Tuottavuuden hidastumisen ja piin kustannusten nousun vuoksi yritysjohtajat arvioivat muita materiaaleja.
Polku läpimurtolöydöstä Muutosteollisuuden sovellukset voivat olla pitkä, kiertelevä. Usein ensimmäistä mahdollisuutta seuraa vuosikymmenten kehitys, jalostaminen ja kokeilu. Silloinkaan ei ole takeita. Laboratoriot ympäri maailmaa ovat täynnä lupaavia teknologioita, joita ei koskaan löydetty kaupallisesti markkinoilla. Tämä ennakkotapaus asettaa johtajat vaikeaan asemaan päättäessään, mihin ja milloin investoida uusiin innovaatioihin. Jokaisella yrityksellä, joka asettaa oikean panoksen nouseviin digitaalitekniikoihin, on kymmeniä kilpailijoita, jotka jäävät täysin huomaamatta ja joiden on päästävä kiinni. Aika näyttää, onko Kodakin äskettäinen pääsy esimerkiksi Bitcoinin louhintaan yksittäistapaus vai osa ennakoivaa pitkän aikavälin strategiaa.
Puolijohdeyritykset ovat vaikeassa tilanteessa. Säännöllinen innovointi piin kanssa mahdollisti teollisuuden jatkuvan tuoton ja johdonmukaisia, vaikuttavia suorituskyvyn parannuksia vuosikymmeniä. Viime aikoina yrityksillä on lisääntynyt vaikeuksia puristaa lisää arvoa piistä. Tämä hidastuminen on jättänyt yritykset päättämään, mikä korvaa piin ja milloin. Esimerkiksi grafeenia on julistettu ihmemateriaaliksi, joka voi olla yhtä suuri tai ylittää piin. Materiaalin kaupallistaminen voi kuitenkin kestää jopa 25 vuotta ja vaatii huomattavia investointeja sekä tutkimus- ja kehitystyöhön että pääomakustannuksiin, jotta se saadaan tuotantoon. Koska piille on tällä hetkellä varattu niin paljon menoja, johtajien on määritettävä oikea hetki siirtyä seuraavaan materiaaliin – vaikka lopputulos ei olekaan taattu.
Haaste ulottuu paljon grafeenia pidemmälle; Puolijohdeyhtiöiden pyrkiessä tunnistamaan ja valjastamaan seuraava innovaatioaalto, johtajien on omaksuttava erilainen lähestymistapa. Kyky ymmärtää, kuinka näennäisesti erilainen kehitys voi luoda uusia liiketoimintamalleja ja sovelluksia, vaatii laajempaa näkökulmaa, joka keskittyy pisteiden yhdistämiseen ja uusien tapojen tutkimiseen soveltaa tietoa ja oivalluksia. Puolijohdealan johtajien tulisi käyttää tätä linssiä pitkän aikavälin strategian luomiseen olemassa olevista materiaaleista ja teknologioista arvon poimimiseksi samalla kun he tarkkailevat syntyviä innovaatioita. Tämä ajattelutapa auttaa yrityksiä selviytymään sekä tunnetuista että tuntemattomista haasteista tulevina vuosina.
Silicon: Päätuulet eteenpäin?
Pii, puolijohdeteollisuuden ensisijainen materiaali, on historiallisesti pysynyt Mooren lain tahdissa tarjoamalla aiemmin käsittämätöntä edistystä. Häiritsevät ja muuttavat teknologiat – edistynyt analytiikka, lisätty todellisuus, autonomiset ajoneuvot, digitaalitekniikka ja esineiden internet (IoT) – ovat mahdollisia yksittäisen elementin ansiosta, joka on maailman rikkaimman 50 neliökilometrin kaima. Silti piin tulevaisuudesta ja sen kyvystä jatkaa innovaatioiden tukemista herätetään vakavia kysymyksiä: kolme johtavaa indikaattoria kertovat tarinan.
Suorituskyvyn parannusten hidastuminen johtaa hintapaineisiin
Silicon tarjosi suunnittelijoille ja insinööreille kankaan, joka johti jatkuvaan kapasiteetin ja suorituskyvyn kehitykseen. Katsaus 1970-luvun tietoihin kuvaa näitä eksponentiaalisia suorituskyvyn parannuksia. Viime vuosina tahti on kuitenkin hidastunut huomattavasti. PC:n prosessointiteho on tasaantunut ja älypuhelimen prosessorin suorituskyvyn kasvu on alkanut hidastua – lyhyesti sanottuna piistä on tulossa kuolevainen (kuva 1). Nämä trendit tarkoittavat, että jatkuvalla innovaatiolla kilpailuetua rakentaneiden yritysten etumatka on alkanut heiketä muiden yritysten kurottua kiinni.
Suorituskyvyn parantaminen hidastuu
Suunnittelijat kamppailevat laajentaakseen suorituskyvyn parantamisen etumatkaa kilpailijoihin verrattuna, joten heidän kykynsä saada korkeatasoinen hinta ennen kuin muut markkinat umpeutuvat on estetty. Analyysimme osoittaa, että kun useita kilpailijoita tulee markkinoille, hinnat laskevat 10-15 prosenttia.
