Naroči
se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!
Navite cene čipov, tako grafičnih, procesorskih kot pomnilniških, v zadnjem letu poganja izjemno veliko povpraševanje po sistemih za poganjanje modelov umetne inteligence. Kot da to ne bi bilo dovolj, je nova vojna na Bližnjem vzhodu poskrbela za šoke na energetskem trgu in podražitve energentov. Ker pa za proizvodnjo čipov potrebujemo tudi helij, katerega tretjino proizvaja Katar, ki je marca prekinil proizvodnjo, grozi pospešek rasti cen.
Cisterne za transport utekočinjenega helija. Slika: QatarEnergy
Da je pridobivanje različnih oblik fosilnih goriv med seboj povezano, se zdi logično. Pogosto sta nafta in zemeljski plin na istih nahajališčih, medtem ko za premog to načelno ne drži. A vsem je skupno, da so nastali iz delno razkrojenih ostankov prazgodovinskih organizmov, ki so se v milijonih let v okolju brez kisika pretvorili v bolj ali manj hlapne ogljikovodike. Ker so njihova nahajališča neenakomerno razporejena po svetu, kot nalašč pretežno v politično manj stabilnih regijah, vojne često vplivajo na preskrbo s temi energenti.
Marsikoga je presenetila najava podjetja QatarEnergy, da do nadaljnjega ustavljajo proizvodnjo in dobavo helija. Katar ni nepomemben igralec, saj poskrbi za dobro tretjino svetovne proizvodnje helija. Lani je dobavil 63 milijonov kubičnih metrov helija, s čimer je na drugem mestu za 81 milijoni kubičnih metrov iz ZDA. Svetovna proizvodnja je znašala okoli 185 milijonov kubičnih metrov. Trenutne cene helija so se v nekaj dneh podvojile. A kako neki helij proizvaja naftno podjetje in zakaj je pomemben v tehnološkem sektorju?
Od kod helij
Helij sodi med večje kozmične ironije. Poleg vodika (in sledov berilija in litija) je edini primordialni element, ki je večidel nastal v zgodnjem vesolju in ne v zvezdah. V vesolju ga je zato ogromno, približno četrtina vse vidne (običajne) snovi je helij, preostanek pa vodik. To nam na Zemlji sicer bolj malo koristi, ker je helij najmanj reaktiven plin in drugi najlažji. Zaradi svoje majhne gostote in mase ga Zemljino gravitacijsko polje težko zadrži in iz atmosfere ves čas odteka v vesolje, v težjih molekulah pa ne more obstati, ker jih ne tvori. Helijeva dva elektrona sta tako zadovoljna sama s seboj, da atom pri običajnih pogojih ne tvori nobenih kemijskih vezi. Njegove spojine so sila redke in stabilne le v ekstremnih pogojih, zaradi česar niso nič več od znanstvenih zanimivosti.
Čipov brez helija ni mogoče proizvajati.
Kazalo bi, da helija na Zemlji pač ne bomo imeli nič več kot v vesolju – kjer ga je ogromno, a je tako razredčen, da si z njim ne moremo nič pomagati –, pa k sreči ni čisto tako. Helijeva jedra, ki po nastanku takoj ukradejo tako želena elektrona iz soseščine, so produkt jedrskega razpada alfa, ki mu je podvrženih ogromno radioaktivnih jeder, denimo še vedno naravno prisotna uran in torij. Pod zemljo že štiri milijarde let nastaja helij, ki se mu vedno ne uspe prebiti na površje, od koder bi ušel v vesolje. Ta radioaktivni razpad je glavni vir zemeljskega helija.
Proizvajalci helija v letu 2025. Podatki: USGS in Reuters
Helij, ki nastane globoko pod zemljo, tam tudi ostane. Na enak način je pod zemljo ujet zemeljski plin, katerega iskanje in črpanje je iz razumljivih razlogov izjemno razvita industrija. Praktična posledica je sovpad nahajališč. Največji viri helija so nahajališča zemeljskega plina, ki ob posebej ugodnih pogojih lahko vsebujejo do sedem odstotkov helija. To je za plin, ki ga je v ozračju pet milijonink, ogromno. Ocenjene zaloge dostopnega helija znašajo 31 milijard kubičnih metrov. V zraku ga je še precej več (35.000 milijard kubičnih metrov), a je preveč razredčen, da bi ga lahko pridobivali.
Vojna v Ukrajini – Neona ni zmanjkalo
Pred štirimi leti smo pisali o motnjah v proizvodnji neona (Dodatno pomanjkanje čipov zaradi – pomanjkanja neona?, Monitor 04/22), ki jih je povzročila vojna v Ukrajini. Tedaj sta ukrajinski podjetji Ingas in Cryoin proizvajali tri četrtine svetovnega neona dovolj velike čistoti, da je bil primeren za uporabo v laserjih za izdelavo čipov.
