China's opmars in de chipindustrie

Concurrentie voor AMD en Intel?

China staat bekend als de fabriek van de wereld, maar het is ook 's werelds grootste chipimporteur. In 2021 importeerde het land voor omgerekend 378 miljard euro aan chips en die zijn daarmee verreweg het grootste importproduct van China. Om dat in perspectief te plaatsen: in hetzelfde jaar ging er wereldwijd 515 miljard euro om op de chipmarkt. Volgens het Made in China 2025-overheidsplan moet 70 procent van de chips die het land gebruikt, tegen dat jaar op eigen bodem worden geproduceerd. Dat plan werd in 2015 gepresenteerd en uit de gigantische hoeveelheid chips die China importeert, is op te maken dat het nog lang niet zover is. Hoe dat komt en hoe China er nu voor staat, bespreken we in dit artikel.

De wens om meer eigen chips te maken, is er in China al jaren en daarin wordt dan ook flink geïnvesteerd. Het land kan daarmee minder afhankelijk worden van het Westen. Die wens is verder aangewakkerd na de handelsbeperkingen die sinds mei 2019 zijn opgelegd door de Amerikaanse overheid aan Chinese chip- en elektronicabedrijven, uit angst voor spionage. De noodzaak voor China om zelfvoorzienend te worden, is daardoor toegenomen, maar er zijn daardoor ook flinke drempels opgeworpen.

Die Chinese chipindustrie bestaat grofweg uit twee sectoren: chipontwerpers en chipfabrikanten. Eerstgenoemden hebben geen eigen fabs en besteden de productie uit, veelal in andere landen. De chipfabrikanten produceren zelf chips, vaak juist in opdracht van derden. Op beide vlakken zijn er in China veel ontwikkelingen.

Chinese processors

We beginnen dicht bij huis: bij de chipontwerpers die zich richten op processors die je in een desktop of laptop zou kunnen vinden en die dus eventueel ook bij ons op de markt kunnen komen, als concurrentie voor de cpu's van de gevestigde orde.

Bouw je een eigen pc, dan stop je daar een processor van een Amerikaans bedrijf in. AMD en Intel hebben die markt vrijwel volledig in handen; Chinese concurrentie is er op dat vlak vrijwel niet, althans, nog niet. Vorig jaar publiceerde Tweakers een review van de Zhaoxin KX-U6780A; een x86-processor van Chinese bodem. Zhaoxin is in 2013 opgericht als joint venture van Shanghai en VIA Technologies, dat een x86-licentie heeft. Daardoor kan de Chinese fabrikant nu processors ontwerpen die compatibel zijn met x86. Wat prestaties betreft loopt de Zhaoxin-processor nog flink achter. Het geteste model is op 16nm gemaakt bij TSMC en heeft acht cores met een snelheid van 2,7GHz, maar presteert in de praktijk eerder vergelijkbaar met de Athlon- en Celeron-dualcores van AMD en Intel.

Zhaoxin-processors komen voorlopig dus nog niet in de buurt van wat AMD en Intel leveren, en er zijn geen aanwijzingen dat daar snel verandering in komt. Voor de westerse markt zijn deze cpu's dan ook niet zo interessant, maar China kan de chips zelf gebruiken in bijvoorbeeld pc's voor bedrijven en de overheid, om niet afhankelijk te zijn van buitenlandse leveranciers.

Licentie op AMD's Zen 1-cores

Naast Zhaoxin zijn er meer Chinese fabrikanten die x86-processors ontwerpen, dankzij een licentiedeal met AMD uit 2016. AMD heeft toen in China een joint venture opgericht, genaamd Thatic, en via dat bedrijf heeft een aantal Chinese chipbedrijven toegang gekregen tot het ontwerp van de Zen 1-cores. Zo bracht Hygon in 2018 zijn Dhyana-processors voor servers uit, die veel lijken op de eerste generatie van AMD's EPYC-processors. AnandTech concludeerde in een review dat er wel veel veranderingen zijn, maar dat zijn niet zozeer verbeteringen.

De licentiedeal werd gesloten voordat Amerika de export van chiptechnologie aan China aan banden legde. Een verdere uitbreiding is er niet gekomen, dus Chinese chipmakers hebben geen toegang tot nieuwere AMD-ontwerpen, zoals de Zen 2- en Zen 3-cores, laat staan de Zen 4-cores die AMD dit jaar zal introduceren in zijn nieuwste processors. Alles wat de bedrijven maken, is dus nog gebaseerd op de Zen 1-architectuur uit de eerste Ryzen- en EPYC-processors, die inmiddels ruim vijf jaar oud zijn.

In hoeverre de op de Zen 1-cores gebaseerde chips een succes zijn in China, is onduidelijk. Het ligt voor de hand dat ze gebruikt worden in bijvoorbeeld systemen van de overheid, maar de grote Chinese datacenterbedrijven lijken er weinig interesse in te hebben, gezien hun plannen voor eigen chips en de vele alternatieven met andere architecturen.

Godson- en Loongson-processors

Eigen processors heeft China overigens al veel langer. In 2001 begon de ontwikkeling van de Godson-processors bij het instituut voor informatica aan de Chinese Academie van Wetenschappen. Aanvankelijk ging dat om processors met een 'mips-achtige' instructieset, maar later werd de productie gecommercialiseerd door Loongson en dat bedrijf heeft licenties afgenomen op de mips32- en mips64-architectuur van het Amerikaanse MIPS Technology.

De Godson-processors en latere Loongson-opvolgers worden veelvuldig gebruikt in computers van de Chinese overheid. Verschillende satellieten van China's BeiDou-navigatiesysteem zijn uitgerust met de processors. Loongson werkt ook samen met de makers van het Chinese besturingssysteem deepin, een Linux-distributie die gebaseerd is op Debian. Ook zijn de Loongson-processors in het verleden gebruikt in Chinese supercomputers, maar een echt grote doorbraak op het gebied van Chinese datacenters kwam er niet.

Vorig jaar introduceerde Loongson zijn eerste processors met de LoongArch-architectuur. Dat is een eigen instructieset waar het bedrijf naar eigen zeggen twintig jaar aan heeft gewerkt. Dat gaat om de 3A5000-quadcore voor pc's en de 3C5000 met zestien cores voor servers. Deze processors zouden vergelijkbaar presteren met de eerste generatie AMD EPYC-serverprocessors en het ontwerp zou daar ook op lijken.

