Oggetti con microchip

di Alessandra Tommasi e Lorenzo Rampa

Un processore neurale collocato alla base della spina dorsale che potenzia l’essere umano, aumentandone a dismisura i riflessi e la memoria. Microchip intercambiabili che, una volta inseriti, permettono a chiunque di trasformarsi di colpo in un campione di karate o un esperto musicista. Siamo nel distopico mondo di Cyberpunk 2077, il videogioco ispirato ai racconti di  Bruce Bethke che per primo unì la cibernetica alla controcultura punk. Uno scenario di pura fantascienza, molto lontano dalla realtà dei nostri tempi, oggi al centro di una forte contraddizione. Se da un lato la scienza è stata in grado di inviare il primo tweet col pensiero grazie a un microchip (in data 31 dicembre 2021), dall’altra parte siamo di fronte alla più grave carenza di semiconduttori di sempre.

Computer, smartphone, auto, frigoriferi: i microchip sono ovunque e permettono il funzionamento di quasi ogni dispositivo di natura elettrica. Sono alla base di sistemi missilistici e bancari, strumentazione medica, telecomunicazioni e intelligenza artificiale. Eppure, oggi non ce n’è abbastanza e la loro mancanza mette in crisi interi settori dell’industria in tutto il pianeta: dal generale aumento dei prezzi alle chiusure forzate del mondo dell’auto, passando per la difficoltà nel reperire processori e memorie per smartphone, pc e console di videogame, fino alla scarsità di componenti per la robotica.

Ma se c’è una cosa che la storia insegna è che ogni grande scoperta o balzo tecnologico dell’umanità inizia sempre da una crisi. In questo caso, l’emergenza pandemica, che ha accelerato la transizione digitale in tutto il pianeta e dato una spinta alla ricerca. I chip neuromorfici, processori che imitano il funzionamento dei neuroni, hanno il potenziale di rivoluzionare l’IA. Anche la corsa ai computer quantistici dei big dell’high tech prosegue senza sosta, grazie alle enormi potenzialità di questa nuova tecnologia dalla capacità di calcolo infinitamente superiore. Per quanto ne sappiamo, il fautore della prossima grande rivoluzione tecnologica potrebbe essere già tra noi.

La crisi dei semiconduttori: come ci ha colpito e da dove arriva

La maggior parte degli esperti fa risalire l’inizio del calo nella produzione di microchip con lo scoppio della pandemia all’inizio del 2020, un evento che ha sconvolto e continua a sconvolgere le economie di tutto il mondo. I suoi effetti hanno iniziato a emergere in modo evidente a partire da dicembre dello stesso anno. Le chiusure prolungate dei lockdown e i conseguenti stop agli impianti di produzione dei semiconduttori hanno generato rallentamenti in tutta la filiera. Inoltre sono cambiate anche le abitudini dei consumatori: didattica a distanza, smartworking e conferenze da remoto sono diventati la nuova normalità per la maggior parte delle persone. Con gran parte della società costretta in casa per lunghi periodi di tempo è arrivato anche un aumento improvviso della domanda di dispositivi elettronici di largo consumo come laptop, smartphone e console di videogiochi. Ma la situazione del mercato dei semiconduttori non è scaturita da un singolo evento, bensì da una serie di concause con origini radicate ben prima della pandemia. In primis, le guerre dei dazi tra Stati Uniti e Cina, iniziate sotto la presidenza di Donald Trump a partire da gennaio 2018. Le sanzioni imposte dall’America hanno spinto la maggior parte delle aziende a cancellare gli ordini di microchip presso i produttori cinesi. Questo mutamento ha finito per favorire gli altri attori della filiera, in particolar modo quelli che operavano a Taiwan, considerati partner più allineati.

