Computing
Paggamit ng mga Simulasyon upang Ibalik ang Paggawa ng Chip sa Estados Unidos
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
Bagaman ang mga microchip ay palaging mahalaga para sa makabagong mundo, hindi ito napagtanto ng mga pamahalaan at industriya ang kanilang kritikal na kahalagahan para sa pandaigdigang ekonomiya hanggang sa pagyanig ng supply chain noong 2022. Ang kakulangan ay napakabigat na napilitan ang mga industriya na itigil ang kanilang malalaking linya ng pag‑assemble.
Kaya, bakit napakahalaga ng mga microchip para sa pandaigdigang ekonomiya? Sa madaling salita, ang mga microchip ay gulugod ng modernong industriya ng teknolohiya, mahalaga sa lahat mula sa mga personal na computer, smartphone, kagamitang pangkusina, sasakyan, medikal na aparato, at kahit sa ilang alagang hayop sa bahay para sa layuning pagkakakilanlan.
Ngunit sa kabila ng napakahalagang ito, iilan lamang ang mga bansa na tunay na makagawa ng functional na mga microchip, dahil ang pagsisikap na ito ay humahamon sa hangganan ng precision engineering at teknolohikal na inobasyon. Hindi lamang kapital‑intensibo ang paggawa ng microchip, kailangan din nito ng mga manggagawang may napakaespesyal na kasanayan, kabilang ngunit hindi limitado sa pisika, agham ng materyales, at electrical engineering.
Bukod pa rito, ang mga pasilidad kung saan ginagawa ang mga microchip, na kilala bilang mga fab, ay nangangailangan ng mahigpit na kondisyon sa kapaligiran para sa proseso ng produksyon. Kabilang dito ang pagpapanatili ng tiyak na temperatura at antas ng halumigmig at pag‑minimize ng kontaminasyon hangga’t maaari.
Kahit na matugunan ang ganitong perpektong kondisyon, ang proseso ng paggawa ay binubuo ng maraming hakbang, at bawat hakbang ay kailangang maisakatuparan nang perpekto. Anumang pagkakamali ay maaaring magpalubha sa mga microchip.
Higit pa rito, ang patuloy na pag‑unlad ng teknolohiya ay humihingi ng mas maliliit at mas epektibong mga chip, na nagdadagdag ng pressure sa mga fab. At pag natamo na nila ang paggawa ng isang partikular na henerasyon ng mga microchip, maaaring ito ay lipas na dahil sa kakulangan ng demand.
Ang napakalaking mga balakid na ito ay ginagawang napakahirap ang paggawa ng microchip sa malakihang sukat para sa karamihan ng mga bansa, kahit na sa mga may pinakamalalim na bulsa.
Kahit ang United States, ang pandaigdigang superpower sa teknolohiya at nangunguna sa disenyo ng semiconductor, ay hindi nangunguna sa paggawa ng microchip, dahil ang ninanais na puwesto ay nasa Taiwan. Ito ay bunga ng dekadang pamumuhunan ng Taiwan sa paggawa ng semiconductor at ng presensya ng mga kumpanyang tulad ng Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) (TSM ).
Ipinapakita ng mga komplikasyong ito kung gaano kahirap makamit ang sariling kakayahan pagdating sa mga microchip. Gayunpaman, ayon sa isang kamakailang inilathalang artikulo sa website ng Princeton Plasma Physics Laboratory ng United States Department of Energy, ang kanilang mga siyentista ay nagde‑develop ng mga computer program na makabuluhang magpapabuti sa simulation ng mga plasma process na ginagamit sa paggawa ng microchip.
Ang mga bagong algorithm na ito ay maaaring higitan ang tradisyunal na mga teknik sa simulation pagdating sa katumpakan at kahusayan, pinapabilis ang proseso ng paggawa ng microchip at, sa gayon, tumutulong na ibalik ang paggawa ng chip sa United States.
Isang Dalawahang Lapit
Ang Princeton Plasma Physics Laboratory ay nagsagawa ng dalawang pananaliksik nang sabay, at ang kanilang mga pokus ay nagkaiba sa mga layunin.
- Ang unang pananaliksik ay nakatuon sa pagpapabuti ng katumpakan ng mga simulation na ito.
- Ang ikalawang layunin ng pananaliksik ay pabilisin ang mga takdang oras ng simulation para sa mga plasma reactor na ginagamit sa paggawa ng mga microchip.
