Un poco de ciencia, por favor

Microelectrónica, una industria global

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

(El contenido de este artículo está recogido de forma más amplia y detallada en el Capítulo 5 de mi libro: "Microelectrónica. La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX"; 2018, Ediciones Complutense)

 

La industria de los semiconductores, con unas ventas globales en 2020 de 430.000 millones de dólares USA, se caracteriza por tener una cadena de valor altamente especializada, globalmente dispersa y muy interconectada. Esta cadena de valor y las actividades vinculadas a la misma, forman un "ecosistema" industrial complejo y global. Los países que participan en esta cadena o en las actividades limítrofes obtienen innumerables beneficios, incluido un mayor empleo y grandes oportunidades de exportación.

 

Vista panorámica de una enorme sala limpia de fabricación de circuitos integrados de TSMC, una de las mayores empresas del sector

 

Los semiconductores están presentes en prácticamente todas nuestras actividades cotidianas y esa ubicuidad explica en parte por qué la industria microelectrónica es una industria globalizada. La demanda constante de más y mejores capacidades de los equipos que los utilizan (mayoritariamente teléfonos móviles, ordenadores portátiles, TV, automóviles) impulsada por el consumidor, que requieren mejoras constantes en características, fiabilidad y velocidad, impulsan fuertes inversiones en investigación, diseño y fabricación de chips, prueba, ensamblaje, empaquetado y distribución, procesos a los que se les exige eficiencia y bajo costo.

Estas mismas presiones también afectan a las actividades de apoyo, como son la producción de equipos de fabricación de semiconductores, el desarrollo de software de diseño de los chips, el suministro de materias primas necesarias para su fabricación, etc. Estas presiones han llevado a las empresas de semiconductores a desarrollar modelos comerciales que van más allá de las fronteras nacionales para lograr eficiencias que les permitan competir en un mercado global y muy exigente.

A lo largo de los años, la demanda de nuevas innovaciones tecnológicas que se basan en chips se ha vuelto cada vez mayor: el escalado de los dispositivos a dimensiones basadas en la Ley de Moore, cada vez más reducidas y las disminuciones de costes pronto ya no serán suficientes para mejorar el rendimiento de los dispositivos que incluyen chips para funcionar. La industria se está moviendo rápidamente hacia nuevas áreas como el denominado Internet de las Cosas (IoT), la automatización cada vez mayor de numerosos procesos industriales, la robótica y la Inteligencia Artificial (AI), campos todos ellos que requieren nuevos avances. En este artículo analizaré con cierto detalle las principales características de esta industria.

 

1. Una cadena de valor global, impulsada por la complejidad y la competencia

Para comprender cómo y por qué es así la cadena de valor, es importante comprender las complejidades de la producción de chips de semiconductores. Este análisis también permite comprender el papel que juega la competencia feroz de este sector productivo.

La producción de chips de semiconductores comienza con un proceso de investigación y diseño y termina con la comercialización, tal y como se muestra en la siguiente figura. Como se puede apreciar en el diagrama de flujos, después de la investigación y el diseño, vienen la fabricación, el montaje, las pruebas, el empaquetado y finalmente la distribución y comercialización del chip. Si bien la investigación y la comercialización no son actividades de producción estrictamente hablando, se incluyen en la cadena de producción debido a su papel decisivo y de importancia crítica, para resaltar su lugar en la cadena de valor:

La cadena de valor de la industria microelectrónica

 

2. Aquí, allá, en todas partes: dispersión geográfica de la cadena de valor

La cadena de valor de la industria microelectrónica comenzó a cruzar las fronteras nacionales en 1961, justo cuando la empresa estadounidense Fairchild Semiconductor, que se enfrentaba a una competencia tecnológica y de mercado cada vez mayor, comenzó a ensamblar chips en Hong Kong. Las ventajas de esta medida incluyeron costes más bajos, disponibilidad de personal altamente especializado, infraestructuras avanzadas, proximidad a los mercados de consumo e impuestos y aranceles bajos, lo que aumentó la competitividad de las empresas. Esto permitió que las empresas siguieran aumentando rápidamente su inversión en I + D, esencial para la creación de nuevos productos con prestaciones siempre crecientes.

La cadena de valor se dispersó cada vez más a medida que aumentaban los beneficios. En la actualidad, la mayoría de la capacidad de fabricación de chips se encuentra en EEUU (52%), mientras que el 30% se encuentra en la región de Asia-Pacífico, el 9 % en Europa y otro 9% en Japón:

Ilustrando la dispersión internacional de la cadena de valor de la industria microelectrónica: la ruta que sigue un chip, desde que se obtiene la oblea de silicio donde se va a fabricar, hasta su puesta en el mercado. Como indica el texto de la parte superior de la imagen, están involucrados habitualmente más de 4 países, más de 3 viajes alrededor del mundo durante el proceso de fabricación, más de 40.000 km recorridos, durante más de 100 días que dura el proceso completo

 

La siguiente figura muestra con cierto detalle el reparto mundial de las diferentes industrias de la cadena de valor:

Los distintos actores de la industria microelectrónica y su reparto geográfico. IDM: Fabricantes Integrales de Chips, es decir, que incluyen tanto diseño como fabricación. Fabless: fabricantes sin fábrica, es decir, únicamente con diseño. Foundry: fabricantes sin diseño propio. OSAT: Industrias de Montaje, Empaquetado y Prueba de chips

 

Los fabricantes integrales se concentran principalmente en Estados Unidos (Intel, Texas Instrument), Corea del Sur (Samsung), Japón (Toshiba) y Europa (Infineon), en ese orden. Por otra parte, los fabricantes puros, están localizados en ciertos países asiáticos liderados por Taiwan (TSMC). Respecto a los fabricantes sin fábrica, están concentrados en EEUU (Qualcomm, Broadcomm, Nvidia) y poco a poco, en China (HiSilicon). Otros países también juegan un papel relevante: en el segmento de fabricación, hay fábricas sin diseño en Israel y China y plantas de fabricación de grandes fabricantes integrales en Irlanda y Singapur. Finalmente, el montaje, las pruebas y el empaquetado se realizan en varios países incluidos Taiwan, Estados Unidos, China, Singapur y Japón. Como se ve, una industria absolutamente global.


