La boja carrera de la producció de xips

2024/06/01 Leturia Azkarate, Igor - Informatikaria eta ikertzaileaElhuyar Hizkuntza eta Teknologia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Hardwarea
• Teknologia

Estem envoltats d'aparells electrònics com a televisors, ordinadors o telèfons mòbils, i molts altres tenen algun component electrònic. Els circuits electrònics inicials contenien díodes, resistències, condensadors, transistors, etc. soldats en una placa de circuit imprès, com continuen sent els circuits electrònics d'alguns dispositius que compleixen funcions simples. No obstant això, els més utilitzats en l'actualitat són els denominats xips o circuits integrats (circuits electrònics miniaturitzats realitzats en algun material semiconductor, normalment silici) i, principalment, els del tipus MOS, formats per un munt de petits transistors tipus MOSFET. Existeixen diferents tipus de xips o circuits integrats, com ara microprocessadors (principal component i controlador dels ordinadors), memòries, microcontroladors (components principals de l'ordinador, és a dir , microprocessador i memòria en un sol xip), GPUs (unitats de processament de gràfics), ASICs (circuits integrats per a aplicacions concretes), SoC (un ordinador complet, inclosos perifèrics, en un sol xip).

Més poderós, més necessari, més difícil

Des de l'aparició dels xips tipus MOS, els avanços tecnològics en la seva producció han permès que els transistors MOSFET siguin cada vegada més petits i, per tant, s'incorporin cada vegada més transistors als xips de la mateixa grandària, permetent així que els xips facin tasques més complexes i més ràpides. Aquest avanç tecnològic ha seguit l'anomenada llei de Moore: Gordon Moore, fundador de l'empresa Intel, va dir en 1965 que el nombre de xips transistors es duplicaria cada any i en 1975 el va corregir dient que es duplicaria cada dos anys. I encara que és una projecció de futur basada en l'observació empírica de tendències passades que la llei, i encara que es diu des de fa temps que a mesura que ens acostem al límit de la grandària molecular serà cada vegada més difícil el seu compliment, de moment continua sorprenentment omplint-se gairebé 50 anys després, com podem observar en el gràfic (es troba a escala logarítmica, per la qual cosa el creixement real és exponencial en lloc de lineal).

I la necessitat de xips de major potència s'ha anat incrementant en el mateix o en major grau: tots hem estat testimonis de la sorprenent evolució que han experimentat els ordinadors i els telèfons mòbils, que sense l'evolució dels xips no hagués estat possible; l'evolució i els assoliments dels últims anys d'intel·ligència artificial també han estat possibles gràcies a les creixents UGPUs (originalment concebudes per als videojocs i la rendencia de les imatges 3D), les xarxes de curació de les quals s'adapten ben adaptades. I com l'ús d'aquesta mena de dispositius ha anat creixent de manera constant, la demanda de xips també ha augmentat.

No obstant això, aquesta constant disminució de la grandària dels transistors dificulta enormement la fabricació de xips. Avui dia, en un xip, milers de milions de transistors entren, i cadascun d'ells té una grandària d'uns pocs nanòmetres. Per tant, les màquines de producció d'aquests semiconductors han de ser molt precises, evitant pràcticament tota influència externa. La sala de producció ha de ser totalment neta (no pot tenir la partícula de pols més petita, és molt més gran que un transistor i pot impedir un xip complet), ha d'evitar-se també la vibració més mínima (no sols els microseismos: el motor dels cotxes de carrer o els passos dels treballadors també poden influir molt negativament), la temperatura i la humitat han de mantenir-se en espais molt reduïts i controlats, ni pot haver-hi electricitat estàtica. Els xips s'imprimeixen en oblies electròniques mitjançant tècniques com a fotolitografia.

Els productors són escassos i llunyans, i després menjaries...

