Spowolnienie poprawy wydajności i rosnące koszty krzemu sprawiają, że liderzy biznesowi oceniają inne materiały.
Droga od przełomowego odkrycia do zastosowań w przemyśle transformacyjnym może być długa i zawiła. Często po pierwszym przypływie możliwości następują dziesięciolecia rozwoju, udoskonalania i eksperymentowania. Nawet wtedy nie ma żadnych gwarancji. Laboratoria na całym świecie pełne są obiecujących niegdyś technologii, które nigdy nie znalazły komercyjnego zastosowania na rynku. Ten precedens stawia kadrę kierowniczą w trudnej sytuacji przy określaniu, gdzie i kiedy inwestować w pojawiające się innowacje. Na każdą firmę, która stawia właściwy zakład na nowe technologie cyfrowe, są dziesiątki konkurentów, którzy całkowicie tęsknią za falą i muszą nadrobić zaległości. Czas pokaże, czy niedawne wejście Kodaka do wydobywania bitcoinów jest na przykład odosobnionym ruchem, czy częścią przewidującej długoterminowej strategii.
Firmy półprzewodnikowe znajdują się w trudnej sytuacji. Regularne innowacje związane z krzemem pozwoliły branży generować stałe zyski i stałą, imponującą poprawę wydajności przez dziesięciolecia. Ostatnio firmy mają coraz większe trudności z wyciskaniem większej wartości z krzemu. To spowolnienie zmusiło firmy do określenia, co i kiedy zastąpi krzem. Grafen, na przykład, został ogłoszony cudownym materiałem, który może dorównać lub przewyższyć wydajność krzemu. Jednak komercjalizacja materiału może potrwać do 25 lat i będzie wymagać znacznych inwestycji zarówno w badania i rozwój, jak i koszty kapitałowe, aby wprowadzić go do produkcji. Przy tak dużych wydatkach, jakie obecnie przeznacza się na krzem, kierownictwo musi określić właściwy moment, aby zmienić bieg w kierunku następnego materiału — nawet jeśli wynik jest daleki od zagwarantowania.
Wyzwanie wykracza daleko poza grafen; Ponieważ firmy półprzewodnikowe starają się zidentyfikować i wykorzystać następną falę innowacji, kierownictwo musi przyjąć inne podejście. Umiejętność zrozumienia, w jaki sposób pozornie odmienne zmiany mogą tworzyć nowe modele biznesowe i aplikacje, wymaga bardziej ekspansywnej perspektywy skupionej na łączeniu kropek i odkrywaniu nowych sposobów zastosowania wiedzy i spostrzeżeń. Menedżerowie zajmujący się półprzewodnikami powinni wykorzystać tę soczewkę do kształtowania długoterminowej strategii wydobywania wartości z istniejących materiałów i technologii przy jednoczesnym monitorowaniu powstających innowacji. Takie nastawienie zapewni firmom lepszą pozycję do przetrwania zarówno znanych, jak i nieznanych wyzwań w nadchodzących latach.
Krzem: czoło wiatry do przodu?
Krzem, podstawowy materiał używany w branży półprzewodników, historycznie dotrzymywał kroku prawu Moore'a, zapewniając wcześniej niewyobrażalny postęp. Przełomowe i transformacyjne technologie — zaawansowana analityka, rzeczywistość rozszerzona, pojazdy autonomiczne, cyfrowe i Internet rzeczy (IoT) — stały się możliwe dzięki pojedynczemu elementowi, który jest imiennikiem najbogatszych 50 mil kwadratowych na świecie. Mimo to pojawiają się poważne pytania dotyczące przyszłości krzemu i jego zdolności do dalszego wspierania innowacji: trzy wiodące wskaźniki opowiadają o tym.
Spowolnienie poprawy wydajności prowadzi do presji cenowej
Silicon zaoferował projektantom i inżynierom płótno, które dało początek trwałemu postępowi w zakresie wydajności i wydajności. Spojrzenie na dane z lat 1970. ilustruje te wykładnicze ulepszenia wydajności. Jednak w ostatnich latach tempo znacznie spadło. Moc obliczeniowa komputerów PC ustabilizowała się, a wzrost wydajności procesorów smartfonów zaczął zwalniać — krótko mówiąc, krzem staje się śmiertelny (Rysunek 1). Trendy te oznaczają, że firmy, które zbudowały przewagę konkurencyjną na ciągłych innowacjach, zaczęły tracić przewagę, gdy inne firmy nadrabiają zaległości.
Poprawa wydajności spowalnia
Twórcy trendów walczą o zwiększenie przewagi nad konkurencją w zakresie poprawy wydajności, więc ich zdolność do przechwytywania cen premium, zanim reszta rynku nadrobi zaległości, jest utrudniona. Nasza analiza wskazuje, że po wejściu na rynek wielu konkurentów ceny spadają od 10 do 15 procent.
