El ecosistema de la industria de los chips: una historia de éxito y de costes asombrosos (1)

Ignacio Mártil

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

La innovación ha sido, es y siempre será el sello distintivo de la industria de los semiconductores, chips o circuitos integrados, como prefiramos denominarla. Pero eso no sale gratis, antes al contrario, acarrea unos gastos prohibitivos para la mayoría de los actores implicados. Ese poder de los chips para innovar se ha extendido más allá de sus aplicaciones originales. Aunque hace más de medio siglo, cuando surgieron los chips, pocas personas lo vieron venir. Con el paso de los años, también ha cambiado la forma en que se fabrican, dando lugar a un ecosistema complejo, tremendamente competitivo y en el que las inversiones se sitúan en cantidades que no bajan de 10 cifras. Lo describo en grandes líneas en este primer artículo y en otro de próxima aparición.

Técnicos supervisando una máquina que fabrica chips en obleas de silicio de 300 mm de diámetro en el Centro de Tecnología Maydan de Applied Materials Inc. en Santa Clara, California, EE. UU.

 1. Algunas cuestiones previas

Los chips son, de hecho, el componente principal de los procesadores (miniordenadores, por decirlo de forma sencilla). Para poder hacerlos, tomamos un bloque de material semiconductor (generalmente silicio, para la mayoría de los chips que se fabrican en el mundo) que cortamos en una lámina extremadamente fina y perfectamente pulida (wafer, oblea) y fabricamos en ella un gran número de chips. Fabricar un chip es un conjunto de procesos extraordinariamente complejo. La tecnología microelectrónica que lo hace posible debe entenderse como el conjunto de reglas de diseño y pasos tecnológicos que, aplicados en una secuencia determinada, permiten obtener uno de tales dispositivos. Dependiendo de la aplicación concreta a la que se vaya a destinar, el número de pasos que hay que llevar a cabo para su fabricación puede superar ampliamente el número de 1.000. Lo he descrito con detalle en otros artículos publicados en este blog y en el siguiente vídeo se recoge esquemáticamente:

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A continuación, cortamos estos circuitos integrados, con lo que obtenemos chips individualizados (die, dado, por la forma que tienen una vez separados de la oblea). Finalmente, estos chips se encapsulan mediante una sustancia plástica que los protege del entorno donde van a funcionar, al mismo tiempo que posibilita su conexión a la placa base del dispositivo al que vaya destinado, por ejemplo, la de un ordenador portátil o la de una tarjeta gráfica.

Izquierda: oblea de semiconductor con los chips fabricados. Forman una pieza única que hay que separar para obtener los chips individuales, que posteriormente se encapsulan y protegen (derecha) para conectarlos en el dispositivo final.

¿Cuál es la finalidad de todo este proceso? Lo indico en pocas palabras con un ejemplo: cuando utilizamos un ordenador para reservar unas vacaciones, encontrar la dirección de un restaurante, ver una película en streaming o acceder a nuestro correo electrónico, la unidad central de proceso, conocida como CPU y la unidad de procesado gráfico (GPU) del portátil, ambas basadas en chips de elevada complejidad, realizan multitud de cálculos que convierten casi instantáneamente nuestras preguntas en respuestas gráficas, con datos, enlaces a páginas web, etc., a los que accedemos con un solo click. La frase anterior resume la maravilla que la electrónica representa en estos momentos en nuestra vida cotidiana. Hoy en día, los procesadores se utilizan a todas horas a nuestro alrededor. Ya sea en los ordenadores personales, los teléfonos móviles, los coches, los servidores de los centros de datos (la Nube o Cloud), las consolas de videojuegos o los equipos médicos (TAC, RMN, etc.), la presencia de los chips no solo es necesaria si no que se ha vuelto imprescindible. Para construir estos procesadores, necesitamos chips. Como ya he dicho antes (y no me canso de repetirlo, aún a riesgo de resultar reiterativo), el proceso de fabricación de los chips implica muchos pasos. Se necesitan años de experiencia e investigación en este sector para diseñar, desarrollar, producir, comercializar y dar servicio postventa a una sola gama de chips.

La cadena de suministros de esta industria se ha visto fuertemente alterada en los últimos años como consecuencia de la pandemia, entre otros factores. Aunque muchos ejecutivos del sector son optimistas en cuanto a que las nuevas plantas de fabricación que se están levantando por todo el planeta, deberían aliviar significativamente los cuellos de botella en la cadena de suministro para la segunda mitad de 2022 y 2023, no todos opinan lo mismo. Son muchos los que piensan que la situación no se normalizará hasta finales de 2023 o 2024. A esto se añaden las incertidumbres que genera la guerra de Ucrania, la crisis de abastecimiento energético y la influencia que estos factores tendrán en la evolución de la economía global. En todo caso y para no salirme del objetivo de este artículo, diré que esta industria, más que otras está muy condicionada por esa evolución global.

2. Las peculiaridades de una industria única

Uno de los aspectos esenciales de la industria de los chips es que su base económica se puede resumir en una frase “tener la fábrica siempre al 100% de su capacidad”. Construir una fábrica acarrea una inversión enorme. Con una vida útil de solo unos pocos años, los costes de una fábrica están dominados por la depreciación de sus activos: el edificio, los equipos de purificación de aire y agua, los equipos de fabricación (litografía, implantación iónica, metalización, etc.). Esto fuerza a hacerla funcionar lo más cerca posible del límite de su capacidad de fabricación. Si una fábrica no trabaja a un ritmo de 24 horas/7 días, entonces los costes fijos superarán a las ganancias que se obtengan por la capacidad utilizada y la fábrica perderá dinero. Pero si la demanda es alta, hay otro problema porque una fábrica que ya está al límite de su capacidad no puede, por definición, fabricar más. Eso es precisamente lo que está pasando ahora, situación que se prolonga desde hace ceca de dos años. Es bueno para la fábrica, pero pésimo para sus clientes y en consecuencia, para los usuarios de productos basados en la electrónica, como bien saben en la industria del automóvil.

La capacidad de una fábrica generalmente satisface la mayoría de las necesidades de la empresa que la construyó, pero puede haber desajustes: a veces, la fábrica está al 100%, pero podría vender más producto si tuviera mayor capacidad de fabricación. En otras ocasiones, la fábrica tiene una capacidad superior a lo que demanda el mercado en ese momento y no tiene suficientes pedidos para mantenerla funcionando al máximo de su capacidad. Mantener el equilibrio para que esté la mayor parte de su vida útil al 100% es un objetivo que no siempre se puede satisfacer.

La producción de chips es un proceso sumamente complejo que maneja plazos de ejecución prolongados para poder ofrecer las prestaciones que esperamos de los dispositivos que utilizamos a diario. Si bien los tiempos de producción de los semiconductores varían según la complejidad, en promedio, transcurren entre tres y cinco años desde la investigación inicial hasta llegar al producto final.

En el próximo artículo describiré la evolución de esta industria durante los últimos 30-40 años hasta llegar al modelo actual, denominado Foundry-Fabless –por las razones que veremos–, de éxito sin precedentes.