Dall'inizio della pandemia di COVID-19, i problemi della catena di approvvigionamento hanno interessato molti prodotti, dalla carne alla carta igienica, fino ai chip a semiconduttori, oltre all'ampia varietà di "cose" controllate da questi ultimi. Fare scorta di carta igienica non è più necessario. Al contrario, negli ultimi anni le scorte di chip, come quelli della serie ATtiny, risultano spesso limitate o inesistenti. Per risolvere questo problema, si sta lavorando per aumentare la produzione di semiconduttori negli Stati Uniti.
In questo articolo analizzeremo le caratteristiche della produzione di semiconduttori e daremo un'occhiata alla tecnologia per la fabbrica intelligente, che sarà necessaria per espandere la produzione di semiconduttori negli Stati Uniti. Anche se aumentare la produzione di chip non sarà facile, gli Stati Uniti hanno già una notevole capacità ed esperienza nella produzione di semiconduttori e non partiranno da zero.
Fabbrica intelligente di semiconduttori: un'unica macchina integrata
L'idea generale alla base della produzione di massa tradizionale è che un prodotto viene passato da un'operazione all'altra. Le caratteristiche vengono aggiunte progressivamente e in modo indipendente. Analogamente a molte altre fabbriche intelligenti moderne, anche dette "fab", la produzione di chip funziona più come una macchina integrata che come una serie di operazioni indipendenti. Questo rappresenta di per sé una spesa in conto capitale non indifferente. Nel processo di produzione dei semiconduttori, i wafer di silicio in lavorazione vengono trasportati all'interno della fabbrica non da esseri umani, ma da capsule unificate ad apertura frontale (FOUP) che si spostano da un punto all'altro su un sistema di rotaie aeree.
Oltre ad essere un sistema integrato, una fab è anche una camera bianca, con livelli di polvere di molto inferiori a quelli di una sala operatoria. Questo ambiente è fondamentale, perché anche un singolo granello di polvere può rovinare un wafer in lavorazione. Aumentare notevolmente l'automazione dei processi non significa semplicemente risparmiare sui costi della manodopera, ma anche ridurre la presenza di esseri umani che rilasciano inavvertitamente un gran numero di particelle all'interno della fab.
Occorre prendere in considerazione le apparecchiature necessarie per mantenere questo ambiente, i trasformatori per gestire il massiccio fabbisogno energetico e persino le tubature per l'acqua di processo. Tutte queste infrastrutture, tuttavia, supportano il cuore del processo: una serie di incredibili macchine per litografia ultravioletta che inseriscono miliardi di transistor su un wafer di silicio. Queste macchine per litografia UV hanno all'incirca le dimensioni di un autobus e sono forse le macchine più complesse mai realizzate.
Litografia ultravioletta estrema: la tecnologia chiave per la produzione di semiconduttori
I chip di produttori come Intel, TSMC e Samsung sono fondamentali per qualsiasi cosa, dalle automobili ai telefoni cellulari. Tuttavia, i macchinari necessari per produrre i chip più avanzati al mondo provengono da un unico luogo: ASML, una società con sede nei Paesi Bassi. ASML, che un tempo stava per Advanced Semiconductor Materials Lithography, ha ufficialmente superato lo status di acronimo. Produce macchine per litografia ultravioletta estrema, o EUV, che sono fondamentali per realizzare i semiconduttori più avanzati al mondo. I processi più recenti di Intel, TSMC e Samsung possono inserire circa 100 milioni di transistor in un'area di appena 1 mm quadrato, un numero assolutamente sbalorditivo.
Il futuro di ASML con le macchine EUV
Mentre per i chip più consolidati si potrebbe utilizzare una tecnologia non EUV meno recente, opzione da prendere comunque in considerazione vista la difficoltà a reperire molti di questi dispositivi, per le fab all'avanguardia ASML rappresenta l'unica scelta possibile. La tecnologia EUV è stata sviluppata nel corso di molti anni ed è costata 9 miliardi di dollari. L'impegno è stato così imponente che Intel, Samsung e TSMC hanno acquistato quote della società per sostenere lo sviluppo dell'EUV. Benché rischioso, questo investimento ha portato alla capacità di produrre chip ancora più piccoli e il valore di ASML è aumentato notevolmente negli ultimi anni. Potrebbe diventare la prima società da migliaia di miliardi di dollari in Europa.
