Se está rediseñando la fabricación de chips. Los efectos serán de gran alcance

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ON ENERO 13TH Honda, un fabricante de automóviles japonés, dijo que tuvo que cerrar su fábrica en Swindon, una ciudad en el sur de Inglaterra, por un tiempo. No por el Brexit ni por los trabajadores enfermos de covid-19. La razón fue la escasez de microchips. Otras firmas de automóviles también están sufriendo. Volkswagen, que produce más vehículos que cualquier otra empresa, ha dicho que producirá 100.000 menos este trimestre como resultado. Como casi todo lo demás en estos días, desde los bancos hasta las cosechadoras, los automóviles no pueden funcionar sin computadoras.

La industria de la fabricación de chips está en auge. La capitalización de mercado de las empresas de semiconductores que cotizan en bolsa en el mundo supera ahora los 4 billones de dólares, cuatro veces lo que valían hace cinco años (consulte el gráfico 1 en la página siguiente). Los precios de las acciones de los fabricantes de chips aumentaron durante la pandemia de covid-19, ya que el trabajo se movió en línea y los consumidores recurrieron al streaming y los videojuegos en busca de ayuda.

Esto ha impulsado una ola de acuerdos. En septiembre, Nvidia, que diseña potentes chips para juegos e inteligencia artificial (AI), dijo que compraría Arm, una empresa con sede en Gran Bretaña cuyos planos se utilizan en casi todos los teléfonos inteligentes, por 40.000 millones de dólares. En octubre AMD, que hace planos para gráficos y chips de uso general, anunció otro mega acuerdo: adquirir Xilinx, un fabricante de chips reprogramables, por $ 35 mil millones.

Derroche de silicio

El gasto de capital también está aumentando. Samsung, un conglomerado de Corea del Sur, quiere invertir más de $ 100 mil millones durante diez años en su negocio de chips (aunque parte de eso se destinará a sus chips de memoria utilizados en cosas como unidades flash en lugar de microprocesadores). El 14 de enero, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), Que convierte los planos en silicio en nombre de empresas como AMD y Nvidia: sorprendieron a los mercados cuando aumentó su gasto de capital planificado para 2021 de 17.200 millones de dólares a 28.000 millones de dólares, en previsión de una fuerte demanda. Ese es uno de los presupuestos más grandes de cualquier empresa privada en el mundo.

Todo esto ocurre en medio de una confluencia de grandes tendencias que están realineando la fabricación de chips. En un extremo, la industria es un hervidero de competencia e innovación. Diseños de chips establecidos, incluidos los de AMD, Nvidia e Intel, el mayor fabricante de chips del mundo por ingresos, están siendo desafiados por nuevas creaciones. Gigantes de la web como Amazon y Google, grandes clientes de los operadores tradicionales, están elaborando sus propios diseños. A ellos se unen un grupo de startups, deseosas de capitalizar la demanda de hardware adaptado a las necesidades de AI, redes u otras aplicaciones especializadas.

Todo esto sería sin duda una gran noticia para todos, si no fuera por lo que está sucediendo en el otro extremo, en las fábricas donde esos diseños se convierten en circuitos electrónicos grabados en fragmentos de silicio. Los costos crecientes de mantenerse al día con el avance de la tecnología significan que la explosión de diseños de chips se canaliza a través de un número cada vez menor de empresas capaces de fabricarlos realmente (ver gráfico 2). Solo tres empresas en el mundo pueden fabricar procesadores avanzados: Intel, TSMC, cuyo hogar es una isla propensa a los terremotos que China reclama como su territorio, y Samsung de Corea del Sur, con un vecino despótico con armas nucleares al norte. La Asociación de la Industria de Semiconductores, un organismo comercial estadounidense, calcula que el 80% de la capacidad mundial de fabricación de chips ahora reside en Asia.

La vanguardia pronto se reducirá a dos. Intel, que ha impulsado la vanguardia de la industria durante 30 años, ha tropezado. El 18 de enero, los informes de noticias sugirieron que la empresa (que debía informar sus últimos resultados trimestrales el 21 de enero, después de El economista fue a la imprenta) puede comenzar a subcontratar parte de su propia producción para TSMC, que lo ha superado.

