Sfruttare le simulazioni per riportare la produzione di chip negli Stati Uniti

Sebbene i microchip siano sempre stati importanti per il mondo moderno, è stato solo lo shock della catena di approvvigionamento del 2022 che governi e industrie hanno realizzato la loro importanza critica per l’economia globale. La carenza è stata così grave che le industrie non hanno avuto altra scelta se non fermare le loro enormi linee di assemblaggio.

Allora, perché i microchip sono così importanti per l’economia globale? In parole semplici, i microchip sono la spina dorsale dell’industria tecnologica moderna, fondamentali per tutto, dai computer personali, agli smartphone, agli elettrodomestici da cucina, alle auto, ai dispositivi medici e persino ad alcuni animali domestici per scopi di identificazione.

Ma nonostante questa importanza critica, solo pochi paesi possono realmente produrre microchip funzionali, poiché questa impresa spinge i confini dell’ingegneria di precisione e dell’innovazione tecnologica. Dopotutto, la produzione di microchip non è solo un’industria ad alta intensità di capitale, ma richiede anche lavoratori con competenze altamente specializzate, che includono, ma non si limitano a, fisica, scienza dei materiali e ingegneria elettrica.

Inoltre, le strutture in cui questi microchip sono prodotti, note come fab, richiedono condizioni ambientali rigorose per il processo di produzione. Ciò comporta il mantenimento di temperature e livelli di umidità specifici e la minimizzazione della contaminazione il più possibile.

Anche se tali condizioni perfette sono soddisfatte, il processo di produzione prevede più fasi, e ogni fase deve essere eseguita alla perfezione. Qualsiasi errore può rendere i microchip inutilizzabili.

Inoltre, i continui progressi tecnologici richiedono chip più piccoli e più efficienti, esercitando ulteriore pressione sulle fab. E quando riescono a padroneggiare la produzione di una determinata generazione di microchip, questi potrebbero già essere obsoleti a causa di una mancanza di domanda.

Tali enormi barriere rendono la produzione di microchip su larga scala una sfida formidabile per la maggior parte dei paesi, anche per quelli più ricchi.

Anche gli Stati Uniti, superpotenza tecnologica globale e leader nella progettazione di semiconduttori, non occupano la posizione di vertice nella produzione di microchip, poiché quel posto ambito spetta a Taiwan. Questo è il risultato dell’investimento decennale di Taiwan nella produzione di semiconduttori e della presenza di aziende come Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) (TSM ).

Queste complessità mostrano quanto sia difficile raggiungere l’autosufficienza in termini di microchip. Tuttavia, come riportato in un articolo recentemente pubblicato sul sito del Princeton Plasma Physics Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, i suoi scienziati stanno sviluppando programmi informatici che miglioreranno notevolmente la simulazione dei processi di plasma utilizzati nella produzione di microchip.

Questi nuovi algoritmi possono superare le tecniche di simulazione tradizionali in termini di precisione ed efficienza, accelerando il processo di produzione dei microchip e, a sua volta, contribuendo a riportare la produzione di chip negli Stati Uniti.

Un Approccio Duale

Il Princeton Plasma Physics Laboratory ha condotto due ricerche simultaneamente, e le loro aree di focus differivano per obiettivi.

• La prima ricerca si è concentrata sul miglioramento della precisione di queste simulazioni.
• Il secondo obiettivo della ricerca era accelerare i tempi di simulazione per i reattori a plasma utilizzati nella produzione di microchip.

La Necessità di Velocità e Precisione nelle Simulazioni del Plasma

I complessi motivi che vengono incisi sui wafer di silicio per creare i microchip sono in gran parte prodotti utilizzando reattori a plasma. La procedura dipende dal comportamento del plasma, un gas ionizzato elettricamente che deve essere controllato con attenzione per ottenere il risultato desiderato.

Tradizionalmente, stimolare il processo di plasma per prevedere i risultati e migliorare i metodi di produzione è stato un compito laborioso e dispendioso in termini di tempo. È qui che entra in gioco la prima ricerca del PPPL. Essa cerca di cambiare questa situazione creando algoritmi informatici che possono ridurre significativamente il tempo necessario per queste simulazioni.

E hanno avuto successo, poiché il loro team ha ridotto il periodo di simulazione da settimane a potenzialmente giorni o addirittura ore senza sacrificare dettagli significativi. Per quanto riguarda il modo in cui gli scienziati del PPPL hanno fatto ciò, hanno rivisto la storia e perfezionato i vecchi algoritmi, in particolare quelli creati negli anni ’80, per ottenere i risultati desiderati.

Affrontare la Precisione delle Simulazioni

Nella loro seconda linea di ricerca, il team di ricercatori del PPPL ha affrontato il problema della precisione delle simulazioni. Data la complessità del comportamento del plasma, garantire che le simulazioni rispecchino fedelmente le reazioni del mondo reale è fondamentale per metodi di produzione di microchip efficienti. Tuttavia, la necessità di un notevole sforzo computazionale per simulare accuratamente il comportamento di innumerevoli particelle di plasma è stata storicamente piuttosto impegnativa.

