Made in Taiwán, ¿por qué un solo país domina todas las innovaciones?

Vivimos en la era de la tecnología, donde los chips y procesadores están presentes literalmente hasta en los frigoríficos. Y la industria de semiconductores, en la que se fabrican estos chips, es de la que dependen todas las innovaciones al respecto. Seguro que si os hablamos de TSMC el nombre como mínimo os suena y si no os empezará a sonar, ya que a este respecto todo el mundo depende de un TSMC y lo seguirá haciendo al menos en la próxima década.

El mundo quiere (y necesita) mejores semiconductores

Los semiconductores tienen y han tenido un impacto significativo en nuestra sociedad. Están en todas partes y son una parte fundamental para cualquier objeto eléctrico, desde un simple LED hasta un transbordador que puede enviar a la humanidad a Marte. Sin ellos, no podrías estar leyendo este artículo, no podríamos conducir automóviles y no podrías llamar a tu familia por teléfono. Son necesarios para construir cualquier dispositivo electrónico, desde televisores y ordenadores hasta equipos médicos, pasando por todo lo que se te ocurra.

Este hecho lo podemos ilustrar con la vacuna para el COVID-19, creada en menos de seis meses desde que comenzó la investigación hasta su producción en masa. Esto hubiera sido imposible hace una década, ya que ahora se pueden realizar videoconferencias para conectar a investigadores de todo el mundo, y todo el trabajo individual de cada equipo está al instante disponible para todos los demás. Se utilizó Machine Learning para secuenciar el ADN del virus, se usaron máquinas de última generación para crear prototipos de posibles nuevas vacunas, se contactó instantáneamente con miles de voluntarios para probar las vacunas, y luego se fabricaron millones de dosis a gran escala, todo ello en seis meses. Este proceso habría tomado años hace una década.

Hacer estas pequeñas cosas puede parecer fácil, pero hacerlas mejores, más eficientes y más pequeñas es el verdadero desafío. Sin el progreso que ha logrado la industria de los semiconductores, no hubiéramos estado donde está el mundo hoy en día, e incluso si el software o el hardware más grande son el medio final, los semiconductores son los que realizan el trabajo final para hacerlos funcionar.

Así pues, es evidente que en el futuro necesitaremos mejores semiconductores. Queremos que los dispositivos electrónicos consuman menos electricidad para salvar el planeta, queremos energía limpia para reemplazar la energía fósil, queremos una duración ilimitada en la batería de nuestro smartphone o portátil, queremos una cámara más pequeña pero con una resolución más alta, y por supuesto queremos unos mejores ordenadores para ejecutar IA, queremos viajar al espacio, queremos… todo. Más, mejor y más rápido.

TSMC y Taiwán, esenciales y vitales para el progreso

Para comprender por qué TSMC y sus homónimos son tan esenciales, primero debemos comprender la cadena de suministro de cualquier dispositivo electrónico que utiliza el usuario final.

Históricamente, todo el hardware electrónico que se vende pasa por una pequeña unidad comercial que fabrica los circuitos integrados (ICs o chips). Cuesta tiempo y dinero crearlos, y sin embargo esas empresas no querían perder el tiempo fabricando esos chips, por lo que le piden a grandes empresas como Texas Instruments o Samsung que les ayuden a hacerlo. Pero esos no necesariamente tienen la capacidad o la voluntad de hacer chips para la competencia, y si es así a menudo piden mucho dinero para fabricarlos.

Es entonces cuando comenzamos a ver el nacimiento de una empresa enfocada solo a los semiconductores como TSMC, que se dedica exclusivamente a diseñarlos y fabricarlos. Algunas de estas empresas solo las diseñan, y son las conocidas como empresas Fabless (sin fábricas), que tan solo tienen que hacer encargos a los productores diciendo lo que quieren. TSMC es un poco diferente, ya que solo fabrican esos chips, pero es otra empresa la que tiene que darles el diseño que quieren, y esto se conoce con el término «Pure Play Foundry».

Para visualizar mejor y comprender quién es quién en esta cadena de suministro, pongamos algunos nombres a los actores:

• Empresa de producto final: Amazon (servidores en la nube), SONY (consolas), Apple (smartphones), Tesla (coches), etc.
• IDMS (quienes diseñan y en ocasiones producen los chips): Samsung, Intel, etc.
• Fabless (que solo diseñan los chips): NVIDIA, AMD, Qualcomm, Broadcom, etc.
• Pure Play Foundry (solo fabricna los chips): TSMC, GlobalFoundries, etc.

