Tytuł oryginalny: The Everything Blueprint: Processing Power, Politics, and the Microchip Design that Conquered the World

Przekład: Wojciech Pędzich

Redakcja:  Ilona Kisiel

Korekta: Maria Żółcińska

Projekt okładki: Katarzyna Konior | studio.bluemango.pl

Skład i łamanie: Amadeusz Targoński | targonski.pl

Opracowanie e-wydania:

Copyright © James Ashton 2023

The right of James Ashton to be identified as the Author of the Work has been asserted by him in accordance with the Copyright, Designs and Patents Act 1988.

All rights reserved

Copyright © 2024 for this Polish edition by Poltext Sp. z o.o.

All rights reserved

Copyright © 2024 for this Polish translation by Poltext Sp. z o.o.

All rights reserved

Warszawa 2024

Wydanie pierwsze

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując ją, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo!

Polska Izba Książki

Więcej o prawie autorskim na www.legalnakultura.pl

Zezwalamy na udostępnianie okładki w internecie.

Poltext Sp. z o.o.

wydawnictwoprzeswity.pl

handlowy@mtbiznes.pl

ISBN 978-83-8175-608-2 (format epub)

ISBN 978-83-8175-609-9 (format mobi)

Spis treści

1. Okładka

2. Strona tytułowa

3. Strona redakcyjna

4. Spis treści

5. Dedykacja

6. Przedmowa

7. Rozdział 1. Wszystko i wszędzie: Jak układy scalone przejęły świat

8. Rozdział 2. Nieco historii: Dziwaczna para rusza w świat

9. Część pierwsza. ARM (1985–2000)

1. Rozdział 3. Od malutkiego Acorna ku projektowi przyszłości

2. Rozdział 4. Trzynastu ludzi w stodole

3. Rozdział 5. Szalony telefon Nokii ustanawia standard

4. Rozdział 6. Arm zarabia, Apple inkasuje

5. Rozdział 7. Ruszamy na podbój świata: Jak Azjaci stworzyli współczesny przemysł układów scalonych

10. Część druga. ARM (2001–2016)

1. Rozdział 8. Intel Inside: Mobilizacja potęgi komputeryzacji

2. Rozdział 9. Space Invaders i wyścig do iPhone’a

3. Rozdział 10. Wizja na 300 lat, przejęcie w 64 dni

4. Rozdział 11. Skala globalna: Chiny wyciągają asa z rękawa

11. Część trzecia. Arm (2017–2021)

1. Rozdział 12. Big Data i poruszanie się wśród gigantów

2. Rozdział 13. Wszechświat równoległy Nvidii

3. Rozdział 14. Ryzyko RISC-V

4. Rozdział 15. Na podbój świata: Obywatel wydaje jak szalony

12. Część czwarta. ARM (2022–)

1. Rozdział 16. Zawsze włączeni

13. Słowniczek

14. Podziękowania

Punkty orientacyjne

1. Okładka

2. Strona tytułowa

3. Strona redakcyjna

4. Spis treści

5. Dedykacja

6. Przypisy

Dla Mamy i Taty na jak najlepszy początek

Przedmowa

Pisząc tę książkę, wykazałem się niepohamowaną wręcz chciwością wiedzy. W poszukiwaniu największej historii biznesu, która osadzona byłaby w Wielkiej Brytanii, gdzie mieszkam, ale odnosiłaby się do całego świata, szybko zdecydowałem się na historię układów scalonych, nawet przed nadejściem dla tego rynku w roku 2021 trudnych czasów, które wywindowały temat niedoborów elektroniki na pierwsze strony gazet.

To opowieść, w której znajdziecie wszystko: błyskotliwą naukę, niestrudzoną przedsiębiorczość, gigantyczne rywalizacje, wielkie ryzyko i zwroty finansowe czy technologię, która zachwyca konsumentów, napędzając politykom stracha.

Idealnym sposobem opowiedzenia tej historii było wyjście od Armu[I], młodej firmy – jak na standardy brytyjskie – której układy scalone, pobierające niewielkie ilości mocy i niewiele kosztujące, znalazły się w milionach urządzeń i pomogły dokonać postępu w wielu gałęziach przemysłu.

Pamiętam, jak podczas zbierania materiałów spotkałem się z Larrym Page’em, współzałożycielem Google’a. Pisywałem wtedy dla Sunday Timesa. Przyrównał on wtedy swoją firmę, której głównym produktem była wyszukiwarka internetowa, do firmy produkującej szczoteczki do zębów. W poszukiwaniu kolejnych innowacji Page dążył do stworzenia czegoś prostego, czego ludzie używaliby codziennie i co codziennie przynosiłoby mu nieco dochodu, podobnie jak udało mu się przekuć w pieniądz klikalne reklamy.

Wszędobylskość Google’a i jego dominująca pozycja na rynku dzięki miliardom wyszukiwań dokonywanych przez serwery firmy każdego dnia jest w pewnym sensie równoległa z opowieścią o firmie Arm, która również opracowała coś aż nazbyt użytecznego, zbyt niezawodnego i aż nadto taniego, by użytkownikom chciało się szukać alternatyw.

Jeśli rynek brytyjski poszukuje liderów technologicznych, którzy wywodzą się z krajowego rynku, pouczające jest odkrycie, że jedna firma jednocześnie dostarcza swoje towary i usługi dla firm Apple, Amazon, Samsung, Qualcomm[II], Alphabet, Huawei, Alibaba, Meta i Tesla – które są nowoczesnymi tytanami przemysłu i które często i ostro ze sobą rywalizują.

W coraz bardziej upolitycznionym przemyśle, gdzie rządy wydają miliardy dolarów tylko po to, by pozyskać jakąkolwiek część łańcucha dostaw układów scalonych, ważne jest, by zrozumieć, jak firmie Arm udało się odnieść sukces ze wsparciem niewiele przekraczającym zyski z początku lat 80. XX wieku, kiedy to rząd brytyjski sponsorował działania przeciwdziałające analfabetyzmowi cyfrowemu. Arm odnalazł się w warunkach przemysłowych napędzanych paradoksami, gdzie równolegle do ogromnej współpracy toczą się równie wielkie sprawy sądowe. Nieważne, jak bardzo logiczny i poukładany jest przemysł komputerowy. Sukces jest i tak zależny od wręcz fanatycznego pozycjonowania jednej technologii w stosunku do innych, od magii marketingu, wyprzedzenia oczekiwań klientów, a także od… odrobiny szczęścia.

Książka pokazuje korporacyjny darwinizm na przestrzeni dekad. Traktuje o tym, jak firma IBM przechwyciła rynek komputerów osobistych w latach 80. XX wieku, choć prawdziwym wygranym był tu Intel; jak Nokia wyprzedziła w latach 90. Ericssona i Motorolę w popularyzacji telefonów komórkowych; jak wszystkie te firmy zostały zdetronizowane na początku nowego tysiąclecia przez Apple’a, Samsunga i Huaweia; jak Amazon w drugiej dekadzie XXI wieku zdominował rynek przetwarzania danych w chmurze, i o tym, jak Arm wysunął się na czoło rywalizacji na rynku układów scalonych i odniósł sukces. Na prawie każdym etapie odpowiedź na pytanie jak? należy do małych komponentów wykorzystywanych przez te wszystkie firmy, osadzonych w ich urządzeniach i wykonujących zaprogramowane zadania.

Historię Armu opisuję w trzech aktach. Pierwszy to opis powstawania technologii firmy, jej komercjalizacji i istotnej roli w rewolucji telefonii komórkowej, do której były tworzone jej układy. Drugi to historia dywersyfikacji Armu, przejścia od prostych telefonów do smartfonów, o sukcesie, który wywołał ostrą odpowiedź ze strony konkurencyjnego amerykańskiego giganta mikroprocesorowego, Intela, o ofercie japońskiego inwestora, SoftBanku, której Arm nie mógł odrzucić. Trzeci to tworzenie nowego rynku w obszarze czujników pobierających niskie ilości energii i centrów danych, jak też nawigacja po burzliwych morzach, które są miejscem przenikania owych rozwiązań do każdej strefy życia.

