Οι ημιαγωγοί είναι η βασική ύλη από την οποία κατασκευάζονται τα μικροτσίπ. Τα έχει ο καθένας μας στην τσέπη του και τα χρησιμοποιεί καθημερινά. Βρίσκονται στα τηλέφωνά μας, στον φούρνο μικροκυμάτων, στο αυτοκίνητο, στο πλυντήριο, κάτω από την επιδερμίδα του σκύλου μας, στο GPS που μας κατευθύνει. Τελευταία αρκετοί είναι εκείνοι που τα εμφυτεύουν κάτω από το δέρμα τους για να μπορούν να ανοίγουν την πόρτα χωρίς κλειδί η να κάνουν διάφορες άλλες δουλειές. Χωρίς αυτά τα απείρως μικροσκοπικά εξαρτήματα θα βρισκόμασταν στην εποχή του χαλκού.
Πολλές φορές συγχέουμε τα μικροτσίπς με τους ημιαγωγούς. Δεν είναι το ίδιο.
Οι ημιαγωγοί
Είναι το βασικό υλικό από το οποίο φτιάχνονται και τα μικροτσίπς. Έχουν την ίδια σχέση που έχει το αλεύρι με το ψωμί. Οι ημιαγωγοί είναι η πρώτη ύλη, τα μικροτσίπ είναι το τελικό προϊόν.
Οι ημιαγωγοί προέρχονται από σπάνια ορυκτά που έχουν παράξενα ονόματα όπως: Δυσπρόσιο, Τέρβιο, Γαδολίνιο, Σαμάριο,Ύττριο, Σκάνδιο, Όλμιο, Έρβιο, Υττέρβιο, Θούλιο, Ευρώπιο κλπ.
Οι ημιαγωγοί είναι υλικά που έχουν την μαγική ικανότητα να είναι αγωγοί του ηλεκτρισμού και ταυτόχρονα να μην είναι. Τα συνηθισμένα υλικά (σίδηρος, πλαστικό, ξύλο, χαλκός κ.λπ.) ή είναι αγωγοί του ηλεκτρισμού ή δεν είναι.
Οι ημιαγωγοί, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, επιτρέπουν την διέλευση των ηλεκτρονίων και σε άλλες την διακόπτουν. Θα μπορούσαμε να τα παρομοιάσουμε με «φανάρια»του μικρόκοσμου στην κίνηση των ηλεκτρονίων.
Τα τσίπ (Chip= Πλακίδιο ή κομμάτι ή ψηφίδα κ.λπ.)
Πάνω σε ένα απειροελάχιστο κομμάτι ημιαγωγού εκτυπώνεται το μικροτσίπ με μια μέθοδο που μοιάζει με φωτολιθογραφία.
Το μέγεθος ενός μικροτσίπ έχει απόλυτη σημασία στο μέγεθος των πληροφοριών που αποθηκεύει ή επεξεργάζεται.
Ο άνθρωπος σήμερα μπορεί να κατασκευάσει μικροτσίπ μεγέθους 3 nm (νανόμετρα). Δηλαδή, 3 εκατομμυριοστά του χιλιοστού του μέτρου. Δηλαδή, λίγο μεγαλύτερο από την διάμετρο μιας έλικας του ανθρώπινου DNA (2nm)! Το μέγεθος αυτό μπορεί να γίνει ορατό μόνο με ισχυρότατα μικροσκόπια και κατασκευάζεται σε συνθήκες πλήρως αποστειρωμένου εργαστηρίου.
Ο ανταγωνισμός για την κατασκευή μικρότερων μικροτσίπ ανάμεσα στις εταιρείες είναι αδυσώπητος. Για παράδειγμα, η Intel, παραδοσιακά κυρίαρχη στη σχεδίαση και κατασκευή για τον εαυτό της (IDM), καθυστέρησε σημαντικά τη μετάβασή της σε μικρότερους νανοκόμβους και προσπαθεί να ανακτήσει το χαμένο έδαφος.
