La industria de los semiconductores y el futuro de la economía mundial (I)

La noticia económica más importante de 2022 no fue ni la guerra en Ucrania, con la subida del precio de la energía que acarreó, ni la fuerte inflación. La clave de 2022 fue el recrudecimiento de la batalla por el control de la industria mundial de los semiconductores. Esta disputa vivió su momento más crítico, aunque no fue el único evento significativo a lo largo del año, el 7 de octubre, cuando el Departamento de Comercio de Estados Unidos anunció nuevas regulaciones para restringir el acceso de China a los procesadores más avanzados, a los superordenadores y al equipo y software necesario para la fabricación de semiconductores de últimas generaciones. Estas regulaciones, un auténtico cambio radical de dirección de la política comercial de Estados Unidos, muestran la importancia estratégica de los semiconductores, pero, sobre todo, la ruptura, ya inequívoca, entre las dos grandes potencias económicas del planeta y cómo se configura el futuro de la economía mundial y su organización en complejas estructuras de valor añadido.

Empecemos centrando la cuestión. Por industria de los semiconductores nos referimos a toda la cadena de diseño, fabricación e instalación de circuitos integrados, a los que también llamamos chips o microchips. Estos circuitos son la base de infinidad de productos como los procesadores de los ordenadores y teléfonos móviles, los microcontroladores en los coches, el mando a distancia de la televisión o muchas de las unidades de memoria digital, entre otros. Es casi imposible pensar en economía en 2023 sin circuitos integrados. Esta entrada está escrita en un ordenador a rebosar de circuitos integrados, colgada en internet gracias a circuitos integrados y leída en un dispositivo (otro ordenador, una tableta, un móvil) atiborrado de, habrán adivinado, circuitos integrados. Incluso si usted está leyendo esta entrada en papel, la impresora que ha empleado funciona gracias a ellos. Pero no son solo los bienes de consumo los que viven de los microchips: buena parte de la investigación contemporánea, desde la biología a la física, depende crucialmente de la industria de los semiconductores. En mi quehacer académico me dedico a un área del conocimiento llamada economía computacional, que emplea circuitos integrados bastante avanzados para responder preguntas tales como cómo medir los efectos económicos del cambio climático.

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Al contrario de lo que se pueda pensar, prescindir del petróleo, que suele ser señalado como el pilar clave de la economía moderna, sería mucho más sencillo que hacerlo de los circuitos integrados. Uno puede conducir un coche eléctrico recargado con placas solares o energía nuclear, volar en aviones que emplean biocombustibles y sustituir muchos de los productos de la industria petroquímica con alternativas biotecnológicas. El problema de los coches eléctricos (o de hidrógeno, si a uno le preocupan las limitaciones en los minerales de las baterías), de los biocombustibles o de los plásticos orgánicos es su coste, directo o indirecto (crear la infraestructura necesaria, por ejemplo, para el hidrógeno verde). Pero es factible reducir el consumo de petróleo de una sociedad moderna en un 95%, simplemente es muy caro y por eso es tan difícil avanzar hacia la necesaria descarbonización de nuestras economías. Sin embargo, deshacernos de los circuitos integrados no es posible sin renunciar a lo que consideramos la "vida moderna" (de hecho, incluso la producción actual de petróleo y sus productos depende de los chips y microchips de arriba abajo). Volver a las válvulas de vacío es volver a los años 50 del siglo pasado.

Pero ya no es solo que nuestras economías dependan de los circuitos integrados: el poder militar de los estados es función directa de los mismos. Desde la guerra de Vietnam, Estados Unidos apostó de manera decisiva por el uso de circuitos integrados como multiplicadores de sus fuerzas militares. El éxito, mil veces repetido, de los HIMAR en Ucrania es consecuencia inequívoca de la electrónica: desde el diseño de los misiles, al control de estos en vuelo o la recopilación de inteligencia para seleccionar objetivos. En comparación, el pobre desempeño militar ruso tiene mucho que ver con su atraso tecnológico. Si no fuera por sus armas nucleares, Rusia sería hoy una potencia de tercer orden y habría perdido la guerra en Ucrania hace meses, probablemente, tras la intervención de las fueras áreas de la OTAN.