W historii nie brak nawiązań do długoletnich związków Armu z Apple’em, które rozpoczęły się podczas 11-letniej nieobecności Steve’a Jobsa w drugiej z tych firm, kiedy to doszło do powstania Armu i odniesienia przez tę firmę wielkiego sukcesu (co wzbudziło w SoftBanku ogromne pożądanie jej posiadania), jak też do powrotu Apple’a do stanu stabilności finansowej i przemiany firmy pod rządami Jobsa z producenta komputerów w lidera elektroniki.

Oto zakres rynku układów scalonych: niektóre rozdziały odchodzą od historii samego Armu, dając więcej kontekstu: historii pojawienia się chipów w USA, szybkiego przeniesienia produkcji do Azji, poszukiwań samowystarczalności w dziedzinie układów scalonych przez Chiny i dążeń USA do zahamowania tych poszukiwań, żądzy wielu krajów, by samemu produkować układy scalone.

Z uwagi na swoją nieodzowność w tym ekosystemie szacunek należy się jeszcze dwóm firmom. Najbardziej skomplikowane układy scalone świata produkowane są przez firmę Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), bez której zarówno chiński, jak i amerykański przemysł elektroniczny nie miałyby się tak dobrze. Zawiłe ścieżki są nanoszone na wafle krzemowe na maszynach produkcji holenderskiej firmy ASML, która przez dekady nie dawała się amerykańskim i japońskim konkurentom, dążąc do pozycji niekwestionowanego lidera rynku. Obie te firmy są na celowniku rywali w walce o dominację w świecie półprzewodników toczoną między Chinami a Stanami Zjednoczonymi.

Pisząc tę opowieść, sam czasami czułem się jak producent chipów, analizując zawiłe plany i umieszczając jeszcze więcej informacji we względnie niewielkiej przestrzeni. Opowiadam w laicki sposób skomplikowaną historię i geografię, szanując naukę, acz starając się nie być nią zaślepiony. Mam nadzieję, że książka zawiera akurat tyle żargonu technicznego, ile trzeba, nie spowalniając narracji i nie zawężając pola widzenia na wspaniałość tego, co urzeczywistniły półprzewodniki.

W gąszczu elektronów i magicznych machin odkryłem przede wszystkim, że historia układów scalonych jest historią ludzi. Żyjemy w epoce rozkwitu sztucznej inteligencji, która pozwala odczuć już ten punkt na linii historii, w którym komputery wyprzedzą ludzi. Jednak nadal innowacyjność pozostaje cechą ludzką, razem z takimi wartościami jak zaufanie, szacunek i nierzadko przyjaźń. Idee stojące za kolejnym przełomem będą tak samo płynne, jak poprzednio: będą współdzielone, kradzione, poszerzane przez kolegów i rywali, obojętnie kto – i gdzie – będzie je wdrażać.

Ludzie, którzy nie słyszą, że pewne rzeczy są niewykonalne, nadal mają wkład w ogromny rozwój, dzięki któremu zyskuje cały świat. W Armie i poza nim nie wolno im przeszkadzać.

James Ashton

Styczeń 2023

Rozdział 1 Wszystko i wszędzie: Jak układy scalone przejęły świat

Krzemowa otoczka

Było około 22.45 czasu lokalnego 2 sierpnia 2022 roku. Boeing C-40C właśnie wylądował na pasie lotniska Songshan w stolicy Tajwanu, Tajpej.

Samolot sił powietrznych Stanów Zjednoczonych jakieś cztery godziny wcześniej wystartował z Kuala Lumpur w Malezji i leciał okrężną trasą w kierunku indonezyjskiej części Borneo, a później skręcił na północ, zahaczając o wschodnie rejony Filipin. Był śledzony przez wiele par oczu. Flightradar24, strona śledząca ruch samolotów, zarejestrowała 2,9 miliona sprawdzeń statusu samolotu w trakcie tej podróży, co czyniło go jednym z najbaczniej obserwowanych lotów w historii. Większość osób, które patrzyły na trasę lotu, dokładnie wiedziała, dlaczego pilot zdecydował się nie podążać najbardziej logiczną ścieżką nad Morzem Południowochińskim.

Wkraczając w noc, starsza kobieta ubrana w różowy kostium, z maseczką na twarzy, chwyciła za poręcze, zręcznie schodząc na pas. Nancy Pelosi, spikerka[III] Izby Reprezentantów Stanów Zjednoczonych, jak też trzecia polityk pod względem dzierżonej w Stanach Zjednoczonych władzy, została tam powitana przez Josepha Wu, ministra spraw zagranicznych Tajwanu, oraz przedstawicielkę USA w Tajwanie, Sandrę Oudkirk.

Przybycie Pelosi miało ogromne znaczenie. W oczekiwaniu na lądowanie hongkoński indeks giełdowy Hang Seng spadł o 2,5 procent, chiński Shanghai Composite o 2,3 procent, a oprocentowanie 10-letnich obligacji skarbowych USA zanotowało rekordowo niską wartość[IV].

W ciągu poprzednich 25 lat nie odbyła się żadna tak doniosła wizyta amerykańskiego przedstawiciela na Tajwanie, uznawanym przez Chiny za swoje terytorium. W myśli zasad mówiących o „jednych Chinach” rząd w Waszyngtonie ostrożnie odnosił się do Pekinu, który uznaje, że istnieje tylko jeden rząd chiński, jak też nie utrzymywał stosunków dyplomatycznych z Tajwanem, choć kontakty nieoficjalne i „strategiczne wieloznaczności” pozwalały mu dostarczać na Tajwan broń, jak też milcząco udzielać pomocy w sytuacjach nadzwyczajnych[V].

Status quo jednak zaczęło się chwiać. Prezydent Chin, Xi Jinping, oświadczył, że ponowne zjednoczenie z Tajwanem „musi się dokonać” i ostrzegł prezydenta USA, Joe Bidena, przed przekraczaniem pewnych granic, informując go podczas rozmowy telefonicznej, że „kto mieczem wojuje, ten od miecza ginie”. W dniach poprzedzających oczekiwaną wizytę Pelosi Chiny wysłały w okolice linii mediany, nieoficjalnej granicy wodnej między Chinami a Tajwanem, okręty bojowe i samoloty, a w głębi lądu zmobilizowano wojsko uzbrojone w czołgi.

Niezrażona Pelosi podczas swojej serii krótkich wizyt w rejonie potwierdziła niezachwiane zaangażowanie USA w zachowanie demokracji w Tajwanie, jak też na całym świecie[1].

W całej tej sytuacji występowało nie tylko napięcie natury politycznej, ale towarzyszyło mu też wysokie ryzyko gospodarcze. Na przestrzeni lat wzrostowi potęgi militarnej Chin dorównał jedynie poziom produkcji najbardziej wartościowych towarów XXI wieku: układów scalonych w Tajwanie.

Geopolityczne awantury lat wcześniejszych wynikały z dążenia do przejęcia kontroli nad obszarami bogatymi w zasoby lub z pobudek religijnych. W erze cyfrowej nową pożądaną zdobyczą stały się wafle krzemowe napędzające najnowsze bronie, jak też smartfony, samochody czy sprzęt medyczny, który nabrał całkowicie nowego znaczenia w trakcie pandemii COVID-19.

W niecałe dwa pokolenia wyspa o powierzchni niewiele przekraczającej stan Maryland i niecałe dwa razy powierzchnię Walii[VI] produkowała 92 procent światowej liczby najbardziej zaawansowanych układów elektronicznych. Takie układy wytwarza się aktualnie w procesie technologicznym o skali co najwyżej 10 nanometrów[2] – taka jest przestrzeń pomiędzy dwoma tranzystorami w układzie; stanowi ona czterokrotność szerokości łańcucha ludzkiego DNA. Pozostałe 8 procent to produkcja południowokoreańska. Ani USA, które wynalazły układy scalone dziesięciolecia temu, ani Chiny, szukające w swoich działaniach niezależności od USA, nie byłyby w stanie poradzić sobie bez Tajwanu dostarczającego układy scalone do budowanych na ich terenach urządzeń, kupowanych później przez firmy i odbiorców prywatnych.