Lo scontro tra Cina e Stati Uniti si è spostato sul piano tecnologico con il bando Usa al gigante delle telecomunicazioni Huawei nel maggio 2019, con cui il colosso di Shenzhen è stato estromesso dal mercato americano dei semiconduttori. Le grandi aziende cinesi, in vista delle misure restrittive prorogate nel 2020 da Washington, hanno risposto agli attacchi americani comprando gran parte delle riserve di componenti tecnologici sulle principali piazze mondiali, svuotando di fatto le scorte dei competitor occidentali.

Con le riaperture rese possibili grazie all’arrivo dei vaccini, sono ripartiti i consumi e la domanda di microchip è letteralmente esplosa. A causa dei lunghi tempi di attesa del loro ciclo produttivo, gli impianti, che di norma fabbricano un carico di wafer nell’arco di tre mesi, hanno iniziato ad accumulare ritardi e lunghe liste d’attesa.

Come se pandemia e scontro tra Cina e Stati Uniti non fossero sufficienti, persino il cambiamento climatico ha contribuito all’impasse. Terremoti, incendi, bufere di neve, siccità: tutti eventi naturali estremi verificatisi negli ultimi due anni hanno colpito la filiera dei semiconduttori, portando a blackout e interruzioni di corrente diffusi. Shock esterni che, assieme agli incidenti negli impianti causati da errori umani, hanno creato la tempesta perfetta.

Chipmaker, produzione in tre fasi

I centinaia di processi dietro alla creazione di un microchip possono essere riassunti in tre fasi: progettazione, produzione e assemblaggio più testing. A livello pratico ciò avviene in impianti diversi, spesso sotto più aziende. Per l’ideazione basta un qualunque ufficio, tanto che a occuparsene possono essere compagnie denominate “fabless”, letteralmente “senza impianti”. Servono però gli Eda, speciali software di automazione della progettazione elettronica, che simulano un’architettura del microchip e ne predicono il comportamento prima ancora che esista.

La produzione richiede invece stabilimenti appositi, chiamati “fab” o fonderie, non solo per i macchinari, ma per temperatura e ambiente di lavoro. Parte dei processi di fabbricazione avviene nelle “camere bianche” anche dette “pulite”, perché prive di polvere per mantenere i circuiti il più puri possibile. Per assemblaggio e testing i requisiti sono ancora altri, seppur meno stringenti. Le tre fasi possono avvenire anche nella stessa compagnia, come racconta Giuseppe Croce, direttore generale R&S Smartpower dello stabilimento di Agrate Brianza di STMicroelectronics (ST), la multinazionale italo-francese famosa per aver inventato i sensori di movimento che hanno reso celebre la Nintendo Wii.

L’industria dei semiconduttori è un ecosistema altamente specializzato, con una produzione frammentata su scala globale. In poche aree geografiche, un numero ridotto di compagnie detiene il monopolio (o quasi) di alcuni degli step produttivi. «Date queste premesse, si può capire come una semplice interruzione in qualsiasi parte del mondo crei un effetto a valanga», spiega ancora Alberto Guidi, research assistant dell’Istituto per gli studi di politica internazionale (Ispi), «se consideriamo tutta la catena ci sono 50 punti, chiamati “colli di bottiglia”, dove sono richieste competenze specifiche, di cui è dotata solo una o poche aziende». Le tecnologie di fonderia più all’avanguardia, per la fabbricazione dei chip a partire da un wafer di silicio, sono nelle mani di due compagnie, la Tsmc di Taiwan e la Samsung, in Corea del Sud. L’olandese Asml è l’unica azienda che produce macchinari fotolitografici di ultima generazione, indispensabili per uno dei passaggi della filiera, e rappresenta un’eccellenza europea. 