Per affrontare questo problema, il team di ricerca del PPPL ha semplificato la rappresentazione delle particelle di plasma nelle simulazioni. Invece di cercare di considerare ogni particella singolarmente, hanno sviluppato un metodo per raggrupparle in entità più grandi e gestibili. Questo approccio riduce significativamente il carico computazionale, portando a simulazioni più rapide e più accessibili.

Inizialmente, tuttavia, questa semplificazione rischiava di distorcere le vere dinamiche del comportamento del plasma, potenzialmente portando a previsioni meno accurate. Per superare questo ostacolo, i ricercatori hanno regolato i parametri della simulazione, rendendo questi gruppi di particelle più grandi e meno densi. Questa modifica garantisce che le previsioni della simulazione rimangano intatte poiché le interazioni tra particelle imiteranno più da vicino quelle del plasma reale.

Questo attento equilibrio tra precisione e semplificazione ha un notevole potenziale per migliorare i processi di produzione dei microchip.

Un Catalizzatore per il Cambiamento

La ricerca del PPPL ha un’importanza che va oltre il dominio tecnico, poiché ha implicazioni per le dinamiche strategiche del mercato globale dei semiconduttori, specialmente per gli Stati Uniti. Dopotutto, questa scoperta ha il potenziale di ridefinire il panorama della produzione di microchip negli USA fornendo strumenti che possono ridurre i tempi e i costi della produzione di microchip. La capacità di adattarsi rapidamente e migliorare i processi di produzione è cruciale in un’industria in cui la leadership di mercato spesso dipende dal ritmo dell’innovazione.

Inoltre, la disponibilità di strumenti di simulazione avanzati potrebbe livellare il campo di gioco consentendo alle startup e alle piccole imprese statunitensi di competere più efficacemente contro i giganti globali consolidati. Questo potrebbe innescare un’ondata di innovazione nel settore dei semiconduttori americano man mano che più aziende entrano nel mercato e offrono nuove idee e metodologie per progettare e produrre microchip.

Rafforzare la Sicurezza Nazionale e la Resilienza Economica

Gli attuali sconvolgimenti globali e le tensioni geopolitiche hanno reso vulnerabili le catene di approvvigionamento. Questa dipendenza da altri paesi per componenti essenziali come i microchip comporta un rischio nazionale. Gli USA hanno compreso l’entità di questo rischio durante lo shock della fornitura di semiconduttori del 2022, concludendo che qualsiasi interruzione nella fornitura di microchip potrebbe colpire gravemente il dominio globale dell’industria tecnologica statunitense.

Lo studio del PPPL è in linea con iniziative governative più ampie, come il CHIPS Act, che mira a ripristinare il dominio americano nell’industria dei semiconduttori. Entrato in vigore il 9 agosto 2022, come CHIPS and Science Act, assegna quasi 280 miliardi di dollari in finanziamenti per rafforzare la produzione domestica di semiconduttori e ridurre la dipendenza da fonti estere. I finanziamenti supportano ricerca e sviluppo, incentivi per la produzione domestica e misure di rafforzamento della catena di approvvigionamento.

Il passaggio verso la sicurezza e la rivitalizzazione delle nostre capacità di semiconduttori non riguarda solo il mantenimento della resilienza economica e della sicurezza nazionale; è anche un passo cruciale per aprire la strada alla prossima rivoluzione nella produzione e nella tecnologia — Industria 4.0.

Costruire il Pilastro Chiave per l’Industria 4.0

IBM vede l’Industria 4.0 come qualcosa in cui la produzione intelligente avrà un ruolo fondamentale. In altre parole, l’Industria 4.0 mira a trasformare digitalmente il settore della produzione, dove le decisioni saranno fornite in tempo reale, migliorando la produttività per raggiungere l’obiettivo finale di rendere il processo di produzione e distribuzione ottimamente flessibile e agile.

Per gli Stati Uniti diventare leader nell’Industria 4.0, i microchip saranno più che necessari. Uno studio di Goldman Sachs (GS ) ha già dimostrato che le carenze di microchip potrebbero colpire fino a 169 industrie, tra cui med-tech, macchinari agricoli, elettronica di consumo, energia e imprese. Nel 2021, ad esempio, la rinomata casa automobilistica globale Renault non è riuscita a produrre fino a 500.000 auto a causa della mancanza di microchip.

Questa vulnerabilità sottolinea la natura critica della questione, poiché una maggiore dipendenza da Taiwan, come menzionato in precedenza, potrebbe significare una improvvisa interruzione della catena di approvvigionamento, come è avvenuto durante la pandemia di COVID-19, il che comporterebbe il completo crollo del sistema.

