¿Qué son los chips "heredados"?

Los circuitos integrados (IC) basados ​​en semiconductores "heredados" o "principales" se fabrican utilizando procesos de fabricación establecidos, pero aún en evolución, generalmente con transistores más grandes grabados en cada chip. 

La Ley CHIPS y Ciencia de 2022 define los dispositivos heredados como los producidos con tecnología de 28 nanómetros (nm) o más, y encarga al Departamento de Comercio de Estados Unidos que formule una definición precisa para otros tipos de chips. Esa determinación aún está pendiente. 

La definición oficial de chips "de vanguardia" aún no se ha formulado, pero se puede suponer que se aplica a los nodos de proceso a 5 nm o menos. Los chips altamente avanzados de 10 nm y 7 nm se encuentran en un área gris definitoria, al menos hasta que el Departamento de Comercio los clasifique. Incluso entonces, se trata de una distinción estática en una tecnología que aún sigue la trayectoria predicha por la Ley de Moore: lo que hoy se considera "legado" era de vanguardia no hace mucho tiempo, y lo que es de vanguardia hoy está destinado a convertirse en el legado del mañana.

Los chips heredados son omnipresentes. Si bien los chips o microprocesadores de vanguardia tienen aplicaciones generalizadas en tecnologías críticas, los chips heredados están involucrados en la producción de la mayoría de los automóviles, aeronaves, electrodomésticos, banda ancha, electrónica de consumo, sistemas de automatización de fábricas, sistemas militares y dispositivos médicos. Estos dispositivos tienen un papel central en la economía manufacturera de los EE. UU., lo que significa que las interrupciones en la disponibilidad de chips heredados tienen un impacto negativo en la fabricación de los EE. UU. y en las actividades económicas posteriores.

A pesar del nombre, los chips heredados no son tecnología obsoleta. Las connotaciones asociadas con términos como "maduro", "antiguo" y "heredado" son engañosas porque estas categorías de chips se refinan constantemente para nuevos requisitos y aplicaciones. Las innovaciones en estos chips, por ejemplo, incluyen el uso de semiconductores de carburo de silicio, que se espera que tengan un papel importante en la descarbonización de la economía. Los chips heredados están destinados a seguir siendo muy relevantes para las industrias y tecnologías emergentes en el futuro. 

Por lo tanto, identificar los chips heredados como separados de los chips de vanguardia en términos de tamaño de transistor puede limitar nuestra comprensión de su importancia estratégica y económica. El término "legado" es en sí mismo un vestigio de una era en la que las aplicaciones militares eran una fuerza impulsora en la innovación de chips. Como reflejo de esta mentalidad, los controles de exportación recientes destinados a limitar el potencial de China para fabricar chips avanzados, dejando que China innove en chips convencionales, ocultan una gran vulnerabilidad. 

Si Estados Unidos quiere proteger su economía del impacto de la política industrial china, los pensadores estratégicos estadounidenses ya no pueden categorizar los chips como "avanzados" o "menos avanzados" simplemente en términos del tamaño de sus componentes. En cambio, los formuladores de políticas deben pensar más cuidadosamente sobre la importancia de los chips heredados especializados y las políticas que respaldan su producción y la innovación continua.

Impacto de la escasez de chips heredados de 2022

La conciencia generalizada de hoy sobre los chips heredados fue impulsada por la escasez de chips durante la pandemia de Covid-19. A pesar de operar a una producción histórica en ese momento, la base de producción nacional no pudo seguir el ritmo de la demanda interna. A principios de 2022, el Departamento de Comercio de EE. UU. publicó los resultados de una encuesta que abordó la escasez de chips y encontró que las empresas enfrentaban su escasez más aguda no en chips de última generación sino en chips heredados en el nodo de 40 nm o más. La mayor parte de la producción actual de chips de EE. UU., y la mayor parte de la producción mundial, consiste en estos dispositivos de nodo superior. A principios de 2022, según una encuesta del Departamento de Comercio, las plantas de chips de EE. UU. operaban al 90 por ciento de su capacidad o más, "increíblemente alta para un proceso de producción que requiere un mantenimiento regular y cantidades muy altas de energía". A pesar de la demanda, los fabricantes de chips simplemente no pudieron aumentar la producción a corto plazo.

