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Por qué no podemos salir de la escasez de semiconductores

Si fecha la escasez de semiconductores con el lanzamiento de Ampere de Nvidia el año pasado, y para los entusiastas, al menos, creo que fue entonces cuando realmente cayó el martillo, ahora hemos estado atrapados en una escasez de semiconductores durante ocho meses. La escasez relacionada con la pandemia se produjo inmediatamente después de una escasez de CPU específica de Intel en 2018 y en 2019, y varias escaseces de GPU se han remontado a 2016. ¿Por qué no hemos solucionado este problema ya?

La respuesta a esa pregunta se basa en los largos plazos de entrega y los altos costos que enfrentan los fabricantes de semiconductores, así como en las consecuencias a largo plazo de algunas malas predicciones comerciales de hace 10 a 15 años. Primero, ninguna parte del proceso de fabricación de semiconductores es rápida y muchos pasos requieren instalaciones de sala limpia capaces de mantener recuentos de partículas mucho más bajos que incluso en un quirófano. Las fábricas que fabrican microprocesadores se denominan normalmente fundiciones de semiconductores. Cuestan entre $ 10 y $ 20 mil millones y pueden tardar entre 3 y 5 años en construirse.

La escasez de GPU antes de 2020 se debió a rendimientos inicialmente limitados en GPU de 16 nm (2016) y a la demanda relacionada con las criptomonedas (2017-2018). Las causas de la escasez de CPU de Intel fueron un poco más complejas. En la primera parte de la década, Intel planeó aumentar agresivamente los envíos de procesadores al girar para abordar instalaciones móviles y de edificios como Fab 42 para satisfacer la demanda esperada. Cuando la empresa optó por abandonar el mercado móvil, detuvo la construcción de Fab 42. Eso podría haber estado bien si Intel no hubiera tenido problemas para realizar la transición a 10nm, pero los problemas de la empresa en ese nodo la obligaron a enviar CPU con CPU cada vez más grandes. muere a 14 nm. Al mismo tiempo, la mayor demanda del centro de datos impulsó los envíos de los procesadores Xeon más grandes de Intel.

De 2018 a 2020, Intel instaló nuevos equipos de 14 nm en las fábricas existentes, trasladó algunos negocios a TSMC y finalizó el Fab 42, que entró en funcionamiento a fines de 2020. La capacidad adicional de 14 nm y 10 nm ha ayudado a Intel a impulsar los envíos de PC y mantener sus productos minoristas. en los estantes de las tiendas. Intel advirtió recientemente que sus envíos podrían verse algo limitados en el segundo trimestre, pero la disponibilidad general de la CPU y el sistema de Intel ha sido sólida hasta la fecha.

La escasez de hoy tardaba mucho en llegar

Para comprender las limitaciones de capacidad que obstaculizan la producción actual, debemos retroceder 20 años hasta la introducción de obleas de 300 mm por parte de Intel en 2001. La capacidad de procesar obleas más grandes le dio a Intel una ventaja en el rendimiento de fabricación sobre empresas como AMD, cuyas fundiciones aún procesaban obleas de 200 mm. La ventaja de las obleas de 300 mm era lo suficientemente grande como para que los expertos de la industria a mediados de la década de 2000 pensaran que las instalaciones de 200 mm eventualmente se cerrarían. Esto realmente no sucedió. Si bien hubo algunos cierres, el número de instalaciones de 200 mm ha aumentado en los últimos años. Una razón de esto es que la necesidad de los nodos de proceso más antiguos nunca desapareció.

A medida que las geometrías del proceso se han vuelto más pequeñas, se han vuelto más especializadas. La estructura de transistor FinFET utilizada por Intel, TSMC, GlobalFoundries y Samsung se adapta mejor a la construcción de microprocesadores de alto rendimiento. Esta es la razón por la que GF mantiene 22FDX como una alternativa a FinFET, que, según afirma, se adapta mejor a ciertos tipos de dispositivos de bajo consumo. Muchos dispositivos analógicos, controladores de pantalla, MEMS (sistemas microelectromecánicos), circuitos integrados de administración de energía y chips de RF continúan construyéndose en nodos más antiguos hasta el día de hoy, a menudo en fundiciones que ejecutan herramientas totalmente depreciadas en un negocio de bajo margen y alta rentabilidad.

