Intervista sulla “crisi dei chip”

Pubblichiamo qui la traduzione di una conversazione tra un professionista attivo nel settore da decenni e la rivista tedesca Wildcat. L’intervista è stata realizzata nel giugno 2021. Per la traduzione italiana sono stati aggiornati i salari a Taiwan al 2020.

In quella che l’industria automobilistica (e non solo) chiama la “crisi dei chip”, ovvero dei semiconduttori che servono a produrli, praticamente convergono tutti i problemi dell’attuale capitalismo.

Nel primo trimestre del 2021 in Germania non sono state prodotte un milione di auto per mancanza di chip, mentre a livello mondiale le perdite sarebbero state più di quattro milioni. Le multinazionali automobilistiche – o meglio, i loro fornitori – avevano ridotto i loro ordini un anno prima a causa del Covid e ora sono rimaste a secco. La produzione di chip non può essere riavviata così rapidamente. Il 70 percento di tutti i chip per auto proviene da un unico produttore di Taiwan, dove c’è carenza di acqua; la produzione di chip utilizza molta acqua ed è generalmente una produzione molto inquinante. Ci sono anche problemi di trasporto. A causa della pressione per le consegne, si è verificato un focolaio di Covid a Taiwan perché le compagnie di trasporto aereo, sollecitate a consegnare i chip il più rapidamente possibile, avevano ridotto la quarantena dei piloti a tre giorni… 

Sotto la guida tedesca, l’Ue ha annunciato che investirà diversi miliardi nella produzione di chip. All’inizio di giugno 2021 la Bosch ha celebrato la messa in funzione della «fabbrica di chip più moderna d’Europa» a Dresda – «solo» tre anni dopo la posa della prima pietra! –, e «già» all’inizio del 2022 sono attesi i primi chip prodotti da questa fabbrica, in particolare per l’industria automobilistica e l’automazione di fabbrica (mentre i chip prodotti nei prossimi mesi saranno incorporati negli elettroutensili Bosch). Tutto «completamente digitalizzato e collegato in rete», ha affermato il capo della Bosch Denner: «Con l’aiuto dell’intelligenza artificiale, stiamo portando la produzione di semiconduttori a un nuovo livello». Un alto livello di automazione è possibile solo dove ci sono processi collaudati e stabili. A Dresda usano wafer da 300 mm di diametro (dischi di silicio chiamati “wafer” su cui sono fatti i chip), che è lo standard attuale, ma i chip sono fabbricati con processi a 90 nanometri – un metodo relativamente superato ma preferito, in parte, perché facilita l’automazione. Le nuove fabbriche di Taiwan producono con processi a 5 nm, più sofisticati, ma che richiedono più lavoro manuale.

Dove vengono prodotti i chip oggi?

Siemens e Philips producono componenti a semiconduttore dagli anni Cinquanta. I primi circuiti integrati sono stati prodotti dallo stabilimento Philips Valvo di Amburgo nel 1966. Nel 1985, il produttore statunitense Lsi ha iniziato a produrre microprocessori a Braunschweig; nel 1992 hanno chiuso per “salari troppo alti”, il cambio dollaro/marco rendeva la produzione non redditizia. Negli anni Novanta l’industria dei semiconduttori è stata gradualmente esternalizzata in Estremo Oriente, in particolare in Giappone. Infineon continua a produrre a Dresda e si sta attualmente espandendo a Villach (Austria), nonché in Malesia e Cina. Nel 2005, l’allora capo di Infineon dichiarò che non avrebbe prodotto mai nulla con processi al di sotto dei 90 nm – e lo stabilimento Bosch di Dresda lo ha appena confermato.

Anche negli Stati Uniti l’outsourcing è iniziato nei primi anni Novanta. All’inizio del secolo gli Usa possedevano ancora il 37 percento della capacità di produzione di semiconduttori, mentre oggi rappresentano circa il dodici percento della produzione mondiale. La giustificazione ufficiale è sempre stata il costo del lavoro, anche se questo non era l’unico problema. Per esempio, è stata messa sotto tiro la nocività di questa produzione, e così gli Stati Uniti non hanno più potuto permettersi questo tipo di processi chimici.

