La escasez mundial de semiconductores ha acaparado los titulares y ha provocado una cascada de cuellos de botella en la producción que han hecho subir los precios de todo tipo de bienes de consumo, desde frigoríficos hasta vehículos utilitarios deportivos. La escasez de chips ha puesto de manifiesto el papel fundamental que desempeñan los semiconductores en muchos aspectos de la vida cotidiana.

Pero años antes de que se produjera la escasez inducida por la pandemia, Estados Unidos ya enfrentaba una creciente crisis de chips. Su dominio de larga data en la innovación y fabricación de microelectrónica se ha ido erosionando en las últimas décadas frente a la competencia internacional intensificada. Ahora, reafirmar el liderazgo de EE. UU. en microelectrónica se ha convertido en una prioridad tanto para la industria como para el gobierno, no solo por razones económicas sino también como una cuestión de seguridad nacional.

En un nuevo libro blanco, un grupo de investigadores del MIT argumenta que la estrategia del país para reafirmar su lugar como una superpotencia de semiconductores debe involucrar en gran medida a las universidades, que están en una posición única para ser pioneras en nuevas tecnologías y capacitar a una fuerza laboral altamente calificada. Su informe, " Reafirmación del liderazgo de EE. UU. en microelectrónica ", establece una serie de recomendaciones sobre cómo las universidades pueden desempeñar un papel de liderazgo en el esfuerzo nacional para recuperar la preeminencia mundial en la investigación y fabricación de semiconductores.

“En esta búsqueda nacional para recuperar el liderazgo en la fabricación de microelectrónicos, nos quedó claro que las universidades deberían desempeñar un papel importante. Queríamos pensar desde cero sobre cómo las universidades pueden contribuir mejor a este importante esfuerzo”, dice Jesús del Álamo, profesor Donner en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT y autor principal del libro blanco. “Nuestro objetivo es que, cuando se construyan estos programas nacionales, se construyan de una manera bien equilibrada, aprovechando los tremendos recursos y talentos que las universidades estadounidenses pueden aportar”.

Otros coautores incluyen a Dimitri Antoniadis, profesor de ingeniería eléctrica Ray y Maria Stata; Robert Atkins, jefe de la División de Tecnología Avanzada del Laboratorio Lincoln; Marc Baldo, Profesor Dugald C. Jackson de Ingeniería Eléctrica y director del Laboratorio de Investigación de Electrónica; Vladimir Bulović, presidente de Fariborz Maseeh en tecnología emergente y director de MIT.nano; Mark Gouker, director adjunto de la División de Tecnología Avanzada del Laboratorio Lincoln; Craig Keast, director asociado de la División de Tecnología Avanzada y director de operaciones del Laboratorio de Microelectrónica en el Laboratorio Lincoln; Hae-Seung Lee, Profesor de Procesamiento de Señales y Televisión Avanzada de Ingeniería Eléctrica y director de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas; William Oliver, profesor de EECS,director del Centro de Ingeniería Cuántica y director asociado del Laboratorio de Investigación de Electrónica; Tomás Palacios, profesor de la EECS; Max Shulaker, profesor asociado en EECS; y Carl Thompson, Profesor Stavros Salapatas de Ciencia e Ingeniería de Materiales y director del Laboratorio de Investigación de Materiales.

Perder liderazgo

La invención de la tecnología de semiconductores por parte de científicos estadounidenses condujo al nacimiento de Silicon Valley en la década de 1950, lo que ayudó a que EE. UU. se convirtiera en la fuerza dominante en la investigación y fabricación de semiconductores, pero ese dominio se ha ido perdiendo durante décadas. Solo el 12 por ciento de los chips semiconductores se producen en los EE. UU. en la actualidad, frente al 37 por ciento en 1990, según la Asociación de la Industria de Semiconductores.

Un impulsor de ese declive interno son las inversiones masivas en infraestructura que países como Corea del Sur, Taiwán y China han realizado en los últimos años. Esas inversiones han impulsado sus empresas nacionales de microchips e incluso han atraído a algunas empresas estadounidenses a abrir instalaciones de fabricación en el extranjero, explica Del Alamo.

Una planta de fabricación de chips, también conocida como fab, puede costar hasta $10 mil millones, por lo que las empresas hacen una gran apuesta económica cuando deciden construir una nueva instalación. Cualquier incentivo económico que los gobiernos puedan proporcionar, en forma de ventajas fiscales, terrenos baratos e incluso subsidios directos, juega un papel en la decisión de una empresa sobre dónde ubicar una fábrica.

Un informe de 2020 de la Asociación de la Industria de Semiconductores afirma que, cuando se tienen en cuenta los incentivos económicos, los fabricantes enfrentan una desventaja de costos del 30 por ciento cuando producen microchips en los EE. UU. frente a Asia.

Los legisladores estadounidenses están trabajando para cerrar esa brecha, en parte, con la Ley CHIPS , legislación que proporcionaría $52 mil millones en inversiones federales para la investigación, el diseño y la fabricación de semiconductores nacionales. El Congreso también está considerando otra legislación, la Ley FABS , que establecería un crédito fiscal a la inversión en semiconductores.

Creciendo la fuerza de trabajo

Como señalan los autores en el libro blanco, los incentivos económicos son solo una parte del panorama.

