La capacità dei semiconduttori: una questione di colli di bottiglia, non solo di nuove fabbriche

Ogni pochi mesi un governo annuncia un pacchetto per i semiconduttori, un'azienda posa la prima pietra di una fabbrica e il numero in evidenza è di miliardi di dollari. La storia più difficile è sottostante: cosa limita effettivamente quante chip il mondo può produrre e con quale velocità. Tre dettagli della catena di approvvigionamento pubblicati negli ultimi due anni suggeriscono che la risposta non sia solo il numero di fabbriche.

Prendete la storia del settore stesso. L'articolo di IEEE Spectrum di dicembre 2024, "The Forgotten Story of How IBM Invented the Automated Fab", descrive il progetto SWIFT, un programma di ricerca sulla produzione guidato dal manager di IBM Bill Harding a East Fishkill, New York, nel 1970. L'obiettivo di Harding era una linea di produzione di wafer completamente automatizzata in grado di produrre circuiti integrati in meno di un giorno, in un'epoca in cui i circuiti integrati come i chip RAM attraversavano tipicamente dozzine di postazioni di lavoro manuali in circa un mese.

SWIFT richiedeva in media 5 ore per completare ogni strato del suo processo di fabbricazione, mentre le fabbriche moderne più veloci impiegano 19 ore per strato di elaborazione e la media del settore è di 36 ore.

Questo confronto proviene direttamente da IEEE Spectrum, che osserva che le chip odierne sono costruite con più strati su wafer più grandi e con un'elaborazione più complessa. Secondo l'articolo, questi fattori non colmano il divario. Molte innovazioni di SWIFT sono ora standard negli impianti automatizzati, ma il suo tempo di rotazione non è mai stato eguagliato. La lezione per i pianificatori di capacità è scomoda: la resa per metro quadro di cleanroom è un problema di progettazione, non semplicemente un problema di capitale.

Dove proviene la materia prima

Poi c'è Spruce Pine, North Carolina. Tom's Hardware ha riportato il 1 ottobre 2024 che l'uragano Helene ha portato più di due piedi di pioggia nella città, tagliando strade e corrente elettrica e lasciando incerto lo stato delle miniere locali di quarzo ad alta purezza. Due aziende estraggono quarzo ultra-puro lì: Sibelco North America e The Quartz Corp. Tom's Hardware ha detto che un portavoce di Quartz Corp ha dichiarato a The Verge che era troppo presto per dire se la produzione fosse stata colpita, e che Sibelco avrebbe confermato la sospensione delle operazioni. Ripetuti tentativi di raggiungere Sibelco sono falliti a causa della mancanza di servizio telefonico nella zona.

Perché una piccola città conta? I crogioli di quarzo contengono il silicio fuso durante il processo Czochralski che trasforma il polisilicio in lingotti monocristallini, che vengono poi tagliati in wafer. Le impurità nel crogiolo migrano nel fuso e i semiconduttori sono estremamente sensibili alla contaminazione. L'analisi di Construction Physics di Brian Potter, pubblicata l'8 novembre 2024, mette il commercio in contesto. Si stima che Spruce Pine produca 180.000 a 200.000 tonnellate di quarzo ad alta purezza all'anno, e il quarzo ad alta purezza costa circa 10.000 dollari a tonnellata. I crogioli costano diverse migliaia di dollari ciascuno e durano circa 400 ore di funzionamento. Un singolo forno CZ consuma 20 a 25 crogioli all'anno e un articolo ha stimato che i crogioli rappresentino il 30% del costo di produzione dei lingotti di silicio monocristallino.

Potter è cauto sulla versione apocalittica della storia. Tagliare Spruce Pine probabilmente non fermerebbe completamente la produzione di semiconduttori, scrive, ma significherebbe rese inferiori e costi più alti. Le alternative esistono, ma non sono ancora sviluppate, non sono altrettanto buone o non sono altrettanto economiche. Osserva anche che l'industria del quarzo ad alta purezza è estremamente segreta e che i numeri specifici sono difficili da trovare, cosa da ricordare la prossima volta che una singola miniera viene descritta come la fondazione dell'economia moderna.

