La resiliencia de la cadena de suministro de semiconductores en EE. UU.

En febrero de 2021, el presidente Biden firmó la Orden Ejecutiva (EO) 14017, “America’s Supply Chains”, instruyendo a siete agencias ejecutivas a evaluar la resiliencia y la seguridad de las cadenas de suministro críticas del país. Como resultado, el Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE), a través de los laboratorios nacionales, realizó evaluaciones de las cadenas de suministro que conforman la base industrial del sector energético, con un enfoque particular en las tecnologías necesarias para descarbonizar EE. UU. para 2050.

Este es un resumen del Deep Dive Report sobre la cadena de suministro de semiconductores de EE. UU., uno de los 11 sectores evaluados, publicado por el DOE en febrero de 2022.

Introducción

Para combatir la crisis climática y evitar los impactos más graves del cambio climático, EE. UU. se ha comprometido a lograr una reducción del 50 al 52 por ciento en las emisiones netas de gases de efecto invernadero a nivel nacional para 2030, crear un sector energético libre de contaminación por carbono para 2035 y alcanzar la neutralidad de carbono en toda la economía a más tardar en 2050. 

La base industrial del sector energético de EE. UU. requerirá transformaciones radicales para descarbonizarse antes de 2050, y el crecimiento, la eficiencia energética y la seguridad de la cadena de suministro de semiconductores son componentes clave de esta transformación. 

Los semiconductores son una tecnología clave en el sector energético, ya que son esenciales para el funcionamiento de prácticamente todos los vehículos eléctricos, estaciones de recarga y aerogeneradores, así como de toda la red eléctrica, los cuales son fundamentales para la descarbonización.  

Los semiconductores también son cruciales para la economía de EE. UU., aportando más de 246.400 millones de dólares al producto interior bruto (PIB) en 2020. Con un valor de exportación de 49.000 millones de dólares, fueron la cuarta exportación más importante del país en 2020, solo por detrás de aeronaves, petróleo refinado y petróleo crudo. 

El informe se centra tanto en los semiconductores de potencia convencionales como en los de banda prohibida ancha (WBG, por sus siglas en inglés: wide bandgap) debido a que ambos tipos son fundamentales para alcanzar la neutralidad de carbono. 

La tecnología 

Para este informe, el término “semiconductor” se refiere a semiconductores utilizados en aplicaciones relevantes para la descarbonización del sector energético, a excepción de aquellos empleados en fotovoltaica.

Estos incluyen:

• Semiconductores WBG (por ejemplo, SiC y nitruro de galio (GaN)) que controlan, convierten y acondicionan el flujo de energía para vehículos eléctricos (EV), tecnologías industriales eléctricas (como las bombas de calor industriales) y otras aplicaciones de energías renovables, como generadores eólicos y solares.
• Semiconductores convencionales (por ejemplo, basados en silicio) que gestionan el flujo de datos para aplicaciones de eficiencia energética y energías renovables, incluidos vehículos eléctricos (EV), sistemas integrados de sensores inalámbricos para manufactura eficiente, eficiencia energética en edificios y otras tecnologías de renovables.

La principal diferencia en las aplicaciones viene determinada por el rango de operación de los semiconductores. Ambos tipos ofrecen buen desempeño entre 600 y 900 V, pero los dispositivos SiC también funcionan a voltajes mucho más altos. Uno de los sectores donde actualmente coinciden las aplicaciones de GaN y SiC es el de los vehículos eléctricos (EV). 

Mapeo de la cadena de suministro de semiconductores

El mercado y la cadena de suministro de semiconductores son globales y extremadamente complejos. El diseño, fabricación y empaquetado de un producto semiconductor puede tomar hasta 100 días, incluidos 12 días de tránsito, y puede cruzar fronteras internacionales hasta 70 veces.

La mayoría de las cadenas de suministro pueden caracterizarse por cinco etapas principales: materias primas, materiales procesados, subconjuntos, producto final y reciclaje/reutilización al final de su vida útil. Sin embargo, la complejidad de los semiconductores exige fases adicionales: diseño, equipos de fabricación de semiconductores (SME, por sus siglas en inglés: semiconductor manufacturing equipment), así como ensamblaje, test y empaquetado (ATP, por sus siglas en inglés: assembly, testing, and packaging), incluyendo el empaquetado avanzado e investigación y desarrollo (I+D), como se muestra en la Figura 9. 

Principales vulnerabilidades de la cadena de suministro de semiconductores en EE. UU. 

• Los esfuerzos de descarbonización aumentarán la demanda de energías renovables y de su infraestructura de soporte, incluyendo las cadenas de suministro de semiconductores convencionales y de electrónica de potencia WBG. La actual falta de capacidad manufacturera nacional y el acceso limitado a materias primas se verán agravados. Las previsiones actuales de producción global de silicio no pueden satisfacer este crecimiento, y es probable que otras cadenas de suministro también experimenten presión. El sector de vehículos eléctricos (EV) podría verse especialmente afectado por el aumento en el uso de semiconductores en los vehículos y en la necesaria infraestructura de recarga. 

• El consumo energético global de productos que incorporan semiconductores se ha duplicado cada tres años desde 2010. Se prevé que este crecimiento exponencial se acelere aún más debido al aumento de la electrificación impulsado por la descarbonización, así como al crecimiento exponencial de aplicaciones informáticas intensivas en consumo de energía.

• Con la expansión del uso de tecnologías de semiconductores en todos los sectores, especialmente en el energético, el desempeño y la eficiencia de los semiconductores inciden directamente en la eficiencia y el rendimiento de las tecnologías de estos sectores. 
• Los algoritmos de inteligencia artificial duplican su potencia cada dos meses, y el consumo energético de semiconductores solo para la minería de Bitcoin supera la electricidad utilizada por algunos países europeos, duplicándose anualmente. 

• En 1995, el 26% de la capacidad mundial de fabricación de semiconductores estaba localizada en EE. UU.; para 2020, esto se redujo al 10% (European Semiconductor Industry Association). Desarrollar tecnologías que respondan a las necesidades de los sectores energéticos es especialmente crítico. EE. UU. ya cuenta con una posición relevante en el mercado de electrónica de potencia SiC y una presencia en el segmento de alto voltaje (HV), pero estas y otras tecnologías de soporte requieren desarrollo adicional para mejorar calidad y costos. Sin inversión ahora, esta ventaja podría desplazarse fácilmente al extranjero. 

• La introducción directa de nuevos dispositivos en instalaciones de fabricación (“fabs”) multimillonarias es prácticamente imposible. Las herramientas basadas en las técnicas de control ultrapreciso utilizadas para fabricar este tipo de dispositivos eficientes podrían introducirse a través de los fabricantes de equipos.

• EE. UU. también debe fortalecer sus capacidades en el empaquetado avanzado. Esta tecnología está ganando rápidamente importancia por razones de desempeño y eficiencia, y su relevancia solo crecerá con el avance de la electrificación. El empaquetado avanzado es un área innovadora en expansión que depende en gran medida de las capacidades de diseño, donde EE. UU. sobresale; sin embargo, la industria debe construir instalaciones de fabricación localmente o corre el riesgo de quedar rezagada en este campo crítico. 

• La fabricación de semiconductores requiere grandes cantidades de agua y tiene una considerable huella de carbono debido a la alta demanda energética y al uso de compuestos fluorados. Por tanto, resulta fundamental abordar los posibles impactos medioambientales derivados del aumento de la producción. 

• Asegurar una cadena de suministro resiliente depende de contar con una fuerza laboral sólida y bien formada. Esta necesidad abarca desde trabajadores especializados hasta titulados avanzados y requerirá tanto ciudadanos estadounidenses como trabajadores extranjeros. Es crucial que los programas de formación, las políticas migratorias y toda la infraestructura de apoyo trabajen conjuntamente para cubrir esta demanda, a la vez que se promueven estándares laborales estrictos y sueldos competitivos. 

Conclusiones 

Estados Unidos ostenta una posición de liderazgo en la industria de los semiconductores, pero dicha posición se ha debilitado, especialmente en lo referente a la fabricación nacional y el empaquetado avanzado. 

Si bien existen tecnologías que ayudan a reducir las emisiones de carbono, actualmente dependen de materias primas comercializadas en mercados globales opacos y volátiles, muchas veces ubicados en regiones geopolíticamente sensibles. 

Además, las etapas intermedias de las cadenas de suministro, como el procesamiento de materiales y la fabricación de componentes, se concentran en países extranjeros con relaciones geopolíticas complejas con EE. UU.

Para que Estados Unidos mantenga y expanda su liderazgo en la industria de los semiconductores, debe estar a la altura de la demanda creciente de electrónica de potencia convencional y de banda prohibida ancha (WBG) mediante el incremento de la fabricación y el uso de ambos tipos de semiconductores, al tiempo que fomenta el desarrollo de nuevos semiconductores eficientes en energía y con bajo impacto ambiental.

Para lograr estos objetivos, EE. UU. necesita desarrollar una mano de obra nacional calificada tanto en semiconductores convencionales como en electrónica de potencia WBG.