Pocas tecnologías han impactado tanto la historia de la humanidad como los transistores y la aplicación práctica de los semiconductores. El teléfono que está usando para leer este contenido, su computador, tableta, televisor e incluso su automóvil tienen semiconductores en sus entrañas. 

Hablando de semiconductores es normal que salgan a la luz nombres como Intel, AMD, Samsung, Qualcomm, MediaTek, Nvidia, entre muchos otros. Lo que pocos conocen es que detrás de muchas de estas compañías se esconde el nombre de una de las empresas más valiosas de toda la industria de los semiconductores. 

Su nombre es TSMC –Taiwan Semiconductor Manufacturing Company–, y está presente en muchos de los dispositivos actuales. El chipset de su teléfono inteligente –sin importar si es Qualcomm, MediaTek o Apple– fue fabricado TSMC. Si su CPU es AMD, fue fabricado por TSMC. La fabricación de TSMC se extiende a más de 500 compañías del mundo, dentro de las que se incluyen gigantes como Apple, MediaTek, AMD, HiSilicon, Qualcomm y Sony. 

El papel de TSMC es solamente uno: fabricar los chips que van dentro de muchos de los dispositivos actuales. Este enfoque exclusivamente hacia la manufactura de silicio ha convertido a esta compañía en una de las más invaluables de la industria y clave en toda la línea de producción de semiconductores.

TSMC domina casi el 52 % de la industria de semiconductores. Samsung está detrás con un lejano 18 %, y la estadounidense Globalfoundries cubre apenas un 7 % del mercado.  

Una breve historia de los semiconductores

El desarrollo de los semiconductores lleva con nosotros gran parte del siglo XIX, así como el XX y XXI. Científicos como Thomas Johann Seebeck –en 1821– y Michael Faraday –en 1833– reportaron cambios en el comportamiento de compuestos como el sulfuro de plata. Estos cambios eran principalmente térmicos, pero que curiosamente modificaban la resistencia con la que el componente reaccionaba a estímulos eléctricos.

Apunte TIC: Un semiconductor es definido como un material cuya resistencia eléctrica se encuentra entre el valor de un conductor (como el bronce) y el de un aislante (como el vidrio o el plástico).

Un semiconductor conduce la electricidad más fácilmente cuando es sometido a altas temperaturas y viceversa. En palabras sencillas, un semiconductor puede conducir electricidad en unas ocasiones, y en otras, no.

Estos semiconductores llevaron a la creación de transistores, que a su vez fueron mejorados para crear Mosfet –metal-oxide-semiconductor field-effect transistor o transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal–. Estos Mosfet son esencialmente transistores que pueden ser miniaturizados y producidos de manera masiva.

Precisamente esto fue lo que hizo Intel cuando lanzó al mercado su Intel 4004 –el primer microprocesador producido comercialmente–. Intel es ampliamente reconocido como el creador de la CPU moderna, y hoy por hoy sigue siendo una de las empresas con más valor en el mercado de los semiconductores.

Dato curioso: El procesador Intel 4004 tenía 2.300 transistores. La tarjeta GA100 de Nvidia  –actualmente la unidad de procesamiento gráfico (GPU) más potente del mercado– tiene 54.000 millones de transistores.    

La fabricación moderna de los semiconductores se realiza con base en silicio, que se llama silicon en inglés y que precisamente le da el nombre a Silicon Valley, ‘la Meca’ del desarrollo tecnológico en el mundo. En ocasiones se traduce erradamente como silicona, pero no: es silicio. Este silicio es procesado en fábricas especializadas conocidas como foundry o fab en inglés.

La fabricación es realizada en uno de los ambientes más limpios del mundo y con ventilación funcionando 24/7. Cuando hablamos de semiconductores, es normal escuchar términos como nanómetros para definir algunas de las ventajas frente a otros competidores. 

“El tema de los nanómetros es una unidad de medida. Sin volvernos muy técnicos, es un espacio determinado en uno de los procesos litográficos o de producción de semiconductores a nivel de procesadores y chips en general. Es aprovechar cierto espacio para poder meter muchísimos transistores, muchos componentes –millones en general, realmente– para poder tener procesadores y productos de vanguardia”, nos explica Yeisson Parra Alfonso, gerente de venta de la División de componentes de AMD. En otras palabras, un proceso mas pequeño y de menos nanómetros significa que los ingenieros pueden tener más componentes en el mismo espacio.

Un nanómetro equivale a una billonésima parte de un metro, expresado como 1×10−9. A esa escala, un cabello humano o una partícula de polvo puede arruinar una línea entera de chips. La fabricación de semiconductores es hoy por hoy uno de los procesos más complicados, y no sorprende que los costos para crear y mantener estas fábricas tienden a ser bastante restrictivos para empresas pequeñas.  

Entre chips y obleas

En la industria de semiconductores existen 3 términos que sirven para describir a las compañías. Empresas como Samsung o Intel, que diseñan y manufacturan sus propios chips en sus fábricas propias, son conocidos como IDM; en inglés Integrated device manufacturer, o simplemente fabricante de dispositivos integrados. 

