A Resiliência da Cadeia de Abastecimento de Semicondutores dos EUA

Em fevereiro de 2021, o Presidente Biden assinou a Ordem Executiva (EO) 14017, «America’s Supply Chains», direcionando sete agências executivas a avaliar a resiliência e segurança das cadeias de abastecimento críticas do país. Como resultado, o Departamento de Energia dos EUA (DOE), através dos laboratórios nacionais, realizou avaliações das cadeias de abastecimento que abrangem a Base Industrial do Setor Energético, com especial enfoque nas tecnologias necessárias para descarbonizar os EUA até 2050.

Segue-se um resumo do Relatório Deep Dive sobre a Cadeia de Abastecimento de Semicondutores nos EUA, um dos 11 setores avaliados, divulgado pelo DOE em fevereiro de 2022.

Introdução

Para combater a crise climática e evitar os impactos mais severos das alterações climáticas, os EUA comprometeram-se a alcançar uma redução de 50 a 52 por cento das emissões líquidas de gases com efeito de estufa em toda a economia até 2030, criar um setor energético livre de carbono até 2035 e alcançar a neutralidade carbónica em toda a economia até, o mais tardar, 2050. 

A Base Industrial do Setor Energético dos EUA exigirá transformações radicais para descarbonizar até 2050, sendo o crescimento, eficiência energética e segurança da cadeia de abastecimento de semicondutores elementos chave desta transformação. 

Os semicondutores são uma tecnologia central no setor energético, essenciais para o funcionamento de praticamente todos os veículos elétricos, estações de carregamento e turbinas eólicas, assim como para toda a rede elétrica, infraestruturas críticas para a descarbonização.  

Os semicondutores são igualmente críticos para a economia americana, contribuindo com mais de 246,4 mil milhões de dólares para o produto interno bruto (PIB) dos Estados Unidos em 2020. Com um valor de exportação de 49 mil milhões de dólares, foram a quarta maior exportação dos EUA em 2020, atrás de aeronaves, petróleo refinado e petróleo bruto. 

O relatório centra-se tanto nos semicondutores convencionais como nos semicondutores de eletrónica de potência de banda larga (WBG, Wide Bandgap), dado que ambos são cruciais para alcançar a neutralidade carbónica. 

A tecnologia 

Para este relatório, o termo «semicondutor» incide sobre os semicondutores usados em aplicações importantes para a descarbonização do setor energético, excluindo os utilizados em fotovoltaicos.

Incluem-se:

• Semicondutores WBG (por exemplo, SiC e nitreto de gálio (GaN)) que controlam, convertem e condicionam o fluxo de energia para veículos elétricos (EV), tecnologias industriais eletrificadas (como bombas de calor industriais) e outras aplicações de energias renováveis, como geradores eólicos e solares.
• Semicondutores convencionais (por exemplo, à base de silício) que controlam o fluxo de dados para eficiência energética e aplicações de energias renováveis, incluindo EV, sistemas de sensores sem fios integrados para produção eficiente em termos energéticos, eficiência energética em edifícios e outras tecnologias de energia renovável.

O principal fator que diferencia as aplicações é o intervalo de funcionamento dos semicondutores. Ambos funcionam de forma eficiente entre 600 e 900 V, mas os dispositivos SiC operam também em tensões muito mais elevadas. Uma das áreas atuais de sobreposição entre aplicações de GaN e SiC encontra-se no setor dos veículos elétricos. 

Mapeamento da Cadeia de Abastecimento de Semicondutores

O mercado e a cadeia de abastecimento de semicondutores são globais e extremamente complexos. O processo de desenhar, fabricar e embalar um produto semicondutor pode demorar até 100 dias, incluindo 12 dias de transporte, e pode atravessar fronteiras internacionais até 70 vezes.

A maioria das cadeias de abastecimento pode ser caracterizada por cinco segmentos principais: matérias-primas, materiais processados, subconjuntos, produto e reciclagem/reutilização no fim de vida (EOL). Porém, devido à complexidade dos semicondutores, exigem-se diversos segmentos adicionais: conceção, equipamentos de produção de semicondutores (SME), montagem, testes e embalamento (ATP), incluindo embalamento avançado e investigação e desenvolvimento (I&D), conforme ilustrado na Figura 9. 

