Geopolítica mínima: semiconductores y tierras raras (I)

Representación esquemática de la cadena de producción global de semiconductores. Fuente: CRS, SIA, GPF

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Las paralizaciones y suspensiones de producción que vienen afectando, desde finales de 2020, a varias plantas de montaje de la industria automóvil -de EE.UU. a Serbia, pasando por España- han llamado la atención sobre la importancia de un producto extraordinariamente pequeño, cuyo estrangulamiento de la cadena de suministro puede llevar a interrupciones en la fabricación de cosas enormemente grandes, no solo del modelo F-105 de la Ford o la PlayStation 5 de la Sony, sino del avión de combate F-35 de la Lockheed. Nos referimos a los semiconductores.

Semiconductores

La escasez mundial de semiconductores, también conocida como “chipgeddon”, estaría provocada, en su explicación más sencilla, por una combinación de exceso de demanda de dispositivos electrónicos -motivada por las necesidades derivadas de la pandemia de la Covid-19- y las características particulares de la cadena mundial de producción y suministro de semiconductores.

La mayoría de los semiconductores son circuitos integrados, también denominados chips. Y un chip es un conjunto de circuitos electrónicos miniaturizados compuesto por varios dispositivos (transistores, diodos, condensadores, resistencias) interconectados entre sí y sobrepuestos en diferentes capas sobre una oblea finísima de material semiconductor, normalmente de silicio. Al mismo tiempo que minúsculos, los chips contienen en pocos milímetros cuadrados miles de millones de componentes electrónicos. Simplificando mucho, los semiconductores pueden ser clasificados en tres categorías genéricas: semiconductores lógicos, fundamentales para la computación, donde se incluyen microprocesadores, microcontroladores, chips WiFI o Bluetooth o controladores Ethernet; memorias de semiconductores, utilizados para almacenar información, como es el caso de las memorias DRAM y NAND; y los semiconductores DAO (Discretos, Analógicos y Optoelectrónicos) que transmiten, reciben y transforman información relacionada con parámetros como temperatura y voltaje.

La fabricación de semiconductores es tan compleja como cara. Los precios relativamente asequibles para los consumidores finales de teléfonos inteligentes, tabletas, consolas de videojuegos y todos los demás gadgetselectrónicos son inversamente proporcionales a los costes de construcción de una fábrica de semiconductores -más conocidas como fundiciones, “foundries”o, simplemente, “fabs” por su terminología en inglés-. Mientras que un teléfono inteligente, en el rango más económico, puede llegar a costar 200 €, la inversión necesaria para implementar una fábrica de semiconductores, también en el rango más económico, difícilmente será inferior a los 10 mil millones de dólares.

Si los semiconductores son el cuarto producto más comercializado del mundo -después del petróleo crudo, el petróleo refinado y los automóviles-, no es porque sea uno de los productos sujetos a los aranceles más bajos en el comercio mundial, sino porque su cadena de suministro global está basada en la especialización geográfica. Cinco países en concreto -EE.UU., Corea del Sur, Japón, China y Taiwán-, a los que habría que añadir la Unión Europea, contribuyeron, cada uno con un 8 % o más, al valor agregado total de la industria de semiconductores en 2019. Mientras EE.UU. lidera las actividades más intensivas en I+D, como automatización de diseño electrónico (EDA por sus siglas en inglés), propiedad intelectual, diseño de circuitos integrados y equipos de fabricación avanzados, Corea del Sur y Taiwán están a la vanguardia en la fabricación de obleas de silicio, al paso que China concentra el ensamblaje, empaquetado y pruebas de circuitos integrados.

Cambio de modelo industrial 

Durante mucho tiempo, el modelo de empresa predominante en la industria de semiconductores estuvo caracterizado por los denominados fabricantes de dispositivos integrados, cuya estructura vertical les permitía realizar todas las etapas de producción, desde el diseño a la impresión y venta de sus propios chips. Era, y sigue siendo, el caso de empresas como Intel, Samsung o Texas Instruments. Pero, a partir de 1987, con el apoyo sustancial del gobierno de Taiwán, surgió un nuevo modelo, el “pure-play foundry”, basado únicamente en la fabricación de semiconductores diseñados por otras empresas.