Una revisión de la administración de Biden de 2021 de la cadena de suministro de semiconductores de EE. UU. encontró que “Estados Unidos depende de fuentes concentradas en Taiwán, Corea del Sur y China para satisfacer la demanda de varios chips lógicos y de memoria que no son de vanguardia y que se utilizan ampliamente en una miríada de consumidores y aplicaciones industriales.” En 2022, el Departamento de Comercio concluyó, basándose en una encuesta de más de 150 empresas estadounidenses que producen y consumen semiconductores, que la escasez de chips “amenazaba la producción de las fábricas estadounidenses y ayudaba a impulsar la inflación”. La secretaria de Comercio, Gina Raimondo, dijo el 25 de enero de 2022 que “es realmente alarmante la situación en la que nos encontramos como país y la urgencia con la que debemos avanzar para aumentar nuestra capacidad interna”.

Teniendo en cuenta que los semiconductores tardan muchos meses en fabricarse, y los microcontroladores automotrices típicos tardan de seis a nueve meses, los suministros actuales reflejan aumentos en el volumen de producción de 2022, y el mercado ahora enfrenta un exceso de oferta para ciertos tipos de chips. Sin embargo, la industria automotriz todavía enfrenta una escasez de semiconductores.

Abastecimiento de la industria automotriz de EE. UU.

La experiencia de la industria automotriz de EE. UU. en los últimos meses ofrece importantes lecciones sobre la importancia de los chips heredados para la producción de automóviles y camiones y la actividad económica r0elacionada. La industria automotriz de EE. UU. depende casi por completo de chips heredados, que representan el 95 por ciento de su consumo total de semiconductores. Esto se debe a que los chips que se utilizan en la industria automotriz deben lograr una función de "grado automotriz": la capacidad del chip para soportar entornos exigentes caracterizados por temperaturas extremas, humedad, polvo, productos químicos, vibraciones e interferencias electrónicas. Esto requiere un rendimiento mucho más robusto y casi "sin defectos" que los chips que se encuentran en la electrónica de consumo avanzada.

En consecuencia, la industria automotriz es la que más ha sufrido por la reciente escasez de chips heredados. A partir de 2020, la escasez y los largos tiempos de espera para los semiconductores heredados de grado automotriz paralizaron la producción de automóviles de EE. UU. A pesar de las afirmaciones de que el problema del suministro de chips se debió a las interrupciones de la pandemia en las cadenas de suministro globales, el aumento de la demanda mundial de chips durante la pandemia y las cadenas de suministro automotrices optimizadas "justo a tiempo" fueron los más culpables. Los fabricantes de automóviles de EE. UU., que esperaban una fuerte disminución de la demanda inducida por la pandemia, cancelaron sus contratos existentes de chips. Para su sorpresa, la pandemia provocó un aumento sin precedentes en la demanda de productos electrónicos de consumo y dispositivos para trabajar desde el hogar, lo que provocó una escasez mundial de los chips que los impulsan. Como resultado, entre principios de 2021 y mediados de 2022, los productores de automóviles de América del Norte no pudieron acceder a dispositivos adicionales y se vieron obligados a cortar 4,3 millones de vehículos fuera de sus programas de producción. Los precios de los semiconductores disponibles también aumentaron sustancialmente, lo que agravó la inflación. El precio por unidad de variedades comunes de microcontroladores, por ejemplo, se quintuplicó desde el otoño de 2020 hasta el otoño de 2021.

