Aun cuando los microchips se han vuelto esenciales en tantos productos, su desarrollo y fabricación han llegado a estar dominados por un pequeño número de productores con capacidad y apetito limitados para producir chips básicos que son un elemento básico de las tecnologías actuales. Y debido a que la fabricación de chips requiere cientos de pasos de fabricación y meses de tiempo de producción, la industria de los semiconductores no puede girar rápidamente para satisfacer el aumento de la demanda impulsado por la pandemia.
Después de décadas de preocuparnos por cómo esculpir características tan pequeñas como unos pocos nanómetros en obleas de silicio, el espíritu de la Ley de Moore, la expectativa de que los chips potentes y baratos estarán disponibles, ahora se ve amenazado por algo mucho más mundano: inflexible. cadenas de suministro.
Una frontera solitaria
Hace veinte años, el mundo tenía 25 fabricantes que fabricaban chips de vanguardia. Hoy solo Compañía de fabricación de semiconductores de Taiwán (TSMC) en Taiwán, Intel en los Estados Unidos, y Samsung en Corea del Sur tenemos las instalaciones, o fábricas, que producen los chips más avanzados. E Intel, líder en tecnología durante mucho tiempo, está luchando por mantenerse al día, habiendo incumplido repetidamente los plazos para producir sus últimas generaciones.
Una de las razones de la consolidación es que construir una instalación para fabricar los chips más avanzados cuesta entre $ 5 mil millones y $ 20 mil millones. Estas fábricas fabrican chips con características tan pequeñas como unos pocos nanómetros; en la jerga de la industria se denominan nodos de 5 nanómetros y de 7 nanómetros. Gran parte del costo de las nuevas fábricas se destina a la compra de equipos de última generación, como una herramienta llamada litografía ultravioleta extrema (EUV) que cuesta más de $ 100 millones. Fabricadas únicamente por ASML en los Países Bajos, las máquinas EUV se utilizan para grabar patrones de circuitos detallados con características de tamaño nanométrico.
Los fabricantes de chips han estado trabajando en la tecnología EUV durante más de dos décadas. Después de miles de millones de dólares de inversión, las máquinas EUV se utilizaron por primera vez en la producción comercial de chips en 2018. “Esa herramienta tiene 20 años de retraso, 10 veces más del presupuesto, porque es increíble”, dice David Kanter, director ejecutivo de un consorcio de ingeniería abierto centrado en la máquina. aprendiendo. “Es casi mágico que incluso funcione. Es totalmente como ciencia ficción “.
Tal esfuerzo gigantesco hizo posible crear miles de millones de pequeños transistores en el chip M1 de Apple, que fue fabricado por TSMC; se encuentra entre la primera generación de chips de vanguardia que confía plenamente en EUV.
Solo las empresas de tecnología más grandes están dispuestas a pagar cientos de millones de dólares para diseñar un chip para nodos de vanguardia.
Pagar por los mejores chips tiene sentido para Apple porque estos chips se incluyen en los últimos modelos de MacBook y iPhone, que se venden por millones a precios de marcas de lujo. “La única empresa que realmente está usando EUV en un gran volumen es Apple, y venden teléfonos inteligentes de $ 1,000 por los que ti enen un margen increíble”, dice Kanter.
No solo son costosas las fábricas para fabricar dichos chips, sino que el costo de diseñar circuitos inmensamente complejos está ahora fuera del alcance de muchas empresas. Además de Apple, solo las empresas de tecnología más grandes que requieren el mayor rendimiento informático, como Qualcomm, AMD, y Nvidia, están dispuestos a pagar cientos de millones de dólares para diseñar un chip para nodos de vanguardia, dice Sri Samavedam, vicepresidente senior de tecnologías CMOS en Imec, un instituto de investigación internacional con sede en Lovaina, Bélgica.
Muchas más empresas están produciendo computadoras portátiles, televisores y automóviles que utilizan chips fabricados con tecnologías más antiguas, y un aumento en la demanda de estos está en el corazón de la actual escasez de chips. En pocas palabras, la mayoría de los clientes de chips no pueden permitirse, o no quieren pagar, los últimos chips; un automóvil típico de hoy usa docenas de microchips, mientras que un vehículo eléctrico usa muchos más. Se suma rápidamente. En cambio, los fabricantes de cosas como automóviles se han quedado con chips fabricados con tecnologías más antiguas.
Además, muchos de los dispositivos electrónicos más populares de la actualidad simplemente no requieren chips de última generación. “No tiene sentido poner, por ejemplo, un A14 [iPhone and iPad] chip en cada computadora que tenemos en el mundo ”, dice Hassan Khan, un ex investigador de doctorado en la Universidad Carnegie Mellon que estudió las implicaciones de política pública del fin de la Ley de Moore y actualmente trabaja en Apple. “No lo necesita en su termómetro inteligente en casa, y no necesita 15 de ellos en su automóvil, porque consume mucha energía y es muy caro”.
El problema es que incluso cuando más usuarios confían en tecnologías de chips más antiguas y más baratas, los gigantes de la industria de los semiconductores se han centrado en construir nuevas fábricas de vanguardia. TSMC, Samsung e Intel han anunciado recientemente miles de millones de dólares en inversiones para las últimas instalaciones de fabricación. Sí, son caras, pero ahí es donde están las ganancias, y durante los últimos 50 años, ha estado donde está el futuro.
