Un poco de ciencia, por favor

Los grandes números de la industria Microelectrónica

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 6 de mi libro: "Microelectrónica. La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX"; 2018, Ediciones Complutense)

 

La microelectrónica ha penetrado en nuestras vidas durante los últimos sesenta años hasta extremos difíciles de imaginar hace poco tiempo. Desde los comienzos de la radio en los primeros años del siglo XX, hasta el mundo actual de Internet, nuestro actual estilo de vida no sería posible sin la omnipresencia de los transistores y de la tecnología microelectrónica.

El mercado de semiconductores tiene su aplicación en una amplia gama de productos. Los Circuitos Integrados (en lo que sigue, CI) se utilizan en toda clase de equipos electrónicos y han revolucionado campos tales como las comunicaciones, proceso de datos, de imágenes, medicina, etc. Encontramos CI en teléfonos móviles (su principal clientela en la actualidad), ordenadores (de mesa o portátiles), tablets, electrodomésticos de imagen y sonido (Televisores, DVD, Blu-ray), grandes equipos de diagnóstico médico (TAC, RMN), automóviles, control de tráfico aéreo (Radar) y en otros dispositivos electrónicos que son parte esencial de las sociedades modernas. Ese desglose se muestra en la siguiente figura:

Principales clientes del Mercado de semiconductores

 

Los fabricantes de dispositivos basados en semiconductores se dividen en las siguientes categorías principales:

1.- Circuitos integrados (CI o chips): Un circuito integrado es una agrupación monolítica (es decir, en una única pieza de semiconductor) de componentes electrónicos que incluyen resistencias, condensadores, diodos y transistores, que están directamente situados en la superficie del chip semiconductor. Se utilizan ​​en casi todos los dispositivos electrónicos mencionados en el párrafo precedente. Los CI se pueden subdividir en tres categorías:

a) Circuitos lógicos: estos realizan ciertas operaciones que se realizan en código binario, basado en unos y ceros, o de procesado de las señales de entrada que se les proporcionan, de las cuales luego se obtiene una salida. Los microprocesadores (CPU) y los procesadores de imagen (GPU) son los tipos más importantes de CI lógicos. Se utilizan en ordenadores, teléfonos móviles y dispositivos similares, como los GPS.

b) Circuitos de memoria: Los dispositivos semiconductores de memoria almacenan información, tal y como vimos en varios artículos publicados en este blog. Pueden ser volátiles (Memoria dinámica de acceso aleatorio o DRAM) o no volátiles (Memoria Flash), utilizada en unidades USB y discos duros de estado sólido.

c) Circuitos analógicos: Los CI analógicos se utilizan para convertir información analógica (es decir, continua) en formato digital (0 y 1) y viceversa. Por ejemplo, al grabar una canción en un reproductor MP3, la canción (información de audio continua) se convierte a formato digital para su almacenamiento y luego se vuelve a convertir en formato analógico para escucharla.

2.- Dispositivos semiconductores discretos: estos son dispositivos individuales que se utilizan en equipos electrónicos principalmente para controlar la corriente eléctrica. Los tipos incluyen transistores, rectificadores y diodos.

3.- Dispositivos Optoelectrónicos y sensores: se utilizan principalmente para generar o detectar luz, por ejemplo en semáforos, en lectores de CD o DVD, en mandos a distancia de electrodomésticos, en cámaras de fotografía, etc.

Los CI representaron el 83% de las ventas de semiconductores, seguidos por los dispositivos semiconductores discretos (11%) y la optoelectrónica y sensores (6%). A su vez, en el mercado de los circuitos integrados, la proporción de circuitos lógicos es la dominante (55%), seguida por los dispositivos semiconductores analógicos y de memoria, que completan el resto.

1. La industria microelectrónica en cifras

El dato que mejor representa la pujanza de la industria mundial de semiconductores es su cifra de facturación anual, que muestro desglosada año a año desde 1987 hasta el año en curso (en este último caso, son previsiones):

Facturación anual de la industria de semiconductores, en miles de millones de dólares USA. El descenso de 2018 a 2019 se debió principalmente a la guerra comercial EEUU-China y el caso Huawei

 

Si entramos en el detalle concreto de los costes que en cada proceso de fabricación (los denominados nodos) significa o ha significado el coste por oblea procesada y por chip, así como las inversiones requeridas en cada nodo, nos encontramos con los siguientes datos:

 Evolución del coste de obleas y de chips según el nodo de fabricación. Hay varias fuentes que se pueden consultar para entrar en más detalles, según el interés del lector sobre esta cuestión

 