La industria de los semiconductores fue uno de los primeros, y más radicales, ejemplos de globalización desde que la pionera Fairchild Semiconductor abriese su planta en Hong Kong en 1963. Parte del proceso, como el diseño de un procesador, es increíblemente intensivo en capital humano, mientras que otros en décadas anteriores, como la fabricación de transistores, era particularmente intensivo en uso de trabajo manual. Mire su teléfono móvil. Lo más probable es que su tecnología básica se haya desarrollado en Estados Unidos, la arquitectura de los procesadores que lo hacen funcionar se haya diseñado en el Reino Unido, las máquinas fotolitográficas que posibilitan fabricar estos procesadores se hayan construido en los Países Bajos, el procesador se haya producido en Corea del Sur y el montaje final del teléfono móvil se haya realizado en China.

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Durante muchas décadas esta división internacional del trabajo benefició a todos. Sin los bajos costes laborales del este de Asia, las primeras generaciones de circuitos integrados jamás habrían sido lo suficientemente baratos para su adopción masiva y así generar las enormes economías de escala que transformaron la industria. A la vez, la industria de semiconductores fue uno de los pilares que permitió a estas economías del este de Asia comenzar su proceso de crecimiento. Sin la especialización de diferentes naciones, jamás habríamos sido capaces de coordinar los innumerables talentos necesarios para construir un procesador avanzado, quizás la creación más sofisticada del ser humano, con la participación de más de 70 países y más de 1.000 procesos de fabricación diferentes.

La historia del extraordinario éxito de la división internacional del trabajo comenzó a mediados de los años 60 del siglo pasado, pero culminó, más o menos, en la primavera de 2016. Dos fuerzas, no independientes la una de la otra, confluyeron en aquella primavera de hace siete años.

La primera fuerza fue las consecuencias sobre la organización industrial de la complejidad exponencial de los semiconductores. Gordon Moore, uno de los cofundadores de Intel, predijo en 1965 que el número de transistores en un circuito integrado se iba a doblar cada año. Aunque luego redujo esta predicción a que los componentes se iban a doblar cada dos años, este crecimiento exponencial es espectacular. Una manera de pensar sobre la Ley de Moore es que los circuitos integrados han avanzado tanto entre febrero de 2021 y hoy, febrero de 2023, como desde su invención en 1958 hasta febrero de 2021. O de una manera más transparente: el teléfono móvil en el bolsillo de cualquiera de nosotros tiene muchísima más capacidad que el superordenador de primera línea mundial en el que corrí parte de los resultados de mi tesis doctoral en el otoño de 2000.

Fabricar semiconductores de 3 nanómetros o menos solo está al alcance de tres compañías a nivel mundial

La Ley de Moore supone que, en estos momentos, los circuitos integrados de última generación tengan unos 80 millardos de transistores, con una complejidad endiablada e increíblemente costosos de desarrollar y fabricar. La combinación de complejidad y coste ha llevado a una reducción dramática de las empresas en el sector: no hay ni mercado ni capital para más.

Fabricar semiconductores de 3 nanómetros o menos, la frontera industrial en febrero de 2023, solo está al alcance de tres compañías a nivel mundial: TSMC de Taiwán (la mayor "fundición" mundial y que fabrica, por ejemplo, los procesadores de Apple y de AMD), Samsung de Corea del Sur e Intel de Estados Unidos.

Pero incluso esta reducida lista tiene "trampa". Bien, lo que se dice producir bien, solo TSMC sabe producir semiconductores de 7 nanómetros o menores a escala masiva. Samsung puede producirlos, pero a una escala menor que TSMC. Por ejemplo, los rumores en la industria es que NVIDIA tuvo problemas con sus unidades de procesamiento gráfico (volveremos a ellas en unos párrafos) porque Samsung no podía producir suficientes circuitos, incluso en el menos complejo proceso de 8 nanómetros. La situación llegó a tal punto que el presidente de Corea del Sur sacó de la cárcel a Lee Jae-yong, el jefe de facto de Samsung, a finales de agosto de 2022, para que pusiera orden en la fabricación de semiconductores de su compañía (lo que parece haber tenido un impacto positivo sobre esta tarea).

El producto más avanzado solo se produce a escala suficiente en Taiwán

Intel está sufriendo retrasos innumerables con sus últimos procesadores. Existe una posibilidad no trivial de que, cuando llegue la nueva generación de transistores GAAFET (de puertas en todas las direcciones) —y que Samsung ya emplea en parte desde junio de 2022—, Intel se caiga de la lista. Aunque Intel ha anunciado un GAAFET de 2 nanómetros (o 20 Ángstroms, lo que me supone tener que cambiar de unidad de nuevo y lamentarme una vez más no haber prestado más atención en la clase de física del bachillerato cuando me explicaron las unidades de medida) para 2024, ¿será capaz de producirlo en cantidad y a tiempo? Las noticias más recientes no son muy optimistas al respecto y el retraso en la llegada de Meteor Lake de decimocuarta generación, o incluso su posible cancelación, es muy preocupante para las perspectivas de la empresa americana.