TSMC, el mayor fabricante por contrato de chips del mundo, obtuvo casi el 60% de sus ingresos de 2020 al fabricar chips de vanguardia con características de 16 nanómetros o más pequeños, incluido el chip M1 de Apple fabricado con el proceso de fabricación de 5 nanómetros.
Lo que agrava el problema es que “nadie está construyendo equipos de fabricación de semiconductores para soportar tecnologías más antiguas”, dice Dale Ford, analista jefe de la Asociación de la Industria de Componentes Electrónicos, una asociación comercial con sede en Alpharetta, Georgia. “Y estamos atrapados entre la espada y la pared”.
Chips de gama baja
Todo esto es importante para los usuarios de tecnología no solo por la interrupción del suministro que está causando hoy, sino también porque amenaza el desarrollo de muchas innovaciones potenciales. Además de ser más difíciles de conseguir, los chips básicos más baratos también se están volviendo relativamente más caros, ya que cada generación de chips ha requerido equipos e instalaciones más costosos que las generaciones anteriores.
Algunos productos de consumo simplemente demandarán chips más potentes. El desarrollo de redes móviles 5G más rápidas y el aumento de las aplicaciones informáticas que dependen de las velocidades 5G podrían obligar a invertir en chips especializados diseñados para equipos de red que se comunican con docenas o cientos de dispositivos conectados a Internet. Las características automotrices, como los sistemas avanzados de asistencia al conductor y los sistemas de “información y entretenimiento” en el vehículo, también pueden beneficiarse de los chips de vanguardia, como lo demuestra el fabricante de vehículos eléctricos. Asociaciones informadas de Tesla con TSMC y Samsung en el desarrollo de chips para futuros automóviles autónomos.
Pero comprar los últimos chips de vanguardia o invertir en diseños de chips especializados puede no ser práctico para muchas empresas a la hora de desarrollar productos para un futuro de “inteligencia en todas partes”. Es poco probable que los fabricantes de dispositivos de consumo, como una máquina sous vide habilitada para Wi-Fi, gasten el dinero para desarrollar chips especializados por su cuenta con el fin de agregar funciones aún más sofisticadas, dice Kanter. En cambio, es probable que recurran a los chips fabricados con tecnologías más antiguas que puedan proporcionar.
La mayoría de los clientes de chips de hoy en día se conforman con chips básicos más baratos que representan una compensación entre costo y rendimiento.
Y los artículos de menor costo como la ropa, dice, tienen “márgenes muy finos” que dejan poco margen de maniobra para chips más costosos que agregarían un dólar, y mucho menos $ 10 o $ 20, al precio de cada artículo. Eso significa que el precio ascendente de la potencia informática puede impedir el desarrollo de ropa que podría, por ejemplo, detectar y responder a comandos de voz o cambios en el clima.
El mundo probablemente pueda vivir sin máquinas sous vide más sofisticadas, pero la falta de chips cada vez más baratos y potentes tendría un costo real: el fin de una era de inventos alimentados por la Ley de Moore y su promesa de décadas de que el poder de computación es cada vez más asequible. estará disponible para la próxima innovación.
La mayoría de los clientes de chips de hoy en día se conforman con chips básicos más baratos que representan una compensación entre costo y rendimiento. Y es el suministro de esos chips básicos lo que parece estar lejos de ser adecuado a medida que crece la demanda mundial de potencia informática.
“Todavía es cierto que el uso de semiconductores en vehículos está aumentando, el uso de semiconductores en su horno tostador y para todo tipo de cosas está aumentando”, dice Willy Shih, profesor de práctica administrativa en Harvard Business School. “Entonces, la pregunta es, ¿dónde va a llegar la escasez a continuación?”
Una preocupación global
A principios de 2021, el presidente Joe Biden firmó una orden ejecutiva que ordenaba revisiones de la cadena de suministro por fichas y dio su apoyo a un impulso bipartidista en el Congreso para aprobar al menos $ 50 mil millones para la fabricación e investigación de semiconductores. Biden también celebró dos cumbres en la Casa Blanca con líderes de las industrias automotriz y de semiconductores, incluida una reunión el 12 de abril durante la cual mostró de manera prominente una oblea de silicio.
Las acciones no resolverán el desequilibrio entre la oferta y la demanda de chips en el corto plazo. Pero como mínimo, dicen los expertos, la crisis actual representa una oportunidad para que el gobierno de EE. UU. Intente finalmente arreglar la cadena de suministro y revertir la desaceleración general en la innovación de semiconductores, y tal vez reforzar la capacidad de EE. UU. Para fabricar los chips que tanto se necesitan.
Se estima que el 75% de toda la capacidad de fabricación de chips se basó en el este de Asia a partir de 2019, con la participación de EE. UU. En aproximadamente el 13%. Solo TSMC de Taiwán tiene casi el 55% del mercado de fundición que maneja los pedidos de fabricación de chips de los consumidores.
Sobre todo se cierne la rivalidad entre Estados Unidos y China. La empresa campeona nacional de China, SMIC, ha estado construyendo fábricas que todavía están cinco o seis años por detrás de la vanguardia en tecnologías de chips. Pero es posible que las fundiciones chinas puedan ayudar a satisfacer la demanda global de chips construidos en nodos más antiguos en los próximos años. “Dados los subsidios estatales que reciben, es posible que las fundiciones chinas sean los fabricantes de menor costo ya que colocan fábricas en los nodos de 22 y 14 nanómetros”, dice Khan. “Es posible que las fábricas chinas no sean competitivas en la frontera, pero podrían satisfacer una parte cada vez mayor de la demanda”.