Al mateix temps, la tendència de tota la indústria dels últims anys, impulsada per la globalització, ha estat la deslocalització de la fabricació a països més econòmics i la permanència en occident dels treballs de white collaret o oficina, com també ha ocorregut amb la fabricació de xips. En conseqüència, les empreses que avui dia poden construir xips semiconductors són computables amb els dits de la mà, i menys les de les últimes generacions (transistors de 8 nanòmetres o més petits, avui dia es troben entorn de 3 o 2): la més important és el TSMC de Taiwan, amb més del 90% d'aquests xips; també fa coreans de Samsung, però principalment xips de memòria, en els quals en alguns de TAIWAN, EN ELS TNIMP, en els quals són capaços de fer semiconductors; i de fer semi-8 plantes. Altres fabricants de xips (Nvidia, ARM, Apple...) encarreguen els semiconductors en algun dels esmentats. Existeixen altres fabricants de semiconductors, però no arriben a grandàries tan petites i fabriquen xips per a dispositius de menor exigència.

És a dir, la majoria dels millors xips es realitzen només en dues empreses de dos països asiàtics; als Estats Units (no en absolut suficient per a cobrir les seves necessitats) a Europa (l'única empresa que pot fer el tipus de màquina de fotolitografia necessària per a fer els xips més avançats, ASML, encara que estigui a Holanda)... Però els ordinadors o la intel·ligència artificial i, per tant, la producció de xips no pot deixar d'una comprensió. S'han penedit bé quan han sofert les seves conseqüències! Quan els tancaments per pandèmia de COVID-19 van provocar restriccions en la fabricació i transport de xips, es van produir parades —i fins i tot tancaments— en la indústria automobilística de tot el món. I sempre hi ha risc que es repeteixin situacions similars per altres causes, ja sigui per catàstrofes naturals (el terratrèmol de Taiwan d'abril, a més del sòl, o per molts governs i empreses del món) o per conflictes geopolítics.

Ara, la carrera per la capacitat productiva

En els últims temps, amb l'experiència acumulada, molts països semblen estar en plena disputa per un subministrament assegurat de xips mitjançant la construcció de fàbriques de semiconductors o altres mesures. els Estats Units, per exemple, va prohibir vendre xips a la Xina en 2022 a empreses com Intel, Nvidia, i pressionen a altres països perquè facin el mateix, com Corea del Sud, per a combatre l'escassetat de xips provocada per la pandèmia i, de pas, per a afeblir la competència de la indústria d'un país que s'oposa econòmicament. Ja en 2018 havia prohibit a les institucions governamentals utilitzar dispositius fabricats a la Xina (Huawei, ZTE...).

Però, sobretot, els EUA i molts altres països estan impulsant la producció de xips en les seves terres, la qual cosa no és gens fàcil a causa de la complexitat dels xips: el cost de construir una nova planta de producció de semiconductors és de diversos milers de milions de dòlars (s'esmenten els números de l'1 al 20), i no és una cosa que es construeix i s'aconsegueix ràpidament; és un procés d'anys.

No obstant això, alguns governs han posat en marxa noves lleis, plans ambiciosos i grans inversions en els últims dos o tres anys. En 2022, els EUA va aprovar la llei XIPS and Science Act i l'European Xips Act amb l'objectiu d'impulsar la producció de xips i amb grans partides monetàries. I en 2023 i 2024, el TSMC ha posat en marxa la construcció de plantes de producció a Alemanya, el Japó o els Estats Units, i en aquest últim, Samsung, amb ofertes i subvencions de les administracions locals. Corea del Sud ha posat en marxa un pla de 470.000 milions de dòlars per a la construcció de noves fàbriques de semiconductors. l'Índia ha posat en marxa un pla per a tenir plantes de producció de xips en 5 anys. Sam Altman, líder de l'empresa OpenAI, espera aconseguir 7 bilions (sí, bilions) per a construir moltes xips de fonts privades. Una pretensió molt ambiciosa, però poc realista...

Paradoxalment, la Xina ha estat de moment la que ha obtingut els millors resultats en l'obtenció de la producció de xips avançats. Des de 2015 té en marxa la llei Made in la Xina 2025 i les seves inversions, i a més el veto no li ha deixat més remei. I la Xina té un múscul econòmic, una població i una actitud per a afrontar reptes tan difícils. Així, en molt poc temps, l'empresa SMIC de propietat semipública va adquirir l'any passat la capacitat de fer xips de 7 nanòmetres i continua millorant.

Segur que llegirem durant els pròxims mesos i anys moltes notícies sobre aquesta eixelebrada carrera que està intentant donar la volta a la incomprensible concentració de la capacitat de fabricació dels xips.