¿Cuál es la tasa de utilización de las obleas de silicio?

Las obleas semiconductoras son, literalmente, placas circulares de silicio en las que se imprimen varios chips uno al lado del otro en un proceso óptico de muy alta precisión. Se esperan fallos en procedimientos tan sensibles, pero no todos inutilizan un componente, y la relación entre todos los chips impresos en una oblea y los realmente utilizables es lo que determina la tasa de utilización.

oh canaltech Habló con Yuri Daglian, ingeniero de aplicaciones de Intel Brasil, para comprender mejor el proceso de fabricación de chips semiconductores y, principalmente, cómo las tasas de utilización afectan la cartera de productos y los precios de cada segmento.

“El primer punto que debemos entender es que la base de los microprocesadores modernos es el uso masivo de transistores. De hecho, el transistor se inventó hace muchos años, pero en los microprocesadores tienen una aplicación muy interesante. Controlan el flujo de electrones en el circuito; es como si fueran un switch muy pequeño”, explicó el ingeniero de Intel.

¿Cómo se fabrican los chips semiconductores?

Básicamente, el silicio es la sustancia principal de la arena y su abundancia, combinada con sus propiedades conductoras, lo convierten en un material excelente para la fabricación de componentes electrónicos.

Después de calentarlo a temperaturas muy altas, el silicio se vierte en moldes cilíndricos que, al solidificarse, se cortan en placas circulares muy finas, más cercanas al estándar que llamamos oblea.

“Para nosotros, para fabricar un procesador, comenzamos con arena. Puede parecer extraño al principio, pero la arena es esencialmente silicio, desde un punto de vista químico. El silicio es el principal semiconductor, tiene muy buenas propiedades y es muy abundante. La arena es un material relativamente barato y tiene propiedades interesantes, por lo que acaba siendo muy útil”.

El siguiente paso es relativamente más complejo e implica varios pasos paralelos en los que los chips se diseñan de forma eficaz. Según Yuri, como trabajamos con circuitos microscópicos, en la escala de nanómetros -una millonésima de milímetro-, sería inviable crear cada transistor individualmente.

Por este motivo, los fabricantes de chips desarrollan los diseños de cada chip de forma totalmente digital y crean moldes en las mismas proporciones que las placas de silicio con cientos de chips idénticos colocados uno al lado del otro y distribuidos por toda la superficie de este “sello”.

“Esta arena se derrite, se enfría y formará un sólido. Este sólido se corta en varias 'obleas circulares', de ahí el nombre de oblea. Esta oblea se coloca dentro de un tipo de caja que Intel llama FOUP, Front Opening Unified Pod. Dentro de las fábricas de Intel, estas cajas pasarán por una serie de equipos, en una serie de pasos muy complejos para que esta oblea deje de ser simplemente un trozo de silicio y convertirse, de hecho, en un circuito electrónico".

El siguiente paso es posiblemente el más delicado de todo el proceso de fabricación de semiconductores, ya que estos moldes se transfieren a obleas de silicio mediante tecnologías de impresión ultravioleta. El resultado son los famosos semiconductores “wafers” u “wafers”, que reciben su nombre de su forma circular con muchos “cuadrados”, cada uno de los cuales es un chip individual.

"Una de las principales etapas de este proceso es la fotolitografía, que esencialmente es una luz ultravioleta, de una determinada longitud de onda y frecuencia, que paso a través de una máscara. Esta grabará un diseño en esta oblea, y cuanto mejor sea mi tecnología, esta ultravioleta haz, mejor será la calidad de mi procesador".

¿Por qué no todos los chips son útiles?

Al tratarse de dimensiones extremadamente pequeñas en una impresión basada en haces de luz de muy alta frecuencia, las variables que pueden provocar fallos son diversas, desde la temperatura ambiente, interferencias de iluminación exterior, vibraciones, etc.

Cabe mencionar que en todo proyecto de ingeniería se prevén fallas, y por ello algunas estrategias permiten superar posibles problemas. Al tratarse de “interruptores” para liberar o bloquear el paso de corriente, es posible que, aunque algunos de ellos no estén impresos correctamente, el chip final aún pueda funcionar, aunque no en sus condiciones óptimas.

“Todo el proceso de fabricación en masa, y no sólo los semiconductores, tendrá que pasar por un proceso de control de calidad, porque es inevitable, algunas unidades presentarán defectos. Entonces tengo un pequeño desajuste de una máquina, una pequeña imperfección, una pequeña impureza que actuó en ese momento particular. Por lo tanto, al final no todos los chips se pueden utilizar debido a este tipo de defectos, que se esperan en un cierto porcentaje, especialmente cuando hablamos de transistores con dimensiones nanométricas, por lo que cualquier defecto acaba teniendo un impacto importante".

Por otro lado, si los circuitos comprometidos son cruciales para ese chip, ese chip debe descartarse, lo que podría afectar la viabilidad comercial de ese producto.

¿Cómo afecta la tasa de utilización al costo de los chips?

Por este motivo, la etapa de control de calidad de los chips es fundamental, ya que los fabricantes definen qué chips son completamente inutilizables, cuáles pueden funcionar al límite máximo del diseño original, además de los diferentes niveles de rendimiento posibles entre estos dos extremos.

