La corsa alla capacità dei semiconduttori incontra un collo di bottiglia di quarzo

Ogni wafer di silicio nasce in un crogiolo. Questo crogiolo è fatto di quarzo così puro da non contaminare il silicio fuso, riscaldato a oltre 1.400 gradi Celsius. Quasi tutto il quarzo ultra-puro al mondo proviene da un piccolo paese nelle Blue Ridge Mountains.

L'uragano Helene ha colpito Spruce Pine, nella Carolina del Nord, alla fine di settembre 2024, scaricando oltre due piedi di pioggia, interrompendo l'accesso stradale e lasciando gli abitanti senza elettricità. Due società estraggono quarzo ultra-puro lì: Sibelco North America e The Quartz Corp. Tom's Hardware ha riferito il 1 ottobre 2024 che Sibelco ha confermato la sospensione delle operazioni. The Quartz Corp ha detto a The Verge che era troppo presto per determinare se la sua struttura di produzione di quarzo ad alta purezza fosse stata interessata.

Il danno immediato era difficile da valutare perché strade e comunicazioni erano fuori uso. Poi la storia si è complicata.

Cosa fornisce davvero Spruce Pine

Construction Physics ha pubblicato una valutazione dettagliata a novembre 2024. Sosteneva che l'affermazione comune, secondo cui tutta la produzione di semiconduttori dipende da Spruce Pine, è solo parzialmente vera. I crogioli di quarzo sono necessari per la maggior parte della produzione di chip, e Spruce Pine è il luogo da cui proviene la maggior parte di quel quarzo. Ma il paese non è un perno insostituibile. Alternative esistono, anche se, nelle parole della pubblicazione, sono tutte una combinazione di non ancora sviluppate, non proprio così buone e non proprio così economiche.

I numeri in quell'analisi meritano di essere letti con attenzione. Spruce Pine è stimata produrre 180.000 a 200.000 tonnellate di quarzo ad alta purezza all'anno, secondo Construction Physics. La pubblicazione nota che l'industria del quarzo ad alta purezza è estremamente riservata sui dati specifici. Per confronto, nel 2013 le spedizioni globali di quarzo erano di sole 80.000 tonnellate, incluse le classi media, alta e ultra-pura. Nel 2015 la produzione totale di quarzo ad alta purezza era stimata in circa 30.000 tonnellate.

Interrere quell'approvvigionamento non fermerebbe del tutto la produzione di chip. Significherebbe rese in calo e costi in aumento. L'industria lo sa: nuove fonti di quarzo e nuovi materiali per crogioli sono entrambi sotto indagine.

Perché il crogiolo conta più di quanto sembri

La maggior parte dei microchip moderni è fatta di silicio con una purezza del 99,9999999%, nota come 9N. Le celle solari utilizzano materiale leggermente meno puro, nella gamma 6N a 8N. Raggiungere quei livelli richiede più fasi di raffinazione. Queste iniziano con il quarzo reagito con il carbonio in un forno ad arco immerso per produrre silicio di grado metallurgico con una purezza di circa 98-99%, che poi passa attraverso il processo Siemens per diventare polisilicio.

Il silicio monocristallino, necessario per i microchip e i pannelli solari ad alta efficienza, è prodotto quasi interamente con il processo Czochralski. Il polisilicio viene fuso in un crogiolo di quarzo e un cristallo seme viene immerso nel fuso e ritirato lentamente, trascinando dietro di sé un singolo grande cristallo. Il crogiolo si degrada sotto quel calore. I cambiamenti chimici lo fanno crepare dopo il raffreddamento, e i produttori possono allungarne la vita estraendo più lingotti senza raffreddare il forno. Ma un crogiolo è limitato a circa 400 ore di funzionamento. Un forno Czochralski consuma circa 20-25 crogioli all'anno. Un articolo citato da Construction Physics ha stimato che il 30% del costo di produzione dei lingotti di silicio monocristallino proveniva dai crogioli.

Il quarzo ad alta purezza costa circa 10.000 dollari a tonnellata, e i crogioli stessi costano diverse migliaia di dollari l'uno.

Questa è l'economia dietro il collo di bottiglia. Un crogiolo non è un consumabile che si può sostituire casualmente. Il materiale al suo interno deve provenire da un luogo con la giusta geologia.

