La batalla de los chips

Se ha vuelto un lugar común hablar de la gran dependencia que tenemos, en nuestras vidas personal y profesional, de los servicios que nos brindan, bajo la forma de aplicaciones informáticas (software), cinco grandes compañías de big tech, conocidas bajo el acrónimo GAFAM: Google (búsqueda de información, YouTube, Android), Apple (iPhone, iPad), Facebook (Facebook, Instagram, Whatsapp), Amazon (supermercado virtual, servicios de cloud) y Microsoft (burótica). La dependencia es tal que, consciente o inconscientemente, hemos aceptado sacrificar una gran parte de nuestra privacidad para seguir gozando de estos servicios.

Un nuevo actor se ha añadido recientemente a la lista de softwares indispensables: la inteligencia artificial, con un gran número de aplicaciones presentes o previstas.

Es entonces bastante paradójico descubrir que estas big tech dependen de otro número pequeño de compañías, monopolísticas igualmente pero mucho más discretas y desconocidas para el gran público: Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC, Taiwán), ASML (Holanda) y Cadence, Synopsys y Mentor (USA).

En efecto, estas compañías monopolizan todos los aspectos de la fabricación de los chips, o circuitos integrados, indispensables para el funcionamiento de los dispositivos donde se ejecuta el software (computadores, teléfonos inteligentes, tabletas, electrodomésticos, carros y un interminable etcétera). Para la más importante de ellas, TSMC, su localización geográfica la coloca en el centro del actual conflicto geopolítico entre China y Estados Unidos, lo que podría degenerar en una guerra con consecuencias mucho más graves que la de Ucrania: más del 90 por ciento de los chips complejos usados incluso en tecnologías militares se fabrican hoy en Taiwán.

El mundo descubrió la importancia de los chips durante la reciente pandemia de covid-19, cuando una penuria de circuitos integrados paralizó o ralentizó varias industrias de primer nivel: un smartphone utiliza una docena de chips para funcionar; un carro de alta gama, alrededor de 1.000. Los Estados Unidos reaccionaron ante estos peligros anunciando el 28 de febrero de este año el lanzamiento del programa “Chips para Estados Unidos” (CHIPS Act, en su nombre en inglés), que tiene como objetivo el fortalecimiento de la investigación y la fabricación de chips en el país, gracias a una gran inversión del estado federal: 50.000 millones de dólares, lo que constituye una de las mayores inversiones estatales en una sola industria, en mucho tiempo. Una gran parte de este dinero servirá para ayudar a que los grandes fabricantes extranjeros (TSMC y Samsung, por ejemplo) construyan fábricas en territorio estadounidense.

Antes de descubrir cómo se llegó a esta situación y cuáles son las cuestiones en juego para la economía mundial, tenemos que entender cómo se fabrican los chips y cuáles son sus funciones.

Funcionamiento y fabricación de los chips

En informática, toda información (imágenes, texto, sonido, números, etcétera) es almacenada y tratada en forma binaria: todo es una combinación de ceros y unos, los famosos bits de un computador, de una memoria, etcétera, implementados físicamente por dos voltajes eléctricos diferentes. El elemento de base de los dispositivos digitales es entonces un interruptor, un elemento capaz de conmutar rápidamente entre los dos voltajes, entre el cero y el uno, según el resultado de la operación ejecutada.

En los comienzos de la computación se usaban para esta función los tubos de vacío (ver la figura 1). Estos dispositivos (que mis lectores de una cierta edad conocieron en los radios, televisores y otros electrodomésticos de los años cincuenta-sesenta, y que mis lectores más jóvenes pero seguidores de la moda electrónica, de los vinilos en lugar de los CD, por ejemplo, conocen en amplificadores hi-fi carísimos pero que, supuestamente, producen mejor sonido para escuchar vinilos rayados); estos dispositivos, decía, tenían numerosas desventajas: su gran tamaño (unos diez centímetros), su gran consumo de energía, su disipación de calor y su corta vida, entre otras.

En junio de 1948, Bell Labs anunció por conferencia de prensa la invención del dispositivo que solucionaba todos estos problemas de manera radical: el transistor (ver figura 2). Sus tres inventores ganaron en 1956 el Premio Nobel de física por esta invención. William Shockley, uno de los inventores, famoso al final de su vida por la defensa de tesis racistas (hizo donación de su esperma para, supuestamente, ayudar a la difusión de su inteligencia y su raza, considerada pura), creó en 1955 su propia empresa, Shockley Semiconductors, en Mountain View (California). Sin embargo, su pésima gestión personal y su falta de sentido comercial hicieron que ocho de sus mejores ingenieros (dos nacidos fuera de USA y conocidos en Silicon Valley como the traitorous eight) lo dejaran para crear Fairchild Semiconductor en 1957. Fue el nacimiento de Silicon Valley.

En 1958, Jack Kilby, un ingeniero de Texas Instruments, compañía dedicada en esos tiempos a los instrumentos utilizados en la explotación petrolera, inventó el chip o circuito integrado: la integración en un solo circuito de varios transistores, con lo cual se reduce su tamaño, la complejidad de las interconexiones entre los diferentes transistores, su costo de fabricación, su fiabilidad y su velocidad de conmutación (el número de veces por segundo que el voltaje de un transistor puede cambiar entre 0 y 1 es equivalente a la velocidad de tratamiento de la información. Cuando se dice, por ejemplo, que la velocidad del microprocesador, el cerebro de mi computador, es de 2 GHz, se está diciendo que sus transistores pueden conmutar 2 gigaveces por segundo, 2.000 millones de veces).

Físicamente, un transistor está compuesto por varias capas de diferentes materiales, grabadas sobre una base de silicio, material semiconductor (razón por la cual los chips son algunas veces llamados, por extensión, semiconductores) (ver la figura 3). En un circuito integrado, las conexiones entre los diferentes transistores también se graban sobre la misma base. Robert Noyce, el líder de los traitorous eight, perfeccionó las ideas iniciales de Kilby. Únicamente Kilby ganó el premio Nobel por su invención, a causa de la muerte prematura de Noyce.

La dificultad de la fabricación de un circuito integrado se entiende fácilmente con dos cifras: la dimensión de las líneas del grabado y el número de transistores grabados en un solo chip. La evolución de estas dos cifras, estrechamente unidas, está gobernada por un principio empírico conocido como la Ley de Moore. Gordon Moore, uno de los traitorous eight, enunció este principio en un artículo publicado por la revista Electronics el 19 de abril de 1965 (Cramming more components onto integrated circuits): el número de transistores que se podrán incluir en un chip va a doblar cada dos años. En esa época, el número de transistores era cuatro; hoy, son casi 12.000 millones. En 1971, el ancho de la línea de grabación era de diez micrómetros; para el año próximo está previsto alcanzar dos nanómetros (un dos precedido por ocho ceros después de la coma), 5.000 veces más pequeña. En la figura 4 se puede apreciar la pequeñez de estas dimensiones: la línea muestra la evolución desde 1971 (diez micrómetros) hasta 2017 (diez nanómetros); los círculos a la derecha muestran estas dimensiones a escala; las otras figuras muestran diferentes objetos dibujados a la misma escala (una bacteria, la cabeza de un espermatozoide, un glóbulo rojo, un virus de VIH, una onda de luz roja y una onda de luz violeta).

La complejidad de trabajar con estas dimensiones hace que el costo de una fábrica (fab, en inglés) alcance los miles de millones de dólares, para una duración de solo dos años, tiempo de aparición de una nueva tecnología, según la ley de Moore.

Simplificando al máximo, el proceso de fabricación de un chip es el siguiente:

• A partir de un cilindro de silicio, se obtienen rodajas, obleas (wafers), que servirán de base para la fabricación de los transistores (ver la figura 5)

• Para cada una de las capas que serán grabadas sobre el silicio, se dibujan patrones, máscaras.
• Para cada capa del transistor, se depositan sobre la oblea materiales químicos fotorresistentes; la radiación ultravioleta intensa (EUV) que atraviesa las máscaras graba los wafers siguiendo el patrón de la máscara (ver figura 6). Cada una de las máquinas usadas en esta etapa de litografía con EUV cuesta más de 100 millones de dólares.

• Para los circuitos más complejos, el procesamiento completo puede necesitar miles de pasos y durar hasta dos meses
• Una vez terminada la grabación de los transistores, se pueden cortar los diferentes circuitos incluidos en la oblea (ver figura 7)

Las fabs más sofisticadas pueden procesar hoy cerca de 100.000 obleas por mes.

Las máscaras de los primeros circuitos integrados se dibujaban transistor por transistor por ingenieros especializados en esta delicada tarea. Una gran revolución vino con la automatización del diseño: la funcionalidad del circuito es descrita utilizando lenguajes especializados y la máscara es generada automáticamente por un software especializado. Tres empresas gringas se reparten actualmente las tres cuartas partes de este mercado de software de diseño: Cadence, Synopsys y Mentor (propiedad del alemán Siemens).

Las máscaras se envían luego a un fabricante de chips, localizado generalmente en Asia oriental. La empresa taiwanesa TSMC posee un casi monopolio de fabricación de los chips más complejos. Y la empresa holandesa ASML, creada por Philips en 1984, posee el monopolio absoluto de fabricación de los instrumentos de litografía utilizados en el grabado de los wafers.

En un primer tiempo, esta división del trabajo no existía: la misma compañía que diseñaba el circuito, lo fabricaba. Cada vez es más corriente el caso contrario: las empresas llamadas fabless se ocupan únicamente del diseño y no fabrican el chip. Dos casos importantes de esta evolución son Apple y Arm, empresa inglesa comprada por los japoneses SoftBank. Apple dependía de Intel, mayor fabricante estadounidense de chips e inventor del microprocesador, para la mayor parte de sus productos (Intel fue creada en 1968 por Robert Noyce y Gordon Moore, que abandonaron Fairchild): los microprocesadores de la familia x86 de Intel equipaban la inmensa mayoría de computadores personales, sean PC o Mac. Pero ante la increíble decisión de Intel de no fabricar los circuitos necesarios para el iPhone (el CEO de Intel no le veía futuro a ese nuevo producto), Apple decidió diseñar estos circuitos con sus propios ingenieros y enviarlos para fabricación a TSMC. Para el diseño de sus microprocesadores, Apple utilizó como base el diseño creado por otra empresa fabless: Arm. Apple continúa usando licencias de Arm, al igual que muchas otras compañías fabless, que prescinden cada vez más de los servicios de empresas como Intel. Los smartphones utilizan actualmente una tercera parte de los chips producidos en el mundo.

Cómo Estados Unidos perdió el control sobre la fabricación de los chips

Las primeras empresas de Silicon Valley utilizaban una mayoría de mujeres para las labores de ensamblado de los chips: los salarios eran más bajos y el trabajo más meticuloso. Pero en 1963, Fairchild encontró otra solución para disminuir los costos: externalizar esta parte del trabajo en Hong Kong. Muy rápidamente otras empresas siguieron la misma vía, instalando sucursales en Taiwán, Singapur, Malasia y Corea del sur. Y el gobierno gringo animó esta solución: la creación de puestos de trabajo en estos países los alejaba del peligro de contagio comunista chino o ruso. Para finales de los años 1970, los fabricantes gringos de chips empleaban varias decenas de miles de trabajadores en estos países.

En 1979, un nuevo actor asiático, el japonés Sony, introdujo un dispositivo que iba a ser el primer producto de masa utilizando circuitos integrados (5 por dispositivo): el walkman. Sony vendió 385 millones de walkmans en todo el mundo. Si en un comienzo las empresas japonesas compraban sus circuitos integrados en Estados Unidos, muy pronto empezaron a fabricarlos domésticamente, ayudados por grandes subvenciones gubernamentales. Y, muy rápidamente, los fabricantes japoneses se apoderaron del mercado de las memorias. Intel, por su lado, se apoderó del mercado de los microprocesadores, desde que en 1981 IBM lanzó el computador personal, equipado con los circuitos de la familia x86 de Intel.

Con el fin de debilitar los productores japoneses, los gringos buscaron otras fuentes asiáticas y decidieron ayudar a un productor surcoreano: Samsung, empresa que comenzó como vendedora de pescado seco. El gobierno surcoreano apoyó financieramente el proyecto y Samsung comenzó en 1983 la fabricación de chips, con fabricantes gringos como Intel de partners. Para finales de los años 1990, Corea del sur le había arrebatado a Japón el primer lugar en la producción de memorias.

La revolución taiwanesa comenzó en 1985, cuando el gobierno de Taiwán decidió crear su propia empresa productora de chips: Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Para liderar el proyecto, Taiwán contrató a Morris Chang, ingeniero nacido en China hace 91 años (todavía activo) y educado en USA (ingeniero del MIT y doctorado de Stanford).

Empleado por Texas Instruments desde 1958, Cheng quería cambiar de trabajo luego de que Texas Instruments rechazó su candidatura al puesto de CEO. La gran idea de Chang fue que el mercado de los chips iba a abrirse a todo tipo de productos, no únicamente a los computadores, y que los fabricantes de esos productos iban a necesitar que alguien les fabricara los chips; y ese alguien seria TSMC. Contrariamente a empresas como Intel, TSMC no iba a diseñar sus propios chips sino a fabricar los diseños de clientes viniendo de todos los campos: militares, electrodomésticos, computadores, automotores, etc, etc. TSMC se convertiría en la fab de cientos de empresas fabless y nunca sería un competidor para sus clientes, asegurándoles una neutralidad comercial y ausencia de piratería intelectual.

El gobierno taiwanés proporcionó el 48 por ciento del capital inicial de TSMC y Philips invirtió 58 millones de dólares en intercambio del 27,5 por ciento de las acciones. Más que un negocio privado, TSMC fue un proyecto de estado. Muy pronto, TSMC fue la única empresa en el mundo capaz de invertir los miles de millones necesarios para fabricar las nuevas tecnologías y se convirtió en el único fabricante de los chips más complejos (los diseñados por Apple para el iPhone, por ejemplo).

La existencia de fabs como TSMC ha permitido el desarrollo de empresas fabless que venden el diseño de circuitos, la propiedad intelectual de los diseños, (Arm, por ejemplo) o que utilizan sus propios diseños, como es el caso de Apple, Amazon, Google, Qualcomm, Nvidia, etcétera. Teóricamente, no hay obstáculos para que este tipo de industria se desarrolle en Colombia.

A nivel global, la fabricación de chips en Estados Unidos pasó del 37 por ciento en 1990 al 13 por ciento en 2010. Y TSMC fabrica anualmente tres veces los wafers fabricados por Intel, que sigue siendo el mayor fabricante gringo de chips.

Todo el mundo necesita chips

Contrariamente a las apariencias, la economía global no está controlada por el software y, especialmente, por su última variante, la inteligencia artificial: el software necesita los chips para funcionar y sus enormes progresos han sido posibles únicamente por el crecimiento exponencial de la potencia de los circuitos integrados, crecimiento tipificado por la ley de Moore. De manera más general, toda tecnología avanzada requiere circuitos integrados sofisticados para funcionar. Y, además de la economía, la geopolítica está centrada igualmente alrededor de los chips, con la concentración de su producción en Asia oriental, particularmente en Taiwán, isla de la cual China nunca ha renunciado a su soberanía, amenazando inclusive con recuperarla militarmente.

Asia oriental produce el 90 por ciento de todos los chips de memoria, el 75 por ciento de los chips lógicos (procesadores) y el 80 por ciento de todos los wafers semiconductores. Esta producción se distribuye de la manera siguiente: Taiwán, 41 por ciento de los chips lógicos y más del 90 por ciento de los chips más avanzados; Japón, 17 por ciento de todos los chips; China, 15 por ciento de todos los chips, principalmente de baja tecnología; Corea, 44 por ciento de todos los chips de memoria y 8 por ciento de los chips lógicos; Singapur, 5 por ciento de todos los chips.

Queda por ver si la enorme inversión anunciada por el gobierno estadounidense para paliar este problema dará sus frutos. Si actualmente USA produce solo el 12 por ciento de los chips a nivel mundial (aunque ninguno de los más complejos), un estudio prevé que la inversión estatal de 50.000 millones de dólares solo aumentaría esa cifra al 14 por ciento. Sin hablar de los riesgos político-ideológicos: intervención del Estado en decisiones industriales, enriquecimiento de algunos accionistas en detrimento de los trabajadores (hay medidas compensatorias anunciadas, como por ejemplo la obligación de construir guarderías de alto nivel en el sitio industrial o la formación de la mano de obra), posibilidad de contribuir al financiamiento indirecto de fábricas en China u otros países rivales, entre otros. La batalla ha comenzado, los resultados son inciertos.

Para aprender más

•    La mejor historia de la evolución reciente de la industria de los chips se encuentra en el libro:
Chip War: The Fight for the World's Most Critical Technology – Chris Miller – Simon & Schuster – 2022
•    Una excelente introducción, gran público y con gotas de humor, a la tecnología de los chips está dada por el libro:
Bebop to the Boolean Boogie – Clive “Max” Maxfield – Newnes – 2009