Loongson 3A5000-processor

Huawei Kunpeng

Elektronicagigant Huawei heeft een eigen chipdivisie die sinds 2005 aan Arm-chips werkt: HiSilicon. Het bedrijf ontwerpt zijn eigen socs voor smartphones, maar introduceerde begin 2019 ook de Kunpeng 920-soc voor zijn TaiShan-servers. Dat is een chip met 64 cores met een kloksnelheid van maximaal 2,6GHz. Onder andere China Telekom gebruikt servers met Huaweis eigen chips. Ook heeft HiSilicon een desktopvariant uitgebracht. Dat gaat om een moederbord met een variant van de Kunpeng 920 met acht cores.

Huawei Kunpeng-processors

HiSilicon liet de Kunpeng 920 maken op het 7nm-procedé van TSMC en de chipontwerper had ook al de Kunpeng 930 en 950 op zijn roadmaps staan voor 2021 en 2023. De Kunpeng 930 zou een variant zijn met snellere cores en simultaneous multithreading, gemaakt op TSMC's 5nm-procedé.

Na de release van de Kunpeng 920 is het echter stil gebleven rond de Arm-serverprocessors van HiSilicon, omdat de chipontwerper in mei 2019 op de entity list van de Verenigde Staten werd gezet. Daardoor kan het bedrijf geen chips meer laten maken bij het Taiwanese TSMC en het Koreaanse Samsung. Die bedrijven gebruiken Amerikaanse technologie en vallen daardoor onder de beperkingen. Servers en computers op basis van de Kunpeng 920 zijn wel veelvuldig in gebruik genomen, omdat Huawei al veel bestellingen van die chips had geplaatst voordat de beperkingen van kracht waren.

Chinese gpu's met GTX 1080-prestaties

Met de schaarste op de markt voor videokaarten zou een Chinees alternatief voor de AMD Radeon- en Nvidia GeForce-kaarten meer dan welkom zijn. Verschillende Chinese fabrikanten werken aan eigen gpu's en Innosilicon heeft op papier de interessantste kaarten in huis. De chipontwerper, die in de afgelopen jaren vooral asics voor het minen van cryptocurrency uitbracht, kondigde halverwege vorig jaar zijn Fantasy One-gpu aan. Die is gebaseerd op het IMG BXT-ontwerp van Imagination.

Op een persconferentie demonstreerde de fabrikant volgens MyDrivers verschillende videokaarten op basis van die gpu, gericht op gebruik in desktops en in servers. De Fantasy One-gpu zou 5 teraflops aan rekenkracht bieden. Dat is op papier vergelijkbaar met de ruwe rekenkracht van een Nvidia GeForce GTX 1060. Innosilicon toonde echter ook een videokaart met een multichipontwerp met twee gpu's en dus 10 teraflops aan rekenkracht. De fabrikant demonstreerde bij zijn persconferentie een werkende videokaart in verschillende toepassingen, waaronder de Heaven-benchmark, maar scores werden niet getoond. Wat rekenkracht betreft zou die gpu overeenkomen met een GTX 1080 en courante api's, waaronder Vulkan en DirectX, zouden ondersteund worden.

Innosilicon-videokaarten met Fantasy One-gpu

Innosilicon wil zijn Fantasy One-gpu combineren met tot 16GB GDDR6X-geheugen en videokaarten uitrusten met HDMI 2.1 en een PCIe 4.0 x16-interface. Daarmee lijkt het bedrijf een interessant alternatief voor de videokaarten van AMD en Nvidia te maken, maar hoe het zit met driverondersteuning en softwareoptimalisaties voor games, is nog de vraag. Voorlopig is het afwachten tot de videokaarten daadwerkelijk verschijnen. Zoals het er nu naar uitziet, zullen die net als de Zhaoxin-processors gericht zijn op de Chinese markt.

Op welk procedé de Fantasy One gemaakt zal worden, is niet duidelijk. Innosilicon werkt samen met chipfabrikanten als TSMC en Samsung, en Imagination omschrijft zijn BXT-gpu als een 7nm-ontwerp. Productie op een 7nm-procedé ligt dan ook voor de hand.

Innosilicon heeft ook al al plannen bekendgemaakt voor opvolgers van zijn Fantasy One-gpu. Het bedrijf zegt dit jaar al 5nm-gpu's te willen produceren en van plan te zijn om jaarlijks twee of meer gpu's in massaproductie te nemen. Innosilicon zal die productie moeten uitbesteden bij bedrijven als TSMC en Samsung, want er zijn nog geen Chinese chipfabrieken die op 5nm- of 7nm-nodes kunnen produceren. Dat maakt concurreren op prijs met de gevestigde orde lastig, want de productielijnen op deze nodes zijn drukbezet.

Jingjia Micro-gpu's

Een ander Chinees bedrijf werkt aan gpu's die wel volledig in China gemaakt zouden kunnen worden. In september vorig jaar kondigde Jingjia Micro volgens MyDrivers aan dat het van plan is om in 2022 twee JM9-gpu's uit te brengen. Dat gaat om de JM9231 met 8GB GDDR5, die wat rekenkracht betreft vergelijkbaar moet zijn met de GeForce GTX 1050 en de JM9271 met 16GB HBM, die zich zou kunnen meten met de GTX 1080. Jingjia Micro kondigde de ontwikkeling van de gpu's al in 2019 aan en mikt met zijn topmodel op de prestaties van Nvidia's topmodel uit 2016. De gpu's zouden nog op een 28nm-procedé worden gemaakt.

Hoewel de Chinese fabrikant de prestaties vergelijkt met GeForce-gamingkaarten van Nvidia, is het niet waarschijnlijk dat de varianten van Jingjia Micro diezelfde doelgroep zullen bedienen. De snelste kaart is voorzien van duur high bandwith memory en dat maakt concurreren op prijs met de gevestigde orde lastig. Los daarvan is het succes van een gpu voor een groot deel afhankelijk van de software. De fabrikant noemt ondersteuning voor verschillende api's, zoals OpenCL en OpenGL, maar geen DirectX en Vulkan. Als dat ontbreekt, zijn de kaarten niet interessant voor gamers.

