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2022-09-11Sustituir los semiconductores: el gran problema del siglo XXI

Blogthinkbig |Hoy en día prácticamente todo tiene chips, también llamados circuitos integrados o, directamente, semiconductores. Pero nunca fuimos tan conscientes de ello hasta que en 2020 empezó lo que muchos medios han bautizado como la crisis de los chips. El hecho de que se fabriquen en su totalidad en el continente asiático, unido al parón de sus economías a consecuencia de la COVID y la permanente demanda de chips en industrias de todo el mundo, provocó una escasez de estos diminutos elementos que hacen que todo funcione.

Y por si fuera poco, cada vez más voces alertan de que las materias primas con que se fabrican los semiconductores están acercándose a su fin y deberíamos ir pensando en alternativas basadas en otras materias más asequibles. O eso o reutilizar los componentes ya fabricados. Pero muchos de ellos han sido destruidos o fueron enviados a otros países hasta perderles el rastro para evitar procesar esos restos electrónicos como es debido.

Así pues, los semiconductores se han convertido en imprescindibles en más de 169 industrias: automoción y transporte, ordenadores, smartphones y demás dispositivos portátiles, electrodomésticos de pequeño y gran tamaño en general y un largo etcétera. Un componente que no puede faltar y que, como ocurre desde 2020, ha hecho que miles de empresas de todo el mundo deban rehacer sus planes a medio plazo, ajustar calendarios e incluso parar líneas de producción.

Industrias de todo el mundo dependen de los semiconductores


La crisis mundial de los chips

La escasez de semiconductores, iniciada en 2020 y que todavía dura, es lo que se conoce como una tormenta perfecta. Es decir, todo lo que tenía que salir mal ha salido mal. Primero, concentrar las empresas que fabrican chips en una misma zona geográfica. Principalmente China y Taiwán. A cierta distancia le siguen Corea del Sur, Japón y, el único país no asiático, Estados Unidos. Segundo, se produce una pandemia que afecta a todo el mundo y cuya solución es aislar a la población mediante cuarentenas, lo que hace que la economía se paralice temporalmente.

A medida que los países, a distintos ritmos, van levantando las cuarentenas y las restricciones fronterizas, obligados en gran parte por la necesidad de reactivar sus economías, se ve claramente un error cometido a lo largo de las últimas décadas: la dependencia externa para fabricar semiconductores.

La respuesta no se hace esperar. Estados Unidos y Europa se plantean volver a crear fábricas para ponerse al día y dejar de depender de empresas como TSMC, UMC, PSMC o VIS, en Taiwán, o las chinas HiSillicon, SMIC, JCET, OmniVision, UNISOC o ZTE. Empresas que tienen a clientes tan importantes como Apple, AMD, NVIDIA o incluso Intel y Qualcomm, conocidas precisamente por diseñar semiconductores. Pero no es tan fácil. La fabricación de semiconductores requiere una gran inversión inicial y disponer de unas instalaciones especiales que estén aisladas y esterilizadas. Algo que no se consigue de la noche a la mañana.

En Europa por ejemplo, a principios de 2022 se puso en marcha un plan con un presupuesto de 43.000 millones de euros. Mediante la directiva europea Chips Act o EU Chips Act, su propósito es promover la producción de semiconductores en territorio europeo. En 2030, se debería traducir en que Europa producirá el 20% de chips a nivel mundial. En la actualidad, su peso es de tan solo el 10%.

El plan incluye todos los procesos de la industria de los semiconductores. No solo fabricar chips con las especificaciones actuales. También investigar y crear nuevos prototipos y sufragar su producción en masa una vez se compruebe su validez. Y así dejar de depender de Estados Unidos y Asia, continentes que diseñan y fabrican chips para todo el mundo.


Representación 3D de las estructuras microscópicas del grafeno


Semiconductores con nuevos materiales

El problema más inmediato si hablamos de semiconductores es la dependencia de unos fabricantes concentrados en una única zona geográfica. Pero como comentaba al principio de este artículo, hay un segundo problema que se mantiene en segundo plano porque no lo sufriremos directamente hasta dentro de unas décadas. Se trata de la escasez de materias primas para fabricar chips o circuitos integrados.

En la actualidad, los semiconductores se fabrican principalmente a partir de silicio. De ahí que Silicon Valley, el valle del silicio, se llame así. Porque allí se fundaron las principales empresas que inventaron y diseñaron los primeros semiconductores. Pero ocurren dos cosas. Primero, que las capacidades semiconductoras del silicio tienen sus limitaciones. Y, segundo, que su disponibilidad en el mundo cada vez es menor. Lo que se traduce en disputas territoriales por atesorar el máximo de silicio posible como las que se suceden entre China y Taiwán.

Es decir, es necesario encontrar alternativas más abundantes y, de paso, más eficientes. Y es que industrias como los automóviles eléctricos empiezan a necesitar materiales que mejoren las propiedades del silicio. La buena noticia es que ya hay varios candidatos. La eterna promesa es el grafeno. Un material muy reciente y del que se descubren nuevas propiedades cada poco tiempo. La clave está en verlo en la práctica, para lo que todavía tendremos que esperar. También se habla del nitruro de galio y de otro como el arseniuro de galio, los nanotubos de carbono o el carburo de silicio.

Dos candidatos a tener en cuenta

Pero algunos de estos materiales semiconductores tienen ciertas peculiaridades. Como el nitruro de galio, que ha sido creado por el ser humano. Es decir, no existe en la naturaleza. Los ingredientes son el galio y el nitrógeno. El primero se extrae de la tierra y el segundo está disponible en la atmósfera. A priori, fabricarlo debería ser más accesible y económico.

Los defensores del nitruro de galio destacan que es más eficiente que el silicio. Es decir, conduce mejor la electricidad y, por tanto, requiere menos energía para funcionar. Por ejemplo, si se empleara en iluminación, el ahorro alcanzaría el 25% de energía mundial, según el Centro de Cambridge para el Nitruro de Galio. Esto se traduce, además de en menos consumo, en dispositivos más pequeños. Perfecto para crear chips más potentes y más diminutos.

También se dice que ofrece más potencia, mayor frecuencia y más temperatura que el silicio. Haciéndolo el candidato ideal para fabricar componentes para redes 5G, que funcionan en frecuencias más altas. Y como inconveniente, por ahora está el precio y su implementación. El silicio es más popular en la industria de semiconductores y cuesta cambiar.

Por su parte, el carburo de silicio es otro candidato a sustituir el silicio. Como su nombre indica, sigue dependiende del silicio, pero en menor grado, ya que incorpora también el carbono para su elaboración. Este añadido hace que sea más eficiente en la conducción de electricidad que el silicio en solitario. Y aplicado a la fabricación de baterías, ofrece ventajas como una carga más rápida y menores pérdidas de energía.

Por el momento, la industria seguirá principalmente empleando silicio y germanio para la fabricación de chips y semiconductores. El futuro está por ver, pero ante la escasez de este material, será necesario dar el salto a alternativas como las que hemos visto y otras que seguramente están siendo descubiertas en este momento.

José María López

Blogthinkbig
Autor
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El blog de innovación de Telefónica


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