Desde el comienzo de la pandemia de COVID, hemos visto problemas en las cadenas de suministro de productos como carne, papel higiénico y chips semiconductores, además de la amplia variedad de "cosas" que controlan. Aunque acumular papel higiénico ya no está de moda, si ha tenido que comprar chips en los últimos años, como los de la serie ATtiny, las existencias suelen ser limitadas o inexistentes. Como solución a este problema, se están llevando a cabo esfuerzos para incrementar la fabricación de semiconductores en los Estados Unidos.
En este artículo, exploraremos lo que abarca la producción de semiconductores y daremos un vistazo a la tecnología de fábricas inteligentes que se necesitará para expandir la fabricación de semiconductores en los Estados Unidos. Si bien incrementar la producción de chips no es una tarea sencilla, los Estados Unidos ya tienen capacidad significativa y experiencia en la producción de semiconductores, y no comenzarían desde cero.
Fábrica inteligente de semiconductores: Una máquina integrada
La idea general de la fabricación masiva tradicional implica que un producto pase de una operación a otra. Las características se agregan de forma progresiva e independiente. Un fabricante de chips, como ocurre con muchas otras fábricas inteligentes modernas, funciona más como una máquina integrada que como una serie de operaciones independientes. Eso representa una importante inversión de capital. De hecho, en el proceso de producción de semiconductores, las obleas de silicio en proceso son transportadas por la fábrica no por humanos, sino por FOUP (Front Opening Unified Pod o cartuchos unificados de apertura frontal), que se deslizan de un punto a otro en un sistema de rieles elevados.
Además de que la fábrica es un sistema integrado, también es un entorno de sala limpia, con un contenido de polvo muy por debajo del nivel para una sala de operaciones. Este entorno es crítico, ya que incluso una sola mota de polvo en una oblea en proceso puede arruinarla. La automatización significativa de los procesos implica no solo ahorros en costos de mano de obra, sino también menos humanos presentes que arrojan involuntariamente una cantidad importante (y repugnante) de partículas a medida que se desplazan por la fábrica.
Se deben considerar los equipos de capital para mantener este entorno, los transformadores para admitir requisitos masivos de energía e incluso, las tuberías para agua de proceso. Sin embargo, toda esta infraestructura respalda el corazón de este proceso: una serie de increíbles máquinas de litografía ultravioleta que dan forma a miles de millones de transistores en una oblea de silicio. Estas máquinas de litografía UV tienen aproximadamente el tamaño de un autobús y podría decirse que son las máquinas más complicadas jamás fabricadas.
Litografía ultravioleta extrema: La tecnología crítica para la producción de semiconductores
Los chips de fabricantes como Intel, TSMC y Samsung son críticos para todo, desde automóviles hasta teléfonos celulares. No obstante, la maquinaria necesaria para fabricar los chips más avanzados del mundo proviene de un solo lugar: ASML, con sede en los Países Bajos. ASML, que alguna vez significó Advanced Semiconductor Materials Lithography, ha pasado a ser oficialmente un acrónimo. La empresa fabrica máquinas de litografía ultravioleta extrema, o EUV, que son fundamentales para fabricar los semiconductores más avanzados del mundo. Los procesos más nuevos de Intel, TSMC y Samsung pueden estar en el orden de 100 millones de transistores en un área de solo 1 mm cuadrado, un número absolutamente asombroso.
El futuro de ASML gracias a las máquinas EUV
Si bien los chips que son los componentes de batalla más usados podrían utilizar una tecnología más antigua que no sea EUV (que también debe considerarse, dada la dificultad de encontrar muchos de estos dispositivos) para la fabricación de vanguardia, ASML es la única opción en el mundo. Su tecnología EUV se desarrolló durante muchos años, a un costo de 9000 millones de dólares. Tan enorme fue este esfuerzo, de hecho, que Intel, Samsung y TSMC adquirieron acciones de la empresa para apoyar el desarrollo de EUV. Si bien fue arriesgada, esta inversión ha dado como resultado la capacidad única en el mundo para fabricar chips a una escala aún más pequeña, y el valor de ASML ha aumentado significativamente en los últimos años. De hecho, con el tiempo podría convertirse en la primera empresa de Europa en valer un billón de dólares.