Jak ściśle powiązane były ze sobą te dwie strony, ilustruje taka zależność: Chiny kupowały około 60 procent światowej produkcji układów elektronicznych, z czego połowa opuszczała kraj w gotowych produktach. Wiele z tych produktów trafiało do Stanów Zjednoczonych w ramach ustanowionych w lepszych czasach łańcuchów dostaw.

Wszystko to uzasadnia, dlaczego Pelosi zasiadła do wspólnego lunchu z prezydentem Tajwanu Tsai Ing-wenem, prezesem Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) Markiem Liu oraz legendarnym założycielem firmy Morrisem Changiem.

TSMC było największym światowym producentem kontraktowym układów scalonych, wytwarzało układy według specyfikacji klientów, samo ich jednak nie opracowywało. W 2021 roku firma produkowała 12 302 różne modele układów, stosując 291 technologii produkcyjnych dla 535 nabywców. Największym klientem, jak sądzono, był Apple, odpowiedzialny za jedną czwartą produkcji TSMC i instalujące jego układy w iPhone’ach, iPadach i zegarkach, ale TSMC dostarczało swoje produkty również do największych potentatów elektroniki: Qualcommu, Nvidii, NXP, Advanced Micro Devices (AMD) czy Intela – z kolei dostarczających chipy do samochodów czy konsol gier wideo. TSMC produkowało również układy dla amerykańskiego sprzętu wojskowego. Mówiono o dostawach m.in. na potrzeby budowy myśliwców F-35 i pocisków Javelin.

W przeszłości strategiczne znaczenie TSMC uznawano za pewien rodzaj „krzemowej tarczy”, wystarczającej do zapewnienia Tajwanowi skutecznego wsparcia ze strony USA i ochrony przed chińską inwazją. Eksperci spoza świata wojskowości uważali jednak zgoła inaczej. Wojna pomiędzy USA a Chinami mogła przynieść wielkie zniszczenie, doprowadzając do napisania nowego porządku świata. Zamknięcie fabryk układów scalonych w Tajwanie załamałoby też światową gospodarkę. Co więcej, oba scenariusze były prawdopodobne.

Większość fabryk TSMC znajdowała się bezpośrednio na linii ognia. Zlokalizowane w parku technologicznym Hsinchu Science Park na zachodnim wybrzeżu Tajwanu, wręcz z widokiem na Chiny, były położone bardzo blisko tak zwanych czerwonych plaż, nazwanych tak, gdyż były prawdopodobnym miejscem desantu sił chińskich.

Jeśli jednak Chiny dokonałyby inwazji, wcale nie było powiedziane, że przejęłyby fabryki w stanie nienaruszonym. A nawet gdyby się tak stało, obsługa linii produkcyjnych nie polegała na prostym naciśnięciu włącznika. Do tego potrzeba było tajwańskiej wiedzy i tysięcy inżynierów wsparcia procesu rozsianych po całym świecie i komunikujących się zdalnie z personelem fabryk w Tajwanie, często poprzez rzeczywistość rozszerzoną. Liu ostrzegał, że inwazja przyniosłaby ze sobą „zniszczenie porządku świata opartego na zasadach” i spowodowałaby, że fabryki staną się bezużyteczne[3]. W przypadku mało prawdopodobnego scenariusza, w którym udałoby się stronie chińskiej utrzymać produkcję, zostałaby ona szybko pozbawiona połączeń z resztą światowego łańcucha dostaw.

„Jak więc rozwiązać tę sytuację? – pytał Liu. – Prosto. Tajwan musi być bezpieczny. Jeśli tego nie zrobicie, ponowne dotarcie do punktu wyjścia zajmie dziesięć, piętnaście lat i pochłonie setki miliardów dolarów”.

Na rok przed wizytą Pelosi Malcolm Penn, weteran analityki rynku układów scalonych, opisał katastrofalne skutki potencjalnego ataku Chin na Tajwan. „Zapasy układów scalonych szybko się wyczerpią, a linie produkcji sprzętu na całym świecie zostaną zatrzymane w ciągu tygodni, może nawet dni – napisał w raporcie FutureHorizons. – Prawie natychmiastowy wpływ na handel i gospodarkę globalną będzie o całe rzędy wielkości większy niż upadek banku Lehman Brothers z 2008 roku czy covidowe lockdowny z 2020 roku”[4].

Hufnal na miarę XXI wieku

Jest Święto Dziękczynienia 2021 roku, wczesne godziny poranne. Kolejka pod sklepem GameStop przy Murphy Canyon w San Diego ciągnie się już nawet na parking. Wielu sprzedawców zdecydowało się nie otwierać swoich sklepów w ten świąteczny dzień, ale ten akurat miał dobry powód do otwarcia.

Z przodu kolejki, w zielonej czapce, czarnym T-shircie, z kolczykiem w nosie stoi Joland Harper. Już od 6.00 rano. „Mam przekąski, mam parasol, wygodne krzesełko, więc jestem przygotowany na oczekiwanie” – powiedział z uśmiechem reporterowi stacji CBS[5].

Harper i ludzie z tłumu za jego plecami wstali tego jasnego i chłodnego dnia, by zjawić się przed sklepem z jednego powodu. Pojawiły się plotki, jakoby GameStop otrzymał dostawę 24 sztuk konsoli Sony PlayStation 5, gadżetu, którego każdy pożądał i który był trudny do zdobycia od jego premiery w Święto Dziękczynienia roku poprzedniego.

Klienci przyzwyczajeni do natychmiastowej gratyfikacji płynącej z zamawiania towarów online z dostawą do domu podjęli tym razem znaczny wysiłek, by zlokalizować upragnioną konsolę. Ci, którzy z niechęcią patrzyli na sklepy stacjonarne, ustawiali się grzecznie w kolejce. Konto @PS5StockAlerts na Twitterze, na którym informowano o dostawach, miało milion obserwujących. W zwykle spokojnym centrum handlowym w Tokio klienci spieszący po konsole spowodowali swoim zachowaniem pojawienie się patrolu policji w celu przywrócenia porządku.

Przyczyny niedogodności trudno było zrozumieć. Globalny niedobór układów scalonych – pozornie mało znaczącego acz niezbędnego komponentu konsol, jak też wielu innych urządzeń – niweczył plany produkcyjne i opróżniał zapasy magazynów na całym świecie. W wielu przypadkach brak jednego niezbędnego chipa, mogącego kosztować niecałego dolara, zatrzymywał sprzedaż urządzeń o wartości tysięcy dolarów za sztukę.

Popyt wzrastał miarowo przez ostatnią dekadę, w miarę jak każdy produkt zawierał coraz więcej układów scalonych. Wystrzelił jednak ostro w górę po tym, jak zmienione lockdownem życie wywołało zapotrzebowanie na kolejne urządzenia elektroniczne niezbędne w pracy i zabawie. Podaż wyhamowała, gdy fabryki układów scalonych zmniejszyły produkcję, szczególnie w końcowych stadiach produkcji, takich jak pakowanie i testowanie, które wymagały dużych nakładów pracy ludzkiej.

Problem był wszechobecny. Pomiędzy styczniem a październikiem 2021 roku czas realizacji zamówienia na układy scalone – czyli okres od momentu złożenia zamówienia na półprzewodnik do dostawy – wzrósł z 14 do 22 tygodni, jak podawała Susquehanna Financial Group. Czas oczekiwania na specjalizowane komponenty był jeszcze dłuższy[6].

