Un poco de ciencia, por favor

La escasez de semiconductores, un problema con múltiples causas

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

 (Parte de los contenidos de este artículo están recogidos en el Capítulo 6 de mi libro: "Microelectrónica. La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX"; 2018, Ediciones Complutense)

 

En un artículo anterior analicé uno de los grandes problemas a los que se enfrenta la industria de los semiconductores en este momento: la escasez de oferta frente a la ingente demanda de estos productos. El problema no se circunscribe a esta industria, sino que está causando dolores de cabeza a muchas industrias muy dependientes de la electrónica: los fabricantes de PC, los teléfonos móviles, las consolas de videojuegos, la industria del automóvil, los robots industriales, los grandes servidores de servicios en la nube, etc. están luchando para comprar suficientes chips –denominación inglesa universalmente aceptada para definir un circuito integrado– para usar en sus productos en medio de la creciente demanda de estos dispositivos, en un proceso que recuerda a otra escala y con otras consecuencias no tan dramáticas, lo que pasó en el primer trimestre del año pasado con la compra de mascarillas, EPI y respiradores. La esencia del problema es similar: escasez de oferta frente a una demanda voraz, pero las razones hay que buscarlas tiempo atrás. En este artículo, continuación del anterior ya mencionado, voy a analizar con más profundidad las razones que explican cómo hemos llegado hasta aquí.

Oblea de 300 mm de diámetro procesada con chips del nodo de 45 nm. Aunque es una tecnología "antigua" (se puso a la venta en 2007), es uno de los productos de mayor demanda en estos momentos, principalmente por la industria del automóvil

 

 1. Causas de largo recorrido

i) Los grandes errores de Intel

Intel, el mayor fabricante mundial de CPU para PC y centros de datos, sufrió una escasez de sus propios chips desde 2018 debido a que en el desarrollo de sus chips de vanguardia de aquel año (el denominado nodo de 10 nm) no acabó a arrancar ni de funcionar correctamente. Esto afectó a su vez a su propia producción de la tecnología anterior (el nodo de 14 nm). No había resuelto esa escasez cuando volvió a tropezar a finales de 2019 y comienzos de 2020 al intentar colocar en el mercado su nuevo nodo de vanguardia, el de 7 nm, que se tradujo en nuevos retrasos de su comercialización (para una correcta comprensión de lo que significa un "nodo tecnológico", recomiendo leer este artículo publicado en este mismo blog).

En el interior de la sala limpia de la fábrica que Intel tiene en Israel

 

Estos errores motivaron que los fabricantes de PC y ordenadores portátiles buscaran a otro de los grandes del sector, AMD (Advanced Micro Devices), para suministrar las CPU de sus productos. El problema es que AMD, a diferencia de Intel, que fabrica sus propios chips en sus propias fábricas, subcontrata la producción de la mayoría de sus chips a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company la fábrica de chips más avanzada del mundo en estos momentos. Como resultado inmediato, el crecimiento y el incremento de la cuota de mercado de AMD metieron una gran presión a las plantas de TSMC antes incluso del estallido de la pandemia.

Ordenador portátil equipado con el procesador Ryzen 3, uno de los chips de más éxito de los diseñados por AMD

 

ii) La reducción de los precios de los chips de memoria

Por otra parte y de manera casi simultánea, los precios de los chips de memoria se dispararon en 2017 y 2018, pero disminuyeron en 2019 y 2020 en medio de una bajada puntual de la demanda de PC y teléfonos móviles ocurrida en 2019. En respuesta a esta situación, los principales fabricantes de chips de memorias RAM y Flash basados en semiconductores, entre los que podemos citar a Samsung, SK Hynix y Micron Technology, redujeron la producción de estos chips antes de la pandemia.

iii) Los "vientos de cola" tradicionales del sector

La demanda mundial de chips ha sido cíclica durante las últimas décadas, tal y como se muestra en la siguiente figura:

En la imagen se puede ver el fuerte carácter cíclico del mercado de chips durante el último cuarto de siglo, junto con la gran subida experimentada el pasado año 2020

 

Sin embargo, el crecimiento de las nuevas tecnologías, incluidos los servicios en la nube, las redes 5G y los servicios de inteligencia artificial, está alimentando un "superciclo" de nuevos chips que podría durar mucho más que un ciclo tradicional. Los dispositivos conectados, como los teléfonos móviles, requieren un número creciente de chips de vanguardia.

En el sector del automóvil se espera que hacia 2024, casi tres cuartas partes de todos los vehículos se fabriquen ya con conectividad móvil, lo que hará subir de nuevo la demanda de los chips de vanguardia para dar respuesta a esta necesidad: más presión sobre una situación ya de por sí muy tensionada en estos momentos. Muchos fabricantes de chips esperaban que este superciclo aumentara significativamente sus ventas antes de la pandemia, pero la crisis aceleró muchas de esas tendencias al tiempo que interrumpió temporalmente los procesos de fabricación y suministro posterior, dando lugar a una auténtica "tormenta perfecta" que probablemente hará que la escasez global de chips se prolongue.

iv) Cada vez hay menos fabricantes con capacidad de producir chips de alta tecnología

Desde comienzos del siglo, el número de fabricantes de chips de vanguardia no ha hecho más que reducirse. Si en 2003 había 18 grandes fabricantes capaces de poner en el mercado los chips de altas prestaciones de aquellos años (el nodo de 90 nm), hoy en día solo quedan tres grandes fabricantes: Intel, Samsung y el que está en boca de todos en estos días, TSMC, el gran desconocido para el público no especializado:

La reducción de fabricantes desde el nodo de 90 nm (comercializado en 2003) hasta hoy