To ni bil prvi preplah, saj je ta nastal že v letih 2015-2016, ko je Rusija priključila Krim. Številni porabniki neona so tedaj diverzificirali svoje nabavne verige, spremenili postopke, da potrebujejo manj neona, in ga začeli tudi reciklirati. Zgradili so tudi nekaj novih obratov za njegovo proizvodnjo, ker je njegov vir zrak, torej lahko neon proizvajamo kjerkoli.
Skrbi iz leta 2022 se zato niso izkazale kot upravičene. Kratkotrajnemu šoku je sledila prilagoditev trga. Največji proizvajalec neona je postala Kitajska, sledijo ZDA, Južna Koreja, Japonska in Južna Afrika. Obenem se je proizvodnja čipov modernizirala in potrebuje manj neona, nova litografija (EUV) pa sploh nič več. Kjer neon še uporabljajo, so implementirali metode za zajem in recikliranje, s čimer se je poraba še zmanjšala.
Tudi cene so se stabilizirale. Po več kot 600-odstotnem skoku leta 2022 so v naslednjih letih cene upadle in so danes že nižje kot leta 2021. Neona ni zmanjkalo, pomaga pa seveda dejstvo, da ga lahko pridobivamo iz zraka. Tam ga je skoraj štirikrat več kot helija, predvsem pa se utekočini pri bistveno višji temperaturi.
Pridobivanje helija iz zemeljskega plina, kateremu je primešan, je na konceptualni ravni preprosto. Helij ne tvori spojin in ima med vsemi snovmi najnižje vrelišče, zato je treba plin zgolj dovolj ohladiti, pa se bodo vsi ostali plini utekočinili. Helij se zares pridobiva s frakcionirno destilacijo, nato pa se vodi prek aktivnega oglja, ki absorbira še nekaj nečistoč, da dobimo 99,995-odstotno čist helij. Preostanek običajno predstavlja neon.
Katar
Še pred dvema desetletjema so bile ZDA glavni proizvajalec helija z več kot 80-odstotnim tržnim deležem, še 10 odstotkov pa ga je proizvajala Alžirija. V naslednjih letih je pomemben igralec postal Katar, ki danes na nahajališču Ras Laffan proizvede tretjino svetovnega helija. Glavni produkt tega obrata je seveda utekočinjeni zemeljski plin (LNG), a tamkajšnji helij je za svetovno gospodarstvo, čeprav kot stranski produkt, skoraj pomembnejši. Katar proizvede petino svetovnega LNG, a skoraj 35 odstotkov helija.
V visokih stolpih poteka frakcionirna destilacija helija. Slika: METenders.com
Kmalu po začetku najnovejše vojne na Bližnjem vzhodu konec februarja se je ustavil ladijski promet skozi Hormuško ožino, kar je prekinilo dobavo številnih energentov in surovin iz Zaliva. Ne gre le za nafto ali zemeljski plin, temveč tudi aluminij, baker in helij. Pri heliju pa ne gre le za težave s transportom, temveč je poškodovan obrat za njegovo proizvodnjo.
QatarEnergy je 2. marca sporočil, da so iranski brezpilotni letalniki zadeli kompleks Ras Laffan, kjer so morali zato ustaviti proizvodnjo. Dva dni pozneje je QatarEnergy, ki 90 odstotkov helija proda po dolgoročnih pogodbah, preostanek pa na promptnem/trenutnem trgu, razglasil obstoj višje sile (force majeure). Pogodb ne morejo več izpolnjevati, dobav helija ne bo, dokler se vojna ne konča, pa še potem bo trajalo nekaj tednov ali mesecev, da se razmere stabilizirajo.
Phil Kornbluth iz podjetja Kornbluth Helium Consulting je ob napadu ocenil, da ima svetovno gospodarstvo približno dva tedna časa, nato pa se bo pomanjkanje helija začelo občutiti. Največji porabniki bodo morali bodisi poiskati druge dobavitelje bodisi preseliti ali ustaviti svoje industrijske postopke. Kornbluth je to napovedal v začetku marca.
Posledice
Med najbolj prizadetimi državami je Južna Koreja, ki dve tretjini svojega helija uvozi iz Katarja. Hkrati sta v Južni Koreji podjetji Samsung in SK Hynix, ki skupaj z ameriškim Micronom tvorita sveto trojico proizvajalcev pomnilnika. Tega zaradi norega povpraševanja po umetni inteligenci že tako in tako zmanjkuje in se draži, zdaj pa težave povzroča še pomanjkanje helija. Čipov brez helija ni mogoče proizvajati.
