En un món digitalitzat, els semiconductors són un component estratègic essencial (amb un valor de mercat de 655.900 milions el 2024, el doble que el 2015) que fan possibles tecnologies disruptives clau com ara la intel·ligència artificial, la computació quàntica, la mobilitat intel·ligent o la transició verda.
Les crisis recents (COVID-19 el 2020 i la guerra d’Ucraïna el 2022) van evidenciar la debilitat estructural d’Europa en semiconductors, amb un 80% de proveïdors extracomunitaris. Per això, la UE va aprovar el 2023 la Llei Europea de Xips (43.000 milions d’inversió via Chips JU), amb l’objectiu de duplicar la seva quota mundial de producció al 20% per al 2030, impulsant R+D+I, fabricació i sobirania tecnològica, i afrontant reptes clau com la dependència, la inversió o el talent per assegurar la competitivitat europea. Espanya, també dependent, ha llançat el PERTE Xip (12.250 milions fins al 2027), alineat amb la UE, per fomentar tota la cadena de valor, incloent-hi recerca, disseny i, per primer cop, fabricació de microxips.
En el marc del PERTE Xip, les empreses catalanes han aconseguit captar 27,65 milions d’euros (el 52% del total de fons assignats inicialment a tot l’Estat espanyol) per a projectes de la cadena de valor de la microelectrònica. Dels 37 projectes aprovats, 17 tenen seu a Catalunya, i un 87% de les empreses participants han rebut suport directe d’ACCIÓ. Entre les firmes que lideren aquests projectes destaquen noms com ara Qilimanjaro Quantum Tech i Ideaded, referents en tecnologies quàntiques i disseny de circuits, respectivament. Catalunya es posiciona així com un potent ecosistema de semiconductors al sud d’Europa, amb una sòlida xarxa de centres de recerca d’excel·lència (BSC, ICN2, ICFO, IMB-CNM), universitats i un teixit empresarial de prop de 260 agents i 4.600 professionals.
Per capitalitzar aquestes fortaleses, i dins l’estratègia del “trident innovador català” (quàntica, xips, IA), la Generalitat ha creat l’Aliança de Semiconductors i Xips de Catalunya. Aquesta aliança impulsa una estratègia d’enfortiment de l’ecosistema, inversió, infraestructures, talent i transferència tecnològica, amb el compromís, expressat per la consellera de Recerca i Universitats “Núria Montserrat”, de potenciar la innovació basant-se en el coneixement consolidat dels centres de recerca i grans infraestructures: “Des del Govern continuarem intensificant esforços per potenciar la innovació en el sector dels semiconductors a escala nacional per ser més competitius internacionalment”.
En un escenari global on la sobirania en semiconductors defineix el lideratge tecnològic i econòmic, i amb Catalunya posicionada amb una clara ambició dins les estratègies europees i estatals, la transformació del coneixement d’avantguarda en solucions industrials és clau. Com afirma l’estratègia de la Generalitat, “sense talent, tampoc no hi ha indústria de xips“. Aquí, el Pla de Doctorats Industrials esdevé una eina estratègica per articular la col·laboració necessària i per assegurar que els avenços científics es tradueixin en innovació tangible dins la cadena de valor dels semiconductors.
A tall d’exemple, presentem una tria de projectes de doctorat industrial amb un impacte especialment clar en la indústria dels semiconductors. Tot seguit explorem com cinc empreses catalanes, i alguns dels seus projectes de doctorat industrial, estan contribuint a enfortir la cadena de valor dels semiconductors i a projectar Catalunya com un pol d’innovació en aquest camp. L’ordre en què els presentem intenta reflectir una progressió conceptual per una cadena de valor estesa, des dels elements més físics i fonamentals (materials, fabricació de base) cap a les eines de suport (metrologia) i, finalment, el disseny i desenvolupament de dispositius avançats i tecnologies emergents (quàntica, fotònica).
IDEADED: explorant noves fronteres en materials i control quàntic
IDEADED, fundada l’any 2015, és una empresa catalana de tecnologia profunda (deep tech) especialitzada en el desenvolupament de semiconductors basats en semiconductors alternatius al silici, amb aplicacions en l’àmbit de la Internet de les Coses (IoT). La companyia amb seu a Viladecans (Baix Llobregat), participa en el Pla de Doctorats Industrials des de 2022 amb cinc projectes.
Un dels seus projectes de doctorat industrial, “Fabricació i optimització de pel·lícules fines per a dispositius electrònics avançats“, treballa en la innovació de materials i processos de fabricació (Front-end). La recerca se centra en l’estudi i l’optimització de nous materials semiconductors com els orgànics i els Dicalcogenurs de Metall de Transició (TMDs), que prometen superar les limitacions del silici. Aquests materials requereixen mètodes de fabricació (Front-end) d’alta precisió per crear pel·lícules fines pures i uniformes (algunes amb un gruix de pocs àtoms!), un repte directe que el projecte aborda des dels fonaments fins a la seva integració industrial en circuits.
