Wszystkie polskie firmy potrzebują do rozwoju, niczym tlenu – premii za innowacyjność. Własna branża półprzewodnikowa z możliwościami produkcji układów na zamówienie otworzy niedostępną dotąd drogę do jej uzyskania.
Poprosiliśmy prof. dr hab. inż. Romualda Becka, pełnomocnika ds. projektów strategicznych Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT, który uczestniczył w spotkaniu Klubu CxO „Czy Polska potrzebuje przemysłu półprzewodnikowego?”, o komentarz do zagadnień zawartych w ankiecie „Trzy pytania do…” – a otrzymaliśmy dużo więcej. Zapraszam do głębszej, ale podanej przystępnym językiem analizy sytuacji i perspektyw branży półprzewodnikowej. Tytuł i śródtytuły od redakcji.
- Czy polski przemysł półprzewodnikowy oraz ośrodki naukowe i badawcze mają potencjał dostarczania konkurencyjnych rozwiązań w Polsce i na świecie?
- Czy i jaki powód/korzyść mają polskie firmy, aby kupować polskie rozwiązania półprzewodnikowe?
- Czy posiadanie własnego przemysłu półprzewodnikowego wzmacnia dziś realnie polską suwerenność technologiczną?
***
Moje wypowiedzi nie są bezpośrednią odpowiedzią na zadane pytania, ale są nimi zainspirowane.
Chciałem bowiem, korzystając z okazji, wspomnieć o istotnych dla branży półprzewodnikowej aspektach, które dość często umykają uwadze nie tylko osób postronnych, ale nawet osób z branży.
Komplementarność naukowych fundamentów branży
Zacznę od obszaru nauki, w której główną rolę odgrywają uczelnie oraz ośrodki badawcze. Ogólnym problemem, nie tylko w Polsce, jest systemowe niedopasowanie ośrodków realizujących badania podstawowe do potrzeb i wymogów przedsiębiorstw komercyjnych.
To niedopasowanie objawia się w wielu aspektach: organizacyjnym, technicznym, badawczym. Po to, aby placówka mogła spełniać dobrze swoją rolę na poziomie badań podstawowych (innymi słowy niskich TRL’ów (ang.– Technological Readiness Level), tj. TRL1 – 4, musi spełniać zupełnie inne wymagania niż ta, która będzie się specjalizować w badaniach o charakterze wdrożeniowym (wyższe TRL’e – TRL5-9).
Sprawne długofalowo prowadzenie prac na poziomach TRL 1-4 wymaga ogromnej elastyczności oraz swobody eksperymentowania. Tymczasem w przypadku poziomów TRL 5-9 strategia działań podporządkowana musi być osiągnięciu powtarzalności oraz niezawodności, czego nie sposób pogodzić ze swobodą eksperymentowania.
Poza tym, badania podstawowe rozwijają się w ramach dziedzin nauki, ale dowolny produkt high tech potrzebuje skorzystać z rozwiązań pochodzących z wielu dziedzin nauki, jest więc z natury interdyscyplinarny.
Łatwo sobie zatem wyobrazić, że na obu wspomnianych etapach potrzebne są inne instytucje. Inaczej zarządzane, inaczej wyposażone, a nawet kultywujące inną kulturę pracy. Taka analiza legła, nawiasem mówiąc, u podstaw powołania Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT Politechniki Warszawskiej. Do tego dochodzi jeszcze ogromna, bardzo często niestety nieuzmysławiana sobie, nawet przez osoby pracujące na co dzień „w nauce”, różnica w kosztach ponoszonych na obu tych etapach prac. Badania wdrożeniowe są o kilka rzędów wielkości bardziej kosztowne niż badania podstawowe, które doprowadziły do przygotowania naukowych podstaw rozwiązania danego problemu przemysłowego.
Branża w klinczu, czyli układ zamknięty
W obszarze półprzewodników dochodzi dodatkowo bardzo wysoka „bariera wejścia”, wynikająca z wyjątkowo wielkich kosztów budowy spełniających niezbędne wymagania infrastruktur technicznych oraz odpowiednich urządzeń technologicznych czy pomiarowych/testowych. Powoduje to, że naprawdę liczące się ośrodki są nieliczne i powstają zawsze z pieniędzy publicznych (lub ze znaczną ich przewagą).