Η κούρσα για μικρότερα τσιπ δεν αφορά στην κομψότητα, αλλά στο ότι στον κόσμο του απειροελάχιστου πολλαπλασιάζεται η δυνατότητα αποθήκευσης, όγκου, ταχύτητας και επεξεργασίας της πληροφορίας.
Το τσιπ (ή μικροτσίπ, ή πιο σωστά Ολοκληρωμένο Κύκλωμα – IC) είναι μια ολοκληρωμένη συσκευή που κατασκευάζεται πάνω σε ένα μικροσκοπικό κομμάτι ημιαγωγού. Είναι ένα μικροσκοπικό κομμάτι ημιαγωγικού υλικού (συνήθως πυριτίου) πάνω στο οποίο έχουν χαραχτεί και ενσωματωθεί εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια ηλεκτρονικά εξαρτήματα (κυρίως τρανζίστορ).
Ο ρόλος του είναι να εκτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία (π.χ. είναι ένας μικροεπεξεργαστής – CPU, μια μνήμη – RAM, ή ένα τσιπ γραφικών – GPU).
Ήδη η τεχνολογική εξέλιξη βρίσκεται αντιμέτωπη με την αρχή της απροσδιοριστίας, δηλαδή το βασικό αξίωμα της κβαντικής μηχανικής όπως διατυπώθηκε από τον Βέρνερ Χαιζενμπεργκ όπου ο προσδιορισμός της θέσης και της ορμής ενός ηλεκτρονίου είναι αδύνατη όχι λόγω του ότι δεν έχει φτάσει η επιστήμη σε αυτό το επίπεδο αλλά διότι το ίδιο το ηλεκτρόνιο δεν είναι ένα μικροσκοπικό και αδιαίρετο «συμπαγές» σωματίδιο αλλά ένα «νέφος» ή «κύμα» με απροσδιόριστη θέση και ορμή. Μπορεί, δε, να παίρνει ιδιότητες σωματιδίου εάν επηρεαστεί από μια εξωτερική παρατήρηση αλλά, ακόμα και τότε, η όποια παρατήρηση μεταβάλει την ήδη ακαθόριστη θέση και ορμή του.
Σπάνιες γαίες
«Εάν η Μέση Ανατολή έχει πετρέλαιο, η Κίνα έχει σπάνιες γαίες», έλεγε το «μακρινό» 1987 ο διαμορφωτής της σημερινής οικονομίας της Κίνας Ντενγκ Σιαοπίνγκ.
Η Κίνα κατέχει δεσπόζουσα θέση όχι μόνο στην εξόρυξη πολλών σπάνιων γαιών και κρίσιμων ορυκτών (το 68,6% της παγκόσμιας παραγωγής σπάνιων γαιών το 2023) αλλά, κυρίως, στην επεξεργασία και διύλισή τους, φτάνοντας το 99% για τις βαριές σπάνιες γαίες. Αυτή η κυριαρχία της επιτρέπει να επηρεάζει σημαντικά την παγκόσμια αλυσίδα εφοδιασμού.
Οι σπάνιες γαίες που παράγει η Κίνα και είναι απαραίτητες για την κατασκευή μικροτσίπ. Περιλαμβάνουν διάφορα στοιχεία, καθώς χρησιμοποιούνται σε πολλαπλά στάδια της παραγωγικής διαδικασίας, από τα υλικά έως τον εξοπλισμό.
Αν και η κατηγορία “σπάνιες γαίες” περιλαμβάνει 17 στοιχεία (τους 15 λανθανίδες, το σκάνδιο και το ύττριο), στην παραγωγή μικροτσίπ χρησιμοποιούνται τόσο σπάνιες γαίες όσο και άλλα κρίσιμα μέταλλα και ημιαγωγοί των οποίων την παραγωγή ή την επεξεργασία η Κίνα ελέγχει επίσης σε μεγάλο βαθμό.