Esistono due modelli di produzione: l’Idm (Integrated device manufacturing) e il cosiddetto foundry (fonderia). Il primo è andato a lungo per la maggiore, con aziende che avevano le proprie fabbriche. Poi, all’inizio degli anni Novanta, ha guadagnato sempre più terreno l’idea di foundry, ovvero la separazione tra progettazione e produzione. Il fondatore e presidente di lunga data di Amd, Jerry Sanders, ha resistito a lungo a questo sviluppo ed è diventato famoso nel 1992 con il suo detto: «Real men have fabs» [«I veri uomini hanno le fab» N.d.R.]. Ma poi anche Amd ha esternalizzato la produzione; oggi è rimasta solo Intel a produrre in stabilimenti propri. Le fabbriche nel Sud-est asiatico sono state create con il modello foundry. Oggi solo in Corea del Sud (Samsung), Taiwan (Tsmc e Umc) e Cina continentale (Smic) esistono grandi fonderie che producono come fornitori per i propri clienti. Queste fabbriche di semiconduttori (impianti di fabbricazione di semiconduttori, abbreviati come “fab”) sono puramente orientate al processo; il processo è definito dalla dimensione della struttura più piccola che una fabbrica può produrre, specificata in nanometri dal 1999.

Queste fabbriche hanno clienti in diversi settori. La domanda è sempre stata ciclica: a volte viene dall’infrastruttura dei server, i cosiddetti data center, a volte dall’infrastruttura per i telefoni cellulari, a volte mancano i chip per i telefoni cellulari stessi, ecc. Non esiste un’azienda che copra tutto. Intel costruisce principalmente Cpu (Central processing unit) per Pc (Personal computer) e server. Samsung essenzialmente per i telefoni cellulari.

La produzione globale di automobili ha raggiunto il picco a metà del 2018. Da allora, le vendite sono diminuite drasticamente. Tuttavia, alla fine del 2019 – cioè prima del Covid – ci sono state lamentele per i tempi di consegna dei chip che, dall’ordine alla consegna, in alcuni casi raggiungevano l’anno. Con l’inizio della pandemia, gli ordini per i chip sono stati ridotti o annullati. Unica eccezione è stata Toyota, che dallo tsunami del 2013 aveva imparato che le catene di fornitura non si possono attivare e disattivare con un clic, e questa volta si è comportata diversamente. Così nella primavera del 2021 sono sorti problemi prevedibili: interi stabilimenti sono stati chiusi e i lavoratori sono stati messi in cassa integrazione perché le automobili non potevano essere costruite a causa della mancanza di chip. 

Puoi spiegare brevemente di quali chip speciali ha bisogno l’industria automobilistica?

I componenti essenziali sono i cosiddetti Mcu (Microcontroller unit, microcontrollori), che si trovano in ogni unità di controllo e in ogni sensore. Le auto hanno un grande bisogno di chip speciali, molto robusti e resistenti a temperature e tensioni molto elevate. Mentre i chip per computer sono progettati per oscillazioni di temperatura da 0 a 85 gradi Celsius, lo standard minimo qui è da -45 a +125 gradi. Poi, i motori a combustione interna necessitano del sistema di accensione, che per funzionare ha bisogno di una tensione nell’ordine del kilovolt, non troverai mai una tensione così alta nei Pc. Questi chip sono prodotti su vecchie linee di produzione che vengono mantenute solo per questo scopo. Questi sono per lo più ancora fab con wafer da 200 mm (uno standard che risale al 1992, mentre dal 2002 si è passati a 300 mm). Tsmc ha ancora linee di produzione da 200 mm e il 70 percento di tutti i chip integrati nelle auto di tutto il mondo proviene da lì. Queste fabbriche non possono espandere facilmente la produzione; le rispettive macchine di produzione si trovano soltanto sul mercato dell’usato, dove i prezzi stanno aumentando in modo fulmineo.

Tesla soffre meno di questo problema, poiché per le sue auto elettriche (prive del sistema di accensione) utilizzano in gran parte chip che si trovano anche nei telefoni cellulari, simili a quelli dei Pc. Tuttavia, nell’automotive questi chip standard a volte hanno problemi di qualità nei sistemi di controllo elettronico.

