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Esta máquina de litografía ultravioleta extrema permite a los fabricantes crear chips de vanguardia con elementos de unos pocos nanómetros de tamaño.

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La gran crisis de los chips amenaza la promesa de la Ley de Moore

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A medida que los fabricantes se fusionan y concentran sus inversiones en semiconductores de vanguardia, la mayor parte de la industria de dispositivos queda huérfana de modelos económicos de gama baja, lo que a la vez aumenta su precio y podría lastrar toda una nueva generación de innovaciones

  • por Jeremy Hsu | traducido por Ana Milutinovic
  • 23 Julio, 2021

Un año después desde el inicio de la pandemia de coronavirus (COVID-19), Apple presentó con gran pompa la creciente variedad de dispositivos que incorporan su chip M1 hecho a medida, incluido el anuncio televisivo de Misión Implausible, con un joven corriendo por los tejados del campus de la "nave espacial" (sede de Apple) en Cupertino (EE. UU.) e infiltrándose en el edificio para "robar" el innovador microprocesador de un MacBook y colocarlo dentro de un iPad Pro.

El chip de Apple diseñado a medida es el último triunfo de la Ley de Moore, la observación convertida en profecía autocumplida de que los fabricantes pueden duplicar la cantidad de transistores en un chip cada pocos años. El M1 incluye 16.000 millones de transistores en un microprocesador del tamaño de un gran sello postal. Se trata de una maravilla de la destreza actual en la fabricación de semiconductores.

Pero mientras Apple celebraba el M1, el mundo se enfrentaba a una económicamente devastadora escasez de microchips, especialmente de aquellos de menor coste, que hacen posibles muchas de las tecnologías actuales.

Los fabricantes de coches han ido cerrando sus líneas de montaje y despidiendo a sus trabajadores porque no pueden conseguir suficientes chips al precio de un dólar (0,85 euros). Las fábricas han recurrido a la construcción de vehículos sin los chips necesarios para los sistemas de navegación, espejos retrovisores digitales, pantallas táctiles y sistemas de gestión de combustible. En total, la industria automotriz mundial podría perder en 2021 más de 110.000 millones de dólares (93.141 millones de euros) por este déficit.

La producción de teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles, consolas de videojuegos, televisores e incluso de electrodomésticos inteligentes también se ha ralentizado, todo debido a la falta de microchips baratos. Su uso es tan esencial y está tan extendido que algunos analistas piensan que la crisis de los chips podría amenazar la recuperación económica mundial de la pandemia.

Esta escasez mundial ha puesto de relieve las posibilidades del sector de los semiconductores para ofrecer microchips más económicos y potentes. La histórica promesa de chips con cada vez más capacidades inspiró a los ingenieros, programadores y diseñadores de productos a crear generaciones de nuevos productos y servicios. La Ley de Moore ha sido más que una simple hoja de ruta para la industria de los semiconductores: ha dirigido el cambio tecnológico durante el último medio siglo.

Esa promesa de más potencia informática en todas partes se está desmoronando en la actualidad, pero no porque los fabricantes se hayan enfrentado al final a los límites físicos de la tecnología para fabricar transistores cada vez más pequeños. En cambio, los crecientes costes por intentar sustentar la Ley de Moore han alentado fusiones entre fabricantes de chips y han creado más puntos críticos en el inmensamente complejo negocio de la producción de chips.

Aunque los microchips se han vuelto esenciales en tantos productos, su desarrollo y fabricación han llegado a estar dominados por un pequeño número de productores con limitada capacidad para producir los chips básicos, uno de los elementos principal de las tecnologías actuales. Y como la creación de chips requiere cientos de pasos de fabricación y meses de producción, la industria no puede cambiar tan rápidamente para satisfacer el aumento de la demanda impulsado por la pandemia.

Después de varias décadas de preocuparnos por cómo introducir los elementos tan pequeños como unos pocos nanómetros en obleas de silicio, el espíritu de la Ley de Moore (la expectativa de que los chips potentes y baratos estarán fácilmente disponibles), se ve amenazado por algo mucho más mundano: las inflexibles cadenas de suministro.