Pääoma- ja T&K-kustannusten nousu
Puolijohdeyritysten kustannukset nousevat edelleen, kun ne siirtyvät käyttämään seuraavan sukupolven tehtaita. Suorituskyvyn parantamiseksi arvioimme, että yritysten on lisättävä pääomamenojaan jopa 40 prosenttia (kun otetaan huomioon uusien laitteiden vaatimukset) ja T&K-kustannuksia 150 prosenttia saavuttaakseen saman suorituskyvyn (kuva 2). Pääomakustannusten nousun pääasiallinen syy on valmistuslaitteet, jotka ovat kasvaneet noin 2 miljardilla dollarilla sen jälkeen, kun teollisuus siirtyi monikuviointiin. Ei ole yllättävää, että integroitujen laitteiden valmistajat ovat nopeasti lisänneet T&K-investointejaan johtavaan solmuteknologiaan.
Kasvavat pääomavaatimukset ja T&K-investoinnit voivat estää innovoinnin jatkamista
Piin fyysisten rajoitusten tunteminen
Kaupallisista haasteista erillään piin jatkuva kasvu on myös epävarmaa, koska innovaatiot ovat saavuttaneet materiaalin fyysiset rajoitukset. Esimerkiksi solmun pituus lähestyy johtavan kanavan leveyttä, jossa suorituskyky on vakavasti estetty: piitransistorit lakkaavat toimimasta pienten mittojen kvanttivaikutusten, kuten tunneloinnin, vuotojen ja lämpöongelmien vuoksi. Litografian, instrumentoinnin ja nanokokoisten rakenteiden valmistuksen rajoitukset estävät myös edistystä.
Nämä kolme suuntausta herättävät puolijohdeyhtiöille kriittisen kysymyksen: kuinka paljon niiden pitäisi jatkaa panostusta piihin sen sijaan, että tuettaisiin sellaisten innovatiivisten materiaalien kehitystä, jotka voisivat saada aikaan askeleen muutoksen suorituskyvyssä ja ylläpitämään liikevaihdon kasvua?
Miksi grafeeni voisi olla pelin muuttaja?
Teollisuus kokeilee useita eksoottisia uusia materiaaleja, kuten siliseeniä, germaneenia ja mustaa fosforia, mutta grafeenia mainostetaan olevan suurin potentiaali (Näyttö 3).
Uusilla materiaaleilla on suurin potentiaali vauhdittaa seuraavan sukupolven teknologiaa, joka voisi auttaa ylläpitämään innovaatioita
Kahden Manchesterin yliopiston Englannin tutkijan vuonna 2004 löytämä atomin paksuinen grafeenikerros herätti odotuksia, että siitä voisi tulla ylivoimainen korvike piille (infografiikka). Grafeenin kiinteistöistä eri teollisuudenalojen yritykset sylkevät: sen liikkuvuuden arvioidaan olevan 250-kertainen piin ja sen joustavuuden ja muiden ominaisuuksien ansiosta se soveltuu erinomaisesti erilaisiin sovelluksiin akkuteknologiasta optoelektroniikkaan, kuten kosketusnäyttöihin. Viimeaikaiset patentit, akateemiset paperit ja tutkimusjulkaisut todistavat laajasta kiinnostuksesta grafeenia kohtaan.
Grafeeni numeroiden mukaan
Tästä lupauksesta huolimatta grafeenin käyttöönotto on ollut vaikeaa. Joten mikä sitä pidättelee? Olemme tunnistaneet neljä rajoitusta, kaksi teknistä ja kaksi teollista. Teknisellä puolella band-gap-tekniikka on edelleen suuri este: ilman kaistaväliä grafeenikytkimet eivät voi sammua. Viimeisen vuosikymmenen aikana tutkijat ovat keskittyneet tämän ongelman ratkaisemiseen, mutta eivät ole vielä murtaneet koodia. Lisäksi grafeenin valmistuksen on tuotettava laadukkaita kiteitä ja oltava yhteensopivia olemassa olevien komplementaaristen metallioksidipuolijohdelaitteiden (CMOS) kanssa. Teollisella puolella tehtaat vaativat paljon pääomaa, mutta puolijohdeyhtiöiden resurssit ovat suurimmaksi osaksi sidottu nykyisiin tehtaiden parannussuunnitelmiin. Lisäksi piille on olemassa integroitu arvoketju (mukaan lukien valmistuksen puolivälin uudelleentyökalut), mutta grafeenia varten tarvitaan miljardeja investointeja.
Nämä epävarmuustekijät huomioon ottaen ennustamme grafeenin käyttöönoton ja markkinoiden kasvun tapahtuvan kolmessa vaiheessa – tehostin, piin korvaaminen ja vallankumouksellinen elektroniikka (kuva 4).