Quando l’industria automobilistica ha tagliato i suoi ordini, Tsmc ha utilizzato la capacità di produzione eccedente per altri clienti. Fino a una certa fase di produzione, è relativamente facile e veloce buttare i semilavorati e iniziare un nuovo processo per un altro cliente che paga. E con il Covid c’è stata un’imprevista impennata della domanda di dispositivi digitali da parte di persone che hanno cominciato a lavorare da casa o a partecipare a conferenze virtuali. Tsmc avrebbe potuto vendere il doppio di quello che ha venduto! Le schede grafiche sono diventate molto più costose.

La strategia just in time dell’industria automobilistica è andata a sbattere contro un muro. Innanzitutto perché sui produttori di chip l’industria automobilistica non ha nemmeno lontanamente tanto potere quanto sugli altri suoi fornitori, semplicemente non sono clienti importanti! Poi, hanno trasferito troppe funzioni ai loro fornitori diretti: magazzino, sviluppo tecnologico, e anche rischio imprenditoriale – e le aziende più piccole non reggono il peso. Volkswagen adesso sta facendo causa ai suoi fornitori per non aver ordinato abbastanza chip nella primavera del 2020. Avrebbero dovuto pagarli in anticipo senza nessuna garanzia che la casa tedesca li acquistasse! Infine, ci vogliono almeno tredici settimane, più probabilmente ventisei, perché si completi il processo produttivo dei chip. Il just in time così non può funzionare! E comunque, non si tratta di “fare scorta” in senso fisico. I chip ordinati sono conservati presso Tsms, in una cosiddetta die bank, una “banca di dadi” [die: inglese per dadi, piastrine, cioè il singolo chip N.d.R.]. Il cliente paga in anticipo, ma riceve la merce solo quando necessario.

Come funziona esattamente il processo di produzione?

È un processo fotochimico. I chip di memoria passano circa nove fasi di esposizione, mentre quelli logici da 13 a 15 fasi. I wafer provengono dal fornitore. In fabbrica vengono prima trattati per renderli conduttivi (il cosiddetto doping). Con un processo litografico vengono poi applicate tutte le strutture sottilissime, che in realtà sono strati metallici, ora strutture tridimensionali. Si creano maschere di esposizione (photomask) che vengono applicate ai wafer, che vengono poi esposti a raggi ultravioletti estremi (Euv). Poi il rivestimento viene lavato via e comincia la successiva fase di esposizione ecc. Questa è la linea centrale con le macchine per l’esposizione automatica. Il ciclo dura almeno dodici settimane, a ogni passaggio il wafer diventa più speciale e costoso. L’ultimo passaggio è il test delle funzionalità del chip, dopo il quale si decide se finirà in un’auto o in una lavatrice.

Tsmc realizza i chip finiti o solo i wafer elettrici completi?

Tsmc è principalmente una fabbrica di wafer,. Le altre lavorazioni come il taglio (ci sono tecniche diverse: blade cutting, laser cutting o plasma cutting) dei wafer in singoli die, l’assemblaggio e il packaging vengono eseguite da altri. Per esempio, Amd acquista i wafer interi, mentre per altri clienti Tsmc si occupa anche del packaging.

Quanto è avanti Tsmc rispetto alla concorrenza e chi sta comprando quali chip?

Al momento solo Apple utilizza chip da 5 nm, mentre Nvidia usa quelli da 7. Per passare da un processo a quello più avanzato occorrono uno o due anni. Tsmc offrirà chip da 3 nm ai suoi clienti nella seconda metà del 2022. Stanno costruendo la prima fab per questo. E Apple ha prenotato questi chip da 3 nm da molto tempo!

Quante persone lavorano in una fabbrica di chip?