Y la industria fundamental de la economía mundial parece preparada para polarizarse aún más, hacia una efervescencia cada vez mayor en el diseño y una producción cada vez más concentrada. Esta nueva arquitectura tiene consecuencias de gran alcance para los fabricantes de chips y sus clientes, que, en la actualidad, incluye prácticamente a todos.

Empiece por la diversificación. Durante años, las empresas de tecnología compraron chips listos para usar. En sus 44 años de historia, Apple ha adquirido microprocesadores para sus computadoras de escritorio y portátiles de MOS Tecnología, Motorola, IBMy finalmente Intel. Sin embargo, poco después del lanzamiento del iPhone original en 2007, la empresa decidió hacerlo sola. Las iteraciones posteriores del teléfono inteligente emplearon sus propios diseños, fabricados primero por Samsung y luego por TSMC. Ese enfoque resultó tan exitoso que en 2020 Apple anunció que también reemplazaría los productos de Intel por otros hechos a medida en sus computadoras Mac inmóviles.

Dos años antes, Amazon Web Services, la unidad de computación en la nube del gigante del comercio electrónico, comenzó a reemplazar algunos chips Intel en sus centros de datos con sus propios diseños “Graviton”. Amazon afirma que sus chips son hasta un 40% más rentables que los de Intel. Casi al mismo tiempo, Google comenzó a ofrecer su chip personalizado «Unidad de procesamiento de tensores», diseñado para impulsar AI cálculos, a sus clientes en la nube. Baidu, un gigante de las búsquedas chino, afirma que es «Kunlun» AI los chips superan las ofertas de Nvidia. Se rumorea que Microsoft, el tercer miembro del triunvirato occidental de la computación en la nube, está trabajando en sus propios diseños de chips.

Las nuevas empresas inteligentes en el campo están asegurando valoraciones de miles de millones de dólares. Cerebras, una firma americana que diseña AI chips, ha ganado uno de 1.200 millones de dólares. Un rival británico llamado Graphcore, que ha estado trabajando con Microsoft, fue valorado en 2.800 millones de dólares en diciembre. El 13 de enero, Qualcomm, una empresa más conocida por sus chips para teléfonos inteligentes, pagó 1.400 millones de dólares por Nuvia, una empresa emergente formada por veteranos del equipo interno de diseño de chips de Apple.

El silicio personalizado era una propuesta dudosa hace una década. Los chips de uso general estaban mejorando rápidamente gracias a la ley de Moore, que sostiene que la cantidad de componentes que se pueden meter en un chip de silicio debería duplicarse cada dos años aproximadamente. Hoy en día, el metrónomo de Moorean se está rompiendo, ya que las peculiaridades de la física fundamental interfieren con los componentes medidos en nanómetros (mil millonésimas de metro). Cada tick ahora toma más de tres años que dos, señala Linley Gwennap, quien dirige Linley Group, una firma de investigación, y ofrece menos beneficios de los que solía ofrecer.

Eso hace que modificar los diseños para obtener ganancias de rendimiento sea más atractivo, especialmente para las grandes empresas integradas verticalmente. Nadie sabe mejor que Apple exactamente cómo interactuarán sus chips con el resto del hardware y software de un iPhone. Los gigantes de la computación en la nube tienen una gran cantidad de datos sobre cómo se usa exactamente su hardware y pueden ajustar sus diseños para que coincidan.

Y mientras que diseñar sus propios chips antes significaba tener que fabricarlos también, eso ya no es cierto. En estos días, la mayoría de los diseñadores subcontratan el proceso de fabricación a especialistas como TSMC o GlobalFoundries, una firma estadounidense. Eliminar la necesidad de tener fábricas propias reduce los costos drásticamente. Una serie de herramientas automatizadas suaviza el proceso. «No es tan simple como diseñar un T-camisa en Etsy ”, dice Macolm Penn, que dirige Future Horizons, otro analista de la industria de chips. Pero tampoco está a un mundo de distancia.

Aunque diseñar chips ahora es más fácil que nunca, fabricarlos nunca ha sido tan difícil. Mantenerse al día con la ley de Moore, incluso cuando se ralentiza, requiere gastar grandes sumas (y crecientes) en fábricas repletas de equipos ultra avanzados: kit de grabado con plasma, dispositivos de deposición de vapor y máquinas de litografía de 180 toneladas del tamaño de un dos pisos. autobús. Después de caer como una proporción de los ingresos totales, el gasto de capital de la industria de chips está aumentando nuevamente (ver gráfico 3). En términos absolutos, el costo de las “fábricas” de alta tecnología, como se conoce a las fábricas de chips, ha crecido sin cesar, sin un final a la vista.

