Rischiano quasi di diventare mainstream i microchip e con essi l’intero settore della microelettronica ma soprattutto un materiale che è ancora all’alba del suo momento di gloria come il carburo di silicio, tutto perché la mancanza di questi elementi sta fortemente impattando sull’industria dell’automotive ma anche sulla produzione di smartphone e di altri device oggi irrinunciabili per la maggior parte degli abitanti della terra. Non stupisce quindi poi tanto nemmeno i non addetti ai lavori che una frazione dei fondi stanziati con il PNRR sia finalizzata a supportare l’attività di quella parte d’Italia, pubblica e privata, di ricerca e di produzione, che si dedica alla microelettronica. Non perché debole, anzi, molto ben posizionato, propulsivo e competitivo, è un settore su cui vale quindi la pena di scommettere e investire.
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Dal PNRR 340 milioni su macchinari e competenze per potenziare la ricerca di maggiore produttività
Sono 340 milioni gli euro stanziati dal Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza approvato nel luglio 2021 per la microelettronica, un investimento sia “hardware”, in fabbriche e attrezzature, sia “software”, in competenze, per lo sviluppo della catena del valore strategica del settore con un forte ed esplicito focus sui substrati in carburo di silicio, essenziale per dispositivi di potenza ad alte prestazioni che a loro volta rappresentano il cuore di numerosi sistemi elettronici.
L’obiettivo, ambizioso ma raggiungibile, espresso in numero di substrati all’anno, è quello di aumentare la capacità produttiva di almeno 374.400 unità, destinate soprattutto all’esportazione, con un impatto sull’occupazione di almeno 700 nuovi posti di lavoro entro giugno 2026. Una spinta forte per l’ecosistema che ruota attorno alla microelettronica e che, anno dopo anno, potrà beneficiare di diverse tranche di milioni di euro, con cifre quasi sempre in crescendo: 33 nel 2022, 7 nel 2023, 40 nel 2024, 107 nel 2025 e 153 nel 2026. Dovrà saperli gestire al meglio rafforzando la propria competitività consapevole di poter così far aumentare anche il tasso di digitalizzazione, innovazione tecnologica e internazionalizzazione dei settori ad alto contenuto tecnologico ad esso legati.
Parte dei fondi andranno in macchinari, impianti e attrezzature, altamente sofisticati e delicati e quindi decisamente onerosi per le aziende che devono acquisirne, parte in trasmissione delle competenze applicative ad altri settori industriali, un passaggio necessario per far comprendere i vantaggi delle nuove tecnologie nel campo e farne un maggiore e migliore uso. Chi ha inserito nel PNRR il capitolo microelettronica lo ha fatto con il preciso scopo di vedere un’Italia fortemente competitiva sul piano internazionale e ben sapendo di star investendo in un campo di ricerca in cui il Paese mostra un quadro già di alto livello, sia per le numerose grandi industrie già presenti e che stanno vivendo una fase di forte sviluppo, sia per il sorprendente tasso di trasferimento tecnologico registrato tra il mondo della ricerca e quello imprenditoriale.
Il direttore dell’Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi (CNR) Vittorio Privitera, che respira ogni giorno quest’aria di sinergia rara nel tessuto economico italiano, parla di “un vero e proprio circolo virtuoso” descrivendo “un modello di stretta collaborazione che dalla ricerca di base conduce fino alla produzione e alla commercializzazione, con forti impatti sull’occupazione”. Proprio i dispositivi in carburo di silicio costituiscono una success story di questa corsa in tandem università-aziende: “è iniziato tutto in modo pionieristico nei laboratori, studiando le proprietà del nuovo materiale che oggi è diventato un prodotto industriale sempre più fondamentale per una numerosa schiera di settori”.
L’impatto del PNRR su questo già positivo contesto secondo Privitera potrà essere quello di favorire la realizzazione di infrastrutture sia di ricerca sia di innovazione con partecipazione pubblica e privata “meglio se all’interno di un ambiente dove già operano realtà universitarie e industriali – spiega – perché possano diventare un polo di riferimento anche internazionale per le imprese che vogliono sviluppare nuovo prodotto, dotato di infrastrutture di alto livello tecnologico focalizzate su certe tematiche strategiche. Quello che serve per spingere la tecnologia a livelli molto avanzati e creare un’economia sempre più forte”.
