbox Series X en de PS5 zijn sowieso al aantrekkelijke toestellen, maar met de wereldwijde lockdowns is de vraag naar de consoles nog groter. Langs de zakelijke kant moest iedereen plots een degelijke laptop hebben voor thuiswerk. De pc-markt groeide, tot jolijt van HP, Lenovo en Dell.
Niet overal steeg de vraag. Met verplaatsingen op een laag pitje en gesloten fabrieken zagen autoconstructeurs hun verkoop kelderen. Lopende banden in de auto-industrie werken met just-in-time-delivery, met heel weinig beschikbare stock van componenten in de fabrieken. De constructeurs maakten een grote vergissing, en schroefden hun bestellingen van microchips terug.
Opgestaan is plaats vergaan
Dat was geen probleem voor de chipfabrikanten. Door de stijgende vraag voor andere elektronica werd de productiecapaciteit vrijgegeven door de auto-industrie onmiddellijk opgevuld met andere orders. De fabs bleven op volle toeren draaien. Gelukkig maar: niemand investeert miljarden in een installatie om die vervolgens maar op een laag pitje te laten draaien.
lees ook
EU wil 20 procent van de chipproductiemarkt wegkapen
Spoelen we opnieuw een beetje verder, dan zien we hoe de economie zich wereldwijd sneller herstelt dan verwacht. Ook de autoverkoop wakkert opnieuw op en de constructeurs gaan op zoek extra microchips voor in hun wagens. De chipbakkers hebben hun extra capaciteit echter verkocht: er is geen capaciteit meer vrij om de orders van de autofabrikanten er opnieuw bij te nemen. Wereldwijd vertraagt de productie van wagens en worden fabrieken zelfs tijdelijk stilgelegd.
Olie op het vuur
Dat betekent niet dat er voldoende capaciteit is om de rest van de wereld te bevoorraden. Wie een PS5, nieuwe grafische kaart of betaalbare budgetlaptop zoekt, ziet het probleem. De pandemie zorgt ervoor dat de vraag simpelweg veel hoger is dan voorspeld en voorzien.
Het probleem was van het begin af aan complex, maar dat weerhield een machtig man met wereldberoemde comb-over en exuberante spray on-tan er niet van om de situatie te excaleren. Voormalig Amerikaans president Trump ontketende een handelsoorlog met China die er onder andere voor zorgde dat Chinese bedrijven hun toegang tot chips minstens tijdelijk zouden verliezen. Microchips worden dan wel in Azië gebruikt, de componenten in de machines zijn voor een stuk Amerikaans en dat volstaat voor de VS om zichzelf autoriteit te geven om sancties uit te vaardigen. Het gevolg: Chinese bedrijven kochten snel zoveel chips aan als ze konden om zo een strategische reserve uit te bouwen. Ook dat woog op de beschikbare capaciteit.
Brand
Daarmee is het verhaal nog niet rond. De vraag is vandaag niet alleen torenhoog, het aanbod slabakt ook. Chipfabrikanten willen hun fabs op maximale capaciteit laten draaien, maar daarvoor hebben ze grondstoffen en materiaal nodig. De toeleveranciers in de niche zijn niet bepaald talrijk. Kijk maar naar ASML, dat een monopolie heeft op EUV en DUV-lithografiemachines.
Eén van de essentiële grondstoffen voor microchipproductie is het zogenaamde ABF-substraat. Ajinomoto Build-up Film is een uitvinding van het Japanse Ajinomoto. Het substraat wordt gebruikt voor de isolatie van de interconnects van microchips. Het is één van de chemische stoffen waaruit een chip wordt opgebouwd. Omwille van de beperkte toepassingen voor ABF-substraat is de beschikbare productie in theorie netjes afgestemd op de chipproductie.
In de praktijk komt een ongeluk nooit alleen. Midden 2020 ging er in Japan een ABF-fabriek van de Nittobo-groep in vlammen op. De toeleveringsketting voor semiconductorfabricage is bijzonder kwetsbaar voor dergelijke accidenten. Doordat die ene fabriek niet kan produceren, is er vandaag te weinig ABF-substraat ter beschikking. Autobouwers kunnen geen wagens bouwen zonder microchips, maar microchipfabrikanten kunnen geen semiconductors bouwen zonder ABF-substraat. De impact van het tekort zou zich nog heel 2021 laten voelen.
Complex samenspel
Zo komen we uiteindelijk aan een relatief breed overzicht van het hele tekort. Samengevat ziet de situatie er als volgt uit:
- Covid-19 zorgde aanvankelijk voor een kleine achterstand in de chipproductie, die op zichzelf niet veel voorstelde.
- De economische pauze zette de autosector er toe aan bestellingen te verlagen, waardoor de vrijgekomen productiecapaciteit van semiconductors werd toegewezen aan andere klanten.
- Aan andere klanten geen gebrek: thuiswerk deed de vraag naar pc’s stijgen en de lockdowns zorgden voor een boost in de vraag naar smart tv’s, grafische kaarten en tablets.
- De Amerikanen maakten de situatie erger met sancties tegen Chinese bedrijven, die zich genoodzaakt zagen een voorraad chips aan te leggen.
- De lancering van een nieuwe console-generatie verhoogt de druk tot vandaag.
- ABF-substraat, dat essentieel is voor de productie van high-end-chips, is door de grote vraag en een eerdere brand in een fabriek in 2020 niet voldoende voorradig.
Een kant-en-klare oplossing bestaat helaas niet. Het spreekt voor zich dat de productie van ABF-substraat eerst terug op dreef moet komen, maar dat kost tijd. Vervolgens zijn er vandaag onvoldoende fabs om aan de hoge vraag te voldoen. Een fabriek bijzetten kost miljarden en is bovendien niet noodzakelijk de slimste investering. Tegen dat er een nieuwe installatie online gaat, is de economische situatie waarschijnlijk opnieuw omgeslagen en is de vraag gestabiliseerd. Tijdelijk een fab bijbouwen, is niet echt een optie. Voorlopig zijn we dus aangewezen op geduld.
Lesje geleerd?
We kunnen wel collectieve lessen trekken uit de hele saga. Het is duidelijk dat de logistieke ketting voor semiconductors kwetsbaar is. Ondanks het belang van microchips zit het gros van de productie in Azië. Europa heeft dat probleem correct geïdentificeerd en wil een groot aandeel van de productie naar de EU halen. Een bredere geografische spreiding alleen is echter geen oplossing. Een fab blijft een miljardeninvestering die op capaciteit moet draaien. Er is voor een bedrijf als TSMC geen economische incentive om noodcapaciteit vrij te houden. Bovendien blijft ook een Europese fabriek afhankelijkheid van niche-toeleveranciers in het buitenland.
De beste oplossing is pro-actiever te werk gaan. Wie niet aast op de meest high-end-chips, kan beter wel een stock aanleggen. Voor moderne processors en grafische kaarten is er helaas geen éénduidige oplossing. Blijft de vraag hoog, dan zal de productiecapaciteit volgen, maar die reactie holt noodgedwongen enkele jaren achter de feiten aan.
Update 18/11/2021: Waarom het chiptekort maar blijft aanhouden, lees je in dit vervolgstuk.
lees ook