Hoewel de Chinese gpu's voorlopig niet kunnen opboksen tegen de modellen van de Amerikaanse chipontwerpers, passen de ontwerpen wel bij China's sterke drang om onafhankelijk te worden van buitenlandse leveranciers.

China doet mee aan de top met Arm-socs

China kan de concurrentie met x86-processors en gpu's van westerse bedrijven nog niet aan, maar als het om Arm-socs gaat, doen Chinese ontwerpen mee aan de top. Arm is momenteel in Japanse handen, maar het bedrijf heeft een eigen tak in China. Het geeft licenties uit op zijn chiparchitecturen en Chinese chipontwerpers kunnen daar zonder beperking gebruik van maken.

Huaweis HiSilicon heeft de geavanceerdste Arm-socs voor smartphones op zijn naam staan, maar er zijn nog tal van andere succesvolle Chinese Arm-chipontwerpers. Voorbeelden zijn Rockchip, Allwinner, Leadcore en Unisoc. De chips van deze bedrijven zitten onder andere in tv's, smartphones en tablets.

Sancties leggen vooruitgang Huawei stil

Tot enkele jaren terug was Huaweis HiSilicon de vooruitstrevendste maker van Chinese smartphonechips. Het bedrijf had in 2020 al een 5nm-soc: de Kirin 9000. Die chip zit sindsdien in vrijwel alle high-end toestellen van Huawei, maar door de handelsbeperkingen kan het bedrijf geen nieuwe chips meer laten maken door bijvoorbeeld TSMC. HiSilicon zag door alle beperkingen zijn marktaandeel en omzet verdampen.

HiSilicon Kirin 9000, Huaweis geavanceerdste Arm-soc voor smartphones

In 2020 behaalde HiSilicon volgens Gartner nog een omzet van ruim 8 miljard dollar. De beperkingen waren toen al van kracht, maar de chipfabrikant had vooraf flink ingekocht bij TSMC en kon dat jaar dus nog veel chips leveren aan Huawei. Vorig jaar bedroeg die omzet slechts 1 miljard dollar. Of en wanneer het bedrijf weer geavanceerde socs kan laten maken, is onduidelijk.

Door het wegvallen van Huawei is het wereldwijde marktaandeel van Chinese socs in smartphones gekrompen. Het aandeel van Unisoc ging omhoog en bedraagt volgens Gartner inmiddels 10 procent, maar die Chinese fabrikant maakt vooralsnog voornamelijk socs voor budgetapparaten. Vooral het Taiwanese MediaTek profiteerde van het verdwijnen van de HiSilicon-socs. Het bedrijf had In het derde kwartaal van 2020 voor het eerst het grootste marktaandeel en sindsdien heeft het die leidende positie niet meer weggegeven.

Chinese datacenterchips op 5 en 7nm

Een trend van de afgelopen jaren is dat de steeds maar groter wordende techgiganten hun eigen chips ontwerpen in plaats van die af te nemen bij bestaande processor- en gpu-fabrikanten. Apple doet dat voor zijn consumentenproducten; bedrijven als Microsoft, Facebook en Amazon doen dat voornamelijk voor hun datacenters. Daar zit het grote geld en vinden de geavanceerdste ontwikkelingen op chipgebied plaats. In China is dat niet anders. Diverse grote cloudproviders hebben vorig jaar hun eigen chips aangekondigd, die op 5 of 7nm zullen worden gemaakt.

Zo presenteerde Alibaba Cloud afgelopen oktober de Yitian 710, een Arm-processor met 128 cores die op 5nm wordt gemaakt. Daarnaast ontwerpt ZTE 5G-chips die op 5nm worden geproduceerd. Volgens Baidu begon vorig jaar de massaproductie van de Kunlun 2. Dat is een AI-accelerator die op 7nm wordt gemaakt. Ook de Chinese bedrijven H3C, Iluvator CoreX en Cambricon hebben 7nm-datacenterchips aangekondigd. Verder werken SiEngine en Horizon Robotics aan 7nm-chips voor autonome auto's.

Geavanceerde Arm-chips van Chinese bodem — Tape-outs van geavanceerde Arm-chips van Chinese bodem. Bron: Semiconductor Industry Association

Al deze Chinese chipontwerpers zijn voor het laten maken van hun chips afhankelijk van fabrikanten als TSMC en Samsung. Zolang ze niet op de entity list van de Verenigde Staten worden gezet, kunnen ze daar terecht. Als een bedrijf wel op die lijst terechtkomt, kan dat snel grote gevolgen hebben. De ontwikkelingen rondom Huaweis HiSilicon-chips laten dat duidelijk zien.

In april 2021 zette de Amerikaanse overheid verschillende Chinese fabrikanten die processors voor supercomputers maken, op de zwarte lijst. Daaronder valt bijvoorbeeld Tianjin Phytium Technology, de fabrikant van FeiTeng-processors. In 2020 verscheen de FeiTeng Tengyun S2500, een Arm-chip gemaakt op 16nm met maximaal 64 cores. Het bedrijf was van plan om in 2021 de S5000-opvolger uit te brengen. Die had gemaakt moeten worden op TSMC's 7nm-procedé, maar is niet verschenen vanwege de handelsbeperkingen. Ook de S6000-opvolger, die op 5nm gemaakt zou worden en dit jaar zou uitkomen, staat daardoor op losse schroeven.

Chipproductie: vallen en opstaan

Er zijn talloze Chinese chipontwerpers, maar die laten lang niet allemaal hun chips in China maken. Dat komt door een gebrek aan capaciteit en door de technologische achterstand die Chinese chipfabrikanten hebben doordat ze niet over de nieuwste chipmachines kunnen beschikken.

De grootste chipfabrikant van het land is Semiconductor Manufacturing International Corporation, ofwel SMIC. Dat beursgenoteerde bedrijf is deels in handen van de staat en heeft verschillende fabrieken, waar chips met 350nm- tot 14nm-procedés in massaproductie worden gemaakt. SMIC maakt naar eigen zeggen ook '7nm-achtige' chips, maar nog niet op grote schaal. SMIC noemt dat de N+1-node en geeft aan dat het geen daadwerkelijk 7nm-procedé is, maar dat er wel flinke verbeteringen zijn ten opzichte van het 14nm-procedé. Wat prestaties betreft zou het procedé 35 procent achterlopen op bijvoorbeeld TSMC's 7nm-node, schrijft EETimes.