Cały ambaras przypomniał światu, jak strategicznie istotne były dostawy układów scalonych, jak bardzo cały przemysł był zależny od niewielu kluczowych graczy, jak mało buforów ustanowiono w całym systemie produkcji, jak – w końcu – wysokie były koszty wejścia dla nowych uczestników. Przebywające przez wiele lat poza zasięgiem radarów opinii publicznej firmy opracowujące i produkujące układy scalone, jak też dostawcy sprzętu do tych procesów, zostały nagle wywindowane na pierwsze strony gazet, podobnie jak pewne firmy trafiły tam w latach 70., gdy kryzys na rynku ropy naftowej skierował na siebie i na swoje praktyki kolektywne oko opinii publicznej. Powodów wizyty Nancy Pelosi w Tajwanie było kilka, acz jednym z nich zdecydowanie było zapewnienie amerykańskich konsumentów, takich jak Harper, że nigdy już nie będą musieli stać w kolejkach.

W lipcu 2021 roku Sony odtrąbiło fakt sprzedania dziesięciu milionów egzemplarzy konsoli PS5 o kilka tygodni szybciej, niż było to w przypadku poprzedniczki, konsoli PS4, ale japoński gigant elektroniki użytkowej mógł sprzedać swoich urządzeń znacznie więcej, gdyby tylko dał radę sprostać popytowi.

„Nadal stoimy w obliczu wielu wyzwań na całym świecie, wpływających zarówno na nas, jak i innych uczestników rynku, ale poprawa poziomów zapasów jest wciąż naszym czołowym priorytetem” – mówił Jim Ryan, dyrektor generalny Sony Interactive Entertainment[7]. Do marca 2022 roku Sony sprzedało 19,3 miliona konsol, jakieś 3,3 miliona poniżej spodziewanych.

Przemysł samochodowy, który zmniejszył zamówienia na układy scalone, oczekując spowolnienia sprzedaży, starał się sprostać popytowi i poczuł naciski reszty rynku, która przejęła podaż. Przeciętny samochód zawiera do trzech tysięcy układów scalonych odpowiadających za wszystko – od systemów hamulcowych po pokładowy zestaw rozrywkowy – więc liderzy rynku auto-moto musieli ograniczyć zmiany i wysłać ludzi na urlopy. Pozyskiwane układy scalone montowano w samochodach przynoszących większe zyski, ale i to nie zadowalało członka rady nadzorczej Volkswagena Herberta Diessa, który stwierdził, że grupa, w skład której wchodziły Audi, Lamborghini, Seat i Skoda, działa w trybie kryzysowym[8].

We wrześniu 2021 roku firma konsultingowa AlixPartners szacowała, że niedobory układów scalonych kosztować będą światowy biznes 210 miliardów dolarów w utraconych przychodach i że wyprodukowanych zostanie o 7,7 miliona mniej samochodów, niż zakładano; w maju tego samego roku szacunki wynosiły odpowiednio 110 miliardów dolarów i 3,9 miliona aut[9]. Rynek samochodów używanych odpowiedział wzrostem cen.

Zależność przemysłu od układów scalonych miała się tylko pogłębić. Do roku 2030, jak twierdził Deloitte w swoim raporcie, około 45 procent kosztów produkcji samochodu miała pochłaniać elektronika, co stanowiło wzrost z 18 procent w roku 2000. W tym samym czasie koszt komponentów półprzewodnikowych wykorzystywanych w elektronice samochodowej miałby wzrosnąć czterokrotnie, do 600 dolarów[10].

Niedobory chipów wywołały wyścigi wśród krajów, firm i graczy przemysłu, zajmujących upatrzone pozycje i skupujących co się da w ilościach przewyższających potrzeby. Uczestnicy niszowych acz istotnych gałęzi przemysłu uciekali się do publicznego proszenia o wsparcie. „Z uwagi na naglące potrzeby przemysłu medycznego, do pokrycia których wystarczy jeden procent wyprodukowanych chipów, wzywamy do priorytetyzacji dostaw układów scalonych tak, by dało się utrzymać dzisiejsze zapotrzebowania produkcyjne” – pisał w czerwcu 2022 roku Frans van Houten, dyrektor wykonawczy holenderskiego Philipsa[11].

Kryzys zmienił obecne postrzeganie wykorzystywania układów scalonych i przeniósł je na bezpieczeństwo dostaw na kolejne lata. Zamiast odtwórczo wykonywać zaprogramowane dla nich zadania, najbardziej zaawansowane układy scalone przeniosły się do dziedziny sztucznej inteligencji, przetwarzającej strumienie danych i podejmującej decyzje szybciej, niż zrobiłby to jakikolwiek człowiek.

W 2005 roku futurysta Ray Kurzweil przewidział w swojej książce Nadchodzi osobliwość[VII], że właśnie osobliwość (ang. singularity), czyli punkt, w którym zdolności komputerów przewyższą potencjał ludzkiego umysłu, nastąpi w 2045 roku. Eksperci od czasu pojawienia się teorii Kurzweila prognozują wcześniejsze nadejście tej osobliwości, czyli fuzji człowieka z maszyną, czego dowodem mają być takie sygnały, jak choćby porażka światowego mistrza chińskiej gry go Lee Sedola w potyczce z programem AlphaGo w marcu 2016 roku.

Jakakolwiek byłaby to data, AI niesie ze sobą obietnicę zrewolucjonizowania życia, w tym sztuki wojennej, co wprawia całe narody w niepokój. W raporcie przedstawionym Kongresowi USA w marcu 2021 roku ponadpartyjna komisja do spraw bezpieczeństwa narodowego w związku ze sztuczną inteligencją ostrzegała jednoznacznie, że Ameryka nie jest gotowa na obronę ani konkurowanie w erze AI.

Raport starał się uchwycić naturę AI, zmieniającą zasady gry, wychodząc poza pojedynczy przełom technologiczny. Starając się oddać ducha przyszłości napędzanej AI, raport powoływał się na wielkiego wynalazcę Thomasa Edisona, który objaśniał elektryczność: „To jest pole wewnątrz innego pola – mówił. – Trzyma w sobie sekrety, które dokonają reorganizacji życia na całym świecie”.

USA były na straconej pozycji, gdyż nie produkowały już najbardziej zaawansowanych chipów. „Nie chcemy zbytnio przerysować delikatności pozycji, w której znajduje się kraj – jak mówił raport – acz wiedząc, że większość najbardziej zaawansowanych układów elektronicznych produkuje się raptem 110 mil drogą wodną od naszego głównego rywala strategicznego, musimy dokonać ponownej oceny stabilności łańcucha dostaw i jego bezpieczeństwa”[12].

Miesiąc po wstąpieniu na urząd, 24 lutego 2021 roku, prezydent Biden określił niedobór układów scalonych mianem „hufnala[VIII] na miarę XXI wieku”, przywołując długo funkcjonujące przysłowie mówiące o tym, jak brak małej rzeczy lub działania może wywołać wielkie i nieprzewidziane konsekwencje. Zaczyna się od braku hufnala, co skutkuje zgubieniem podkowy, a kończy się przegraną bitwą, która niszczy królestwo. A wszystko przez brak hufnala.

Przekaz był jasny: malutkie układy scalone są podstawą, na której spoczywa nowoczesna gospodarka oparta na wiedzy. Dwa lata niedoborów, jak stwierdzili analitycy, wywołały straty rzędu 500 miliardów dolarów w wielu gałęziach przemysłu zależnych od dostaw układów scalonych[13]. Chipy wpływały na pozyskiwanie władzy, w tym też – coraz bardziej – politycznej. Stany Zjednoczone, kolebka układów scalonych, nadal generowały połowę światowego przychodu w tej branży, ale ich udział w produkcji na poziomie 37 procent w 1990 roku skurczył się do zaledwie 12 procent[14].

