Pochi settori hanno il peso strategico o il livello di concentrazione che si riscontra nella produzione di semiconduttori. I chip odierni sono alla base di tutto, dall'intelligenza artificiale alla finanza ad alta velocità, dalle tecnologie di difesa all'automazione industriale.Tuttavia, gli strumenti necessari per produrre i processori più avanzati provengono da un'unica azienda. ASML, con sede nei Paesi Bassi, controlla oltre il 90% del mercato globale dei sistemi di litografia a ultravioletti estremi. Ogni macchina costa più di 300 milioni di euro, pesa circa 180 tonnellate e richiede migliaia di specialisti per il montaggio.
Anche la fase di produzione della catena è altrettanto concentrata. TSMC a Taiwan produce la maggior parte dei chip all'avanguardia a livello mondiale, mentre Samsung e SK Hynix gestiscono la restante capacità produttiva. Questa dipendenza è diventata una vulnerabilità geopolitica. In questo contesto, una start-up californiana sta tentando qualcosa che molti nel settore consideravano impossibile: riscrivere il processo fondamentale della produzione di chip.
Substrate, fondata tre anni fa, vuole sostituire la litografia EUV con un sistema basato sulla luce a raggi X generata da acceleratori di particelle compatti. L'azienda ha raccolto oltre cento milioni di dollari da finanziatori quali Peter Thiel e In-Q-Tel, il braccio finanziario associato alla comunità dei servizi segreti statunitensi. La sua valutazione si aggira intorno al miliardo di dollari, nonostante non disponga di alcuno strumento commerciale. Per gli Stati Uniti, il progetto è in linea con gli sforzi nazionali volti a ricostruire la produzione interna di chip. Per l'industria in generale, rappresenta una potenziale alternativa in un momento in cui la domanda globale è in forte aumento.
Un settore globale che sta raggiungendo i limiti della concentrazione
Il mercato dei semiconduttori ha generato circa 600 miliardi di dollari di fatturato nel 2024 e si prevede che crescerà fino a raggiungere un trilione di dollari entro il 2030. Tuttavia, solo poche aziende sono in grado di produrre chip inferiori a sette nanometri. TSMC da sola rappresenta oltre il 90% della capacità globale per i nodi più avanzati. Aziende come Nvidia, AMD, Qualcomm e Broadcom si affidano quasi interamente a TSMC per i loro processori di ultima generazione.
L'intensità di capitale è enorme. Un moderno impianto di produzione all'avanguardia richiede un investimento iniziale compreso tra 15 e 25 miliardi di dollari. Dopo la costruzione, sono necessarie ulteriori spese per il personale, l'ingegneria di processo e il miglioramento della resa. La complessità dell'EUV ha creato una barriera all'ingresso che persino i governi faticano a superare.
Gli Stati Uniti hanno stanziato 52 miliardi di dollari in sussidi attraverso il CHIPS Act. TSMC sta investendo oltre 40 miliardi di dollari nei suoi siti in Arizona. Il piano di espansione a lungo termine di Intel in diversi stati supera i cento miliardi di dollari americani. Nonostante queste somme, la capacità di produzione all'avanguardia sta crescendo solo lentamente.
Il tentativo di Substrate di sostituire l'EUV
Substrate propone di utilizzare intensi fasci di raggi X prodotti accelerando gli elettroni quasi alla velocità della luce e guidandoli attraverso strutture magnetiche note come ondulatori. La radiazione che ne deriva è estremamente brillante, meno soggetta alla dispersione rispetto alla luce ultravioletta e in grado di produrre motivi nitidi sui wafer di silicio.
Gli analisti di Yole stimano che, se la tecnologia raggiungerà la maturità, il costo di produzione di un wafer potrebbe scendere da circa 100.000 a 10.000 euro. Il minor fabbisogno di capitale aprirebbe il campo a nuovi produttori e ridurrebbe la dipendenza globale da un numero limitato di fabbriche.