La metà dei dipendenti di una fabbrica è impegnata nel marketing e nella preparazione dei processi. In produzione, poco più della metà sono ingegneri di processo altamente qualificati, che in Tsmc lavorano anche su turni di dodici ore: si lavora 24 ore su 24. Gli stipendi iniziali sono di circa 100.000 dollari, che è alto per Taiwan. Un quarto della forza lavoro è composta da donne, che costituiscono la quasi totalità di chi si occupa della produzione diretta. Azionano le macchine, trasportano i prodotti e intervengono in caso di malfunzionamenti. Questi sono tutti processi altamente vulnerabili, in cui i guasti sono abbastanza frequenti. A Taiwan in dieci fabbriche Tsmc lavorano 5.428 “manager”, 24.809 “professionisti” (gli ingegneri), 17.414 “tecnici” (detti anche “operatori”, cioè le operaie) e 4.394 “assistenti” (ovvero impiegati e donne delle pulizie). Nel 2020 il numero complessivo degli addetti alla Tsmc è salito a 56.831 (+9,2%), il numero degli addetti nella produzione a 17.414 (+5,5%). 

Anche se questi sono tutti processi altamente automatizzati, ci sono circa 1.700 lavoratori che lavorano direttamente nella camera bianca in ogni fabbrica, com’è possibile?

In teoria, i processi stabili possono essere automatizzati molto bene. Ma basta pensare a quanto è complessa la robotica, dove gli ingegneri sono felici come bambini quando un robot prende un uovo senza romperlo – un gesto molto semplice per un essere umano. I prodotti sono altamente delicati e questi nuovi processi sono di così breve durata che non c’è tempo di ottimizzarli. Tutto deve essere altamente flessibile, dato che è in costante sviluppo. 

I processi di esposizione sono ovviamente automatizzati perché non possono essere eseguiti manualmente, e le macchine per questo passaggio sono estremamente costose. Nel tempo che ci vuole a automatizzare un processo fanno in tempo ad arrivare sul mercato due generazioni di telefoni Apple. Gli operai sono semplicemente più veloci e molto più flessibili. Sono produzioni in cui qualcosa va sempre storto. Può capitare di vedere operai che scalano letteralmente una macchina per riparare un guasto.

Anche i wafer grezzi sono estremamente delicati, così vengono trasportati a mano: le persone sanno come spostare un uovo da un punto A a un punto B molto meglio dei robot. E con quest’ultimi hai sempre il problema dell’abrasione che in una camera bianca che, appunto, deve essere sempre priva di polvere, è un bel problema! È uno sforzo enorme e richiede molto tempo persino portare un dispositivo in una stanza così pulita. In una camera bianca per la produzione di massa si arriva dopo 15 passaggi blindati, ci vuole un’ora prima di avere il grado di pulizia necessario. E una volta dentro devi lavorare per un turno di dodici ore senza mangiare o bere – a essere sincero, non riesco nemmeno a immaginare come facciano!

Gli ingegneri di processo devono entrare raramente nella camera bianca; monitorano i processi dall’esterno?

Si può riassumere grossolanamente come segue: il compito delle operaie “al fronte”, cioè in camera bianca, è quello di garantire la produzione dei chip attraverso tutte le avversità; devono correggere i problemi acuti per quanto possibile, sono formate per fare proprio questo. Il compito degli ingegneri di processo è prevenire incidenti futuri. Per esempio, riprogrammare le macchine in modo che ci sia meno bisogno di intervenire in futuro. Il lavoro degli ingegneri di processo e delle operaie in camera bianca va di pari passo, l’esperienza e la conoscenza vengono riversate in costanti miglioramenti dei processi, riaggiustamenti, riprogrammazione delle macchine, ecc.

Hai una panoramica dei salari a Taiwan?

Il salario medio presso Tsmc nel 2019 era di circa 59.000 dollari – mentre il reddito familiare medio a Taiwan era di 14.331 dollari all’anno. Nel 2020 il salario medio alla Tsmc è salito del 10% a circa 65.000 dollari. Le operaie guadagnano ormai il quadruplo del salario medio taiwanese. Ma i loro salari sono variabili, nel 2019 hanno ricevuto ventisei mensilità! Per fare questo, devono lavorare su turni di dodici ore. Di solito sono giovani donne che iniziano lì dopo essersi diplomate a scuola e poi se ne vanno e si sposano dopo quattro o cinque anni. Mentre le donne che lavorano principalmente nella produzione sono molto giovani, gli ingegneri di processo sono per lo più vecchi arnesi come me. Soprattutto i/le nuovi/e assunti/e nella produzione diretta mostrano un aumento sproporzionato dei salari dovuto, da un lato, a uno spostamento a una qualifica più alta, dall’altro alla difficoltà di trovare persone per questo ambito. L’aumento salariale “nominale” alla Tsmc nel 2020 è stato “soltanto” del cinque percento (nel frattempo i salari medi in Taiwan sono cresciuti dell’1,2%).