Op het gebied van technologie loopt SMIC jaren achter op buitenlandse concurrenten als TSMC, Samsung en Intel. Ook is de capaciteit van de grootste Chinese chipfabrikant veel kleiner dan die van de grote drie. SMIC had in 2020 een omzet van zo'n 4 miljard dollar. Dat is nog geen 10 procent van de omzet van TSMC in datzelfde jaar. Bovendien komt verreweg de meeste omzet van SMIC uit de productie op 'volwassen procedés'. Dat gaat om de 28nm-nodes en groter.

Bij de presentatie van de kwartaalcijfers schaart SMIC de 14nm- en N+1-productie nog onder dezelfde categorie als de 28nm-productie. De kleinere nodes vallen onder de noemer finfet. De combinatie van 28nm en finfet was in het derde kwartaal van vorig jaar goed voor 18,2 procent van de omzet. Het is niet bekend hoeveel daarvan precies voortkomt uit de kleinste procedés, maar de keuze van de fabrikant om dit niet te specificeren, geeft waarschijnlijk al aan dat het finfet-aandeel nog erg klein is.

Naast SMIC zijn er in China meer chipfabrikanten, waaronder Hejian Technology Corporation en Hua Hong Semiconductor. Deze richten zich op eenvoudigere procedés, zoals 90 en 110nm. Dergelijke chips zijn makkelijker te maken en de techniek is nog steeds geschikt voor tal van componenten in elektronica of auto's. Deze fabrikanten richten zich niet op het ontwikkelen van de nieuwste procedés voor het maken van de geavanceerdste chips. SMIC is momenteel de enige chipfabrikant in China met de ambitie om mee te doen aan de top, maar dat wordt zo goed als onmogelijk gemaakt sinds het bedrijf in 2020 door de Amerikaanse overheid op de entity list is gezet. Daardoor kan het bedrijf geen chipmachines kopen die gebruikmaken van Amerikaanse technologie.

Sleutelrol voor Nederland

Nederland vervult een cruciale rol op de markt voor de wereldwijde chipproductie. ASML uit Veldhoven is het enige bedrijf ter wereld dat de lithografiemachines maakt die nodig zijn om chips met extreem ultraviolet licht te produceren. Dergelijke euv-chipmachines zijn noodzakelijk om chips te maken op 5nm-procedés en kleiner.

De nieuwste euv-chipmachines van ASML kosten 200 miljoen tot 300 miljoen euro per stuk. Dat geld opbrengen is voor China waarschijnlijk geen probleem, maar de fabrikant uit Veldhoven mag de systemen niet aan China verkopen. ASML had rond 2018 al een deal gesloten met een Chinese chipmaker voor het leveren van een euv-chipmachine, maar omdat de Nederlandse overheid een bestaande exportlicentie niet verlengde, is die machine nooit geleverd. Het ligt voor de hand dat het een bestelling was van SMIC.

Volgens ingewijden hebben hooggeplaatste ambtenaren uit de Verenigde Staten al vanaf 2018 gelobbyd bij de Nederlandse overheid om de verkoop van ASML's euv-chipmachines aan China te verbieden. De apparatuur valt onder het Wassenaar Akkoord; een internationaal verdrag voor de regulering van de export van wapens. Daarin staat een clausule over dual-use-technologie. Dergelijke technologie kan zowel voor commerciële als militaire toepassingen worden gebruikt. De euv-chipmachines worden daaronder geschaard. Feitelijk is er momenteel geen Nederlands exportverbod, maar daar komt het in de praktijk wel op neer. Nadat de exportlicentie in 2019 niet werd verlengd, is daarover geen definitieve beslissing genomen en het is niet bekend wanneer dat wel zal gebeuren.

In januari benadrukte ASML-ceo Peter Wennink nogmaals dat het bedrijf geen toestemming heeft van de Nederlandse overheid om zijn geavanceerdste chipmachines te verkopen aan China. Wennink zei vorig jaar volgens Politico dat ASML het niet eens is met het beperken van China's toegang tot de nieuwste chipmachines. Dergelijke blokkades leiden volgens de ceo tot een versnelling van de Chinese inspanningen om onafhankelijk te worden op gebied van technologie en dat zou op de lange termijn nadelig zijn voor Europa.

ASML mag wel oudere chipmachines leveren. Dat gaat om de deep ultraviolet light-modellen, ofwel duv-chipmachines. Vorig jaar verlengden ASML en SMIC een inkoopoverenkomst voor dergelijke machines. Ook met duv-machines kan de Chinese chipindustrie zich nog flink ontwikkelen. '10nm is ook heel geavanceerd', merkte Wennink begin vorig jaar terecht op in een interview met Tweakers.

Miljardeninvesteringen in oude technologie

Hoewel China geen toegang heeft tot de nieuwste chipmachines, investeert het land miljarden in zijn chipfabrieken. Met de komst van de Amerikaanse handelsbeperkingen zijn de investeringen verder opgevoerd. Eind 2019 kondigde de overheid een investeringsplan aan waarmee omgerekend zo'n 26 miljard euro was gemoeid en volgens analisten heeft China in 2020 voor 28 miljard euro aan chipmachines gekocht. De Amerikaanse Semiconductor Industry Association zegt dat er in 2021 in China plannen zijn gemaakt voor 28 nieuwe chipfabrieken, voor in totaal 23 miljard euro. Daarbij merkt de vereniging op dat de bedragen die daadwerkelijk worden uitgegeven, vaak veel hoger zijn dan de aangekondigde investeringen.

Nieuwe chipfabrieken in China. Afbeelding: Semiconductor Industry Association

De plannen voor 28 nieuwe chipfabrieken in een jaar klinken indrukwekkend, maar het bedrag dat daarvoor is uitgetrokken, geeft aan dat dit relatief kleine projecten zijn. Het grootste deel van het geld gaat naar de SMIC-fabrieken in aanbouw. De grootste en duurste nieuwe fabriek is een fab die een kleine 8 miljard euro kost. SMIC gaat daar chips maken op 28nm en grotere procedés.