Diseñar un chip tiene sus propias peculiaridades y su coste, y en el siguiente gráfico podéis ver que puede costar más de 500 millones de dólares simplemente diseñar uno.

Como ya hemos dicho, TSMC solo fabrica los chips y evita el coste del diseño, así que la fabricación debe ser sencilla porque solo es seguir un diseño, ¿no es así? En realidad, la parte más complicada es el poder plasmar un diseño en un chip material, y de hecho hoy en día tan solo dos empresas en el mundo lo hacen: TSMC y Samsung.

¿Por qué es tan difícil fabricar un chip?

Para poder fabricar chips cada vez más pequeños, TSMC utiliza un proceso extremadamente complicado llamado litografía ultravioleta extrema, o EUV. La máquina que permite este proceso de litografía es proporcionada por una empresa llamada ASML, y esta máquina lo que hace es básicamente una nueva forma de producir luz. El proceso consiste en gotear estaño fundido en una cámara y golpearlo con un láser para crear una luz / plasma brillante que pueda atravesar la serie de espejos y máscaras hasta las obleas donde se fabrican los chips, y esto sucede unas 50.000 veces por minuto.

Algunos están de acuerdo en que esta máquina podría ser, probablemente, la más complicada que la humanidad haya creado, incluso más difícil que llevar a un hombre a la luna. Este tipo de máquina cuesta por sí sola unos 120 millones de dólares, pesa 180 toneladas y tiene el tamaño de un autobús de dos pisos. Un dato curioso es que ASML necesita la friolera de 5000 proveedores para fabricar una sola de estas máquinas.

Algunos pensaréis que ¿no sería suficiente comprarle la máquina a ASML para que cualquiera pudiera fabricar sus propios chips? Lo es tan sencillo en realidad, ya que para fabricar los chips no te basta solo con esta máquina, sino que hay otros equipos que entran en juego y, de hecho, la máquina solo hace en torno a un 10% del proceso. TSMC necesita aprender a operar cada equipo en conjunto, y cada equipo tiene sus propias peculiaridades, fallas y tolerancias. Tener que encadenar todos los equipos juntos, en un proceso de fabricación de gran volumen, es ya un problema en sí mismo.

En pocas palabras: ASML vende la olla y TSMC vende la cocina completa. Cocinar es muy difícil, ya que cada uno lleva toda una vida de especialización para sus platos preferidos, y es complicado ser realmente bueno. Para más INRI, todo el trabajo no lo hace un solo operario sino todo un ejército de personas que tienen que trabajar en conjunto. Además, las personas que fabrican cuchillos de chef no son necesariamente buenos chefs, ¿verdad? Las máquinas que ASML construye son simplemente una herramienta para resolver un problema, y un buen martillo necesita un buen artesano para manejarlo.

Minimizar los fallos, investigar y desarrollar

Obtener la menor cantidad de defectos posible es el mayor desafío para cualquier fabricante. Este es probablemente el enfoque principal para los fabricantes de chips, y donde TSMC sobresale por encima de los demás en sus fábricas de Taiwán. El porcentaje de chips que funcionan apropiadamente es lo que se llama rendimiento (yield); si fabricas chips pero más del 60% salen defectuosos, realmente no serías muy rentable, y es cuando hay que buscar los motivos de los fallos para poder eliminarlos o reducirlos.

El rendimiento es el motivo por el que los fabricantes invierten tanto dinero en investigación y desarrollo. Siempre quieren obtener el mayor rendimiento posible, poder escalar a miles de millones de chips para satisfacer a sus clientes, y obtener mayores beneficios. Cada año, los clientes de TSMC solicitan chips mejores y más pequeños (especialmente Apple), y el proceso para fabricarlos debe refinarse, y constantemente necesitan nuevos equipos para respaldar estos procesos. Solo en el año 2019, TSMC invirtió más de 3.000 millones de dólares en I+D, ¿qué otra empresa tendría el presupuesto para hacer esto?