Mismo proyecto, amplio portafolio

Esto significa que el diseño de un procesador Intel Core de 14.ª generación, Raptor Lake Refresh, por ejemplo, es exactamente el mismo para todos los productos de la serie, desde Core i3 hasta Core i9. Dentro de los segmentos todavía hay subdivisiones, basadas también en la tasa de fallo de la oblea, representada por las letras al final del modelo, como Core i9-14900T, i9-14900K o i9-14900KF.

“Según donde actúe un defecto [na minha linha de produção], el chip quedará completamente inutilizable, pero, dependiendo del componente, aún puedo usarlo. No necesariamente el mayor rendimiento, pero sí un poco más de entrada en el chip, sin ningún daño para el usuario. Dónde [no wafer] ¿Podría haber más defectos? No hay correlación, no existe una 'zona óptima' donde se produzcan menos defectos; pueden ocurrir en cualquier parte de la oblea por varias razones”.

De esta forma, el precio final del chip RLR se basa en los costes que implica fabricar el tope de gama, abaratando el resto de segmentos según su rendimiento límite teórico.

“Para mí, para hacer viable cualquier tipo de producto, necesito tener una economía de escala, necesita tener un volumen, necesito pensar en las tasas de defectos que tendré en mi fabricación. Lo que es más inteligente, hacer un proyecto individual para mi chip de gama alta, otro proyecto totalmente diferente para mi chip de gama media, y un tercer proyecto para mi chip de gama baja, sabiendo que si tengo algún defecto en alguno de ellos, ¿lo tendré? ¿Hay que descartar el chip? Puedo hacer un proyecto para mi chip de alta gama y dejar dentro de ese proyecto una cierta tolerancia del siguiente tipo: si hay un defecto que afecta a 2 colores, por ejemplo, todavía puedo usar ese chip, simplemente no sirve. Será la gama alta, será la media o la de entrada. Preparo mi proceso para esto, en lugar de tener que descartar todos los chips defectuosos, es posible que solo necesite descartar el 20%. El otro 80% lo puedo usar en productos con un poco más de insumo, por lo que este proceso es muy importante para permitir economías de escala y poder entregar buenos productos con un alto nivel de calidad, pero a un costo menor para mis clientes. cliente final. "

¿Cómo mejorar la tasa de utilización de las obleas?

Algo que es muy importante aclarar es que cada oblea de silicio sólo contiene chips idénticos. Durante años, esto no supuso mucha diferencia, ya que los chips eran monolíticos, con todos los componentes de ese procesador impresos en el mismo molde.

Arquitectura desagregada

Con la llegada de los procesos de envasado avanzados, con varios chiplets combinados en un mismo procesador, se necesita un molde para cada uno de estos chips. En otras palabras, los nuevos procesadores Intel Core Ultra se fabrican utilizando varias obleas diferentes: una para la CPU, otra para la Intel Arc iGPU, otra para la NPU, y así sucesivamente para cada componente modular.

“Una vez que tengo una arquitectura desagregada, a diferencia del chip monolítico anterior, donde tenía que producir chips completos en la misma litografía, puedo producir partes del chip en diferentes litografías. Esto significa que todo mi procesador no necesita incurrir en este mayor costo de fabricación”.

Esta es una de las primeras estrategias para mejorar la tasa de utilización, no necesariamente de cada oblea, sino de una línea de productos. Esto se debe a que los distintos chiplets no necesariamente utilizan la misma litografía precisamente porque esta obligación no existe.

Diferentes litografías para diferentes componentes.

Trabajar con chips modulares permite fabricar tabletas específicas en litografías más “maduras”, en las que el uso ya es mucho mayor. Las nuevas litografías, más pequeñas, con menos tiempo de prueba, investigación y evolución, son más caras y se utilizan sólo en componentes que requieren esa tecnología.

“Puede ser que solo la parte del chip de la CPU necesite una litografía más avanzada, pero el chip de E/S se puede fabricar con una litografía más madura, o la GPU con una litografía ligeramente diferente. De esta manera, puedo equilibrar los costos de fabricación y, al mismo tiempo, puedo realizar mi litografía correctamente según el enfoque de uso”.

Con ello, se fabricará un mismo procesador combinando chips de diferentes obleas, fabricados con tecnologías con diferentes usos, diluyendo radicalmente las pérdidas. Otra forma de mejorar la utilización es invertir en equipos más precisos, con mejores lentes, tecnologías de irradiación más avanzadas, etc.

Actualmente, la mayoría de empresas ya están utilizando equipos con tecnología Ultravioleta Extrema (EUV), y el siguiente paso en la escala es pasar a High-NA EUV, con lentes con mayor apertura numérica.

En resumen, cada salto tecnológico en el desarrollo de la informática implicará potencialmente el volumen esperado de fallos para una oblea, pero esto sólo es un problema real cuando estos fallos son tan graves que la mayoría de los chips quedan completamente inutilizables.

En este aspecto, la carrera por miniaturizar rápidamente los semiconductores acaba siendo un factor perjudicial para los fabricantes. Adoptar nuevas tecnologías para reducir la escala de componentes sin tiempo suficiente para madurar ese proceso a menudo se convierte en una apuesta a que en la siguiente etapa las tarifas iniciales serán mejores para compensar los costos de inversión, lo que no siempre sucede.