La carrera hacia los 2 nm es crucial para el siguiente salto de los chips: NVIDIA, ASML y TSMC ya trabajan juntas en ella

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La batalla de los 3 nm es actualmente patrimonio solo de dos empresas. La taiwanesa TSMC inició la fabricación a gran escala de circuitos integrados utilizando su litografía de 3 nm a finales de diciembre de 2022, y Samsung puso en marcha la producción inicial de chips empleando su tecnología de integración GAAFET de 3 nm a finales de junio de 2022.

Intel está aún a mucha distancia de estas compañías en este ámbito, aunque hace apenas dos semanas Wang Rui, que es la presidenta de la filial de Intel en China, confirmó que ya han completado el desarrollo tecnológico de sus litografías de 1,8 y 2 nm. Así están las cosas ahora mismo, pero la industria de los semiconductores no descansa. Y es que ya sabemos oficialmente algo que podíamos intuir: el desarrollo tecnológico de la litografía de 2 nm ya ha empezado.

No obstante, no lo ha confirmado ni ASML ni TSMC, que, como todos sabemos, son dos compañías con un papel protagonista en esta industria; lo ha anticipado Jensen Huang, el director general de NVIDIA, en la conferencia que ha pronunciado hace apenas unas horas durante la apertura de la GTC 2023, su evento anual para desarrolladores. El rol de ASML y TSMC lo conocemos, pero el papel de NVIDIA en la producción de chips de alta integración es mucho menos conocido, y también es importante.

TSMC está recorriendo el camino de los 2 nm de la mano de ASML y NVIDIA

Actualmente la única compañía que es capaz de fabricar equipos de fotolitografía de ultravioleta extremo (UVE) es ASML. Cada una de estas máquinas contiene más de 100.000 piezas, 3.000 cables, 40.000 pernos y nada menos que dos kilómetros de conexiones eléctricas. Su complejidad es extraordinaria, y ahora mismo podemos encontrar estos carísimos equipos (cada uno de ellos cuesta 140 millones de euros) en algunas de las plantas de fabricación de semiconductores de TSMC, Intel y Samsung.

La ecuación de Rayleigh aglutina los parámetros que condicionan el desarrollo de la tecnología de integración

No obstante, esta compañía de Países Bajos no se dedica solo a fabricar los equipos de fotolitografía; también desarrolla el software que se responsabiliza de dirigir y supervisar el correcto funcionamiento de cada una de estas máquinas. De hecho, el software es, precisamente, un ingrediente fundamental de la receta que hace posible la producción de chips de alta integración. Y no solo es esencial debido a su importancia a la hora de actuar sobre el funcionamiento de los equipos de litografía; también es crucial por su papel en la superación de los desafíos que impone la tecnología del silicio.

Los ingenieros de ASML tienen una biblia: el criterio de Rayleigh. Detrás de este nombre tan rimbombante se agazapa una ecuación en la que intervienen los parámetros que condicionan el desarrollo de la tecnología de integración. Este es el aspecto que tiene esta fórmula, y, aunque parece complicada, en realidad no lo es tanto:

Rayleigh

El término 'CD' procede de la expresión inglesa critical dimension, e identifica en qué medida es posible miniaturizar los componentes que conforman un circuito integrado. Este es el parámetro que los fabricantes de semiconductores quieren reducir a toda costa. De hecho, todos ellos, y en especial ASML, dedican una cantidad ingente de recursos al desarrollo de las tecnologías que permiten refinar la dimensión crítica, lo que nos invita a echar un vistazo a la expresión que tenemos en la parte derecha de la igualdad matemática.

Los fabricantes de semiconductores dedican una cantidad ingente de recursos al desarrollo de las tecnologías que permiten refinar la dimensión crítica

El factor 'k₁' es un coeficiente que está delimitado por los parámetros físicos que condicionan el proceso de fabricación de semiconductores. Lo que nos interesa tener en cuenta es que el límite físico que impone la fotolitografía del silicio es 'k₁ = 0,25', por lo que, como podemos intuir, los fabricantes hacen todo lo que está en su mano para refinar su tecnología y aproximar este coeficiente tanto como sea posible a este valor límite.

El siguiente parámetro, identificado por la letra griega lambda ('λ'), nos indica cuál es la longitud de onda de la luz utilizada en el proceso de fabricación de los semiconductores. Uno de los desafíos más importantes a los que se enfrentan las compañías de las que estamos hablando consiste, precisamente, en reducir la longitud de onda de la luz para, así, incrementar la resolución del proceso fotolitográfico.

Y el último ingrediente de la receta en el que nos interesa indagar es el parámetro 'NA' (numerical aperture), que identifica el valor de apertura de la óptica utilizada por el equipo litográfico. En este contexto este parámetro refleja esencialmente lo mismo que el valor de apertura cuando hablamos de la óptica de una cámara de fotos, por lo que condiciona la cantidad de luz que los elementos ópticos son capaces de recoger. Como podemos intuir, cuanta más luz recaben, mejor.

Casi sin darnos cuenta nos hemos metido de lleno en el terreno de la litografía computacional, una disciplina que podemos describir como el conjunto de cálculos matemáticos, procedimientos y algoritmos que ayudan a los ingenieros de ASML, TSMC y otras compañías de la industria de los semiconductores a refinar la resolución efectiva de los equipos de litografía con los que trabajan actuando en esencia sobre la dimensión crítica. Este es, precisamente, el terreno en el que NVIDIA tiene mucho que decir.

NVIDIA trabaja con ASML y TSMC en el desarrollo de la base tecnológica que hará posible la producción de chips de 2 nm

Y es que la compañía que lidera Jensen Huang desarrolla las GPU con arquitectura Hopper y las bibliotecas de software cuLitho utilizadas por los fabricantes de chips para optimizar sus tecnologías de integración. La litografía computacional ha jugado un papel fundamental desde que se produjo la introducción de la tecnología de 22 nm, y a medida que nos acercamos a los límites físicos que impone la tecnología del silicio su rol es si cabe todavía más importante.

Como he mencionado en las primeras líneas de este artículo, Jensen Huang ha confirmado que NVIDIA está trabajando codo con codo con ASML y TSMC en el desarrollo de la base tecnológica que hará posible a corto plazo la producción de circuitos integrados de 2 nm. TSMC confirmó en junio de 2022 que su nodo N2 de 2 nm, que será el primero que utilizará los transistores nanosheet GAAFET, iniciará la fase de producción masiva de chips durante el segundo semestre de 2025. Suena bien. Tanto, de hecho, que nosotros ya estamos frotándonos las manos.

Imagen de portada: NVIDIA

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