I semiconduttori sono il fondamento e la forza trainante del rapido sviluppo dell'industria informatica odierna. Si sono ampiamente diffusi e integrati in diversi ambiti dello sviluppo economico e sociale. Il loro livello tecnologico e la portata del loro sviluppo sono diventati uno degli indicatori più importanti per misurare la competitività industriale di un Paese e la sua forza nazionale complessiva.

Nel 2020, a causa dell'impatto dell'epidemia di COVID-19, l'economia globale ha subito una recessione, ma il mercato globale dei semiconduttori ha registrato una crescita in controtendenza, trainata da esigenze quali il telelavoro, lo studio da casa e le riunioni a distanza. Nel 2020, il mercato globale dei semiconduttori ha raggiunto i 440 miliardi di dollari, con un aumento del 6.8% rispetto all'anno precedente. I prodotti a semiconduttore, rappresentati da memorie e chip per scopi speciali, hanno iniziato una fase di forte espansione; la domanda del mercato cinese dei circuiti integrati continua a essere sostenuta, con un fatturato annuo di 1,633.97 miliardi di yuan, in crescita dell'8.26% rispetto all'anno precedente. Si prevede un'ulteriore crescita del mercato nel 2021.

Un modello di sviluppo “a spirale ascendente”.

Lo sviluppo del mercato globale dei semiconduttori mostra un modello a "spirale ascendente" e, dopo un periodo di rallentamento o flessione, è destinato a registrare una nuova e più forte ripresa. Nel 2000, lo scoppio della bolla di Internet ha causato un periodo di adattamento di due anni per l'industria dei semiconduttori. Successivamente, con l'accumulo di energia e l'introduzione dei wafer di silicio da 12 pollici, il mercato dei semiconduttori si è sviluppato rapidamente. Lo scoppio della crisi finanziaria globale nel quarto trimestre del 2008 ha portato il mercato dei semiconduttori ad entrare in un breve periodo di adattamento.

Dal 2010, l'ascesa dei dispositivi mobili come iPhone e iPad ha inaugurato l'era di Internet mobile e il tasso di crescita del mercato dei semiconduttori ha raggiunto un massimo storico. Con l'esplosione del mercato delle memorie, il mercato globale dei semiconduttori ha superato i 400 miliardi di dollari nel 2017. Nella seconda metà del 2018, il mercato globale dei semiconduttori è entrato nuovamente in un periodo di aggiustamento. Nel 2019, a causa del rallentamento della crescita della domanda di memorie a stato solido, smartphone e PC, delle elevate scorte di prodotti e del calo della domanda globale di semiconduttori, il prezzo delle memorie è diminuito. Insieme alla crescente incertezza causata dalle tensioni commerciali globali, il mercato globale dei semiconduttori si è contratto significativamente nel 2019, con un calo del 12.0%. Questo è anche il calo più consistente nel mercato globale dei semiconduttori degli ultimi 15 anni.

Nel 2020, nonostante l'impatto dell'epidemia di COVID-19, il mercato globale dei semiconduttori ha registrato una forte ripresa, raggiungendo un valore di 440 miliardi di dollari, con un incremento del 6.8% rispetto all'anno precedente. I prodotti a semiconduttore, rappresentati da memorie e chip per applicazioni speciali, sono entrati in una fase di forte espansione. A livello di settore, la crescita maggiore si è registrata nei chip logici (+11.1%), seguiti dai sensori (+10.7%) e dalle memorie (+10.4%).

Dal punto di vista della struttura regionale, la Cina è diventata per molti anni consecutivi il più grande mercato mondiale di consumo di semiconduttori. Nel 2020, la quota di mercato cinese ha raggiunto il massimo del 34.4%. Le quote di mercato di Stati Uniti, Europa, Giappone e altri mercati si attestano rispettivamente al 21.7%, 8.5%, 8.3% e 27.1%. Tra questi, il mercato statunitense ha registrato una forte crescita del 21.3%, il mercato dell'Asia-Pacifico una crescita del 5.1%, il mercato giapponese una crescita più modesta dell'1.3%, mentre il mercato europeo ha subito un calo del 5.8%. La ragione della forte crescita del mercato statunitense risiede nel fatto che, nel 2019, gli Stati Uniti avevano registrato il calo maggiore, pari al 23.7%, un valore superiore di 11.7 punti percentuali rispetto alla media mondiale; anche il Giappone aveva subito una flessione del 10.0%, mentre Europa, Cina e altre regioni avevano registrato cali rispettivamente del 7.4%, 9.3% e 8.8%.

Colpite dalla pandemia, applicazioni come quelle per l'ufficio e la didattica a distanza hanno registrato una rapida crescita, trainando la rapida ripresa dei prodotti per le comunicazioni e l'informatica nel mercato a valle. Nel 2020, le comunicazioni e l'informatica rappresentavano ancora il maggiore utilizzo di semiconduttori a livello mondiale, con quote di mercato rispettivamente del 33.5% e del 29.1%. Grazie alla diffusione delle applicazioni 4G e 5G, la quota di mercato dei chip per le comunicazioni è aumentata dal 22.2% del 2010 al 33.5% del 2020. Allo stesso tempo, la quota di mercato dei PC continua a essere superata dai nuovi prodotti elettronici come smartphone e tablet, con un calo dal 40.9% del 2010 al 29.1% del 2019.