Οι βασικές χώρες που προσπαθούν να αντισταθμίσουν την κινεζική κυριαρχία, τόσο στις σπάνιες γαίες όσο και στα κρίσιμα μέταλλα (όπως το γάλλιο και το γερμάνιο), είναι οι εξής:
Ηνωμένες Πολιτείες
Σπάνιες Γαίες (Εξόρυξη): είναι πλέον σημαντικός παγκόσμιος παίκτης στην εξόρυξη. Το Ορυχείο Mountain Pass στην Καλιφόρνια είναι το μοναδικό μεγάλο εν λειτουργία ορυχείο σπάνιων γαιών στις ΗΠΑ και ένα από τα μεγαλύτερα στον κόσμο. Ωστόσο, ένα μέρος των ορυκτών που εξορύσσει, μέχρι πρόσφατα, έπρεπε να στέλνεται στην Κίνα για τελική επεξεργασία.
Βραζιλία
Διαθέτει επίσης σημαντικά αποθέματα σπάνιων γαιών.
Αυστραλία
Η Αυστραλία είναι ένας από τους πιο σημαντικούς εκτός Κίνας παραγωγούς σπάνιων γαιών και κρίσιμων ορυκτών. Η Lynas Rare Earths είναι η μεγαλύτερη εταιρεία παραγωγής σπάνιων γαιών εκτός Κίνας, λειτουργώντας το ορυχείο Mount Weld και εγκαταστάσεις επεξεργασίας στη Μαλαισία. Πρόσφατα επιβεβαίωσε την παραγωγή διαχωρισμένων βαριών σπάνιων γαιών (όπως δυσπρόσιο και τέρβιο) στη Μαλαισία, ένα τεχνικό ορόσημο εκτός Κίνας. Επίσης λειτουργεί σε συνεργασία με τις ΗΠΑ το διυλιστήριο Γαλλίου στην Alcoa στη Δυτική Αυστραλία καθώς το γάλλιο εξάγεται ως υποπροϊόν από τον βωξίτη (που χρησιμοποιείται για την παραγωγή αλουμίνας/αλουμινίου).
Ταϊλάνδη: Αναδεικνύεται ως στρατηγικός παίκτης, με κοιτάσματα και σχέδια για ανάπτυξη της βιομηχανίας επεξεργασίας.
Μαλαισία: Η χώρα φιλοξενεί τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας της Lynas (βλέπε Αυστραλία), παίζοντας κρίσιμο ρόλο στην αλυσίδα εφοδιασμού εκτός Κίνας.
Ελλάδα Τουρκία & Ευρωπαϊκή Ένωση
Η ΕΕ προσπαθεί να μειώσει την εξάρτησή της, η οποία είναι σχεδόν καθολική στην επεξεργασία.
ΕΕ (Γενικά): Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή προωθεί το σχέδιο RE Source EU για την αύξηση της εγχώριας εξόρυξης, επεξεργασίας και ανακύκλωσης κρίσιμων ορυκτών.
Ελλάδα: Μια ελληνική εταιρεία (Metlen Energy & Metals ) έχει ανακοινώσει σημαντική επένδυση για την πρώτη γραμμή παραγωγής γαλλίου υψηλής καθαρότητας στην Ευρώπη, χρησιμοποιώντας ως πρώτη ύλη βωξίτη από κοιτάσματα της Βοιωτίας.
Τουρκία: Αναζητά ξένους εταίρους για να αναπτύξει δυνητικά τεράστια αποθέματα σπάνιων γαιών και να γίνει ένας από τους πέντε μεγαλύτερους παραγωγούς παγκοσμίως.
Η Τουρκία ανακοίνωσε την ανακάλυψη ενός σημαντικού κοιτάσματος σπάνιων γαιών, το οποίο εκτιμάται ως το δεύτερο μεγαλύτερο παγκοσμίως μετά από αυτό της Κίνας. Το κοίτασμα βρίσκεται στην περιοχή Μπεϊλίκοβα, στην επαρχία του Εσκισεχίρ, στην κεντρική Ανατολία. Το κοίτασμα φέρεται να περιέχει 10 από τα συνολικά 17 γνωστά στοιχεία σπάνιων γαιών.