In breve, qualsiasi fab che voglia espandere la produzione dei chip più avanzati, negli Stati Uniti o altrove, dovrà procurarsi da 9 a 18 di queste macchine EUV, a un costo di circa 150 milioni di dollari ciascuna. In fascia alta, il costo delle sole macchine EUV per un impianto potrebbe raggiungere i 3 miliardi di dollari. Inoltre, si prevede che per la prossima generazione di macchine EUV il prezzo supererà "significativamente" i 340 milioni di dollari ciascuna. Volendo arrotondare, se ogni macchina arrivasse a costare 500 milioni di dollari e un impianto avesse bisogno di 20 unità, sarebbero necessari 10 miliardi di dollari per una singola fab.
Forse il numero diminuirà con la realizzazione di macchine EUV più avanzate, ma il costo di una fab avanzata è comunque di diversi miliardi di dollari. Allo stesso tempo, se una fab è una macchina integrata, le EUV sono solo un aspetto di un'operazione più ampia. 10 miliardi di dollari per un impianto di produzione di semiconduttori all'avanguardia sembrano essere solo il punto di partenza.
Approvvigionamento della fabbrica intelligente di semiconduttori
Pensiamo alle fab come a fornitori di componenti, ovvero chip, per altri settori, ma è importante ricordare che anche le fab dipendono dalla fornitura costante di materiali e componenti che ne alimentano i processi. Questo include tutto, dalla corrente all'acqua, dai materiali di consumo alla carta igienica. Tuttavia, se le macchine EUV sono il cuore del processo, i wafer di silicio su cui vengono formati i transistor sono l'ossigeno dell'impianto, pompato nel corpo della fab dalle FOUP, che fungono da cellule del sangue.
Da un punto di vista americano, la buona notizia è che gli Stati Uniti producono già una notevole quantità di wafer di silicio che possono essere forniti alle fab. Allo stesso tempo, con l'aumento della produzione, potrebbe essere necessario un numero ancora maggiore di wafer di silicio grezzi e sarà necessario considerare e rispondere ad altre esigenze continue delle fab. Anche se impegnativa, l'espansione della produzione di chip potrebbe riservare grandi soddisfazioni, sia dal punto di vista della sicurezza degli approvvigionamenti sia per gli effetti sull'economia, con la creazione di posti di lavoro diretti e collaterali.
È possibile eliminare la catena di fornitura più corta?
Anche se potrebbe essere difficile per gli Stati Uniti riconquistare la leadership mondiale nella produzione di chip, il traguardo è meno lontano di quanto si possa immaginare. Ma il sogno della completa autosufficienza tecnologica degli Stati Uniti sembra essere una fantasia a breve termine. Anche se gli Stati Uniti dovessero spostare tutta la produzione di chip in patria, ASML, con sede nei Paesi Bassi, è l'unico fornitore delle apparecchiature necessarie per la produzione dei chip più avanzati al mondo. La società si affida alla controllata Cymer, con sede negli Stati Uniti, per la fornitura di laser avanzati per le proprie macchine. A loro volta, entrambe dipendono certamente da altre nazioni, aziende e persone per la fornitura di componenti e competenze per i propri processi.
L'aumento della produzione di chip negli Stati Uniti è un compito imponente, che potrebbe produrre benefici diffusi. Allo stesso tempo, nel mondo interconnesso di oggi, ogni nazione dovrà fare affidamento su catene di fornitura geograficamente molto ampie per il prossimo futuro. Facciamo del nostro meglio per prepararci al peggio, ma cerchiamo di mantenere relazioni amichevoli con gli altri paesi. Solo così potremo lavorare insieme per prevenire il tipo di interruzioni che abbiamo visto e continuiamo a vedere dal 2020.
