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Semiconduttori. Tecnica e storia

semiconduttori

Uno dei temi più caldi nel commercio globale è senza dubbio quello della carenza di semiconduttori (e di conseguenza di microprocessori). Ne parlammo già nella puntata di Economia per Tutti di inizio febbraio dedicata all’inflazione. Oggi approfondiamo l’argomento con qualche dettaglio tecnico e storico, a supporto della nuova puntata che potete ascoltare anche qui:

Se vi va di approfondire, questo post prova ad andare un po’ più nel dettaglio, offrendo anche qualche link per gli insaziabili.

I circuiti elettrici nei chip di silicio sono fabbricati sulla superficie di dischi circolari di silicio a cristallo singolo, conosciuti come wafer di silicio.

Come si cucina un wafer?

Le proprietà chimiche ed elettriche uniche del silicio lo rendono il materiale ideale per realizzare circuiti elettronici. Nella sua forma pura il silicio non conduce elettricità, ma i livelli di energia dei suoi elettroni sono tali che, con una piccola contaminazione (con boro, fosforo e arsenico) il cristallo di silicio può essere facilmente trasformato in un eccellente conduttore – da qui il termine semiconduttore.

Il silicio può anche essere reso un eccellente isolante elettrico cuocendo i wafer di silicio, a temperature molto alte, in un ambiente ricco di ossigeno. Gli atomi di ossigeno si diffondono nella superficie dei wafer di silicio formando un sottile strato di biossido di silicio. Il biossido di silicio, altrimenti noto come quarzo, è un isolante.

È la capacità di convertire il silicio in conduttore e in isolante che lo rende utile per costruire circuiti elettrici.

Fare un chip di silicio è più che un mestiere, è quasi un’arte: sulla superficie del wafer si “disegnano” dispositivi elettrici, controllando quali parti della superficie vengono convertite in conduttori, e quali parti vengono trasformate in isolanti, attraverso l’ossidazione. Una volta fatto questo, i dispositivi risultanti vengono poi collegati in una rete sottile stampata sulla superficie del wafer.

I transistor si fanno con strati di silicio alterati alternativamente con boro (semiconduttore di tipo Positivo) e con arsenico (semiconduttore di tipo Negativo). Una giunzione P-N è un diodo, e una coppia di diodi è un transistor. I nuovi chip GPU di NVIDIA hanno 54 miliardi di transistor, che devono essere tutti cablati insieme.

 

Tutto questo si ottiene usando un processo fotografico – la fotolitografia: il disco viene coperto con una sostanza chimica sensibile alla luce e un’immagine dei componenti elettrici desiderati viene proiettata sul wafer, che viene poi “sviluppato” (come si faceva con la pellicola fotografica). Per lavare via le aree esposte o non esposte della fotoresistenza; questo lo si fa con enormi quantità di acqua di alta qualità, necessaria per pulire i wafer di silicio tra le varie fasi di produzione (la siccità a Taiwan è infatti uno dei problemi legati alla attuale scarsità di chip).

Le dimensioni contano

Una delle aziende in prima linea nel mantenere la legge di Moore (concepita nel 1975 e che delinea lo sviluppo esponenziale della capacità tecnologica) è ASML, attualmente il principale produttore mondiale di macchine fotolitografiche. Ma la legge di Moore si riferisce sia al numero dei transistor che al dimezzamento delle dimensioni. Più piccoli si possono fare i chip, più chip si fanno su ogni wafer di silicio. Allo stesso tempo, i chip più piccoli funzionano più velocemente, consumano meno energia e sono più affidabili.

Di conseguenza, il successo economico e ingegneristico dell’industria dei semiconduttori è guidato da una variabile chiave: la più piccola dimensione che può essere proiettata sul wafer dai sistemi di litografia.

Taiwan Semiconductor, ora il principale produttore di chip al mondo, lavora in un ordine di grandezza di soli 5 nanometri. (100.000 connessioni per millimetro).