Odotamme grafeenin käyttöönoton ja markkinoiden kasvun tapahtuvan kolmessa vaiheessa
Lähitulevaisuudessa odotamme, että grafeenia käytetään piin tehostajana, ja grafeenia suojaavia kerroksia käytetään parantamaan liitosten luotettavuutta ja suorituskykyä. Tällä hetkellä kupariliittimissä käytetään 14 nanometrin tantaali-nitridimetallisulkuja estämään diffuusio piin sisään. Alle kymmenen nanometrin raoissa diffuusiosta tulee pääasiallinen laitevian syy – yksi vika miljardia kohti johtaa noin 30 prosentin vikaantumiseen. Grafeenisulut tarjoavat useita etuja muihin vaihtoehtoihin, kuten ruteeniin ja kobolttiin, verrattuna, mukaan lukien paremmat suojausominaisuudet vain kahdeksasosan koosta ja yhteenliittämisnopeudet noin 30 prosenttia nopeammat.
Ensisijaiset syyt grafeenin käyttöönoton puutteelle ovat kaksijakoisia. Grafeenin siirto- ja pinnoitusprosessin vaatimukset on kehitettävä täysin ja integroitava valmistusvaiheisiin. Lisäksi grafeenin kustannusten on laskettava merkittävästi kaupallisen massatuotannon mahdollistamiseksi. Ennustamme, että näiden ongelmien ratkaiseminen kestää vähintään viidestä kymmeneen vuotta, ennen kuin grafeenista tulee elinkelpoinen piivaihtoehto.
Seuraavien 10–25 vuoden aikana grafeeni voisi korvata piin puolijohteiden ensisijaisena materiaalina, olettaen, että tutkimus löytää menetelmiä sen kaistavälin rajoitusten voittamiseksi. Silloinkin grafeenia käytetään sovelluksissa, joissa sen tekniset ansiot (kuten suuri nopeus, vähähäviövaatimukset, pieni mittakaava ja joustavuus) sopivat paremmin elektronisiin sovelluksiin kuin vaihtoehtoiset materiaalit (kuva 5). Analyysimme laskee, että grafeenin kokonaismarkkinat ovat 190 miljardia dollaria tietojenkäsittelyn, langattoman viestinnän ja kulutuselektroniikan alalla.
Grafeenipohjaisen elektroniikan huollettavien kokonaismarkkinoiden on laskettu olevan ~190 miljardia dollaria korkean suorituskyvyn sovellusten kysynnän perusteella
Käyttöönoton odotetaan noudattavan S-käyrätrendiä, joka on samanlainen kuin muut tekniikat, ja käyttöönoton aikakehys jäljittelee parhaiten kiekkojen käyttöönottoa. Kaiken kaikkiaan optimistiset skenaariot osoittavat, että grafeenipuolijohteiden markkina-arvo on noin 70 miljardia dollaria vuoteen 2030 mennessä.
Miten johtavien puolijohdepelaajien tulisi edetä?
Historia on paljastanut, että joidenkin teknologioiden kaupallistaminen kestää kauan, mutta ne voivat muuttaa toimialoja nopeasti, kun ne tulevat markkinoille. Kokemuksemme mukaan yritykset, joilla on kokemusta laajan verkon luomisesta seuraavan muuntavan teknologian löytämiseksi, ovat yleensä valmiimpia kestämään alan häiriöt.
Grafeenin lupauksen vastapainoksi on keskusteltu vakavista teknisistä ja kaupallisista haasteista, jotka voivat haitata sen käyttöä piikorvikkeena. Siksi puolijohdejohtajien tulisi arvioidessaan grafeenin todellista potentiaalia käyttää strukturoitua innovaatiolähestymistapaa vaihtoehtojensa arvioimiseen. Innovaatioröntgen koostuu kymmenestä kysymyksestä kolmessa kategoriassa – innovaatiostrategia, teknologiahäiriöt ja innovaatiokäytännöt (näyttely 6). Näihin kysymyksiin vastaaminen voi auttaa yritysjohtajia saamaan paremman käsityksen organisaationsa kyvyistä pyrkiessään innovaatioihin ja tukea erilaisten skenaarioiden tutkimista grafeenin käyttöönoton kanssa tai ilman. Tuloksena on strategia, joka valmistaa organisaatioita dramaattiseen, teknologiavetoiseen alan muutokseen.
Innovaatioröntgen koostuu kymmenestä kysymyksestä, joilla voit turbottaa rakenteellista lähestymistapaasi
Pitkän ja tuottavan piin käytön jälkeen johtajat alkavat pohtia, mikä voisi korvata sen ja tarjota samanlaisen innovaation S-käyrän. Grafeenin ominaisuudet ovat herättäneet mielikuvitusta, mutta tähän mennessä sen fyysiset rajoitukset ovat estäneet sitä nimeämästä piin perijäksi. Teknologisen innovaation lähihistoria viittaa siihen, että maisema voi muuttua nopeasti – siksi johtajien tulisi pitää grafeenia vakavana haastajana. Lopputuloksesta riippumatta puolijohdeyritykset voivat varautua teknologisiin häiriöihin ja tulla eteenpäin omaksumalla strukturoituihin innovaatioihin keskittyvän ajattelutavan. Monien tuntemattomien maailma vaatii sitä.
Lähde: Grafeeni: seuraava puolijohteiden S-käyrä? | McKinsey