El estado de la técnica actual son los chips de cinco nanómetros (aunque “5nm” ya no se refiere al tamaño real de los transistores como lo hacían las generaciones anteriores). Tanto Samsung como TSMC comenzó a producirlos en 2020. Sus sucesores de 3 nm vencen en 2022, con 2 nm dibujados unos años después.

Intel afuera

En el cambio de milenio, una fábrica de vanguardia podría haber costado mil millones de dólares. Un informe de 2011 de McKinsey, una firma de consultores de gestión, calculó el costo típico de una fábrica avanzada en $ 3 mil millones-4 mil millones. Más recientemente, TSMCLa fábrica de 3 nm, terminada en 2020, en el sur de Taiwán, costó 19.500 millones de dólares. La firma ya está considerando otro para chips de 2nm, que seguramente serán más. Los tropiezos de Intel lo han dejado abandonado a 10 nm y su jefe, Bob Swan, sin trabajo. Su reemplazo entrante, Pat Gelsinger, deberá decidir si la empresa, que, a diferencia de TSMC, también diseña sus chips, quiere seguir haciéndolos. Los posibles nuevos participantes se enfrentan a enormes barreras de entrada. La economía de las fábricas las empuja hacia arriba con cada avance tecnológico.

Eso importa. No toda la fabricación de chips requiere tecnología de vanguardia. Los coches utilizan sobre todo semiconductores más viejos y apagados. La miniaturización puede parecer menos imperativa en centros de datos espaciosos. Pero es crucial: hay algunos cálculos que solo los chips más potentes pueden abordar.

Y es probable que la demanda de estos crezca a medida que el silicio infunde productos desde termostatos hasta tractores en el «Internet de las cosas» súper conectado. Entre ellos TSMC y los clientes de Samsung ya son un “Quién es Quién” de la gran tecnología: Apple, Amazon, Google, Nvidia, Qualcomm (y pronto, si las noticias son ciertas, la propia Intel). A medida que cosas como los automóviles se vuelven más informatizados y se vuelven eléctricos (ver artículo), los chips que van en ellos también serán más avanzados. Tesla, un fabricante estadounidense de coches eléctricos, ya confía en TSMC7nm fab para fabricar sus propios chips autónomos.

El duopolio a nanoescala de Asia sigue siendo ferozmente competitivo, ya que Samsung y TSMC mantenerse alerta unos a otros. Los márgenes operativos de la firma taiwanesa se han mantenido más o menos estables desde 2005, cuando otras 15 firmas operaban a la vanguardia. Pero el punto final lógico del implacable aumento de los costes de fabricación es que, en algún momento, una empresa, con toda probabilidad TSMC, podría ser el último fab avanzado en pie. Durante años, dice un veterano de la industria, la mayoría de los jefes de tecnología ignoraron el problema con la esperanza de que desapareciera. No tiene.

Esas preocupaciones se ven agudizadas por la creciente importancia política de la industria. Como parte de su guerra económica contra China, Estados Unidos ha tratado de negar a las empresas chinas la capacidad de construir sus propias fábricas de chips de vanguardia. China ha puesto a los semiconductores en el centro de un plan multimillonario para volverse autosuficiente en tecnologías críticas para 2025, especialmente ahora que las sanciones estadounidenses la han privado de algunas importaciones extranjeras.

Las fuerzas estructurales detrás del aumento de la concentración llegaron para quedarse. Estados Unidos, preocupado por perder el acceso a las fábricas más avanzadas, ha dado limosna a TSMC a cambio de una fabulosa en Arizona. Samsung puede expandir el que ejecuta en Texas. Otro paquete de subsidios e incentivos está esperando financiamiento del Congreso. La Unión Europea, que tiene focos de alta tecnología en Bélgica y los Países Bajos, quiere más. El 17 de diciembre UE Los países acordaron gastar decenas de miles de millones en efectivo para estímulos posteriores a la pandemia para intentar crear fábricas de vanguardia a mediados de la década. La historia de la industria de los chips sugiere que estas sumas solo se volverán más atractivas con el tiempo.

Este artículo apareció en la sección Negocios de la edición impresa con el título «Una nueva arquitectura».

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