Lipsa de semiconductori afectează producătorii de automobile și giganții tehnologici, ridicând alarme de la Washington la Bruxelles și la Beijing. Criza a ridicat o întrebare fundamentală pentru factorii de decizie politică, clienți și investitori: De ce nu putem produce mai multe cipuri?, potrivit Bloomberg.

Există atât un răspuns simplu, cât și unul complicat. Versiunea simplă este că realizarea de cipuri este incredibil de dificilă și devine tot mai dificilă. „Nu este știință despre rachete – este mult mai dificil”, potrivit unei glume din interiorul  industriei.

Răspunsul mai complicat este că este nevoie de ani de zile pentru a construi instalații de fabricație a semiconductoarelor și miliarde de dolari – și chiar și atunci economia este atât de brutală încât poți pierde dacă expertiza ta în producție este cu o fracțiune în spatele concurenței. Fostul șef al Intel Corp. Craig Barrett a numit microprocesoarele companiei sale cele mai complicate dispozitive fabricate vreodată de om.

Reuters: TSMC ar putea construi mai multe fabrici în Arizona, unde va produce cipuri

Acesta este motivul pentru care țările se confruntă cu o astfel de dificultate în realizarea de semiconductori. China a numit independența cipurilor o prioritate națională de top în cel mai recent plan de cinci ani al său, în timp ce președintele SUA, Joe Biden, a promis să construiască un lanț de aprovizionare american sigur, prin reînvierea producției interne. Chiar și Uniunea Europeană analizează măsuri pentru a-și face propriile cipuri.

Fabricarea unui cip durează de obicei mai mult de trei luni și implică fabrici gigantice, camere fără praf, mașini de multe milioane de dolari, tablă topită și lasere. Scopul final este de a transforma plăcile de siliciu – un element extras din nisip simplu – într-o rețea de miliarde de comutatoare minuscule numite tranzistoare care formează baza circuitelor care vor da în cele din urmă un telefon, computer, mașină, mașină de spălat sau capabilităţi cruciale ale sateliţilor.

Atât de mic, dar atât de complex

Majoritatea cipurilor sunt grupuri de circuite care rulează software, manipulează date și controlează funcțiile dispozitivelor electronice. Aranjamentul acestor circuite le oferă scopul lor specific.

Companiile de cipuri încearcă să împacheteze mai multe tranzistoare în cipuri, îmbunătățind performanța și făcând dispozitivele mai eficiente din punct de vedere energetic. Primul microprocesor Intel – 4004 – a fost lansat în 1971 și conținea doar 2.300 de tranzistoare cu o dimensiune a nodului de 10 microni, sau 10 milionimi de metru.

Dar dominaţia incontestabilă a Intel din următoarele decenii s-a încheiat între 2015 și 2020, când rivalii Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. și Samsung Electronics Co. au început să construiască chip-uri cu tranzistoare mai bune: cele cu dimensiuni de până la 5 nanometri sau 5 miliarde de metru (pentru comparație, un fir mediu de păr uman are o lățime de 100.000 nanometri.)

Mai curat decât o intervenție chirurgicală

Înainte de a pune siliciu în mașinile de fabricat cipuri, aveți nevoie de o cameră curată. O cameră foarte curată. Tranzistoarele individuale sunt de multe ori mai mici decât un virus. Doar un fir de praf poate provoca ravagii și eforturi de milioane de dolari irosite. Pentru a atenua acest risc, producătorii de cipuri își găzduiesc mașinile în camere care în esență nu au praf. Pentru a menține acest mediu, aerul este în mod constant filtrat și foarte puțini oameni au voie să intre. Dacă pe o linie de producție a cipurilor apar mai mulți sau doi muncitori – înfășurați din cap până în picioare în echipament de protecție – ar putea fi un semn că ceva nu este în regulă. Adevăratele genii din spatele proiectării și dezvoltării semiconductorilor funcționează la câțiva kilometri distanță.

