Como habrás podido ver, tanto Intel como otras compañías han comenzado a usar cifras como 18A, 14Am, 10A, para sus nodos o procesos de fabricación para su litografía. Esto está desconcertando a algunos que no saben muy bien de qué se trata, pero lo cierto es que es bastante sencillo como te explicaremos aquí.
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Nodos en micras o micrómetros
En 1971, empresas coom Intel, RCA, TI, etc., comenzaron a fabricar con nodos de proceso de 10 μm, es decir, 10 micras, o micrómetros, como lo quieras llamar. Este proceso era uno de los más avanzados del momento, y en él se fabricaron chips como la DRAM 1103, o las CPUs Intel 4004 y 8008.
El micrómetro, micrón o micra, es una unidad de longitud equivalente a la milésima parte de un milímetro. Es decir, como si divides un milímetro en mil partes y coges una de ellas. Su símbolo, como has visto, es µm, y el nombre proviene del griego y significa pequeño.
Para que te hagas una idea de las dimensiones, un cabello humano tiene un grosor de aproximadamente 70 u 80 micras. Es decir, las características que se podían imprimir en los chips de los años 70s eran entre 7 y 8 veces más delgadas que un cabello.
Por supuesto, estas tecnologías fueron mejorando para crear nuevos nodos más avanzados e integrar mayor cantidad de transistores en un mismo chip. Por ejemplo, algunos importantes saltos que se dieron en los nodos de fabricación de semiconductores fueron:
- 10 µm – 1971
- 6 µm – 1974
- 3 µm – 1977
- 1.5 µm – 1981
- 1 µm – 1984
En aproximadamente una década y pico, se pudo llegar a mejorar hasta en 10x la resolución para la fabricación de chips.
Nodos en nanómetro
Conforme fueron avanzando los nodos, las micras ya no eran efectivas para medir de forma exacta las características más pequeñas que se podían fabricar en los chips. Por eso se pasaría a usar otra unidad conocida como nanómetro.
Se simboliza con las letras nm, y es una unidad de longitud del SI (Sistema Internacional de Unidades) que equivale en este caso a la mil millonésima parte de un metro (1 nm = 10−9 m) o a la millonésima parte de un milímetro.
Cada vez irrumpieron más fabricantes en la industria de los semiconductores, y los nodos seguían avanzando al ritmo que marcaban los grandes como Intel, AMD, Samsung, IBM, etc. Por ejemplo, vimos procesos como los:
- 800 nm – 1987
- 600 nm – 1990
- 350 nm – 1993
- 250 nm – 1996
- 180 nm – 1999
- 130 nm – 2001
- 90 nm – 2003
- 65 nm – 2005
- 45 nm – 2007
- 32 nm – 2009
- 22 nm – 2012
- 14 nm – 2014
- 10 nm – 2016
- 7 nm – 2018
- 5 nm – 2020
- 3 nm – 2022
Actualmente, estamos llegando ya a los 5nm para algunos chips de última generación, como los Apple M-Series, entre otros, e incluso más allá de eso, como las GPUs de NVIDIA de 4nm. Nos acercamos ya al 1nm y esto hace, como ocurrió en su día con las micras, que esta unidad de longitud no sea la más adecuada para los futuros nodos de fabricación.
Half-node vs ITRS node
Me gustaría también dejar claro una cosa, y es que no todas las foundries o fábricas de semicondutores siguieron estos pasos. Por ejemplo, algunas usaron nodos intermedios, como puede ser el de 20nm entre 22 y 14nm, etc. Estos nodos intermedios se conocen como half-node, y no siguen los impuestos por la ITRS. Por ejemplo:
| ITRS | Half-node |
|---|---|
| 250 nm | 220 nm |
| 180 nm | 150 nm |
| 130 nm | 110 nm |
| 90 nm | 80 nm |
| 65 nm | 55 nm |
| 45 nm | 40 nm |
| 32 nm | 28 nm |
| 22 nm | 20 nm |
| 14 nm | 12 nm |
| 10 nm | 8 nm |
| 7 nm | 6 nm |
| 5 nm | 4 nm |
| 3 nm | — |
Además, seguro que has visto también cosas como 7nm, 7nm+, 7nm++, etc., o tal vez cosas como LP7N, P7N, etc. Todo esto no son más que variantes de un mismo nodo. Por ejemplo, 7nm+ es una versión plus o mejorada de 7nm. Por otro lado, los que usan designaciones como LP o P se pueden estar refiriendo a nodos optimizados para Low Power o bajo consumo y Peformance o rendimiento respectivamente.
Nodos en Ángstroms
Ahora habrás visto compañías como Intel, TSMC, o también otras como IMEC, que han comenzado a usar otra unidad diferente a los nanómetros. Esta unidad se representa con el símbolo Å, y se llama ángstrom.