Južnokorejsko ministrstvo za trgovino, industrijo in vire je takoj po začetku vojne začelo proučevati možnosti za alternativne dobave verige 14 ključnih surovin, ki so nujne za proizvodnjo čipov. Med njimi je tudi helij. SK Hynix trdi, da so že pred izbruhom vojne diverzificirali svoje logistične verige in da imajo zadostne zaloge helija. K temu jih je spodbudilo tudi pomanjkanje neona pred štirimi leti, ko je Rusija napadla Ukrajino. Tajvanski TSMC, ki je največji proizvajalec čipov na svetu, budno spremlja situacijo, a ne pričakuje težav. Andreas Steno Larsen iz Steno Researcha je za Yahoo Finance ocenil, da TSMC in SK Hynix iz Katarja pridobita približno polovico helija, ki ga potrebujeta za proizvodnjo čipov.
Helij se uporablja za hitro hlajenje silicijevih rezin, ki morajo biti za brezhibno delovanje čipov karseda čiste in v obliki monokristala.
Dobavna veriga je sicer dolga, vse pogodbe pa izrazito dolgoročne, zato dvig promptnih cen še ne vpliva na ceno in dobavljivost, a težave se kopičijo. Pridobivajo pa seveda ameriški proizvajalci čipov (Micron) in helija (Linde, Air Products and Chemicals), saj so ZDA tu samozadostne. Delnica Linde je letos do sredine marca pridobila 15 odstotkov, Air Products and Chemicals pa 14 odstotkov, medtem ko je ameriški indeks (S&P 500) nekaj odstotkov pod gladino.
Seveda ne gre le za helij. Direktor QatarEnergy Saad Sherida Al-Kaabi je dejal, da so ustavili proizvodnjo in dobavo tekočega zemeljskega plina, helij pa je zgolj posledica. Podrobnih informacij, ali je na infrastrukturi nastala škoda, še nimajo, zato ne morejo oceniti, koliko časa bodo potrebovali za ponovno vzpostavitev proizvodnje. Dobava iz Katarja do porabnikov traja tedne, zato se bodo resnične posledice pokazale šele aprila in maja, če se vojna ne bo končala.
Helija je dovolj
Vsake toliko časa se pojavijo grozeči naslovi, da nam bo helija v prihodnosti zmanjkalo, z obveznim podtonom, da so razvedrilna uporaba v balonih in razne potegavščine neodgovorne. Nekoliko resnejše analize omenjajo problematiko izpuščanja ter predlagajo lovljenje in recikliranje. To trenutno ni praktično niti cenovno upravičeno, zato se helij preprosto izpušča v atmosfero, od koder počasi uhaja v vesolje. A po drugi strani ta nenehno nastaja z radioaktivnim razpadom.
Vsako leto z radioaktivnim razpadom alfa na Zemlji nastane približno 3.000 ton helija, kar je zgolj desetina človeške porabe. Teh 3.000 ton nastane razpršeno po vsem svetu, ne zgolj v nahajališčih, zato je za praktične namene neobnovljivi vir. K sreči so trenutne potrjene zaloge helija v nahajališčih zadostne, da ga bomo lahko uporabljali še vsaj stoletje, bolj verjetno pa dve ali tri.
Lahko pa se zgodi, da bo zmanjkalo »zelo poceni« helija. Cena je sicer močno odvisna od njegove čistosti, za standardno čistost (razred A oziroma 99,995-odstotno) pa so cene pred zadnjim dvigom znašale okoli 15 dolarjev za kubični meter.
Poleg helija kot surovine bodo težavo predstavljale tudi velike cisterne za helij, v katerih se plin prevaža. Te so obtičale na neprimernih mestih, predvsem pa jih ni toliko, da bi lahko nenadoma podvojili dobave, če bi bilo to potrebno. Trenutno v Ras Laffanu čakajo cisterne helija, ki so jih napolnili še pred ustavitvijo proizvodnje in zaprtjem Hormuške ožine. Pred normalizacijo razmer bo treba te dostaviti strankam in jih prazne vrniti v Katar.
Zakaj helij
Helij je zaradi svojih lastnosti eden najdragocenejših plinov. Njegove glavne odlike so vzgon oziroma majhna gostota, popolna inertnost ter izjemno nizka temperatura vrelišča (–268,9 °C oziroma 4,2 K). V različnih sektorjih so koristne različne lastnosti.
Baloni na sejmih poletijo v nebo, ker ima majhno gostoto, pri vdihovanju pa govorimo cvileče, ker zvok v heliju potuje trikrat hitreje kot v zraku. Ker se helij precej slabše topi v vodi in pri visokih tlakih ne povzroča omotice, potapljači pri globokih potopih uporabljajo posebne mešanice zraka s helijem.