Frontera única

Hace 20 años, el mundo contaba con 25 fabricantes que producían chips de vanguardia. En la actualidad, solo Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) en Taiwán, Intel en Estados Unidos y Samsung en Corea del Sur tienen las instalaciones, o fábricas, para los chips más avanzados. E Intel, líder en esta tecnología durante mucho tiempo, está luchando por mantenerse al día, después de no cumplir los plazos para producir sus últimas generaciones en repetidas ocasiones.

Una de las razones de las fusiones es que construir una instalación para fabricar los chips más avanzados cuesta entre 5.000 millones y 20.000 millones de dólares (4.234 millones y 16.935 millones de euros). Estas fábricas producen chips con elementos de tan solo unos pocos nanómetros; en la jerga de la industria se llaman nodos de cinco y de siete nanómetros. Gran parte del coste de las nuevas fábricas se destina a la compra de los equipos de última generación, como la herramienta denominada máquina de litografía ultravioleta extrema (EUV) que cuesta más de 100 millones de dólares (85 millones de euros). Fabricadas exclusivamente por ASML en los Países Bajos, las máquinas EUV se utilizan para grabar los patrones de circuitos detallados con elementos de tamaño nanométrico.

Los fabricantes de chips llevan más de dos décadas trabajando en la tecnología EUV. Después de miles de millones de euros de inversión, las máquinas EUV se utilizaron en la producción comercial de chips por primera vez en 2018. "Esa herramienta tiene 20 años de retraso, costaba 10 veces más del presupuesto, porque es increíble. Es casi mágico que funcione. Es totalmente como ciencia ficción", asegura el director ejecutivo de un consorcio de ingeniería dedicado al aprendizaje automático, David Kanter.

Este gigantesco esfuerzo hizo posible la creación de miles de millones de pequeños transistores en el chip M1 de Apple, que fue fabricado por TSMC y representa la primera generación de chips de vanguardia que dependen completamente de EUV.

Solo las mayores empresas tecnológicas están dispuestas a pagar cientos de millones de euros para diseñar un chip con los nodos de vanguardia.

Pagar por los mejores chips tiene sentido para Apple porque van dentro de los últimos modelos de MacBook y iPhone, que se venden por millones de unidades a precios de marca de lujo. "La única empresa que realmente utiliza EUV en un gran volumen es Apple, y vende teléfonos inteligentes de 1.000 dólares (850 euros) por los que tienen un margen increíble", explica Kanter.

Las fábricas para crear dichos chips no solo son muy caras, sino que actualmente el coste de diseñar circuitos tan tremendamente complejos está fuera del alcance de muchas empresas. Además de Apple, solo las mayores empresas tecnológicas que requieren el mayor rendimiento informático, como QualcommAMD y Nvidia, están dispuestas a pagar cientos de millones de dólares para diseñar un chip con los nodos de vanguardia, afirma el vicepresidente de Tecnologías CMOS del instituto de investigación internacional Imec, Sri Samavedam, con sede en Lovaina (Bélgica).

Muchas más compañías producen ordenadores portátiles, televisores y coches que utilizan chips fabricados con las tecnologías más antiguas, y un aumento en su demanda ha causado la actual escasez de chips. Simplemente, la mayoría de los clientes de chips no pueden permitirse, o no quieren pagar, los modelos más recientes. Un coche típico de hoy en día usa docenas de microchips, mientras que un vehículo eléctrico utiliza muchos más. Eso suma rápidamente. Por eso, los fabricantes de coches se han quedado con los chips fabricados con tecnologías más antiguas.

Además, muchos de los dispositivos electrónicos más populares en la actualidad simplemente no requieren los chips de última generación. El antiguo investigador de doctorado en la Universidad Carnegie Mellon (EE. UU.) Hassan Khan, que estudió los efectos en las políticas públicas del fin de la Ley de Moore y actualmente trabaja en Apple, opina: "No tiene sentido poner, por ejemplo, un chip A14 [el de iPhone y iPad] en cada ordenador del mundo. No lo necesita el termómetro inteligente que usamos en casa, y no hacen falta 15 de ellos en nuestro coche, porque consumen mucha energía y son muy caros".

