Computación
Aprovechando las simulaciones para devolver la fabricación de chips a los Estados Unidos
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Aunque los microchips siempre han sido importantes para el mundo moderno, no fue hasta el shock de la cadena de suministro de 2022 que los gobiernos e industrias se dieron cuenta de su importancia crítica para la economía global. La escasez fue tan grave que las industrias no tuvieron más opción que detener sus enormes líneas de ensamblaje.
Entonces, ¿por qué son tan importantes los microchips para la economía global? En pocas palabras, los microchips son la columna vertebral de la industria tecnológica moderna, esenciales para todo, desde computadoras personales, teléfonos inteligentes, electrodomésticos de cocina, automóviles, dispositivos médicos e incluso en algunas mascotas domésticas para fines de identificación.
Pero a pesar de esta importancia crítica, solo unos pocos países pueden realmente fabricar microchips funcionales, ya que esta tarea lleva los límites de la ingeniería de precisión y la innovación tecnológica. Después de todo, la fabricación de microchips no solo es una industria intensiva en capital, sino que también requiere trabajadores con un conjunto de habilidades altamente especializado, que incluye, entre otros, física, ciencia de materiales e ingeniería eléctrica.
Además, las instalaciones donde se fabrican estos microchips, conocidas como fábricas (fabs), requieren condiciones ambientales estrictas para el proceso de producción. Esto implica mantener temperaturas y niveles de humedad específicos y minimizar la contaminación tanto como sea posible.
Incluso si se cumplen esas condiciones perfectas, el proceso de fabricación implica múltiples pasos, y cada paso debe ejecutarse con perfección. Cualquier error puede volver inutiles los microchips.
Además, los avances tecnológicos continuos exigen chips más pequeños y eficientes, lo que ejerce una presión adicional sobre las fábricas. Y para cuando dominan la producción de una generación particular de microchips, estos pueden ya estar obsoletos debido a la falta de demanda.
Estas enormes barreras convierten la fabricación de microchips a gran escala en un desafío formidable para la mayoría de los países, incluso para aquellos con los bolsillos más profundos.
Incluso Estados Unidos, la superpotencia tecnológica global y líder en diseño de semiconductores, no ocupa la posición más alta en la fabricación de microchips, ya que ese codiciado puesto pertenece a Taiwán. Esto es resultado de la inversión de décadas de Taiwán en la fabricación de semiconductores y la presencia de empresas como Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) (TSM ).
Estas complejidades demuestran lo desafiante que es lograr la autosuficiencia en términos de microchips. Sin embargo, según un artículo publicado recientemente en el sitio web del Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton del Departamento de Energía de los Estados Unidos, sus científicos están desarrollando programas informáticos que mejorarán considerablemente la simulación de los procesos de plasma utilizados en la fabricación de microchips.
Estos nuevos algoritmos pueden superar las técnicas de simulación tradicionales en términos de precisión y eficiencia, acelerando el proceso de producción de microchips y, a su vez, ayudando a devolver la fabricación de chips a los Estados Unidos.
Un enfoque dual
El Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton realizó dos investigaciones simultáneamente, y sus áreas de enfoque diferían en cuanto a objetivos.
- La primera investigación se centró en mejorar la precisión de estas simulaciones.
- El segundo objetivo de investigación fue acelerar los plazos de simulación de los reactores de plasma utilizados en la fabricación de microchips.
La necesidad de velocidad y precisión en las simulaciones de plasma
Los patrones complejos que se graban en obleas de silicio para crear microchips se producen en gran medida mediante reactores de plasma. El procedimiento depende del comportamiento del plasma, un gas cargado eléctricamente que debe controlarse cuidadosamente para lograr el resultado deseado.
Tradicionalmente, estimular el proceso de plasma para predecir resultados y mejorar los métodos de producción ha sido una tarea laboriosa y que consume mucho tiempo. Ahí es donde entra la primera investigación de PPPL. Busca cambiar esta situación creando algoritmos informáticos que pueden reducir significativamente la cantidad de tiempo requerida para estas simulaciones.
Y han tenido éxito, ya que su equipo redujo el plazo de simulación de semanas a potencialmente días o incluso horas sin sacrificar detalles significativos. En cuanto a cómo lo lograron los científicos de PPPL, revisaron la historia y perfeccionaron los algoritmos antiguos, particularmente los creados en la década de 1980, para obtener los resultados deseados.
Abordando la precisión de la simulación
En su segunda línea de investigación, el equipo de investigadores de PPPL abordó el problema de la precisión de la simulación. Dada la complejidad del comportamiento del plasma, garantizar que las simulaciones reflejen de cerca las reacciones del mundo real es crucial para métodos de producción de microchips eficientes. Sin embargo, la necesidad de un esfuerzo computacional significativo para simular con precisión el comportamiento de innumerables partículas de plasma ha sido históricamente bastante desafiante.