In 2014 kondigde de Chinese overheid plannen aan om in 2030 een vooraanstaande chipproducent te zijn. Het land zegde toe daar omgerekend zo'n 133 miljard euro in te investeren in die periode. Destijds klonk dat als een enorm bedrag, maar inmiddels vallen die miljarden in het niet bij de investeringen die de huidige chipgiganten doen, aangewakkerd door de wereldwijde chiptekorten.

Het Taiwanese TSMC kondigde vorig jaar aan in de komende drie jaar 85 miljard euro uit te geven aan uitbreiding van zijn fabrieken. Dat komt boven op een eerder aangekondigde investering van 24 miljard euro. Zuid-Korea presenteerde vorig jaar de K-semiconductor Strategy. Volgens het land hebben chipbedrijven toegezegd om samen voor 373 miljard euro te investeren in de chipindustrie in een periode van tien jaar. Een groot deel van die investeringen staat op naam van Samsung. Intel stopt 35 miljard euro in de bouw van nieuwe chipfabrieken in de Verenigde Staten en wil tot aan 2031 maximaal 80 miljard euro investeren in de Europese chipproductie.

Grote belofte Tsinghua Unigroup ging bijna failliet

De miljardeninvesteringen in chipfabrieken zijn niet altijd succesvol. Verschillende veelbelovende projecten zijn niet van de grond gekomen of hebben gefaald. The Wall Street Journal schreef onlangs in een overzichtsartikel dat in de afgelopen drie jaar minimaal zes grote Chinese chipprojecten hebben gefaald. Onder andere Hongxin Semiconductor Manufacturing Co, dat de concurrentie had moeten aangaan met SMIC, ging ten onder. Volgens de South China Morning Post werd HSMC in 2018 opgericht om 14nm-chips te produceren, maar ondanks drie jaar van investeringen is er nooit een chip geproduceerd. Vorig jaar werden alle werknemers ontslagen.

Tsinghua Unigroup was een van de grote beloften voor de Chinese chipmarkt. Het bedrijf, waarin de staat een meerderheidsbelang heeft, deed in 2015 een poging om de Amerikaanse geheugenfabrikant Micron over te nemen voor 23 miljard dollar. Micron wees die overname af, omdat het bedrijf de poging geen kans van slagen gaf vanwege bezwaren van de Amerikaanse overheid. In datzelfde jaar kondigde Tsinghua Unigroep aan de ambitie te hebben om de derde grootste chipfabrikant van de wereld te worden. Het bedrijf trok daarvoor zo'n 42 miljard euro uit.

Tsinghua had zijn zinnen gezet op de markt voor dram- en nandgeheugen. In 2017 trok het nog eens 28 miljard euro uit voor de bouw van een nieuwe geheugenfabriek en kondigde de Chinese overheid nog een miljardeninvestering aan. Ondanks de miljardeninvesteringen stevende Tsinghua halverwege 2021 af op een faillissement doordat het leningen niet op tijd kon betalen. Onder druk van investeerders is het bedrijf dit jaar een herstructurering gestart en als onderdeel daarvan wordt waarschijnlijk de bouw van diverse geplande chipfabrieken geschrapt, schrijft Nikkei.

Tsinghua is wellicht een vrij onbekende naam, maar het is onder meer het moederbedrijf van Unisoc, de ontwerper van Arm-socs voor smartphones. Ook is het de eigenaar van de Chinese geheugenfabrikant Yangtze Memory Technologies Corp.

Ondanks de problemen bij Tsinghua, is YMTC wel succesvol. De geheugenfabrikant begon vorig jaar met de productie van 3d-nandgeheugen met 128 lagen. Volgens Tech Insights kan het bedrijf daarmee concurreren met de geavanceerde nandproducten van andere fabrikanten. Euv-chipmachines zijn niet essentieel voor nandgeheugenproductie, dus het gebrek daaraan staat Chinese fabrikanten niet in de weg.

Chinese alternatieven voor ASML?

China staat bekend om zijn vermogen om in korte tijd met een eigen versie van een bestaand product te komen, zelfs als het land daar officieel geen toegang toe heeft. De kans dat China binnen afzienbare termijn chipmachines kan maken die ook maar enigszins kunnen concurreren met die van ASML, is desondanks erg klein. Dat heeft te maken met de enorme complexiteit van de machines en de manier waarop ze worden gemaakt. ASML zet de machines in elkaar, maar ze bestaan uit talloze gespecialiseerde onderdelen die door honderden bedrijven worden gemaakt. ASML werkt met al die bedrijven nauw samen. Veelal is ASML hun enige of in ieder geval de belangrijkste afnemer.

Over eventuele concurrentie uit China zei ASML-ceo Peter Wennink onlangs: "Ik zeg niet dat het niet kan; de natuurkundige wetten zijn in China dezelfde als hier, maar de synergie van al die honderden bedrijven, dat wordt moeilijk om te repliceren. Je moet naar al die plekken waar ze die enorm complexe dingen doen die niemand anders op deze planeet kan doen."

ASML Peter Wennink — ASML-ceo Peter Wennink

SMEE: China's ASML

China's voornaamste fabrikant van lithografiemachines is Shanghai Micro Electronics Equipment. SMEE is opgericht in 2002 en levert verschillende chipmachines aan bedrijven als SMIC, Hua Hong Semiconductor en YMTC. De geavanceerdste machine van het bedrijf is momenteel een model dat 90nm-chips kan maken.

Volgens een analyse van EqualOcean, een onderzoeksbureau voor investeerders, werkt SMEE aan een lithografiemachine voor productie op 28nm. Met multiple patterning, het verschillende keren belichten van de wafer, moet SMEE volgens het bureau in staat zijn om machines te maken die 7nm-chips kunnen produceren. Daarvoor is SMEE afhankelijk van de vooruitgang bij zijn toeleveranciers. EqualOcean merkt op dat RSLaser Opto-Electronics Technology de leverancier is van de lichtbron. Dat bedrijf maakt nu ArF-lasers van 40W en 4kHz. Een 28nm-chipmachine van ASML gebruikt een 60W-6kHz-variant. Volgens EqualOcean moet de laserfabrikant dus nog een flinke stap zetten voordat SMEE zijn 28nm-machine kan maken. Een eventuele verdere ontwikkeling daarvan om tot 7nm-chips te komen, kan dan ook nog jaren op zich laten wachten.