El surgimiento y expansión de este tipo de modelo, motivado por el crecimiento de la demanda de semiconductores desde mediados de la década de 1990, hizo cada vez más difícil que muchas empresas gestionasen tanto la necesidad de grandes cantidades de capital destinado a la fabricación, como los elevados niveles de gasto en investigación y desarrollo para el diseño de semiconductores. Los malos momentos que atraviesa, actualmente, Intel -que llevó a la renuncia del anterior CEO, Bob Swan- tienen mucho que ver con esto. Ello permitió la aparición de nuevos actores, las empresas de diseño de circuitos integrados sin fabrica (“fabless”), entre las que se encuentran Qualcomm, Nvidia, Broadcom y AMD.

Esquema de los diversos tipos de empresas que integran la cadena de producción de semiconductores. Fuente: BCG, SIA

Al descubrir que era más rentable contratar la producción de semiconductores a las fundiciones, las empresas sin fábrica pudieron canalizar el capital que hubiera exigido la construcción de nuevos centros de producción a la investigación y desarrollo de nuevos diseños. Pero, si la participación de las empresas privadas en la investigación y desarrollo aplicados, que generalmente se sigue a la investigación básica, también llamada precompetitiva, se acercó, en 2018, al 80 % del total invertido en este tipo de investigación, también es cierto que, en ese mismo año, el gobierno federal de EE.UU., según datos recopilados por la National Science Foundation, fue el principal contribuyente para la investigación básica, con el 42 % de la inversión. Además, los programas de investigación patrocinados por el gobierno de EE.UU. contribuyeron directamente para ocho importantes avances en la tecnología de los semiconductores. Por ejemplo, los transistores de arseniuro de galio (GaAs), que permiten a los teléfonos inteligentes establecer un enlace de comunicación inalámbrica con torres celulares, se crearon en el programa de Circuito Integrado de Ondas Milimétricas y Microondas (MIMIC por sus siglas en inglés) del Departamento de Defensa de EE.UU. a finales de la década de 1980.

Mientras EE.UU. invertía en el diseño, propiedad intelectual y desarrollo de equipos de fabricación -y aquí también residen las principales razones de los conflictos recientes con China en cuanto al uso de tecnología estadounidense-, el gobierno de Taiwán decidió apostar por el modelo de las “pure-play foundries”. Esta decisión consistió tanto en el apoyo directo en forma de creación de parques industriales científicos, como en la dotación de incentivos fiscales para la construcción de nuevas fábricas. En este contexto, diversas empresas empezaron a implantarse en los múltiples parques científicos que se fueron construyendo por varias ciudades de Taiwán, como Taichung, Taoyuan, Miaoli, Chiayi, Tainan, pero, especialmente, en Hsinchu, el centro de la industria de semiconductores. En la actualidad, Taiwán alberga 2 de las 5 fundiciones más grandes del mundo y es responsable del 20 % de la capacidad global de fabricación de semiconductores. En el parque científico de Hsinchu, la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) tiene 7 fábricas. En total, tiene 14 fundiciones distribuidas por los restantes parques científicos de la isla.

TSMC

TSMC es una de las tres empresas mundiales -junto con Intel y Samsung- con capacidad de producir semiconductores lógicos en nodos avanzados (10 nanómetros o inferiores), imprescindibles para el funcionamiento de dispositivos con grandes exigencias de computación, como centros de datos, servidores de Inteligencia Artificial, ordenadores personales y teléfonos inteligentes. No solo eso, sino que prácticamente toda la capacidad mundial de fabricación de semiconductores en nodos líderes del mercado (5 y 7 nanómetros) se encuentra en Taiwán.