 

Lógicamente, esta situación no hace más que tensionar un mercado que, en lo que a chips de vanguardia se refiere, se ha quedado en manos de tres grandes fabricantes, que en la práctica son dos, habida cuenta de los problemas que sigue teniendo Intel con los últimos nodos. Una de las muchas consecuencias que esto está teniendo es que ante una demanda creciente, Samsung y TSMC están priorizando la fabricación de sus chips de más alta tecnología, los de los nodos de 10, 7 y 5 nm, reduciendo la producción del resto, que son muy demandados en sectores como el del automóvil. Es decir, hay un desequilibrio entre la oferta (escasa) y la demanda (elevadísima) de los chips de los nodos maduros; se ha expandido mucho la capacidad de fabricación de los nodos avanzados, pero las empresas implicadas no se han ocupado de los nodos maduros y hay muchos componentes críticos en esos nodos.

 

2. Causas inmediatas

 i) La crisis del COVID-19

En resumen, el mercado de semiconductores ya estaba sometido a fuertes convulsiones cuando comenzó la pandemia el año pasado. En los primeros meses de 2020, asistimos a una interrupción temporal del suministro de chips por el cierre de la mayoría de las fábricas. Mientras tanto, aumentaba la demanda mundial de nuevos dispositivos móviles, PC y actualizaciones de centros de datos en respuesta a la necesidad de realizar gran número de trabajos en remoto, a la enseñanza y el aprendizaje en casa y otras tendencias forzadas por la necesidad para una gran mayoría de la población mundial de quedarnos en nuestros hogares.

La mayoría de los fabricantes de chips se recuperaron de sus interrupciones iniciales y TSMC permaneció operativo porque sus plantas más avanzadas en Taiwán no se vieron afectadas (TSMC tiene 10 grandes fábricas en la isla de Taiwán y otras dos más en China continental). Los fabricantes de chips de memoria también volvieron a aumentar rápidamente su producción en respuesta a esa creciente demanda. Pero el sector de la fabricación de chips no podía satisfacer el apetito del mercado por los nuevos dispositivos, motivado por las razones expuestas en el párrafo anterior. Durante todo 2020 y lo que llevamos de 2021, las fábricas de TSMC han estado funcionando con una utilización superior al 100% y recientemente anunció que invertiría 100.000 millones de dólares USA durante los próximos tres años para ampliar sus capacidades de producción. El nuevo CEO de Intel, Pat Gelsinger ha advertido recientemente que la escasez global de chips podría durar dos años más y requeriría inversiones "inmensas" para poder resolverla.

ii) La guerra tecnológica China-Estados Unidos

La guerra tecnológica entre Estados Unidos y China, que se intensificó bajo el presidente Donald Trump y continúa bajo el presidente Joe Biden, es otro tema candente. Estados Unidos ya impuso sanciones contra varias grandes empresas chinas, incluidas SMIC y Huawei, en medio de alertas vinculadas a la seguridad nacional: las armas más avanzadas funcionan con chips. Esas sanciones están agravando la escasez de chips de los últimos nodos en China, pero también están impulsando al gobierno chino a invertir cantidades ingentes en sus fabricantes de chips nacionales para reducir su dependencia general de las tecnologías extranjeras, lo que podría causar un desacoplamiento desordenado de los mercados de EE. UU. y China, con el telón de fondo del litigio sobre Taiwan, sede del líder mundial de fabricación en chips avanzados, TSMC. Todo un embrollo para el que no se ve salida ni en el corto ni el medio plazo.

 

3. Nuevos desafíos por delante

La administración Biden propuso recientemente invertir 50.000 millones de dólares USA para fortalecer el sector de fabricación de chips de Estados Unidos, pero esto no resolverá la escasez actual. Esto se debe a que la mayor parte del mercado mundial de semiconductores depende de empresas no estadounidenses, como el fabricante holandés ASML de equipos de litografía de ultra violeta extremo (imprescindibles para fabricar los chips de los nodos de 10 nm e inferiores), TSMC y Samsung, que son posiblemente más importantes que la mayoría de los fabricantes de chips estadounidenses. Cualquier revés que pueda sufrir alguno de ellos se trasladaría a toda la cadena de valor de la industria microelectrónica, resaltando su fuerte dependencia de muy pocos actores.

¿Qué papel juega o podría jugar Europa en esta cuestión? Varios de los mayores fabricantes del mundo son europeos: Infineon y STMicroelectronics están entre los 15 grandes del sector, NXP Semiconductors participa también en la liga de los grandes, hay plantas de otros fabricantes foráneos (Global Foundries tiene una gran planta en Dresde, Alemania; Intel tiene otra en Irlanda, etc.). En general están especializados en productos destinados a la electrónica de automóviles, electrónica de potencia, sensores y actuadores, etc.  Hoy por hoy, ninguno de los fabricantes citados producen chips relacionados con la telefonía móvil o los ordenadores portátiles, productos para los que se requieren chips de los nodos más avanzados, como sí es el caso de Samsung o TSMC, cuya fuerte demanda ha provocado la situación en la que se encuentra el sector . Recientemente ha habido movimientos encaminados a atraer a TSMC, con la idea de que instale plantas en Europa. No está claro que esta iniciativa vaya a cristalizar y en cualquier caso, esto no resolvería ni a corto ni a medio plazo el problema planteado en este artículo, pues una fábrica de chips de vanguardia tarda no menos de cuatro años en estar plenamente operativa.

Habrá que estar atentos a lo que suceda en los próximos meses, muy en especial a TSMC, fabricante del que, fuera del mundo de la industria microelectrónica, nadie había oído ni leído nada hasta estos momentos.