In un settore dove ciò che è nuovo invecchia dopo pochi anni, il motivo di tale frammentazione è dato dai costi: aprire una fabbrica di ultima generazione richiede oggi circa 20 miliardi di euro, per non parlare della cifra che servirebbe per mettere a punto l’intera catena di produzione. Le tariffe di circolazione dei semiconduttori sono invece così basse che, in genere, conviene far viaggiare i chip tra gli impianti che ci sono già. I vari step, dalla progettazione al testing, vengono così messi a punto in Stati, a volte persino in continenti diversi. Secondo le stime non è possibile spostare la filiera in un solo Paese: ciò causerebbe un aumento dei prezzi di un microchip dal 35% al 65% e ulteriori rialzi per il prodotto finito. Eppure, se si dipende da un mercato interconnesso un incidente qualsiasi, come un incendio in un impianto in Giappone, può ritardare l’uscita di auto in tutta Europa – come è avvenuto per Renesas, che produce molti dei chip necessari alle auto per il funzionamento di freni, servosterzo e airbag. E nel momento in cui si verifica un evento su scala globale come la pandemia da Covid-19, l’effetto a valanga si moltiplica.

Un microverso invisibile tutto intorno a noi

Nella nostra vita quotidiana siamo letteralmente circondati in ogni momento da microchip, nascosti anche in oggetti insospettabili, spesso senza rendercene nemmeno conto. Nelle nostre case se ne possono trovare molti più di quanti si potrebbe pensare. In questa riproduzione interattiva si può mettere alla prova le proprie convinzioni, esplorando diversi ambienti domestici e, con un solo click, verranno svelati tutti i dispostivi presenti negli scenari in cui si annida un chip.

SOS Auto, tra blocchi della produzione e rincari dei prezzi

Anche il settore delle auto non è stato risparmiato dalla crisi. Non è un caso che Stellantis abbia annunciato lo scorso aprile il restyling della Peugeot 308, pensata con un quadrante con lancette al posto del tachimetro digitale. Un ritorno all’analogico che la casa madre ha definito «un modo intelligente e agile per aggirare un vero ostacolo per la produzione», cioè la mancanza di semiconduttori. In altri casi, ciò ha portato a modelli meno tech: Nissan ha eliminato il navigatore previsto in migliaia di veicoli e General Motors una funzione dello Chevrolet Silverado che permetteva di risparmiare carburante. Una soluzione non è però sempre possibile, soprattutto se si pensa che per costruire un’auto occorrono in media fino a 3mila microchip e, se ne manca uno soltanto, la produzione dell’intero veicolo non può partire. 

Questo è ciò che è accaduto negli scorsi mesi, tanto che si è arrivati a stop parziali o totali di alcuni impianti e a tagli della produzione. L’Associazione europea dei costruttori di automobili (Acea) – che comprende Ferrari, Bmw, Ford, Jaguar, Renault, Stellantis, Volkswagen e Volvo – ha fatto sapere che nel 2020 sono stati fabbricati 5 milioni di macchine in meno rispetto all’anno precedente (dati: Pocket Guide 2021/2022). In Europa, a settembre 2021 si è registrato il numero più basso di nuove immatricolazioni dal 1995 (718.598), un evento dovuto ai rallentamenti nelle fabbriche e ai conseguenti ritardi di consegna delle nuove auto. «La causa del crollo è la crisi nelle forniture di microchip, che è anch’essa legata alla pandemia», ha sottolineato il Centro Studi Promotor, che ha analizzato l’impatto di questo dato sul mercato italiano.

Va detto che il disastro delle quattro ruote è stato agevolato in molti casi da scelte poco lungimiranti da parte delle case automobilistiche: molte avevano previsto un calo della domanda dovuto alle restrizioni alla mobilità imposte dalla pandemia del SARS-CoV-2 e nella prima metà del 2020 migliaia di ordini di componenti elettronici già programmati e destinati alle nuove macchine sono stati cancellati. Una scelta che non ha tenuto conto dei tempi di fabbricazione – che per i chip delle auto vanno dai quattro ai sei mesi – né del fatto che gli slot lasciati liberi potessero essere nel frattempo riempiti. Negli stessi mesi l’enorme richiesta di dispositivi per lo smartworking e la didattica a distanza ha creato un imbuto dal quale non si è ancora usciti. Quando alla fine del 2020 le case automobilistiche si sono ritrovate senza chip, la capacità delle fonderie di tutto il mondo era già al limite e i nuovi ordinativi hanno trovato spazio, ma solo in coda a quelli degli altri settori. Se a ciò sommiamo le scorte di magazzino ridotte al minimo, tipiche del modello “just in time” dell’industria dell’auto, dove si ordina ciò che serve solo quando necessario per evitare sprechi,  risulta evidente l’impatto della carenza dei microchip nel settore.