Por eso muchas veces hablamos de «nodos maduros», puesto que ya llevan tiempo en funcionamiento y la experiencia les ha permitido subsanar errores, invertir en desarrollo y mejorar notablemente el rendimiento. El monopolio actual de TSMC es probablemente el resultado de 40 años de experiencia en ello.

Conclusión: ¿por qué Taiwán dominará todas las innovaciones?

Llevamos todo este artículo hablando de TSMC, empresa cuyas oficinas centrales están en Hsinchu, Taiwán, y en el año 2013 tenía ya más de 30.000 empleados. Se trata de una compañía con un altísimo capital y una de las pocas que puede permitirse invertir miles de millones en desarrollo todos los años, así que no es de extrañar que la mayoría de compañías Fabless decidan encargarle a TSMC la construcción de sus chips, ya que a pesar de que cuando se cambia de nodo el rendimiento suele ser bajo, la realidad es que la inversión en investigación y desarrollo les permite aumentar este rendimiento rápidamente.

Ahora mismo, y tal y como hemos explicado al principio, prácticamente cualquier cosa que se nos ocurra relacionada con el desarrollo y las innovaciones tiene que ver con chips y procesadores, chips y procesadores que en su mayoría pasan en un momento u otro por las manos de TSMC, compañía con base en Taiwán. Y es que es en Taiwán donde se realiza todo este desarrollo, y por lo tanto de Taiwán dependemos para ello. Nos guste o no, Taiwán es el país que domina y dominará todas las innovaciones tecnológicas a nivel mundial.

¿Y por qué no hacer «otro TSMC»?

Porque si fuera sencillo ya lo habrían hecho, ya que a nadie le gusta depender de un monopolio, aunque haya salido así y no es algo que hayan buscado como tal. Cada año, se invierten miles de millones de dólares en I + D para mantener sus ventajas, y el solo hecho de construir una fábrica como las que tiene TSMC en Taiwán costaría precisamente miles de millones:

• La última planta de fabricación de TSMC (Fab18) para fabricar chips de 5 nm con la nueva tecnología costó 17.000 millones de dólares, excluyendo I + D.
• La próxima fábrica de TSMC para chips de 3 nm tiene un coste de 19.600 millones de dólares.

Y en este último caso, calculan que se tardará unos 5 años en comenzar a obtener beneficios, y eso en el mejor de los casos. Las compañías deben investigar a fondo la demanda de productos, incluyendo los posibles cambios a largo plazo, antes de comenzar la construcción de las fábricas (y esto, con los contratos que tienen actualmente, no es un problema para TSMC ya que tienen más demanda que oferta).

El competidor más serio que tiene TSMC en la actualidad en probablemente Samsung, pero como hemos explicado en otras ocasiones, hay bastantes problemas tanto por temas legales o de propiedad intelectual como de capacidad de producción, algo que ya hemos visto con los chips Ampere de NVIDIA fabricados por los coreanos.

Pero no todo es dinero o patentes, cuando hablamos de semiconductores también hay que hablar de física. Por ejemplo, Intel no está teniendo problemas con sus nodos porque les falte tiempo o dinero, simplemente carecen de los expertos que tiene TSMC en su plantilla. La cantidad de ingenieros que tienen el conocimiento sobre cómo montar los chips es muy pequeña, nimia de hecho, en comparación con los ingenieros de software o hardware que hay en el mundo. El problema es que todas las grandes compañías quieren a los mejores, pero no hay muchos graduados en este tipo de empleo y, aun así, necesitan muchos años de formación en la propia empresa. Las barreras de entrada son extremadamente altas en cuanto a fabricación de chips se refiere. Se podría argumentar que no hay muchas más industrias en realidad que requieran tanta inversión y experiencia como la fabricación de semiconductores.

Un ejemplo lo encontramos en Apple, que es muy consciente de este problema y ciertamente ya pensó en tener sus propias instalaciones de fabricación. Con 200.000 millones en el banco es fácil planteárselo, pero al final todo quedó en nada porque nunca tuvieron la certeza de que fueran capaces de fabricar chips con la calidad y eficiencia que tiene TSMC en Taiwán. Algunos fabricantes chinos están intentándolo, pero por ahora quedan a años luz. Lo dicho, nos guste o no, dependemos de Taiwán para el desarrollo y la innovación.