La concorrenza sul mercato si fa sempre più agguerrita

Per il mercato globale dei semiconduttori, il 2020 è stato un anno degno di nota. Il nuovo chip a 2 nm sviluppato da IBM ha attirato l'attenzione. Il chip è realizzato utilizzando transistor impilati su nanosheet, noti come transistor GAA. Rispetto all'attuale tecnologia a 7 nm, la più avanzata, il chip raggiungerà un miglioramento delle prestazioni del 45% o una riduzione del consumo energetico del 75%. IBM ha affermato che l'utilizzo della tecnologia a 2 nm consente di integrare fino a 50 miliardi di transistor in un chip delle dimensioni di un'unghia.

Anche l'andamento dei ricavi delle aziende di semiconduttori è al centro dell'attenzione del settore. Tra le prime dieci aziende di semiconduttori al mondo nel 2020, sei erano statunitensi. In termini di fatturato totale, sei aziende statunitensi rappresentavano il 59.2% del valore complessivo delle prime dieci aziende, mentre due aziende sudcoreane rappresentavano il 32.4% del valore complessivo delle prime dieci aziende.

Dal punto di vista della filiera industriale, tra le prime dieci aziende di semiconduttori al mondo nel 2020, 6 erano aziende IDM (Integrated Design Manufacturing) con un fatturato totale di 197.09 miliardi di dollari, pari al 78.3% del fatturato totale delle prime dieci aziende; 4 erano aziende di progettazione (design) con un fatturato totale di 54.70 miliardi di dollari, pari al 21.7% del fatturato totale delle prime dieci aziende.

Nel 2020, Intel ha continuato a essere leader mondiale per fatturato tra le aziende di semiconduttori. Con i ricavi di quest'anno, Intel ha mantenuto la sua posizione di maggiore fornitore di semiconduttori al mondo, con un fatturato di 70.244 miliardi di dollari, in crescita del 3.7% rispetto all'anno precedente. Questa crescita è stata trainata dalle sue attività principali nel settore delle CPU per client e server. Tra le prime dieci aziende di semiconduttori al mondo nel 2020, MediaTek ha registrato il maggiore incremento su base annua, seguita da Nvidia e Qualcomm. Texas Instruments è stata l'unica azienda a registrare un calo del fatturato.

Quest'anno, analizzando le spese globali in ricerca e sviluppo nel settore dei semiconduttori, gli investimenti in R&S delle prime dieci aziende del settore sono aumentati dell'11%, raggiungendo un totale di 43.5 miliardi di dollari, pari al 64% del totale del settore. Ciò dimostra che la concentrazione del mercato nelle mani delle aziende leader è ulteriormente aumentata e la concorrenza si è intensificata.

Nella seconda metà del 2020, nel settore globale dei semiconduttori si sono verificate complessivamente cinque fusioni e acquisizioni di grandi dimensioni e oltre dieci di dimensioni minori, per un valore record di 118 miliardi di dollari. Il 2020 è quindi diventato l'anno con il maggior volume di transazioni nella storia delle fusioni e acquisizioni nel settore dei semiconduttori. Tuttavia, le fusioni e acquisizioni sopra menzionate non hanno ancora completato l'intero processo di transazione e approvazione. Il forte aumento del numero di fusioni e acquisizioni nell'industria globale dei semiconduttori è dovuto principalmente alle solide alleanze tra i principali produttori in diversi settori.

In precedenza, il produttore di chip analogici ADI aveva annunciato l'acquisizione della società di segnali analogici/ibridi Maxim Integrated Products per 21 miliardi di dollari; il gigante delle schede grafiche Nvidia aveva annunciato a settembre 2020 l'acquisizione del fornitore di protocolli per architetture di processori Arm per 40 miliardi di dollari. Prima di ciò, Arm era controllata dalla giapponese SoftBank. Inoltre, Intel degli Stati Uniti aveva annunciato la vendita della sua attività di memorie flash NAND e dello stabilimento di produzione di wafer da 300 mm operante in Cina a SK Hynix della Corea del Sud per 9 miliardi di dollari; AMD degli Stati Uniti aveva annunciato il 29 ottobre 2020 l'acquisizione del fornitore di FPGA Xilinx per circa 35 miliardi di dollari; la transazione avrebbe dovuto essere completata entro la fine del 2021; lo stesso giorno, Marvell Electronics aveva annunciato l'acquisizione del fornitore di circuiti integrati della Silicon Valley Inphi per 10 miliardi di dollari in contanti e azioni. Anche questa transazione sarà completata nella seconda metà del 2021. La transazione sopra menzionata non è ancora stata completata ed è tuttora in fase di valutazione da parte delle autorità di regolamentazione competenti.

