La grande crisi dei chip minaccia la promessa della legge di Moore

Questa macchina per litografia ultravioletta estrema consente ai produttori di realizzare chip all'avanguardia con caratteristiche di dimensioni di pochi nanometri. ASML

A un anno dall'inizio della pandemia di covid-19, Apple ha commemorato la crescente gamma di dispositivi dotati del suo chip M1 personalizzato con grande clamore, tra cui un Missione non plausibile ad in TV con un giovane che corre sui tetti del campus della sua navicella spaziale a Cupertino e si infiltra nella struttura per rubare il rivoluzionario microprocessore da un MacBook e posizionarlo all'interno di un iPad Pro.

Il chip progettato su misura di Apple è l'ultimo trionfo per La legge di Moore , l'osservazione si è trasformata in una profezia che si autoavvera secondo cui i produttori di chip possono raddoppiare il numero di transistor su un chip ogni pochi anni. Il M1 racchiude 16 miliardi di transistor su un microprocessore delle dimensioni di un grande francobollo. È una meraviglia dell'attuale abilità nella produzione di semiconduttori.

Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2021

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Ma anche se Apple celebrava la M1, il mondo stava affrontando una situazione economicamente devastante carenza di microchip , in particolare quelli relativamente economici che rendono possibili molte delle tecnologie odierne.

Le case automobilistiche hanno chiuso le catene di montaggio e licenziato i lavoratori perché non riescono a ottenere abbastanza chip da $ 1. I produttori sono ricorsi alla costruzione di veicoli senza i chip necessari per i sistemi di navigazione, specchietti retrovisori digitali, display touch screen e sistemi di gestione del carburante. Nel complesso, l'industria automobilistica globale potrebbe perdere più di $ 110 miliardi alla carenza nel 2021.

La produzione è rallentata anche per smartphone, laptop, console per videogiochi, TV e persino elettrodomestici intelligenti, il tutto a causa della mancanza di microchip economici. Il loro uso è così essenziale e così diffuso che alcuni osservatori pensano che la crisi dei chip potrebbe minacciare la ripresa economica globale dalla pandemia.

La carenza globale sta puntando i riflettori sulla capacità dell'industria dei semiconduttori di fornire microchip più economici e più potenti. La promessa di lunga data di chip con capacità sempre maggiori ha ispirato ingegneri, programmatori e designer di prodotti a creare generazioni di nuovi prodotti e servizi. La legge di Moore è stata più di una semplice tabella di marcia per l'industria dei semiconduttori: ha governato il cambiamento tecnologico nell'ultimo mezzo secolo.

Ora quella promessa di una maggiore potenza di calcolo ovunque si sta sgretolando, ma non perché i produttori di chip abbiano finalmente incontrato i limiti fisici della tecnologia per realizzare transistor sempre più piccoli. Invece, i costi crescenti per sostenere la legge di Moore hanno incoraggiato il consolidamento tra i produttori di chip e creato più punti di strozzatura nel business immensamente complesso della produzione di chip.

Anche se i microchip sono diventati essenziali in così tanti prodotti, il loro sviluppo e produzione sono diventati dominati da un piccolo numero di produttori con capacità e appetito limitati per sfornare i chip di base che sono un punto fermo per le tecnologie odierne. E poiché la produzione di chip richiede centinaia di fasi di produzione e mesi di tempo di produzione, l'industria dei semiconduttori non può ruotare rapidamente per soddisfare l'impennata della domanda alimentata dalla pandemia.

Dopo decenni di preoccupazioni su come ritagliare caratteristiche piccole come pochi nanometri su wafer di silicio, lo spirito della legge di Moore - l'aspettativa che chip economici e potenti saranno prontamente disponibili - è ora minacciato da qualcosa di molto più banale: inflessibile catene di approvvigionamento.

Una frontiera solitaria

Vent'anni fa, nel mondo c'erano 25 produttori che producevano chip all'avanguardia. Solo oggi Azienda produttrice di semiconduttori di Taiwan (TSMC) a Taiwan, Intel negli Stati Uniti, e Samsung in Corea del Sud hanno le strutture, o fab, che producono i chip più avanzati. E Intel, da tempo leader tecnologico, sta lottando per tenere il passo, avendo ripetutamente mancato le scadenze per la produzione delle sue ultime generazioni.