La barriera chiave alla stampa di linee sempre più strette deriva dalla natura stessa della luce. La luce è fatta di onde elettromagnetiche, e la luce di colore diverso ha lunghezze d’onda diverse. Quando la lunghezza d’onda della luce diventa paragonabile alla larghezza delle linee da stampare, le immagini proiettate diventano troppo sfocate per definire le forme dei circuiti. Per aggirare questo problema, gli ingegneri hanno dovuto costruire macchine fotolitografiche con sorgenti luminose speciali che producono solo luce ad alta energia – a breve lunghezza d’onda. Trent’anni fa, si usava la luce ultravioletta per proiettare i circuiti elettrici. Oggi si usano i “raggi X morbidi”. Produrre questa luce è molto difficile. Mettere a fuoco questo tipo di luce è ancora più difficile perché non passa attraverso le lenti ottiche convenzionali. Per questo motivo, è necessario focalizzare la luce con degli specchi e riflettere l’immagine richiesta sul wafer di silicio. L’ingegneria necessaria per ottenere questo, in modo affidabile in un ambiente di produzione, è fenomenologia complessa ed estremamente costosa.

ASML è l’unica azienda in grado di produrre macchine litografiche con questa capacità di raggi X morbidi e TSMC l’unica azienda in grado di utilizzare queste macchine per produrre chip con una larghezza di linea di 5 nm. C’è una crescente carenza mondiale di capacità di produzione per la fabbricazione con questa tecnologia e una crescente consapevolezza da parte dei governi occidentali di essere rimasti indietro rispetto all’Asia in questa tecnologia vitale.

Storia dell’industria dei semiconduttori

La storia della produzione di semiconduttori offre chiare lezioni di politica industriale non solo per l’attuale carenza di semiconduttori, ma per costruire un robusto ecosistema innovativo volto ad assicurare di restare sulla frontiera tecnologica nel lungo termine.

  • i meccanismi fiscali giocano un ruolo cruciale nel fornire liquidità e mitigare l’incertezza finanziaria per settori altamente incerti che operano alla frontiera tecnologica dell’economia.
  • la politica industriale che inculca robuste catene di approvvigionamento attraverso la reduplicazione degli investimenti e dell’occupazione gioca un ruolo centrale nel guadagnare e mantenere la frontiera tecnologica
  • La politica scientifica – il coordinamento della R&S intrapresa dalle università, dalle imprese private e dai partenariati pubblico-privato – non è sufficiente.
  • l’ambizione politica è fondamentale.

La mancata gestione della domanda aggregata ha portato a una stagnazione degli investimenti, dell’occupazione e della produzione.

Oggi, l’industria è limitata da un lato da fragili catene di fornitura strettamente adattate alle esigenze di poche aziende con enormi barriere all’ingresso (soglie di investimento), e dall’altro lato dalle molte aziende superleggere che svolgono il ruolo di elemento flessibile della filiera ma che non sono in grado di generare o catturare miglioramenti di processo. Con l’ascesa di TSMC su Intel, gli Stati Uniti hanno già perso la frontiera tecnologica e le imprese statunitensi si trovano di fronte a colli di bottiglia critici nell’approvvigionamento.

Quello che la pandemia (e i buchi che si sono verificati nella catena di approvvigionamento) insegna è che la produzione di semiconduttori è un tema economico ma anche di sicurezza nazionale: la dipendenza di troppi settori dalla disponibilità di chip ne rende cruciale l’accesso sicuro.

Mentre la politica scientifica ha chiaramente un ruolo da svolgere, può avere una visione ristretta del processo di progresso tecnologico. L’apprendimento attraverso la pratica non può essere facilmente simulato in un ambiente di produzione a basso costo (o per meglio dire: a bassa dispersione di utili), perché la manodopera non è solo un centro di costo alla frontiera tecnologica, ma piuttosto un input critico al processo innovativo.

semiconduttori 2

Sviluppo della politica industriale, decennio per decennio:

All’inizio di questa storia, siamo negli anni ‘50, il governo degli Stati Uniti, spinto dalla rivalità tecnologica con l’URSS e dalla corsa allo spazio, a colpi di spesa fiscale ha fornito la liquidità necessaria per far decollare questa industria altamente speculativa.

Il Dipartimento della Difesa era il cliente numero uno per i produttori. Con la garanzia che ci sarebbe stata una domanda per la produzione su larga scala di semiconduttori, l’investimento in capacità divenne finanziariamente fattibile per molte piccole imprese iniziali.