En resumen y para saltarnos todos los tecnicismos: el producto más avanzado, y en cierto sentido más vital de la economía mundial, solo se produce sin problemas o retrasos y a escala suficiente en Taiwán. Y la segunda mejor alternativa, los productos de Samsung, se producen en Corea del Sur.

Esto, en principio, no supondría un problema mayor. Hay otro elemento básico en la fabricación de circuitos integrados avanzados: las máquinas fotolitográficas que "imprimen" el patrón del circuito en una oblea de silicio. Las máquinas más modernas, que emplean una tecnología llamada litografía ultravioleta extrema (aquí una explicación sencilla de cómo generar esta luz, solo las produce una compañía en el mundo, la neerlandesa ASML, en buena medida porque tienen la mejor tecnología de láseres desde que compraron la empresa californiana Cymer. ASML tiene unos beneficios fantásticos y la existencia de un competidor permitiría precios más bajos de los circuitos integrados. Pero los economistas expertos en este tema piensan que los costes de bienestar de este monopolio mundial son probablemente muy bajos por la existencia de competidores potenciales constantemente "persiguiendo" a la empresa neerlandesa. Que ASML domine este mercado no nos quita ni un segundo de sueño. Que TSMC domine el mercado de circuitos integrados más avanzados sí.

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La diferencia clave entre ASML y TSMC es, obviamente, dónde está cada una. ASML está localizada en los Países Bajos, una democracia centenaria en una de las zonas más estables del planeta y con tradición de siglos de ser socios comerciales fiables (los piratas holandeses desaparecieron hace mucho tiempo y solo existen hoy en las películas). Excepto Suiza, es difícil pensar en un país con menos riesgos geoestratégicos que los Países Bajos. Taiwán también en una democracia, en estos momentos muy vigorosa, pero está en el centro de la fisura geoestratégica más fundamental de nuestros días: el deseo del Partido Comunista de China de "reunificar" la isla con la China continental (el riesgo de terremotos y tsunamis devastadores en Taiwán tampoco es trivial, pero dejemos eso para otro día). Y, como decíamos antes, la segunda mejor alternativa, los productos de Samsung, se fabrican en la península coreana, que tampoco es un templo de tranquilidad, si tenemos en cuenta quiénes son sus vecinos del norte.

La segunda fuerza que pone freno a la división internacional del trabajo en la industria de los semiconductores fue el cambio de política de China con la llegada de Xi Jinping al poder en 2012. Xi, cuya visión del mundo es muy diferente de la de sus inmediatos predecesores, estaba preocupado por dos observaciones. La primera es que la división internacional del trabajo en la industria de los semiconductores no dejaba a China en una situación muy favorable. Según un estudio reciente, Estados Unidos produce el 39% del valor añadido mundial de esta industria, Corea del Sur el 16%, Japón el 14%, Taiwán el 12%, Europa el 11% (gracias principalmente a las dos empresas ya mencionadas: ARM en el Reino Unido y ASML en los Países Bajos) y China el 6%. Las ganancias potenciales para China, quizás el primer consumidor mundial de circuitos integrados (es difícil tener cifras exactas, dado que muchos de estos circuitos se emplean en productos que luego son re-exportados y re-importados numerosas veces), de avanzar en esta industria, son tremendas. Es más, China parece estar perdiendo terreno en este campo, con SMIC siendo incapaz de saltar de procesos de 10 nanómetros a 7. Dada la base de capital humano existente en China, con excelentes universidades politécnicas y miles de doctores por los mejores programas de tecnología de Estados Unidos, es lógico y normal aspirar a jugar en lo más alto de esta liga. Solo países como España piensan que es más importante discutir sobre qué ciudad albergará la Agencia Española de Supervisión de la Inteligencia Artificial que hacer algo de provecho al respecto.

La segunda observación, mucho menos benigna que la primera, es que, sin una industria puntera propia de semiconductores, China no tendrá la capacidad militar para disputar el liderazgo militar mundial a Estados Unidos y, poder, por ejemplo, "reconquistar" Taiwán. Volviendo a nuestro argumento anterior: la guerra de Ucrania deja claro que miles de carros de combate anticuados no sirven para nada.

