Por que a produção de semicondutores é difícil e apenas algumas empresas a produzem?

Todos vocês sabem que os chips semicondutores são usados ​​em quase todos os dispositivos eletrônicos que compramos. Eles entram em computadores, smartphones, gadgets, carros, aeronaves, equipamentos médicos, sistemas militares e outros enfeites. O mundo está enfrentando uma escassez global de chips semicondutores no momento, o que levantou a questão de por que mais empresas não podem entrar na produção de chips semicondutores. Vamos mergulhar no setor de semicondutores através deste artigo para saber quais são as complexidades que não permitem que muitas empresas entrem no setor.

Por que os chips semicondutores são notícia?

Em 2021, a escassez global de chips foi muito notícia e empresas como Apple, Tesla, Tata Motors e Samsung Electronics tiveram que passar fome por chips semicondutores. Um total de 169 indústrias foram impactadas pela escassez, sendo a indústria automobilística a mais atingida.

Houve vários fatores que levaram a essa escassez global. Alguns deles são:

• O aumento na demanda por eletrônicos necessários para trabalhar em casa durante a pandemia
• Falta de mão de obra devido a restrições de bloqueio
• Seca em Taiwan
• A guerra comercial entre os EUA e a China.

O armazenamento de chips semicondutores fez com que os países percebessem que a fabricação de chips está concentrada apenas em alguns países do leste asiático. Assim, este ano, os países ao redor do mundo estão apresentando planos para aumentar a capacidade de produção desses chips semicondutores para se tornarem autossuficientes e reduzirem a dependência de importação. A Índia vai gastar cerca de US$ 30 bilhões para desenvolver o ecossistema da cadeia de suprimentos de semicondutores. Os EUA também estão considerando implementar o CHIPS for America Act para fornecer US$ 52 bilhões para fabricação de chips e apoio governamental a gigantes de semicondutores. A lei visa fornecer assistência financeira para a construção, expansão ou modernização de uma planta de fabricação de semicondutores nos Estados Unidos.

Indústria de Chips Semicondutores - A História e o Presente

Em 1958, Jack Kilby, engenheiro eletrônico da Texas Instruments, criou o primeiro circuito integrado que é o ancestral dos microchips modernos. Foi uma grande e revolucionária invenção do século XX. A indústria de semicondutores começou por volta de 1960 e a receita de vendas ultrapassou a marca de US$ 1 bilhão em 1966. Em 2022, a indústria global de chips semicondutores deverá atingir cerca de US$ 600 bilhões. Mas muito poucas empresas no mundo podem fabricar chips semicondutores, e menos ainda podem torná-los lucrativos com isso. Vamos entender por que é assim investigando a indústria de chips semicondutores e seu processo de fabricação.

O modelo e os principais players da indústria de semicondutores

A indústria de semicondutores é dominada por empresas de Taiwan, Estados Unidos, Coréia do Sul, China, Japão e Holanda, onde a fabricação de semicondutores tem apoio do governo, infraestrutura desenvolvida e economias de escala.

A indústria é baseada em um modelo em que fabricação, design e desenvolvimento são distribuídos entre diferentes empresas e suas subsidiárias em todo o mundo. Empresas de fundição como TSMC e GlobalFoundries estão envolvidas apenas na fabricação. Empresas de semicondutores Fabless como AMD e Nvidia terceirizam a produção para uma fábrica de terceiros e apenas projetam o dispositivo. Os fabricantes de dispositivos integrados (IDMs), como a Intel e a Samsung, fabricam (internamente), projetam e vendem produtos de circuito integrado.

Os principais players do setor são TSMC (Foundry), Samsung Electronics (IDM), Intel (IDM) e Qualcomm (Fabless).

Tabela representando as 8 principais empresas de semicondutores, seu tipo e país.

A TSMC de Taiwan fabrica sozinha uma grande porcentagem, ou seja, mais de 50% dos semicondutores do mundo. É a maior fundição do mundo. A Apple, que é a maior consumidora de chips e as duas maiores empresas de semicondutores sem fábula, Nvidia e Qualcomm, são clientes apenas da TSMC. A Samsung, empresa rival da TSMC, anunciou investir US$ 355 bilhões para fabricar chips de 3nm para vencer a TSMC.

O processo de fabricação de chips semicondutores

Chips semicondutores são feitos usando um semicondutor, silício. O processo de fabricação de chips semicondutores envolve mais de 59 tipos de equipamentos e diferentes etapas que precisam ser repetidas para criar camadas em um chip. Um chip pode consistir em até 100 camadas, o que significa que as etapas devem ser repetidas no mesmo número.