Uno dei motivi del consolidamento è che la costruzione di una struttura per produrre i chip più avanzati costa tra $ 5 miliardi e $ 20 miliardi. Questi fab producono chip con caratteristiche di pochi nanometri; in gergo industriale sono chiamati nodi a 5 nanometri e 7 nanometri. Gran parte del costo delle nuove fabbriche va verso l'acquisto delle attrezzature più recenti, come uno strumento chiamato an litografia ultravioletta estrema (EUV) macchina che costa più di $ 100 milioni. Realizzate esclusivamente da ASML nei Paesi Bassi, le macchine EUV vengono utilizzate per incidere schemi di circuiti dettagliati con caratteristiche di dimensioni nanometriche.

I produttori di chip lavorano sulla tecnologia EUV da oltre due decenni. Dopo miliardi di dollari di investimenti, le macchine EUV sono state utilizzate per la prima volta nella produzione di chip commerciali nel 2018. Questo strumento è in ritardo di 20 anni, 10 volte oltre il budget, perché è straordinario, afferma David Kanter, direttore esecutivo di un consorzio di ingegneria aperto incentrato sull'apprendimento automatico. È quasi magico che funzioni. È totalmente come la fantascienza.

Tale sforzo gigantesco ha permesso di creare i miliardi di minuscoli transistor nel chip M1 di Apple, prodotto da TSMC; è tra la prima generazione di chip all'avanguardia a fare affidamento completamente su EUV.

Solo le più grandi aziende tecnologiche sono disposte a pagare centinaia di milioni di dollari per progettare un chip per nodi all'avanguardia.

Pagare per i migliori chip ha senso per Apple perché questi chip entrano negli ultimi modelli di MacBook e iPhone, che vendono a milioni a prezzi di marca di lusso. L'unica azienda che sta effettivamente utilizzando EUV ad alto volume è Apple e vende smartphone da $ 1.000 per i quali hanno un margine folle, afferma Kanter.

Non solo le fabbriche per la produzione di tali chip sono costose, ma il costo della progettazione di circuiti immensamente complessi è ormai fuori dalla portata di molte aziende. Oltre ad Apple, solo le più grandi aziende tecnologiche che richiedono le massime prestazioni di elaborazione, come Qualcomm , AMD , e Nvidia , sono disposti a pagare centinaia di milioni di dollari per progettare un chip per nodi all'avanguardia, afferma Sri Samavedam, vicepresidente senior delle tecnologie CMOS presso Imec, un istituto di ricerca internazionale con sede a Leuven, in Belgio.

Molte più aziende stanno producendo laptop, TV e automobili che utilizzano chip realizzati con tecnologie precedenti e un picco nella domanda di questi è al centro dell'attuale carenza di chip. In poche parole, la maggior parte dei clienti di chip non può permettersi, o non vuole pagare, i chip più recenti; un'auto tipica oggi utilizza dozzine di microchip, mentre un veicolo elettrico ne usa molti di più. Si somma rapidamente. Invece, i produttori di cose come le automobili sono rimasti con chip realizzati utilizzando tecnologie precedenti.

Inoltre, molti dei dispositivi elettronici più popolari di oggi semplicemente non richiedono chip all'avanguardia. Non ha senso inserire, ad esempio, un chip A14 [iPhone e iPad] in ogni singolo computer che abbiamo nel mondo, afferma Hassan Khan, un ex ricercatore di dottorato presso la Carnegie Mellon University che ha studiato le implicazioni di politica pubblica di alla fine della legge di Moore e attualmente lavora in Apple. Non ne hai bisogno nel tuo termometro intelligente a casa e non ne hai bisogno 15 in macchina, perché è molto affamato di energia ed è molto costoso.

Il problema è che anche se sempre più utenti si affidano a tecnologie di chip più vecchie ed economiche, i giganti dell'industria dei semiconduttori si sono concentrati sulla costruzione di nuove fabbriche all'avanguardia. TSMC, Samsung e Intel hanno recentemente annunciato miliardi di dollari in investimenti per gli impianti di produzione più recenti. Sì, sono costosi, ma è lì che ci sono i profitti e negli ultimi 50 anni è stato il futuro.

