La Inteligencia Artificial (IA) es una realidad como Tecnología de Utilidad General: quien tenga un papel relevante en su desarrollo tendrá una influencia desmedida sobre la economía y la sociedad. Nvidia, AMD y otras fabless (sin fábricas) pugnan por ser los proveedores de referencia de las unidades de procesamiento específicas para la IA (GPU, CPU con aceleradoras o híbridos) en centros de datos, los componentes hardware que responden a las prestaciones que demandan aplicaciones como ChatGPT o Bard.

Las empresas fabless recurren a terceros para disponer de los chips optimizados para la IA en sus productos. El dominio de TSMC del 90% del mercado de los chips lógicos más avanzados, basados en procesos de producción inferiores a 7 nanómetros, podría ser insuficiente para garantizar su prevalencia en los chips de la IA. Los límites físicos de la miniaturización impiden aumentar lo necesario la capacidad de los chips lógicos, y es necesario recurrir a procesos de empaquetado. El empaquetado avanzado integra en un mismo sustrato varios chips lógicos y de memoria, permitiendo que se alcancen las capacidades de procesamiento requeridas para las aplicaciones de IA.

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Son, por tanto, tres los segmentos de la fabricación a combinar para alcanzar el dominio en la producción de los chips IA: chips lógicos, chips de memoria y empaquetado. La complejización de la producción abre un escenario para una competencia más equilibrada entre Samsung y TSMC. Analicémoslo segmento a segmento.

La creciente demanda de Nvidia, AMD y otras fabless está llevando a una aceleración en el desarrollo del empaquetado avanzado; se espera un crecimiento de ventas del 10,3% anual entre 2022 y 2028, desde los $us 44.000 millones a los 78.000 millones. El empaquetado avanzado es un mercado fragmentado, donde siete agentes aglutinan el 65,1% de los ingresos. TSMC y Samsung mantienen posiciones parejas, captando, respectivamente, el 12% y 9% de ventas, sin alcanzar ninguno de ellos las tres primeras posiciones, a pesar de ser las empresas con más patentes registradas en este ámbito desde 2015.

CoWoS, la alternativa de empaquetado avanzado auspiciada por TSMC, domina de momento en la fabricación de chips de IA, pero con tensiones evidentes en la línea de producción. La capacidad de empaquetado de TSMC en 2023 está limitada a alrededor del 60% de la demanda de Nvidia, cercana a 2 millones de juegos de chips. A pesar de la ampliación de su línea de producción, será aún más complejo que los taiwaneses sean capaces de suministrar los más de 4 millones que necesitará Nvidia en 2024, a los que habría que sumar la demanda de AMD.

Las empresas fabless no limitarán su crecimiento de negocio por la debilidad coyuntural de TSMC en el empaquetado avanzado. Samsung está ajustando la organización de su sección de semiconductores para aprovecharse, potenciando su alternativa Xcube. La empresa coreana busca también ampliar sus capacidades en empaquetado avanzado mediante adquisiciones, apuntando hacia Amkor, empresa que es la segunda compañía en ventas del segmento y la principal proveedora alternativa de CoWoS para Nvidia.

Los vientos que alimentan una competencia equilibrada entre TSMC y Samsung en la provisión de chips de IA no se reduce a las expectativas de evolución del segmento de empaquetado avanzado. La situación de ambas en la fabricación de chips lógicos y chips de memoria juega también a favor de los intereses de los coreanos.

Hasta ahora, TSMC ha dominado el segmento de chips lógicos avanzados que requieren los chips de IA. Sin ir más lejos, provee los chips lógicos de las GPU de Nvidia, y AMD es su tercer cliente más importante. Sin embargo, la compañía coreana puede empezar a competir con éxito al haber alcanzado ratios de calidad por oblea parejos a TSMC en chips de 4 nanómetros (75%) y 3 nanómetros (60%). Un salto de calidad en chips lógicos que le permitirá competir en este ámbito en un momento de saturación de esta cadena de producción de TSMC, derivada no solo de los pedidos de Nvidia y AMD, sino también de Apple.

En el ámbito de los chips de memoria, la situación es aún más favorable para los coreanos. Mientras los taiwaneses no son relevantes en la fabricación de chips de memoria, Samsung es un operador dominante en los denominados chips de HBM, considerados óptimos para empaquetar dentro de los chips de IA. Samsung hace un 40% de las ventas globales, tan solo por detrás de SKHynix, con un 50%. De hecho, la fortaleza de Samsung en este ámbito le ha valido la selección de AMD para proveer conjuntamente chips de HBM y empaquetado.

En el fluctuante equilibrio de fuerzas entre las compañías del sector de los semiconductores, se ha configurado una tormenta perfecta que favorece que Samsung desafíe a TSMC en la producción de chips de IA. Los coreanos tienen ya capacidad de producir chips lógicos competitivos con los de los taiwaneses, gozan de mayor fuerza en la fabricación de chips de memoria y están a la par en el empaquetamiento avanzado. Con todo ello, Samsung se sitúa en un lugar privilegiado frente a TSMC, tanto para ser ventanilla única de chips de IA como para potenciar el conjunto de su producto.

(*) Emilio García García es asesor en el Instituto de Astrofísica de Canarias

Según las estimaciones de la compañía McKinsey, se espera que el mercado de los semiconductores supere los $us 1.000.000 de millones en 2030. De cumplirse este pronóstico, se habrá multiplicado por dos desde su valor actual, superior a los 500.000 millones, y por cinco desde su valor de $us 200.000 millones en 2001.