El problema consiste en que incluso aunque más usuarios confían en las tecnologías de chips más antiguas y más baratas, los gigantes de la industria de los semiconductores se han centrado en construir nuevas fábricas de vanguardia. TSMC, Samsung e Intel han anunciado inversiones de miles de millones de euros para nuevas instalaciones de fabricación. Sí, son caras, pero ahí es donde están los beneficios, y durante los últimos 50 años, era donde estaba el futuro.

TSMC, el mayor fabricante del mundo, obtuvo casi el 60 % de sus ingresos en 2020 de la producción de chips de vanguardia con elementos de 16 nanómetros o menos, incluido el chip M1 de Apple creado con el proceso de fabricación de cinco nanómetros.

Lo que empeora el problema es que "nadie está construyendo equipos de fabricación de semiconductores para mantener las tecnologías más antiguas. Estamos entre la espada y la pared", resalta el principal analista de la Asociación del Sector de Componentes Electrónicos con sede en Alpharetta, Georgia (EE. UU.), Dale Ford.

Chips de gama baja

Todo esto es importante para los usuarios, no solo por la interrupción del suministro, sino también porque amenaza el desarrollo de muchas posibles innovaciones. Además de ser más difíciles de conseguir, los chips básicos más baratos también se están volviendo relativamente más caros, ya que cada generación ha requerido equipos e instalaciones más costosos que las anteriores.

Algunos productos de consumo simplemente demandarán chips más potentes. El desarrollo de las redes móviles 5G más rápidas y el aumento de las aplicaciones informáticas que dependen de las velocidades 5G podrían obligar a invertir en chips especializados diseñados para los equipos de red que se comunican con docenas o cientos de dispositivos conectados a internet. Algunas funciones de los coches, como los sistemas avanzados de asistencia al conductor y los sistemas de "información y entretenimiento" en el vehículo, también pueden beneficiarse de los chips de vanguardia, como lo demuestran las asociaciones del fabricante de vehículos eléctricos Tesla con TSMC y Samsung en el desarrollo de chips para los futuros coches sin conductor.

Pero comprar los últimos chips de vanguardia o invertir en diseños especializados podría no resultar práctico para muchas empresas a la hora de desarrollar productos para un futuro de "inteligencia en todas partes". Es poco probable que los fabricantes de dispositivos de consumo, como una máquina de cocina a baja temperatura con wifi, inviertan en desarrollar chips especializados por su cuenta para añadir funciones aún más sofisticadas, opina Kanter. En cambio, probablemente recurran a cualquier chip fabricado con tecnologías más antiguas.

La mayoría de los clientes actuales se conforman con los básicos más baratos, que representan una compensación entre el coste y el rendimiento.

Y Kanter explica que los productos de menor coste, como la ropa, tienen "márgenes muy pequeños" que dejan poco espacio de maniobra para chips más caros, que agregarían 1 dólar (0,85 euros)— al precio de cada artículo. Eso significa que el creciente precio de la potencia informática podría impedir el desarrollo de ropa capaz de, por ejemplo, detectar y responder a los comandos de voz o a los cambios en el tiempo.

El mundo probablemente pueda vivir sin cocinas de baja temperatura más sofisticadas, pero la falta de chips cada vez más baratos y potentes tendría un coste real: el fin de una era de inventos alimentados por la Ley de Moore y su promesa de hace décadas de que la potencia informática cada vez más asequible estaría disponible para la próxima innovación. 

La mayoría de los clientes actuales se conforman con chips básicos más baratos que representan una compensación entre el coste y el rendimiento. Y es su suministro lo que parece inadecuado a medida que la demanda mundial de potencia informática crece.

"El uso de semiconductores en vehículos todavía está aumentando, al igual que en hornos tostadores y en todo tipo de cosas. Entonces, la pregunta es, ¿a quién va a afectar esta escasez?", afirma el profesor de práctica de gestión de Harvard Business School (EE. UU.) Willy Shih.

Un problema global

A principios de 2021, el presidente  de EE. UU., Joe Biden, firmó una orden ejecutiva que obligaba a revisar la cadena de suministro de chips y dio su apoyo a un impulso bipartidista en el Congreso estadounidense para aprobar al menos 50.000 millones de dólares (42.350 millones de euros) para la fabricación e investigación de los semiconductores. También celebró dos cumbres en la Casa Blanca con los líderes del sector automotriz y de los semiconductores, incluida la reunión del 12 de abril durante la cual el presidente mostraba de manera destacada una oblea de silicio.