5nm-alternatief zonder euv lijkt utopie

Eind 2020 kwam uit China het bericht dat er een doorbraak was bereikt met laser direct writing. Daarmee is het mogelijk om wafers direct op nanoniveau te beschrijven, met als voordeel dat er geen dure maskers nodig zijn, zoals bij euv-lithografie. Chinese onderzoeksinstituten stelden dat daarmee de grondslag werd gelegd voor het maken van zelfontwikkelde 5nm-chipmachines.

Begin vorig jaar sprak Tweakers met Wennink, die daar toen over zei: "Dit soort claims moet je plaatsen in hun context. Ze kunnen nergens naartoe. De laser direct writing-technologie is experimenteel; die is nog mijlenver verwijderd van volumeproductie." Volgens Wennink is het wel mogelijk om met de technologie bijvoorbeeld in kleine oplages heel geavanceerde chips te maken voor militaire toepassingen, zoals drones of raketten. Hoe de ontwikkelingen er inmiddels voor staan, is onduidelijk.

Eerste exascalesupercomputers in China

Ondanks de beperkingen die aan Chinese chipbedrijven zijn opgelegd, heeft China de eerste ronde van de 'exascalerace' gewonnen. Eind vorig jaar heeft het land de eerste exascalesupercomputers ter wereld in gebruik genomen. Het gaat onder andere om de Sunway OceanLight, de opvolger van de TaihuLight, van het National Supercomputing Center in Wuxi.

Het bestaan van dit systeem en de rekenkracht zijn aan het licht gekomen bij de bekendmaking van de nominaties voor de Gordon Bell Prize. Die staat officieus bekend als de 'Nobelprijs voor supercomputing' en wordt jaarlijks uitgereikt door de Association for Computing Machinery aan een vooruitstrevend project op het gebied van high-performance computing.

De prijs ging naar een team van veertien Chinese onderzoekers, voor hun paper getiteld: Closing the 'quantum supremacy' gap: achieving real-time simulation of a random quantum circuit using a new Sunway supercomputer. Daarin laten de onderzoekers zien hoe ze de nieuwe supercomputer gebruiken om een quantumcomputer te simuleren. Een ander onderzoek dat werd genomineerd, maakte gebruik van dezelfde supercomputer. Dat gaat om de paper met de titel: Extreme-scale ab initio quantum raman spectra simulations on the leadership hpc system in China.

SW26010Pro-processor in Sunway OceanLight-supercomputer

In de papers staat een omschrijving van de opbouw en rekenkracht van het systeem. Sunway OceanLight heeft volgens de auteurs 1,2 exaflops aan single-precisionrekenkracht en bestaat uit 107.520 SW26010Pro-processors, die per stuk 390 cores met een kloksnelheid van 2,25GHz bevatten. Daarmee heeft het systeem in totaal een kleine 42 miljoen cores.

De processors zijn varianten van de SW26010 uit 2016, die in de Sunway TaihuLight-supercomputer zit. Dat is een processor op basis van de Sunway-architectuur, een in China gemaakte 64bit-RISC-architectuur. De variant uit 2016 heeft een kloksnelheid van 1,45GHz, heeft 260 cores per cpu en werd gemaakt op een 28nm-procedé van SMIC. Het is niet bekend waar de nieuwe processors worden gemaakt, maar gezien de hogere kloksnelheden en het hogere aantal cores lijkt de 14nm-node van SMIC een voor de hand liggende keuze.

Supercomputer	Rekenkracht	Cores totaal	Processor	Geheugen	Architectuur	Procedé
Sunway OceanLight	1,2 exaflops	41.932.800	Sunway SW26010P	DDR4	RISC, 64bit	14nm?
Sunway TaihuLight	125 petaflops	10.649.600	Sunway SW26010	DDR3	RISC, 64bit	SMIC 28nm

Het Sunway OceanLight-systeem staat nog niet op de Top500-lijst van supercomputers, omdat er geen inzending voor is gedaan. Volgens die lijst is de snelste supercomputer ter wereld sinds halverwege 2020 de Fugaku in Japan. Die supercomputer is gebaseerd op A64FX-processors van Fujitsu die op 7nm zijn gemaakt. Dat systeem heeft in totaal 7,6 miljoen Arm-cores en haalt piekprestaties van 537 petaflops. Dat is ongeveer de helft van de nieuwe Chinese supercomputer.

Tianhe-3 met geschatte piek van 1,7 exaflops

Volgens hpc-expert David Kahaner zijn er in China al meer exascalecomputers in gebruik genomen. Hij deelde details daarover in een presentatie, die werd bijgewoond door HPCwire. Volgens Kahaner is eind oktober 2021 de Tianhe-3-supercomputer in gebruik genomen. Die zou gebaseerd zijn op Phytium FeiTeng-processors en Matrix-accelerators. Het zou gaan om de FT-2000+/64. Dat is een Armv8-soc met 64 cores, die in 2019 werd geïntroduceerd en door TSMC wordt gemaakt op 16nm.

De processors zouden zijn ontwikkeld nadat China door handelssancties geen Xeon Phi-processors van Intel meer kon aanschaffen. Dat het om al wat oudere chips gaat, blijkt ook uit het feit dat ze nog door TSMC zijn gemaakt. Phytium staat inmiddels op de entity list van de Verenigde Staten, waardoor de Chinese fabrikant zijn chips niet meer bij TSMC kan laten maken.

Kahaner noemt nog een derde exascalesysteem, met een geplande rekenkracht van 2 exaflops, dat dit jaar gereed had moeten zijn. Het gaat om een systeem van het National Supercomputing Center in Shenzen, dat geleverd had moeten worden door supercomputerfabrikant Sugon. Dat zou echter zijn stukgelopen, mede vanwege Amerikaanse sancties tegen dat bedrijf.

Vroege voorsprong, maar hoelang?

