I gestori di portafogli azionari incentrati su società tecnologiche Alison Porter, Graeme Clark e Richard Clode discutono delle sfide e delle opportunità nel segmento in continua evoluzione dei semiconduttori, primo driver dello sviluppo tecnologico.

  In sintesi:

  • I produttori di semiconduttori hanno fatto di tutto per sostenere la legge di Moore (il teorema alla base dell'innovazione tecnologica), trasformando di fatto la struttura del settore tecnologico.
  • Sebbene sia rimasta sulla cresta dell’onda, Intel, la società statunitense cofondata dall’enunciatore della famosa legge, ha risentito della decisione di non fornire chip per iPhone e di non ricorrere all’outsourcing, nonché dell’aumento della concorrenza.
  • Le molte difficoltà del settore dei semiconduttori, non ultime le tensioni geopolitiche, hanno trasformato il panorama tecnologico generando nuovi rischi e opportunità di investimento.

Secondo la legge di Moore, la densità dei transistor su un circuito integrato può raddoppiare ogni due anni. Questa osservazione relativamente semplice mossa nel 1965 da Gordon Moore, uno dei fondatori di Intel (Portland, Oregon), è alla base di tutta l'innovazione tecnologica dei 50 anni successivi. La capacità di aumentare le prestazioni riducendo al contempo i costi, cioè di creare di prodotti migliori, più veloci e più economici, ha dato il la allo sviluppo tecnologico e alla crescita delle società del settore. Poco dopo l’enunciazione della legge di Moore, l'uomo è arrivato sulla Luna. Oggi tutta la potenza di calcolo allora disponibile alla NASA è racchiusa in un iPhone, e l’ultimo (micro)chip NVIDIA Ampere utilizzato per l’addestramento dell’intelligenza artificiale contiene 54 miliardi di transistor in meno di 3 cm quadrati.

Nuovo impulso all'innovazione tecnologica con la fine della legge di Moore

Il fatto che la legge di Moore sia rimasta valida per tanti anni in un settore dinamico come quello della tecnologia, caratterizzato da poche costanti, è davvero notevole. Tuttavia, la sostenibilità del teorema è stata dibattuta a lungo: Jensen Huang, CEO del gigante dei semiconduttori NVIDIA, è solo l'ultimo a dichiararne la fine. E questo sarebbe uno dei motivi alla base dell'acquisizione della rivale ARM Holdings. Nella maggior parte dei casi le criticità sono state affrontate con soluzioni innovative. Per stampare circuiti minuscoli che richiedono una risoluzione della litografia ai limiti fisici della luce, ASML pensò di utilizzare un indice di rifrazione dell'acqua più alto, in modo da ridurre la sfocatura. Nacque così la litografia a immersione. 15 anni fa, la validità del ridimensionamento di Dennard, cioè la capacità di ridurre il consumo energetico in linea con la legge di Moore, iniziò a vacillare.

In precedenza, i processori Intel erano dei grandi core la cui frequenza, o velocità di elaborazione, cresceva esponenzialmente ogni anno. Ma dopo che nel 2002 la velocità di clock di un Intel Pentium 4 ha raggiunto 3Ghz (o 3 miliardi di cicli al secondo), un incremento straordinario rispetto al primo PC commerciale del 1974 che utilizzava un Intel 8080 a 2MHz (2 milioni di cicli al secondo), gli sviluppi sono stati molto più graduali. Oggi, i processori Intel raggiungono appena 5 GHz. Tuttavia, a causa delle dimensioni nanometriche, i transistor sono così vicini tra loro che si ha una dispersione elettrica con conseguenti problemi termici che compromettono le prestazioni. Un effetto collaterale è dato dal "silicio scuro", ossia la porzione di transistor che non può essere alimentata a causa di tali limiti termici. Per ovviare a tale criticità, si è deciso di costruire chip composti da molti core più piccoli anziché da un solo grande core: è nata così l’architettura multi-core utilizzata oggi per tutti i processori Intel, Advanced Micro Devices (AMD), NVIDIA e Apple. Grazie al recente accordo tra NVIDIA e ARM, alle unità di elaborazione grafica (GPU) multi-core verranno affiancate unità di elaborazione centrale mobile (CPU) a bassa potenza.

