Af Palle Vibe, Alt om Data
Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.
Mikrochips er i dag en nøglekomponent. Ikke kun i bærbare computere, smartphones, spillekonsoller og anden elektronik, men også i biler, elredskaber og husholdningsmaskiner. Ja, chipsene er snart overalt.'
Derfor er der generelt en enorm efterspørgsel efter kredsløbene, så det kræver en kolossal produktionskapacitet at holde trit med behovet. Men på det seneste er der opstået en så alvorlig mangel på ikke bare mikrochips, men også halvledere og andre elektroniske komponenter, at verden direkte taler om komponentmangel. Hvad er årsagen?
Hele verden fik virus
Den verdensomspændende corona-epidemi er en væsentlig del af forklaringen, da den har ført til en massiv ændring i vores arbejdsliv. Fra næsten alle grene af erhvervslivet blev store dele af arbejdsstyrken tvunget til at arbejde hjemme, ligesom stort set alle skoleklasser og højere uddannelser var sendt hjem for at blive undervist foran computeren. Dette skete over hele verden, og i skrivende stund er der mange lande i verden, hvor børnene stadig må holde sig hjemme fra skole og forældrene blive siddende i hjemmekontoret.
Det har selvsagt ført til en massiv anskaffelse af computerudstyr til de nye digitale hjemmearbejdspladser. Der er også blevet skabt et behov for videomøder og brug af forskellige nye digitale tjenester, og når flere og flere mennesker skal tilbringe mere og mere tid hjemme, siger det også sig selv, at der opstår en voksende efterspørgsel på underholdningselektronik. Og det hele kræver mikrochips i en mængde som aldrig før.
Det er blandt andet i Rotterdam, chipsene fra Østen lander i Europa. Når der mangler containere med mikrokredsløb, så forplanter det sig til hele kæden frem til den europæiske forbruger og fabrikkerne.En anden ting, der også påvirker markedet, er, at bilindustrien aftager flere mikrochips og andre elektroniske komponenter nu end nogensinde før. Moderne biler bliver år for år udstyret med mere og mere avanceret elektronik, der bearbejder de utallige data, der strømmer ind fra bilernes kameraer, radarer og parkeringssensorer til brug for de indbyggede intelligente køreassistenter.
Der bruges også applikationsspecifikke integrerede kredsløb (ASICs) til eksempelvis ABS-bremser, EPS, airbags og infotainmentsystemer. Desværre har chipindustrien ikke været tilstrækkeligt forberedt på denne efterspørgsel, og mange bilfabrikker har måttet sælge deres biler med minimal elektronik eller har simpelthen måttet indstille produktionen.
Koks i forsyningerne
Når folk sendes hjem fra arbejde, påvirker det også råvareleverancerne og forsyningskæderne, der flere steder er gået helt i stå. Det hjalp heller ikke, at et kæmpe containerskib i det tidlige forår gik på grund i Suez-kanalen og desuden spærrede for alle de containerskibe, der lå bagved. Det blokerede for afviklingen af containertrafikken gennem hele Suez-kanalen i ugevis efterfulgt af langvarige flaskehalse i verdens store containerhavne, da de mange tusinde containere så endelig kom frem og skulle losses.
Da det kæmpemæssige containerskib Ever Given læsset med containere stødte på grund i Suez-kanalen og lagde sig på tværs, spærrede det for al gennemsejling i ugevis.Det forhold spiller også ind, at mange vestlige chipproducenter har ladet fjernøstlige underleverandører bidrage til mere og mere af produktionen, og oven i det hele kommer handelskrigen mellem USA og Kina, der betyder, at et stigende antal amerikanske virksomheder nu ønsker at afbryde samarbejde med kinesiske underleverandører.
Kina fremstiller kun selv sporadiske mængder færdige chips og ikke altid af højeste kvalitet, og de har tilmed så store tekniske problemer med fremstillingen, at de har måttet rekvirere brugte produktionsmaskiner fra Japan. Rusland er heller ikke den store chipleverandør, og eftersom de ikke kan få så mange chips fra USA mere, må de forlade sig på deres egne Baikal M- and M/S-chips.