Para resumir, cualquier fabricante que busque expandir la producción de los chips más avanzados, en los Estados Unidos o en otro lugar, necesitará obtener entre 9 y 18 de estas máquinas EUV, a un precio de aproximadamente 150 millones cada una. En la gama más alta, solo las máquinas EUV para una planta podrían alcanzar el rango de los 3000 millones. Haciendo que este costo sea aún más extremo, se espera que la próxima generación de máquinas EUV cueste "significativamente" más de 340 millones cada una. Usando números redondos, si cada una terminara costando 500 millones y una planta necesitara 20 unidades, se requerirían 10 000 millones para un solo fabricante.
Tal vez esa cifra disminuya a medida que se fabriquen máquinas EUV más avanzadas. Sin embargo, el costo de una fábrica avanzada es de miles de millones de dólares. Al mismo tiempo, si una ubicación de fabricación está compuesta por una máquina integrada, las EUV son solo un aspecto de una operación más grande. Unos 10 000 millones de dólares para una planta de producción de semiconductores de última generación parece ser solo el punto de partida.
Suministros para fábricas inteligentes de semiconductores
Pensamos en los fabricantes como proveedores de componentes (es decir, chips) para otras industrias, pero es importante recordar que también dependen de un suministro constante de materiales y componentes para impulsar sus procesos. Esto incluye todo, desde energía y agua hasta consumibles e incluso, papel higiénico. Sin embargo, si las máquinas EUV son el corazón del proceso, las obleas de silicio, en las que se forman los transistores, son el oxígeno de la planta, que se bombea alrededor del cuerpo de la fábrica por las "células sanguíneas" que constituyen los FOUP.
La buena noticia aquí, desde una perspectiva centrada en los Estados Unidos, es que el país ya produce un suministro significativo de obleas de silicio que pueden suministrarse a los fabricantes. Al mismo tiempo, es posible que se necesiten aún más obleas de silicio sin procesar a medida que aumente la producción, y se deberán considerar y abastecer otras necesidades continuas de fabricación. Si bien es un desafío, la expansión de la producción de chips podría ser muy gratificante, tanto desde el punto de vista de la seguridad del suministro como por el efecto dominó en la economía a través de empleos directos y de apoyo.
Una cadena de suministro más corta… ¿Se puede eliminar?
Si bien puede ser difícil para los Estados Unidos recuperar su posición como el fabricante de chips líder en el mundo, no está tan atrás como algunos se imaginan. Pero cualquier sueño de que los Estados Unidos sea completamente autosuficiente en cuanto a tecnología parece ser una fantasía a corto plazo. Incluso si Estados Unidos trasladara toda la fabricación de chips al territorio, ASML, con sede en los Países Bajos, es el único proveedor del equipo para fabricar los chips más avanzados del mundo… y que depende de una subsidiaria de Cymer con sede en EE. UU. para suministrar los láseres avanzados para sus máquinas… y ambos sin duda dependen de otras naciones, empresas y personas a fin de suministrarles componentes y experiencia para sus procesos.
Aumentar la fabricación de chips en los Estados Unidos es una tarea enorme, que podría generar beneficios generalizados. Al mismo tiempo, en el mundo interconectado de hoy, todas las naciones tendrán que depender de cadenas de suministro de amplio alcance geográfico en el futuro previsible. Preparémonos para lo peor como podamos, pero luchemos por mantener relaciones amistosas con otras naciones. Solo entonces podremos trabajar juntos para evitar el tipo de interrupciones que vimos y hemos estado viendo desde 2020.