Il problema di Intel

Nonostante le difficoltà di cui abbiamo parlato, la legge di Moore è rimasta valida soprattutto presso il suo primo sostenitore, Intel, che allora produceva i transistor più piccoli e i chip di elaborazione più potenti. A differenza delle concorrenti statunitensi e giapponesi, che tendevano sempre più ad affidare la produzione dei semiconduttori a fonderie esterne, Intel si è sempre impegnata a progettare e produrre i propri chip per processori da sé. Tuttavia, nel 2013/14 l’impianto di Intel ha iniziato a scricchiolare con il chip a 14 nanometri; nonostante qualche ritardo Intel è stata comunque la prima a immetterlo sul mercato. Data la scarsa concorrenza, le problematiche riscontrate non erano poi così rilevanti per i mercati dei PC e dei server in cui Intel operava. Ciononostante, la decisione della società di rifiutare la produzione di chip per iPhone nel 2005 ha dato il via a una serie di problemi futuri. Intel ha sottovalutato (e di molto anche) il futuro successo dell'iPhone, ma non è stata la sola. Basti pensare che oggi Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), il più grande impianto di fabbricazione di semiconduttori al mondo, produce oltre 200 milioni di processori iPhone per Apple all’anno, ai limiti della legge di Moore. Dati i ritmi di innovazione di Apple, l’ampiezza del mercato degli smartphone e gli enormi profitti di TSMC, i problemi di produzione riscontrati da Intel per il nodo a 10 nanometri (che hanno causato un ritardo di 4 anni) hanno avuto conseguenze ben più ampie anche in termini di concorrenza. AMD, il principale concorrente di Intel, ha seguito la tendenza dell'outsourcing prima scorporando il suo ramo di produzione con la creazione di GlobalFoundries, poi, dopo anni di risultati deludenti, affidando la produzione a TSMC, una decisione che ha comportato il pagamento di elevate penali a GlobalFoundries.

Mentre in Oregon Intel faceva i conti con i limiti della legge di Moore, al Hsinchu Science Park di Taiwan TSMC forniva un nuovo chip per iPhone ogni anno, e oggi produce per AMD chip con prestazioni analoghe, per la prima volta, a quelle di Intel. Alla luce dei ritardi annunciati da Intel nel processo a 7 nanometri, per gli investitori si configura il seguente scenario: Intel abbandona la legge di Moore e passa a un modello di produzione esternalizzata dei semiconduttori, ADM guadagna ampie quote di mercato nei prossimi anni e NVIDIA punta a sottrarre quote di mercato a Intel nel segmento dei centri dati con l’acquisizione di ARM.

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Domande chiave per il settore dei semiconduttori

La situazione attuale potrebbe rivoluzionare non solo l’area dei semiconduttori, ma tutto il settore tecnologico, soprattutto alla luce delle crescenti tensioni fra Stati Uniti e Cina. La legge di Moore è infine diventata obsoleta? O si tratta di un problema specifico di Intel? TSMC sarà il futuro paladino della Legge di Moore? O ci sarà una nuova "Legge di Morris", da Morris Chang, fondatore e CEO/presidente di lunga data di TSMC?

Non ci sono dubbi sul fatto che, come minimo, la Legge di Moore non sarà mai più la stessa. Produrre un chip con miliardi di transistor delle dimensioni di pochi nanometri è estremamente complesso. TSMC attualmente produce addirittura a 5 nanometri mentre Intel fornisce chip più ingombranti (10 nanometri). Nonostante ciò, la maggior parte degli osservatori indipendenti colloca TSMC e Intel sullo stesso piano. Va inoltre ricordato che il cliente principale di TSMC per i dispositivi a 5 nanometri è Apple, e che le dimensioni dei processori utilizzati negli iPhone sono molto diverse da quelle dei processori dei server (da 5 a 10 volte). Produrre un chip più grande è nettamente più difficoltoso, motivo per cui i clienti all'avanguardia di TSMC si contano sulle dita di una mano: Apple, Qualcomm e Huawei/HiSilicon. AMD e NVIDIA utilizzano il processo a 7 nanometri di TSMC, mentre AMD va addirittura oltre: suddivide il chip in più "chiplet" che vengono poi ricollegati tramite un packaging avanzato. La legge di Moore e le capacità della litografia vengono così spinte ai limiti, e anche Intel ha annunciato di voler iniziare a produrre chip a 7 nanometri. Questi "chiplet" o "tile" più piccoli, come li definisce Intel, sono relativamente più facili da produrre, anche se comportano costi più elevati e minori prestazioni.

Intel ha un piano

Intel, fedele al suo DNA, si impegna tuttora a produrre i suoi chip internamente. Sebbene la società esternalizzi già la produzione di molti chip, i processori core sono ancora realizzati in house. Gli investitori hanno qualche dubbio in merito, visti i continui ritardi e le recenti dichiarazioni del management circa un piano B per la produzione a 7 nanometri in caso di ulteriori ritardi che consiste nell’outsourcing a TSMC. Qui vale la pena di fare alcune considerazioni. Intel voleva evitare i problemi riscontrati con il processo a 10 nanometri e i ritardi che per anni hanno esasperato i clienti che si affidano a Intel per la pianificazione dei loro prodotti. Avere un piano di riserva valido serve a rassicurare la clientela. Intel ha inoltre dichiarato che l’introduzione delle tile consente una maggiore flessibilità in termini di outsourcing, in quanto permette di esternalizzare, se necessario, la produzione di una sola tile e non dell’intero chip. Occorre inoltre fare delle valutazioni di carattere geopolitico. L'attuale amministrazione statunitense e i futuri inquilini della Casa Bianca si sono impegnati a sostenere strategicamente il settore dei semiconduttori USA, puntando sulla capacità di produrre chip all'avanguardia. La dipendenza da una fonderia situata su un'isola al largo della costa cinese probabilmente preoccupa molti CEO statunitensi, oltre che il Pentagono. Attualmente, il principale produttore di semiconduttori negli Stati Uniti è Intel, mentre Samsung ha un impianto di fabbricazione più piccolo ad Austin, Texas, e TSMC intende aprire uno stabilimento ancora più piccolo a Phoenix, sempre in Texas, nel 2024. Sembra improbabile che Intel deleghi completamente la produzione a TSMC, dati i problemi di sicurezza nazionale e la conseguente perdita di migliaia di posti di lavoro (ingegneri dei semiconduttori altamente specializzati). Sebbene tale eventualità non sia da escludere, soprattutto alla luce dei problemi di Intel con la legge di Moore, resta sempre il piano A, ovvero rimettersi al passo con lo storico teorema mantenendo la produzione interna.