Anche l’impatto sul territorio sarebbe significativo e il territorio interessato potrebbe essere, secondo il direttore dell’IMM, proprio quello dove l’istituto ha sede, il catanese, con benefici sull’occupazione giovanile che fatica a decollare. Questo aspetto sociale del boost alla microelettronica previsto nel PNRR è molto apprezzato anche da chi ha maturato un’esperienza nel settore ma nella sfera aziendale, Pietro Palella, ex AD di STMicroelectronics Italia e ora presidente della ST Foundation. Sottolineando “l’occupazione altamente qualificata generata e che si deve continuare sempre di più a generare per creare nuova linfa per il settore”, Palella guarda alle iniziative inserite nel PNRR come a “indicatori di una certa visione e prospettiva di futuro, della volontà non scontata di puntare sempre di più su un mercato strategico in cui siamo già forti”. Secondo chi ha guidato per diversi anni la parte italiana di una delle aziende di microelettronica più note in Europa, per rendere il carburo di silicio una realtà industriale si deve fare leva sul PNRR e affinare la tecnologia potenziando la ricerca applicativa, ampliare le capacità produttive supportando le fabbriche con fondi e competenze, e migliorare la progettazione di dispositivi che utilizzano questa tecnologia. Il ruolo che le competenze giocano nel successo dei provvedimenti decisi dal governo è fondamentale: “saranno cruciali quelle sia per inserire la tecnologia nelle fabbriche, sia per utilizzare nuovi macchinari adatti, sia per progettare dispositivi che facciano leva su di essa e poi per produrli. L’unica strada è quella della collaborazione tra Università e sistema produttivo per creare una schiera di giovani laureati con le giuste competenze per attuare piano”
Carburo di silicio driver per la digitalizzazione e la svolta green del Paese
Almeno negli ambienti universitari, meno in quelli produttivi per problemi– ora superati – di affidabilità, accessibilità e approvvigionamento, il carburo di silicio era presente da tempo ma fino a qualche anno fa difficilmente si sarebbe di ritrovarlo protagonista di un asset strategico. Il merito è dell’attuale forte ascesa del mercato sia delle mobilità elettrica sia del fotovoltaico e delle qualità di questo materiale che lo hanno reso indispensabile per filoni industriali entrambi parte integrante della transizione 4.0 e caratterizzati da una forte impronta green. “La gestione della potenza in queste applicazioni viene fatta dall’elettronica ed è molto delicata, ci sono grosse correnti in gioco – chiarisce Palella – ci sono fattori importanti in cui il carburo di silicio è vincente”.
Classificato come semiconduttore Wide Band Gap (WBG), per via di una differenza tra la banda di valenza e quella di conduzione particolarmente ampia, questo materiale mostra una migliore conduttività elettrica che minimizza la dispersione di energia sotto forma di calore, ma anche una capacità di operare anche a temperature molto più alte, in componenti in dimensioni ridotte, fornendo comunque una maggiore efficienza di conversione della potenza. Rispetto ai tradizionali chip in silicio, gli esperti ritengono che si possa risparmiare fino al 30% di energia, a seconda di dove vengono utilizzati i componenti. Efficienza e basso impatto ambientale sono i due driver che hanno portato il carburo di silicio ad essere citato nel piano di governo puntando ad ottenere auto elettriche sempre più performanti e con più km di autonomia, e a impianti fotovoltaici con minimo spreco di energia. Negli anni anche settori come la robotica, l’eolico, il trasporto su ferro potranno largamente beneficiare dei nuovi traguardi produttivi della microelettronica italiana.
Il PNRR italiano, tassello della strategia di emancipazione europea per microchip e semiconduttori
Per lo meno per gli addetti al settore la sensibilità del Governo verso i semiconduttori non è una novità: gli investimenti del PNRR si vanno infatti ad aggiungere ai 700 milioni attivati dal Ministero dello Sviluppo Economico dallo scorso 3 settembre. Una linea che tiene conto di una domanda di semiconduttori dal 2020 ben superiore rispetto alla capacità produttiva mondiale – e intanto la vendita di elettronica non accenna ad arrestarsi -, e della crescente importanza dei semiconduttori nella digitalizzazione del Paese e nella diffusione della mobilità elettrica, strategica anche per gli obiettivi climatici che quasi tutto il mondo sta inseguendo.
I provvedimenti italiani aspirano a contribuire anche alla strategia europea sul carburo di silicio e sui semiconduttori, legata all’evidente mancanza di autosufficienza sia nella progettazione sia nella produzione di dispositivi elettronici che mette il nostro continente in una condizione di dipendenza strategica altamente rischiosa, tra l’altro, come Palella più esplicitamente fa notare, rispetto “ad un solo posto, per lo più estremamente instabile dal punto di vista geopolitico”. Si riferisce a Taiwan e, con l’Europa, condividono il problema sia USA che Cina ma nessuna delle tre sta restando ferma a guardare un quadro in cui Taiwan e Corea del Sud detengono rispettivamente il 23% e 26% della capacità produttiva del settore e l’Asia orientale rappresenta l’80% della produzione mondiale di chip, un mercato stimato da 100 miliardi di dollari entro il 2025.