Obsérvese cómo la inversión por oblea procesada (Fila 2), desde el nodo de 90 nm (vigente en 2004) al de 5 nm actual, se ha multiplicado por 4. Así mismo y como consecuencia de lo anterior, llama la atención cómo, con el cambio de los sucesivos nodos, el coste por oblea (Fila 7) ha aumentado en un factor 10, lo cual es lógico, pues el grado de complejidad de un nodo al siguiente es siempre creciente. Por otra parte, el coste por chip (Fila 8) ha disminuido también en un factor 10, ya que el tamaño de las obleas sobe las que se realiza el proceso ha crecido y, por lo tanto, al procesar una oblea se fabrican simultáneamente más chips, lo que redunda en una reducción del coste por chip, que es lo que busca cualquier fabricante, pues el chip es el producto que vende a sus clientes: fabricantes de telefonía móvil principalmente y en menor medida, de ordenadores portátiles y de automóviles, por este orden.

Este mercado está viviendo unos momentos de gran escasez de oferta y de fuerte crecimiento de la demanda, como ya tuve ocasión de analizar en otro artículo. Recomiendo al lector interesado en profundizar en diversos aspectos de esta industria, la lectura de este documento, donde encontrará más detalles interesantes.

 

2. Los grandes fabricantes de chips

Los quince mayores fabricantes de CI del mundo, se localizan principalmente en EEUU y Extremo Oriente (con alguna representación de fabricantes europeos); en la Tabla muestro las ventas realizadas por esos fabricantes en 2020, la facturación total de los quince fue 301.963 millones de dólares USA, cantidad ligeramente inferior al PIB de Dinamarca.  En el conjunto del sector, los "quince grandes" suponen cerca del 70% del total:

Los actuales 15 grandes fabricantes de circuitos integrados del planeta. Los tres primeros (Intel, Samsung y TSMC) están en el "pódium" desde hace varios años

 

Como ya vimos en el artículo anterior publicado en éste blog, hay diversos tipos de industrias, atendiendo a su capacidad (o no) de realizar tanto diseño como fabricación: un fabricante "Pure foundry" −fabricante puro sería la traducción− es una industria que solo fabrica CI y no tienen ninguna capacidad de diseño propia. En el otro extremo nos encontramos con las compañías "Fabless" −literalmente "sin fábrica"−, son empresas que solo diseñan y subcontratan la fabricación a las grandes foundries.  Mediante esta estrategia de negocio, las empresas "sin fábrica" reducen los costos laborales e invierten todo su capital en investigación y desarrollo de los CI que comercializan. No obstante, hay empresas que no son únicamente "Pure foundries" o "Fabless"; por ejemplo, Samsung, que tiene capacidad de diseño propio, también da servicios de "foundry" a otras empresas como Apple, su principal rival en el mercado de la telefonía móvil. A continuación, describiré someramente las características principales de los Tres Grandes, que están en esas posiciones desde hace casi una década:

Intel, del que ya vimos sus orígenes en otro artículo, ha sido el líder indiscutible del sector durante casi un cuarto de siglo. La evolución de su facturación, expresada en millones de dólares USA en las últimas décadas es verdaderamente asombrosa y da idea del crecimiento continuo y la pujanza de la electrónica en nuestras sociedades: 1993 (7.600) 2000 (29.700); 2006 (31.600); 2020 (70.800). La evolución tecnológica de Intel ha sido la inversa que la de Samsung: empezó en el mercado de las memorias, mercado que fue abandonando progresivamente por el de las CPU, del que sigue siendo líder en la actualidad. Intel fue fundada en 1968 y en este momento tiene más de 100.000 empleados.

Samsung Electronics es el fabricante de memorias de semiconductores más grande del mundo y en 2017 y 2018 alcanzó la primera posición dentro de los fabricantes de CI, desbancando a Intel de un lugar que había ocupado ininterrumpidamente desde 1985, finalizando así un reinado de 24 años como primer fabricante mundial, record que solo fue superado por Texas Instrument, que fue el número uno entre 1959 y 1984. Bajo el nombre Samsung se engloba uno de los conglomerados industriales más grandes del mundo; está integrado por unas 70 compañías, con plantas de fabricación y redes de venta en 65 países y cuenta con más de 200.000 empleados. Samsung Electronics fue fundada en noviembre de 1969​ en Daegu, Corea del Sur, como Samsung Electric Industries, fabricando originalmente electrodomésticos como televisores, calculadoras, refrigeradores, acondicionadores de aire y lavavajillas.

TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), en estos momentos es la "Pure foundry" más grande del mundo. La mayoría de las principales compañías de semiconductores que no poseen fabricación propia son clientes de TSMC: Qualcomm, Broadcom, MediaTek, Nvidia, Advanced Micro Devices (AMD), etc. Se fundó en 1987 y tiene más de 30.000 empleados. Recientemente saltó la noticia de que Intel va a utilizar los servicios de TSMC para subcontratar la fabricación de sus CI del próximo nodo de 3 nm.