Sfide e opportunità

Per TSMC il calcolo ad alte prestazioni rappresenta ancora ottime opportunità, necessarie nel quadro del rallentamento della forte crescita della divisione smartphone registrata dalla società negli ultimi dieci anni, nonostante il sostegno a breve termine del 5G. TSMC sembra il candidato perfetto per sostenere la Legge di Moore nei prossimi due anni. Le speranze circa un outsourcing di Intel su vasta scala sono probabilmente troppo ottimistiche. Le problematiche di Intel offrono a società come AMD o NVIDIA/ARM l’opportunità di guadagnare quote di mercato, a probabile vantaggio di TSMC, ma anche per Intel potrebbero esserci delle opportunità, alcune probabilmente temporanee, altre più durature.

TSMC deve inoltre fare i conti con l’escalation delle tensioni tra Stati Uniti e Cina. Le nuove restrizioni approvate dal governo degli Stati Uniti, intese specificamente a troncare i rapporti tra TSMC e Huawei/HiSilicon* sono solo l'ultimo esempio del potere della geopolitica. TSMC ha già costruito uno stabilimento in Cina e ne costruirà un altro negli Stati Uniti, mentre il suo concorrente cinese, Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC), ha recentemente annunciato nuovi sostanziali investimenti per ampliare la capacità a favore dei clienti interni. SMIC rischia tuttavia di essere inserita nella Entity List degli USA, un elenco di aziende alle quali viene richiesta una licenza per tutti i prodotti la cui proprietà intellettuale sia per almeno il 25% di origine statunitense. Nei prossimi anni TSMC dovrà destreggiarsi fra tali opportunità e rischi.

Sintesi

Le complessità del settore ci ricordano che in un mondo dinamico come quello della tecnologia, dove gli indici azionari premiano il successo passato piuttosto che quello futuro, è estremamente importante gestire i titoli azionari in modo attivo. Non molto tempo fa la capitalizzazione di mercato di Intel era superiore a quella di TSMC, ma ora quella di TSMC è quasi doppia rispetto a quella di Intel. Al contempo, NVIDIA ha recentemente superato Intel e AMD è a metà strada.

Il mutevole panorama del settore dei semiconduttori sembra ricco di opportunità per gli investitori, a condizione che siano analizzate con gli strumenti adatti.

* Nel maggio 2020 il governo degli Stati Uniti ha annunciato regole mirate contro Huawei e la sua controllata per la produzione di chip HiSilicon, che prevedono una licenza per qualsiasi spedizione da parte di produttori che utilizzano tecnologia o apparecchiature statunitensi.

Glossario:

La frequenza di clock è un indicatore della velocità di un processore. Si riferisce alla frequenza alla quale il generatore di clock di un processore può produrre impulsi che vengono utilizzati per sincronizzare le operazioni dei componenti di un processore. In generale, una frequenza di clock maggiore significa un'unità di elaborazione centrale (CPU) più veloce.

La litografia a immersione è una tecnica di miglioramento della risoluzione della fotolitografia per la produzione di circuiti integrati (CI) che sostituisce il solito traferro tra la lente finale e la superficie del wafer con un mezzo liquido che ha un indice di rifrazione maggiore di uno. La risoluzione è aumentata di un fattore pari all'indice di rifrazione del liquido.

Il ridimensionamento di Dennard postula che quando i transistor si riducono, la loro densità di potenza rimane costante, in modo che il consumo di energia rimanga proporzionale all'area. Ciò ha consentito ai produttori di CPU di incrementare le frequenze di clock da una generazione all'altra senza aumentare significativamente il consumo energetico complessivo del circuito.

Una GPU o unità di elaborazione grafica svolge calcoli matematici e geometrici complessi, necessari per i rendering grafici.

Una CPU o unità di elaborazione centrale è il componente principale di un computer che elabora istruzioni. Gestisce il sistema operativo e le applicazioni, ricevendo costantemente input dall'utente o dai software attivi.