L’American Jobs Act e il CHIPS for American Act prevedono 50 miliardi di dollari in 5 anni per l’industria dei semiconduttori per riportare la quota statunitense della produzione mondiale nel settore al 24%. Penalizzata dai divieti imposti dagli Stati Uniti sui trasferimenti di tecnologia nazionale e straniera a utenti finali cinesi, con il suo 14esimo piano quinquennale la Cina ha previsto generosi sussidi per la ricerca e la produzione dei semiconduttori puntando anche ad assumere un ruolo cardine nella definizione degli standard globali all’interno dell’Organizzazione Internazionale per la Normazione.
Noi guardiamo con speranza alla Bussola per l’Europa digitale del 2030 che mira a unire fondi e capacità dei diversi Stati membri per colmare un evidente svantaggio competitivo e portare la produzione di semiconduttori in Europa, dall’attuale 10% del valore della produzione mondiale al 20%. A fine dicembre 2020 è stato condivisa anche l’European Initiative on Processors and semiconductor technologies per raccogliere investimenti sul settore per circa 60 miliardi di dollari, provenienti dal settore privato, dal bilancio dell’UE, ma anche proprio dagli stessi piani nazionali di recupero e resilienza.
La partita in corso è estremamente importante: il sistema economico e industriale che nei prossimi anni mostrerà maggiore flessibilità e migliori performance, potrà guadagnare un vantaggio significativo nella competizione geopolitica sui semiconduttori. Al contrario della stringente dipendenza da gas o petrolio che sempre l’Europa vive, inoltre, in questo caso si tratta di una partita che si può giocare perché non esistono “giacimenti” di semiconduttori, “risorsa” che si può “creare” ovunque. Per questo ciò che molti evocano, Italia inclusa, è una sempre più forte sinergia tra Stati membri, sinergia che già si manifesta in questo campo con progetti come Trasform,(Trusted European SiC Value Chain for a greener Economy) avviato a maggio 2021, finanziato con 89,3 milioni di euro dall’Unione Europea e da enti nazionali con l’obiettivo di realizzare una supply chain europea resiliente per la produzione di applicazioni di elettronica di potenza basate sugli innovativi dispositivi semiconduttori di potenza in carburo di silicio. Questa sfida è in mano ad un consorzio guidato da Bosch, un totale di 34 aziende, università e istituti di ricerca di 7 Paesi europei (Austria, Repubblica Ceca, Francia, Germania, Italia, Spagna e Svezia) e darà vita a cinque casi d’uso nei settori dell’automotive, delle energie rinnovabili e dell’agricoltura puntando sia a sviluppare nuove tecnologie SiC sia ad assicurare la disponibilità di macchinari e attrezzature europee per la produzione.
Dalla sensoristica al quantum computing: il promettente futuro del carburo di silicio
Trasform non è l’unico progetto sul carburo di silicio a livello europeo, sempre finanziato dall’Unione c’è anche CHALLENGE (3C-SiC Hetero-epitaxiALLy grown on silicon compliancE substrates and 3C-SiC substrate for sustaiNable wide-band-Gap powEr devices) che punta a rendere il carburo di silicio cubico una tecnologia commerciabile sotto forma di wafer, sempre per la realizzazione di dispositivi di potenza. Secondo gli esperti, tra cui gli italiani dell’IMM, questo materiale migliorerebbe l’efficienza energetica dei dispositivi che operano a tensioni comprese tra i 100 e i 1 200 V e, se utilizzato su larga scala, potrebbe contribuire a ridurre le emissioni di 6 milioni di tonnellate all’anno.
Rispetto al carburo di silicio con struttura esagonale, questo ha un gap di banda proibita più stretto e opera a tensioni più basse, mostrandosi più adatto alle applicazioni automotive e, grazie ad una resistenza elettrica più bassa, ci regalerebbe dispositivi più efficienti e auto elettriche con autonomia maggiore.
Mentre il mercato attende questa novità “cubica”, la ricerca sul carburo di silicio esagonale prosegue ipotizzando possibili applicazioni nella sensoristica e nel quantum computing. Nel primo caso, spiega Privitera, il suo utilizzo sarebbe rivolto alla sicurezza degli ambienti, con la produzione di sensori di fiamma in grado di funzionare bene anche in uno spazio illuminato, nei computer quantistici invece i vantaggi sarebbero legati ad un aumento della sicurezza nel trasferimento delle informazioni. Entrambe le strade, aggiunge Privitera, “potrebbero essere percorse attraverso la creazione di infrastrutture di ricerca attorno alle due tematiche, sensoristica e tecnologie quantistiche, sfruttando i fondi che sempre il PNRR dedica ad alcuni filoni ritenuti strategici”. Ampliando gli orizzonti, il futuro della microelettronica guarda anche all’arsenuro di gallio e alla sostituzione degli elettroni con i fotoni puntando su flussi di luce invece che sulla corrente elettrica, nuove frontiere accennate da Palella che è però certo che “per le tecnologie di potenza il carburo di silicio sia una delle prospettive più importanti nei prossimi anni. Ora è al suo stadio infantile e deve avere lunga vita”.
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