„Musimy przestać gnać za liderami po tym, jak kryzys dostaw już nas dotknął – mówił Biden, trzymając w palcach układ scalony nieprzekraczający rozmiarami znaczka pocztowego. – Musimy przede wszystkim zapobiec kryzysowi dostaw”. Zarządził studniowy okres przeglądu czterech krytycznych produktów – w tym półprzewodników – jak też dłuższy przegląd zmierzający do „umocnienia każdego etapu łańcucha dostaw”[15].

32 lata wcześniej ta sama technologia zaprzątała myśli jednego z poprzedników Bidena, Ronalda Reagana. Jego pierwsza przemowa poza USA, po tym, jak przestał być prezydentem, odbyła się w czerwcu 1989 roku we wspaniałej gotyckiej hali Guildhall. Niewiele wcześniej Chiny stłumiły krwawo demonstracje studenckie na placu Tiananmen. W listopadzie tego samego roku miał paść mur berliński.

„Informacja jest tlenem współczesnego świata. Przenika przez mury zwieńczone drutem kolczastym. Przesiąka przez zelektryfikowane granice – mówił Reagan. – Goliat totalitaryzmu zostanie zniszczony przez Dawida układów scalonych”[16].

Tak się nie stało. Tak naprawdę rozpoczynała się wtedy nowa zimna wojna, której podstawą były dostawy układów scalonych.

Przemysłowy ryż

Wynalezienie maszyny drukarskiej rozwinęło edukację, żarówki rozświetliły mroki, pług zmienił nawyki żywieniowe i krajobraz, samochody poszerzyły horyzonty. Układy scalone mogą jednak być najistotniejszym wynalazkiem ludzkości. Wysuwają się one na pierwszy plan, jeśli chodzi o przełomowe dokonania sięgające całe wieki wstecz – ujarzmienie ognia, pismo, koło, kompas – które zmieniły wyobrażenie człowieka o życiu i uczeniu się. Malutkie urządzonko, które sprawia, że „proste” rzeczy stają się „mądre” (ang. smart), roztacza swoje wpływy na kanwie społeczeństwa, doprowadzając do sytuacji, w których prostych zadań nie da się wykonać bez choćby niewielkiej pomocy komputera.

Układy scalone działają po cichutku wszędzie. Nawet w roku ich wyjątkowych braków wyprodukowano i sprzedano 1,15 biliona układów scalonych, montując je potem w komputerach, telefonach, telewizorach, autach, lodówkach, rurociągach transportujących ropę, systemach bezpieczeństwa, centrach danych, rozrusznikach serca, zwierzątkach domowych, zabawkach, szczoteczkach do zębów, rakietach nuklearnych i wielu innych urządzeniach i miejscach[17]. Każda osoba na tej planecie w 2021 roku statystycznie stała się posiadaczem 125 nowych układów scalonych w swoich rzeczach, nie licząc bilionów chipów, które miała już w dotychczas posiadanych rzeczach.

Od wynalezienia zintegrowanego układu scalonego na waflu wykonanym z półprzewodnika krzemowego u schyłku lat 50. XX wieku te miniaturowe urządzenia stały się wszędobylskie. Układy scalone czy inaczej półprzewodniki, układy zintegrowane, chipy, mikroprocesory, mikrokontrolery łączą ludzi, umożliwiają uwolnienie pokładów kreatywności, pozwalając ludziom pójść dalej, szybciej, lepiej.

Nowe możliwości pojawiały się w miarę zmniejszania zarówno gabarytów układów scalonych, jak i ich cen. Przemysł niestrudzenie dąży do robienia więcej rzeczy mniejszym kosztem. Zresztą globalny wyścig na wielką skalę wywołany był też przez polityków nawołujących obywateli na całym świecie do wydajniejszej pracy, o ile nie chcą się dać wyprzedzić bardziej zorganizowanym gospodarkom. Układy scalone to znaczący towar w napędzaniu postępu. Nic dziwnego, że Yun Jong-yong, wiceprezes Samsung Electronics – jednej z największych firm produkujących układy scalone – nazwał je „przemysłowym ryżem”.

Chipy upowszechniły internet, wygenerowały niewypowiedziane bogactwa – i to płynące do kieszeni nie tylko miliarderów świata technologii, których oprogramowanie do obsługi platform społecznościowych też zresztą zależy od mikroprocesorów. W ciągu dekad układy scalone były katalizatorem ciągłego wzrostu produktywności. Dzisiaj jest to gałąź gospodarki warta 550 miliardów dolarów rocznie, pozwalająca zarabiać zarówno producentom, jak i e-usługodawcom oraz firmom transportowym. Tak naprawdę każda gałąź przemysłu doznała transformacji z udziałem chipów.

Około 30 procent produkowanych układów scalonych nadal trafia do komputerów osobistych, 20 procent do smartfonów, po 10 procent do centrów danych i samochodów, reszta do zastosowań przemysłowych i obronnych, w tym do miniaturowych czujników działających w ramach internetu rzeczy[IX] (IOT), dzięki którym głupie urządzenia zaczną się komunikować w sieci przyszłości. Tworzone i monitorowane przez te czujniki sieci są odpowiedzialne za generowanie największego światowego zasobu danych, według ostrożnych szacowań podwajającego swoją objętość co dwa lata.

Chipy wywołały dodatkowy postęp pośród uprzednich wynalazków lub je przyćmiły: przetwarzając całe biblioteki treści, kontrolując oświetlenie całych miast, poprawiając wydajność upraw, zmieniając samochody w komputery na kółkach w czasie wycofywania silników spalinowych. Oferowana przez nie moc przetwarzania pozwala na wykonywanie zadań, których umysł ludzki nie potrafi sobie nawet wyobrazić: rozpracowywanie kodu istot żywych, by przeciwdziałać chorobom, pomoc gatunkowi ludzkiemu w podboju kosmosu, a także w działaniach mniej doniosłych, jak kopanie bitcoinów.

A nadejdzie nie tyle nowe, co jeszcze nowsze. Układy scalone nadal działają w rewolucji mobilnej, która uwolniła urządzenia od ograniczeń domu, biura, czyli kabla zasilającego. W porównaniu z komunikacją mobilną drugiej i trzeciej generacji (2G i 3G) – obecną w życiu wielu ludzi pod postacią ich pierwszego telefonu komórkowego – standard 5G niesie ze sobą obietnice gier wideo w wysokiej rozdzielczości i mieszaną rzeczywistość (połączenie świata rzeczywistego i wirtualnego) dzięki przepustowości gwarantującej nieprzerwaną transmisję. Czasy reakcji urządzeń sieciowych są w zasadzie pomijalne, dzięki czemu wzrasta pewność, że operacjami medycznymi prowadzonymi przez roboty, autonomicznymi autami i infrastrukturą krytyczną da się zarządzać w sieciach komunikacyjnych.

Jest to trend, który możliwy jest dzięki mikroukładom, ale dzięki któremu mikroukłady napędzają własny rozwój. Potężniejsze sieci oznaczają, że są do nich podłączone większe liczby urządzeń, z czego część to urządzenia również znacznej mocy, zawierające bardziej zaawansowane układy elektroniczne. Układy elektroniczne od czasu ich wynalezienia postrzegane były jako przepustka do dobrobytu zarówno przez rządy chcące na terenach swoich państw mieć strategiczne zakłady produkcyjne o wysokiej wartości, jak i przez rodziców chcących wzbogacić edukację dzieci przez zakup nowego komputera.

Układy scalone niosą jednak ze sobą również negatywne skojarzenia, stanowią symbol inwazji technologii w każdy aspekt życia, szczególnie w dystopijnej literaturze, gdzie kontrolują umysły lub śledzą poczynania ludzi na wzór Wielkiego Brata.

Taki punkt widzenia przeniknął też do rzeczywistości. Za przykład niech posłużą teorie spiskowe, jakoby program szczepień przeciwko koronawirusowi był przykrywką dla złośliwego planu śledzenia aktywność ludzi w życiu codziennym. W badaniu przeprowadzonym na 1500 obywatelach USA zapytano uczestników, czy rząd federalny wykorzystuje szczepionki do zachipowania populacji. 20 procent respondentów odpowiedziało, że zdecydowanie lub prawdopodobnie tak[18].