La fabricación de semiconductores requiere hasta 300 insumos y materiales diferentes, desde el polisilicio puro -cuya producción está concentrada en tan solo seis empresas- hasta los equipos de fotolitografía de tecnología ultravioleta extrema (EUV por sus siglas en inglés) destinados a la impresión de los circuitos -que contienen alrededor de 100.000 piezas suministradas por más de 5.000 proveedores repartidos por todo el mundo-. Pese a toda esta cadena de suministro global, lo cierto es que una sola empresa, TSMC, controla una parte significativa del mercado global y fabrica la mayoría de los semiconductores más avanzados del mundo. Y esta concentración es una de las principales causas -asociada con el aumento de la demanda- para que, desde finales de 2020, se verifique una escasez de semiconductores en el mercado mundial. El “chipgeddon”. Una escasez que puede agravarse si la sequía que afecta a Taiwán, la más severa de los últimos 60 años, obligara a las fundiciones de la isla a recortar o limitar la producción de semiconductores.

Ubicación de los principales parques científicos de Taiwán

Sequía en Taiwán

Para garantizar el suministro de agua a la población y a sus parques industriales, Taiwán depende, fundamentalmente, de los tifones que alcanzan la isla -tres, de promedio, cada año-. Pero en 2020, ningún tifón toco tierra. Según datos de la agencia de recursos hídricos de Taiwán, por ejemplo, el embalse “Second Baoshan”, que abastece al importante parque científico de Hsinchu, estaba, a mediados de mayo de 2021, al 3,66 % de su capacidad. A finales de febrero, este mismo embalse se encontraba al 14,7 % de su capacidad. Por otro lado, los dos embalses -Liyutan y Shihgang- que abastecen al parque científico de Taichung, centro de importantes fundiciones, estaban, a finales de abril de 2021, al 5 % de su capacidad. Desde finales de febrero de 2021, el gobierno de Taiwán viene solicitando a los fabricantes de semiconductores que reduzcan, hasta el 15 %, el consumo de agua -después de haber racionalizado su uso agrícola-, mientras las empresas activan planes de contingencia para garantizar el abastecimiento, como el recurso a camiones cisterna.

Para imprimir los circuitos en cada oblea de silicio son necesarios unos 10.000 litros de agua. El agua tiene que ser pura, purísima, sin una única bacteria o microorganismo, ya que es el medio utilizado para proyectar la luz que imprimirá los circuitos integrados en el silicio. De ahí que la producción de semiconductores requiera la utilización de grandes cantidades de agua y una sequía severa no es, propiamente, la mejor manera de asegurar su disponibilidad. Según los propios datos de TSMC, la compañía necesita 156.000 toneladas de agua al día, aproximadamente un tercio de toda el agua utilizada en los parques científicos más importantes de Taiwán. La escasez de agua, especialmente en torno al parque científico de Hsinchu, también afectó a la empresa Unimicron, el mayor fabricante mundial de película acumulativa de Ajinomoto, más conocida como Ajinomoto Build-up Film(ABF), un componente clave que proporciona aislamiento eléctrico de sustratos de circuitos complejos utilizados tanto por la industria automóvil como en las estaciones base de 5G.

En todo caso, no es la primera vez que la cadena de suministro de semiconductores se ve afectada. Por ejemplo, en septiembre de 1999, un fuerte terremoto en el centro de Taiwán obligó al cierre durante seis días del parque científico de Hsinchu, lo que provocó una subida de los precios de los chips de memoria y el hundimiento de las acciones de empresas como IBM, Hewlett Packard, Intel y Xerox, las cuales perdieron entre el 18 % y el 40 % de su valor en el mes de octubre de 1999. En 2011, el terremoto y tsunami de Tōhoku, que originó el accidente nuclear de Fukushima, llevó a que el 25% de la producción mundial de obleas de silicio y el 75% del suministro mundial de peróxido de hidrógeno se viesen afectados por el desastre. Más recientemente, en 2019, Japón impuso restricciones a las exportaciones destinadas a Corea del Sur -como consecuencia del largo conflicto diplomático y judicial en torno a las indemnizaciones reclamadas a Japón por los crímenes cometidos durante la Segunda Guerra Mundial- que afectaron, entre otros productos, a tres sustancias químicas fundamentales para la fabricación de semiconductores, cuyo suministro mundial depende el 90 % de los proveedores japoneses.

Interrupciones en las cadenas de suministro

Los semiconductores no son el único producto cuya cadena de suministro registró interrupciones en las últimas semanas y meses. Por lo menos en EE.UU., hay noticias de escasez de pollos-por el aumento de la demanda y falta de trabajadores en las granjas-, escasez de cobre-por el aumento de la demanda y la disminución de la oferta-, escasez de plásticos-originada por la producción de pruebas PCR y vacunas contra la Covid-19-, escasez de conductores de camiones -como resultado del número insuficiente de instructores-, y escasez de cloro e, incluso, de ketchup.

Antes de que todo esto fuera noticia, en septiembre de 2020, precisamente en Taiwán, diplomáticos de EE.UU. y otros países occidentales, se reunieron con funcionarios taiwaneses para discutir el desarrollo de una coalición de democracias con ideas afines destinada a cambiar las cadenas de suministro globales. También en el mes de septiembre de 2020, Japón anunció nuevas medidas para facilitar la concesión de subsidios gubernamentales a los fabricantes japoneses que trasladen sus operaciones de China a India o Bangladesh; antes estas ayudas estaban destinadas únicamente a las empresas que trasladasen sus centros de producción al propio Japón o a otros países del Sudeste Asiático. Pero la decisión más importante fue la adoptada durante la administración Trump de prohibir que compañías chinas, principalmente Huawei, obtengan componentes electrónicos, incluyendo los fabricados en el extranjero, con tecnología estadounidense. Esta medida fue reforzada, en los últimos días de Donald Trump como presidente de EE.UU., con la notificación a los proveedores de Huawei, incluyendo Intel, de la revocación de ciertas licencias para vender aplicaciones a la compañía china. Cinco meses después, a finales de febrero de 2021, y con unas elecciones presidenciales de por medio, el nuevo presidente estadounidense, Joe Biden, firmó una orden ejecutiva instituyendo un periodo de revisión de 100 días de las cadenas de suministro globales utilizadas por cuatro industrias clave: productos farmacéuticos, baterías de gran capacidad para vehículos eléctricos, tierras raras y semiconductores. El objetivo de esta medida es identificar las vulnerabilidades de las cadenas de suministro excesivamente dependientes de China.

Taiwán entre EE.UU y China

De acuerdo con los últimos datos publicados por la Semiconductor Industry Association (SIA), a marzo de 2021, los controles a la exportación de componentes electrónicos a las empresas chinas abarcaban toda la cadena de suministro de semiconductores, lo que supone un problema de abastecimiento para empresas como Huawei, ya que las empresas estadounidenses son, en la actualidad, las únicas viables en la automatización de diseño electrónico y equipos de producción avanzados. Aunque la participación de China en el diseño y fabricación de semiconductores sigue siendo relativamente baja -pese a existencia de la Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC), la empresa de fundición de conductores más importante del país-, su posición relevante en la última fase de la cadena de suministro, esto es, ensamblaje, empaquetado y prueba de semiconductores, le ha permitido emerger como un centro del comercio mundial en la fabricación y montaje de dispositivos electrónicos.

Perspectiva de crecimiento de la capacidad de fabricación de semiconductores de China entre 2020 y 2030. Fuente: BCG, SIA.

En 2020, China utilizó más del 60 % de los semiconductores producidos en todo el mundo. Pese a los avances logrados en los últimos años, sigue dependiendo de la tecnología de las empresas estadounidenses de la misma manera que depende de TSMC para la fabricación de sus propios semiconductores. Solo una empresa china, Huawei, fue responsable del 14 % de los ingresos de TMSC en 2020. Una dependencia tan abrumadora de una sola empresa ubicada en una isla cuyo control reclama supone una vulnerabilidad. Para mitigarla, China viene invirtiendo en la creación de una cadena de valor de fabricación que le garantice algún nivel de autosuficiencia. Lo viene haciendo, por lo menos desde 2018, cuando el presidente Xi Jinping señaló la creación de una industria nacional de semiconductores como una prioridad clave para hacer de China una superpotencia tecnológica. Dentro de esta estrategia se enmarca el anuncio, a mediados de marzo de 2021, de la construcción de una nueva fundición de SMIC en la ciudad de Shenzhen, con una inversión del gobierno chino de 2.350 millones de dólares. El anuncio de la construcción de una nueva fábrica de semiconductores se enmarca dentro del último plan quinquenal chino en el que se señala a los circuitos integrados como una de las siete tecnologías de vanguardia que se beneficiarán de un aumento anual del 7 % en la inversión en I+D hasta 2025

De Europa al Indo-Pacífico

En relación a los semiconductores, el objetivo de la Comisión Europea, enmarcado dentro del plan “Brújula Digital 2030” -presentado a principios de marzo de 2021- y uno de los aspectos clave de la Estrategia Industrial de la UE –actualizada el pasado 5 de mayo de 2021-, es duplicar la participación de la UE en la producción mundial de semiconductores del 10 % al 20 % hasta 2030. Para poder alcanzar ese objetivo, la UE apoya la creación de alianzas industriales que atraigan inversores privados, por lo que está preparando la puesta en marcha de la Alianza sobre procesadores y tecnologías semiconductores. Dentro de esta búsqueda de inversores privados se interpretan las recientes reuniones del comisario europeo del Mercado Interior, Thierry Breton, tanto con el CEO de Intel, Pat Gelsinger, como con la presidenta de TSMC en Europa, Maria Marced.

En el territorio de la Unión Europea, Dresden es el principal centro de producción de chips, la “Silicon Saxony” donde el fabricante estadounidense GlobalFoundries y la antigua subsidiaria de Siemens, Infineon, tienen sus plantas. Pero la industria más importante situada en la UE es la de fabricación de equipos para la impresión de circuitos integrados. Tan importante que la Comisión de Seguridad Nacional de EE.UU. sobre Inteligencia Artificial (NSCAI por sus siglas en inglés) recomendó, en un informe publicado en marzo de 2021, una mayor colaboración entre EE.UU. y la UE. Si TSMC es el principal fabricante mundial de semiconductores, solo puede producirlos gracias a ASML, una empresa con sede en Holanda y la única suministradora de tecnología de fotolitografía ultravioleta extrema (EUV) utilizada para producir semiconductores en nodos de 5 y 7 nanómetros. Estos semiconductores se utilizan para fabricar el armamento más sofisticado de la actualidad, desde misiles hipersónicos hasta la última generación de armas nucleares. Pero también se emplean en la producción de teléfonos inteligentes. El drone MQ-9 Reaper es construido con la misma tecnología que el iPhone 12. Por este motivo, el mencionado informe de la NSCAI de marzo de 2021 sugiere que EE.UU. y Holanda deberían conciliar sus políticas sobre la exportación de equipos de fabricación de semiconductores, entre los que se incluye los de fotolitografía ultravioleta extrema. El objetivo es, claramente, impedir que China tenga acceso a este tipo de tecnología. También por eso, recomienda la creación de una Asociación de Tecnología de Seguridad Atlántico-Pacífico que incluya a los países europeos y del Indo-Pacífico.

Principales flujos comerciales de semiconductores. Fuente: BCG, SIA.

Las recomendaciones de la NSCAI coincidieron no solo con la insistencia, por parte de la Comisión Europea, de la creación de un Consejo de Comercio y Tecnología (TTC por sus siglas en inglés) con EE.UU. que permita establecer y armonizar definiciones sobre tecnología crítica, sino, principalmente, con el lanzamiento, a finales de abril de 2021, de la Supply Chain Resilience Initiative (SCRI por sus siglas en inglés), una iniciativa conjunta de Australia, India y Japón con el objetivo de fortalecer la resiliencia de las cadenas de suministro -que han mostrado vulnerabilidades durante la pandemia- y adoptar medidas políticas para apoyar una mejor utilización de la tecnología digital y apoyar la diversificación del comercio y la inversión. El portavoz del Ministerio de Relaciones Exteriores de China condenó la iniciativa, calificando el plan de los tres países como artificial y desfavorable para la economía mundial.

Licenciado en arquitectura por la Universidad de Lisboa y con el curso en análisis de inteligencia del Instituto de Ciencias Forenses y de la Seguridad de la Universidad Autónoma de Madrid. Interesado en historia y geopolítica. En el ámbito de la seguridad, atraído por la seguridad alimentaria.

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