Amb les seves instal·lacions de sala blanca, IDEADED demostra una capacitat tangible en aquest segment. Portar aquests materials d’avantguarda a la producció industrial presenta reptes importants: cal una puresa, uniformitat, estructura i control de gruix a escala atòmica. La doctoranda industrial Natàlia Salvat Lozano dedica la seva recerca a superar aquestes barreres, optimitzant tot el procés de fabricació per a la seva integració industrial.
En paral·lel a la recerca de materials, IDEADED afronta la decoherència quàntica (la pèrdua d’informació en els qubits) mitjançant el projecte de Doctorat Industrial “Reducció dels efectes de la decoherència quàntica en qubits a través de control quàntic òptim en el temps“. Lluc Garcia Gonzalo, doctorand industrial del projecte, desenvolupa protocols de control quàntic òptim per maximitzar les operacions dels qubits i identificar el hardware més adient per als futurs processadors quàntics d’IDEADED. Aquest treball en disseny funcional i software de control és clau per a l’avanç del hardware quàntic, dependent de la tecnologia de semiconductors. En resum, el projecte està resolent un problema fonamental que ha de ser superat perquè els xips quàntics puguin arribar a ser una realitat operativa.
Sensofar Tech: precisió nanomètrica en el control de qualitat de la indústria de xips
En la fabricació de semiconductors, on la perfecció a escala gairebé atòmica és un requisit indispensable, la metrologia òptica d’alta precisió esdevé una eina essencial. Sensofar Tech, participant del Pla DI des de 2018 amb tres doctorats industrials, és un referent en desenvolupament, fabricació i comercialització d’instruments de metrologia de superfícies 3D d’alta gamma, oferint també consultoria especialitzada.
El projecte “Desenvolupament i implementació de tècniques òptiques per la mesura tridimensional en grans àrees de superfícies d’elevada rugositat” se centra a millorar tant el hardware com els algoritmes de tècniques consolidades, a més d’explorar sistemes òptics no convencionals i mètodes de mesura ultraràpids. La recerca, liderada pel doctorand industrial Narcís Vilar Solé, desenvolupa noves tècniques òptiques avançades per mesurar amb precisió i velocitat la rugositat tridimensional en superfícies extenses, especialment aplicable a sectors industrials com ara l’automoció, la fabricació additiva i els semiconductors. Un projecte amb un impacte directe en la fabricació d’equips per a la producció de semiconductors, ja que els sistemes de metrologia resultants són essencials per al control de qualitat exhaustiu durant les etapes de fabricació i en els processos d’assemblatge, prova i empaquetatge dels xips.
Un segon projecte complementari, “Estudi i implementació de tècniques optico computacionals avançades aplicades en sistemes de metrologia òptica de superfícies“, busca superar les limitacions actuals i investigar nous paradigmes per a funcionalitats fins ara inabastables. Olena Zhukova, la doctoranda industrial, pretén és expandir les fronteres del que és possible mesurar, “veure” detalls més petits amb més claredat. Per fer-ho, ha de superar les limitacions físiques inherents a les tecnologies òptiques actuals i d’explorar nous paradigmes que aportin funcionalitats fins ara no disponibles.
Els dos projectes, malgrat que Sensofar projecta més doctorats industrials en aquesta línia, reforcen el segment d’equipaments dins la cadena de valor dels semiconductors. El desenvolupament d’equips de metrologia òptica més avançats i versàtils és crucial per al control exhaustiu en les etapes de fabricació (front-end i back-end), i també en els processos d’assemblatge, prova i empaquetatge (ATP), cosa que permet a Catalunya no només ser usuària sinó també proveïdora de tecnologia d’inspecció d’alta gamma a escala global.
Qilimanjaro Quantum Tech: disseny i l'habilitació de processadors quàntics, una aplicació d'alt valor de la computació quàntica
La computació quàntica representa una de les fronteres tecnològiques més prometedores, i Catalunya compta amb actors com Qilimanjaro Quantum Tech, una empresa pionera en el desenvolupament d’ordinadors quàntics basats en circuits superconductors. Nascuda el 2019 com a spin-off del Barcelona Supercomputing Center (BSC), l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) i la Universitat de Barcelona (UB), desenvolupa nou projectes de doctorat industrial des de 2020. La seva ambició és crear el primer ordinador quàntic comercial en el nostre territori, i situar-se entre els primers d’Europa. Mostra d’aquest lideratge és la seva participació clau en la posada en marxa de computadors quàntics al Barcelona Supercomputing Center (BSC), com el recentment operatiu “Ona” (integrat al MareNostrum 5), i el seu rol en el desenvolupament d’un futur sistema per a la xarxa quàntica europea EuroHPC JU, fites que posicionen Barcelona com a hub quàntic.
