¿Por qué la producción de semiconductores es difícil y solo unas pocas empresas lo producen?

Todos saben que los chips semiconductores se utilizan en casi todos los dispositivos electrónicos que compramos. Entran en computadoras, teléfonos inteligentes, dispositivos, automóviles, aviones, equipos médicos, sistemas militares y demás. El mundo se enfrenta a una escasez mundial de chips semiconductores en la actualidad, lo que ha planteado la cuestión de por qué no pueden entrar más empresas en la producción de chips semiconductores. Sumerjámonos en la industria de los semiconductores a través de este artículo para saber cuáles son las complejidades que no permiten que muchas empresas ingresen a la industria.

¿Por qué los chips semiconductores están en las noticias?

En 2021, la escasez mundial de chips estuvo muy presente en las noticias y empresas como Apple, Tesla, Tata Motors y Samsung Electronics tuvieron que morirse de hambre por los chips semiconductores. Un total de 169 industrias se vieron afectadas por la escasez, siendo la industria automotriz la más afectada.

Hubo varios factores que llevaron a tal escasez global. Algunos de ellos son:

• El aumento de la demanda de productos electrónicos necesarios para trabajar desde casa durante la pandemia
• Escasez de mano de obra debido a las restricciones de confinamiento
• Sequía en Taiwán
• La guerra comercial entre Estados Unidos y China.

El almacenamiento de chips de semiconductores ha hecho que los países se den cuenta de que la fabricación de chips se concentra solo en unos pocos países del este de Asia. Por lo tanto, este año, los países de todo el mundo están elaborando planes para desarrollar la capacidad de producción de estos chips semiconductores para volverse autosuficientes y reducir la dependencia de las importaciones. India gastará alrededor de $ 30 mil millones para desarrollar el ecosistema de la cadena de suministro de semiconductores. EE. UU. también está considerando implementar la Ley CHIPS for America para proporcionar $ 52 mil millones para la fabricación de chips y apoyo gubernamental a los gigantes de los semiconductores. La Ley tiene como objetivo brindar asistencia financiera para la construcción, expansión o modernización de una planta de fabricación de semiconductores en los Estados Unidos.

Industria de chips semiconductores: la historia y el presente

En 1958, Jack Kilby, ingeniero electrónico de Texas Instruments, creó el primer circuito integrado que es el antepasado de los microchips modernos. Fue un gran y revolucionario invento del siglo XX. La industria de los semiconductores comenzó alrededor de 1960 y los ingresos por ventas superaron la marca de $ 1 mil millones en 1966. En 2022, se espera que la industria mundial de chips de semiconductores alcance alrededor de los US $ 600 mil millones. Pero muy pocas empresas en el mundo pueden fabricar chips semiconductores, y aún menos pueden hacerlo de manera rentable. Comprendamos por qué es así profundizando en la industria de los chips semiconductores y su proceso de fabricación.

El modelo y los principales actores de la industria de semiconductores

La industria de los semiconductores está dominada por empresas de Taiwán, EE. UU., Corea del Sur, China, Japón y los Países Bajos, donde la fabricación de semiconductores cuenta con el respaldo del gobierno, una infraestructura desarrollada y economías de escala.

La industria se basa en un modelo en el que la fabricación, el diseño y el desarrollo se distribuyen entre diferentes empresas y sus filiales en todo el mundo. Las empresas de fundición como TSMC y GlobalFoundries se dedican únicamente a la fabricación. Las empresas de semiconductores sin fábrica como AMD, Nvidia subcontratan la producción a una planta de fabricación de terceros y solo diseñan el dispositivo. Los fabricantes de dispositivos integrados (IDM) como Intel y Samsung fabrican (internamente), diseñan y venden productos de circuitos integrados.

Los principales actores de la industria son TSMC (Foundry), Samsung Electronics (IDM), Intel (IDM) y Qualcomm (Fabless).

Tabla que representa las 8 principales empresas de semiconductores, su tipo y país.

Solo TSMC de Taiwán fabrica un gran porcentaje, es decir, más del 50% de los semiconductores en el mundo. Es la fundición más grande del mundo. Apple, que es el mayor consumidor de chips y las dos principales empresas de semiconductores sin fábrica, Nvidia y Qualcomm, son clientes de TSMC únicamente. Samsung, la empresa rival de TSMC, ha anunciado que invertirá 355 000 millones de dólares para fabricar chips de 3 nm que superen a TSMC.

El proceso de fabricación de chips semiconductores.

Los chips semiconductores se fabrican con un semiconductor, el silicio. El proceso de fabricación de chips semiconductores involucra más de 59 tipos de equipos y diferentes pasos que deben repetirse para crear capas en un chip. Un chip puede constar de hasta 100 capas, lo que significa que los pasos deben repetirse en el mismo número.