Para abordar este problema, el equipo de investigación de PPPL simplificó la representación de las partículas de plasma en las simulaciones. En lugar de intentar contabilizar cada partícula individualmente, desarrollaron un método para agruparlas en entidades más grandes y manejables. Este enfoque reduce significativamente la carga computacional, lo que conduce a simulaciones más rápidas y accesibles.
Inicialmente, sin embargo, esta simplificación corría el riesgo de distorsionar la verdadera dinámica del comportamiento del plasma, lo que podría conducir a predicciones menos precisas. Para superar este obstáculo, los investigadores ajustaron los parámetros de la simulación, haciendo que estos conglomerados de partículas fueran más grandes y menos densos. Esta modificación garantiza que las predicciones de la simulación se mantengan intactas, ya que las interacciones de partículas imitarán más de cerca las del plasma real.
Este cuidadoso equilibrio entre precisión y simplificación tiene un potencial significativo para mejorar los procesos de fabricación de microchips.
Un catalizador para el cambio
La investigación de PPPL tiene importancia más allá del dominio técnico, ya que implica consecuencias para la dinámica estratégica del mercado global de semiconductores, especialmente para Estados Unidos. Después de todo, este descubrimiento tiene el potencial de redefinir el panorama de la fabricación de microchips en EE. UU. al proporcionar herramientas que pueden reducir el tiempo y los costos involucrados en la producción de microchips. La capacidad de adaptarse rápidamente y mejorar los procesos de producción es crucial en una industria donde el liderazgo del mercado a menudo depende del ritmo de la innovación.
Además, la disponibilidad de herramientas de simulación avanzadas podría nivelar el campo de juego al permitir que startups y pequeñas empresas estadounidenses compitan de manera más eficaz contra los gigantes globales establecidos. Esto podría desencadenar una ola de innovación dentro del sector de semiconductores estadounidense a medida que más empresas ingresen al mercado y aporten ideas y metodologías nuevas para diseñar y producir microchips.
Fortaleciendo la seguridad nacional y la resiliencia económica
Las actuales convulsiones globales y tensiones geopolíticas han vuelto vulnerables las cadenas de suministro. Esta dependencia de otros países para componentes esenciales como los microchips representa un riesgo nacional. EE. UU. se dio cuenta de la magnitud de este riesgo durante el shock de suministro de semiconductores de 2022, concluyendo que cualquier interrupción en el suministro de microchips podría afectar gravemente el dominio global de la industria tecnológica estadounidense.
El estudio de PPPL se alinea con iniciativas gubernamentales más amplias, como la Ley CHIPS, que busca restaurar el dominio estadounidense en la industria de semiconductores. Promulgada el 9 de agosto de 2022, como la Ley CHIPS y Ciencia, asigna casi 280 mil millones de dólares en fondos para reforzar la fabricación nacional de semiconductores y reducir la dependencia de fuentes extranjeras. Los fondos respaldan la investigación y desarrollo, incentivos a la fabricación nacional y medidas para fortalecer la cadena de suministro.
El cambio hacia asegurar y revitalizar nuestras capacidades de semiconductores no se trata solo de mantener la resiliencia económica y la seguridad nacional; también es un paso crucial para allanar el camino a la próxima revolución en la fabricación y la tecnología: la Industria 4.0.
Construyendo el pilar clave para la Industria 4.0
IBM ve la Industria 4.0 como algo en lo que la fabricación inteligente tendrá un papel fundamental. En otras palabras, la Industria 4.0 busca transformar digitalmente el campo de la fabricación, donde las decisiones se entregarán en tiempo real, mejorando la productividad para alcanzar el objetivo final de hacer que el proceso de producción y distribución sea óptimamente flexible y ágil.
Para que Estados Unidos se convierta en líder en la Industria 4.0, los microchips serán más que necesarios. Un estudio de Goldman Sachs (GS ) ya ha demostrado que la escasez de microchips podría afectar a hasta 169 industrias, incluidas la tecnología médica, la maquinaria agrícola, la electrónica de consumo, la energía y la empresarial. En 2021, por ejemplo, la compañía automotriz de renombre mundial Renault no pudo producir hasta 500,000 automóviles debido a la falta de microchips.
Esta vulnerabilidad subraya la naturaleza crítica del problema, ya que una mayor dependencia de Taiwán, como se mencionó anteriormente, podría significar una interrupción repentina en la cadena de suministro, como ocurrió durante la pandemia de COVID‑19, lo que provocaría el colapso total del sistema.