3. Los peligros de la "localización": Japón, EEUU y el síndrome de las "Islas Galápagos"

La industria microelectrónica se ha convertido en una industria global como respuesta a las condiciones cambiantes del mercado, incluidos los avances en las tecnologías de la información y las comunicaciones, las tecnologías de uso doméstico e industrial, el comercio electrónico, etc.

El cambio tecnológico en una determinada etapa de la cadena de valor tiene un efecto en cascada, así como un efecto "aguas arriba" en las tecnologías involucradas en alguna de las etapas descritas en el punto anterior. Por ejemplo, el cambio en el diseño de un chip, se refleja e incorpora en los segmentos de fabricación, encapsulado y prueba de la cadena de valor. Los cambios en el diseño de los chips también tienen un efecto drástico en el diseño y la funcionalidad de los productos donde se van a utilizar (el teléfono móvil, de nuevo, es el ejemplo más característico de esto).  Una cadena de valor global con varias empresas involucradas en cada etapa, independientemente del país de origen, puede responder con éxito a unos cambios tan rápidos en la tecnología. Sin embargo, cuando toda la cadena de valor se localiza en un solo país, el país debe concentrar sus esfuerzos en mejorar todas las etapas de la cadena a la vez, algo probablemente imposible de llevar a la práctica con éxito.

Esta característica de industria global, algo que la industria microelectrónica ha sabido llevar a la práctica casi desde sus inicios, contrasta fuertemente con lo que podríamos definir como el "nacionalismo tecnológico". Japón ofrece un ejemplo histórico clásico del peligro que significa apostar por un modelo de fabricantes concentrados en exclusiva en el mercado doméstico, aislados de los mercados globales. Si bien hoy en día Japón es un país muy abierto e integrado en la cadena microelectrónica global, durante gran parte de las cinco décadas anteriores, segmentos muy importantes del mercado de productos electrónicos de Japón estuvieron cerrados a competidores extranjeros y tanto la legislación como el marco regulatorio japonés, impusieron ventajas para los productos nacionales, que resultaban insuperables para los posibles competidores externos. Es el caso de la telefonía móvil, donde la regulación nipona favorecía unos protocolos de comunicación entre terminales, de gestión de datos y de bandas de frecuencia que eran exclusivas para Japón y totalmente diferentes de los estándares usuales vigentes en la mayoría del resto del mundo.

Inicialmente y gracias a este modelo, la industria japonesa hizo avances asombrosos en su tecnología durante mucho tiempo, pero los productos japoneses a menudo eran incompatibles con las condiciones de venta de los mismos en el extranjero. Este "síndrome de Islas Galápagos" puso en riesgo la existencia de las empresas japonesas después de dominar su mercado interno, porque las dejó sin posibilidades de competir fuera del mercado japonés. El ejemplo clásico de esta situación lo brinda la compañía NEC, un ex líder en el mercado de telefonía móvil, que abandonó la producción en 2013 (en la actualidad, es una filial de Lenovo).

El otro ejemplo característico de esta situación de aislamiento lo proporciona, de nuevo, el mercado de la telefonía móvil, está vez de EE. UU., que también tiene su propio "síndrome de Islas Galápagos":  varios operadores de ese país trabajan con diferentes estándares de red, a menudo incompatibles entre sí. Por ejemplo, el iPhone diseñado para ser compatible con la red de A.T.& T. Mobility–el segundo operador de telefonía móvil  de EE.UU., detrás de Verizon Wireless– no funciona con la red  de T-Mobile –la tercera red, después de las anteriores–. Esta falta de compatibilidad significa que los operadores estadounidenses deben construir individualmente redes paralelas, con una inversión de capital muchas veces inasumible, con el efecto de limitar las opciones de los consumidores estadounidenses y generar problemas de cobertura de red, que a menudo es bastante deficiente. La no estandarización de las redes a nivel nacional y la falta de armonización con los estándares globales también han impedido que las marcas exteriores a EE. UU. inviertan en el mercado de teléfonos móviles estadounidense. A su vez, los operadores de telefonía móvil estadounidenses no han podido expandirse con éxito a los mercados internacionales, perdiendo importantes oportunidades en el extranjero.

Estos y otros ejemplos menores ilustran los peligros del aislamiento tecnológico, pero no es oro todo lo que reluce, ya que la globalización de la industria microelectrónica también ha tenido efectos nocivos para el empleo y la desindustrialización de numerosos países (de esto sabemos algo en España, con el caso A.T.& T.- Lucent Technologies), cuestión que también se da en otros sectores productivos (las plantas de fabricación de automóviles, por ejemplo). Es  esta una cuestión que daría, no ya para un artículo, si no para varios libros.

En un próximo artículo, daré cifras y números concretos de la industria Microelectrónica.