Da dove viene questa folle pressione per continuare a rendere i chip più piccoli e integrarli ancora più fortemente? Chi sta facendo questa pressione? Non la concorrenza.

Sono produttori a contratto. La pressione viene dal cliente. Il 51 percento della produzione di Tsmc va negli smartphone. Samsung produce i propri chip.

Se Apple dice “Vogliamo chip più piccoli”, Tsmc potrebbe dire “Non ci sto con i costi”?

Perché un imprenditore dovrebbe dire che non può fare qualcosa? Ricevono tutti dei sussidi, come l’industria nucleare in passato, il che fa parte del modello di business. I fornitori di semiconduttori cercano di ospitare sempre più funzionalità sulla stessa area del chip allo stesso costo, il che significa meno nanometri ogni anno. Questo è anche più redditizio per le fonderie. Da parte sua, Apple è sotto pressione per convincere i suoi clienti a buttare via i loro telefoni cellulari e acquistarne uno nuovo ogni due anni.

Quindi uno sviluppo tecnologico spinto oltre un punto di non ritorno con una folle somma di denaro “del contribuente”?

C’è ulteriore pressione da un’altra parte: Amazon sta già esternalizzando i suoi data center in Alaska perché hanno problemi con il raffreddamento. Strutture di chip più piccole richiedono molta meno elettricità e generano meno calore con “prestazioni” più elevate! E la fame capitalista di guadagnare di più è sfrenata: criptovalute, sempre più pixel su schermi tv sempre più grandi, realtà virtuale e giochi in tempo reale, studenti con lezioni a distanza, camion giganti a guida autonoma sulle strade svedesi e non solo ecc. – quindi 3 nm invece di 5 nm invece di 7 nm – e i 2 nm sono già all’orizzonte.

Tuttavia, questi chip sempre più sottili sono anche molto più delicati – anche i gestori dei data center di grandi dimensioni lo notano, e riscontrano core del processore sempre più “capricciosi”, che fanno più errori.

Quando arrivano sul mercato, la capacità dei server è raddoppiata o triplicata…

Sì, in termini di accumulazione di capitale questa non è una situazione stabile. Ma i semiconduttori consentono un passaggio ancora più rapido – per esempio da un motore a combustione a un motore elettrico – e tutto ciò che serve è il software. Questa è la promessa. E la rapida crescita di aziende come Apple o Amazon era inconcepibile con un processo meccanico.

In termini geopolitici, ciò ha portato alla situazione in cui il 70 percento di tutti i chip installati nelle auto proviene da un singolo produttore in Taiwan, che è anche l’unico in grado di padroneggiare processi a 3 nm. L’intera industria dei semiconduttori è concentrata in tre paesi. E c’è, per esempio, solo un’azienda (olandese) al mondo che costruisce fotounità per questi nuovi processi! Lei stessa ha 5.000 fornitori. Questo crea dipendenze estreme. Se qualcosa va storto nell’intera catena, mancano delle parti. Pandemia, blocco del Canale di Suez, scarsità d’acqua… per non parlare di un grave incidente o di una guerra… La fragilità della globalizzazione, che finora era stata semplicemente ignorata, è impressionante! Ecco perché gli strateghi ora esultano per la postura aggressiva di Biden nei confronti della Cina. Vi immaginate cosa succede se Taiwan diventa parte della Cina? Dieci anni fa il governo taiwanese ha detto che Tsmc era la loro assicurazione sulla vita. Oggi Tsmc prevede di costruire sei stabilimenti negli Stati Uniti! Grazie a dei sussidi, ovviamente.

