Claus per a entendre l'escassetat dels xips a Europa

Article escrit per Luis Fonseca, director de l'IMB-CNM, publicat originalment en "Ciencia para llevar", el blog del CSIC en 20 minutos

Vivim envoltats de xips. No només estan en productes com els mòbils o els ordinadors, sinó també en l'automoció, la producció industrial de roba o aliments i en sectors crítics com el de la instrumentació mèdica, la seguretat o la defensa. Per això quan escassegen aquests semiconductors, com ocorre en l'actualitat, salten les alarmes. Però, per què falten xips? Encara que en els últims mesos s'hagi parlat molt d'això, des de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona del CSIC tractarem d'aportar el nostre punt de vista.

Abans, apuntalem alguns conceptes previs

El primer és el de l'electrònica, que és la branca de la física que estudia els moviments dels electrons lliures i l'acció de les forces electromagnètiques i com utilitzar-los per a controlar la pròpia electricitat i gestionar tot tipus de processos d'informació. No és poca cosa, perquè, com va predir Michael Faraday en una difosa, encara que oficiosa, anècdota en la qual assenyalava que s'acabarien pagant imposats per l'electricitat, hem fet de l'electricitat i de la informació un dels vectors principals de la nostra societat en general i del nostre sistema productiu i econòmic en particular. La primera revolució industrial es va forjar entorn del vapor, però les protagonistes de les posteriors revolucions han estat l'electricitat, l'electrònica i la informació.

El transistor, per part seva, és el component electrònic fonamental que ens va posar en el disparador de la modernitat i de la transició cap a la societat de la informació. Aquest avi dels microxips compleix 75 anys en 2022. Es tracta d'un dispositiu que actua com a interruptor deixant passar corrent a través de si en funció de si se li activa un senyal de control. Uns i zeros (senyal d'entrada) generant uns i zeros (senyal de sortida) són l'encarnació del bit i la màgia de la lògica binària que ens porta des del modest transistor fins a un supercomputador. La microelectrònica i la nanoelectrónica han permès fer aquests transistors més petits i més ràpids fins a poder integrar en el mateix xip milers, desenes de milers, milions, milers de milions, milions de milions de transistors… Per això ara parlem de memòries de terabytes i de processadors que executen bilions d'instruccions per segon.

La micro i nanoelectrónica són, per tant, l'orfebreria extrema que ens permet arribar fins al "infinit informàtic" i més enllà. Les memòries i els processadors es fan en fàbriques de semiconductors (foundries) que són, avui dia, la sublimació de la complexitat tecnològica i el màxim exponent de l'eficiència i la productivitat. Per a produir-los s'orquestren amb precisió centenars de processos en grans espais (clean rooms o "sales blanques") que es mantenen sota condicions acuradament controlades: temperatura i humitat estables, absència de vibracions i un aire més net que el d'un quiròfan.

Galeria:

• 01: Xip dissenyat a l'IMB-CNM que permet el registre neuronal de 1024 canals uECoG per a aplicacions de rehabilitació de la parla (projecte Europeu BrainCom FETPROACT-2016-732032). CSIC.
• 02: Imatge de xip dissenyat i fabricat a l'IMB-CNM que conté un sensor electroquímic intel·ligent per a aplicacions de salut i control de qualitat (projecte Europeu Pasteur CATRENE CT204). CSIC.
• 03: Xip fabricat a Taiwan.
• 04: Il·lustració de l'experiment de M. Faraday en 1831 on mostra la inducció electromagnètica entre dues bobines. / Gravat de J. Lambert (1892).

Una crisi de sistema productiu

Encara que la fabricació de xips té els seus propis reptes tecnològics, lligats als límits de la miniaturització contínua, la crisi dels xips no és tecnològica, sinó econòmica i de sistema productiu. I no es deu a una única raó, sinó a una sèrie de "catastròfiques dissorts". Aquesta crisi ha posat de manifest que el nostre sistema hiperespecialitzat i ultraconnectat no es defensa bé davant grans pertorbacions. Sembla evident que la deslocalització de la producció i els esquemes de just in time en nom de l'eficiència econòmica suposen un important risc quan el transport global no està assegurat i suposa un cost elevat, i aquí el cost de l'energia juga un gran paper.

Les grans pertorbacions que sacsegen al sistema productiu han estat la pandèmia i, en certa manera, el canvi climàtic, que s'han aliat amb la localització extrema en la producció de xips: aproximadament el 85% d'ells es fabriquen a Àsia i fins a dues terceres parts només a Taiwan, una illa de la grandària de Catalunya amb una relació particular amb la Xina continental. Precisament, Taiwan va veure afectada la seva producció de xips per un episodi sever de sequera, ja que l'aigua és un recurs important en la seva fabricació.

La pandèmia, per part seva, va alterar notablement l'equilibri entre l'oferta i la demanda de semiconductors, que ja estava tensionat per l'impuls global i sostingut cap a una major digitalització. Una de les seves principals conseqüències ha estat l'augment espectacular en la demanda d'oci electrònic i d'eines de teletreball, així com la necessitat de dimensionar a l'alça tota la mega-infraestructura d'interconnexió associada.

Relocalitzar (en part) la producció de xips

Considerem algunes dades poc conegudes: construir una fàbrica avançada de semiconductors costa alguna desena de milers de milions d'euros i posar-la en peus requereix mínim dos anys; el temps per a aconseguir un xip-en-mà no és molt diferent dels nou mesos d'un embaràs; i, en un escenari de baixa oferta, no tota la demanda és igualment benvolguda. En aquest sentit, els mòbils i els ordinadors usen xips de major valor afegit, i més cars, que els que s'usen en els vehicles. Mòbils i ordinadors van veure augmentar les seves comandes durant la pandèmia, i els vehicles van reduir i van suspendre els seus a l'espera que es recuperés la seva pròpia demanda… però, ara que aquesta demanda ha augmentat, els productors de xips no tenen tant d'al·licient a proporcionar-los quan encara passen dificultats per a complir amb les comandes dels primers. La generació de millennials entén que un problema en la interconnexió digital global pot resoldre's en minuts o hores, però les persones boomers saben que reparar la interconnexió física global (llegeixi's produir i transportar mercaderies) requereix setmanes o mesos.

De la mateixa manera que és molt possible que la pandèmia faci canviar uns certs comportaments per sempre, la crisi dels semiconductors pot encoratjar canvis duradors. Tant els Estats Units com Europa tenen plans per a augmentar la seva producció de xips. En el cas europeu, aquest augment de producció passa per atreure empreses americanes o taiwaneses, perquè no hi ha grans productors locals de memòries i processadors, i, per descomptat, no hi ha fabriques públiques de semiconductors ni les hi espera. Convé també no oblidar que els processadors i les memòries són el rei i la reina en el tauler dels components electrònics, però hi ha altres peces, totes necessàries, el joc de les quals ha d'assegurar-se també. Si els xips dels cotxes són alfils o cavalls, encara hi ha molt de peó que la crisi dels semiconductors amenaça amb deixar enrere. Són xips de menor complexitat, però igualment necessaris, que podrien fabricar-se en xarxes de sales blanques més petites, de menor cost, i distribuïdes geogràficament de manera que estiguin sotmeses a menors vaivens politicoeconòmics.