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Il Futuro degli Stati Uniti nella Produzione di Microchip

Gli Stati Uniti hanno ben compreso quanto i microchip possano essere cruciali per un futuro economico resiliente e autosufficiente. Questa consapevolezza ha spinto il paese a incentivare sistemi che producano microchip di classe mondiale.

La George Washington University e altri quattro partner di ricerca accademica, ad esempio, <have collaborated with the United States Department of Commerce's National Institute for Standards and Technology, Google, and Semiconductor manufacturer SkyWater Technology (SKYT ) to develop a 'domestic, affordable supply of such microchips for researchers and startups.

Questa collaborazione mira a produrre wafer di silicio che ospiteranno centinaia di microchip per la distribuzione nella comunità. I ricercatori avranno accesso a una piattaforma di chip pre-pianificata, che è ‘adatta per l’integrazione e per il benchmarking delle prestazioni dei loro nuovi dispositivi rispetto ad altri dispositivi della comunità.’

Secondo Gina Adam, professoressa assistente nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della School of Engineering and Applied Science della GW, la partnership fornirà:

“L’infrastruttura di ricerca necessaria per fare progressi nel campo della nanotecnologia e dei dispositivi semiconduttori, in particolare mentre gli Stati Uniti spostano il loro focus strategico verso il reshoring della produzione di microchip.”

Per potenziare la produzione domestica di microchip, il governo degli Stati Uniti ha dichiarato i suoi piani di investire quasi US$162 milioni in Microchip Technology (MCHP ) con sede in Arizona. La collaborazione tra l’azienda, il governo statunitense e la società avverrà sotto forma di un accordo preliminare non vincolante di memorandum dei termini (PMT) agreement.

Il governo degli Stati Uniti fornirà milioni in ‘incentivi federali’, che saranno indirizzati in due flussi: 90 milioni di dollari saranno spesi per modernizzare ed espandere lo stabilimento di fabbricazione a Colorado Springs dell’azienda, e i restanti 72 milioni di dollari saranno destinati all’espansione dello stabilimento dell’azienda a Gresham, Oregon.

Un finanziamento simile di US$35 milioni è stato precedentemente offerto a BAE Systems (BSP.DE ) Electronic Systems, una unità di business di BAE Systems, Inc. L’obiettivo era supportare la modernizzazione del Microelectronics Center dell’azienda.

In sintesi, gli Stati Uniti sono diventati visibilmente attivi, sia a livello politico che operativo, per incentivare la produzione di microchip nel paese. E hanno tutte le ragioni per essere così attivi con grande vigore e intensità. Non è solo essenziale mantenere ininterrotte le linee di fornitura di computer, smartphone e auto. Come abbiamo già visto, la presenza dei microchip può rafforzare i meccanismi di sicurezza nazionale e le strutture di cybersicurezza.

L’approccio a 360 gradi delle autorità statunitensi tiene conto della necessità di incentivare la produzione, promuovere ricerca e sviluppo, favorire una forza lavoro qualificata e rafforzare le attività relative alla sicurezza delle tecnologie dell’informazione e della comunicazione internazionali e alla catena di approvvigionamento dei semiconduttori.

I miliardi di dollari che le autorità statunitensi sono pronte a investire per rendere la produzione di microchip un’impresa domestica fiorente hanno anche attirato attori globali.

Ad esempio, il più grande e significativo attore sulla mappa, la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), ha impegnato oltre US$12 miliardi per costruire uno stabilimento di fabbricazione di semiconduttori in Arizona. Intel (INTC ) ha in programma di costruire uno stabilimento di produzione di semiconduttori da US$20 miliardi in Ohio. Micron Technology, Inc. (MU ) ha piani ancora più ambiziosi, poiché propone di investire fino a US$100 miliardi nei prossimi due decenni per costruire una massiccia fabbrica di semiconduttori nel New York settentrionale.

Con tutte queste iniziative e piani d’azione in atto, non c’è motivo per cui gli Stati Uniti debbano rimanere indietro nella corsa alla produzione di microchip. Tuttavia, per competere con i paesi dell’Asia orientale che occupano quasi tre quarti della produzione globale di chip moderni, gli Stati Uniti dovrebbero costruire una solida pipeline di talenti e catena di approvvigionamento. Dovrebbero anche essere consapevoli della domanda in modo da rimanere protetti dai rischi di sovraccapacità e offerta eccessiva. Inoltre, l’attenzione dovrebbe rimanere sulla priorità della produzione dei tipi giusti di chip.

Secondo Scott Kenedy, senior adviser presso il Center for Strategic and International Studies:

“Gli USA hanno effettivamente bisogno di espandere la produzione di chip per un tipo specifico di chip direttamente legato alla sicurezza nazionale americana.”

Se gli USA riusciranno ad aumentare la produzione di microchip e farlo nel modo ottimizzato corretto è qualcosa su cui dovremo tenere d’occhio.