Esas acciones no resolverán el desequilibrio entre la oferta y la demanda de chips a corto plazo. Pero, según los expertos, la crisis actual representa al menos una oportunidad para que el Gobierno de EE. UU. intente arreglar la cadena de suministro y revertir la desaceleración general en la innovación de los semiconductores, y quizás reforzar la capacidad de EE. UU. para fabricar los chips tan necesarios.

Se estima que a partir de 2019 el 75 % de toda la capacidad de fabricación de chips se basó en el este de Asia, con la participación de EE. UU. en aproximadamente el 13 %. Solo TSMC de Taiwán tiene casi el 55 % del mercado de fundición que maneja los pedidos de fabricación de los chips de los consumidores.

La rivalidad entre Estados Unidos y China se cierne sobre este problema. La principal empresa nacional de China, SMIC, ha estado construyendo fábricas que todavía están cinco o seis años por detrás de lo último en las tecnologías de chips. Pero es posible que en los próximos años las fundiciones chinas puedan ayudar a satisfacer la demanda global de chips con nodos más antiguos.

Khan detalla: "Dados los subsidios estatales que reciben, las fundiciones chinas probablemente sean los fabricantes de menor coste ya que tienen fábricas de nodos de 22 y 14 nanómetros. Puede que las fábricas chinas no sean competitivas fuera de sus fronteras, pero podrían satisfacer una parte cada vez mayor de la demanda".

La industria global de los semiconductores tendrá que casi duplicar su capacidad general hasta 2030 para satisfacer la demanda, según el grupo industrial con sede en Washington (EE. UU.) Semiconductor Industry Association (SIA), que aboga por fortalecer la cadena de suministro global en vez de intentar construir capacidades de fabricación nacionales totalmente "autosuficientes".

Pero, para destacar la importancia de los chips avanzados para la seguridad nacional y la infraestructura crítica, la SIA sugiere que EE. UU. proporcione "incentivos impulsados por el mercado" para que las empresas construyan dos o tres nuevas fábricas de vanguardia a nivel nacional. Eso podría ayudar a garantizar que las principales redes de telecomunicaciones y los centros de datos de la nación, junto con el ejército de EE. UU., tengan un suministro nacional de los chips.

Las sesiones fotográficas de la Casa Blanca con el presidente recordaron el papel que ha tenido el Gobierno de EE. UU. desde los albores de la industria de los semiconductores que dio nombre a Silicon Valley. "Ningún presidente desde Ronald Reagan ha hablado de esa manera ni le ha dado tanto protagonismo. Biden sentado con una oblea en la mano, no recuerdo haber visto eso en ninguna mano presidencial nunca", subraya la historiadora de la Universidad de Washington en Seattle (EE. UU.) Margaret O'Mara. 

El Gobierno de EE. UU. se convirtió en "el primer capitalista de riesgo del Silicon Valley, y quizás en el más grande", escribió O'Mara en su libro publicado en 2019 The Code: Silicon Valley and the Remaking of America. Los grandes pedidos gubernamentales de chips para suministrar el programa Apollo de la NASA y los misiles balísticos intercontinentales Minuteman del ejército alentaron a los fabricantes de chips a empezar la producción en masa y ayudaron a reducir el coste de los primeros chips de silicio de 1.000 dólares (850 euros) cada uno en 1960 a solo 25 dólares (21 euros) en 1965. 

La caída de los precios hizo que la potencia informática fuera asequible para muchos más allá de las agencias gubernamentales con grandes presupuestos. Así empezó la edad de oro de la Ley de Moore, en la que los clientes cosecharon los beneficios de los chips más baratos que también ofrecían un mejor rendimiento cada pocos años. Y es posible que no sepa que su promesa estaba en peligro si todo lo que tuviera que seguir fuera el último anuncio de Apple.

Mientras entrevistaba a O'Mara para este reportaje, un repartidor apareció en su puerta en el momento más oportuno. Y ella dijo riéndose: "Hablando de chips, me acaban de entregar mi ordenador nuevo. Sí, tengo un MacBook nuevo con mi chip M1".

*Jeremy Hsu es periodista de tecnología y ciencia ubicado en Nueva York (EE. UU.).

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