Il chip del futuro

Da anni i grandi player dell’high tech hanno preso parte alla corsa verso le nuove frontiere tecnologiche nel campo dei semiconduttori. Dallo spin Qubit del chip quantistico al chip neuromorfico che promette di rivoluzionare l’intelligenza artificiale. Secondo Agostino Melillo, communication manager presso Intel Italia, il chip del domani è ancora un miraggio: «Allo stato attuale si sta lavorando per far uscire il quantum computing dal laboratorio e per far sì che diventi una realtà». Per rendere effettivo il suo utilizzo la ricerca sta tentando di rendere questa tecnologia compatibile con gli stessi materiali dei processori tradizionali, in modo da poter sfruttare le conoscenze maturate finora. Se da un lato è ancora troppo presto per un largo impiego di queste nuove tecnologie, fanno ben sperare i prototipi funzionanti e le varie forme sperimentali di questi chip “ibridi”, che si sono susseguite negli ultimi anni a ritmo crescente, dando ottimi risultati. Melillo prevede che «nei prossimi dieci anni si faranno tantissimi progressi e il quantum computing diventerà una realtà per funzioni specifiche, come ad esempio la ricerca scientifica, i medicinali, l’intelligenza artificiale, il meteo, la finanza e la cybersecurity».

Sarà il chip del futuro a dirci come risolvere la crisi del microchip?

Secondo gli esperti la crisi dei semiconduttori si protrarrà almeno fino al 2023. Questo, nonostante gli sforzi e gli investimenti dei produttori e dei governi di tutto il mondo. E nemmeno le innovazioni più promettenti, come il neuromorphic e il quantum computing, sembrano poter offrire una soluzione nel breve periodo. Mai come oggi però l’attenzione di tutto il mondo è concentrata sul futuro dei microchip e proprio questa crisi, e i suoi nuovi finanziamenti, potrebbero accorciare la strada che ci separa da dispositivi più avanzati, se non dalla prossima rivoluzione tecnologica. In quest’ottica è forse il quantum computing a nascondere possibilità sorprendenti, grazie alla sua vera grande qualità: la capacità di far comprendere meglio la natura delle cose. Se si riuscisse ad applicare la potenza dei computer quantistici alle simulazioni della ricerca scientifica decenni, se non secoli di lavoro, verrebbero condensati in pochi anni o addirittura mesi. Ciò permetterebbe di prevenire o sanare alcune tra le più gravi crisi imminenti. 

I computer quantistici potrebbero portare alla scoperta di nuovi elementi chimici – di recente sono state aggiunte 22 nuove voci alla tabella periodica, tutte ancora da scoprire – e con le simulazioni della ricerca scientifica potremmo riuscire a svelare i segreti della natura, persino scomporre e riprodurre i meccanismi alla base della realtà stessa. Potrebbe voler dire ottenere nuovi materiali capaci di sostituire sostanze preziose in esaurimento fondamentali per l’era moderna, come il litio per le batterie e l’high tech. Metodi più efficaci per convertire l’ossigeno in fertilizzante e soddisfare il fabbisogno mondiale nell’agricoltura. Riprodurre la fotosintesi delle piante creando tecnologie per energie pulite alternative. Persino svelare i segreti del cosmo e aprire la strada alla conquista spaziale. Per quanto improbabile, anche la crisi dei semiconduttori ha una chance di venire risolta anzitempo, nel caso in cui scoprissimo nuove informazioni utili. Ma non è dato sapere se tutto questo avverrà tra 1, 10 o 100 anni.