La fisica alla base dell'idea è consolidata. I raggi X possono penetrare più in profondità e mantenere una coerenza del fascio più stretta, riducendo la necessità di elaborate correzioni ottiche richieste nei sistemi EUV. Substrate sostiene che la litografia a raggi X potrebbe diventare un processo a singola esposizione, semplificando la progettazione degli strumenti e migliorando potenzialmente la produttività.
L'interesse per approcci alternativi è in crescita. Inversion Semiconductor sta sviluppando acceleratori di particelle da tavolo, mentre XLight in California sta lavorando su laser a elettroni liberi per la produzione di chip. ASML ha esplorato sorgenti luminose basate su acceleratori in precedenti programmi di ricerca e detiene brevetti in questo campo, anche se alla fine si è concentrata sull'EUV generato da laser.
Sfide tecniche e industriali
Trasformare l'idea in una piattaforma di produzione rimane un compito ingegneristico di grande rilevanza. I raggi X ad alta intensità richiedono una fabbricazione in condizioni di vuoto ultraelevato. È necessario sviluppare nuovi fotoresist in grado di tollerare i livelli di radiazione. I sistemi di controllo dei processi dovrebbero essere riprogettati da zero. Un singolo acceleratore può supportare diversi strumenti di litografia, il che significa che qualsiasi malfunzionamento potrebbe bloccare un'intera linea.
Gli analisti di Jefferies stimano che, in condizioni favorevoli, la maturità commerciale potrebbe essere raggiunta entro un decennio. Il benchmark da eguagliare è elevato. Le macchine EUV odierne forniscono più di 200 wafer all'ora con un tempo di attività elevato. Substrate mira ad avviare la produzione in serie nel 2028, ma molti operatori del settore ritengono che la metà degli anni '30 sia il primo termine realistico.
Un progetto con un sostegno strategico
Nonostante l'incertezza tecnica, l'interesse politico che circonda Substrate è significativo. Alti funzionari del Dipartimento del Commercio e del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno visitato l'azienda. L'investimento di In-Q-Tel segnala un allineamento con più ampie considerazioni di sicurezza nazionale.
Gli Stati Uniti cercano una maggiore autonomia nella produzione di chip avanzati, fondamentali per la difesa, le infrastrutture e le future applicazioni industriali. Oltre il 90% dei chip AI all'avanguardia nel mondo è prodotto a Taiwan. Una tecnologia in grado di ridurre i costi della produzione interna è quindi molto interessante. Il substrato beneficia di una lunga tradizione di collaborazione pubblico-privata negli Stati Uniti, dove il coinvolgimento precoce del governo spesso accelera lo sviluppo delle tecnologie avanzate.
Perché è importante per la Svizzera
Per la Svizzera, gli sviluppi nella produzione internazionale di semiconduttori sono più di una lontana storia industriale. Il Paese investe circa 24 miliardi di franchi all'anno in ricerca e sviluppo, pari a circa il 3,4% del PIL. Le sue università e i suoi centri di ricerca applicata vantano una profonda competenza in settori direttamente rilevanti per le tecnologie dei chip di nuova generazione.
L'ETH di Zurigo e l'EPFL generano ogni anno tra i 25 e i 30 spin-off deep-tech. Il Centro svizzero di elettronica e microtecnologia (CSEM) di Neuchâtel, con un budget di circa 110 milioni di franchi, sostiene partner nazionali e internazionali nei settori della microfabbricazione, della nanolitografia, della fotonica e della metrologia.
La Svizzera svolge un ruolo significativo anche nella catena del valore industriale. Aziende come STMicroelectronics impiegano circa 1000 persone tra Ginevra e Neuchâtel. Aziende come Sensirion, u-blox e LEM forniscono sensori, chip di connettività ed elettronica di potenza ai mercati globali. L'industria svizzera della fotonica genera oltre 5 miliardi di franchi svizzeri di esportazioni all'anno e costituisce uno dei cluster più densamente popolati al mondo per l'ingegneria ottica di alta precisione.