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De igual manera, sin los mejores procesadores propios es difícil explotar todas las ventajas prometidas por la inteligencia artificial, incluidas sus aplicaciones militares como la programación de drones más avanzados. Como dijo una vez el gran Alan Kay, las personas que realmente se toman en serio su software deberían fabricar su propio hardware. China tienen grandes investigadores en aprendizaje profundo, pero está muy detrás en las unidades de procesamiento gráfico, necesarias para entrenar los modelos de aprendizaje profundo, un mercado claramente dominado por NVIDIA.* Incluso en la posible alternativa a las unidades de procesamiento gráfico que son las matrices de puertas lógicas programables en campo, China está muy retrasada con respecto a la tecnología de Xilinx, que es la que yo empleo en mi trabajo académico.** Al contrario a lo que se afirma a menudo, al final del día China va muy por detrás de Estados Unidos en inteligencia artificial y su "estado de vigilancia" brutal requiere de un número ingente de trabajadores realizando labores manuales de supervisión.

Para cerrar esta brecha tecnológica militar, China comenzó una política de "fusión civil-militar" a finales de los años 90 del siglo pasado. Pero fue Xi quien convirtió esta política en una prioridad absoluta de su gobierno, tanto en términos de financiación como de recursos (legales e ilegales) dedicados a ella. De repente, nos encontramos en una situación muy diferente a previas disputas en la industria de los semiconductores. Japón, por ejemplo, durante los años 80 del siglo pasado, empleó técnicas muy agresivas para ganar cuota de mercado en esta industria. Unas técnicas eran legales y éticas (invertir grandes cantidades en investigación y desarrollo), otras legales pero poco éticas ("robar" ingenieros a compañías de Estados Unidos para emplearlos en puestos que no violaban la letra de los acuerdos de no confidencialidad con sus antiguos empleadores, pero sí el espíritu) y finalmente otras ni legales ni éticas (adquisición ilegítima de propiedad intelectual mediante sobornos). Pero, a pesar de algunos ruidos nacionalistas en Japón, Estados Unidos no consideró que tales comportamientos cruzasen ninguna línea roja. Japón era (y es) un firme aliado de Estados Unidos; las empresas americanas también se saltaban a menudo las reglas y los beneficios de la relación comercial para las dos partes eran tan altos que no merecía la pena romper nada por tan poca cosa. En el mejor de los casos, podíamos tener reajustes en el margen, como las disputas sobre el posible dumping de Japón. Más lejos de tener que sufrir alguna mala película, todo esto no tenía mayores consecuencias.

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Ahora nos encontramos con una dictadura, la china, dispuesta a alcanzar el liderazgo geoestratégico mundial y a emplear para ello cualquier medio a su alcance. Durante la primavera de 2016, Estados Unidos llega a la conclusión de que, de repente, la industria de los semiconductores era su prioridad estratégica. La energía ya es mucho menos relevante desde la perspectiva de Washington: recordemos que Estados Unidos es ya un exportador neto de energía y que podría vivir, si quisiera, sin importar una gota de petróleo del resto del mundo (algo no interiorizado por muchos comentaristas que siguen pensando con marcos obsoletos). La batalla ahora son los semiconductores.

Cómo comienza esta batalla de los semiconductores en 2016 y cómo nos lleva a la escalada brutal de las nuevas regulaciones de 7 de Octubre de 2022 quedará para mi próxima entrada de Marzo, pues una historia fascinante que mezcla mis mayores intereses personales —economía, tecnología y política— y merece ser contada con calma.

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*Entrenar un modelo de aprendizaje profundo precisa, entre otros pasos, manipular repetidamente una estructura matemática llamada matriz. Una unidad de procesamiento gráfico es un procesador que permite manipular matrices de manera mucho más eficiente que las unidades centrales de procesamiento convencionales de los ordenadores. Más en concreto, una unidad de procesamiento gráfico explota el paralelismo inherente a muchas de las operaciones matemáticas con las matrices.

**Los procesadores tradicionales están diseñados para ser polivalentes. Intel no sabe si usted va a emplear la unidad central de procesamiento de su ordenador para trabajar con hojas de cálculo, para escribir entradas en El Confidencial o una mezcla de las dos. Por tanto, Intel diseña procesadores que sirven un poco para todo. Pero esto significa que el procesador no es particularmente bueno para nada. Se pueden diseñar procesadores específicos para ciertos problemas, pero esto puede costar decenas de millones de euros. Las matrices de puertas lógicas programables en campo permiten al usuario final reconfigurar los bloques lógicos del procesador para adaptarlo a sus necesidades concretas. Hasta hace poco, este proceso era muy pesado para emplearse fuera de unos pocos nichos industriales y académicos. La nueva generación de compilares de Xilinx ha revolucionado por completo este mundo.