Reafirmar el liderazgo en la fabricación de semiconductores también requerirá miles de nuevos trabajadores altamente calificados, y las universidades aportan una fracción considerable de la fuerza laboral de la industria. La expansión del tamaño y la diversidad de esta fuerza laboral será clave, pero las instituciones educativas enfrentan una batalla cuesta arriba a medida que más estudiantes abandonan la "tecnología dura" por campos como la informática. Atraer a más estudiantes requerirá emocionantes cursos prácticos de laboratorio, experiencias de investigación inspiradoras, pasantías bien diseñadas y el apoyo de mentores de la industria, así como becas en todos los niveles, entre muchas otras iniciativas.

“Ya estamos en una situación en la que no estamos produciendo suficientes ingenieros en todos los niveles para la industria de los semiconductores y estamos hablando de una gran expansión. Entonces, simplemente no cuadra”, dice del Alamo. “Si queremos proporcionar la fuerza laboral para esta gran expansión, necesitamos involucrar a más estudiantes. La única forma, a corto plazo, de proporcionar muchos más graduados para esta industria es expandir los programas existentes e involucrar a instituciones que no han estado involucradas en el pasado”.

Habilitación de la innovación

Las universidades también han desempeñado un papel histórico importante al contribuir con la investigación fundamental, y la nación deberá depender de los laboratorios académicos para generar nuevas innovaciones.

Pero muchas universidades tienen una infraestructura obsoleta que se está acercando rápidamente a la obsolescencia, si es que ya no está obsoleta. Los autores del libro blanco argumentan que EE. UU. necesita invertir en infraestructura universitaria, tanto en equipos de capital como en personas para operarla y apoyar las actividades educativas y de investigación. Una importante actualización de las instalaciones de investigación es esencial para que las universidades sigan siendo relevantes para la industria y sus herramientas de última generación. La instalación MIT.nano de 214,000 pies cuadrados y $ 400 millones , que se inauguró en 2018, es un ejemplo de cómo una instalación compartida de vanguardia puede albergar herramientas relevantes para la industria, así como programas educativos y de investigación para impulsar la industria de los semiconductores. , dice del Álamo.

“No se trata solo de hacer transistores más pequeños. El progreso futuro requiere nuevos materiales, nuevos procesos, dispositivos reimaginados y nuevos sistemas integrados”, dice Vladimir Bulović, profesor Fariborz Maseeh de Tecnología Emergente y director fundador de MIT.nano. “Las tecnologías en las que confiaremos dentro de una década podrían no parecerse en nada a las de hoy. Las innovaciones académicas están destinadas a interrumpir las hojas de ruta técnicas actuales y superar el rendimiento de los sistemas imaginados actualmente. Mantener un fuerte vínculo entre la industria actual y la academia asegurará que nuestras mejores ideas puedan mejorar la industria actual y lanzar nuevas empresas técnicas”.

Las nuevas empresas también juegan un papel vital en la innovación, y las universidades han sido durante mucho tiempo un semillero de actividad empresarial.

Para que esto continúe, los autores argumentan que las universidades necesitan asociaciones sólidas con instalaciones de creación de prototipos, laboratorios nacionales y fundiciones comerciales para ayudar a los investigadores emprendedores a convertir sus innovaciones en nuevas empresas tecnológicas que se convertirán en las corporaciones de clase mundial del futuro.

Las colaboraciones con el Laboratorio Lincoln , un instituto de investigación financiado con fondos federales ubicado en Lexington, Massachusetts, que es administrado por el MIT, han permitido innovaciones en microchips que de otro modo no serían posibles, dice del Alamo.

“La combinación del MIT de un motor de innovación de clase mundial con la capacidad de crear prototipos de microelectrónica compleja en el Laboratorio Lincoln es única y poderosa”, dice Bob Atkins, jefe de división de la División de Tecnología Avanzada en el Laboratorio Lincoln. “La combinación respalda tanto el descubrimiento como la maduración de la tecnología microelectrónica disruptiva y permite traducir las ideas en una realización práctica. Ha producido una larga historia de desarrollos impactantes que van desde generadores de imágenes especializados hasta litografía microelectrónica empleada en todo el mundo”.

Aprovechar todo el potencial de las universidades requerirá una estrategia que fomente las redes regionales donde los diferentes tipos de instituciones, incluidos los colegios universitarios y los colegios comunitarios, puedan trabajar juntos para crear programas educativos y de investigación conjuntos que también involucren asociaciones con la industria.

Durante más de 35 años, el MIT se ha beneficiado de su Microsystems Industrial Group , que guía las actividades de investigación y educación, asesora a estudiantes y profesores y ofrece apoyo financiero. Trabajar en estrecha colaboración con la industria ayuda a los profesores a apreciar y comprender problemas que son interesantes pero también relevantes, que deben abordar en su investigación. Este tipo de asociaciones transversales serán aún más importantes en el futuro, dice del Alamo.

“Estoy muy agradecido por el libro blanco publicado por mis colegas. Estoy completamente de acuerdo con la visión y la dirección que se ha señalado aquí, lo que también me ha inspirado a ver como investigador individual y docente cómo puedo hacer contribuciones en esto”, dice Jing Kong, profesor de ingeniería eléctrica e investigador principal. en el Laboratorio de Investigación en Electrónica. “Las universidades juegan un papel fundamental en la reafirmación del liderazgo de EE. UU. en microelectrónica. Mi esperanza es que el libro blanco pueda servir como asistente y guía para administradores y formuladores de políticas, tanto para facilitar como para aprovechar el potencial que ofrece la educación universitaria y la investigación en tal esfuerzo”.