Κάνοντας σύγκριση των κοιτασμάτων στην Ελλάδα σχετικά με εκείνα της Τουρκίας μπορούμε να πούμε τα εξής:
- Το τουρκικό κοίτασμα, βάσει των ανακοινώσεων, είναι τεράστιο και συγκεντρωμένο σε μία περιοχή, επιτρέποντας ένα ενιαίο, μεγάλης κλίμακας σχέδιο εκμετάλλευσης. Η Ελλάδα διαθέτει πολλαπλά, διασκορπισμένα κοιτάσματα και ενδείξεις, με τις ποσότητες να μην έχουν αξιολογηθεί συνολικά με ανάλογο τρόπο.
- Η Τουρκία στοχεύει στην άμεση εξόρυξη και παραγωγή των ίδιων των σπάνιων γαιών. Η Ελλάδα φαίνεται να έχει άμεσο και ώριμο πλεονέκτημα στην παραγωγή κρίσιμων υλών ως υποπροϊόντων (π.χ. γάλλιο από τον βωξίτη), ενώ τα καθαρά κοιτάσματα REEs παραμένουν σε στάδιο έρευνας.
- Τόσο στην Τουρκία όσο και στην Ελλάδα (ειδικά στη Βόρεια Ελλάδα), η παρουσία θορίου (ραδιενεργού στοιχείου) στα κοιτάσματα REEs αποτελεί κοινή πρόκληση, καθώς ανεβάζει το κόστος και την πολυπλοκότητα της επεξεργασίας, δημιουργώντας περιβαλλοντικά ζητήματα.
Συνολικά, ενώ η Τουρκία έχει ανακοινώσει ένα κοίτασμα-γίγαντα, η Ελλάδα έχει τη δυνατότητα να γίνει ένας σημαντικός ευρωπαϊκός παίκτης στην αλυσίδα εφοδιασμού κρίσιμων πρώτων υλών, ιδίως μέσω της αξιοποίησης υποπροϊόντων υφιστάμενων μεταλλευτικών δραστηριοτήτων (όπως ο βωξίτης).
Η Ταιβάν και η θεωρία της «Ασπίδας του πυριτίου» (Silicon Shield)
Κατά την διάρκεια του ψυχρού πολέμου πολλές μικρές χώρες της νοτιοανατολικής Ασίας προσπάθησαν να προστατευτούν καλυπτόμενοι πίσω από την λεγόμενη «Ασπίδα του πυριτίου». Συμφώνα με αυτό το σχέδιο αυτό, η οικονομία τους θα μετατρεπόταν από καθυστερημένη αγροτική σε μια νησίδα προηγμένης τεχνολογίας.
Με αυτό τον τρόπο η Δύση θα προστάτευε εκ των πραγμάτων αυτές τις χώρες, θα οχύρωνε τα καθεστώτα τους και μάλιστα με το αζημίωτο μιας και θα εκπαίδευαν και θα χρησιμοποιούσαν το φτηνό εργατικό δυναμικό αυτών των χωρών. Προφανώς έκαναν ένα μεγαλειώδες ιστορικό λάθος.
Η Ταϊβάν
Η Ταιβάν ήταν η ιδανική χώρα. Ένα μικρό νησί στο μέγεθος της Πελοποννήσου με πληθυσμό 22, 5 εκατομμύρια κατοίκους! Οι περισσότεροι κάτοικοι του ήταν φυγάδες από την Κίνα και αποτελούνταν από τα εναπομείναντα στρατεύματα του αντεπαναστατικού στρατού.
Η Ταϊβάν σήμερα κατέχει μια εξαιρετικά σημαντική θέση στην παγκόσμια παραγωγή μικροτσίπ (ημιαγωγών), ειδικά όσον αφορά τα πιο προηγμένα τσιπ.
