Perché la produzione di semiconduttori è difficile e solo poche aziende la producono?

Sapete tutti che i chip semiconduttori vengono utilizzati in quasi tutti i dispositivi elettronici che acquistiamo. Entrano in computer, smartphone, gadget, automobili, aerei, apparecchiature mediche, sistemi militari e quant'altro. Il mondo sta attualmente affrontando una carenza globale di chip per semiconduttori che ha sollevato la questione del perché più aziende non possono entrare nella produzione di chip per semiconduttori. Entriamo nel settore dei semiconduttori attraverso questo articolo per sapere quali sono le complessità che non consentono a molte aziende di entrare nel settore.

Perché i chip semiconduttori sono nelle notizie?

Nel 2021, la carenza globale di chip ha fatto notizia e aziende come Apple, Tesla, Tata Motors e Samsung Electronics hanno dovuto morire di fame per i chip semiconduttori. Un totale di 169 industrie sono state colpite dalla carenza, l'industria automobilistica è stata la più colpita.

Ci sono stati diversi fattori che hanno portato a una tale carenza globale. Alcuni di loro sono:

• L'aumento della domanda di elettronica richiesta per il lavoro da casa durante la pandemia
• Carenza di manodopera a causa delle restrizioni di blocco
• Siccità a Taiwan
• La guerra commerciale tra USA e Cina.

Lo stoccaggio di chip semiconduttori ha fatto capire ai paesi che la produzione di chip è concentrata solo in pochi paesi dell'Asia orientale. Quindi, quest'anno i paesi di tutto il mondo stanno proponendo piani per costruire capacità di produzione per questi chip semiconduttori in modo da diventare autosufficienti e ridurre la dipendenza dalle importazioni. L'India spenderà circa 30 miliardi di dollari per sviluppare l'ecosistema della catena di approvvigionamento dei semiconduttori. Gli Stati Uniti stanno anche valutando l'attuazione del CHIPS for America Act per fornire 52 miliardi di dollari per la produzione di chip e il supporto del governo ai giganti dei semiconduttori. La legge mira a fornire assistenza finanziaria per la costruzione, l'espansione o la modernizzazione di un impianto di fabbricazione di semiconduttori negli Stati Uniti.

Industria dei chip semiconduttori: la storia e il presente

Nel 1958, Jack Kilby, un ingegnere elettronico della Texas Instruments, creò il primo circuito integrato che è l'antenato dei moderni microchip. È stata una grande e rivoluzionaria invenzione del XX secolo. L'industria dei semiconduttori è iniziata intorno al 1960 e i ricavi delle vendite hanno superato il miliardo di dollari entro il 1966. Nel 2022, l'industria globale dei chip per semiconduttori dovrebbe raggiungere circa 600 miliardi di dollari. Ma pochissime aziende al mondo possono produrre chip per semiconduttori e ancora meno possono renderli redditizi. Capiamo perché è così approfondendo l'industria dei chip per semiconduttori e il suo processo di produzione.

Il modello e i principali attori dell'industria dei semiconduttori

L'industria dei semiconduttori è dominata da società di Taiwan, Stati Uniti, Corea del Sud, Cina, Giappone e Paesi Bassi, dove la produzione di semiconduttori ha il sostegno del governo, infrastrutture sviluppate ed economie di scala.

L'industria si basa su un modello in cui la fabbricazione, la progettazione e lo sviluppo sono distribuiti tra diverse aziende e le loro filiali in tutto il mondo. Le aziende di fonderia come TSMC e GlobalFoundries sono coinvolte solo nella produzione. Aziende di semiconduttori Fabless come AMD e Nvidia esternalizzano la produzione a un impianto di fabbricazione di terze parti e progettano solo il dispositivo. I produttori di dispositivi integrati (IDM) come Intel e Samsung producono (in-house), progettano e vendono prodotti di circuiti integrati.

I principali attori del settore sono TSMC (Foundry), Samsung Electronics (IDM), Intel (IDM) e Qualcomm (Fabless).

Tabella che rappresenta le prime 8 aziende di semiconduttori, la loro tipologia e paese.

La sola TSMC di Taiwan produce una grande percentuale, ovvero oltre il 50% dei semiconduttori nel mondo. È la fonderia più grande del mondo. Apple, che è il maggior consumatore di chip e le due principali società di semiconduttori fabless, Nvidia e Qualcomm, sono clienti solo di TSMC. Samsung, la società rivale di TSMC, ha annunciato di investire 355 miliardi di dollari per produrre chip a 3 nm per battere TSMC.

Il processo di produzione di chip semiconduttori

I chip semiconduttori sono realizzati utilizzando un semiconduttore, il silicio. Il processo di produzione di chip semiconduttori coinvolge più di 59 tipi di apparecchiature e diversi passaggi che devono essere ripetuti per creare strati in un chip. Un chip può essere composto da un massimo di 100 strati, il che significa che i passaggi devono essere ripetuti nello stesso numero.