In questo contesto, l'emergere di metodi litografici alternativi è estremamente rilevante. Se i costi di capitale diminuiscono e i nuovi paradigmi di produzione diventano praticabili, alcuni settori dell'industria dei semiconduttori potrebbero diventare più accessibili ai Paesi specializzati in sottosistemi ad alta precisione e innovazione basata sulla ricerca. La Svizzera corrisponde perfettamente a questo profilo.
Opportunità per le aziende svizzere deep tech
L'approccio di Substrate offre una prospettiva utile per la Svizzera. Il Paese non ha bisogno di costruire grandi fabbriche di chip per trarre vantaggio dai cambiamenti globali. Può invece rafforzare il proprio ruolo di fornitore di tecnologie abilitanti.
Le aziende svizzere eccellono già nei settori dei componenti ottici, dei sistemi a vuoto, della tecnologia laser, delle apparecchiature di posizionamento e degli strumenti di misurazione. Si tratta di campi essenziali per qualsiasi futura piattaforma di litografia a raggi X. Le spin-off dell'ETH contribuiscono allo sviluppo di sistemi quantistici, fotonica integrata e materiali innovativi. Le competenze del CSEM nella microfabbricazione potrebbero rivelarsi preziose qualora i metodi di litografia alternativi richiedessero nuovi moduli di processo.
La Svizzera dispone anche di strutture che sostengono lo sviluppo delle tecnologie deep tech nelle fasi iniziali, tra cui i programmi di punta di Innosuisse, le iniziative nazionali nel campo della quantistica e i partenariati per l'innovazione di armasuisse. Questi programmi potrebbero essere ampliati per garantire alle aziende svizzere un accesso tempestivo alle nuove reti di ricerca internazionali e alle piattaforme di prototipazione.
Un panorama dell'innovazione più connesso
La corsa ai semiconduttori sta entrando in una fase più sperimentale. Con l'accelerazione della domanda di calcolo avanzato, si stanno esplorando a livello globale nuove sorgenti luminose, nuovi materiali e nuove architetture di processo. La Svizzera è ben posizionata per dare il proprio contributo, poiché combina investimenti a lungo termine nella ricerca con la precisione industriale.
Se le nuove tecnologie litografiche raggiungeranno la fattibilità tecnica ed economica, emergeranno nuove strutture della catena di approvvigionamento. Ciò potrebbe creare opportunità per i paesi specializzati in componenti di alto valore piuttosto che nella produzione di massa. I punti di forza consolidati della Svizzera nella misurazione di precisione, nell'ottica e nell'automazione potrebbero diventare ancora più rilevanti.
Una competizione globale che la Svizzera può contribuire a plasmare
Il futuro della produzione di chip non dipenderà da una singola tecnologia. L'EUV rimarrà lo standard del settore per anni, ma gli approcci alternativi stanno guadagnando terreno. Con il mercato dei semiconduttori che si avvicina al trilione di dollari, la capacità e l'opzionalità saranno fondamentali.
Il tentativo di Substrate di ripensare la litografia evidenzia che anche i settori altamente consolidati sono esposti a rivoluzioni quando convergono ambizione scientifica, ingegneria industriale e supporto strategico. Indipendentemente dal successo finale dell'azienda, il progetto segna un cambiamento nel modo in cui potrebbe svilupparsi la prossima generazione di tecnologie dei semiconduttori.
Per la Svizzera, ciò rappresenta un'opportunità piuttosto che una sfida. I punti di forza del Paese nel campo della ricerca e dell'ingegneria gli consentono di svolgere un ruolo formativo nel panorama emergente della produzione avanzata. Man mano che le nuove tecnologie raggiungono la maturità, la Svizzera può contribuire a plasmare gli strumenti e i componenti che renderanno possibile la produzione futura di chip.
Riferimenti (APA)
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