Aggiungere capacità in luoghi diversi

Nel frattempo, la capacità viene aggiunta in modi che non somigliano a una fabbrica logica all'avanguardia. Texas Instruments ha dichiarato il 24 ottobre 2024 di aver iniziato a produrre semiconduttori di potenza al nitruro di gallio nella sua fabbrica ad Aizu, Giappone. Combinato con la produzione esistente di GaN a Dallas, Texas, TI ha dichiarato che produrrà internamente quattro volte più semiconduttori di potenza basati su GaN man mano che Aizu raggiunge la piena produzione. L'azienda ha dichiarato di aver qualificato la tecnologia GaN da 200 mm per la produzione di massa.

Il comunicato di TI cita Mohammad Yunus, senior vice president di tecnologia e produzione, che dice che questa pietra miliare supporta un piano per far crescere la produzione interna a oltre il 95% entro il 2.030, attingendo da più sedi di TI. TI ha anche dichiarato di aver pilotato processi di produzione GaN su wafer da 300 mm e che i suoi processi espansi sono completamente trasferibili a 300 mm. Il GaN è un'alternativa al silicio per la conversione di potenza, usato in adattatori per laptop e telefoni, motori per riscaldamento e aria condizionata e alimentatori per server. Non compete con la logica all'avanguardia, ma fa parte del quadro più ampio della capacità dei semiconduttori.

La spinta governativa più esplicita proviene dall'India. TechCrunch ha riportato il 15 luglio 2.026 che Nuova Delhi ha presentato un Mobile Phone Manufacturing Scheme del valore di ₹625.000.000.000, circa 6.500.000.000 di dollari, della durata di cinque anni, con incentivi dal 2,25% al 5% delle vendite ammissibili e un extra 1,5% per l'approvvigionamento locale di componenti chiave e sottoinsiemi. Il governo ha anche impegnato ulteriori ₹1.280.000.000.000, circa 13.300.000.000 di dollari, per la produzione nazionale di semiconduttori, espandendo un programma di incentivi per chip da 10.000.000.000 di dollari lanciato nel 2021, con maggiore supporto per attrezzature, materiali, progettazione e ricerca per i chip.

La scala del divario è nello stesso articolo. La Cina ha rappresentato il 63% della produzione mondiale di smartphone nel 2025, rispetto al 18% dell'India, secondo Counterpoint Research. Apple ha iniziato ad assemblare iPhone in India nel 2017 e circa il 25% dei suoi iPhone vengono ora prodotti lì, riporta TechCrunch. Il piano per gli smartphone dura fino al 2.031. Il governo si aspetta che la produzione di telefoni mobili in quel periodo raggiunga un totale di circa ₹39.000.000.000.000, circa 405.000.000.000 di dollari, e che il piano crei circa 60.000 posti di lavoro diretti. Navkendar Singh di IDC dice a TechCrunch che il programma segna un passaggio da "assemblare di più" verso la profondità, la R&S e la cattura del valore locale, e che l'India ha eccelluto nell'assemblaggio finale rimanendo dipendente dai componenti importati.

La Malesia offre un terzo modello. CNBC ha riportato il 18 aprile 2024 che il secondo ministro delle finanze Amir Hamzah Azizan ha dichiarato che il paese non è intimorito dalla concorrenza di Cina o Stati Uniti mentre si sposta nella produzione di semiconduttori di fascia alta. "Il settore dei semiconduttori è ora in fase di ripresa e la Malesia ne beneficerà", ha detto a Karen Tso di CNBC durante gli incontri di primavera del FMI a Washington. La Malesia detiene il 13% del mercato globale per i servizi di imballaggio, assemblaggio e test di chip, secondo un rapporto del 18 febbraio dell'Entità per lo Sviluppo degli Investimenti della Malesia citato da CNBC. Il ministro ha detto che la Malesia non avrebbe competuto di testa in fascia alta e ha inquadrato l'opportunità come diversificazione della catena di approvvigionamento da parte degli utenti finali.

Cosa significa davvero la capacità

Messi insieme, la questione della capacità sembra meno una singola corsa e più un insieme di vincoli collegati. La costruzione di fab all'avanguardia ottiene gli annunci. Ma l'avvio dei wafer dipende anche dall'approvvigionamento di crogioli da un pugno di miniere, da quante ore richiede ogni strato di processo, da se esiste capacità di assemblaggio e test in luoghi come la Malesia, e da se paesi come l'India possono andare oltre l'assemblaggio finale verso componenti e progettazione.

Nessuna di queste cose rende errati i numeri delle fabbriche da miliardi di dollari. Li rende incompleti. La domanda utile non è quanto denaro viene impegnato, ma quale di questi colli di bottiglia il denaro allenta effettivamente.