Asien sidder på produktionen
Da coronapandemien ramte fabrikken TSMC, styrtdykkede udbuddet af mikroprocessorer.Mens Vesten for øjeblikket er stærkt afhængig af, hvad Asien kan undvære, er både den amerikanske præsident Joe Biden og EU-kommissionen klar til at investere store summer i ny chipproduktion. Men foreløbig ser det ud til at blive svært for Vesten at følge teknologisk med sydkoreanske Samsung og taiwanske Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Limited (TSMC), der sidder på 80 procent af produktionskapaciteten og nærmest kontrollerer det globale marked.
Det tager mindst tre år at opføre en chip-fabrik fra bunden, og det koster 600-950 milliarder kroner. Det er et af de største private investeringsobjekter, der findes. TSMC regner eksempelvis med at investere 650 milliarder kroner over de næste tre år.
Chipproduktionen i dag er fortrinsvis samlet på nogle få fabrikker i Taiwan, så markedet er meget sårbart. Mange virksomheder har dog i god tid loddet situationen og fyldt deres lagre af mikrochips op – en af dem er Apple – og det har jo også gjort indhug i beholdningerne.
Nogle peger også på, at lysten til at investere i kryptovalutaer som bitcoin og ethereum har skabt foruroligende efterspørgsel på ikke mindst grafikkort, og når hverken Vestens lager- eller produktionskapacitet af elektroniske komponenter har kunnet øges, svinder udvalget af elektroniske produkter selvfølgelig også ude i forretningerne.
Markedsanalytikere spår, at komponentkrisen sandsynligvis vil vare langt ind i 2022 og måske længere. Branchedirektør i Bilbranchen herhjemme, Thomas Møller Sørensen, konstaterer eksempelvis, at en ventetid på visse bilmærker kan være op til et halvt år, og han anslår, at det formentlig ikke vil normalisere sig før i første halvdel af næste år. For mens coronaen forhåbentlig nu er ved at slippe sit tag herhjemme, er efterspørgslen på mikrochips stadig høj.
En mikrochip kommer til verden
Udgangspunktet for al chipfremstilling er ultrarent silicium. Grundstoffet, der på dansk også hedder kisel, kan fungere både som leder og isolator (eksempelvis som en halvleder i form af en transistor), og da stoffet kan udvindes af almindeligt strandsand, er det et ideelt og billigt chipmateriale.
Det rå silicium smeltes og forarbejdes til en tyk stang, en såkaldt ”ingot”, som saves ud i tynde skiver eller ”wafers” på omkring 1 mm i tykkelse. Disse skiver skal nu gennemgå adskillige forfinede fototekniske processer, hvor halvlederkomponenter og baner møjsommeligt afmaskes og ætses ned i skiven i op til 36 lag oven på hinanden som en lagkage.
Over 700 arbejdsgange
Hver arbejdsgang kan omfatte påførsel af et særligt lysfølsomt lag, der ved belysning fremkalder de ønskede kredsløb. Hvert lag kan have sin egen funktion, og derfor kræver hver delproces sin egen afmaskning af de områder af skiven, der ikke skal påvirkes af belysning og ætsning.
Derpå bliver waferen ”bagt” og hærdet ved 1100 grader i nogle tilfælde op til 27 gange. I alt kan fremstillingsprocessen omfatte op over 700 arbejdsgange over 14 uger.
Til sidst indstøbes chippen i et plastikhus, der sikrer, at kredsløbet ligger fast og beskyttet, og alle forbindelser føres ud til separate kontaktben. Eventuelle køleflanger forhindrer chippens måske næsten 500 millioner transistorer i at producere ødelæggende varme. Efter en sidste afprøvning og kontrol af specifikationer og ydelse pakkes de færdige chips og er klar til lager eller forsendelse til klodens hungrende producenter. Billederne viser processen på Boschs fabrik i Dresden.
Tysk chipfabrik med til at redde Europa
EU satser på at øge den europæiske chip-produktion til 20 procent af den globale i 2030, hvilket betyder, at produktionen skal mere end fordobles i forhold til i dag.