Aquests dispositius, que utilitzen els principis de la mecànica quàntica per resoldre problemes actualment intractables, requereixen processos de fabricació d’alta precisió similars als de la indústria dels semiconductors per a la creació dels seus processadors. Qilimanjaro adopta un enfocament integral (full stack) que abasta des del hardware fins als algoritmes. Marta Pascual, CEO de Qilimanjaro, explica que l’empresa “aborda totes les capes necessàries per a un ordinador quàntic funcional, des de les aplicacions fins a la mateixa producció del xip”; a més, tot i no fabricar semiconductors per se, desenvolupen “un altre tipus de chips que complementa els semiconductors“.
Un dels projectes clau, liderat per la doctoranda Ana Palacios, és “Eines teòriques per l’estudi i millora de processos d’annealing quàntic” i té com a objectiu proporcionar les bases formals i les eines necessàries per analitzar i optimitzar els processos d’annealing quàntic (un model de computació quàntica) en els dispositius experimentals construïts per Qilimanjaro. La recerca de Palacios és, en essència, desenvolupar les millors estratègies perquè els ordinadors quàntics de Qilimanjaro, que funcionen amb circuits superconductors, puguin resoldre problemes d’optimització de la manera més ràpida i precisa possible.
Directament enfocat en el processador quàntic, el doctorand industrial Christian Hensel lidera el projecte “Superconducting flux qubit circuits for quantum annealing“. El seu projecte se centra en el disseny i l’optimització de qubits de flux superconductors (recordem que els qubits són els “àtoms artificials” que constitueixen la unitat bàsica d’un ordinador quàntic). Hensel explora un ampli ventall de possibles “arquitectures” o dissenys per a aquests qubits, per millorar-ne el temps de coherència (un factor clau per a la potència de càlcul quàntic). Així doncs, la fabricació d’aquests complexos circuits superconductors es realitza amb tècniques molt avançades que són heretades i adaptades de les que s’utilitzen per fabricar els xips convencionals.
Luxquanta Technologies: fotònica integrada en comunicacions quàntiques segures
Davant l’amenaça que la computació quàntica suposa per als sistemes criptogràfics actuals, la seguretat de les comunicacions és un desafiament de primer ordre. En aquest context, LuxQuanta Technologies, empresa catalana constituïda el maig de 2021 com a spin-off de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), es posiciona com un actor clau per desenvolupar solucions innovadores per a comunicacions segures. L’activitat principal de LuxQuanta, participant del Pla DI des de 2022 amb dos doctorats industrials, se centra en el desenvolupament i la comercialització de sistemes de Distribució Quàntica de Claus (QKD). Aquests sistemes, fonamentats en els principis de la física quàntica en lloc de la complexitat algorítmica, proporcionen un mètode d’intercanvi de claus criptogràfiques teòricament inviolable, essencial per a les comunicacions que requereixen els més alts nivells de seguretat.
El seu projecte de doctorat industrial “Sistemes de distribució quàntica de claus basats en òptica integrada“, liderat per la doctoranda industrial Elisabeth Llanos, és un clar exemple d’aquesta aposta. La seva recerca se centra en la caracterització, el disseny i l’optimització de Circuits Fotònics Integrats (PICs) destinats a sistemes de Distribució Quàntica de Claus (QKD) de Variable Contínua. Dit d’una altra manera, un PIC és com un laboratori òptic complet, amb tots els seus components integrat en un xip de pocs mil·límetres. Aquests sistemes permeten intercanviar claus criptogràfiques amb una seguretat garantida per les lleis de la mecànica quàntica. La integració d’aquests sistemes en xips fotònics és clau per a la seva escalabilitat, reducció de costos i estandardització.
El projecte, de naturalesa iterativa, implica no només la caracterització dels PICs, sinó també el seu disseny i redisseny, així com el desenvolupament de l’electrònica de control associada. Aquesta tasca té un impacte directe en les etapes de Disseny i Testing (ATP) de la cadena de valor dels semiconductors, i està íntimament lligada a la Fabricació de components fotònics, un camp on la tecnologia semiconductora és la base de producció. Com subratlla Vanesa Diaz, CEO de LuxQuanta, l’aportació estratègica d’aquests projectes permet “optimitzar els productes actuals i treballar en la següent generació tecnològica“, fet que els permetrà “consolidar-nos com a líders globals, situant-nos entre les tres o cinc principals empreses del sector”.