Eskalacja kosztów kapitałowych i B+R
Koszty dla firm produkujących półprzewodniki wciąż rosną w miarę przechodzenia do fabryk nowej generacji. Szacujemy, że aby osiągnąć wzrost wydajności, firmy muszą zwiększyć wydatki kapitałowe nawet o 40 procent (biorąc pod uwagę wymagania dotyczące nowego sprzętu) oraz wydatki na badania i rozwój o 150 procent, aby osiągnąć tę samą przepustowość (Rysunek 2). Główną przyczyną eskalacji kosztów kapitałowych jest produkcja sprzętu, która wzrosła o około 2 miliardy dolarów od czasu przejścia branży na wielowzorcowość. Nic dziwnego, że producenci zintegrowanych urządzeń szybko zwiększyli swoje inwestycje w badania i rozwój w zakresie wiodącej technologii węzłów.
Rosnące wymogi kapitałowe oraz inwestycje w badania i rozwój mogą hamować dalsze innowacje
Poczucie fizycznych ograniczeń krzemu
Niezależnie od wyzwań handlowych, dalszy rozwój krzemu jest również niepewny, ponieważ innowacyjność nadążyła za fizycznymi ograniczeniami materiału. Na przykład długość węzła zbliża się do szerokości kanału przewodzącego, gdzie wydajność jest poważnie ograniczona: tranzystory krzemowe przestaną działać z powodu efektów kwantowych małych wymiarów, takich jak tunelowanie, wycieki i problemy z ciepłem. Ograniczenia w litografii, oprzyrządowaniu i wytwarzaniu struktur nanometrycznych również utrudniają postęp.
Te trzy trendy rodzą krytyczne pytanie dla firm produkujących półprzewodniki: ile powinny nadal inwestować w krzem, zamiast wspierać rozwój innowacyjnych materiałów, które mogą spowodować skokową zmianę wydajności i utrzymać wzrost przychodów?
Dlaczego grafen może zmienić zasady gry
Przemysł eksperymentuje z kilkoma egzotycznymi nowymi materiałami, w tym silicenem, germanem i czarnym fosforem, ale grafen jest reklamowany jako mający największy potencjał (Rysunek 3).
Nowe materiały mają największy potencjał stymulowania technologii nowej generacji, która może pomóc w utrzymaniu innowacji
Odkrycie warstwy grafenu o grubości atomu przez dwóch naukowców z Uniwersytetu w Manchesterze w Anglii w 2004 roku podsyciło oczekiwania, że może on stać się doskonałym zamiennikiem krzemu (infografika). Właściwości grafenu wywołują ślinotok w firmach z różnych branż: szacuje się, że jego mobilność jest 250 razy większa niż krzemu, a elastyczność i inne właściwości sprawiają, że jest on idealny do wielu zastosowań, od technologii baterii po optoelektronikę, taką jak ekrany dotykowe. Ostatnie patenty, artykuły naukowe i publikacje badawcze świadczą o powszechnym zainteresowaniu grafenem.
Grafen w liczbach
Pomimo tej obietnicy przyjęcie grafenu było nieuchwytne. Więc co to powstrzymuje? Zidentyfikowaliśmy cztery ograniczenia, dwa techniczne i dwa przemysłowe. Z technicznego punktu widzenia inżynieria przerwy energetycznej pozostaje główną przeszkodą: bez przerwy wzbronionej przełączniki grafenowe nie mogą się wyłączyć. W ciągu ostatniej dekady badacze skupili się na rozwiązaniu tego problemu, ale jeszcze nie złamali kodu. Ponadto produkcja grafenu musi generować wysokiej jakości kryształy i być kompatybilne z istniejącymi urządzeniami z komplementarnymi półprzewodnikami z tlenku metalu (CMOS). Po stronie przemysłowej w fabrykach wymagana jest duża ilość kapitału, ale firmy półprzewodnikowe mają większość swoich zasobów związanych z bieżącymi planami ulepszeń fabryk. Co więcej, w przypadku krzemu istnieje zintegrowany łańcuch wartości (w tym przezbrojenie produkcji w trakcie procesu produkcyjnego), ale potrzebne są miliardy inwestycji, aby odtworzyć łańcuch dla grafenu.
Biorąc pod uwagę te niepewności, przewidujemy, że przyjęcie grafenu i wzrost rynku nastąpi w trzech fazach — wzmacniacz, wymiana krzemu i rewolucyjna elektronika (Rysunek 4).