TSMC, il più grande produttore a contratto di chip al mondo, ha guadagnato quasi il 60% dei suoi ricavi nel 2020 dalla produzione di chip all'avanguardia con caratteristiche da 16 nanometri e più piccole, incluso il chip M1 di Apple realizzato con il processo di produzione a 5 nanometri.

A peggiorare il problema è che nessuno sta costruendo apparecchiature per la produzione di semiconduttori per supportare le vecchie tecnologie, afferma Dale Ford, capo analista presso l'Electronic Components Industry Association, un'associazione di categoria con sede ad Alpharetta, in Georgia. E quindi siamo un po' bloccati tra una roccia e un punto difficile qui.

Chip di fascia bassa

Tutto ciò è importante per gli utenti della tecnologia non solo a causa dell'interruzione della fornitura che sta causando oggi, ma anche perché minaccia lo sviluppo di molte potenziali innovazioni. Oltre a essere più difficili da trovare, i chip di base più economici stanno diventando anche relativamente più costosi, poiché ogni generazione di chip ha richiesto apparecchiature e strutture più costose rispetto alle generazioni precedenti.

Alcuni prodotti di consumo richiederanno semplicemente chip più potenti. La creazione di reti mobili 5G più veloci e l'aumento delle applicazioni informatiche che dipendono dalle velocità del 5G potrebbero costringere a investire in chip specializzati progettati per apparecchiature di rete che comunicano con dozzine o centinaia di dispositivi connessi a Internet. Anche le funzionalità automobilistiche come i sistemi avanzati di assistenza alla guida e i sistemi di infotainment all'interno del veicolo possono beneficiare di chip all'avanguardia, come evidenziato dal produttore di veicoli elettrici Le partnership segnalate di Tesla con TSMC e Samsung sullo sviluppo di chip per le future auto a guida autonoma.

Ma acquistare gli ultimi chip all'avanguardia o investire in progetti di chip specializzati potrebbe non essere pratico per molte aziende quando sviluppano prodotti per un futuro di intelligence ovunque. È improbabile che i produttori di dispositivi di consumo come una macchina sous vide abilitata Wi-Fi spendano i soldi per sviluppare chip specializzati da soli per aggiungere funzionalità ancora più fantasiose, afferma Kanter. Invece, probabilmente ricadranno su qualsiasi chip realizzati con le vecchie tecnologie in grado di fornire.

La maggior parte dei clienti di chip di oggi si accontenta di chip di materie prime più economici che rappresentano un compromesso tra costi e prestazioni.

E gli articoli a basso costo come i vestiti, dice, hanno margini sottilissimi che lasciano poco spazio di manovra per patatine più costose che aggiungerebbero un dollaro, per non parlare di $ 10 o $ 20, al prezzo di ciascun articolo. Ciò significa che l'aumento del prezzo della potenza di calcolo può impedire lo sviluppo di indumenti che potrebbero, ad esempio, rilevare e rispondere a comandi vocali o cambiamenti del tempo.

Il mondo può probabilmente vivere senza macchine sous vide più sofisticate, ma la mancanza di chip sempre più economici e potenti avrebbe un costo reale: la fine di un'era di invenzioni alimentate dalla legge di Moore e dalla sua promessa decennale che una potenza di calcolo sempre più accessibile sarà disponibile per la prossima innovazione.

La maggior parte dei clienti di chip di oggi si accontenta di chip di materie prime più economici che rappresentano un compromesso tra costi e prestazioni. Ed è la fornitura di tali chip di base che sembra tutt'altro che adeguata man mano che la domanda globale di potenza di calcolo cresce.

È ancora vero che l'uso dei semiconduttori nei veicoli sta aumentando, l'uso dei semiconduttori nel tuo tostapane e per tutti i tipi di cose sta aumentando, afferma Willy Shih, professore di pratica manageriale presso la Harvard Business School. Quindi la domanda è: dove colpirà la carenza?

Una preoccupazione globale

All'inizio del 2021, il presidente Joe Biden ha firmato un ordine esecutivo di mandato revisioni della filiera per le patatine e ha dato il suo sostegno dietro una spinta bipartisan al Congresso per approvare almeno 50 miliardi di dollari per la produzione e la ricerca di semiconduttori . Biden ha anche tenuto due vertici della Casa Bianca con i leader dell'industria dei semiconduttori e dell'auto, incluso un incontro del 12 aprile durante il quale ha mostrato in modo prominente un wafer di silicio.