Esta unidad de longitud empleada principalmente para expresar longitudes de onda, distancias moleculares, atómicas, etc., ahora también se volverá muy popular en la industria de los semiconductores en la próximas décadas.
Su nombre proviene del físico sueco Anders Jonas Ångström, y equivale a la diezmilmillonésima parte del metro: 0,0000000001 metros. En un centímetro caben cien millones de ángstroms.
Por ejemplo, Intel ha comenzado a llamar a los futuros nodos como 18Å, 14Å, 10Å, etc. Así que, acostúmbrate, porque es lo que te espera en las próximas décadas…
Equivalencia Micrón, Nanómetro, Ángstrom
Por supuesto, llegados a este punto, seguro que te estarás preguntando sobre las equivalencias entre las tres unidades de longitud vistas hasta ahora, pues bien, son:
- 1 µm = 1000 nm
- 1 nm = 10Å
Es decir, que si tenemos en cuenta las cifras aportadas para futuros nodos de Intel, vemos que los 18Å es como fabricar a casi 2nm, algo más reducido que eso, mientras que 14Å sería algo mejor que 1.5 nm, y 10Å sería el equivalente a decir 1nm.
Futuro en la industria de semiconductores
Por último, señalar que algunos piensan que la fotolitografía de estas grandes empresas como Samsung, Intel o TSMC las desarrollan ellas mismas, y lo cierto es que no es así. En Europa somos líderes en esto gracias al IMEC y ASML. La primera es la que se encarga del desarrollo de las futuras tecnologías para que estos nodos sean posibles de fabricar. ASML es la encargada de, en función de los estudios del IMEC y la demanda de sus clientes, crea las máquinas de fotolitografía que usan las foundries para fabricar chips de última generación.
Cada fabricante puede usar los desarrollos de IMEC y la maquinaria de AMSL para adaptarla u optimizarla para sus propios nodos.
Pues bien, el IMEC ya ha hecho su propio roadmap hasta 2036, y como ves, los ángstroms son los que mandan en las futuras décadas. Y como ves se llegará hasta los 2 ángstroms, prácticamente a lo que mide el ancho de algunos átomos. Como sabes, Amadeo Avogadro en el siglo XIX, tendría el 1 ángstrom de tamaño aproximado, es decir 10-10 m y un siglo más tarde, Ernest Rutherford precisa que el núcleo atómico es del orden de 10–14 metros.
Para fabricar a estas pequeñas escalas, el IMEC se ha puesto ya manos a la obra. Y ASML prepará sus nuevas máquinas de fotolitografía EUV High-NA para dentro de unos 3 años.
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Además, otras empresas europeas son clave en esto, como la alemana Zeiss especializada en lentes de alta precisión. Y es que las máquinas de ASML usan su óptica para poder generar patrones tan pequeños. Y, como puedes imaginar, cuando se habla de precisión de 20 picómetros, una lente debe tener un diámetro considerable y ser prácticamente perfecta. Por otro lado, la EUV de alta NA también traerá otros grandes desafíos para las empresas.
Volviendo un poco atrás, los primeros transistores integrados en chips como el Intel 4004, eran de tipo CMOS MOSFET, es decir, una combinación de NMOS y PMOS de efecto de campo. Esto ha sido así hasta no hace muchos años, cuando se han comenzado a usar nuevas estructuras como las FinFET, es decir, unos transistores de efecto de campo finos que actualmente se usan para fabricar los últimos chips de CPUs y GPUs, entre otros.
Pues bien, la industria espera seguir innovando tanto en materiales, como en estructuras de empaquetado como las 3D, y también en las propias estructuras de los transistores para crear dispositivos disruptivos para el futuro, permitiendo menor consumo, mayor escalabilidad y un mayor rendimiento.
Por ejemplo, tras los FinFET ahora también llegan los GAA, que ya están siendo utilizados por empresas como Samsung para algunos dispositivos, y es probable que pronto den el paso a otras fábricas de semiconductores como TSMC o Intel.
Y esto no es todo, después también se ha previsto la utilización de unos transistores aún más avanzados con similitudes con los GAA, se trata de los CFET o complementary FET. Estos transistores de canal N o P se apilan uno encima de otro para mayor capacidad de integración en el mínimo espacio posible.
Todo esto implicará grandes retos, el uso de nuevos materiales, y nueva maquinaria en el sector industrial, además de avances que irán ligados a estos nuevos nodos, e incluso la aparición de tecnologías exóticas como las monocapas atómicas planas con materiales como sulfuros o seleniurs de tungsteno o molibdeno, que podrán reemplazar al silicio actual.
En definitiva, que los chips tal como los conocemos actualmente aún tienen una vida bastante larga, aunque muchos ya auguraban su muerte y sustitución desde hace años. Pero parece que la tecnología de silicio se quedará con nosotros aún varios años más…