As pastilhas de silício extraídas da areia são transformadas em transistores que formam a base de um conjunto de circuitos chamados chips. As etapas a seguir descrevem o processo de criação de uma camada em um chip semicondutor.

• O primeiro passo é revestir os wafers com produtos químicos fotossensíveis e materiais resistentes à luz.
• Em seguida, há a litografia realizada no segundo estágio, onde pastilhas de silício revestidas são expostas à luz UV dentro de uma máquina de litografia. A luz é passada através de uma máscara contendo o projeto do chip para o wafer para imprimir o padrão. Este processo torna possível construir centenas de chips em uma única pastilha de silício.
• A área exposta à luz fica então endurecida e as áreas macias não expostas são gravadas por gases quentes.
• O próximo passo envolve o uso de gases iônicos para modificar as propriedades condutoras da camada criada pela adição de algumas impurezas e, finalmente, as ligações metálicas são estabelecidas entre os transistores, criando assim uma camada completa.

Todas essas etapas devem ser repetidas para criar camadas subsequentes.

Por que não podemos simplesmente produzir mais chips para atender à crescente demanda?

Se há escassez de chips, por que mais empresas não entram na produção de chips semicondutores e reduzem essa lacuna entre demanda e oferta? Bem, para saber a resposta a esta pergunta, precisamos primeiro entender as complexidades da fabricação de chips e da indústria de semicondutores.

O que torna a fabricação de chips semicondutores tão complicada?

Embora o chip seja pequeno em termos de tamanho, ele envolve os processos mais complicados e caros. Aqui está a lista de fatores que dificultam a entrada de qualquer empresa neste setor -

• Requer terra, licenças, infraestrutura natural, eletricidade, máquinas complicadas e um tempo de espera de mais de 2 anos para montar as fábricas e fábricas mega caras que constroem esses chips. Em 2021, a Samsung anunciou planos para uma fábrica de chips de 17 bilhões de dólares no Texas a ser inaugurada em 2024.
• A fabricação de um chip também é um procedimento complexo que leva um tempo considerável. Leva quase 3 meses para transformar o silício bruto no chip final que é colocado nos dispositivos.
• O processo de fabricação é de nível atômico e requer equipamentos caros de fábrica.
• Além disso, as salas onde o silício é colocado em máquinas de fabricação de chips devem ser absolutamente livres de poeira. Uma única partícula de poeira pode desperdiçar todos os esforços e milhões de dólares.
• A produção de chips semicondutores envolve uma rede complexa de empresas que os produzem ou projetam, juntamente com aquelas que fornecem a tecnologia, materiais e maquinário necessários.

Como a guerra Rússia-Ucrânia impactou ainda mais a indústria?

Neon é necessário para lasers usados ​​em litografia para a produção de chips. No ano passado, o consumo global de néon para fabricação de chips foi de cerca de 540 toneladas. A guerra Rússia-Ucrânia agravou a escassez global de chips porque mais da metade do néon do mundo é produzido apenas por duas empresas ucranianas - Ignas e Cryin, que tiveram que fechar suas operações. Então, isso terá um impacto intenso na indústria de semicondutores. Além disso, o fornecimento de paládio da Rússia também pode ser afetado devido à guerra. A escassez de paládio, essencial para catalisadores aplicados em sistemas de escapamento de automóveis, pode ter um impacto potencial indireto na indústria de semicondutores por meio da menor demanda de chips pelas montadoras.

Conclusão

As fundições de semicondutores precisam de um enorme investimento de capital de bilhões de dólares e um período de tempo considerável para se instalar. Além disso, essas fundições não podem produzir cavacos em um ritmo muito rápido porque o processo de fabricação também leva tempo e requer equipamentos caros. Tudo isso dificulta a entrada de qualquer empresa no setor e, mesmo que qualquer empresa o faça, torna-se difícil para ela competir com o peixe grande e obter lucros. É por isso que, quando se trata de fabricantes de chips semicondutores, ouvimos apenas alguns nomes que adquiriram uma enorme participação de mercado no setor ao longo do tempo.

Perguntas frequentes

Do que são feitos os chips semicondutores?

Os semicondutores também chamados de circuitos integrados (ICs) ou microchips, são feitos de silício puro.

Quem é o maior fabricante de chips semicondutores?

A TSMC de Taiwan é a maior fabricante de chips semicondutores.

Quais são as 5 melhores empresas de semicondutores para investir?

Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd (TSMC), Intel Corp (INTC), Nvidia (NVDA), Advanced Micro Devices Inc (AMD), Micron (MU).