Principais vulnerabilidades da cadeia de abastecimento de semicondutores nos EUA 

• Os esforços de descarbonização irão aumentar a procura de energias renováveis e das respetivas infraestruturas de suporte, incluindo as cadeias de abastecimento de semicondutores convencionais e eletrónica de potência WBG. A atual falta de capacidade de produção interna e acesso a matérias-primas será agravada. A produção global de silício atualmente prevista não consegue acompanhar este crescimento, sendo provável que outras cadeias de abastecimento também fiquem sob pressão. O setor dos veículos elétricos poderá ser especialmente afetado pela crescente utilização de semicondutores nos veículos e pela infraestrutura de carregamento necessária. 

• O consumo energético global de produtos com semicondutores duplicou a cada três anos desde 2010. Estima-se que este crescimento exponencial venha a acelerar ainda mais, devido ao aumento da eletrificação originado pela descarbonização e ao crescimento exponencial de aplicações informáticas intensivas em energia.

• Com a explosão da utilização de tecnologias de semicondutores em todos os setores, nomeadamente no setor energético, o desempenho e a eficiência dos semicondutores têm um impacto direto no desempenho e eficiência das tecnologias desses outros setores. 
• Os algoritmos de inteligência artificial estão a duplicar a sua capacidade a cada dois meses e o consumo energético de semicondutores dedicados à mineração de Bitcoin já utiliza mais eletricidade do que alguns países europeus, duplicando ainda ao fim de um ano. 

• Em 1995, 26% da capacidade global de produção de semicondutores estava localizada nos Estados Unidos; em 2020 este valor desceu para 10% (European Semiconductor Industry Association). É especialmente crítico desenvolver tecnologias que respondam às necessidades do setor energético. Os Estados Unidos têm já uma posição forte no mercado de eletrónica de potência SiC e estão presentes no mercado HV. Contudo, esta tecnologia e as tecnologias de suporte necessitam de desenvolvimento adicional para melhorar a qualidade e reduzir custos. Sem investimento imediato, esta vantagem pode facilmente ser transferida para o estrangeiro. 

• É praticamente impossível introduzir novos dispositivos diretamente em instalações fabris de vários milhares de milhões de dólares. As ferramentas baseadas nas técnicas de controlo ultrafinas utilizadas para produzir dispositivos energeticamente eficientes poderiam ser introduzidas através de fabricantes de equipamentos.

• Os Estados Unidos devem também reforçar as capacidades em embalamento avançado. Esta tecnologia está a crescer rapidamente em importância, por motivos de desempenho e eficiência, e tal tendência irá acentuar-se com o aumento da eletrificação. O embalamento avançado é uma área inovadora em crescimento, que depende fortemente de capacidades de design nas quais os Estados Unidos se destacam, mas o setor norte-americano precisa de construir as instalações de produção localmente ou corre o risco de ficar para trás neste domínio crítico. 

• A fabricação de semicondutores exige uma quantidade significativa de água e uma elevada pegada de carbono devido ao consumo energético substancial e à utilização de compostos fluorados. Por isso, é essencial abordar os potenciais impactos ambientais do aumento da produção. 

• O reforço da resiliência da cadeia de abastecimento está assente na existência de uma força de trabalho robusta e bem qualificada. Esta necessidade abrange todas as áreas, desde funções técnicas a graus superiores, e terá de ser satisfeita tanto por cidadãos dos EUA como por trabalhadores estrangeiros. Garantir que os programas de formação, as políticas de imigração e toda a infraestrutura de apoio colaboram para responder a esta procura, ao mesmo tempo que se asseguram padrões laborais elevados e salários competitivos, é fundamental. 

Conclusões 

Os Estados Unidos ocupam uma posição de liderança na indústria de semicondutores, mas essa posição tem vindo a ser erosionada, sobretudo no que toca à produção interna e ao embalamento avançado. 

Embora existam tecnologias para reduzir as emissões de carbono, estas dependem atualmente de matérias-primas transacionadas em mercados globais opacos e voláteis, frequentemente localizados em zonas geopolíticas sensíveis. 

Além disso, as etapas intermédias das cadeias de abastecimento, como o processamento de materiais e a produção de componentes, estão concentradas em países estrangeiros com relações geopolíticas complexas com os Estados Unidos.

Para que os Estados Unidos mantenham e reforcem a liderança na indústria de semicondutores, terão de responder ao crescimento exponencial da procura por eletrónica de potência convencional e de banda larga, aumentando a produção e a utilização de ambos os tipos de semicondutores, enquanto asseguram o desenvolvimento de novos semicondutores eficientes energeticamente e com impacto ambiental reduzido.

Para atingir estes objetivos, os EUA necessitam de desenvolver uma força de trabalho interna qualificada tanto para semicondutores convencionais como para eletrónica de potência WBG.