Las empresas a veces han dejado de impulsar la vanguardia porque el costo de los nuevos diseños de chips seguía aumentando en cada ciclo, mientras que las mejoras que podría ofrecer un nuevo nodo se han reducido, incluso para los chips que son adecuado a los transistores FinFET. Para los chips que no lo fueron, no ha habido ninguna razón para moverse en absoluto, y la demanda continua y correspondientemente fuerte para la fabricación de 200 mm.

A mediados de la década de 2010, las nuevas instalaciones de 200 mm que abrieron reciclaron equipos antiguos de 200 mm que habían sido desinstalados y vendidos por una fundición diferente. Esto no fue suficiente para satisfacer la demanda existente, pero las empresas de fabricación de herramientas de semiconductores tardaron algún tiempo en aceptar que existía un mercado real para las nuevas herramientas de 200 mm. El crecimiento en los envíos de 5G, automotriz e IoT ha ayudado a mantener la presión en el mercado de la fundición de formas que los expertos de la industria no previeron en 2005 o 2010, y eso significa que, para empezar, no hubo mucha holgura en los mercados de 200 mm o 300 mm heredados. Luego llegó la pandemia y los fabricantes de automóviles cortaron sus pedidos. TSMC asignó esa capacidad a otras empresas. La industria automotriz, que aparentemente no entendió que se necesitan varios meses para fabricar un microprocesador, no le dio a la fundición el tiempo suficiente para escalar la fabricación.

La mayoría de las empresas de las que hablamos en ET se basan en la vanguardia. Intel, Samsung y TSMC dominan los ingresos por chips. Ser propietario de fundiciones puede ser bastante lucrativo si tiene la escala para hacerlo. Imagen por Bloomberg.

La fuerte demanda ha convencido a los fabricantes de herramientas para que comiencen a construir herrajes de 200 mm nuevamente, y las nuevas fundiciones que ya están en construcción entrarán en funcionamiento en 2023, pero eso será algunos años tarde para aliviar nuestra escasez. Se espera que la producción total de obleas de 200 mm aumente en 221.000 obleas por mes en 2021, por lo que las fundiciones están instalando activamente equipos y poniendo en línea nueva capacidad de fabricación.

El mercado de semiconductores está experimentando escasez hoy en día, en parte porque el mercado de 200 mm estaba muy caliente incluso antes de que comenzara la pandemia. La escasez de 300 mm en nodos de vanguardia como 5nm y 7nm está siendo impulsada por una fuerte demanda de teléfonos, consolas de juegos, CPU, GPU y otro silicio de alto rendimiento. También ha habido informes de bajos rendimientos con respecto a Nvidia y Samsung, pero también hay evidencia de una alta demanda de criptomonedas. Los vendedores de PC boutique han tenido más suerte al conseguir GPU a precios razonables, pero el mercado minorista ha estado hambriento de piezas. Esta tendencia podría tener consecuencias negativas a largo plazo para los juegos de PC como pasatiempo, especialmente en el mercado de aficionados al bricolaje.

La PS5 y Xbox Series S | X merecen una mención especial. Se dice que tanto Microsoft como Sony se mantienen más o menos estables con su desempeño de ventas de la última generación, con la PlayStation 5 superando ligeramente a la PS4. No está claro si Sony y Microsoft eligieron cada uno de forma independiente solo igualar sus implementaciones de la generación anterior o si TSMC los restringió a la capacidad que habían aprovechado para Xbox One / PlayStation 4. La escasez de componentes de bajo nivel también podría estar frenando la producción. de una o ambas plataformas.