De la misma forma, dado el complicado proceso de producción, compañías como Nvidia, AMD y Apple se definen como fabless. Esto viene de las palabras fab (fábrica de semiconductores) y less para nombrar a compañías que diseñan microchips pero que no los fabrican y no tienen fábricas propias. Fabless simplemente es sin fabricas.

Pero entonces, ¿en dónde son fabricados estos chips? Pure-play es un término en inglés que se refiere a fábricas de semiconductores que simplemente manufacturan el silicio de los chips pero que no colaboran con el diseño. En otras palabras, las compañías pure-play funcionan para fabricar los chips que las empresas sin fábricas (o fabless) diseñan. 

Hoy por hoy, TSMC es la compañía pure-play más grande e importante del mercado. Sus 18 fábricas alrededor del mundo producen más de 144 millones de pulgadas de silicio anuales, por los que corre mucha de nuestra infraestructura tecnológica actual. 

Su país natal es Taiwán, ha crecido al mismo ritmo de la industria tecnológica y que además de TSMC también tiene a gigantes como MediaTek –que recientemente se convirtió en la compañía más grande de chips de teléfonos– Quanta y Asus. 

Esta es una oblea de silicio o wafer en inglés. Aunque comparte nombre con el postre que en Colombia comemos con dulche de leche, el silicio lamentablemente no es comestible. Imagen: Michael Hicks en Flickr

“Sabía lo competitivo que era el mercado de los semiconductores, y lo difícil que sería hacerse un hueco para una nueva empresa taiwanesa», dijo Chang Morris, fundador y CEO de TSMC por más de 31 años, en una entrevista que le hicieron en 2007, cuando su empresa ‘apenas’ tenía 20 de vida. Morris fundó TSMC en 1987, que se convirtió en la primera y única compañía en enfocarse solamente a la manufactura de chips.

“No teníamos fuerza en la investigación y el desarrollo, o muy poca, al menos. No teníamos fuerza en el diseño de circuitos, en el diseño de productos, en el diseño de productos IC (circuitos integrados). Teníamos poca fuerza en ventas y marketing, y casi no teníamos fuerza en propiedad intelectual. El único punto fuerte que tenía Taiwán, e incluso eso era un potencial, no uno obvio, era la fabricación de semiconductores, la fabricación de obleas,” destacó Morris.

La influencia de los semiconductores se extiende incluso a industrias que no están necesariamente conectadas. Los automóviles, por ejemplo, tienen un potencial inmenso gracias a la implementación de semiconductores en su diseño.

Hoy en día –por ejemplo– en diversos mercados, el sistema BMW ConnectedDrive, gracias a una tarjeta sim integrada de fábrica en el tablero de los vehículos, ofrece diversos servicios como Información de Tráfico en Tiempo Real, Teleservices para agendar una cita de servicio, Llamada Inteligente de Emergencia, entre otros”, nos explica BMW Group Autogermana, importador oficial en Colombia de la marca. La empresa alemana tiene como visión un automóvil autónomo, conectado, eléctrico y enfocado a los servicios. Esta visión está retratada en su BMW iX, que llegará al mercado en el 2021 y no sería posible sin circuitos integrados y semiconductores.

El mercado sigue creciendo

La industria de los semiconductores es no solamente una de las que más crecen y que mejores prospectos tienen a futuro, sino también de las que más requieren talento humano. Pese a que la fabricación de chips a base de silicio ha sido perfeccionada a lo largo de las últimas 3 décadas, hoy en día solamente 3 compañías producen los chips más avanzados del mercado: TSMC, Samsung e Intel. 

TSMC tiene como clientes importantes a AMD –que actualmente tiene las CPU más potentes del mercado–, Qualcomm –quien maneja los chips Snapdragon–, MediaTek –el fabricante de chips móviles más grande del mercado– y Apple. Samsung tiene entre sus fábricas a Nvidia, que recientemente compró Arm y superó a Intel como el fabricante de chips más valioso de los Estados Unidos.

Intel, por su parte, no comercializa producción de silicio y mantiene sus fábricas estrictamente para producción propia. Su posición dominante ha significado históricamente mejor rendimiento y tecnología que las de sus rivales, pero en los últimos años ha perdido terreno frente a TSMC, AMD y Nvidia. Curiosamente, Intel ha mostrado interés en contratar producción en la litografía de 5 nanómetros de TSMC.

Dentro de los clientes de TSMC también se incluyen compañías como NXP, ST Microelectronic, Infineon y Renesas Electronics. Aunque poco conocidas, estas compañías diseñan los chips que encontramos en la industria automotriz. Cuando tengamos automóviles autónomos, muchos seguramente tendrán chips fabricados por TSMC.

El ya mencionado BMW Group Autogermana le dijo a Impacto TIC: “Varias tecnologías de producción innovadoras de Industria 4.0 se combinan en un concepto general y se prueban en condiciones reales en la planta de BMW Group, en Dingolfing, Alemania. Detrás del proyecto hay una visión de producción totalmente conectada en la que los sistemas de transporte autónomos, los robots logísticos y los dispositivos móviles se comunican a la perfección entre sí y con el sistema de control.

En el mercado de los semiconductores, el tamaño lo es todo. TSMC actualmente tiene procesos en 7 y 5 nanómetros, que lo ponen por delante de los 10 nanómetros de Intel y muy parejo con los 8 nanómetros de Samsung. Aunque estos nanómetros son solamente una unidad de medida, lo cierto es que tienen implicaciones reales e importante en la competitividad y beneficio de la industria.

“Definitivamente debíamos usar un nuevo proceso litográfico justamente para poder ofrecer Zen 3. Para hacer una comparativa general, con 7 nanómetros tenemos procesadores para la línea Ryzen de consumo de hasta 16 núcleos y 32 hilos. Si hubiésemos seguido con el proceso litográfico anterior de 12 nanómetros no podríamos llegar a eso, o tal vez lleguemos a esta cantidad de núcleos pero con un consumo energético totalmente absurdo,” afirmó Yeisson Parra de AMD.

¿Qué es la ley de Moore?

La Ley de Moore es un postulado que afirma que el número de transistores en un circuito integrado (como una CPU) se duplica alrededor de cada 18 meses.

Dicha observación fue hecha por Gordon Moore, cofundador de Fairchild y de Intel, en 1975. Incluso hoy en día, la proyección se mantiene verdadera y se ha convertido en una ley.

Aunque hasta ahora es verdad, actualmente compañías como TSMC se están acercando al límite físico del silicio. Una vez la industria llegue a los 2 nanómetros –proyectado en 5 a 6 años– deberá necesariamente cambiar el proceso de manufactura.

El mercado de los semiconductores cerró 2020 con 440.000 millones de dólares en ventas –un incremento de 6,8 % comparado con 2019–. Esta es una tendencia que no para de subir y que representa ganancias importantes para una industria cada vez más necesaria en el mundo conectado.

La dependencia nunca es buena

Pese a esto, la condición de emergencia a causa del Cóvid-19 ha traído con ella una alta demanda de componentes electrónicos. En muchos de estos componentes la pieza más importante es el chip, y la situación actual de escasez de chips ha puesto los ojos del mundo sobre TSMC. Aunque sin duda alguna el mercado prospera, la actual dependencia en una sola compañía se ha convertido en un cuello de botella importante.

Este es el uniforme requerido para trabajar en la fabricación de semiconductores. Imagen: Librería del Congreso de los Estados Unidos

Precisamente este cuello de botella es la razón principal por la que las nuevas consolas de videojuegos de Sony y Microsoft (cuyo chip es diseñado por AMD y fabricado por TSMC) son escasas. A esto también se le suma la escasez de nuevas CPU y GPU, e incluso Apple ha sufrido por conseguir suficientes chips A para sus iPhone y M1 para sus nuevos computadores con silicio Apple.  

Incapaz de poder escalar inmediatamente su producción para satisfacer la demanda, TSMC está invirtiendo en fábricas de chips gigantescas a futuro. Para el 2024 construirá una fábrica de semiconductores en Arizona, Estados Unidos, para producir chips de 5 nanómetros. El costo total de la fábrica está alrededor de los 12.000 millones de dólares, que de inmediato la convierte en una de las fábricas más caras de todo el país.

Aunque la industria y el momento por el que pasa TSMC son sin duda alguna bueno, la dependencia en su fabricación ha hecho que incluso la administración estadounidense del presidente Joe Biden firme órdenes ejecutivas para incentivar soluciones locales. China, por su parte, también ha invertido en fábricas como SMIC (Semiconductor Manufacturing International Corporation) y Hua Hong para hacerle frente a la dominancia de TSMC.

Las raíces de la tecnología moderna

Es difícil de sobrevalorar la importancia de los semiconductores en nuestra vida moderna. Hoy en día existen pocos aspectos de nuestro entorno digital que no implementen semiconductores, y muchos de estos han sido fabricados por TSMC. 

El modelo abierto y de diseño y fabricación que han impulsado compañías como esta ha tenido consecuencias reales en la industria de la tecnología. Muchas de las empresas más grandes del mundo en tecnología confían sus diseños a TSMC, pero de la misma forma existen compañías pequeñas pero innovadoras como Xilinx que no podrían desarrollarse sin la capacidad de contratar la fabricación de silicio a partir de sus propios diseños.

Es innegable el trabajo que gigantes de los semiconductores como Apple, Qualcomm, MediaTek y AMD han hecho para volverse líderes de la industria. Sin embargo, cada vez que utilicemos nuestro teléfono o nuestro computador, también vale la pena recordar que posiblemente nada de esto sería posible sin TSMC. Una compañía que fabrica tal vez los componentes más pequeños del mercado, pero cuyos pasos gigantes se sienten por toda la industria.

Imagen principal: Laura Ockel en Unsplash