Chiar și cu toate aceste precauții, bucăţi de siliciu nu pot fi atinse de oameni sau expuse la aer. Acestea sunt transportate în cartuşe, între mașini,  de roboți care rulează pe șenile din tavan. Ele ies din siguranța acelor cartușe numai atunci când sunt în interiorul mașinilor și este timpul pentru un pas cheie în proces.

Fabricarea la nivel atomic

Cipurile constau din 100 de straturi de materiale. Acestea sunt depuse, apoi parțial îndepărtate, pentru a forma structuri tridimensionale complexe care leagă toate tranzistoarele minuscule. Unele dintre aceste straturi sunt doar un atom subțire. Mașinile fabricate de Applied Materials Inc., Lam Research Corp. și Tokyo Electron Ltd. jonglează cu o serie de variabile, cum ar fi temperatura, presiunea și câmpurile electrice și magnetice, pentru ca acest lucru să se întâmple.

Una dintre cele mai dificile părți ale procesului este litografia, care este gestionată de mașini fabricate de ASML Holding NV. Uneltele companiei folosesc lumina pentru a arde tiparele în materialele depuse pe siliciu. Aceste tipare devin în cele din urmă tranzistoare. Toate acestea se întâmplă la o scară foarte mică. În prezent, se utilizează lumină ultravioletă extremă, care apare de obicei numai în mod natural în spațiu. Pentru a recrea acest lucru într-un mediu controlat, mașinile ASML elimină picături topite de staniu cu un impuls laser. Pe măsură ce metalul se vaporizează, emite lumina EUV necesară. Dar nici asta nu este suficient. Oglinzile sunt necesare pentru a focaliza lumina într-o lungime de undă mai subțire.

Economie împovărătoare

Fabricile de  cipuri lucrează 24 de ore pe zi, șapte zile pe săptămână. Acestea fac asta dintr-un singur motiv: costul. Construirea unei fabrici entry-level care produce 50.000 de bucăţi pe lună costă aproximativ 15 miliarde de dolari. Cea mai mare parte a acestora este cheltuită pe echipamente specializate – o piață care a depășit vânzările de 60 de miliarde de dolari pentru prima dată în 2020.

Trei companii – Intel, Samsung și TSMC – reprezintă cea mai mare parte a acestei investiții. Fabricile lor sunt mai avansate și costă peste 20 de miliarde de dolari fiecare. Anul acesta, TSMC va cheltui până la 28 de miliarde de dolari pe noi uzine și echipamente. Comparați acest lucru cu încercarea guvernului SUA de a trece o lege care sprijină producția internă de cipuri. Aceasta ar oferi doar 50 de miliarde de dolari pe parcursul a cinci ani.

Odată ce cheltuiți toți banii construind facilități gigantice, acestea devin depășite în cinci ani sau mai puțin. Pentru a evita pierderea banilor, producătorii de cipuri trebuie să genereze un profit de 3 miliarde de dolari din fiecare fabrică. Dar acum doar cele mai mari companii, în special primele trei care au generat venituri de 188 miliarde dolari anul trecut, își pot permite să construiască mai multe fabrici.

Cu cât faci mai mult acest lucru, cu atât te pricepi mai bine la asta. Randamentul – procentul de cipuri care nu sunt aruncate – este măsura cheie. Orice sub 90% este o problemă. Dar producătorii de cipuri depășesc acest nivel învățând lecții scumpe mereu și bazându-se pe cunoștințe.

Economia brutală a industriei înseamnă că mai puține companii își pot permite să țină pasul. Majoritatea celor aproximativ 1,4 miliarde de procesoare de smartphone livrate în fiecare an sunt fabricate de TSMC. Intel are 80% din piață pentru procesoarele de computer. Samsung domină cipurile de memorie. Pentru toți ceilalți, inclusiv China, nu este ușor să pătrundă.