Come cliente centrale per molte aziende, il Dipartimento della Difesa aveva una visione chiara dei più recenti sviluppi tecnologici nell’industria e usava questa visione per facilitare direttamente la conversazione e la condivisione delle conoscenze tra aziende e ricercatori.

Questo sistema portò ad un ritmo accelerato di innovazione che si diffuse rapidamente in tutto il settore. Gli accordi di acquisto del governo assicuravano che gli investitori fossero disposti a spendere, e che l’aumento della spesa in beni capitali reduplicati contribuisse a creare significativi miglioramenti di processo. Allo stesso tempo, i lavoratori si muovevano liberamente in tutto il sistema, applicando le conoscenze acquisite in un’azienda per migliorare il processo produttivo delle altre.

Questo ambiente competitivo – in combinazione con l’approccio dell’epoca all’antitrust – ha incoraggiato lo sviluppo di grandi laboratori di ricerca nelle grandi aziende e la sperimentazione nelle aziende più piccole.

Tuttavia, alla fine degli anni ’60, l’industria era cresciuta così tanto e così velocemente che gli appalti pubblici erano diventati relativamente poco importanti.

Gli anni ‘70 e ‘80

Negli anni ‘70 le priorità del Dipartimento della Difesa iniziarono a divergere significativamente dalle priorità dei clienti commerciali, che stavano diventando progressivamente il riferimento unico per il settore. Alla Difesa servivano soluzioni di nicchia a problemi specificamente militari – specialmente lo sviluppo di semiconduttori non basati sul silicio o resistenti alle radiazioni – che avevano un’applicazione commerciale minima.

Nel frattempo il boom del mercato commerciale significava che piccole e grandi imprese di successo coesistevano senza molto supporto o coordinamento da parte del governo. I miglioramenti tecnologici si trasformarono in miglioramenti di processo che a loro volta portarono ulteriori miglioramenti tecnologici.

In un ambiente di prosperità generale e di innovazione, i semiconduttori sono diventati una tecnologia di uso generale con un’ampia applicazione in tutta l’economia. Tra grandi laboratori di ricerca e assenza di concorrenza internazionale, ogni investimento si rivelava produttivo, sia in termini di innovazione che di profitto.

La musica iniziò a cambiare negli anni ’80, quando gli Stati Uniti persero il dominio del mercato e della tecnologia a favore delle imprese giapponesi guidate dalla politica industriale.

Il Giappone aveva usato gli stessi tipi di politiche degli Stati Uniti per costruire rapidamente la capacità e dominare i mercati globali: guida centralizzata, accordi di acquisto, finanziamenti a basso costo. Ma il Giappone si focalizzò sul perfezionamento della produzione di tecnologie meglio comprese per i mercati di esportazione, piuttosto che sulla sola implementazione militare, e il Giappone finì per dominare la scena globale.

Mentre il governo degli Stati Uniti ha dovuto creare il mercato iniziale dei semiconduttori, il Giappone ha potuto strutturare la sua politica industriale intorno a un mercato in rapida crescita e già esistente.

L’arrivo della concorrenza giapponese ha avuto un impatto drammatico sulle aziende statunitensi. L’industria ha risposto formando lobby per coordinare la produzione e fare pressione per tariffe e interventi di politica commerciale. La Semiconductor Industry Association fece pressione per la protezione dal “dumping giapponese.

La dialettica anti-giapponese, il Paese che minacciava di “comprarsi gli USA”, divenne travolgente. Tanto che si dovette cercare di riequilibrare le cose, a un certo punto:

Maestro Miyagi

I semiconduttori all’avanguardia erano già diventati prodotti di base, intercambiabili e giudicati sulla base del costo unitario, la strada che gli USA scelsero di seguire fu l’integrazione verticale tra fornitori e produttori, con l’obiettivo di minimizzare i costi. L’Europa, ovviamente, non aveva una strategia comune. Data la situazione economica negli Stati Uniti a quel tempo, c’era poca voglia di investire in capacità in attività a basso valore aggiunto in un mercato globale molto più competitivo. La conseguente disintegrazione verticale ha portato all’emergere di grandi conglomerati integrati verticalmente che coesistevano con piccole aziende ‘superleggere’ che producevano design ma non chip. In teoria, questo ha preservato la flessibilità di perseguire strategie di design innovative, minimizzando i costi generali.