Dat China als eerste de exascalebarrière heeft geslecht, bovendien met chips die in eigen huis zijn gemaakt, zegt veel over de ambities en de mogelijkheden van het land. De voorsprong komt echter ook door uitstel van Amerikaanse exascalesystemen. Het leek er in de afgelopen jaren op dat de Verenigde Staten de eerste plek op de ranglijst van supercomputers zouden terugpakken en als eerste een exascalesysteem operationeel zouden hebben. De in 2019 aangekondigde Aurora-supercomputer met Intel-hardware had vorig jaar af moeten zijn, maar door vertragingen bij Intel is dat systeem uitgesteld. Aurora staat nu op de planning voor dit jaar, met een rekenkracht van 2 exaflops.

Ook dit jaar moet Frontier gereed zijn, een Amerikaans exascalesysteem met AMD Epyc-processors en een rekenkracht van 1,5 exaflops. Daarnaast staat El Capitan op de planning voor 2023. Dat systeem met AMD Zen4-cores en Radeon Instinct-gpu's zou 2 exaflops halen.

Het is de vraag hoe China zijn exascalesystemen verder kan ontwikkelen. Alle grote Chinese supercomputerfabrikanten staan op de entity list van de Verenigde Staten, waardoor ze niet zomaar chips kunnen laten maken bij bijvoorbeeld TSMC. Het is niet bekend hoelang dat zo blijft, maar als daar geen verandering in komt, zou China zijn toekomstige supercomputers nog flink kunnen opschalen als SMIC zijn '7nm-achtige' procedé goed op gang krijgt.

Hoever is China en hoe verder?

China produceerde volgens het nationale statistiekbureau vorig jaar bijna 360 miljard chips. De Chinese douane maakte in zijn jaaroverzicht bekend dat China in datzelfde jaar zo'n 6359 miljard chips importeerde. China's ambitieuze plan om in 2025 in staat te zijn om 70 procent van de benodigde chips op eigen bodem te maken, lijkt dan ook een utopie. Afgaande op de import- en exportcijfers zou China nog niet eens kunnen voorzien in 6 procent van de chips die het jaarlijks gebruikt. Dat zijn echter niet allemaal chips die China zelf nodig heeft. Een aanzienlijk deel van die chips zit in de consumentenelektronica, auto's en huishoudelijke apparaten die China naar andere landen exporteert. Het is daardoor niet duidelijk hoe zelfvoorzienend China momenteel precies is.

Marktaandeel chipfabrikanten volgens TrendForce

Bovenstaande cijfers gaan om aantallen, maar het aandeel op de chipmarkt wordt veelal gemeten in omzet. Chips variëren immers van spotgoedkoop en zeer eenvoudig tot extreem geavanceerd en peperduur. De recentste cijfers van TrendForce laten zien dat er wat omzet betreft eind vorig jaar twee Chinese chipfabrikanten in de top tien stonden. Dat zijn SMIC en HuaHong, met een wereldwijd marktaandeel van zo'n 5 en 3 procent.

IC Insights becijferde begin vorig jaar dat er in 2020 in China voor 22,7 miljard dollar aan chips werd geproduceerd. Dat was toen goed voor 5,7 procent van de wereldwijde markt en voor 15,9 procent van de Chinese chipmarkt. Een groot deel van deze productie komt echter uit Chinese fabrieken van niet-Chinese bedrijven, zoals TSMC. Het aandeel chips dat door bedrijven met een Chinees hoofdkwartier werd gemaakt, was goed voor 5,8 procent van de Chinese chipmarkt. Dat cijfer zal inmiddels wat gestegen zijn, maar volgens het Made in China 2025-plan had het percentage in 2020 al op 40 moeten liggen en dat wordt bij lange na niet gehaald. IC Insights denkt dat het percentage van in China geproduceerde chips in 2025 zo'n 19,4 zal bedragen.

Dat China zijn gestelde doelen niet haalt, betekent niet dat de ontwikkelingen langzaam gaan. De chipproductie in China groeit snel. Volgens de Amerikaanse Semiconductor Industry Association bedroeg de omzetgroei in 2020 ruim 30 procent. Daarmee had China volgens de SIA zo'n 9 procent van de totale markt in handen. Dat was meer dan Taiwan en vergelijkbaar met Japan en Europa. Als de groei in dezelfde mate doorzet, denkt de SIA dat China in 2024 goed is voor 17 procent van de markt. Daarmee zou het in de buurt komen van Zuid-Korea.

Groeicijfers chipmarkt volgens Semiconductor Industry Association

Groeien in volume

Wat chipproductie betreft kan China in de komende jaren flink blijven groeien in volume. De grote aantallen zitten niet in de 7nm-chips en kleiner, maar in de simpele chips die kosteneffectief gemaakt worden op oude procedés. Ook chips voor de auto-industrie en iot-toepassingen worden veelal op volwassen nodes gemaakt en dat zijn de markten waarop de grote volumes omgaan. Verder kan China een grote rol spelen op de markt voor geheugen. Geheugenchips worden niet op de nieuwste procedés gemaakt en bedrijven als YTMC hebben al laten zien dat ze kunnen concurreren met de gevestigde orde op de geheugenmarkt.

De achterstand in technologie neemt echter toe zolang het land door handelsbeperkingen geen toegang heeft tot de euv-chipmachines van ASML. Om eigen systemen van chips te voorzien, zijn de nieuwste technieken niet per definitie nodig, maar om op termijn concurrerend te kunnen zijn met de rest van de wereld, moet China daar een oplossing voor zien te vinden. Dat China binnen enkele jaren zelf met een alternatief voor de ASML-machines op de proppen komt, is zeer onwaarschijnlijk.

Een saillant detail is dat een groot deel van 's werelds geavanceerdste chips gemaakt wordt door TSMC in Taiwan. China ziet Taiwan als een afvallige provincie en wil die graag 'herenigen'. Spanningen daaromtrent zijn er al jaren, maar de laatste tijd lopen die flink op, mede door de belangen die spelen in de chipindustrie. De gevolgen van een eventuele Chinese inval in Taiwan zouden door de prominente rol van TSMC op de chipmarkt wereldwijd te voelen zijn.