W Polsce, po ostatecznym zamknięciu w 1996 roku TEWY, jedynego producenta układów scalonych, zapanowała pustka. Zabrakło podstawowego czynnika stymulującego rozwój i kreującego zapotrzebowanie na rezultaty badań wdrożeniowych. Poszczególne instytucje działające na rynku badań w tej dziedzinie musiały sobie jakoś radzić w tej nowej rzeczywistości. Tak naprawdę była tylko jedna droga przetrwania – szukanie partnerstw poza granicami Polski. Na gęstym rynku nauki w świecie, słabo (w stosunku do partnerów zagranicznych) wyposażone polskie laboratoria musiały znaleźć sobie jakąś niszę. Działanie w niej pozwalałoby na uczestnictwo w międzynarodowych projektach, pozyskiwanie finansowania oraz uznania na rynku międzynarodowej możliwości współpracy.
Jednocześnie, polscy producenci urządzeń i systemów bazujących na elementach i układach mikroelektronicznych, „osieroceni” zamknięciem TEWY, także musieli, pod groźbą katastrofy, nauczyć się budować portfolio swoich produktów w oparciu o elementy i układy dostępne u światowych hurtowników. Rzecz w tym, że żaden z nich nigdy nie osiągnął poziomu zapotrzebowania (wolumenu zamówień), który stawiałby ich w gronie „wartościowych” (priorytetowych) klientów z punktu widzenia producentów takich elementów i układów.
Kryzys, albo okno nowych możliwości
Wszystko byłoby w ten sposób „zabetonowane” i w miarę stabilne (tak się przynajmniej niektórym wydawało), gdyby nie Covid+19 oraz wojna w Ukrainie. Przerwane linie dostaw, wielomiesięczny brak elementów i układów, nowe modele rozładowania tego kryzysu, w których potrzeby małych i średnich przedsiębiorców były zupełnie ignorowane, stały się bodaj pierwszym sygnałem, że tak dalej być nie może i… nie będzie.
Równolegle wybuchła, jak petarda w rękach, sprawa bezpieczeństwa układów scalonych. Przez lata powszechnie znanym problemem było bezpieczeństwo w zakresie software’u. Każdy choć raz w życiu dał się podejść hakerom i różnym złodziejom. To spowodowało, że ten aspekt cyberbezpieczeństwa był uświadomiony większości społeczeństwa.
O bezpieczeństwie hardware’owym w dyskursie publicznym w zasadzie nie mówiono. Na zasadzie – o czym tu mówić, skoro wydawało się ono „ryzykiem nieuniknionym”. Skoro nie da się kupić potrzebnego układu od „bezpiecznego producenta”, to jestem usprawiedliwiony, kupując u kogo tylko się da.
Warto też zdawać sobie sprawę, że odbiorcy produkowanych urządzeń i systemów przez lata nie stawiali prawie żadnych warunków odnośnie bezpieczeństwa użytych układów.
Obecnie, przede wszystkim pod wpływem doświadczanej przez nas od wielu lat wojny hybrydowej oraz pełnoskalowej na Ukrainie, wydaje się, że nikt już nie ma wątpliwości, że ten aspekt funkcjonowania systemów i urządzeń jest niezwykle ważny dla bezpieczeństwa państwa. Ale powstałych przez lata zaległości nie da się nadrobić tak szybko, jakby tego wymagała powaga sytuacji.
Trzeba też zwrócić uwagę na fakt, że pomimo bardzo dobrego poziomu kształcenia, w Polsce (podobnie jak i na całym świecie) brakuje specjalistów, których potencjał mógłby skokowo wzmocnić programy rozwojowe. Przez lata brak perspektyw rozwoju przemysłu półprzewodnikowego nie zachęcał młodzieży do podejmowania trudnych studiów i zdobywania niezbędnej wiedzy oraz doświadczenia. W konsekwencji, planując nawet średnio-ambitne programy rozwoju tej dziedziny, zarówno w obszarze nauki, jaki i produkcji, nie możemy zapomnieć o uwzględnieniu w nich potrzeby (czas, finansowanie, edukatorzy – wykładowcy/instruktorzy) wykształcenia nowej kadry o niezbędnych profilach kompetencji i liczbie – specjalistów.
Równolegle do stacjonarnych metod kształcenia, możliwe są także nietypowe formy. Jedną z nich przetestowano na Politechnice Warszawskiej (siłami Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki – Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych i CEZAMATu) w formie Akademii Mikroelektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów (Akademii MOEMS) i spotkała się ona ze znakomitym przyjęciem zarówno ze strony uczestników, przyszłych potencjalnych pracodawców, jak i instytucji międzynarodowych.
