Economia

La escasez de chips sigue empeorando. ¿Por qué no podemos hacer más?

La escasez de semiconductores está golpeando a los fabricantes de automóviles y a los gigantes tecnológicos, haciendo sonar las alarmas desde Washington hasta Bruselas y Beijing. La crisis ha planteado una pregunta fundamental para los responsables políticos, los clientes y los inversores: ¿por qué no podemos simplemente hacer más chips?

Hay una respuesta simple y complicada. La versión simple es que hacer chips es increíblemente difícil y cada vez más difícil.

“No es ciencia espacial, es mucho más difícil”, dice uno de los chistes internos de la industria.

La respuesta más complicada es que se necesitan años para construir instalaciones de fabricación de semiconductores y miles de millones de dólares, e incluso entonces la economía es tan brutal que puede salir perdiendo si su experiencia en fabricación está a una fracción de la competencia. El exjefe de Intel Corp., Craig Barrett, calificó a los microprocesadores de su empresa como los dispositivos más complicados jamás fabricados por el hombre.

Es por eso que los países enfrentan tanta dificultad para lograr la autosuficiencia de semiconductores. China ha calificado la independencia de los chips como una de las principales prioridades nacionales en su último plan quinquenal, mientras que el presidente de Estados Unidos, Joe Biden, ha prometido construir una cadena de suministro estadounidense segura reviviendo la fabricación nacional. Incluso la Unión Europea está considerando medidas para fabricar sus propios chips. Pero el éxito es todo menos asegurado.

La fabricación de un chip generalmente toma más de tres meses e involucra fábricas gigantes, salas libres de polvo, máquinas multimillonarias, estaño fundido y láseres. El objetivo final es transformar obleas de silicio, un elemento extraído de la arena, en una red de miles de millones de pequeños interruptores llamados transistores que forman la base de los circuitos que eventualmente darán un teléfono, computadora, automóvil, lavadora o satélite crucial. capacidades.

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Tan pequeño pero tan complejo
La mayoría de los chips son grupos de circuitos que ejecutan software, manipulan datos y controlan las funciones de los dispositivos electrónicos. La disposición de esos circuitos les da su propósito específico. A continuación se muestra la GeForce RTX 3090 de Nvidia, actualmente la mejor para convertir códigos de computadora en gráficos de videojuegos realistas.
Las empresas de chips intentan incluir más transistores en chips, mejorando el rendimiento y haciendo que los dispositivos sean más eficientes en términos de energía. El primer microprocesador de Intel, el 4004, fue lanzado en 1971 y contenía solo 2.300 transistores con un tamaño de nodo de 10 micrones, o 10 millonésimas de metro. Pero el liderazgo indiscutible de Intel en las décadas siguientes terminó entre 2015 y 2020 cuando sus rivales Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. y Samsung Electronics Co. empezaron a construir chips con mejores transistores: unos con dimensiones de hasta 5 nanómetros, o 5 mil millonésimas de metro (en comparación, un cabello humano promedio tiene 100,000 nanómetros de
Más limpio que una cirugía
Antes de poner silicio en las máquinas de fabricación de chips, necesita una sala limpia. Un cuarto muy limpio. Los transistores individuales son muchas veces más pequeños que un virus. Solo una mota de polvo puede causar estragos y millones de dólares en esfuerzo desperdiciado. Para mitigar este riesgo, los fabricantes de chips alojan sus máquinas en habitaciones que esencialmente no tienen polvo.
Para mantener ese ambiente, el aire se filtra constantemente y se permite la entrada a muy pocas personas. Si más de uno o dos trabajadores aparecen en una línea de producción de chips, envueltos de pies a cabeza en equipos de protección, eso podría ser una señal de que algo anda mal. Los verdaderos genios detrás del diseño y desarrollo de semiconductores trabajan a kilómetros de distancia.
Incluso con todas esas precauciones, las obleas de silicio no pueden ser tocadas por humanos ni expuestas al aire. Viajan entre máquinas en cartuchos transportados por robots que corren sobre pistas en el techo. Solo emergen de la seguridad de esos cartuchos cuando están dentro de las máquinas y es hora de dar un paso clave en el proceso.

 

Fabricación a nivel atómico

Los chips constan de hasta 100 capas de materiales. Estos se depositan, luego se eliminan parcialmente, para formar estructuras tridimensionales complejas que conectan todos los pequeños transistores. Algunas de estas capas tienen solo un átomo de espesor. Las máquinas fabricadas por Applied Materials Inc., Lam Research Corp. y Tokyo Electron Ltd. combinan una gran cantidad de variables, como la temperatura, la presión y los campos eléctricos y magnéticos, para que esto suceda.

Una de las partes más difíciles del proceso es la litografía, que se maneja con máquinas fabricadas por ASML Holding NV. El equipo de la compañía usa luz para grabar patrones en materiales depositados sobre el silicio. Estos patrones eventualmente se convierten en transistores. Todo esto está sucediendo a una escala tan pequeña que la forma actual de hacerlo funcionar es usar luz ultravioleta extrema, que generalmente solo ocurre de forma natural en el espacio. Para recrear esto en un entorno controlado, las máquinas ASML eliminan gotas de estaño fundidas con un pulso láser. A medida que el metal se vaporiza, emite la luz EUV requerida. Pero incluso eso no es suficiente. Se necesitan espejos para enfocar la luz en una longitud de onda más delgada.

Economía onerosa

Las plantas de chips funcionan las 24 horas del día, los siete días de la semana. Lo hacen por una razón: el costo. La construcción de una fábrica de nivel de entrada que produce 50.000 obleas por mes cuesta alrededor de $ 15 mil millones. La mayor parte de esto se gasta en equipos especializados, un mercado que superó los $ 60 mil millones en ventas por primera vez en 2020.

Tarea pesada

Las ventas de equipos utilizados en la fabricación de chips se han duplicado desde 2015

Tres empresas, Intel, Samsung y TSMC, representan la mayor parte de esta inversión. Sus fábricas son más avanzadas y cuestan más de $ 20 mil millones cada una. Este año, TSMC gastará hasta $ 28 mil millones en nuevas plantas y equipos. Compare eso con el intento del gobierno de los Estados Unidos de aprobar un proyecto de ley que respalde la producción nacional de chips. Esta legislación ofrecería solo $ 50 mil millones durante cinco años.

Una vez que gastas todo ese dinero en la construcción de instalaciones gigantes, se vuelven obsoletas en cinco años o menos. Para evitar perder dinero, los fabricantes de chips deben generar $ 3 mil millones en ganancias de cada planta. Pero ahora solo las empresas más grandes, en particular las tres principales que en conjunto generaron $ 188 mil millones en ingresos el año pasado, pueden permitirse construir varias plantas.

Industria de peces grandes

Intel, Samsung y TSMC generaron casi tantos ingresos en 2020 como los siguientes 12 mayores fabricantes de chips combinados

Cuanto más hagas esto, mejor lo harás. El rendimiento, el porcentaje de chips que no se descartan, es la medida clave. Cualquier cantidad menor al 90% es un problema. Pero los fabricantes de chips solo superan ese nivel al aprender lecciones costosas una y otra vez, y aprovechar ese conocimiento.

La brutal economía de la industria significa que menos empresas pueden permitirse mantenerse al día. La mayoría de los aproximadamente 1.400 millones de procesadores de teléfonos inteligentes que se envían cada año son fabricados por TSMC. Intel tiene el 80% del mercado de procesadores de computadora. Samsung domina en chips de memoria. Para todos los demás, incluida China, no es fácil irrumpir.

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