Si bien esto no siempre se aprecia, la industria automotriz actual incorpora semiconductores en las funciones más básicas de un vehículo. La cantidad promedio de chips por vehículo se duplicó entre 2017 y 2021 a alrededor de 1700, y esta cantidad seguirá aumentando a medida que los automóviles y camiones incorporen nuevas características de seguridad y capacidades de conducción automatizada. Según una estimación, el valor total del mercado mundial de semiconductores para automóviles crecerá de 38.700 millones de dólares en 2020 a 116.600 millones de dólares en 2030, o una tasa de crecimiento anual compuesta del 11,7 %. Sin embargo, dejando de lado los problemas de suministro cíclico, la producción de semiconductores para aplicaciones automotrices simplemente no sigue el ritmo. La capacidad de producción de chips heredados solo se está expandiendo a aproximadamente un 2 por ciento anual. A modo de comparación, la capacidad de producción de la industria de semiconductores en su conjunto aumentó un 10 % anual en promedio entre 2010 y 2020.  

Infrainversión y capacidad perdida

Para el sector automotriz, esta inversión insuficiente ha sido particularmente aguda con respecto a los dispositivos analógicos, que procesan la información a lo largo de gradientes en lugar de solo según las señales de encendido y apagado. STMicroelectronics NV, uno de los mayores fabricantes de chips analógicos del mundo, pronostica que su acumulación de pedidos de automóviles "continuará superando la capacidad de fabricación existente y anticipada hasta 2023".

En términos más generales, la industria de chips de EE. UU. está perdiendo la capacidad de producir algunos tipos de dispositivos heredados por completo. Esto no es un reflejo de los obstáculos técnicos, sino del hecho de que las fábricas más antiguas se están cerrando y no se reemplazan debido a las dificultades asociadas. Según un informe del Servicio de Investigación del Congreso, muchos chips heredados se producen en fábricas que solo pueden procesar obleas de 200 milímetros (mm), no las obleas de 300 mm de generación actual fabricadas en fábricas más nuevas. Para complicar las cosas, el informe menciona que "el equipo para fabricar chips de 200 mm ya no está disponible". Como resultado, las empresas dudan en hacer nuevas inversiones en fábricas que fabrican chips "viejos", que solo pueden lograr los márgenes de ganancia requeridos si se producen en equipos depreciados.

Esta disminución de la capacidad significa que no existe una solución mágica para la escasez de chips en el sector automotriz, sobre todo porque las necesidades de la industria están creciendo rápidamente. En el futuro, prácticamente todo el crecimiento previsto en la demanda de chips automotrices se referirá a los dispositivos necesarios para la electrificación, la conducción autónoma y la conectividad, y más de dos tercios de los chips necesarios para estas aplicaciones consistirán en nodos heredados hasta 2030. 

El impacto de la escasez

Las restricciones de suministro han interrumpido las operaciones de los fabricantes de automóviles de EE. UU. y han afectado a muchos otros sectores manufactureros de EE. UU. Los productores de dispositivos médicos, por ejemplo, sufrieron la escasez de chips maduros necesarios para alimentar sus máquinas. La disponibilidad limitada de chips obligó a “las empresas a entrar en el mercado al contado para comprar componentes electrónicos, lo que dificulta que los pacientes obtengan algunos dispositivos críticos”.

La escasez de chips maduros también afectó a los fabricantes de productos electrónicos de consumo. En 2021, Apple se vio obligada a reducir sus planes de producción de iPhone y otros dispositivos debido a la escasez. Respecto al iPhone 13 Pro Max, un dispositivo de gran complejidad que incorpora más de 2.000 componentes, el déficit no se produjo respecto a los chips más avanzados. En cambio, la escasez de componentes periféricos que cuestan solo unos centavos, como los chips de administración de energía fabricados por Texas Instruments, los transceptores de Nexperia y los dispositivos de conectividad de Broadcom, detuvieron la producción. Es importante destacar que "dichos chips no son exclusivos del iPhone, los teléfonos inteligentes o incluso los productos electrónicos de consumo, sino que se utilizan en computadoras, centros de datos, electrodomésticos y automóviles conectados".