Ang Pangangailangan ng Bilis at Katumpakan sa mga Simulation ng Plasma
Ang mga komplikadong pattern na inukit sa silicon wafer upang lumikha ng mga microchip ay karamihan ay ginagawa gamit ang mga plasma reactor. Ang proseso ay nakadepende sa pag‑uugali ng plasma, isang electrically charged na gas na kailangang maingat na kontrolin upang makamit ang ninanais na resulta.
Tradisyonal, ang pagpapasigla ng proseso ng plasma upang hulaan ang mga resulta at pagbutihin ang mga pamamaraan ng produksyon ay isang mabigat at matagal na gawain. Dito pumapasok ang unang pananaliksik ng PPPL. Nilalayon nitong baguhin ang sitwasyong ito sa pamamagitan ng paglikha ng mga computer algorithm na makabuluhang makakapagpababa ng oras na kinakailangan para sa mga simulation na ito.
At nagtagumpay sila rito, dahil nabawasan ng kanilang koponan ang takdang oras ng simulation mula linggo hanggang posibleng araw o kahit oras nang hindi isinasakripisyo ang mahahalagang detalye. Tungkol sa kung paano ito nagawa ng mga siyentista ng PPPL, binisita nila muli ang kasaysayan at pinino ang mga lumang algorithm, partikular ang mga nilikha noong 1980s, upang makamit ang kanilang ninanais na resulta.
Pagtugon sa Katumpakan ng Simulation
Sa kanilang ikalawang linya ng pananaliksik, tinugunan ng koponan ng mga mananaliksik ng PPPL ang problema ng katumpakan ng simulation. Dahil sa komplikadong pag‑uugali ng plasma, ang pagtiyak na ang mga simulation ay malapit na tularan ang mga reaksyon sa totoong mundo ay mahalaga para sa epektibong mga pamamaraan ng paggawa ng microchip. Gayunpaman, ang pangangailangan para sa isang malaking computing na pagsisikap upang tumpak na i‑simulate ang pag‑uugali ng napakaraming plasma particle ay historically napakahirap.
Upang harapin ang isyung ito, pinasimple ng koponan ng pananaliksik ng PPPL ang representasyon ng mga plasma particle sa mga simulation. Sa halip na subukang isaalang‑alang ang bawat particle nang paisa‑isa, nag‑develop sila ng paraan upang pagsamahin ang mga ito sa mas malalaki at mas madaling pamahalaang entidad. Ang pamamaraang ito ay malaki ang nababawasan sa computational burden, na nagreresulta sa mas mabilis at mas madaling ma‑access na mga simulation.
Sa simula, gayunpaman, ang pagsimpleng ito ay nagbabantang mag‑distort ng tunay na dinamika ng pag‑uugali ng plasma, na maaaring magdulot ng hindi gaanong tumpak na prediksyon. Upang malampasan ang balakid na ito, inadjust ng mga mananaliksik ang mga parameter ng simulation, ginagawa ang mga particle cluster na mas malaki at mas hindi gaanong siksik. Ang pagbabago na ito ay nagsisiguro na ang mga prediksyon ng simulation ay nananatiling tama dahil ang mga interaksyon ng particle ay mas malapit na tularan ang mga nasa aktwal na plasma.
Ang maingat na balanse na ito sa pagitan ng katumpakan at pagsimpleng ito ay may malaking potensyal na mapabuti ang mga proseso ng paggawa ng microchip.
Isang Tagapagpasigla ng Pagbabago
Ang pananaliksik ng PPPL ay may kahalagahan lampas sa teknikal na larangan, dahil nagdadala ito ng implikasyon sa estratehikong dinamika ng pandaigdigang merkado ng semiconductor, lalo na para sa United States. Sa huli, ang pagtuklas na ito ay may potensyal na muling tukuyin ang tanawin ng paggawa ng microchip sa buong US sa pamamagitan ng pagbibigay ng mga kasangkapan na maaaring magpababa ng oras at gastos na kaugnay ng produksyon ng microchip. Ang kakayahang mabilis na mag‑adapt at pagbutihin ang mga proseso ng produksyon ay mahalaga sa isang industriya kung saan ang pamumuno sa merkado ay madalas nakasalalay sa bilis ng inobasyon.
Higit pa rito, ang pagkakaroon ng mga advanced na tool sa simulation ay maaaring mag‑level the playing field sa pamamagitan ng pagpapahintulot sa mga startup at maliliit na negosyo sa US na makipagkumpetensya nang mas epektibo laban sa mga itinatag na pandaigdigang higante. Maaaring mag‑pasiklab ito ng alon ng inobasyon sa loob ng sektor ng semiconductor sa Amerika habang mas maraming kumpanya ang pumapasok sa merkado at nagdadala ng mga bagong ideya at metodolohiya para sa pagdidisenyo at paggawa ng mga microchip.