La evolución del volumen de negocio del sector de la microelectrónica nunca ha sido continua, sino con oscilaciones cíclicas. Los datos de mercado publicados mensualmente por la Asociación de la Industria de Semiconductores de Estados Unidos (SIA) reflejan que nos encontramos desde hace unos meses en una fase de decrecimiento. Si en enero de 2022 se registraron en el sector $us 50.700 millones de ingresos, en mayo de 2023 se contabilizaron solo 40.700 millones. La pregunta que muchos se hacen es si la etapa puede darse por concluida y en, tal caso, si la recuperación será rápida y sostenida.

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Aquellos con mirada optimista dentro del sector resaltan los brotes verdes que auguran una evolución positiva en el medio plazo. Comenzando por los últimos datos globales de ventas publicados por SIA y mencionados en el anterior párrafo, por primera vez en 18 meses se ha registrado un incremento de ingresos respecto al mes anterior, del 1,7%. El dato lo señalan como la primera confirmación de los pronósticos hechos por Gartner en abril pasado, que apuntaban hacia una recuperación enérgica de las ventas en 2024.

Dos de los actores más relevantes del sector no han aportado una visión tan positiva en su presentación de resultados del segundo trimestre del año. Por un lado, TSMC mostró un balance ligeramente negativo del primer trimestre al segundo, con un precavido incremento del 6% en la previsión de ingresos para el tercero. Por su parte, ASML presentó un ligero incremento de ventas entre los dos primeros trimestres, con pronóstico de evolución sin apenas crecimiento de los ingresos en el tercero. En sendas ruedas de prensa posteriores a estas presentaciones, los consejeros delegados de ambas compañías se mostraban cautos al respecto de confirmar una recuperación rápida del sector de los semiconductores en 2024.

Los inversores parecen apostar desde principios de año por la recuperación del sector a medio plazo, aunque atravesando algún momento de indecisión y dudas. El principal índice bursátil del sector, el Philadelphia Semiconductor Index (SOX), se revalorizó en un 53% entre el 1 enero y el 28 de julio. Sin embargo, es significativo que los meses de presentaciones trimestrales de resultados de las compañías, marzo-abril y junio-julio, hayan tenido vaivenes de alzas y bajas: en el primero de los periodos incluso tuvo como resultado el único mes con balance negativo del índice durante el año.

La continuidad del incipiente retorno al crecimiento del sector de los semiconductores está puesta en el desarrollo de la inteligencia artificial. La evidencia de estas expectativas se encuentra en que uno de los incrementos más significativos del valor del SOX sucediera alrededor del 25 de mayo: en tal fecha se presentaron las muy positivas previsiones de negocio de Nvidia, cuyas GPU (sigla de Graphics Processing Unit, o Unidad de Procesamiento de Gráficos) son clave en este ámbito. Pero en la satisfacción de la demanda de fabricación de las GPU diseñadas por Nvidia y otras empresas (AMD e Intel, principalmente) han surgido de nuevo cuellos de botella en la cadena de suministro, al depender de los procesos más innovadores de fabricación y empaquetado.

Un GPU es un tipo de procesador especializado en el procesamiento de gráficos y cálculos matemáticos altamente paralelos. A diferencia de la CPU (Central Processing Unit), que se enfoca en tareas generales del sistema y controla la ejecución de programas, el GPU está diseñado específicamente para realizar operaciones gráficas de manera eficiente.

Su función principal es acelerar y optimizar el procesamiento de imágenes, videos y elementos visuales en general. Los GPU son ampliamente utilizados en aplicaciones de visualización, como videojuegos, diseño gráfico, animación, modelado 3D, inteligencia artificial, aprendizaje profundo (deep learning), entre otros.

Por un lado, las GPU necesitarán el éxito en el esfuerzo global para la creación de nuevas fábricas de los chips de vanguardia que las componen, tanto los lógicos de arquitecturas inferiores a 7 nanómetros como los de memoria basados en HBM3. Aunque la construcción de estas plantas por parte de TSMC, Samsung e Intel parecía avanzar a un ritmo adecuado para estar disponibles a finales de 2024, la escasez de talento y capital humano para operarlas puede ralentizar su puesta en marcha.

Por otra parte, las GPU más avanzadas necesitan el empaquetado basado en tecnología CoWoS que hace TSMC, cuya capacidad es limitada. La empresa taiwanesa ha iniciado la construcción de una nueva planta para ello, pero no estará disponible antes de finales de 2024.

Superado el exceso de inventarios que desde comienzos de 2022 ha provocado la última contracción cíclica del mercado de los semiconductores, el sector parece retornar a la senda del crecimiento. La recuperación, sin embargo, será más lenta de lo esperado, y es probable que no se retorne a los ingresos mensuales superiores a los 50.000 millones hasta finales de 2024, un año más tarde de lo inicialmente esperado.

La expansión del uso de la inteligencia artificial augura la prolongación de ese nuevo ciclo de crecimiento del sector de los semiconductores, pero para ello deberá superar cuellos de botella en su capacidad de producción: el más importante, la existencia de talento.

(*) Emilio García García es asesor de relaciones institucionales en el Instituto de Astrofísica de Canarias