QUSIDE TECHNOLOGIES: aleatorietat quàntica en xips fotònics i ciberseguretat
La fortalesa de la ciberseguretat en l’era quàntica no consisteix únicament en la manera com es distribueixen les claus criptogràfiques, aspecte clau que hem vist en el projecte anterior. Un altre pilar fonamental és la qualitat i la impredictibilitat dels nombres aleatoris que s’utilitzen per generar claus criptogràfiques inviolables, fins a les simulacions científiques més complexes. En aquest àmbit, l’empresa catalana QUSIDE, nascuda el 2017 com a spin-off de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), aprofita els fenòmens quàntics per generar aquesta aleatorietat de la màxima qualitat possible, encapsulant aquesta tecnologia en innovadors xips fotònics. L’empresa participa activament en el Pla de Doctorats Industrials des de 2019, amb tres doctorats industrials.
Un dels seus projectes de doctorat industrial, titulat “Dinàmica de fonts d’entropia quàntica d’alta velocitat en InP”, aprofundeix precisament en la física i l’enginyeria d’aquests dispositius. Berta Martínez Pàmies, la doctoranda industrial al capdavant de la recerca, analitza des d’una doble perspectiva (teòrica i experimental) el comportament complex i ràpid de les Fonts d’Entropia Quàntica (QES) d’alta velocitat. Aquests sistemes es basen en Circuits Fotònics Integrats (PICs), els laboratoris òptics miniaturitzats dels quals hem parlat abans. Aquests PICs, en aquest cas, estan fabricats sobre Fosfur d’Indi (InP), un material semiconductor clau especialment adequat per a aplicacions que utilitzen la llum. L’objectiu de la recerca és entendre a fons el comportament de components essencials dins d’aquests xips, com les fonts de llum làser diminutes integrades (làsers semiconductors acoblats), per determinar les condicions de funcionament òptimes que permetin maximitzar la generació d’aleatorietat quàntica de la màxima qualitat.
Els resultats d’aquesta recerca seran crucials per produir versions millorades dels seus dispositius de generació d’aleatorietat quàntica, fent-les més ràpides i eficients. Així, aquest projecte impacta de ple en múltiples etapes de la complexa cadena de valor dels semiconductors, especialment en la seva extensió cap a la fotònica integrada. De fet, QUSIDE ja comercialitza un xip semiconductor que ostenta el rècord de ser el més ràpid del mercat en la seva categoria, generant 1 Gigabit de nombres aleatoris per segon.
Com hem pogut comprovar a través d’aquests exemples concrets, el Pla de Doctorats Industrials es manifesta com una peça clau en l’estratègia de Catalunya per enfortir el seu ecosistema de semiconductors. La capacitat d’empreses com IDEADED, Sensofar Tech, Qilimanjaro Quantum Tech, Luxquanta Technologies i QUSIDE per abordar reptes tecnològics d’avantguarda, impulsant la recerca en materials, equipament, disseny i aplicacions quàntiques, es veu potenciada per aquest programa de col·laboració. Més enllà dels avenços individuals, el conjunt d’aquests projectes reflecteix un ecosistema en construcció, on la transferència de coneixement i la formació de talent especialitzat són fonamentals per a la sobirania tecnològica i el progrés industrial del país.
Afegeix aquí el text de capçalera
Entenent els Semiconductors
En essència, un semiconductor és un material amb una propietat elèctrica intermèdia: condueix l’electricitat millor que un aïllant, però pitjor que un conductor. La seva “màgia” rau en la capacitat de controlar amb gran precisió aquesta conductivitat elèctrica. Aquesta característica permet fabricar els transistors, que són els components bàsics dels xips. Els transistors actuen com a interruptors diminuts que es poden activar o desactivar per controlar el flux de corrent elèctric. La possibilitat de “sintonitzar” el pas del corrent és fonamental per al disseny i funcionament de tota l’electrònica moderna.
En poques paraules, els semiconductors són la base sobre la qual es construeix tota la tecnologia digital, des dels dispositius més quotidians com els telèfons mòbils fins als sistemes més complexos d’intel·ligència artificial o computació quàntica.
La rellevància d’aquesta indústria, nascuda el 1947, s’ha accentuat amb les recents disrupcions de subministrament i tensions geopolítiques, revelant la seva complexa i fragmentada cadena de valor global (la fabricació d’un xip pot requerir 1.500 passos!). Més encara, com assenyala un informe del Center for Strategic & International Studies (CSIS), la concentració de la fabricació més avançada ‘principalment a l’illa de Taiwan […] representa una vulnerabilitat estratègica significativa’. Fins i tot alguns experts parlen d’una nova era de guerra tecnològica, on els semiconductors constitueixen el “camp de batalla” central per la supremacia global.