Las obleas de silicio extraídas de la arena se transforman en transistores que forman la base de un conjunto de circuitos llamados chips. Los siguientes pasos describen el proceso de creación de una capa en un chip semiconductor.

• El primer paso es recubrir las obleas con productos químicos fotosensibles y materiales resistentes a la luz.
• Luego está la litografía realizada en la segunda etapa, donde las obleas de silicio recubiertas se exponen a la luz ultravioleta dentro de una máquina de litografía. La luz pasa a través de una máscara que contiene el plano del chip hacia la oblea para imprimir el patrón. Este proceso hace posible construir cientos de chips en una sola oblea de silicio.
• El área expuesta a la luz se endurece y las áreas blandas no expuestas se eliminan con gases calientes.
• El siguiente paso implica el uso de gases iónicos para modificar las propiedades conductoras de la capa creada mediante la adición de algunas impurezas y, finalmente, los enlaces metálicos se establecen entre los transistores, creando así una capa completa.

Todos estos pasos deben repetirse para crear capas posteriores.

¿Por qué no podemos simplemente producir más chips para satisfacer la creciente demanda?

Si hay escasez de chips, ¿por qué más empresas no se involucran en la producción de chips semiconductores y reducen esta brecha entre la demanda y la oferta? Bueno, para saber la respuesta a esta pregunta, primero debemos comprender las complejidades de la fabricación de chips y la industria de los semiconductores.

¿Qué hace que la fabricación de chips semiconductores sea tan complicada?

Aunque el chip es diminuto en términos de tamaño, involucra los procesos más complicados y costosos. Aquí está la lista de factores que dificultan que cualquier empresa ingrese a esta industria:

• Se requieren terrenos, permisos, infraestructura natural, electricidad, máquinas complicadas y un plazo de ejecución de más de 2 años para instalar las plantas y fábricas de fabricación megacostosas que construyen estos chips. En 2021, Samsung anunció planes para abrir una planta de chips de 17 mil millones de dólares en Texas en 2024.
• La fabricación de un chip también es un procedimiento complejo que requiere una cantidad considerable de tiempo. Se necesitan casi 3 meses para convertir el silicio en bruto en el chip final que se coloca en los dispositivos.
• El proceso de fabricación es a nivel atómico y requiere un equipo de fábrica costoso.
• Además, las salas donde se coloca el silicio en las máquinas de fabricación de chips deben estar absolutamente libres de polvo. Una sola mota de polvo puede desperdiciar todos los esfuerzos y millones de dólares.
• La producción de chips semiconductores involucra una red compleja de empresas que los producen o diseñan, junto con aquellas que suministran la tecnología, los materiales y la maquinaria requerida.

¿Cómo impactó aún más la guerra entre Rusia y Ucrania en la industria?

Se requiere neón para los láseres utilizados en litografía para producir chips. El año pasado, el consumo mundial de neón para la fabricación de chips fue de unas 540 toneladas métricas. La guerra entre Rusia y Ucrania ha empeorado la escasez mundial de chips porque más de la mitad del neón del mundo lo producen solo dos empresas ucranianas: Ignas y Cryin, que tuvieron que cerrar sus operaciones. Entonces, esto tendrá un impacto intenso en la industria de los semiconductores. Además, el suministro de paladio de Rusia también puede verse afectado por la guerra. La escasez de paladio, que es esencial para los convertidores catalíticos aplicados en los sistemas de escape de los automóviles, puede tener indirectamente un impacto potencial en la industria de los semiconductores a través de una menor demanda de chips por parte de los fabricantes de automóviles.

Conclusión

Las fundiciones de semiconductores necesitan una gran inversión de capital de miles de millones de dólares y un período de tiempo considerable para establecerse. Además, estas fundiciones no pueden producir chips a un ritmo muy rápido porque el proceso de fabricación también lleva tiempo y requiere equipos costosos. Todo esto dificulta que cualquier empresa ingrese a la industria e incluso si alguna empresa lo hace, se vuelve difícil para ellos competir con los peces gordos y obtener ganancias. Es por eso que cuando se trata de fabricantes de chips semiconductores, solo escuchamos algunos nombres que han adquirido una gran participación de mercado en la industria con el tiempo.

preguntas frecuentes

¿De qué están hechos los chips semiconductores?

Los semiconductores, también conocidos como circuitos integrados (IC) o microchips, están hechos de silicio puro.

¿Quién es el mayor fabricante de chips semiconductores?

TSMC de Taiwán es el mayor fabricante de chips semiconductores.

¿Cuáles son las 5 mejores empresas de semiconductores para invertir?

Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd (TSMC), Intel Corp (INTC), Nvidia (NVDA), Advanced Micro Devices Inc (AMD), Micron (MU).