En af de europæiske leverandører, der er klar til at tage udfordringen op og måske kan være med til at øge forsyningerne til europæiske fremstillingsvirksomheder, er tyske Bosch, der i forvejen er storleverandør af mikrochips til bilindustrien. Bosch har til dato produceret over 15 milliarder mikrochips og er den eneste europæiske leverandør til bilfabrikkerne, som producerer halvlederchips selv. Faktisk sidder der i gennemsnit 17 chips fra Bosch i enhver nyindregistreret bil.
Bosch har investeret 1 milliard euro i opbygningen af en ny chipfabrik, og det er den største enkeltinvestering i hele producentens mere end 130-årige historie. Miljøhensyn og forureningsneutral bæredygtighed har været topprioriteret fra dag et, og hovedparten af fabriksanlægget strømforsynes med grøn strøm og CO2-neutral gas.
Den tyske chipfabrik fylder et areal på 100.000 kvadratmeter.Den nye gigantfabrik ligger i Dresden i Sachsen. Området er kendt som Silicon Sachsen, altså en tysk pendant til Silicon Valley. Fabrikken er den første AIoT-fabrik, der er bygget af Bosch. AIoT står for AI (kunstig intelligens) og IoT (Internet of Things). AI styrer fabrikkens fuldt automatiserede produktion og kan påvise selv den mindste fravigelse eller fejl på et splitsekund, før fejlen optræder på det færdige produkt, og også energiforbruget overvåges konstant af computere for at opnå bedst mulig ydelse med lavest muligt energiforbrug.
Samtidig kan AI også med stor sikkerhed udpege, hvornår en robot eller anden maskindel er slidt eller behøver reparation, hvilket på den måde kan udføres langt hurtigere, end hvis det skete efter et fast serviceskema. IoT-kommunikationen både internt i fabrikken og IoT-enheder udenfor foregår naturligvis gennem det nye 5G-mobilnetværk.
Fabriksanlægget, der har været undervejs siden 2018 og er placeret i byen Dresden, er et glimrende eksempel på, hvor teknisk vanskeligt og kompliceret det egentlig er at fremstille moderne halvledere og intelligente mikrochips.
Ekstreme renrum
Selve det 100.000 kvadratmeter store fabriksanlæg er opført i fire etager, hvoraf to etager er gravet ned under jorden, og tilsammen omfatter produktionsarealet 72.000 kvadratmeter eller det samme som cirka 12 fodboldbaner.
Øverste etage rummer luftindsugningen og rensningsanlægget, der forsyner produktionsrummene med ren luft. Også disse faciliteter er som alle øvrige centrale funktioner i det nye fabriksanlæg fuldt automatiserede og kan filtrere 2.000.000 kubikmeter luft for alle uønskede partikler pr. time.
Det er nødvendigt, for selv den mindste mikropartikel kan ødelægge en chip, hvor de enkelte delkomponenter er 50 gange tyndere end et menneskehår og derfor naturligvis ekstremt følsomme over for ethvert fremmedlegeme. Et menneskehår har en gennemsnitlig tykkelse på 70 mikrometer (en mikrometer eller en mikron er en milliontedel af en meter), og den atmosfæriske luft uden for fabrikken indeholder omkring 100.000 partikler à et halvt mikrogram pr. kubikfod.
Selve chipfremstillingen er af samme grund henlagt til helt specielle renrum, der er placeret i stueplan og er tusind gange renere end operationsstuerne på hospitaler. Da 99,905 procent af alle partikler over en størrelse på 0,1 mikrometer bliver frafiltreret af luftrensningsanlægget, er der generelt blot én sådan partikel pr. kubikfod i renrummene. Det svarer til en enkelt kirsebærsten i hele Bodensøen, der rummer næsten 5 milliarder kubikmeter vand. Luften i renrummene holdes på en konstant temperatur på 22° C med 43 procent luftfugtighed.