Tecnologie dirompenti nell'era post-Moore

L'integrazione eterogenea è una tecnologia di sviluppo tipica dell'era post-Moore. Questa tecnologia trova applicazione nel settore del packaging. Se le esigenze vengono soddisfatte, la tecnologia dei chiplet può essere utilizzata per svolgere la funzione di un chip in modo rapido ed efficace. L'utilizzo di questa tecnologia presenta inoltre i vantaggi di una bassa complessità di progettazione, una produzione agevole e costi contenuti.

Questo orientamento ha permesso allo sviluppo dei chip di passare da una ricerca cieca di riduzione del consumo energetico e aumento delle prestazioni a un approccio più pragmatico volto a soddisfare le esigenze del mercato. Molte aziende hanno in programma l'utilizzo di "particelle di base". Ad esempio, Intel ha lanciato la tecnologia Foveros, in grado di realizzare il packaging 3D di chip logici e di memoria; TSMC ha introdotto la tecnologia SoIC per l'impilamento multi-chip, che consente il bonding wafer-to-wafer. Allo stesso tempo, questa tecnologia rappresenta un elemento chiave per lo sviluppo dell'industria cinese dei semiconduttori nell'era post-Moore.

L'architettura RISC-V dei microcontrollori porterà cambiamenti nella struttura del mercato dei microcontrollori. RISC-V si basa sulla licenza BSD standard, che consente di utilizzare liberamente e senza restrizioni la CPU progettata, sviluppare e aggiungere il proprio set di istruzioni esteso e scegliere se rilasciarla pubblicamente, venderla commercialmente o sostituire altri accordi di licenza, oppure utilizzarla completamente proprietaria. Attualmente RISC-V è particolarmente adatta all'AIoT e si prevede che competerà con i processori con architettura ARM, dando vita a un ecosistema RISC-V in Cina, dove i microcontrollori rappresentano uno dei settori di applicazione più promettenti. Grazie ai vantaggi dell'open source, del basso consumo energetico e del costo contenuto, i microcontrollori con architettura RISC-V avranno un impatto sui microcontrollori con architettura ARM, introducendo nuovi cambiamenti nel mercato.

I chip fotonici potrebbero diventare una nuova frontiera nello sviluppo dei chip. Si tratta di chip che utilizzano segnali ottici per l'acquisizione, la trasmissione, il calcolo, l'archiviazione e la visualizzazione dei dati. Attualmente, i chip fotonici trovano impiego nelle comunicazioni ottiche, soprattutto in seguito alla costruzione di infrastrutture per data center. La fotonica al silicio viene utilizzata per integrare componenti ottici su chip di silicio, sfruttando i bassi costi, la scalabilità e la facilità di produzione e assemblaggio dei dispositivi CMOS. Rispetto ai circuiti integrati a controllo elettronico, i chip fotonici presentano caratteristiche di altissima velocità e bassissimo consumo energetico. Teoricamente, la scala dei chip fotonici può essere modulata e le caratteristiche della luce sono intrinsecamente adatte al calcolo lineare, incluso il calcolo parallelo ad alta densità. Con il rapido sviluppo dell'intelligenza artificiale, l'efficienza di moltiplicazione matriciale dei chip fotonici potrebbe raggiungere livelli centinaia o migliaia di volte superiori rispetto ai chip elettronici esistenti, attirando l'interesse del mondo accademico e industriale verso le opportunità offerte dal calcolo fotonico.

Sulla scia del trend della "neutralità carbonica", l'industria dei semiconduttori di terza generazione, in grado di migliorare l'efficienza della conversione energetica, sta accelerando il suo sviluppo. Con l'attenuarsi graduale dell'impatto della pandemia di COVID-19, la domanda di componenti necessari per la conversione energetica industriale, come inverter e convertitori di frequenza, nonché di stazioni base per le comunicazioni, si è stabilizzata. Con il progressivo passaggio degli inverter del veicolo elettrico Tesla Model 3 ai processi produttivi basati su componenti in SiC (carburo di silicio), i semiconduttori di terza generazione hanno gradualmente attirato maggiore attenzione nel mercato automobilistico.

I semiconduttori di terza generazione, rappresentati dal nitruro di gallio (GaN) e dal carburo di silicio (SiC), presentano vantaggi quali elevata resistenza alle alte temperature, alle alte tensioni, alle alte frequenze e alle alte potenze. Rispetto ai dispositivi al silicio, consentono di ridurre le perdite di energia di oltre il 50% e il volume delle apparecchiature di oltre il 75%. Rappresentano un'importante direzione di sviluppo per contribuire al risparmio energetico, alla riduzione delle emissioni e al raggiungimento dell'obiettivo della "neutralità carbonica". Attualmente, i semiconduttori di terza generazione trovano applicazione in molti settori chiave, come i data center e i veicoli a energia alternativa. L'intero settore dei semiconduttori di terza generazione è in costante crescita e si prevede che diventerà un pilastro dell'economia verde.

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