Nie da się jednak zaprzeczyć, że przez ponad 60 lat układy scalone były stale unowocześniane, ich ceny spadały, a moc przetwarzania wzrastała, co jest niejako metronomem cyklu ewolucji technologicznej. W konsekwencji podaż i tajniki, które trzeba posiąść, by móc je wytwarzać, są dziś więcej warte niż całe zasoby złota czy ropy na świecie. Już toczy się o nie walka – na razie na słowa – ale przez to, że układy scalone stanowią nieodzowny komponent precyzyjnej broni, walka za ich pomocą jest rzeczywistością.

Za postęp z udziałem mikroukładów oczywiście należy zapłacić. Półprzewodniki potrafią wypełnić całość agendy politycznej, ale pożerają też znaczne zasoby, szczególnie jeśli za wybudowanie i wyposażenie nowego zakładu produkcyjnego należy zapłacić 20 miliardów dolarów.

Układy scalone potrzebują znacznie więcej. Badania przeprowadzone na Uniwersytecie Harvarda przewidziały, że przetwarzanie informacji i obliczenia do 2030 roku będą pochłaniać jedną piątą całkowitej światowej produkcji energii elektrycznej, z czego większość to zasilanie potrzebne do produkowania sprzętu, głównie układów scalonych[19]. Jedna trzecia emisji dwutlenku węgla przez urządzenia przenośne pochodzi z procesu produkcji zawartych w nich układów scalonych. W trakcie realizacji procesu produkcyjnego duży zakład może zużyć prawie 38 milionów litrów wody na dobę – do chłodzenia i czyszczenia. Redukcja wpływu produkcji procesorów na środowisko stała się tak samo istotna jak sprostanie wymogom każdej innej gałęzi przemysłu na świecie.

Zawężanie pola

Wyobraźmy sobie plątaninę tuneli londyńskiego metra czy system ulic dużego miasta, dajmy na to Pekinu. Pomnóżmy to miliardy razy, a potem zmniejszmy tę furę spaghetti do czegoś, co ledwo można dostrzec ludzkim okiem.

Jako zobrazowanie stopnia skomplikowania budowy współczesnego układu scalonego nie wyszło nam źle, tyle że współczesne układy to już nie siatki dróg, ale wieżowce wręcz przepełnione aktywnością. Każdy układ zawiera miliardy tranzystorów, malutkich przełączników, które otwierają lub odcinają elektronom przepływ miliardy razy na sekundę, obliczając to, co ma obliczać urządzenie, w którym je zainstalowano, lub rozwiązując zadania. Aby upakować w chipie więcej tranzystorów, by był on potężniejszy, sieci połączeń między tranzystorami układa się nawet na 150 warstwach.

Każdy tranzystor, cegiełka współczesnych obliczeń, jest wycięty w krzemie, idealnym półprzewodniku, lokującym się pośrodku pomiędzy metalem a niemetalem, którego właściwości przewodzące można dostrajać i w stronę przewodzenia, i w stronę izolowania, zależnie od domieszkowania z innymi substancjami, takimi jak fosfor czy bor.

Układy mniejsze od paznokcia produkowane są w procesie rzędu 3 nanometry – mniej niż struktura białka, cząstka szerokości czerwonej krwinki człowieka, ćwierć gabarytu typowego wirusa. Firmy ścigają się jednak, by ten proces jeszcze zmniejszyć. Więcej tranzystorów w układzie? Więcej mocy obliczeniowej i to przy niezmiennym zużyciu prądu!

W sierpniu 2021 roku Intel ogłosił zapierające dech w piersiach osiągnięcie – pierwszy układ scalony ze stu miliardami tranzystorów. „W zasadzie to nawet nie wiem, czy można to jeszcze nazywać chipem – powiedziała Masooma Bhaiwala, główna inżynierka projektu ochrzczonego mianem Ponte Vecchio i stworzonego do rozwiązywania zadań z wykorzystaniem sztucznej inteligencji. – To zespół układów, na które mówimy kafelki i które są splecione wysokoprzepustowymi łączami, dzięki czemu całość zachowuje się jak jeden układ”[20].

Nieustępliwość przemysłu elektronicznego była tak wielka, że niewielu zatrzymało się choćby na chwilę, żeby popodziwiać osiągnięcie. Siedem miesięcy później Intel stracił palmę pierwszeństwa. Nowy układ M1 Apple’a, zaprojektowany dla biurkowych stacji roboczych Mac Studio, zawierał 114 miliardów tranzystorów.

Szanse na to, że producent iPhone’ów długo utrzyma prowadzenie, są niewielkie. ASML, niezbyt znana holenderska firma, której osprzęt laserowy jest nieodzowny w przesuwaniu granic mikroelektroniki, jest na najlepszej drodze do upchnięcia w jednym układzie 300 miliardów tranzystorów i chce tego dokonać do roku 2030. Intel w tym samym czasie chce dojść do biliona tranzystorów. A amerykańskie przedsiębiorstwo z branży AI Cerebras Systems zdążyło już umieścić 2,6 biliona tranzystorów w układzie, choć jest on wielkości krzemowego wafla, okrągłej płytki, z której zwykle powstają setki tzw. kości.

Jednak zarówno inżynierowie, jak i docelowi użytkownicy bardziej niż liczbowymi przechwałkami są raczej zainteresowani tym, co układy scalone potrafią. Postęp przybrał formę zmniejszenia urządzenia ledwo mieszczącego się w pokoju do rozmiarów przenośnych. Jest to na przykład iPhone, „urządzenie do wszystkiego”, o mocy 100 tysięcy razy przewyższającej sprzęt, dzięki któremu człowiek stanął pierwszy raz na Księżycu w ramach misji Apollo 11 w 1969 roku. W jednym urządzeniu mieści się wiele zastosowań – aparat, kamera wideo, konsola do gier – bo tak się da, bo technologia podążyła za wizjonerstwem.

Tworzenie układów scalonych to przedsięwzięcie globalne. Piasek, z którego pozyskuje się krzem, może być wykopywany w jednym z wielu miejsc na świecie, na przykład w należącej do Quartz Corporation kopalni w Spruce Pine w Północnej Karolinie. Następnie jest przewożony do wioski Drag w północnej Norwegii do oczyszczenia – co stanowi pierwszy znak tego, że w procesie wytwarzania lekkich dóbr wysokiej jakości dystanse nie stanowią przeszkody. Stamtąd materiał może jechać do Japonii, gdzie specjalistyczne firmy przygotowują wafle krzemowe – cienkie, mieniące się kolorami tęczy płaty, na których nadrukowywane są potem układy scalone.

W wielkich fabrykach, głównie zlokalizowanych w Azji, wafle są bezszelestnie przenoszone z jednego etapu procesu do następnego w zrobotyzowanych kapsułach, poruszających się na podwieszonych pod sufitem taśmociągach. Bez opuszczania budynku wafle przemierzają tysiące kilometrów podczas poddawania ich trzem tysiącom procesów technologicznych w ciągu trzech miesięcy. W czystych halach produkcyjnych, gdzie dzięki pompom oczyszczone powietrze zawiera tysiąc razy mniej cząsteczek pyłu niż w sali operacyjnej, technicy ubrani w charakterystyczne stroje zakrywające ich od stóp do głów, zwane kombinezonami króliczka (ang. bunny suits), obserwują procesy produkcji.

Jest to też biznes wyjątkowo drogi. TSMC wydała prawie 20 miliardów dolarów na budowę fabryki numer 18 w mieście Tainan, na południu Tajwanu, która uruchomiła produkcję w 2020 roku na powierzchni 950 tysięcy metrów kwadratowych, co stanowi powierzchnię 133 boisk piłkarskich.