W dziedzinie półprzewodników obok Politechniki Warszawskiej (która w obszarach związanych z półprzewodnikami kształci w najszerszym zakresie), specjalistów w tych dziedzinach kształcą przede wszystkim także Politechnika Wrocławska, Akademia Górniczo-Hutnicza, Politechnika Łódzka, Politechnika Gdańska.
Mamy więc w Polsce możliwości pokonania tej najtrudniejszej, z perspektywy problemów obserwowanych na świecie, bariery rozwoju branży półprzewodnikowej.
To poważny argument w dyskusjach o uznaniu mikroelektroniki i fotoniki jako jednej z kluczowych krajowych specjalizacji, ale także o inwestycjach krajowych czy ewentualnej lokalizacji wielkich międzynarodowych graczy.
Przepustka do premii za innowacyjność
Chciałbym wyróżnić dwa główne powody, dla których polskie firmy i polska gospodarka powinny kupować polskie rozwiązania półprzewodnikowe. Pierwszy jest dość oczywisty i w zasadzie powszechnie zrozumiały – bezpieczeństwo systemów militarnych oraz infrastruktury krytycznej. Będę o tym jeszcze wspominał.
Pragnę jednak zwrócić uwagę na pewne aspekty konkurencyjności w świecie produktów innowacyjnych, o których rzadko się mówi. Wykorzystanie do innowacyjnego produktu lub systemu seryjnych układów scalonych powszechnie dostępnych prowadzi, bardzo często do sytuacji, w której firma ponosząca wszystkie koszty związane z jego powstaniem, rozwojem, wprowadzeniem do produkcji i dystrybucji, wprowadzająca na rynek ten oryginalny, innowacyjny i pożądany produkt, musi liczyć się z tym, że w przeciągu kilku miesięcy zostanie on przeanalizowany i skopiowany. A następnie wyprodukowany w wielkiej liczbie przez firmę konkurencyjną. Umożliwia to fakt zastosowania właśnie powszechnie dostępnych układów.
Jedynie zastosowanie zaprojektowanych i produkowanych na specjalne zamówienie układów ASIC (ang. Application Specific Integrated Circuits) daje uzasadnione poczucie bezpieczeństwa utrzymania przez długi czas „premii za innowację”.
W dotychczasowym układzie sił na rynku półprzewodnikowym, producenci takich produktów działający w skali tysięcy, czy nawet setek tysięcy egzemplarzy rocznie, nie mają żadnych szans na znalezienie partnera typu fabless, lub domu projektowego (design house), który zaprojektuje potrzebny układ scalonych ani foundry, która go wyprodukuje na wyłączność zleceniodawcy. Foundry nie są zainteresowane tą grupą klientów, bo wolumen zamówień wynikający ze skali produkcji urządzenia/systemu końcowego jest poniżej progu oczekiwanej skali zamówienia.
Brak możliwości wykonania układów ASIC w ilościach wynikających z zapotrzebowania klienta końcowego powoduje, że klienci (producenci urządzeń i systemów) nie zlecają projektowania wymarzonych układów, bo sam projekt nie rozwiązuje przecież ich problemów. A ci, którzy byliby gotowi podjąć ryzyko uruchomienia produkcji innowacyjnego produktu, licząc się z szybkim wypadnięciem z rynku nie są gotowi do poniesienia typowych stawek za zaprojektowanie swojego ASICa. Tym sposobem zaklęte koło się zamyka, a my zastanawiamy się dlaczego tak mało innowacyjnych produktów high-tech powstaje w Polsce.
Tymczasem zdajemy sobie sprawę, że po okresie, w którym sukces gospodarki opierał się na niższej niż w krajach wysokorozwiniętych cenie robocizny, wchodzimy w etap rozwoju, w którym dalszy rozwój gospodarki można i trzeba oprzeć na innowacyjnych technologiach i produktach high-tech. Brak możliwości produkcji układów ASIC na zamówienie, z powodów wskazanych powyżej, uniemożliwia w praktyce (a co najmniej bardzo utrudnia) osiągnięcie tego celu w kraju na większą skalę niż unikatowa.
Własne półprzewodniki to kręgosłup suwerenności technologicznej
Nie mam żadnej wątpliwości, że na obecnym etapie rozwoju gospodarki brak własnego przemysłu półprzewodnikowego uniemożliwia swobodny rozwój gospodarki, ochronę infrastruktury krytycznej czy suwerenności w zakresie militarnym.
Sytuacja w Polsce jest w chwili obecnej zróżnicowana.
O ile w obszarze mikroelektroniki prowadzone są badania, prace badawczo-rozwojowe, to, z wyjątkiem wybranych elementów dyskretnych, nie posiadamy zdolności do produkcji układów scalonych. A właśnie ten produkt jest szczególnie krytyczny dla osiągnięcia suwerenności technologicznej.