La relativa riscossa degli anni ‘90

L’adozione di questa strategia da parte dell’industria statunitense ha portato a una ripresa della quota di mercato negli anni ’90, quando le aziende statunitensi hanno aperto la strada a nuove classi di prodotti e le aziende giapponesi hanno affrontato la concorrenza dei nuovi arrivati coreani.

Piuttosto che tornare alla politica industriale, gli anni ’90 hanno visto l’introduzione della “politica scientifica”: un nuovo paradigma per l’azione del governo nella produzione di semiconduttori, cioè un’ampia divisione del lavoro di ricerca, e una struttura industriale che ha permesso alle imprese innovative di funzionare col minimo delle risorse.

L’obiettivo della politica si è spostato verso la creazione di istituzioni pubblico-private per coordinare i complessi passaggi di consegne tra i ricercatori, le imprese di progettazione, i fornitori di attrezzature e le “imprese campione” su larga scala. In questo modo, nessuna impresa ha avuto bisogno di spendere più dello stretto necessario in Ricerca, preservando la competitività globale dei costi.

Il tema centrale della disposizione della “politica scientifica” era l’efficienza nel senso stretto di non ridondanza, mentre la prima politica industriale si era concentrata sulla ridondanza e la duplicazione per portare le innovazioni in ogni parte della catena di fornitura il più rapidamente possibile, cosa che aveva notevolmente accelerato il ritmo dell’innovazione, e assicurato che intere catene di fornitura fossero resistenti al fallimento di singole aziende, al costo di una duplicazione degli investimenti.

La ricerca di massimizzazione statica del valore per gli azionisti rese questa duplicazione troppo dispendiosa.

Ugualmente mentre la politica industriale dei decenni precedenti promuoveva l’occupazione su larga scala, la “politica scientifica” degli anni ’90 evitava questo approccio facendo leva sull’efficienza minimalista. I lavoratori cambiavano spesso azienda, perdendo un bel pezzo dell’apprendimento attraverso la pratica, che aveva rappresentato a lungo un percorso centrale per l’innovazione: il mantenimento di un grande volume di lavoratori in una singola località era la chiave di molti progressi, ma in questo nuovo ambiente competitivo, veniva visto come uno spreco. La manodopera era una parte sostanziale del costo per unità di prodotto e le aziende credevano che se avessero potuto ridimensionare strategicamente, avrebbero ritrovato competitività globale.

All’alba dell’era dei semiconduttori i contratti governativi relativamente insensibili al prezzo erano la parte sostanziale delle vendite totali. Con la comparsa di concorrenti stranieri e un mercato commerciale attento ai costi che è diventato il principale acquirente di semiconduttori, la duplicazione di capacità è diventata un puro centro di costo con pochi benefici per molte aziende.

La continua ricerca di tagli di spesa peggiorava ulteriormente la capacità delle aziende americane di innovare.

In linea con lo spirito del tempo, il governo degli Stati Uniti incentivò la divisione del lavoro che avrebbe permesso a tutti i partecipanti di tagliare i costi nella ricerca della redditività senza sacrificare la frontiera tecnologica. Per fare questo, ha finanziato la ricerca accademica mettendola a disposizione dei gruppi industriali perché ne seguissero capacità commerciali. Questo impoverì ulteriormente gli investimenti interni in R&S delle singole aziende, poiché i progressi creavano solo vantaggi competitivi minimi. Piuttosto che un ecosistema di aziende con catene di fornitura sovrapposte, questa struttura ha creato una divisione del lavoro dove ogni azienda o istituzione possedeva una parte separata di un processo di innovazione apparentemente divisibile. Allo stesso tempo, una politica commerciale più permissiva e migliori capacità di spedizione hanno reso ancora più economico per le aziende all’avanguardia fare outsourcing, diventare “fabless” per avere la strategia più leggera possibile.

