¿Adivinarías cuánto se tarda en fabricar un chip de computadora?

Hace 10 años, Christopher Belfi estaba trabajando como mesero en un resort en el norte del estado de Nueva York cuando recibió una propuesta laboral que había estado esperando: una invitación para trabajar en una fábrica de semiconductores.

Belfi, que se había graduado recientemente de la Universidad Estatal de Nueva York en Albany con un título en tecnología, conversó con dos clientes en el resort que resultaron ser gerentes en una fábrica de semiconductores. “Solía entrenar a equipos de robótica en la universidad. Y por eso estábamos hablando de eso. Dejaron sus tarjetas de presentación en mi chequera, y presenté mi renuncia y nunca regresé a mi vieja vida”, dice Belfi.

Comenzó como técnico, reparando el equipo automatizado que transporta las obleas de silicio de una máquina a otra. Con el tiempo, pasó a ser supervisor del sistema automatizado que impulsa miles de cápsulas a lo largo del techo de la fábrica, cada una con 25 discos brillantes que servirían para dar energía a un teléfono móvil, un avión o los airbag en los autos.

Últimamente hay más cápsulas a lo largo del techo del lugar, ya que la planta de GlobalFoundries, una de las pocas fábricas de este estilo en los Estados Unidos, compite para mantenerse al día con la creciente demanda de chips de computadora.

Chris Belfi, gerente senior

Los diminutos componentes son el cerebro detrás de una gama cada vez mayor de productos electrónicos, desde cepillos de dientes y refrigeradores hasta aspiradoras y automóviles. Se pronostica que las ventas globales de chips crecerán un 20% este año y un 9% el próximo año, ya que los teléfonos inteligentes y las computadoras portátiles utilizan más componentes. Incluso los productos más mundanos (llantas, timbres y bombillas) ahora requieren chips para que funcionen.

Sin embargo, el enorme gasto de construir una fábrica de semiconductores, y el proceso de meses necesario para hacer un chip, significa que la demanda global supera con creces la oferta. Eso ha obligado a los fabricantes de automóviles y otros usuarios de chips a interrumpir la producción y ha llevado a los legisladores a respaldar los subsidios federales para tratar de impulsar la fabricación de chips en Estados Unidos.

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Hay cientos de empresas que diseñan chips de computadora, pero menos de dos docenas en todo el mundo los fabrican en grandes cantidades, lo que deja a esas fábricas bajo una enorme presión.

Muchas de las instalaciones más grandes están en Taiwán, que ahora produce el 20% de los semiconductores del mundo y más del 90% de los chips de más alta tecnología, según un informe encargado por la Asociación de la Industria de Semiconductores, que se autodenomina la “voz de la industria de semiconductores”.

Asia en su conjunto produce alrededor de las tres cuartas partes de los semiconductores mundiales, mientras que Estados Unidos fabrica alrededor del 13 por ciento. Para impulsar la producción estadounidense, el Senado autorizó el mes pasado 52 mil millones dólares en subsidios para nuevas fábricas e investigación de chips. La medida, respaldada por el presidente Joe Biden, aún debe aprobarse en la Cámara, donde aún no se ha agregado a la legislación pendiente.

GlobalFoundries, que es propiedad total del gobierno de Abu Dhabi y tiene su sede en Malta (Nueva York), es una de las principales fuentes de producción de EEUU. La planta de Malta funciona las 24 horas del día y produce 500.000 obleas de silicio al año que luego se cortan en chips individuales.

La sala limpia de GlobalFoundries

Cientos de empleados se ponen un elaborado equipo de protección conocido como trajes de conejito al comienzo de cada turno, para evitar que las pelusas sueltas o el pelo estropeen las obleas. Incluso una mota de polvo puede arruinar el minucioso proceso de producción de las virutas.

Antes de acompañar en un recorrido por la planta a The Washington Post, Belfi se vistió: dos capas de botines, dos pares de guantes, una redecilla, una capucha y un mono. Las gafas protectoras y las mascarillas también son estándar, por lo que adaptarse a los protocolos COVID-19 “realmente no fue diferente”, dijo Belfi.

Maneja a 95 personas y ha aprendido a identificarlas con sus trajes. “Reconoces a la gente por el paso con el que caminan”, dijo.

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La fábrica está llena del zumbido estático de la maquinaria —que tienen un valor de 10 mil millones dólares— y el cálido resplandor de la luz amarilla, que protege las obleas sensibles a la luz de daños.

Los discos de silicona de 12 pulgadas parecen espejos lisos y brillantes cuando llegan a la fábrica. Tres meses después, están cubiertos de intrincados grabados que forman miles de millones de transistores, los interruptores microscópicos que controlan las corrientes eléctricas y permiten que el chip realice tareas.

Hay alrededor de 700 pasos de procesamiento a lo largo del camino, a través de los cuales se imprimen y graban docenas de capas de patrones una encima de la otra, siguiendo los diseños proporcionados por cada cliente de chips.

Los transportes de los futuros chips

“Piense en hacer un pastel”, dijo Belfi por encima del ruido de la maquinaria. “En este caso, será un pastel de 60 a 75 capas, y ese pastel se construirá en aproximadamente dos y medio, tres meses”.

Para crear cada capa, la oblea se recubre con un químico sensible a la luz. Luego, una impresora de alta tecnología conocida como máquina de litografía proyecta el mismo patrón diminuto una y otra vez a través de la oblea, como si estuviera estampando el mismo patrón en cada cuadrado de un tablero de ajedrez, con cada cuadrado representando un chip futuro.

Posteriormente, una máquina de grabado graba esos patrones en la oblea, y se depositan y hornean más productos químicos en la superficie. Este proceso se repite una y otra vez a medida que se colocan diferentes patrones uno encima del otro para crear docenas de capas de transistores. Luego, las capas se conectan entre sí a través de cables de cobre para permitir que las señales y la energía viajen por todo el chip.

Las cápsulas que llevan las obleas rara vez descansan durante este proceso de tres meses, viajando de una máquina a otra de acuerdo con una ruta preprogramada.

Belfi y los otros ingenieros están allí para asegurarse de que las máquinas no se averíen, una tarea que se ha vuelto más urgente a medida que aumenta la demanda. La maquinaria en una fábrica de chips típica, conocida como fábrica, funciona aproximadamente el 90 por ciento del tiempo, con un 10 por ciento de tiempo de inactividad por mantenimiento programado o urgente.

Los equipos más importantes y costosos de la fábrica son las máquinas de litografía que imprimen los intrincados diseños de las obleas. La planta tiene 20 de esos; cada uno costó aproximadamente 100 millones de dólares.

“Cuando esa máquina se rompe, es importante que la arregle con bastante rapidez”, dice Peter Benyon, gerente general de la fábrica, que anteriormente dirigía una planta de GlobalFoundries en Singapur.

El verano pasado, cuando la demanda de chips se disparaba, una de las máquinas de litografía de la fábrica de Malta no funcionó correctamente. Normalmente, el fabricante del equipo, la empresa holandesa ASML, enviaría un ingeniero para ayudar a solucionarlo, pero debido a la crisis del coronavirus, eso no fue posible. Entonces, en cambio, un técnico de la fábrica que llevaba un casco de realidad aumentada se conectó con ingenieros de ASML en los Países Bajos para que pudieran ver el interior de la máquina y supervisar las reparaciones, dijo Benyon.

Volver a poner la maquinaria en línea rápidamente puede ayudar a una fábrica a sacar más virutas. También puede reducir la cantidad de chips defectuosos por oblea, dijo Benyon.

Pero impulsar drásticamente la producción significa construir nuevas fábricas. Para el próximo año, los fabricantes de chips habrán comenzado la construcción de 29 nuevas fábricas en todo el mundo, según SEMI, una asociación de la industria.

China y Taiwán construirán más de la mitad de estos, ocho cada uno, seguidos de seis en los Estados Unidos, tres en Europa y Medio Oriente y dos en Japón y Corea.

Estados Unidos fabricó más de un tercio de los chips del mundo a principios de la década de 1990, pero la producción se trasladó a Asia a medida que las empresas de chips buscaban mano de obra más barata y Taiwán, Corea del Sur y China comenzaron a subsidiar fuertemente la fabricación de chips.

La demanda supera a la oferta

Los inversores también presionaron a las empresas de chips estadounidenses para que se centraran en el diseño de semiconductores y subcontrataran la fabricación a Asia debido al enorme costo requerido para mantener las fábricas de chips, según Glenn O’Donnell, analista de tecnología de la firma de investigación de mercado Forrester.

Preocupados de que el péndulo haya oscilado demasiado, los funcionarios y legisladores estadounidenses ahora están ansiosos por reconstruir la producción nacional de chips con la ayuda de subsidios federales. A medida que los chips se vuelven más importantes para los sistemas de armas y para la economía en general, depender demasiado de Asia socava la seguridad nacional, argumentan.

“Que Estados Unidos tenga un suministro sólido de semiconductores es importante para nuestra defensa nacional y nuestra seguridad económica”, dijo el entonces líder de la minoría del Senado, Chuck Schumer, DN.Y., durante una visita a la fábrica de Nueva York el año pasado, mientras promocionaba el proyecto de ley de financiación federal.

GlobalFoundries planea expandir la producción de la fábrica de Malta en al menos una cuarta parte si recibe parte del subsidio federal respaldado por el Senado, dijo el director ejecutivo Tom Caulfield en una entrevista en febrero. Algunos de los clientes de la empresa también están dispuestos a invertir para expandir la producción y asegurar suministros estables, dijo Caulfield.

El objetivo es duplicar la capacidad de producción en Malta en los próximos años con fondos de la empresa, sus clientes y el gobierno federal, dijo el portavoz Michael Mullaney.

GlobalFoundries está utilizando una combinación similar de inversión para impulsar la producción en sus fábricas en el extranjero; su planificada expansión de 4 mil millones dólares de su planta de chips en Singapur incluye fondos del gobierno de Singapur.

Mientras tanto, Intel, con sede en California, se ha comprometido a gastar 20 mil millones dólares para construir dos fábricas en Arizona. El director ejecutivo de Intel, Pat Gelsinger, ha dicho que Estados Unidos debería apuntar a aumentar su participación en la producción mundial de chips por encima del 30 por ciento.

Por ahora, los fabricantes estadounidenses tendrán dificultades para igualar el bajo costo y la sofisticación de sus rivales asiáticos, según Steven Vogel, presidente del programa de economía política de la Universidad de California en Berkeley, que ha estudiado la industria de los chips.

“Taiwán y los coreanos son los mejores del mundo en cuanto a precio y calidad”, dijo. Estados Unidos debería tomar medidas para reconstruir su fabricación de semiconductores, pero “existen enormes beneficios de eficiencia para la cadena de suministro global”, dijo.

Los fabricantes más avanzados, TSMC de Taiwán y Samsung de Corea del Sur, han anunciado planes para construir nuevas fábricas en los Estados Unidos y se espera que sean elegibles para los subsidios federales en caso de que se conviertan en leyes.

Las empresas de chips han enfatizado la necesidad de una mejor educación STEM y capacitación de los trabajadores para preparar a la fuerza laboral de fabricación de semiconductores.

“Para nosotros, una de las dificultades es conseguir gente calificada para el trabajo porque no hay muchas universidades que ofrezcan un plan de estudios sobre la fabricación de semiconductores”, dijo Belfi.

Hay varios ex mecánicos de automóviles en el equipo de Belfi y algunos ex mecánicos de la Fuerza Aérea que solían reparar aviones. “Muchas de sus pasiones externas están en la misma cuadra en Saratoga Speedway”, dijo, refiriéndose a una pista de carreras de autos cercana. “Buscamos habilidades técnicas, antecedentes mecánicos”.

Otros grupos en la fábrica buscan empleados con títulos en ciencia de materiales, química o ingeniería, dijo. GlobalFoundries ofrece pasantías que brindan dos años de capacitación en el trabajo a empleados sin un título, y trabaja con colegios comunitarios para ayudar a diseñar planes de estudio relacionados con chips.

El propio Belfi estudió principalmente software y ciencias de la computación en la universidad, pero prefirió construir cosas, lo que hizo por diversión mientras entrenaba a los escolares que competían en equipos de robótica.

“Me impulsaba mucho más el equipo y me gustaba trabajar con las manos”, dijo.