Inaczej sprawa wygląda w obszarze fotoniki i optoelektroniki, gdzie w Polsce mamy aktywności w całym zakresie skali TRL, tj. od badań podstawowych aż po produkcję. Ma to zresztą swoje odzwierciedlenie w fakcie istnienia od wielu już lat Polskiej Platformy Technologii Fotonicznych (PPTF). Brak analogicznej organizacji w obszarze mikroelektroniki został wypełniony dopiero kilka lat temu sformowaniem (z udziałem PPTF) Klastra Mikroelektroniki, Elektroniki i Fotoniki.
Jednym słowem, instytucje zaangażowane w tym obszarze mają poczucie konieczności zwarcia szeregów i zacieśniania współpracy. Ale nie da się tego przekuć na spektakularne sukcesy bez zaangażowania Państwa i jego struktur.
Państwo wyznacza długofalowy rytm…
To Państwo podejmuje decyzję, o priorytetowych dla jego obronności i gospodarki kierunkach i dysponuje adekwatnymi do realizacji tego zadania narzędziami. Jest to szczególnie ważne w tak bardzo kapitałochłonnych, jak mikroelektronika i fotonika, obszarach.
Decyzje Państwa powinny mieć w tym zakresie charakter długofalowy, bo i stałe czasowe charakterystyczne dla rozwoju, a tym bardziej osiągania nowych zdolności produkcyjnych (!!!) są w tym przypadku wyjątkowo długie. Nie podlegają one ponadto skalowaniu w dół, nawet wskutek zwiększania wielkości inwestycji.
Ma to także wielkie znaczenie nie tylko dla podejmowania się prac badawczo-rozwojowych, ale także dla polityki i rozwoju przedsiębiorstw. Z perspektywy przedsiębiorstw bardzo ważne jest poczucie ciągłości zamówień, szczególnie tych realizowanych na potrzeby państwa (obronność, infrastruktura krytyczna itp.).
Z powodów przedstawionych powyżej (skala finansowa inwestycji i jej długotrwała realizacja), ale także konieczności odpowiedniego przygotowania kadr, które zapewnią wysoką jakość tych krytycznych dla funkcjonowania państwa produktów, przemysł, ani państwowy, ani prywatny, nie może podejmować racjonalnych decyzji o zwiększaniu wolumenu produkcji. A tym bardziej – o uruchamianiu produkcji/linii produkcyjnych nowych wyrobów, jeżeli skala czasu kontraktów liczona jest w pojedynczych latach.
Wobec bardzo pilnych potrzeb dostępu do bezpiecznych układów scalonych, uzasadnionych zwłaszcza programami związanymi z obronnością wydaje się, że pierwszy i decydujący ruch należy do Państwa. To jego instytucje są ostatecznymi odbiorcami urządzeń i systemów, które mają spełniać wyśrubowane wymagania techniczne, ale także odnośnie bezpieczeństwa (hardware’owego i software’owego), a nawet zapewnienia ciągłości i suwerenności dostaw.
Tylko ono zresztą dysponuje niezbędnymi funduszami. Takimi, które mogłyby zainicjować wielkie i kapitałochłonne inwestycje. I tylko Państwo potrafi sformułować listę priorytetowych produktów, które miałyby być zaspokojone w pierwszym rzędzie.
… i inicjuje rzeczywistą zmianę rynkową
Zapotrzebowanie na produkty mikroelektroniki i fotoniki na rynku komercyjnym pojawi się samoczynnie. Nastąpi to w momencie, kiedy uruchomiona zostanie produkcja małoseryjna ASIC’ów, akceptująca wolumeny zamówień adekwatne do potrzeb krajowych producentów urządzeń i systemów elektronicznych.
Projektowane na indywidualne potrzeby klientów układy scalone typu zapewnią ochronę własności intelektualnej rozwiązań zastosowanych w wyrobach i pozwolą bezpiecznie planować rozwój innowacyjnych produktów.
Funkcjonująca na polskim rynku linia małoseryjna stworzy podstawę i „zbuduje rynek” dla dedykowanych i bezpiecznych układów scalonych. W momencie, w którym zapotrzebowanie na układy scalone osiągnie wolumeny przekraczające jej możliwości produkcyjne, z poczuciem bezpieczeństwa i zweryfikowaną na realnym rynku gospodarczym wiarą w racjonalność takiego kroku, będzie można myśleć o inwestycji w wielkoseryjną produkcję układów scalonych.