El futuro de Estados Unidos en la producción de microchips
Estados Unidos ha comprendido bien cuán cruciales pueden ser los microchips para un futuro económico resiliente y autosuficiente. Esta comprensión ha llevado al país a fomentar sistemas donde el resultado sean microchips de primera clase.
La George Washington University y cuatro otros socios de investigación académica, por ejemplo, han colaborado con el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología del Departamento de Comercio de EE. UU., Google y el fabricante de semiconductores SkyWater Technology (SKYT ) para desarrollar un ‘suministro doméstico y asequible de dichos microchips para investigadores y startups.
Esta colaboración tiene como objetivo producir obleas de silicio que albergarán cientos de microchips para su distribución entre la comunidad. Los investigadores tendrán acceso a una plataforma de chips pre‑planarizada, que es ‘adecuada para la integración y para comparar el rendimiento de sus dispositivos novedosos con otros dispositivos de la comunidad.’
Según Gina Adam, profesora asistente del Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computación en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de GW, la asociación proporcionará:
La infraestructura de investigación necesaria para lograr avances en el campo de la nanotecnología y los dispositivos semiconductores, particularmente a medida que Estados Unidos cambia su enfoque estratégico hacia la relocalización de la producción de microchips.
Para impulsar la producción nacional de microchips, el gobierno de Estados Unidos declaró sus planes de invertir casi US$162 million en Microchip Technology (MCHP ), con sede en Arizona. La colaboración entre la empresa, el gobierno de EE. UU. y la compañía será en forma de un memorando preliminar de términos (PMT) no vinculante.
El gobierno de EE. UU. proporcionará millones en ‘incentivos federales’, que se canalizarán en dos corrientes: 90 millones de dólares se destinarán a modernizar y ampliar la instalación de fabricación de la empresa en Colorado Springs, y el resto, 72 millones de dólares, se destinará a ampliar la instalación de la empresa en Gresham, Oregon.
US$35 million se ofreció anteriormente a BAE Systems (BSP.DE ) Electronic Systems, una unidad de negocio de BAE Systems, Inc. El objetivo era apoyar la modernización del Centro de Microelectrónica de la empresa.
En resumen, Estados Unidos se ha vuelto visiblemente activo, tanto a nivel de políticas como de ejecución, para fomentar la producción de microchips en el país. Y tiene todas las razones para actuar con tal vigor e intensidad. No es esencial que las cadenas de suministro de computadoras, teléfonos inteligentes y automóviles permanezcan sin perturbaciones. Como ya hemos visto, la presencia de microchips puede fortalecer los mecanismos de seguridad nacional y las estructuras de ciberseguridad.
El enfoque de 360 grados de las autoridades estadounidenses tiene en cuenta la necesidad de incentivar la fabricación, fomentar la investigación y el desarrollo, promover una fuerza laboral capacitada y reforzar las actividades relacionadas con la seguridad de la tecnología de la información y comunicaciones internacional y la cadena de suministro de semiconductores.
Los miles de millones de dólares que las autoridades estadounidenses están dispuestas a invertir para convertir la producción de microchips en una próspera empresa nacional también han logrado atraer a actores globales.
Por ejemplo, el jugador más grande y significativo del mapa, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), ha comprometido más de 12 mil millones de dólares para construir una planta de fabricación de semiconductores en Arizona. Intel (INTC ) tiene planes de construir una planta de fabricación de semiconductores de 20 mil millones de dólares en Ohio. Micron Technology, Inc. (MU ) tiene planes aún más ambiciosos, ya que propone invertir hasta 100 mil millones de dólares en las próximas dos décadas para construir una enorme fábrica de semiconductores en el norte del estado de Nueva York.
Con todas estas iniciativas y planes de acción en marcha, no hay razón para que Estados Unidos se quede atrás en la carrera por la producción de microchips. Sin embargo, para competir con los países del Este asiático que ocupan cerca de tres cuartas partes de la fabricación mundial de chips modernos, Estados Unidos tendría que construir una sólida cadena de talento y suministro. También tendría que estar al tanto de la demanda para mantenerse protegido de los riesgos de sobrecapacidad y exceso de oferta. Además, el enfoque debe permanecer en priorizar la producción de los tipos correctos de chips.
Según Scott Kenedy, asesor principal en el Center for Strategic and International Studies:
“EE. UU. necesita ampliar la producción de chips para un tipo específico de chips que están directamente relacionados con la seguridad nacional estadounidense.”
Si EE. UU. logra aumentar la fabricación de microchips y, además, de manera optimizada, es algo que tendremos que vigilar.