Fremstillingen sker på det nærmeste uberørt af menneskehånd. Hænder er aldrig helt rene, uanset hvor meget man vasker dem. Alle, der arbejder i renrummene, skal derfor være iført sterile og tætsluttende tofarvede ”kanindragter”, der er hvide foran og blå bagpå (så du på afstand kan se, om vedkommende kommer imod dig eller har ryggen til). Og før nogen får lov til at betræde renrummene, skal de desuden passere gennem en lang luftsluse fyldt med sensorer, der kan registrere de mindste fremmedpartikler.
Samlebåndet sidder i loftet
Produktionslinjen er opdelt i cirka 100 separate processtationer, der varetager de forskellige delprocesser af chipfremstillingen. Et automatisk AI-styret transportsystem i loftet fungerer som ”samlebånd”, der bringer chip-emnerne fra station til station i små FOUPs (Front Opening Unified Pods), der hver kan transportere 25 emner.
AI styrer også selve fremstillingen, der kan omfatte hen ved 250 forskellige behandlingsprocesser i de hundrede individuelle processtationer, hvor håndteringen varetages af AI-styrede robotter. Omkring hver tredje proces består af test og målinger, og det bringer fremstillingen af en mikrochip op på omkring 700 forskellige delprocesser, der sammenlagt strækker sig over op til 14 uger.
Samtlige de cirka 100 individuelle maskiner og robotter i produktionslinjerne er forbundet online både med hinanden og med hele fabrikkens øvrige infrastruktur via en central dataserver og 300 km datakabel.
Denne forbindelsesmetode muliggør, at data fra så mange som tusind datakanaler løbende kan registreres i realtid, og der genereres hvert sekund 1 gigabit produktionsdata eller det samme som 500 tekstsider pr. sekund eller 42 millioner tekstsider om dagen. Det er denne form for produktion, som går under betegnelsen ”Industri 4.0”.
Skulle alle disse data udskrives, ville arkene sammenlagt veje 22 ton. Og eftersom alle data fra halvlederfabrikken lagres i fabrikkens centrale server, er det ud over dataovervågning også muligt at udpege nøjagtigt, hvor hvert chip-emne befinder sig i produktionslinjen på et givet tidspunkt, samt at produktionen løbende modtager og kan reagere på de data, fabrikken modtager online for at kunne forbedre og optimere kvalitet og kapacitet.
For at kunne opretholde en løbende produktion leveres råmaterialer, kemikalier og energi fra en såkaldt ”subfabrik” direkte under produktionsetagen. Hver eneste komponent som de kilometervis af rør, kabler og slanger, der løber gennem subfabrikken, og alle processer og funktioner i hele fabriksanlægget er kortlagt i digitale 3D-landskaber.
Kontrollerer med AR-briller
På den måde kan alle maskiner og arbejdsgange styres og vedligeholdes, uden at nogen kommer i fysisk kontakt med maskinerne eller produktionen. Der er i alt 11.000 forbindelser mellem renrummene og teknikrummet i kælderen, og det sætter Bosch i stand til at projektere nye tiltag og forbedringer på en computerskærm uden at behøve at skulle påvirke eller afbryde den fysiske kontakt i den virkelige verden.
Hvis en tekniker eller andre har behov for at komme tættere på en maskine i renrumsfaciliteterne, kan det foregå via smarte briller og AR (augmented reality) og en medarbejder, der i forvejen befinder sig i renrummet. Så kan medarbejderen i sine AR-briller og med en tablet se digitale data lagt oven på virkeligheden.
Det sker gennem en app udviklet af Bosch selv, og samme teknologi vil kunne muliggøre fjernstyret vedligeholdelse af såvel maskiner som systemer af eksperter, der kan befinde sig tusinder af kilometer væk. I kælderetagen er der desuden placeret laboratorier til test og analyser.
Ud over produktionslokalerne omfatter den nye Bosch-fabrik også separate kontorlokaler og en større separat CUB-hjælpebygning (Central Utility Building), der som en af sine vigtigste opgaver har at behandle 1200 kubikmeter vand dagligt. Det svarer til otte husstandes årlige forbrug. Det ultrarene vand bruges blandt andet til at skylle waferne efter hver ætsning af komponentbanerne på kredsløbene.
[su_carousel source="media: 3160791,3160785,3160787,3160788,3160790,3160789" limit="6" width="1000" height="500" items="1"]