Pagpapatibay ng Seguridad ng Bansa at Resilience ng Ekonomiya
Ang kasalukuyang mga kaguluhan sa mundo at mga tensyon sa geopolitika ay nagpadama ng kahinaan sa mga supply chain. Ang pag‑asa sa ibang bansa para sa mahahalagang komponent tulad ng mga microchip ay nagdudulot ng panganib sa bansa. Napagtanto ng US ang lawak ng panganib na ito noong 2022 semiconductor supply shock, na nag‑konklud na anumang pagkaantala sa suplay ng microchip ay maaaring malubhang makaapekto sa pandaigdigang dominasyon ng industriya ng teknolohiya ng US.
Ang pag-aaral ng PPPL ay kaayon ng mas malawak na inisyatiba ng pamahalaan, tulad ng ang CHIPS Act, na naglalayong ibalik ang dominasyon ng Amerika sa industriya ng semiconductor. Ipinasa noong Agosto 9, 2022, bilang CHIPS and Science Act, naglaan ito ng halos $280 bilyon na pondo upang palakasin ang domestic na paggawa ng semiconductor at bawasan ang pag‑asa sa mga banyagang pinagmulan. Ang pondo ay sumusuporta sa pananaliksik at pag‑unlad, mga insentibo sa domestic manufacturing, at mga hakbang para patatagin ang supply chain.
Ang paglipat tungo sa pagtiyak at muling pagpapasigla ng ating kakayahan sa semiconductor ay hindi lamang tungkol sa pagpapanatili ng resilience ng ekonomiya at seguridad ng bansa; ito rin ay isang mahalagang hakbang sa pag‑handa para sa susunod na rebolusyon sa paggawa at teknolohiya—Industry 4.0.
Pagbuo ng Susing Haligi para sa Industry 4.0
Nakikita ng IBM ang Industry 4.0 bilang isang konsepto kung saan ang matalinong paggawa ay magkakaroon ng mahalagang papel. Sa ibang salita, layunin ng Industry 4.0 na digital na baguhin ang larangan ng paggawa, kung saan ang mga desisyon ay ibibigay nang real‑time, pinapabuti ang produktibidad upang matamo ang panghuling layunin na gawing pinakamainam na flexible at agile ang proseso ng produksyon at distribusyon.
Para ang United States ay maging lider sa Industry 4.0, ang mga microchip ay higit pa sa kinakailangan. Ipinakita na ng pag-aaral ng Goldman Sachs (GS ) na ang kakulangan sa mga microchip ay maaaring makaapekto sa hanggang 169 na industriya, kabilang ang med‑tech, makinarya sa agrikultura, consumer electronics, enerhiya at enterprise. Noong 2021, halimbawa, ang kilalang kumpanya ng kotse na Renault ay hindi nakagawa ng hanggang 500,000 kotse dahil sa kakulangan ng mga microchip.
Ang kahinaan na ito ay nagbubunyag ng kritikal na kalikasan ng isyu, dahil ang pagtaas ng pag‑asa sa Taiwan, tulad ng nabanggit kanina, ay maaaring magdulot ng biglaang pagkaantala sa supply chain, gaya ng nangyari noong pandemya ng COVID-19, na magreresulta sa ganap na pagbagsak ng sistema.
Ang Hinaharap ng United States sa Produksyon ng Microchip
Ang United States ay malinaw na nakapagtanto kung gaano kahalaga ang mga microchip para sa isang matatag at sariling kakayahang pang‑ekonomiyang hinaharap. Ang pagkakatanto na ito ay nagdala sa bansa upang hikayatin ang mga sistema kung saan ang resulta ay mga best‑in‑class na microchip.
Ang George Washington University at apat pang kasamang akademikong pananaliksik, halimbawa, ay nakipagtulungan sa National Institute for Standards and Technology ng United States Department of Commerce, Google, at ang semiconductor manufacturer na SkyWater Technology (SKYT ) upang bumuo ng isang ‘domestic, affordable suplay ng ganitong mga microchip para sa mga mananaliksik at startup.
Layunin ng kolaborasyong ito na gumawa ng silicon wafer na maglalaman ng daan‑daang microchip para sa pamamahagi sa komunidad. Magkakaroon ang mga mananaliksik ng access sa isang pre‑planarized chip platform, na ‘angkop para sa integrasyon at para sa benchmarking ng performance ng kanilang mga bagong device laban sa iba pang device mula sa komunidad.’