Nell’immediato questa strategia ha anche funzionato: gli Stati Uniti hanno riconquistato con successo la superiorità tecnologica alla fine degli anni ’90, nel mezzo di un generale boom interno di investimenti nei semiconduttori e nella tecnologia in generale. Il settore è stato in grado di innovare rimanendo competitivo a livello internazionale senza il sostegno fiscale su larga scala della politica industriale nazionale, mentre il Giappone si trovò ad affrontare una crisi da cui ancora oggi fatica ad uscire.

Gli anni 2000

Tuttavia, il successo a breve termine di questa strategia ha avuto un costo ripido a lungo termine. Le ridondanze nel lavoro e nel capitale garantivano che le aziende fossero in grado di internalizzare rapidamente i miglioramenti dei processi mentre formavano anche la prossima generazione di ingegneri e tecnologi. Mentre questa duplicazione può essere stata “ridondante” dal punto di vista della massimizzazione statica dei rendimenti degli azionisti in un singolo periodo, era fondamentale per assicurare le traiettorie innovative a lungo termine.

Un po’ come l’agricoltore che mangia il proprio mais da semina, sottoinvestire per spremere redditività e competitività funziona solo una volta.

A lungo termine, quel sottoinvestimento in lavoro e capitale si manifesta da qualche parte, sia nei bilanci, sia nella capacità innovativa o in entrambi i fronti.

Oggi gli USA hanno già perso gran parte della loro supremazia nella fabbricazione d’avanguardia a favore di TSMC (vedi paper del NBER in proposito), mentre la UE non è mai stata in partita. Assegnare una parte del processo di investimento ad ogni azienda può far apparire il bilancio di ogni singola azienda più robusto, ma l’industria nel suo complesso è diventata molto più fragile a causa del persistente sottoinvestimento. Decenni di costi del lavoro ridotti al minimo hanno ridotto il pool di tecnologi e ingegneri qualificati, mentre decenni di sottoinvestimenti in capacità non permettono alle aziende nazionali di poter sopperire all’attuale carenza.

I problemi attuali dell’industria sono i risultati naturali a lungo termine della strategia di politica scientifica che sembrava avere tanto successo alla fine degli anni ’90 e all’inizio degli anni 2000. La spinta al consolidamento e all’integrazione verticale che ha concentrato la ricerca a lungo termine nei laboratori accademici, nelle mastodontiche “aziende campione” e negli innovatori superleggeri “fabless” ha creato un ecosistema competitivo traballante.

Quando i bisogni dell’economia in generale cambiano – come è successo dall’inizio della pandemia – queste fragili catene di fornitura sono facilmente colte in contropiede. Questa fragilità è un chiaro risultato di una catena di approvvigionamento ottimizzata per la redditività a breve termine e l’eliminazione della ridondanza, non una catena orientata ai bisogni dell’economia nel suo complesso.

Succubi dei grandi gruppi e dei loro ordinativi, gli attori dello sviluppo tecnologico si trovano condizionati alle loro necessità finanziarie.

Per giunta i campioni nazionali sono delle “too big to fail” tecnologiche, che se dovessero perdere un treno dello sviluppo metterebbero in ginocchio l’intera industria dando loro un potere di ricatto anche sui regolatori che altri settori ci hanno mostrato quanto sia tossico.

Gli anni ‘10

Una strana incoerenza, non di immediata comprensione, è quella della politica che ha privilegiato la ricerca pura, il design e le idee rispetto all’implementazione, alla produzione e all’investimento. L’ascesa delle aziendine “fabless” che sfruttavano i miglioramenti di processo delle fabbriche straniere era una conseguenza diretta di questa strategia.

In pratica la priorità alla R&S ha paradossalmente ridotto il ritmo dell’innovazione, e incentivato l’offshoring e l’outsourcing produttivo: la politica premia lo sviluppo della proprietà intellettuale, non la proprietà dei beni fisici. Il problema è che una buona parte dei miglioramenti dei processi derivano dall’implementazione pratica di nuove tecnologie. “Imparare facendo”

Concentrarsi solo sulla R&S esternalizza lo sviluppo dei miglioramenti di processo e affama i produttori nazionali mentre impedisce alla forza lavoro di sviluppare nuove competenze.

