Por Luis Fonseca (CSIC)*

Vivimos rodeados de chips. No solo están en productos como los móviles o los ordenadores, sino también en la automoción, la producción industrial de ropa o alimentos y en sectores críticos como el de la instrumentación médica, la seguridad o la defensa. Por eso cuando escasean estos semiconductores, como ocurre en la actualidad, saltan las alarmas. Pero, ¿por qué faltan chips? Aunque en los últimos meses se haya hablado mucho de ello, desde el Instituto de Microelectrónica del CSIC en Barcelona trataremos de aportar nuestro punto de vista.

Antes, apuntalemos algunos conceptos previos

El primero es el de la electrónica, que es la rama de la física que estudia los movimientos de los electrones libres y la acción de las fuerzas electromagnéticas y cómo utilizarlos para controlar la propia electricidad y gestionar todo tipo de procesos de información. No es poca cosa, porque, como predijo Michael Faraday en una difundida aunque oficiosa anécdota en la que señalaba que se acabarían pagando impuestos por la electricidad, hemos hecho de la electricidad y de la información uno de los vectores principales de nuestra sociedad en general y de nuestro sistema productivo y económico en particular. La primera revolución industrial se fraguó en torno al vapor, pero las protagonistas de las posteriores revoluciones han sido la electricidad, la electrónica y la información.

Ilustración del experimento de M. Faraday en 1831 donde muestra la inducción electromagnética entre dos bobinas. /Grabado de J. Lambert (1892)

El transistor, por su parte, es el componente electrónico fundamental que nos puso en el disparadero de la modernidad y de la transición hacia la sociedad de la información. Este abuelo de los microchips cumple 75 años en 2022. Se trata de un dispositivo que actúa como interruptor dejando pasar corriente a través de sí en función de si se le activa una señal de control. Unos y ceros (señal de entrada) generando unos y ceros (señal de salida) son la encarnación del bit y la magia de la lógica binaria que nos lleva desde el modesto transistor hasta un superordenador. La microelectrónica y la nanoelectrónica han permitido hacer esos transistores más pequeños y más rápidos hasta poder integrar en el mismo chip millares, decenas de millares, millones, miles de millones, millones de millones de transistores… Por ello ahora hablamos de memorias de terabytes y de procesadores que ejecutan billones de instrucciones por segundo.

Chip diseñado en el IMB-CNM que permite el registro neuronal de 1024 canales uECoG para aplicaciones de rehabilitación del habla (proyecto Europeo BrainCom FETPROACT-2016-732032).

La micro y nanoelectrónica son, por tanto, la orfebrería extrema que nos permite llegar hasta el “infinito informático” y más allá. Las memorias y los procesadores se hacen en fábricas de semiconductores (foundries) que son, a día de hoy, la sublimación de la complejidad tecnológica y el máximo exponente de la eficiencia y la productividad. Para producirlos se orquestan con precisión centenares de procesos en grandes espacios (clean rooms o ‘salas blancas’) que se mantienen bajo condiciones cuidadosamente controladas: temperatura y humedad estables, ausencia de vibraciones y un aire más limpio que el de un quirófano.

Una crisis de sistema productivo

Aunque la fabricación de chips tiene sus propios retos tecnológicos, ligados a los límites de la miniaturización continua, la crisis de los chips no es tecnológica, sino económica y de sistema productivo. Y no se debe a una única razón, sino a una serie de “catastróficas desdichas”. Esta crisis ha puesto de manifiesto que nuestro sistema hiperespecializado y ultraconectado no se defiende bien ante grandes perturbaciones. Parece evidente que la deslocalización de la producción y los esquemas de just in time en aras de la eficiencia económica suponen un importante riesgo cuando el transporte global no está asegurado y supone un costo elevado, y aquí el coste de la energía juega un gran papel.

Imagen de chip diseñado y fabricado en el IMB-CNM que contiene un sensor electroquímico inteligente para aplicaciones de salud y control de calidad (proyecto Europeo Pasteur CATRENE CT204).

Las grandes perturbaciones que sacuden al sistema productivo han sido la pandemia y, en cierta medida, el cambio climático, que se han aliado con la localización extrema en la producción de chips: aproximadamente el 85% de ellos se fabrican en Asia y hasta dos terceras partes solo en Taiwán, una isla del tamaño de Cataluña con una relación particular con la China continental. Precisamente, Taiwán vio afectada su producción de chips por un episodio severo de sequía, ya que el agua es un recurso importante en su fabricación.

La pandemia, por su parte, alteró notablemente el equilibrio entre la oferta y la demanda de semiconductores, que ya estaba tensionado por el impulso global y sostenido hacia una mayor digitalización. Una de sus principales consecuencias ha sido el aumento espectacular en la demanda de ocio electrónico y de herramientas de teletrabajo, así como la necesidad de dimensionar al alza toda la mega-infraestructura de interconexión asociada.

Relocalizar (en parte) la producción de chips

Consideremos algunos datos poco conocidos: construir una fábrica avanzada de semiconductores cuesta alguna decena de miles de millones de euros y ponerla en pie requiere mínimo dos años; el tiempo para conseguir un chip-en-mano no es muy diferente de los nueve meses de un embarazo; y, en un escenario de baja oferta, no toda la demanda es igualmente apreciada. En este sentido, los móviles y los ordenadores usan chips de mayor valor añadido, y más caros, que los que se usan en los vehículos. Móviles y ordenadores vieron aumentar sus pedidos durante la pandemia, y los vehículos redujeron y suspendieron los suyos a la espera de que se recuperara su propia demanda… pero, ahora que esta demanda ha aumentado, los productores de chips no tienen tanto aliciente en proporcionarlos cuando aún pasan apuros para cumplir con los pedidos de los primeros. La generación de millennials entiende que un problema en la interconexión digital global puede resolverse en minutos u horas, pero las personas boomers saben que reparar la interconexión física global (léase producir y transportar mercancías) requiere semanas o meses.

De la misma manera que es muy posible que la pandemia haga cambiar ciertos comportamientos para siempre, la crisis de los semiconductores puede alentar cambios duraderos. Tanto Estados Unidos como Europa tienen planes para aumentar su producción de chips. En el caso europeo, ese aumento de producción pasa por atraer empresas americanas o taiwanesas, pues no hay grandes productores locales de memorias y procesadores, y, por supuesto, no hay fabricas públicas de semiconductores ni se las espera. Conviene también no olvidar que los procesadores y las memorias son el rey y la reina en el tablero de los componentes electrónicos, pero hay otras piezas, todas necesarias, cuyo juego debe asegurarse también. Si los chips de los coches son alfiles o caballos, aún hay mucho peón que la crisis de los semiconductores amenaza con dejar atrás. Son chips de menor complejidad, pero igualmente necesarios, que podrían fabricarse en redes de salas blancas más pequeñas, de menor coste, y distribuidas geográficamente de forma que estén sometidas a menores vaivenes político-económicos.

*Luis Fonseca es investigador del CSIC y director en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC).