La resilienza della catena di approvvigionamento dei semiconduttori negli Stati Uniti

Nel febbraio 2021, il Presidente Biden ha firmato l’Executive Order (EO) 14017, «America’s Supply Chains», incaricando sette agenzie federali di valutare la resilienza e la sicurezza delle catene di approvvigionamento critiche della nazione. Di conseguenza, il Dipartimento dell’Energia statunitense (DOE), attraverso i laboratori nazionali, ha condotto valutazioni delle catene di approvvigionamento che comprendono la base industriale del settore energetico, con particolare attenzione alle tecnologie necessarie per decarbonizzare gli Stati Uniti entro il 2050.

Segue una sintesi del Deep Dive Report sulla catena di approvvigionamento dei semiconduttori negli Stati Uniti, uno degli 11 settori analizzati e pubblicato dal DOE nel febbraio 2022.

Introduzione

Per affrontare la crisi climatica ed evitare gli impatti più gravi del cambiamento climatico, gli Stati Uniti si impegnano a raggiungere una riduzione del 50-52% delle emissioni nette di gas serra sull’intera economia entro il 2030, a creare un settore energetico privo di emissioni di carbonio entro il 2035 e a conseguire zero emissioni nette in tutta l’economia entro il 2050.

La base industriale del settore energia negli Stati Uniti richiederà trasformazioni radicali per raggiungere la decarbonizzazione entro il 2050, e la crescita, l’efficienza energetica e la sicurezza della catena di approvvigionamento dei semiconduttori sono componenti chiave di questa trasformazione.

I semiconduttori sono una tecnologia fondamentale nel settore energetico, poiché sono essenziali per il funzionamento di quasi ogni veicolo elettrico, stazione di ricarica e turbina eolica, oltre che dell’intera rete elettrica, elementi critici per la decarbonizzazione.

I semiconduttori sono inoltre fondamentali per l’economia americana, apportando oltre 246,4 miliardi di dollari al prodotto interno lordo (PIL) degli Stati Uniti nel 2020. Con un valore all’export di 49 miliardi di dollari, sono stati la quarta esportazione statunitense nel 2020, dopo aeromobili, petrolio raffinato e petrolio greggio.

Il report si concentra sia sui semiconduttori convenzionali sia su quelli power electronics (PE) wide bandgap (WBG), in quanto entrambi sono critici per il raggiungimento delle emissioni nette di carbonio pari a zero.

Tecnologia

Per questo report, il termine «semiconduttore» si riferisce ai dispositivi utilizzati in applicazioni rilevanti per la decarbonizzazione del settore energetico, ad eccezione di quelli impiegati nel fotovoltaico.

Tali applicazioni includono:

• Semiconduttori WBG (es. SiC e nitruro di gallio (GaN)) che gestiscono, convertono e condizionano il flusso di potenza per veicoli elettrici (EV), tecnologie industriali elettrificate (come le pompe di calore industriali) e altre applicazioni di energia rinnovabile come generatori eolici e solari.
• Semiconduttori convenzionali (es. a base di silicio) che controllano il flusso di dati per l’efficienza energetica e le applicazioni di energia rinnovabile, tra cui EV, sistemi di sensori wireless integrati per la produzione efficiente dal punto di vista energetico, efficienza energetica negli edifici e altre tecnologie per le rinnovabili.

Il principale fattore che distingue le applicazioni è l’intervallo operativo dei semiconduttori. Entrambi funzionano bene tra 600 e 900 V, ma i dispositivi SiC operano anche a tensioni molto più elevate. Un ambito di sovrapposizione applicativa attuale tra GaN e SiC è il settore EV.

Mappatura della catena di approvvigionamento dei semiconduttori

Il mercato e la catena di approvvigionamento dei semiconduttori sono globali ed estremamente complessi. La progettazione, fabbricazione e packaging di un prodotto a semiconduttore può richiedere fino a 100 giorni, inclusi 12 giorni di transito, e può attraversare i confini internazionali fino a 70 volte.

La maggior parte delle catene di approvvigionamento può essere rappresentata tramite cinque segmenti principali: materie prime, materiali lavorati, subcomponenti, prodotto e riciclo/riutilizzo a fine vita (EOL). Tuttavia, la complessità dei semiconduttori impone vari segmenti aggiuntivi: progettazione, apparecchiature per la produzione di semiconduttori (SME), assemblaggio, test e packaging (ATP), includendo anche il packaging avanzato e la ricerca e sviluppo (R&S), come illustrato nella Figura 9.

Principali vulnerabilità della catena di approvvigionamento dei semiconduttori negli Stati Uniti

• Gli sforzi per la decarbonizzazione determineranno un aumento della domanda di energia rinnovabile e delle relative infrastrutture a supporto, incluse le catene di approvvigionamento dei semiconduttori convenzionali e power electronics WBG. L’attuale carenza di capacità produttiva nazionale e l’accesso limitato alle materie prime peggioreranno. La produzione mondiale di silicio non è attualmente proiettata per tenere il passo con questa crescita e altre catene di approvvigionamento potrebbero essere soggette a simili pressioni. Il settore EV potrebbe risentirne in modo particolare, a causa dell’aumento dell’utilizzo di semiconduttori nei veicoli e nelle infrastrutture di ricarica necessarie.

• Il consumo globale di energia dei prodotti con semiconduttori è raddoppiato ogni tre anni dal 2010. Questo trend di crescita esponenziale è destinato ad accelerare ulteriormente con l’aumento dell’elettrificazione conseguente alla decarbonizzazione e con la crescita delle applicazioni informatiche ad elevata intensità energetica.

• L’esplosione dell’utilizzo di tecnologie a semiconduttore in tutti i settori, in particolare quello energetico, fa sì che prestazioni ed efficienza dei semiconduttori abbiano un impatto diretto su prestazioni ed efficienza delle tecnologie nei settori stessi.
• Gli algoritmi di intelligenza artificiale raddoppiano la loro potenza ogni due mesi, e il consumo energetico dei semiconduttori per il mining di Bitcoin supera già quello di alcuni paesi europei, con un tempo di raddoppio di un solo anno.

• Nel 1995 il 26% della capacità produttiva globale di semiconduttori era situata negli Stati Uniti, ma questa quota è scesa al 10% nel 2020 (European Semiconductor Industry Association). Sviluppare tecnologie che rispondano alle esigenze dei settori energetici è particolarmente critico. Gli Stati Uniti hanno già una presenza significativa nel mercato delle power electronics SiC e una posizione nel mercato HV. Tuttavia, questa tecnologia e quelle di supporto richiedono ulteriori sviluppi per migliorarne qualità e costi. Senza investimenti immediati, tale vantaggio potrebbe facilmente essere delocalizzato.

• È quasi impossibile introdurre nuovi dispositivi direttamente nelle fab multimiliardarie. Le tecniche di controllo ultrapreciso utilizzate per la produzione di dispositivi energeticamente efficienti potrebbero invece essere implementate tramite i produttori di strumenti.

• Gli Stati Uniti devono rafforzare anche le proprie capacità nel packaging avanzato. Questa tecnologia sta acquisendo sempre più rilevanza in termini di prestazioni ed efficienza e tale importanza sarà ulteriormente crescente con l’aumento dell’elettrificazione. Il packaging avanzato è un settore in rapida crescita e altamente innovativo che dipende fortemente dalla capacità di progettazione, area in cui gli Stati Uniti eccellono, ma è fondamentale costruire le strutture produttive a livello nazionale per non rischiare di essere superati in questo ambito strategico.

• La produzione di semiconduttori comporta un rilevante consumo idrico ed una notevole impronta di carbonio, dovuta sia all’elevato fabbisogno energetico sia all’uso di composti fluorurati. È quindi fondamentale affrontare i potenziali impatti ambientali legati all’incremento delle attività produttive.

• Garantire una catena di approvvigionamento resiliente si basa sulla presenza di una forza lavoro robusta e adeguatamente formata. Questa domanda abbraccia sia le professioni tecniche sia i titoli accademici avanzati e dovrà essere soddisfatta da cittadini statunitensi e lavoratori stranieri. È essenziale assicurare che programmi di formazione, politiche immigratorie e tutte le infrastrutture di supporto operino in sinergia per far fronte a queste necessità, garantendo al contempo standard lavorativi elevati e salari competitivi.

Conclusioni

Gli Stati Uniti detengono una posizione di leadership nell’industria dei semiconduttori, ma questa posizione si sta progressivamente erodendo, in particolare per quanto riguarda la produzione nazionale e il packaging avanzato.

Sebbene siano già disponibili tecnologie per ridurre le emissioni di carbonio, queste dipendono attualmente da materie prime commercializzate in mercati globali opachi e soggetti a forte volatilità, spesso situati in aree geopoliticamente sensibili.

Inoltre, le fasi intermedie della catena di approvvigionamento, come la lavorazione dei materiali e la produzione di componenti, sono concentrate in paesi esteri con relazioni geopolitiche complesse con gli Stati Uniti.

Affinché gli Stati Uniti mantengano ed espandano la propria leadership nell’industria dei semiconduttori, è necessario soddisfare la straordinaria crescita della domanda di power electronics convenzionali e wide bandgap aumentando la produzione e l’utilizzo di entrambe le tipologie di semiconduttori, garantendo allo stesso tempo lo sviluppo di nuovi semiconduttori energeticamente efficienti con un impatto ambientale ridotto.

Per raggiungere questi obiettivi, è necessario che gli Stati Uniti sviluppino una forza lavoro nazionale qualificata sia per i semiconduttori convenzionali sia per le power electronics WBG.