Ayon kay Gina Adam, assistant professor sa Electrical and Computer Engineering Department sa GW’s School of Engineering and Applied Science, ang pakikipagtulungan ay magbibigay ng:
“Ang research infrastructure na kinakailangan upang magdala ng mga pag‑unlad sa larangan ng nanotechnology at mga semiconductor device, partikular habang ang United States ay naglilipat ng estratehikong pokus patungo sa reshoring ng produksyon ng microchip.”
Upang palakasin ang domestic na produksyon ng microchip, inanunsyo ng pamahalaan ng United States ang kanilang plano na mamuhunan ng halos US$162 milyon sa Microchip Technology (MCHP ) na nakabase sa Arizona. Ang kolaborasyon sa pagitan ng negosyo, pamahalaan ng US, at kumpanya ay sa anyo ng isang non‑binding preliminary memorandum of terms (PMT) agreement.
Magbibigay ang pamahalaan ng US ng milyun‑milyong dolyar sa ‘federal incentives,’ na ilalaan sa dalawang daloy: US$90 milyon ay gagamitin sa modernisasyon at pagpapalawak ng pasilidad ng kumpanya sa Colorado Springs, at ang natitirang US$72 milyon ay ilalaan sa pagpapalawak ng pasilidad ng kumpanya sa Gresham, Oregon.
Isang katulad na pondo na US$35 milyon ay naibigay dati sa BAE Systems (BSP.DE ) Electronic Systems, isang business unit ng BAE Systems, Inc. Ang layunin ay suportahan ang modernisasyon ng Microelectronics Center ng kumpanya.
Sa kabuuan, ang United States ay naging malinaw na aktibo, kapwa sa antas ng patakaran at pagpapatupad, upang hikayatin ang produksyon ng microchip sa bansa. At mayroon itong lahat ng dahilan upang maging aktibo nang may ganitong lakas at intensidad. Hindi lamang mahalaga na mapanatiling maayos ang mga linya ng suplay ng mga computer, smartphone, at kotse. Tulad ng ating nakita, ang presensya ng mga microchip ay maaaring magpalakas ng mga mekanismo ng seguridad ng bansa at mga estruktura ng cybersecurity.
Ang 360‑degree na lapit ng mga awtoridad ng US ay isinasaalang‑alang ang pangangailangan na mag‑insentibo sa paggawa, hikayatin ang pananaliksik at pag‑unlad, paunlarin ang isang sinanay na puwersa ng paggawa, at patatagin ang mga aktibidad na may kaugnayan sa internasyonal na seguridad ng impormasyon at komunikasyon teknolohiya at supply chain ng semiconductor.
Ang bilyong dolyar na handang ilaan ng mga awtoridad ng US sa paggawa ng Microchip na maging masiglang domestic na negosyo ay nakahikayat din ng mga pandaigdigang manlalaro.
Halimbawa, ang pinakamalaking at pinakamahalagang manlalaro sa mapa, ang Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), ay nag‑commit ng higit sa US$12 bilyon para sa pagtatayo ng semiconductor fabrication plant sa Arizona. May plano ang Intel (INTC ) na magtayo ng US$20 bilyong semiconductor manufacturing plant sa Ohio. Ang Micron Technology, Inc. (MU ) ay may mas ambisyosong plano, na nagmumungkahi ng pag‑invest ng hanggang US$100 bilyon sa susunod na dalawang dekada upang magtayo ng isang napakalaking semiconductor factory sa upstate New York.
Sa lahat ng inisyatiba at plano ng aksyon na ito, walang dahilan kung bakit dapat mahuli ang United States sa karera para sa produksyon ng microchip. Gayunpaman, upang makipagkumpetensya sa mga bansa sa Silangang Asya na kumokontrol ng halos tatlong‑kapat ng pandaigdigang modernong paggawa ng chip, kailangang magtayo ang United States ng matibay na talent at supply chain pipeline. Kailangan din nitong maging mulat sa demand upang maprotektahan laban sa panganib ng overcapacity at labis na suplay. Dapat ding manatiling nakatuon sa pag‑priyoridad ng paggawa ng tamang uri ng mga chip.
Ayon kay Scott Kenedy, isang senior adviser sa Center for Strategic and International Studies:
“Kailangan ng US na palawakin ang produksyon ng chip para sa isang tiyak na uri ng mga chip na direktang may kaugnayan sa pambansang seguridad ng Amerika.”
Kung magtatagumpay ang US na dagdagan ang paggawa ng microchip at gawin ito sa tamang optimal na paraan ay isang bagay na kailangang bantayan natin.