Volgens Nikkei Asia is de Chinese overheid van plan om een organisatie op te zetten voor een samenwerking tussen Chinese en buitenlandse chipbedrijven. China zou de banden willen aanhalen met Intel, AMD, ASML en Infineon. Vanuit China zouden onder andere SMIC en Xiaomi worden betrokken. Door buitenlandse bedrijven subsidies te geven zou China het aantrekkelijk willen maken om te investeren in de Chinese chipindustrie. Dat moet dan bijvoorbeeld resulteren in joint ventures zoals die van het Taiwanese VIA Technologies en Shanghai, wat resulteerde in de Zhaoxin x86-processors. Met de huidige handelsbeperkingen lijken dergelijke samenwerkingen echter onwaarschijnlijk. Officieel zijn de plannen nog niet aangekondigd.

Iedereen wil marktleider worden

Met de komst van de chiptekorten van de afgelopen jaren is de wereldwijde politiek wakker geschud en worden er tal van initiatieven opgezet om meer grip te krijgen op de chipindustrie. Europa wil met allianties zijn chipsector versterken en daar miljarden in investeren om in de komende acht jaar zijn marktaandeel te verdubbelen en uiteindelijk marktleider te worden.

In de Verenigde Staten is begin vorig jaar de Chips for America Act aangenomen. 'Chips' staat daarin voor Creating helpful incentives to produce semiconductors en met het plan is 50 miljard dollar gemoeid. Vervolgens werd er een lobbyclub opgericht waarbij vrijwel de wereldwijde chipindustrie is aangesloten, met uitzondering van Chinese bedrijven. Deze club pleit voor het daadwerkelijk toezeggen van investeringen.

Door deze wereldwijde honger naar meer controle over de chipmarkt, wordt het voor China alleen maar lastiger om zijn Made in China-plannen waar te maken. Het doel om 70 procent van de benodigde chips zelf te maken, werd in 2015 vastgelegd. De chipindustrie was toen veel kleiner dan nu en er was veel minder aandacht voor. Vorig jaar in maart presenteerde China zijn veertiende vijfjarenplan, met daarin de doelen voor 2021 tot 2025. Ook daarin heeft het land veel aandacht voor de ontwikkeling van eigen chips en chipmachines, maar er staan geen concrete cijfers of verwachtingen in. Marktleider worden in volume of op het gebied van technologische voorsprong blijft voor China in de komende jaren een utopie, maar dat neemt niet weg dat de chipindustrie van het land flink zal blijven groeien.

Chinese chipbedrijven en de Amerikaanse entity list

Onderstaande tabel bevat een overzicht van alle Chinese chipbedrijven die in dit artikel zijn besproken. De oranje gemarkeerde bedrijven staan op de entity list, de groen gemarkeerde bedrijven niet. Bedrijven die op de lijst staan, kunnen niet of beperkt handelen met Amerikaanse bedrijven en met bedrijven die Amerikaanse technologie gebruiken.

Bedrijf	Omschrijving
Huawei	Elektronicagigant
HiSilicon	Divisie van Huawei die chips ontwerpt
Thatic	Licentiehouder AMD Zen1-cores
Hygon	Serverprocessorontwerper
Jingjia Micro	Gpu-ontwerper
H3C (New H3C Semiconductor Technologies Corporation)	Joint venture van HPE en Tsinghua Unigroup
Tianjin Phytium Information	Ontwerper van FeiTeng-processors
SMIC (Semiconductor Manufacturing International Corporation)	China's grootste chipfabrikant
SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment)	China's voornaamste fabrikant van chipmachines
Sunway Microelectronics	RISC-processorontwerper
National Supercomputing Center Wuxi (NSCC-WX)	Exascalesupercomputer Sunway OceanLight
National Supercomputing Center Tianjin (NSCC-TJ)	Exascalesupercomputer Tianhe-3
Zhaoxin	Ontwerper x86-processors
Loongson	Processorontwerper
Innosilicon	Gpu-ontwerper
Unisoc	Ontwerper Arm-socs
Rockchip	Ontwerper Arm-socs
Allwinner	Ontwerper Arm-socs
Leadcore	Ontwerper Arm-socs
Arm China	Ontwerper chiparchitecturen
Alibaba Cloud	Ontwerper Arm-socs voor servers
Baidu	Ontwerper Arm-socs voor servers
ZTE	Chip-ontwerper voor netwerkapparatuur
Cambricon	AI-chipontwerper
Illuvator CoreX	AI-chipontwerper
SiEngine	AI-chipontwerper
Horizon Robotics	AI-chipontwerper
Hejian Technology Corporation	Chipfabrikant
Hua Hang Semiconductor	Chipfabrikant
Tsinghua Unigroup	Eigenaar van o.a. Unisoc en YMTC
YMTC (Yangtze Memory Technologies Corporation)	Geheugenfabrikant

Inhoudsopgave

1. Concurrentie voor AMD en Intel?
2. Chinese gpu's met GTX 1080-prestaties
3. China doet mee aan de top met Arm-socs
4. Chipproductie: vallen en opstaan

5. Chinese alternatieven voor ASML?
6. Eerste exascalesupercomputers in China
7. Hoever is China en hoe verder?
20Reacties

Multipage-opmaak

Concurrentie voor AMD en Intel?

Chinese processors

Licentie op AMD's Zen 1-cores

Godson- en Loongson-processors

Huawei Kunpeng

Chinese gpu's met GTX 1080-prestaties

Jingjia Micro-gpu's

China doet mee aan de top met Arm-socs

Sancties leggen vooruitgang Huawei stil

Chinese datacenterchips op 5 en 7nm

Chipproductie: vallen en opstaan

Sleutelrol voor Nederland

Miljardeninvesteringen in oude technologie

Grote belofte Tsinghua Unigroup ging bijna failliet

Chinese alternatieven voor ASML?

SMEE: China's ASML

5nm-alternatief zonder euv lijkt utopie

Eerste exascalesupercomputers in China

Tianhe-3 met geschatte piek van 1,7 exaflops

Vroege voorsprong, maar hoelang?

Hoever is China en hoe verder?

Groeien in volume

Iedereen wil marktleider worden

Chinese chipbedrijven en de Amerikaanse entity list

Inhoudsopgave

Lees meer

De wereldwijde strijd om chipproductie

Canon drukt stempel op chipindustrie

De chipstrijd tussen Amerika en China

ASML's toekomstplannen

Exascale-chips van eigen bodem

Ontwikkelingen in de chipindustrie

Hoe worden chips gemaakt?

Reacties (20)

Sorteer op:

Weergave: