• Questa macchina per litografia ultravioletta estrema consente ai produttori di realizzare chip all'avanguardia con caratteristiche di pochi nanometri. ASML

La legge di Moore è a rischio

La carenza di microchip rischia di rallentare i decenni di innovazione alimentati dalla promessa di una potenza di calcolo sempre più veloce e a basso costo.

di Jeremy Hsu 13-07-21
A un anno dall'inizio della pandemia di covid-19, Apple ha commemorato la crescente gamma di dispositivi dotati del suo chip M1 personalizzato con grande clamore, tra cui , Mission Implausible, uno spot televisivo con un giovane che corre sui tetti del campus a Cupertino e penetra nella struttura per "rubare" il rivoluzionario microprocessore da un MacBook e posizionarlo all'interno di un iPad Pro. 
 
Il chip progettato su misura da Apple è l'ultimo trionfo per la Legge di Moore, secondo la quale i produttori di chip possono raddoppiare il numero di transistor su un chip ogni pochi anni. L' M1 racchiude 16 miliardi di transistor su un microprocessore delle dimensioni di un grande francobollo. È una meraviglia dell'abilità manifatturiera dei semiconduttori di oggi.

Ma mentre Apple celebrava l'M1, il mondo stava affrontando una carenza strutturale di microchip, in particolare quelli relativamente a basso costo che rendono possibili molte delle tecnologie odierne. Le aziende automobilistiche hanno chiuso le catene di montaggio e licenziato i lavoratori perché non riescono a ottenere abbastanza chip da 1 dollaro.

I produttori hanno fatto ricorso alla costruzione di veicoli senza i chip necessari per i sistemi di navigazione, specchietti retrovisori digitali, display touch screen e sistemi di gestione del carburante. Nel complesso, nel 2021 l'industria automobilistica globale potrebbe perdere più di 110 miliardi di dollari a causa di questa carenza.

La produzione è rallentata anche per smartphone, laptop, console per videogiochi, TV e persino elettrodomestici intelligenti, tutto a causa della mancanza di microchip economici. Il loro uso è così essenziale e diffuso che alcuni osservatori pensano che la crisi dei chip potrebbe minacciare la ripresa economica globale dalla pandemia.

La carenza globale sta puntando i riflettori sulla capacità dell'industria dei semiconduttori di fornire microchip più potenti e a basso costo. La promessa di lunga data di chip con capacità sempre maggiori ha ispirato ingegneri, programmatori e progettisti di prodotti a creare generazioni di nuovi prodotti e servizi. La Legge di Moore è stata più di una semplice tabella di marcia per l'industria dei semiconduttori: ha governato il cambiamento tecnologico nell'ultimo mezzo secolo.

Ora questa promessa di una maggiore potenza di calcolo generalizzata si sta sgretolando, ma non perché i produttori di chip si siano scontrati con i limiti fisici della tecnologia per realizzare transistor sempre più piccoli. Invece, i crescenti costi per sostenere la Legge di Moore hanno incoraggiato il consolidamento tra i produttori di chip e creato più punti di strozzatura nell'attività immensamente complessa della produzione di chip.

Anche se i microchip sono diventati essenziali in così tanti prodotti, il loro sviluppo e produzione sono stati dominati da un piccolo numero di produttori con capacità limitate per sfornare i chip delle materie prime che sono un punto fermo per le tecnologie odierne. E poiché la produzione di chip richiede centinaia di passaggi di produzione e mesi di tempo di produzione, l'industria dei semiconduttori non può rispondere rapidamente all'aumento della domanda alimentato dalla pandemia. 

Dopo decenni di preoccupazioni su come ritagliare caratteristiche su pochi nanometri di wafer di silicio, lo spirito della Legge di Moore - l'aspettativa che chip economici e potenti saranno prontamente disponibili - è ora minacciato da qualcosa di molto più banale: le catene di approvvigionamento. 

Una frontiera solitaria

Venti anni fa, il mondo aveva 25 produttori che producevano chip all'avanguardia. Oggi, solo la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), a Taiwan, Intel negli Stati Uniti e Samsung nella Corea del Sud hanno le strutture che producono i chip più avanzati. E Intel, da tempo leader tecnologico, sta lottando per tenere il passo, avendo ripetutamente mancato le scadenze per la produzione delle sue ultime generazioni. 

Uno dei motivi del consolidamento è che la costruzione di una struttura per produrre i chip più avanzati costa tra i 5 e i 20 miliardi di dollari. I chip prodotti sono chiamati nodi, vale a dire generazioni a 5 e a 7 nanometri. Gran parte del costo è destinato all'acquisto delle attrezzature più recenti, come uno strumento chiamato macchina per litografia ultravioletta estrema (EUV) che si attesta sui 100 milioni di dollari. Realizzate esclusivamente da ASML nei Paesi Bassi, le macchine EUV vengono utilizzate per incidere modelli di circuiti dettagliati con caratteristiche di dimensioni nanometriche.

I produttori di chip lavorano sulla tecnologia EUV da più di due decenni. Dopo miliardi di dollari di investimenti, le macchine EUV sono state utilizzate per la prima volta nella produzione commerciale di chip nel 2018. Questo sforzo gigantesco ha reso possibile la creazione di miliardi di minuscoli transistor nel chip M1 di Apple, realizzato da TSMC; è tra la prima generazione di chip all'avanguardia a fare affidamento completamente su EUV. 

Pagare per i migliori chip ha senso per Apple che li inserisce negli ultimi modelli di MacBook e iPhone, che vendono  milioni di pezzi a prezzi di marchi di lusso. "L'unica azienda che sta effettivamente utilizzando EUV in volumi elevati è Apple e vende smartphone da 1.000 dollari per i quali ha un margine di guadagno folle", afferma Kanter.

Anche il costo della progettazione di circuiti immensamente complessi è ora fuori dalla portata di molte aziende. Oltre ad Apple, solo le più grandi aziende tecnologiche che richiedono le massime prestazioni di elaborazione, come Qualcomm, AMD e Nvidia, sono disposte a pagare centinaia di milioni di dollari per progettare nodi all'avanguardia, afferma Sri Samavedam, senior vicepresidente delle tecnologie CMOS di Imec, un istituto di ricerca internazionale con sede a Leuven, in Belgio. 

Molte più aziende stanno producendo laptop, TV e automobili che utilizzano chip realizzati con tecnologie precedenti e un picco nella domanda di questi è al centro dell'attuale carenza di chip. In poche parole, la maggior parte dei clienti di chip non può permettersi, o non vuole pagare, gli ultimi chip; un'auto tipica oggi utilizza decine di microchip, mentre un veicolo elettrico ne usa molti di più.  In realtà, i produttori di automobili sono rimasti fedeli a chip realizzati con tecnologie precedenti.

Inoltre, molti dei dispositivi elettronici più popolari di oggi semplicemente non richiedono chip all'avanguardia. "Non ha senso mettere, ad esempio, un chip A14 [iPhone e iPad] in ogni singolo computer che abbiamo nel mondo", afferma Hassan Khan, ex ricercatore della Carnegie Mellon University che ha studiato le implicazione per le politiche pubbliche della fine della Legge di Moore e attualmente lavora presso Apple. "Non sono necessarie nel termometro intelligente a casa, e non ne servono 15 in macchina, perché consumano molta energia e sono costose".

Il problema è che, anche se sempre più utenti si affidano a tecnologie di chip meno recenti e meno costose, i giganti dell'industria dei semiconduttori si sono concentrati sulla costruzione di nuovi stabilimenti all'avanguardia. TSMC, Samsung e Intel hanno recentemente annunciato miliardi di dollari in investimenti per gli ultimi impianti di produzione. 

TSMC, il più grande produttore a contratto al mondo di chip, ha realizzato quasi il 60 per cento delle sue entrate del 2020 realizzando chip all'avanguardia con caratteristiche da 16 nanometri e più piccole, incluso il chip di 5 nanometri per l’M1 di Apple. A peggiorare il problema è che "nessuno sta costruendo apparecchiature per la produzione di semiconduttori per supportare le vecchie tecnologie", afferma Dale Ford, capo analista dell'Electronic Components Industry Association, un'associazione di categoria con sede ad Alpharetta, in Georgia.

Chip di fascia bassa

Tutto questo è importante per gli utenti della tecnologia non solo per l'interruzione della catena di approvvigionamento che sta causando oggi, ma anche perché minaccia lo sviluppo di molte potenziali innovazioni. Oltre ad essere più difficili da trovare, i chip più economici stanno anche diventando relativamente più costosi, dal momento che ogni generazione di chip ha richiesto attrezzature e strutture più costose rispetto alle generazioni precedenti. 

Alcuni prodotti di consumo richiederanno semplicemente chip più potenti. La creazione di reti mobili 5G più veloci e l'aumento delle applicazioni informatiche basate sulla velocità del 5G potrebbero costringere a investire in chip specializzati progettati per apparecchiature di rete che comunicano con dozzine o centinaia di dispositivi connessi a Internet. 

Anche le funzionalità automobilistiche come i sistemi avanzati di assistenza alla guida e i sistemi di "infotainment" di bordo possono trarre vantaggio da chip all'avanguardia, come evidenziato dalle partnership segnalate dal produttore di veicoli elettrici Tesla con TSMC e Samsung sullo sviluppo di chip per le future auto a guida autonoma.

Tuttavia, acquistare gli ultimi chip all'avanguardia o investire in progetti di chip specializzati potrebbe non essere pratico per molte aziende quando sviluppano prodotti per un futuro di intelligenza diffusa. È improbabile che i produttori di dispositivi di consumo come una macchina sous vide abilitata al Wi-Fi spendano i soldi per sviluppare chip specializzati da soli al fine di aggiungere funzionalità ancora più fantasiose, afferma Kanter. 

E gli articoli a basso costo come i vestiti, dice, hanno "margini sottilissimi" che lasciano poco spazio a chip più costosi che aggiungerebbero un dollaro, per non parlare di 10 o 20 dollari, al cartellino del prezzo di ciascun articolo. Ciò significa che l'aumento del prezzo della potenza di calcolo potrebbe impedire lo sviluppo di indumenti che potrebbero, per esempio, rilevare e rispondere ai comandi vocali o ai cambiamenti del tempo.

Il mondo può probabilmente vivere senza macchine sous vide più fantasiose, ma la mancanza di chip sempre più a basso costo e potenti avrebbe un costo reale: la fine di un'era di invenzioni alimentate dalla Legge di Moore e dalla sua promessa decennale che una potenza di calcolo sempre più accessibile sarà disponibile per la prossima innovazione. La maggior parte degli acquirenti si accontenta di chip che rappresentano un compromesso tra costo e prestazioni. Ed è l'offerta di chip di questo tipo che sembra tutt'altro che adeguata alla crescita della domanda globale di potenza di calcolo. 

Una preoccupazione globale

All'inizio del 2021, il presidente Joe Biden ha firmato un ordine esecutivo che imponeva le revisioni della catena di approvvigionamento per i chip e ha dato il suo sostegno a una spinta bipartisan al Congresso per approvare almeno 50 miliardi di dollari per la produzione e ricerca di semiconduttori. Biden ha anche tenuto due vertici della Casa Bianca con i leader delle industrie dei semiconduttori e dell'auto.

Questi interventi non risolveranno in tempi brevi lo squilibrio tra domanda e offerta di chip. Ma per lo meno, dicono gli esperti, la crisi di oggi rappresenta un'opportunità per il governo degli Stati Uniti di provare a ridefinire finalmente la catena di approvvigionamento e invertire il rallentamento generale dell'innovazione dei semiconduttori, e forse rafforzare la capacità degli Stati Uniti di produrre i chip.

Nel 2019, il 75 per cento di tutta la capacità di produzione di chip era basata nell'Asia orientale, con la quota degli Stati Uniti pari a circa il 13 per cento. La sola TSMC di Taiwan detiene quasi il 55 per cento del mercato delle fonderie che gestisce gli ordini di produzione di chip di consumo.

Incombe su tutto la rivalità USA-Cina. L’azienda nazionale cinese SMIC produce chip che sono ancora cinque o sei anni indietro rispetto alle tecnologie d’avanguardia. E’ possibile che le fonderie cinesi possano aiutare a soddisfare la domanda globale di chip costruiti su generazioni più vecchie nei prossimi anni. "Dati i sussidi statali che ricevono, è possibile che le fonderie cinesi siano i produttori a più basso costo in quanto lavorano ancora chip a 22 e 14 nanometri", afferma Khan. 

L'industria globale dei semiconduttori dovrà quasi raddoppiare la capacità complessiva entro il 2030 per stare al passo con la domanda, secondo la Semiconductor Industry Association (SIA), un gruppo industriale con sede a Washington, che ha sostenuto il rafforzamento della catena di approvvigionamento globale piuttosto che tentare di costruire una capacità di produzione nazionale completamente “autosufficiente”. 

Ma in riferimento all'importanza dei chip avanzati per la sicurezza nazionale e le infrastrutture critiche, la SIA suggerisce che gli Stati Uniti forniscano "incentivi guidati dal mercato" alle aziende per costruire due o tre nuovi stabilimenti all'avanguardia a livello nazionale. Ciò potrebbe aiutare a garantire che le principali reti di telecomunicazioni e i data center della nazione, insieme alle forze armate statunitensi, dispongano di una fornitura nazionale di chip.

Il governo degli Stati Uniti è diventato "il primo, e forse il più grande, venture capitalist della Valley", ha scritto O'Mara, una storica dell’Univeristà di Washington, a Seattle, nel suo libro del 2019 The Code: Silicon Valley and the Remaking of America

I grandi ordini governativi di chip per la fornitura del programma Apollo della NASA e dei missili balistici intercontinentali Minuteman dell'esercito hanno incoraggiato i produttori di chip a iniziare la produzione di massa e hanno contribuito a ridurre il costo dei primi chip di silicio da 1.000 dollari ciascuno nel 1960 a soli 25 dollari nel 1965. 

Il calo dei prezzi ha reso la potenza di calcolo accessibile a molti oltre alle semplici agenzie governative. Ha dato il via all'età d'oro della legge di Moore, in cui i clienti hanno raccolto i vantaggi di chip più economici che fornivano anche prestazioni migliori ogni pochi anni.  Mentre stavo intervistando O'Mara per questa storia, un fattorino si è presentato alla sua porta. "A proposito di chip, mi stanno appena consegnando il mio nuovo MacBook con il chip M1", ha detto con una risata la storica.  

(rp)