Semiconduttori: cosa sono e cosa servono

Negli ultimi anni l’industria automobilistica ha basato l’evoluzione tecnologica sui semiconduttori per le auto, i principali materiali dei circuiti elettronici. Tuttavia, la crisi globale dei microchip sta mettendo a dura prova le aziende del settore, mostrando l’importanza raggiunta da questi componenti.

I semiconduttori sono dei materiali, in genere a base di silicio o germanio, contraddistinti da caratteristiche elettriche particolari con proprietà intermedie tra gli isolanti e i conduttori. Sono gli elementi principali nel campo dell’elettronica, infatti questi componenti sono indispensabili per la realizzazione dei microprocessori, a loro volta fondamentali per il funzionamento delle auto moderne.

La presenza dei semiconduttori nei microchip avviene all’interno di transistor e diodi, ma sono sono elementi essenziali anche per la realizzazione delle sorgenti luminose a LED e di tutti i dispositivi elettronici. Il silicio e il germanio non vengono mai utilizzati allo stato puro, ma sono materiali manipolati in base alle prestazioni che si vogliono ottenere affinché acquisiscano una conduttività elettrica specifica.

Tramite l’inserimento di impurità nei semiconduttori, ovvero il processo di doping, è possibile modificare la capacità di questi materiali di condurre o meno la corrente elettrica. In questo modo si possono creare circuiti elettrici con determinate caratteristiche e particolarmente avanzati, in grado di soddisfare qualsiasi esigenza operativa e adattarsi ad ogni contesto applicativo.

Dopo l’estrazione delle materie prime dal sottosuolo, come silice, quarzo e calcedonio per ricavarne il silicio, i materiali sono lavorati all’interno di laboratori all’avanguardia. Qui tramite processi lunghi e complessi vengono realizzati i transistor, i quali sono trasformati in wafer di semiconduttori adoperati per la costruzione di circuiti stampati e di microchip.

Le applicazioni dei semiconduttori sono innumerevoli, interessando al giorno d’oggi quasi ogni dispositivo esistente a causa della diffusione dell’elettronica nei beni di consumo, per questo motivo oggi è presenta una carenza globale di semiconduttori a causa dell’elevata richiesta mondiale. I microprocessori creati con i semiconduttori sono presenti in:

• •
  smart TV
• •
  smartphone
• •
  impianti fotovoltaici
• •
  computer
• •
  elettrodomestici
• •
  robot industriali

Nel settore automotive i semiconduttori sono impiegati in modo massiccio, infatti, sono presenti decine o centinaia di microchip in ogni auto (la Porsche Taycan ha 8.000 chip). Rispetto alle vetture con motore a combustione, le macchine elettriche hanno un numero ancora maggiore di microprocessori, considerando che le auto elettriche possono avere fino a 10 volte i microchip dei veicoli endotermici.

Con i microprocessori a base di semiconduttori si controllano tutte le tecnologie delle auto, dai sistemi ADAS per l’assistenza alla guida ai tergicristalli elettrici automatici. Questi elementi sono usati per gestire il cruscotto digitale, l’head-up display, i sistemi di diagnostica, la connettività del veicolo e l’infotainment dell’auto.

Quasi ogni funzione delle auto di oggi viene controllata da appositi microchip, componenti hardware che insieme alle applicazioni software rendono le auto più intelligenti. Inoltre, si tratta di un trend in crescita, con un aumento costante del numero di semiconduttori all’interno dei veicoli sostenuto dall’innovazione tecnologica in ambito automotive.

Basta pensare alle auto a guida autonoma, veicoli che fanno largo uso dell’elettronica avanzata raggiungendo un livello di automazione sempre più elevato. Con lo sviluppo delle smart road le self driving cars potrebbero conoscere un’accelerazione nei prossimi anni, provocando un potenziale incremento della richiesta di semiconduttori e microprocessori.

Il chip shortage, ovvero la carenza di microprocessori, sta mettendo colpendo in modo grave il settore automobilistico dall’inizio del 2020. La produzione di microchip a partire dai semiconduttori, infatti, è concentrata in pochi paesi quasi tutti situati in Asia, tra cui la Taiwan ricopre un ruolo di leadership come avviene per la Cina con le moderne batterie al litio per le auto elettriche.

D’altronde la trasformazione dei semiconduttori in microchip è un processo estremamente lungo e complicato, realizzato in stabilimenti all’avanguardia con personale altamente specializzato. Non a caso USA e UE vogliono recuperare la propria indipendenza nel campo dei semiconduttori e dei microprocessori, tuttavia serviranno molti anni per raggiungere una capacità produttiva adeguata.

L’attuale crisi dei chip auto sta costringendo le case automobilistiche a tagliare la produzione, con AutoForecast Solutions che stima fino a 13 milioni di veicoli in meno fino ad oggi per la mancanza di microchip. Ad oggi tutte le principali aziende del comparto hanno annunciato rallentamenti, da Toyota a Volkswagen fino a Stellantis, sebbene nei prossimi anni la situazione potrebbe iniziare a migliorare.

Molti gruppi specializzati nei semiconduttori e nei microchip stanno lavorando per aumentare la produzione, con nuovi impianti in costruzione da parte di colossi del settore come TSMC, MediaTek e Qualcomm (Intel realizzerà un nuovo impianto in Italia entro il 2025/27). Per il momento i marchi automotive stanno arginando il problema, ottimizzando l’utilizzo dei microprocessori e ritardando l’uscita di nuovi modelli.

Se la crisi dei microchip sta creando un danno ingente all’industria automobilistica e non solo, molte università e aziende studiando i semiconduttori del futuro. Allo stesso tempo si stanno cercando alternative valide per ridurre il chip shortage, ad esempio sviluppando microprocessori specifici per alcuni ambiti applicativi.

Al giorno d’oggi tutti i settori industriali utilizzano gli stessi microchip, una mancanza di differenziazione che causa problemi considerevoli in caso di incremento repentino della domanda. Una soluzione potrebbero essere le piattaforme di microprocessori, elementi più versatili per gestire una serie di funzionalità attraverso un unico componente hardware.

Inoltre, non mancano i progetti per lo sviluppo di nuovi semiconduttori più leggeri, resistenti e flessibili, in grado di fornire maggiori prestazioni e favorire l’ottimizzazione dell’uso dei microchip. La vera rivoluzione sarebbe però lo sviluppo di semiconduttori più semplici da trasformare in microprocessori, per aumentare l’accessibilità di questi processi riducendo tempi di consegna e favorendo l’ingresso sul mercato di nuovi player.

Nel frattempo la produzione globale di chip continua ad aumentare, con Semiconductor Industry Association (l’associazione che riunisce il 70% dei produttori mondiali) che ha annunciato una crescita del 13,3% delle vendite di semiconduttori nel primo semestre 2022, per un valore record di oltre 152,5 miliardi di dollari. Nonostante questo incremento la carenza di chip rimane un problema serio, che potrebbe avere ripercussioni ancora per molti anni sull’industria automobilistica.