I mancati investimenti nella capacità industriale e nell’occupazione hanno creato una situazione in cui le aziende statunitensi sono altamente dipendenti da impianti di produzione esterni.

E quindi, per il futuro?

E arriviamo ai giorni nostri e agli attuali piani di investimento annunciati da Biden (che seguono simili intendimenti di dedicare parte del recovery fund in Europa alla strutturazione di una catena di produzione e approvvigionamento di semiconduttori nel Vecchio Continente).

Investire in un impianto di produzione di TSMC con sede in USA non riduce la dipendenza da un unico fornitore per i progetti all’avanguardia. Una politica industriale nel solco della prima era della produzione di semiconduttori in USA sembrerebbe la via per riconquistare la frontiera tecnologica, e spingere l’innovazione in ogni punto della catena di fornitura.

Ora che gli Stati Uniti devono affrontare una carenza di semiconduttori all’avanguardia e una diminuita capacità innovativa, i responsabili politici stanno considerando interventi seri. E’ già troppo tardi per affrontare l’attuale carenza, ma forse si può cercare di prevenire la prossima.

L’ampio sostegno bipartisan per la spesa infrastrutturale, l’imperativo di ricostruire meglio dopo la pandemia, e le ansie di sicurezza nazionale sull’approvvigionamento di semiconduttori dovrebbero incoraggiare la politica che è il momento di riforme ambiziose. Il fatto che il piano infrastrutturale di Biden contenga anche inasprimenti fiscali per le aziende (l’aliquota sale da 21% a 28%) rappresenta però un problema per il sostegno al Congresso.  Innanzitutto da parte del partito Repubblicano (che peraltro sarebbe ostile anche sul finanziare questo piano interamente a debito).

Per catturare i miglioramenti dei processi e assicurare che la forza lavoro sia sufficientemente qualificata, l’industria ha bisogno di vedere un’espansione coerente della capacità. Tuttavia alle imprese private serve supporto per poter investire strutturalmente in un contesto di domanda non stabile. Una politica industriale dedicata, attraverso una combinazione di acquisti governativi e garanzie di finanziamento, finanziamenti diretti e altri approcci, è l’unico modo per fornire liquidità sufficiente all’industria per assicurare che la capacità si espanda abbastanza rapidamente da mantenere il settore sulla frontiera tecnologica.

Allo stesso tempo, il governo USA, per esempio, ha la capacità normativa per garantire alle imprese di semiconduttori un trattamento diverso per motivi di sicurezza nazionale finalizzato alla resilienza della catena di approvvigionamento.

Nella produzione di semiconduttori, la protezione alle imprese dalle oscillazioni della domanda sono cruciali perché si possa formare strutturalmente del know-how aziendale e queste politiche abbiano successo. Nelle industrie ad alta specializzazione e ad alta intensità di capitale, il lavoro si comporta quasi come un’altra forma di bene capitale, pagando chiari dividendi sugli investimenti.

La portata dell’impegno necessario per finanziare una politica industriale nei semiconduttori -garantendo supporto fiscale e domanda, e quindi longevità dei posti di lavoro- può spaventare, ma ricordiamoci che si tratta di un vasto mercato, una tecnologia critica di uso generale che entra in quasi tutte le catene di approvvigionamento e per mantenere un ruolo nello scacchiere globale gli USA, e la stessa UE, non hanno scelta: devono attrezzarsi.

I semiconduttori giocano un ruolo cruciale in una moderna economia industriale, e il loro percorso tecnologico è troppo importante per essere guidato da preoccupazioni di redditività a breve termine. Il momento politico attuale è un’opportunità per far tesoro dell’esperienza storica, tornare ad una politica industriale dedicata per affrancarsi dalla prossima carenza prima che accada.

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Pubblicato da L'Alieno Gentile

Precedentemente conosciuto con il nickname Bimbo Alieno, L'Alieno Gentile è un operatore finanziario dal 1998; ha collaborato con diverse banche italiane ed estere. Contributor OCSE nel 2012, oggi è Global Strategist per l'asset management di una banca italiana.

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