Η Ταϊβάν είναι ο μεγαλύτερος παραγωγός ημιαγωγών παγκοσμίως. Εκτιμήσεις δείχνουν ότι το μερίδιό της στην παγκόσμια αγορά (ιδιαίτερα στον τομέα των λεγόμενων “foundries” – κατασκευαστών τσιπ κατά παραγγελία) ανέρχεται περίπου στο 60% (με ορισμένες πηγές να αναφέρουν έως και 65% ή και παραπάνω).
Η κυριαρχία της είναι ακόμη μεγαλύτερη στα πιο προηγμένα και τεχνολογικά εξελιγμένα μικροτσίπ (κάτω των 5nm), τα οποία είναι κρίσιμα για την Τεχνητή Νοημοσύνη (AI), τα 5G δίκτυα, τους υπερυπολογιστές, τα σύγχρονα όπλα και τις κορυφαίες ηλεκτρονικές συσκευές. Σε αυτά τα τσιπ, το μερίδιο της Ταϊβάν εκτιμάται ότι φτάνει ακόμη και το 90% ή και περισσότερο.
Η κεντρική φιγούρα σε αυτή την κυριαρχία είναι η εταιρεία Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), ο μεγαλύτερος κατασκευαστής μικροτσίπ κατά παραγγελία παγκοσμίως.
TSMC: Ο αδιαμφισβήτητος βασιλιάς των Foundries (χυτήρια)
Η TSMC είναι ο μόνος κατασκευαστής που μπορεί να παράγει τους πιο προηγμένους επεξεργαστές (για Apple, Nvidia, AMD) στην απαιτούμενη κλίμακα και με κορυφαίες αποδόσεις. Ήταν η πρώτη που έφερε σε μαζική παραγωγή τους κόμβους 5nm και 3nm με την τεχνολογία FinFET (Fin Field-Effect Transistor).
Είναι σημαντικός γεωπολιτικός παράγοντας που την καθιστά τον ακρογωνιαίο λίθο της «Ασπίδας του Πυριτίου» της Ταϊβάν.
Ακολουθούν:
Η Samsung Foundry
Ο επιθετικός αυτός ανταγωνιστής προσπαθεί ενεργά να κλείσει το χάσμα από την TSMC, εστιάζοντας στην πρωτοπορία της αρχιτεκτονικής των τρανζίστορ:
Η Intel Foundry Services (IFS)
Η Intel, παραδοσιακά κυρίαρχη στη σχεδίαση και κατασκευή για τον εαυτό της (IDM), καθυστέρησε σημαντικά τη μετάβασή της σε μικρότερους νανοκόμβους. Ωστόσο, έχει ανακοινώσει ένα επιθετικό πλάνο για να ανακτήσει την τεχνολογική υπεροχή με στόχο να φτάσει ή και να ξεπεράσει την TSMC και τη Samsung με τους κόμβους Intel 18A (1.8nm-κλάσης) μέχρι το 2025/2026.
Η στρατηγική «αποκινδύνευσης» (de-risking)
Τόσο οι ΗΠΑ όσο και η ΕΕ υλοποιούν μια στρατηγική «αποκινδύνευσης» (de-risking), προσπαθώντας να εξισορροπήσουν την παγκόσμια αλυσίδα εφοδιασμού. Ωστόσο, η τεχνολογική υπεροχή της Ταϊβάν, ειδικά στα πιο προηγμένα τσιπ, θεωρείται τόσο βαθιά ριζωμένη που η ουσιαστική απαγκίστρωση θα απαιτήσει πολλά χρόνια και τεράστιες επενδύσεις.
Η Ταϊβάν βρίσκεται σε απόλυτη εξάρτηση από τις ΗΠΑ, όσον αφορά τον εφοδιασμό της με ενέργεια και αμυντική θωράκιση, ενώ ταυτόχρονα εξαρτάται πλήρως από την Κίνα στον εφοδιασμό με σπάνιες γαίες για την παραγωγή μικροτσίπ.