In Arizona stanno già assumendo persone per la nuova produzione a 5 nm e per il 2022 si prevede di superare la soglia dei 3 nm. Sarà interessante vedere che tipo di persone assumono! Si tratterà di salari bassi o di persone con un buon diploma di maturità che svolgono il lavoro per alcuni anni? E dove trovi questi lavoratori? Le donne statunitensi ben istruite hanno bisogno di un percorso di carriera. Possono intervenire sul livello dei salari, ma questo non risolve tutti i problemi! E Tsmc non può pagare tre volte il salario medio negli Stati Uniti se vuole portare sul mercato chip competitivi! Forse si porteranno anche le lavoratrici da Taiwan? E rimane comunque il problema dell’elevata tossicità della produzione di chip…

In quali momenti avviene il consumo di acqua? Quest’acqua può essere ripulita dopo?

Durante tutto il processo. Una fabbrica di Taiwan consuma quindici milioni di litri d’acqua al giorno. A Taichung, il governo ha perforato ottantotto nuovi pozzi per fare in modo che Tsmc abbia acqua a sufficienza. Nelle ultime settimane i taiwanesi hanno dovuto risparmiare acqua nelle loro case; l’acqua viene chiusa due giorni alla settimana per fare in modo che le fabbriche possano funzionare. Infine si è arrivati al punto di ridurre la produzione. Solo ora Tsmc ha iniziato a costruire un impianto di depurazione dell’acqua a Taiwan, che entrerà in funzione alla fine dell’anno e nel medio termine coprirà la metà del fabbisogno idrico con le acque reflue (l’impianto sarà ovviamente a uso esclusivo di Tsmc – le persone possono tollerare acqua meno pura rispetto ai chip!). Inoltre, le fabbriche di chip utilizzano il tre percento del fabbisogno totale di elettricità di Taiwan. Facciamo un confronto per rendere l’idea: l’industria dell’alluminio è l’industria con il più alto consumo energetico in Germania; l’intera industria dell’alluminio in Germania consuma di 8,1 terawattora all’anno. Ma una singola fab da 3 nm di Tsmc consuma 6,3 terawattora. Le nuove fotounità hanno un consumo energetico venti volte superiore alle vecchie macchine.

Durante la crisi Covid abbiamo appreso che in Germania non si possono produrre né mascherine, né vaccini né semiconduttori. Quanto è realistica la prospettiva di nuove fabbriche di chip nella gamma dei nanometri in Germania?

Non credo che l’Ue spenderà dieci miliardi in sovvenzioni – la cifra che ha fornito Intel. Tsmc non ha ancora commentato, ma neanche loro costruiranno una fabbrica in mancanza di sussidi dell’ordine di una decina di miliardi. Ma, al netto della questione dei sussidi, rimane una domanda: questi processi produttivi possono essere avviati e controllati in modo efficiente in Germania oggi?

Morris Chang, l’ottantanovenne fondatore ed ex capo di Tsmc, in primavera ha celebrato la «mentalità da cavallo di battaglia» dei lavoratori taiwanesi in un’intervista ad Asia Times, e ha affermato che ciò che manca negli Stati Uniti non sono «terreni a buon mercato ed elettricità» ma «tecnici e lavoratori competenti [..] perché per decenni i lavori industriali non sono stati apprezzati dagli americani». Si possono inviare manager in Arizona, ma questi da soli non sono in grado di raggiungere una produttività simile a quella taiwanese.

Nell’intervista, Chang ha anche chiarito che l’attuale corsa tecnologica globale nella produzione di chip si svolge esclusivamente tra la Corea del Sud (Samsung) e Tsmc, e che la Cina è indietro di almeno cinque anni nonostante miliardi di sovvenzioni, e resterà ancora più indietro se proverà a sviluppare una tecnologia indipendente.

Di fronte a questi problemi, dubito che i capitalisti europei stiano anche solo cercando una “soluzione tedesca” alla crisi della produzione dei chip. Infineon è stata abbastanza chiara: sono disposti a investire in ulteriori fab da 300 mm (con ampi sussidi), ma non nei processi con una gamma di nanometri a una cifra.

Bibliografia

J. East, «Real Men Have Fabs Jerry Sanders, TJ Rodgers, and Amd», semiwiki.com, 29 luglio 2019. 

«Interview on the chip crisis», wildcat-www.de, estate 2021.

«Tsmc founder doubts Us competence in chip-making,» asiatimes.com, aprile 2021.