I wafer di silicio estratti dalla sabbia si trasformano in transistor che formano la base di un gruppo di circuiti chiamati chip. I seguenti passaggi descrivono il processo di creazione di uno strato in un chip semiconduttore-

• Il primo passo è rivestire i wafer con sostanze chimiche fotosensibili e materiali resistenti alla luce.
• Poi c'è la litografia eseguita nella seconda fase in cui i wafer di silicio rivestiti vengono esposti alla luce UV all'interno di una macchina per litografia. La luce viene fatta passare attraverso una maschera contenente il progetto del chip sul wafer per stampare il motivo. Questo processo consente di costruire centinaia di chip su un singolo wafer di silicio.
• L'area esposta alla luce si indurisce e le aree morbide non esposte vengono incise dai gas caldi.
• Il passaggio successivo prevede l'uso di gas ionici per modificare le proprietà conduttive dello strato creato aggiungendo alcune impurità e quindi infine si depongono i collegamenti metallici tra i transistor, creando così uno strato completo.

Tutti questi passaggi devono essere ripetuti per creare livelli successivi.

Perché non possiamo semplicemente produrre più chip per soddisfare la crescente domanda?

Se c'è una carenza di chip, allora perché più aziende non entrano nella produzione di chip per semiconduttori e riducono questo divario tra domanda e offerta? Bene, per conoscere la risposta a questa domanda dobbiamo prima capire le complessità della produzione di chip e l'industria dei semiconduttori.

Cosa rende così complicata la produzione di chip per semiconduttori?

Sebbene il chip sia una cosa minuscola in termini di dimensioni, comporta i processi più complicati e costosi. Ecco l'elenco dei fattori che rendono difficile per qualsiasi azienda entrare in questo settore-

• Richiede terra, permessi, infrastrutture naturali, elettricità, macchine complicate e un tempo di consegna di oltre 2 anni per creare i costosissimi impianti di fabbricazione e le fabbriche che costruiscono questi chip. Nel 2021, Samsung ha annunciato l'intenzione di aprire nel 2024 un impianto di chip da 17 miliardi di dollari in Texas.
• Anche la produzione di un chip è una procedura complessa che richiede molto tempo. Ci vogliono quasi 3 mesi per trasformare il silicio grezzo in quel chip finale che viene inserito nei dispositivi.
• Il processo di produzione è a livello atomico e richiede costose attrezzature di fabbrica.
• Inoltre, le stanze in cui il silicio viene messo nelle macchine per la produzione di chip devono essere assolutamente prive di polvere. Un singolo granello di polvere può sprecare tutti gli sforzi e milioni di dollari.
• La produzione di chip per semiconduttori coinvolge una complessa rete di aziende che li producono o li progettano, insieme a quelle che forniscono la tecnologia, i materiali e i macchinari necessari.

In che modo la guerra Russia-Ucraina ha avuto un impatto ancora maggiore sull'industria?

Il neon è richiesto per i laser utilizzati nella litografia per la produzione di chip. L'anno scorso, il consumo globale di neon per la produzione di chip è stato di circa 540 tonnellate. La guerra Russia-Ucraina ha aggravato la carenza globale di chip perché più della metà dei neon del mondo è prodotta solo da due società ucraine, Ignas e Cryin, che hanno dovuto chiudere le loro attività. Quindi, questo avrà un impatto intenso sull'industria dei semiconduttori. Inoltre, anche la fornitura di palladio della Russia può essere influenzata dalla guerra. La carenza di palladio, essenziale per i convertitori catalitici applicati nei sistemi di scarico delle automobili, può avere indirettamente un potenziale impatto sull'industria dei semiconduttori attraverso una minore domanda di chip da parte delle case automobilistiche.

Conclusione

Le fonderie di semiconduttori necessitano di un enorme investimento di capitale di miliardi di dollari e di un considerevole periodo di tempo per la loro costituzione. Inoltre, queste fonderie non possono produrre trucioli a un ritmo molto veloce perché anche il processo di produzione richiede tempo e attrezzature costose. Tutto ciò rende difficile per qualsiasi azienda entrare nel settore e anche se qualsiasi azienda lo fa, diventa difficile per loro competere con il pesce grosso e realizzare profitti. Ecco perché quando si parla di produttori di chip per semiconduttori, sentiamo solo alcuni nomi che hanno acquisito nel tempo un'enorme quota di mercato nel settore.

Domande frequenti

Di cosa sono fatti i chip semiconduttori?

I semiconduttori, chiamati anche circuiti integrati (CI) o microchip, sono realizzati in puro silicio.

Chi è il più grande produttore di chip semiconduttori?

TSMC di Taiwan è il più grande produttore di chip per semiconduttori.

Quali sono le 5 migliori società di semiconduttori in cui investire?

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