Inversiones rezagadas en chips heredados

Una fuente importante de escasez de chips es simplemente la falta de inversión. Durante varios años, la inversión en la capacidad de fabricar chips heredados se ha quedado muy por detrás de la demanda. La explicación es sencilla: los rendimientos son mucho más bajos en las inversiones en la producción de chips heredados. En la actualidad, solo alrededor de una sexta parte de toda la inversión en semiconductores se dirige a la fabricación de chips heredados. A pesar de estos riesgos, varios de los principales fabricantes de dispositivos de semiconductores ahora están siguiendo estrategias de inversión destinadas a producir chips de nodo superior, incluidos Infineon, Analog Devices, Texas Instruments y NXP Semiconductors.

Existe una tensión entre las inversiones públicas en la capacidad de fabricación de los chips más avanzados y la necesidad de capacidad adicional para dispositivos más maduros, lo que obliga a los encargados de formular políticas a reconciliar demandas conflictivas para la asignación de recursos públicos. El dilema ha sido más evidente en la Unión Europea, que ha comprometido 43.000 millones de euros para la investigación y producción de chips avanzados. En marzo de 2022, Intel anunció planes para invertir 30.000 millones de euros, con un importante apoyo público, para construir una fábrica en Magdeburg, Alemania, utilizando la tecnología de fabricación de chips más avanzada. Los ejecutivos de fabricación europeos han criticado estas inversiones en la construcción de fábricas. Ellos discuten que los dispositivos fabricados en los nodos de proceso de 5, 3 y 2 nm contemplados para el proyecto de Intel sean los más adecuados para "usos de alto rendimiento y alto volumen, como teléfonos inteligentes y servidores". Según los ejecutivos, estos chips “no satisfarían las necesidades de la industria europea”, que requiere chips heredados para aplicaciones en sectores como automóviles, maquinaria e industrias de procesos (por ejemplo, química o farmacéutica). Un ejecutivo europeo comentó que “la narrativa de que todo convergerá a menos de cinco nanómetros es una afirmación falsa. La principal innovación para la industria automotriz está ocurriendo en nodos maduros. Necesitan ser muy eficientes energéticamente y seguros”.

Según se informa, Francia y Alemania aseguraron un acuerdo de compromiso que permitirá que los chips más antiguos califiquen para la ayuda estatal, siempre que aporten un "elemento innovador" a la fabricación o al producto final, lo que haría que las fábricas de chips heredadas de Intel fueran elegibles para los subsidios de la UE.

Las mismas tensiones fueron evidentes en los Estados Unidos durante los debates de política de 2021-2022 sobre la legislación que finalmente se convirtió en la Ley CHIPS y Ciencia de 2022. La ley se convirtió en ley en agosto de 2022, comprometiendo 52 mil millones de dólares en fondos federales para promover inversiones e investigación en el industria nacional de semiconductores. Una coalición de senadores aseguró un recorte de 2 mil millones de dólares en incentivos destinados explícitamente a subsidiar la producción de chips heredados. La administración Biden también aclaró más tarde que el Departamento de Comercio asignaría aproximadamente 10 mil millones de dólares de fondos CHIPS para expandir "nueva capacidad de fabricación para chips maduros y de generación actual, tecnologías nuevas y especializadas, y para proveedores de la industria de semiconductores". Dichos incentivos son necesarios para incentivar la inversión privada en fábricas de menor margen que producen chips de mayor nodo, pero si los fondos públicos asignados serán suficientes para satisfacer la creciente necesidad es una pregunta abierta.