V industriji je precej pomembnejša nizka temperatura vrelišča, kar omogoča hlajenje do nizkih temperatur. Najlažje namreč predmete hladimo tako, da jih potopimo v kapljevino, ki ima nizko temperaturo vrelišča. Ta z odhlapevanjem odvaja toploto, in vse dokler ne odhlapi v celoti, vzdržuje temperatura vrelišča. Kadar je –196 °C dovolj, je seveda prva izbira poceni tekoči dušik, kadar pa želimo nižje, potrebujemo helij. In obstaja precej kosov opreme, ki jih je treba ohladiti bolj, denimo močni elektromagneti v nuklearni magnetni resonanci, v velikem hadronskem trkalniku (LHC) ali pa zgolj instrumenti na satelitih.
Vsako leto z radioaktivnim razpadom alfa na Zemlji nastane približno 3.000 ton helija.
Posebej pomemben pa je helij tudi pri proizvodnji čipov. Uporablja se za hitro hlajenje silicijevih rezin, ki morajo biti za brezhibno delovanje čipov karseda čiste in v obliki monokristala. Hkrati delo, kadar potrebujejo inertno atmosfero, poteka ravno v heliju, z njim pa tudi prepihavajo in izpihavajo druge pline in nečistote. Obenem ima helij zelo dobrodošlo visoko toplotno prevodnost, ki je približno šestkrat višja od zraka. V proizvodnji čipov odlično odvaja odvečno toploto, globokomorske potapljače, ki živijo v helijevi atmosferi, pa bi pri sobni temperaturi zeblo.
Uporaba helija v proizvodnji čipov
• odvajanje toplote z laserjev, zrcal, leč in s substrata
• odstranjevanje nečistoč
• zagotavljanje inertnega okolja oziroma atmosfere
• preverjanje tesnjenja
• nosilni plin
Toplotna prevodnost je ključna za hlajenje in stabilizacijo laserjev, ki fotojedkajo silicijeve rezine. Pri tem početju se sprošča veliko toplote, zaradi raztezanja materiala pa je zaželeno, da se temperatura čim manj spreminja. Helij zaradi visoke toplotne prevodnosti to toploto odlično odvaja. Hkrati omogoča hlajenje vse do 4 K za vse komponente, kjer zgolj tekoči dušik ne zadostuje (v proizvodnji čipov hlajenje točno na 4 K ni nujno). Helij je priročen tudi za preverjanje tesnjenja, saj pobegne skozi vsako najmanjšo luknjico.
Žarki upanja
Helija ne bo zmanjkalo. QatarEnergy je pomemben proizvajalec, ni pa edini ali največji. Če bo cena helija rasla, bodo proizvodnjo povečali drugod, zlasti v ZDA. Lahko pa motnje trajajo nekaj tednov ali mesecev, kar je povsem dovolj, da cene helija in vseh odvisnih izdelkov zrastejo.
Del obrata za proizvodnjo helija. Slika: QatarEnergy
Če ga bo prehodno zmanjkovalo, bodo prioritetno mesto pri dobavi dobili ključni porabniki, to sta medicina (magnetna resonanca) in vesoljska industrija (prepihavanje raket), sledili pa bodo proizvajalci čipov. Nenujna raba, kamor sodijo rekreativno potapljanje, varjenje in konec koncev tudi rojstnodnevni baloni, bo prva odrezana, dasiravno je njihov prispevek k svetovni porabi zelo majhen.
Cene pomnilnika so iz docela nepovezanih razlogov lani in letos že močno zrasle (Naložba leta, Monitor 01/26). Povpraševanje po čipih je zaradi razmaha umetne inteligence preseglo vsa pričakovanja, zato je proizvodnja pomnilnika postala ozko grlo, kar še najbolj občutijo kupci, ki ne gradijo sistemov za umetno inteligenco. Ti so namreč potisnjeni ob rob in nimajo druge možnosti, kot da konkurirajo z Nvidio in OpenAI, ki sta pripravljena plačevati astronomske cene.
Če se bo helij še naprej dražil, bodo cene pomnilnika še malo višje. Ali se bodo ponovno spustile, ko ga bo spet dovolj, je drugo vprašanje. Pred štirimi leti smo videli podobne strahove z neonom, ki ga je proizvajala večinoma Ukrajina, a se je svetovno gospodarstvo hitro prilagodilo in poiskalo nadomestne vire. S helijem bo to nekoliko težje, ker vendarle potrebujemo nahajališča in ga ne moremo pridobivati iz zraka, ne pa nemogoče. Svet bo preživel, naše denarnice pa nekoliko težje.