Le azioni non risolveranno presto lo squilibrio tra domanda e offerta di chip. Ma almeno, dicono gli esperti, la crisi odierna rappresenta un'opportunità per il governo degli Stati Uniti di provare a riparare finalmente la catena di approvvigionamento e invertire il rallentamento generale dell'innovazione dei semiconduttori e forse sostenere la capacità degli Stati Uniti di produrre i chip di cui hanno disperatamente bisogno.

Si stima che il 75% di tutta la capacità di produzione di chip fosse basata nell'Asia orientale nel 2019, con la quota degli Stati Uniti che si attestava a circa il 13%. La sola TSMC di Taiwan detiene quasi il 55% del mercato delle fonderie che gestisce gli ordini di produzione di chip dei consumatori.

Incombe su tutto la rivalità USA-Cina. La società campione nazionale cinese SMIC ha costruito fabbriche che sono ancora cinque o sei anni indietro rispetto all'avanguardia nelle tecnologie dei chip. Ma è possibile che le fonderie cinesi possano aiutare a soddisfare la domanda globale di chip costruiti su nodi più vecchi nei prossimi anni. Dati i sussidi statali che ricevono, è possibile che le fonderie cinesi siano i produttori con i costi più bassi in quanto stanno in piedi su fab ai nodi a 22 e 14 nanometri, afferma Khan. Le fabbriche cinesi potrebbero non essere competitive alla frontiera, ma potrebbero fornire una porzione crescente della domanda.

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L'industria globale dei semiconduttori dovrà quasi raddoppiare la capacità complessiva entro il 2030 per stare al passo con la domanda, secondo la Semiconductor Industry Association (SIA), un gruppo industriale con sede a Washington, che ha sostenuto il rafforzamento della catena di approvvigionamento globale piuttosto che tentare di costruire capacità di produzione nazionale completamente autosufficiente.

Ma in un cenno all'importanza dei chip avanzati per la sicurezza nazionale e le infrastrutture critiche, la SIA suggerisce che gli Stati Uniti forniscano incentivi orientati al mercato alle aziende per costruire due o tre nuove fabbriche all'avanguardia a livello nazionale. Ciò potrebbe aiutare a garantire che le principali reti di telecomunicazioni e data center della nazione, insieme alle forze armate statunitensi, abbiano una fornitura interna di chip.

Le foto della Casa Bianca con il presidente hanno ricordato il ruolo che il governo ha svolto dagli albori dell'industria dei semiconduttori che ha dato il nome alla Silicon Valley. Fare quel fronte e centro non è qualcosa di cui il presidente ha parlato in quel modo dai tempi di Ronald Reagan, afferma Margaret O'Mara, storica dell'Università di Washington a Seattle. Biden seduto lì sventolando un wafer in giro, non credo di averlo mai visto in una mano presidenziale.

Il governo degli Stati Uniti è diventato il primo, e forse il suo più grande, venture capitalist della Valley, ha scritto O'Mara nel suo libro del 2019 Il codice: la Silicon Valley e il rifacimento dell'America . Grandi ordini governativi di chip per la fornitura del programma Apollo della NASA e dei missili balistici intercontinentali Minuteman dell'esercito hanno incoraggiato i produttori di chip a iniziare la produzione di massa e hanno contribuito a ridurre il costo dei primi chip di silicio da $ 1.000 ciascuno nel 1960 a soli $ 25 entro il 1965.

Il calo dei prezzi ha reso la potenza di calcolo alla portata di molti, al di là delle semplici agenzie governative. Ha dato il via all'età d'oro della legge di Moore, in cui i clienti hanno raccolto i frutti di chip più economici che offrivano anche prestazioni migliori ogni pochi anni. E potresti non sapere che la sua promessa era in pericolo se tutto ciò che dovevi fare fosse l'ultimo annuncio di Apple.

Mentre stavo intervistando O'Mara per questa storia, un addetto alle consegne si è presentato alla sua porta come se avesse ricevuto il segnale.

A proposito di chip, mi stanno appena consegnando il mio computer nuovo di zecca, ha detto con una risata. Sì, ho il mio nuovo MacBook con il mio chip M1.

Jeremy Hsu è un giornalista di tecnologia e scienza con sede a New York City.

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