W czeluściach fabryki wafle krzemowe pokrywane są warstwami światłoczułego materiału i wielokrotnie wystawiane na działanie światła przepuszczanego przez fotomaskę, której wykonanie kosztuje miliony dolarów. Te miejsca na krzemowym waflu, których nie dotknęło światło, są warstwa po warstwie chemicznie usuwane, odkrywając plątaninę ścieżek w układzie scalonym. Czyste hale produkcyjne skąpane są w żółtym świetle, dzięki czemu nie występuje tam światło o krótkiej długości fali, które może wpłynąć negatywnie na proces produkcji.

Po zakończeniu procesu produkcyjnego wafel krzemowy cięty jest laserem na nawet tysiące układów scalonych, pakowanych do obudów, testowanych i wysyłanych na linie produkcyjne klientów, do instalacji w urządzeniach, z którymi trafiają do konsumentów.

Stopień skomplikowania procesu produkcyjnego układów scalonych jest taki sam, jak proces projektowania tych układów. Rozwój układu może trwać lata, pochłaniać pracę tysięcy inżynierów i kosztować miliony dolarów. Podobnie jak z budowaniem domu – należy z pomocą architektów zdefiniować plany poszczególnych pięter, ustalić ich funkcje, koszty i szybkość budowy. W przypadku tak drogiej produkcji należy wszystko skalkulować, żeby uniknąć później kosztownych błędów.

Patrząc z góry, widać przemysł zrodzony w latach 60. XX wieku, złożony z wielu firm wykonujących wiele funkcji, który rozczłonkował się na szereg specjalistów. Poszukiwanie lepszych procesów i wysokie koszty zawęziły sferę projektowania, produkcji, sprzętu do wytwarzania czy pakowania tak, że na rynku dominuje jeden gracz albo dwóch. Popyt na coraz więcej coraz bardziej wszechstronnych układów rósł przez lata, przez co coraz mniej firm było w stanie sprostać wymaganiom użytkowników. Tylko niewielka grupka poradziła sobie z tym zadaniem nadzwyczaj dobrze – nierzadko przez dekady usprawniając jeden aspekt swojego działania.

Nic dziwnego, że TSMC jest w centrum politycznego zainteresowania. Nie jest tam jednak sam. W procesie wytwarzania najbardziej zaawansowanych układów scalonych jedyną dostępną technologią jest litografia w skrajnym ultrafiolecie. Urządzenia do tego procesu wytwarza holenderska firma ASML. Jedno urządzenie kosztuje 160 milionów dolarów, ma gabaryty niewielkiego autobusu, a jego opracowanie zajęło 20 lat.

Twierdz jest więcej. Jedną z nich jest zdecydowanie twierdza własności intelektualnej, na kanwie której jest oparta niniejsza książka. W prawie tej samej odległości od amerykańskich tytanów produkcji mikroprocesorów co od azjatyckich zakładów produkcyjnych leży firma, która narodziła się w brytyjskim Cambridge, mieście uniwersyteckim. W tradycyjnym sensie firma ta niczego nie wytwarza, nie dysponuje maszynami laserowymi czy przestrzennymi fabrykami. Ale w miarę zyskiwania przez tę firmę nowych segmentów rynku, powoli, małymi kroczkami jej projekty dostarczają wszystko.

Wartościowa księga zasad

Advanced RISC Machines, w skrócie Arm, to firma, której nazwa wyjątkowo rzadko gości w przestrzeni publicznej. Jednak od jej założenia w 1990 roku plany przez nią opracowywane przeniknęły do miliardów domostw, miejsc pracy i pojazdów.

Podobnie jak wytwórcy układów scalonych przenosili produkcję do podwykonawców, w miarę jak ta stawała się coraz bardziej skomplikowana, tak samo zwracali się do firm zewnętrznych w poszukiwaniu projektów. Gotowe wzorce, swoiste cegiełki własności intelektualnej, stanowiły kolejną drogę na skróty i ku obniżce kosztów. Arm skorzystał najbardziej na procesie outsourcingu, zakotwiczając się na rynku w erze rewolucji telefonii mobilnej, która zaczęła się jakieś 25 lat temu.

Firma jest posiadaczem wartościowej księgi zasad – architektury zestawu instrukcji (ISA) – wykorzystywanej w projektowaniu chipów. ISA jest wykorzystywana na całym świecie do ustalania, jak procesor – „mózg” urządzenia – jest kontrolowany przez oprogramowanie, w całej gamie telefonów, samochodów, laptopów, centrów danych, czujników przemysłowych i wielu innych zastosowaniach.

ISA to swoisty dekalog ery cyfrowej dający przewidywalność, dzięki której projektanci komputerów piszą skuteczniejszy kod, definiując, co urządzenie ma robić, ale nie jak ma wykonywać zadania. Obojętnie, jaki to program, procesor na bazie architektury ARM wykona go w jednakowy sposób.

Z przypadków zastosowania architektury ARM[X] można by sporządzić długą listę, choć z ISA jest wręcz odwrotnie. Zestaw zawiera kilka tysięcy instrukcji – czy też zasad – dających się zakodować w cztery miliardy możliwych rozwiązań. Co ciekawe, w erze i świecie tak silnie zakorzenionym w formach cyfrowych odpowiednie materiały są nadal dostępne w formie drukowanej. Podręcznik ARM’s Architecture Reference Manual (ARM ARM) zawiera ponad 10 tysięcy stron opisu ISA, a także pomaga w rozwiązywaniu problemów. Swoją strukturą przypomina język C, jeden z najpopularniejszych języków programowania.

ISA to też dokument żyjący, uaktualniany co kwartał przez zespół 40 pracowników w biurze w Cambridge, czasami dodających nowe funkcje, na przykład nowe mechanizmy mnożenia wymagane w uczeniu maszynowym, nowe funkcje bezpieczeństwa, rozwiązania problemów klientów czy poprawki błędów. Większe przebudowy ARM dokonywane są najczęściej raz na dziesięć lat. Ostatni raz miało to miejsce w 2021 roku.

Obrazując zasięg, do którego urósł Arm, warto dokonać pewnej segmentacji rynku chipów. Spośród ponad biliona układów scalonych sprzedawanych rocznie znaczna większość nie wymaga jednostki przetwarzającej zgodnej z ARM. Na przykład układy pamięci są przeznaczone do przechowywania danych i są prostsze. Większość chipów analogowych, optycznych i mechanicznych również nie jest obiektem zainteresowania Armu. Firma pokazuje swój pełny potencjał w logice, gdzie chipy działają w charakterze „mózgu” urządzenia przetwarzającego informacje – są to mikrokontrolery i układy komunikacyjne.

W zależności od zakupionej od Armu licencji programiści mogą korzystać z rozwiązań gotowych, nieco je modyfikować lub w całości je przebudowywać, nie tracąc przy tym kompatybilności. Arm pomaga odbiorcom w wykorzystywaniu swoich projektów, na przykład oferując zestaw zgodności – szereg testów sprawdzających, czy napisany przez licencjobiorcę kod działa prawidłowo. Testami zajmuje się 100-osobowy zespół pracujący w Bangalore w Indiach.

Jednym z aspektów sukcesu Armu jest to, że układy o najwyższych osiągach nie zawsze są najlepsze do określonych zastosowań. Wydajność należy zestawić z zapotrzebowaniem na prąd – zarówno w chwilach szczytowego obciążenia, jak i w chwilach, gdy procesor czeka na zadania – a także z ilością potrzebnego krzemu, bo te aspekty przekładają się bezpośrednio na koszty.

Wyżej wymienione zmienne wpłynęły na rozwój przemysłu elektronicznego i odpowiadają na pytanie, dlaczego układy niskiej mocy i o niskich kosztach wytwarzania na bazie architektury ARM osiągnęły sukces. Podobnie było z prawem Moore’a, mówiącym o tym, że liczba tranzystorów w układzie scalonym podwajać się będzie co dwa lata. Ale o tym później.