Spodziewamy się, że przyjęcie grafenu i wzrost rynku będą przebiegać w trzech fazach
Spodziewamy się, że w najbliższym czasie grafen zostanie użyty jako wzmacniacz krzemu, a warstwy ochronne z grafenu będą wykorzystywane do poprawy niezawodności i wydajności połączeń. Obecnie 14-nanometrowe bariery metalowe z azotku tantalu są stosowane na miedzianych interkonektach, aby zapobiec dyfuzji do krzemu. W odstępach mniejszych niż dziesięć nanometrów dyfuzja staje się główną przyczyną awarii urządzenia — jeden defekt na miliard części powoduje wskaźnik awarii wynoszący około 30 procent. Bariery grafenowe oferują kilka zalet w porównaniu z innymi alternatywami, takimi jak ruten i kobalt, w tym lepsze właściwości ochronne przy zaledwie jednej ósmej wielkości i przy prędkościach połączeń o około 30 procent szybszych.
Główne przyczyny braku adopcji grafenu są dwojakie. Wymagania dotyczące procesu przenoszenia i powlekania grafenu muszą być w pełni opracowane i zintegrowane z etapami produkcji. Ponadto koszt grafenu musi znacznie spaść, aby umożliwić masową produkcję komercyjną. Przewidujemy, że rozwiązanie tych problemów zajmie co najmniej pięć do dziesięciu lat, aby grafen stał się realną alternatywą dla krzemu.
W ciągu najbliższych 10–25 lat grafen może zastąpić krzem jako podstawowy materiał w półprzewodnikach, zakładając, że badania pozwolą odkryć metody przezwyciężenia ograniczeń związanych z jego przerwą energetyczną. Nawet wtedy grafen będzie wykorzystywany w zastosowaniach, w których jego zalety techniczne (takie jak wysoka prędkość, wymagania dotyczące niskich strat, mała skala i elastyczność) są lepiej dostosowane do zastosowań elektronicznych niż materiały alternatywne (Rysunek 5). Nasza analiza oblicza całkowity adresowalny rynek grafenu na 190 miliardów dolarów w zakresie przetwarzania danych, komunikacji bezprzewodowej i elektroniki użytkowej.
Szacuje się, że całkowity rynek elektroniki opartej na grafenze, który można obsługiwać, wynosi ~ 190 mld USD w oparciu o zapotrzebowanie na aplikacje o wysokiej wydajności
Oczekuje się, że przyjęcie będzie podążać za trendem krzywej S, podobnym do innych technologii, z ramami czasowymi wdrożenia najbardziej zbliżonymi do przyjęcia płytek. Ogólnie rzecz biorąc, optymistyczne scenariusze pokazują, że potencjał wartości rynkowej półprzewodników grafenowych do 70 r. wyniesie około 2030 miliardów dolarów.
Jak powinni postępować czołowi gracze zajmujący się półprzewodnikami?
Historia pokazała, że komercjalizacja niektórych technologii zajmuje dużo czasu, ale po wejściu na rynek mogą one szybko przekształcić branże. Z naszego doświadczenia wynika, że firmy, które mają doświadczenie w rzucaniu szerokiej sieci w celu odkrycia kolejnej technologii transformacyjnej, są bardziej przygotowane na przetrwanie zmian w branży.
Obietnica grafenu jest równoważona poważnymi omawianymi wyzwaniami technicznymi i handlowymi, które mogą utrudniać jego zastosowanie jako zamiennika krzemu. Dlatego, oceniając prawdziwy potencjał grafenu, menedżerowie zajmujący się półprzewodnikami powinni stosować ustrukturyzowane podejście do innowacji, aby ocenić swoje możliwości. Rentgen innowacji składa się z dziesięciu pytań z trzech kategorii — strategii innowacji, przełomu technologicznego i praktyk innowacyjnych (Rysunek 6). Odpowiedź na te pytania może pomóc liderom biznesowym w lepszym wyczuciu możliwości ich organizacji podczas dążenia do innowacji i wesprzeć eksplorację różnych scenariuszy z przyjęciem grafenu lub bez niego. Rezultatem jest strategia, która przygotowuje organizacje na radykalne, napędzane technologią zmiany w branży.
Rentgen innowacji składa się z dziesięciu pytań dotyczących turbodoładowania Twojego ustrukturyzowanego podejścia
Po długiej i produktywnej pracy z krzemem, kierownictwo zaczyna zastanawiać się, co może go zastąpić i zapewnić podobną krzywą S innowacji. Właściwości grafenu pobudzały wyobraźnię, ale do tej pory jego fizyczne ograniczenia nie pozwalały mu nazywać go pozornym spadkobiercą krzemu. Najnowsza historia innowacji technologicznych sugeruje, że krajobraz może się szybko zmienić — w związku z tym kierownictwo powinno uznać grafen za poważnego rywala. Niezależnie od ostatecznego wyniku, firmy zajmujące się półprzewodnikami mogą stawić czoła zakłóceniom technologicznym i wyjść na przód, przyjmując sposób myślenia skoncentrowany na ustrukturyzowanych innowacjach. Wymaga tego świat wielu niewiadomych.
Źródło: Grafen: kolejna krzywa S dla półprzewodników? | McKinsey