El acaparamiento causa sus propios problemas

Sin duda, también estamos viendo el impacto de la acumulación de silicio en el mercado. Imagina que construyes un vehículo de $ 50,000 que no puedes vender porque no tienes suficientes chips de $ 5, como lo que le pasó recientemente a Ford. TSMC indicó hace algunos meses que intentaría incrementar sus envíos a clientes de automoción, pero que estaría priorizando alejarse de otros clientes para hacerlo. Ambas situaciones ejercen una enorme presión sobre las empresas para 1). Compre tantas fichas como sea posible durante la ventana limitada cuando haya fichas disponibles y / o 2). Cambie a fuentes alternativas.

El problema con las fuentes alternativas en la fabricación de semiconductores es que puede llevar de 6 a 12 meses mover un diseño de Samsung a TSMC (o viceversa) y semanas o meses para calificar un chip fabricado por un proveedor diferente. El segundo abastecimiento es solo una opción viable para algunas empresas, algunas veces. Dado que la mayoría de las fundiciones se encuentran bajo una tremenda presión para enviar todo lo que pueden hacer, la mayoría de las fuentes alternativas están exageradas. Las empresas que tienen la capacidad de sobra son las que están construyendo productos especializados y de nicho que no ven mucho en el camino de un aumento de la demanda. Esa capacidad no se puede modificar para otros fines en un período de tiempo razonable.

El acaparamiento empeora la escasez a corto y medio plazo. Las empresas y los clientes deben recuperar la confianza en que las piezas estarán disponibles bajo demanda y eso lleva tiempo. En el caso específico del mercado de semiconductores, podría hacer que las fundiciones sobrestimaran la necesidad futura de microchips, lo que provocaría un exceso de capacidad. Las fundiciones son enormemente caras de construir y cuestan mucho dinero mantenerlas en funcionamiento. Las instalaciones deben mantenerse en funcionamiento las 24 horas del día, los 7 días de la semana y requieren semanas de inspección cuidadosa antes de que puedan volver a estar en línea después de un apagón.

Intel preferiría detener la construcción de una planta durante varios años antes que terminarla y tener que pagar el mantenimiento operativo completo de una instalación que no es necesaria. Esto generalmente hace que las fundiciones sean cautelosas a la hora de anunciar planes de expansión futuros, razón por la cual las rondas de superación de TSMC, Intel y Samsung con respecto al gasto en I + D durante la próxima década han sido tan inusuales.

Finalmente, la escasez de componentes de bajo nivel está impidiendo que las empresas fabriquen bienes primarios. La escasez de resinas como ABF (Ajinomoto Build-up Film) puede ralentizar la producción. Toda la industria está atrapada en una situación de “Por falta de un clavo”, y se extiende a lo largo de la cadena de suministro hasta el nivel de fidelidad que desee examinar.

Sumando todo

Para resumir:

No podemos construir chips más rápidamente porque cada parte del proceso de fabricación de silicio es un ejercicio de paciencia. Estamos en la posición en la que estamos porque la demanda de ciertos tipos de silicio creció de formas que la industria no preveía hace más de 10 años. No existe una solución inmediata a este problema debido al tiempo que se tarda en poner en funcionamiento nuevas fundiciones.

Lo que estamos viendo aquí no es “solo” la pandemia. Es la pandemia, la demanda de criptomonedas, el aumento de la adopción de IA en muchos mercados y el crecimiento de las estaciones base 5G y los envíos domésticos inteligentes. Un automóvil contiene hoy muchos más chips que hace 20 años, lo que aumenta la cantidad de silicio requerida por vehículo.

Es poco probable que esta escasez de semiconductores se resuelva drásticamente en un solo día. Gradualmente se volverá menos malo con el tiempo a medida que los envíos de productos y la demanda de los consumidores se alineen más estrechamente. Los mineros Ethereum de segunda generación de Nvidia pueden ayudar a reducir la demanda de tarjetas GeForce, por ejemplo. Una futura PlayStation 5 basada en 6nm podría ayudar a Sony a aumentar la disponibilidad. Las fundiciones aumentan los envíos durante períodos de tiempo de 6 a 12 meses y los rendimientos de las piezas también tienden a mejorar, por lo que deberíamos ver aumentos continuos de la producción en el transcurso de 2021 de estas fuentes también.

Imagen destacada de Intel.

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