Arm odniósł sukces, gdyż pracował z gigantami na rynku. FutureHorizons szacuje, że największe firmy technologiczne, w tym Apple, Google czy Amazon, w ciągu ostatniej dekady koncentrujące się na opracowywaniu własnych układów scalonych i pozbywaniu się pośredników w łańcuchu dostaw, takich jak Intel, stanowią lwią część odbiorców układów scalonych. Płacona na ich rzecz cena wynosi średnio 450 dolarów za centymetr kwadratowy wykorzystanego krzemu, przy czym wielkie wytwórnie, takie jak TSMC, mogą liczyć na cztery dolary. Dostawca własności intelektualnej, którym często jest Arm, może liczyć na 10 centów za centymetr kwadratowy powierzchni krzemu[21].

Mogłoby się zdawać, że to niewiele. A do tego są to liczby prawdziwe. Projekty Armu są względnie tanie i są często wykorzystywane: w 2021 roku było to 29,2 miliarda razy, około 60 razy częściej niż Intel, długoletni lider rynku mikroprocesorów. Układy ARM podwoiły dochody firmy w ciągu sześciu lat. Sprzęt Armu jest najczęściej stosowanym sprzętem komputerowym na rynku, częściej niż jakikolwiek inny komputer PC, częściej niż jakikolwiek smartfon. A firma dalej rośnie.

Kod działający na układach ARM pisze 13 milionów inżynierów oprogramowania, co jest liczbą przekraczającą populację niejednego państwa. Będąc głównym napędem rewolucji telefonii mobilnej, firma może zyskać znaczne kwoty na rozpowszechnieniu się sieci 5G. W miarę jak chipy stają się „mądrzejsze”, prowadząc nas przez życie, a czasami dyktując warunki, a jednocześnie uruchamiając coraz więcej programów, szanse, że będą to programy architektury ARM, rosną.

Ten projekt architektury, przyjęte konwencje, szybko stały się „projektem na wszystko”, globalnym standardem technologicznym, stanowiącym serce współczesnej elektroniki obliczeniowej i konsumenckiej, która podbiła świat.

Jak Arm dotarł do tego miejsca? Jest to historia nadzwyczajna. Ale zanim firma dostała swoją szansę, zanim produkcja chipów przeniosła się do Azji, ważne jest zrozumienie jej amerykańskich początków.

[1] https://www.wsj.com/articles/pelosi-vows-ironclad-defense-of-taiwans-democracy-as-china-plans-live-fire-drills-11659511188

[2] https://www.semiconductors.org/study-identifies-benefits-and-vulnerabilities-of-global-semiconductor-supply-chain-recommends-government-actions-to-strengthen-it/

[3] https://edition.cnn.com/videos/tv/2022/07/31/exp-gps-0731-mark-liu-taiwan-semiconductors.cnn

[4] https://www.futurehorizons.com/assets/fh_research_bulletin_2021-04_the_china_c.pdf

[5] https://www.youtube.com/watch?v=FKO5AXIB_Ac

[6] https://www.wsj.com/articles/global-chip-shortage-is-far-from-over-as-wait-times-get-longer-11635413402

[7] https://news.sky.com/story/ps5-becomes-fastest-sony-console-to-achieve-sales-of-10-million-12366564

[8] https://www.reuters.com/business/autos-transportation/boosted-by-premium-car-demand-volkswagen-raises-margin-target-2021-05-06/

[9] https://www.alixpartners.com/media-center/press-releases/press-release-shortages-related-to-semiconductors-to-cost-the-auto-industry-210-billion-in-revenues-this-year-says-new-alixpartners-forecast/

[10] https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/tw/Documents/technology-media-telecommunications/tw-semiconductor-report-EN.pdf

[11] https://www.philips.com/a-w/about/news/archive/standard/news/articles/2022/20220608-chips-for-lives-global-chip-shortages-put-production-of-life-saving-medical-devices-and-systems-at-risk.html

[12] https://www.nscai.gov/wp-content/uploads/2021/03/Full-Report-Digital-1.pdf

[13] https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/us/Documents/technology-media-telecommunications/us-tmt-2022-semiconductor-outlook.pdf

[14] https://www.bcg.com/publications/2020/incen-tives-and-competitiveness-in-semiconductor-manufacturing

[15] https://www.whitehouse.gov/briefing-room/speeches-remarks/2021/02/24/remarks-by-president-biden-at-signing-of-an-executive-order-on-supply-chains/

[16] https://www.nytimes.com/1989/06/14/world/reagan-gets-a-red-carpet-from-british.html

[17] https://www.semiconductors.org/global-semiconductor-sales-units-shipped-reach-all-time-highs-in-2021-as-industry-ramps-up-production-amid-shortage/

[18] https://docs.cdn.yougov.com/w2zmwpzsq0/econTabReport.pdf

[19] https://arxiv.org/pdf/2011.02839.pdf

[20] https://www.youtube.com/watch?v=3jU_YhZ1NQA-&t=7207s

[21] FutureHorizons, „Research Brief” 09/2021, Back to a Vertical Business Model.

[I] Arm Holdings PLC – brytyjska firma zajmująca się projektowaniem mikroprocesorów z siedzibą w Cambridge w Anglii. W przeciwieństwie do innych przedsiębiorstw mikroprocesorowych (np. Intel) Arm Holdings PLC sprzedaje jedynie licencje na zaprojektowane architektury (modele programowe), nie produkując swoich własnych procesorów. (Wszystkie przypisy dolne pochodzą od redakcji wydania polskiego).

[II] Nazwa powstała od Quality Communications.

[III] Spiker (ang. speaker) to przewodniczący Izby Reprezentantów Stanów Zjednoczonych (izby niższej amerykańskiego Kongresu). Ponieważ przewodniczącym Senatu jest z urzędu wiceprezydent, spiker jest najwyżej postawionym członkiem Kongresu, jednym z najbardziej wpływowych amerykańskich polityków. Uznawany jest za trzecią osobę w państwie (po prezydencie i wiceprezydencie), jest na drugim miejscu w linii sukcesji prezydenckiej (zaraz za wiceprezydentem).

[IV] Sytuacja nie wyglądała tak źle, jak opisuje to autor książki. Rentowność w tym czasie była po silnym wzroście (ok. 2.75%). Trochę się wahała na początku sierpnia 2022 roku, ale do rekordowo niskich poziomów, poniżej 0.5% z 2020 roku, było bardzo daleko.

[V] Stany Zjednoczone uznają rząd w Pekinie za jedyny legalny rząd Chin, ale utrzymują nieoficjalne stosunki z Tajwanem, w tym wspierają go militarnie.

[VI] Tajwan ma 36 197 km², czyli jest nieco większy niż województwo mazowieckie.

[VII] Ray Kurzweil, Nadchodzi osobliwość. Kiedy człowiek przekroczy granice biologii, Kurhaus Publishing, Warszawa 2013.

[VIII] Hufnal to duży gwóźdź używany do przybijania podkowy do kopyta konia.

[IX] Internet rzeczy (IoT lub IOT) oznacza sieć obiektów fizycznych – „rzeczy” – które są wyposażone w czujniki, oprogramowanie i inne technologie w celu łączenia się i wymiany danych z innymi urządzeniami i systemami za pośrednictwem internetu. Urządzenia te obejmują zarówno zwykłe przedmioty gospodarstwa domowego, jak i zaawansowane narzędzia przemysłowe. Przewiduje się, że liczba zainstalowanych urządzeń podłączonych do internetu rzeczy wzrośnie z około 40 miliardów w 2023 roku do 49 miliardów w 2026 roku, zwiększając się przy założonym rocznym tempie wzrostu wynoszącym 7 procent (International Data Corporation).

[X] ARM – (Advanced RISC Machine, pierwotnie Acorn RISC Machine) skrót oznaczający zarówno firmę, jak i architekturę. Obecnie dla nazwy firmy stosuje się zapis Arm, natomiast architektura pozostaje ARM, co również zostało zastosowane w przekładzie na język polski.