Η Κίνα έχει την δυνατότητα να εισβάλει δια της βίας και να καταλάβει πλήρως το νησί. Μπορεί ακόμα να διακόψει τον εφοδιασμό του με έναν ναυτικό αποκλεισμό. Δεν το κάνει όμως διότι και η δική της οικονομία εξαρτάται από την Ταϊβάν.
Αντίστοιχα οι ΗΠΑ υπερασπίζονται την ανεξαρτησία της Ταϊβάν από την Κίνα για τους ίδιους λόγους ενώ ταυτόχρονα προωθούν πάση δυνάμει την απεξάρτηση τους από αυτήν.
Παρόλα αυτά η Ταιβάν τυπικά (ΟΗΕ) είναι κινέζικο έδαφος.
Ένα εξαιρετικά σημαντικός παράγοντας που κάνει αδύνατη την άμεση απεξάρτηση της Δύσης από την Ταϊβάν είναι το εργατικό δυναμικό που απαιτείται για την κατασκευή των μικροτσίπ.
Το εργατικό δυναμικό της Ταιβάν είναι τόσο υψηλής εξειδίκευσης και τόσο ραγδαίας μεταβαλλόμενης που δεν αναδημιουργείται εύκολα σε κάποια άλλη χώρα άμεσα.
Ο προλετάριος της TSMC…
..πρέπει να έχει:
-Γνώσεις Φυσικής Ημιαγωγών.
-Βαθιά γνώση της αναλογικής και ψηφιακής ηλεκτρονικής, των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC) και της αρχιτεκτονικής των υπολογιστών.
-Χημείας και Επιστήμης υλικών χάραξη – etching.
-Εναπόθεση λεπτών υμενίων.
-Φωτολιθογραφία.
-Χρήση σύνθετων οργάνων για τη μέτρηση και την επιθεώρηση των δομών του τσιπ (πλάτος διαύλου, πάχος υμενίου) και την αναγνώριση ελαττωμάτων (yield management).
Εργάζεται σε συνθήκες πλήρως αποστειρωμένου εργαστηρίου ερμητικά κλειστού και με ειδική στολή.
Το κυριότερο είναι ότι όλες του οι γνώσεις και δεξιότητες του είναι ανά πάσα στιγμή υπό αίρεση. Βρίσκεται ασταμάτητα σε μια διαρκή διαδικασία δια βίου μάθησης. Κατασκευάζει απίστευτα μικρές και πολύπλοκες συσκευές μεγέθους μικροβίου.
Παρόλα αυτά το εργατικό δυναμικό της Ταιβάν συρρικνώνεται εξαιτίας των συνθηκών αλλά και των απαιτήσεων της εργασίας ενώ ταυτόχρονα, σύμφωνα με μια εκτίμηση της Money review η Κίνα χρειάζεται τουλάχιστον 200.000 εργαζόμενους στον κλάδο. Διαβάστε εδώ
Τα εργαστήρια θυμίζουν ταινίες επιστημονικής φαντασίας. Παράγουν ό,τι χρειάζεται η πολεμική βιομηχανία, ό,τι χρειάζεται η ιατρική και ό,τι εμείς χρησιμοποιούμε καθημερινά.
Εν ολίγοις, ότι χρειαζόμαστε για να ζήσουμε και ότι χρειάζεται για να καταστρέψουμε τον κόσμο.
Αυτό είναι το πώς φαίνεται ένα μικροτσίπ κάτω από ένα μικροσκόπιο υψηλής ισχύος
Μικροτσίπ: Ο «νέος χρυσός» που αλλάζει τις παγκόσμιες ισορροπίες
Σπάνιες γαίες: Κυρίαρχη η Κίνα στην εμπορική μονομαχία με ΗΠΑ
Στη μέγγενη της Κίνας οι σπάνιες γαίες – Πώς «στρίμωξε» την παγκόσμια αγορά