La costruzione della capacità avviene altrove

Mentre Spruce Pine affrontava le alluvioni, i governi scrivevano assegni. L'India ha presentato il Mobile Phone Manufacturing Scheme il 15 luglio 2026, un programma da 625.000.000.000 di rupie, pari a circa 6.500.000.000 di dollari, che dura cinque anni. Premia i produttori di smartphone in base alle vendite ammissibili, con incentivi dal 2,25% al 5% e un ulteriore 1,5% per l'approvvigionamento locale di componenti chiave e sotto-insiemi, secondo TechCrunch. Nuova Delhi si è inoltre impegnata per un ulteriore 1.280.000.000.000 di rupie, circa 13.300.000.000 di dollari, per la produzione nazionale di semiconduttori. Ciò espande un programma di incentivi per i chip da 10.000.000.000 di dollari lanciato nel 2021, con un maggiore supporto per attrezzature, materiali, design e ricerca.

La scala di ciò che l'India sta cercando di colmare è chiara dai dati di Counterpoint Research citati da TechCrunch. La Cina ha rappresentato il 63% della produzione globale di smartphone nel 2025, contro il 18% dell'India. Il programma per gli smartphone durerà fino a marzo 2031, e il governo si aspetta che la produzione di telefoni mobili in quel periodo raggiunga un totale di circa 39.000.000.000.000 di rupie, circa 405.000.000.000 di dollari, creando circa 60.000 posti di lavoro diretti. Navkendar Singh, associate vice president di IDC, ha detto a TechCrunch che il nuovo programma segna un passaggio da una strategia di "assemblare di più" verso "profondità, R&S e cattura del valore locale".

La Malesia sta facendo una scommessa più mirata. Il paese detiene il 13% del mercato globale per i servizi di packaging, assemblaggio e test dei chip, secondo un rapporto della Malaysian Investment Development Authority citato da CNBC ad aprile 2024. Il secondo ministro delle finanze Amir Hamzah Azizan ha detto a Karen Tso di CNBC, in occasione delle riunioni di primavera del FMI a Washington, che la Malesia trarrebbe vantaggio dal ciclo rialzista dei semiconduttori e non vedeva la Cina, il suo principale partner commerciale, come un rivale. "Penso che la realtà sia che c'è abbastanza crescita per tutti", ha detto. Il focus dichiarato della Malesia è spostarsi dalla fine della catena di approvvigionamento verso l'alto nella catena del valore, piuttosto che competere frontalmente sul fronte avanzato.

La Malesia è anche il luogo dove Texas Instruments ha aperto il suo secondo stabilimento di assemblaggio e test a Melaka il 6 novembre 2025. L'azienda afferma che il sito assemblerà e testerà miliardi di chip all'anno. L'espansione della capacità di TI è avvenuta in parallelo. Il 24 ottobre 2024 l'azienda ha annunciato di aver iniziato a produrre semiconduttori di potenza in nitruro di gallio nel suo stabilimento di Aizu, in Giappone, quadruplicando la capacità interna di produzione di GaN tra i suoi siti negli Stati Uniti e in Giappone.

Mohammad Yunus, senior vice president di tecnologia e manifattura di TI, ha affermato in quell'annuncio che l'azienda aveva qualificato la sua tecnologia GaN da 200 mm per la produzione di massa ad Aizu. Ha detto che TI mira a far crescere la produzione interna al di sopra del 95% entro il 2030. TI ha anche affermato di aver pilotato con successo i processi di produzione GaN su wafer da 300 mm, con i suoi processi espansi pienamente trasferibili a quella dimensione.

Due colli di bottiglia, due tempistiche

La capacità GaN e gli incentivi per l'assemblaggio di smartphone possono essere costruiti con capitale e politica. Un giacimento di quarzo no. Questa asimmetria è perché la storia di Spruce Pine continua a emergere, e perché lo scetticismo al riguardo merita di essere preso sul serio. Le miniere si trovano sulle colline, non nel paese stesso, come hanno fatto notare i commentatori del rapporto di Tom's Hardware, e non c'è modo di sapere da fuori cosa sia successo sottoterra. I grandi produttori tendono a fare scorta di materie prime critiche e a qualificare fornitori secondari, il che limita quanto una singola interruzione possa propagarsi.

Quello che l'episodio ha rivelato è meno drammatico della cornice apocalittica circolata nel 2024. È anche più difficile da risolvere. L'industria ha trascorso gli anni successivi a costruire fabbriche in India, Malesia, Giappone e Stati Uniti. Nessuna di queste cambia da dove proviene il quarzo più puro. Finché un nuovo materiale per crogioli o un nuovo giacimento non raggiungerà la scala commerciale, ogni annuncio di capacità nel settore riposa su una catena di approvvigionamento che passa attraverso un solo paese nella Carolina del Nord.