En Japón, prácticamente toda la demanda actual de semiconductores es para los chips de nodo superior que necesitan las industrias automotriz y de electrónica de consumo. En 2021, TSMC de Taiwán y Sony Group de Japón anunciaron que invertirían 7 mil millones de dólares para construir una planta de chips en Japón para abordar la necesidad de chips de generación anterior. Se espera que la planta esté operativa en 2024. El fabricante de autopartes Denso y Sony adquirirán participaciones minoritarias. Según se informa, TSMC está considerando construir una segunda fábrica en Japón para respaldar la transición de la industria automotriz a vehículos eléctricos y autónomos, lo que requerirá acceso a un número cada vez mayor de chips de última generación. Según los informes, Japón también está trabajando con los Estados Unidos para establecer una fábrica capaz de producir dispositivos de 2 nm a partir del año fiscal 2025. Entre los socios actuales se encuentran IBM y Rapidus, un consorcio japonés que incluye a Sony, NEC, Toyota, Softbank, Kioxia y MUFG Bank.

El riesgo de China

Además de los bajos márgenes, otro factor de riesgo importante al que se enfrentan las empresas estadounidenses que consideran invertir en chips heredados es China. El gobierno chino anunció recientemente una inversión de 143 mil millones de dólares en su industria de chips. Se espera que la industria china de semiconductores haya gastado 12,3 mil millones de dólares y 15,3 mil millones de dólares en gastos de capital en 2021 y 2022 respectivamente, lo que representa el 15 por ciento del total mundial. Se proyecta que China casi duplique su capacidad instalada de obleas en los próximos 10 años para alcanzar aproximadamente el 19 por ciento de la capacidad de chips instalada en todo el mundo, suponiendo que pueda adquirir el equipo de fabricación necesario. Análisis de las notas de la Asociación de la Industria de Semiconductores (SIA) que "las empresas chinas de EDA ahora tienen ofertas cada vez más sólidas para chips heredados, y las empresas nacionales de equipos chinos están en camino de proporcionar capacidades sólidas para la producción de nodos maduros (40/28 nm) en los próximos años".

Dado el embargo occidental sobre tecnologías de chips avanzados a China, la mayoría de las nuevas inversiones probablemente se destinarán a la producción de dispositivos más antiguos (28 nm y superiores). Una consecuencia no deseada de los controles de exportación de EE. UU. sobre tecnología avanzada de chips a China puede ser una ola de inversión respaldada por el estado que conduzca a una sobreproducción y, potencialmente, al dominio chino de la producción global de chips heredados.

Los expertos estadounidenses ya han destacado el riesgo de este potencial dominio chino. El exasesor adjunto de seguridad nacional, Matt Pottinger, observó que una acumulación china de la capacidad de fabricación de chips heredados "daría a Beijing una influencia coercitiva sobre todos los países e industrias, militares o civiles, que dependen de chips de 28 nanómetros, y eso es una gran parte de el universo de los chips”. Dan Hutcheson, otro experto en semiconductores, observó que “los chinos podrían simplemente inundar el mercado con estas tecnologías. Las empresas normales no pueden competir porque no pueden ganar dinero a estos niveles”. Por supuesto, las empresas estatales y financiadas por el estado que se benefician de los nuevos equipos no tienen que obtener ganancias. Pueden y probablemente se enfocarán en la participación de mercado, reduciendo los ingresos de las empresas extranjeras y los recursos que necesitan para invertir. Esto dejará a las autoridades en las economías de mercado con pocas opciones más que bloquear las exportaciones de chips "desechados" o ver a la industria sufrir el destino de la industria fotovoltaica, con una pérdida de ventas, ingresos, empleos e innovación.

De cara al futuro, la importancia de los chips heredados para el funcionamiento de la economía moderna seguirá creciendo. Mantener una base de suministro robusta y resistente capaz de realizar las inversiones y producir y mejorar constantemente chips de nodo superior es esencial para la competitividad y la seguridad económica de la nación. Además, se espera que la innovación en los chips de nodo superior sirva como base para una variedad de tecnologías emergentes, incluidas las necesarias para llevarnos a un planeta más verde y saludable. Se necesitarán chips de nodo superior más avanzados para producir tecnologías de energía verde, un dominio que ni Europa ni Estados Unidos pueden darse el lujo de abandonar.