En septiembre de 2022 tuve la oportunidad de visitar la fábrica de semiconductores que tiene Intel en Kiryat Gat (Israel). En aquel momento en esa planta se estaban fabricando las obleas de procesadores 'Raptor Lake' que desembarcaron pocas semanas después en las tiendas. Fue una experiencia muy interesante desde un punto de vista técnico porque me permitió constatar la complejidad que conlleva la fabricación de las obleas, aunque lo que más me impactó fue ser testigo de la extrema sofisticación que tienen los equipos de litografía que producen ASML y Tokyo Electron.
En cualquier caso, lo que pude ver en Israel es solo una parte del proceso. La planta de Kiryat Gat fabrica obleas, pero una vez que se han producido es imprescindible acometer muchos otros procesos que también son muy avanzados y sin los que los procesadores de Intel no llegarían a nuestros ordenadores. Esto es justo lo que he podido presenciar hace apenas una semana en las plantas de semiconductores que tiene Intel en Penang y Kulim, dos exóticas y bonitas ciudades de Malasia. En este artículo os proponemos indagar en todo lo que sucede desde que las obleas están preparadas hasta que los procesadores están listos para ser instalados en nuestros PC.
Malasia tiene un rol esencial en la infraestructura de chips global de Intel
La diapositiva que podéis ver debajo de estas líneas muestra la estructura que tiene actualmente la red global de fabricación de circuitos integrados de Intel. Las plantas en las que esta compañía fabrica obleas residen en EEUU (Oregon, Arizona y Ohio), Israel e Irlanda, aunque está proyectada una más que estará ubicada en Alemania (Magdeburgo). Estas instalaciones reciben los cilindros de silicio de altísima pureza que necesitan para llevar a cabo su labor y entregan las obleas que contienen los chips que irán a parar a nuestros ordenadores una vez que hayan superado los procesos en los que vamos a indagar en este artículo.
Buena parte de las plantas de chips que tiene proyectadas Intel residirán en Europa
Las instalaciones equipadas con las tecnologías de empaquetado avanzado están alojadas en EEUU (Nuevo México) y Malasia (Penang). Y, por último, las plantas de ensamblaje y verificación residen en Costa Rica, China (Chengdú), Vietnam y Malasia (Kulim). Próximamente Intel construirá una fábrica más de este tipo en Polonia. Resulta curioso comprobar que buena parte de las plantas que tiene proyectadas esta compañía residirán en Europa, aunque tiene sentido debido a que Intel quiere reforzar su presencia en el Viejo Continente como parte de su estrategia IDM 2.0 (Integrated Device Manufacturing). Aunque no aparece en la imagen, también está poniendo a punto una fábrica más en Israel (Kiryat Gat).
La siguiente diapositiva describe con claridad el plan de Intel para lo que queda de 2023 y 2024. Antes de que concluya este año planea tener su nodo Intel 3 listo para la fabricación de chips. Durante la primera mitad de 2024 prevé tener preparado el nodo Intel 20A, y a lo largo del segundo semestre de 2024 promete estar preparada para fabricar circuitos integrados en el nodo 18A.
Esta estrategia representa un desarrollo tecnológico de nada menos que 5 nodos en tan solo 4 años. Puede parecer un plan excesivamente optimista, pero tenemos una pista que nos invita a tomárnoslo en serio más allá de lo que nos dice Intel: ASML va a entregar a uno de sus clientes su primer equipo de litografía UVE de alta apertura (High-NA) antes de que finalice este año, y es muy probable que ese cliente sea Intel.
Las fábricas de Intel en Malasia, al descubierto
Durante mi visita al campus de Intel en Kulim pude explorar dos instalaciones diferentes. Una de ellas se llama KMDSDP (Kulim Die Sort Die Prep), y la otra SIMS (System Integration and Manufacturing Services). La primera se responsabiliza del procesado de las obleas de 300 mm que recibe de otras fábricas de Intel, como la de Kiryat Gat (Israel), con el propósito de extraer cada uno de los chips de la oblea para que pueda ser posteriormente verificado y empaquetado. Esta planta también se encarga de evaluar la calidad y el rendimiento de cada procesador.
SIMS se responsabiliza de diseñar y fabricar los equipos de test y las placas de verificación de chips utilizadas por Intel en todas sus fábricas
Por otro lado, la planta conocida como SIMS se responsabiliza de diseñar y fabricar los equipos de test y las placas de verificación de chips utilizadas por Intel en todas sus fábricas (no solo en las de Malasia). Todas las máquinas de comprobación en las que vamos a indagar a continuación han sido ideadas por los ingenieros de Intel que trabajan en SIMS, por lo que no están disponibles para otros fabricantes de semiconductores. Un apunte más: el transporte de las obleas dentro de las plantas se lleva a cabo de una forma completamente automatizada. En la siguiente fotografía podemos ver uno de los robots equipados con un brazo que se encargan de desplazarlas de un punto a otro de cada fábrica.
Uno de los procesos más delicados que lleva a cabo la planta KMDSDP del campus de Kulim consiste, como he mencionado más arriba, en el procesado de las obleas de 300 mm para extraer cada uno de los núcleos que contienen. Curiosamente en este proceso intervienen tanto técnicas de corte láser como procedimientos de corte mecánico, aunque es imprescindible acometer todos ellos con una precisión extrema.
Uno de los técnicos de Intel me confirmó que la precisión de las máquinas que llevan a cabo el corte de las obleas es de unas pocas micras. Una vez que los chips han sido extraídos se fijan a unas bobinas similares a las antiguas películas de celuloide para ser analizados meticulosamente.
Las máquinas de la planta KMDSDP que podemos ver en la siguiente fotografía han sido diseñadas y fabricadas por los ingenieros de SIMS, y su cometido es verificar la integridad eléctrica y estructural de los chips una vez que han sido extraídos de las obleas. Estos equipos se distribuyen en grupos de 20 máquinas y han sido ideados para identificar el más mínimo defecto estructural, deficiencia en el ámbito de la fiabilidad o irregularidad en el rendimiento de los procesadores.
Los chips que superan esta prueba se envían a la planta de ensamblaje y test para ser colocados sobre el sustrato y empaquetados. En esta fase cada núcleo se sella sobre el sustrato y se le adosa un disipador térmico conocido en inglés como IHS (Integrated Heat Spreader) que reparte la presión de manera uniforme y contribuye a la disipación óptima de la energía térmica residual de la CPU.
Uno de los equipos de análisis fabricados por los técnicos de SIMS se conoce como analizador HDBI (High Density Burn-In), y su función es someter a los procesadores a pruebas de estrés máximo en condiciones de alta temperatura y alto voltaje. Estas condiciones de trabajo son más exigentes que aquellas con las que se van a encontrar las CPU en un escenario de uso real, por intenso que sea.
Otro de los equipos de test que diseñan y fabrican los técnicos de la planta SIMS se llama analizador HDMT (High Density Modular Tester), y su función es poner a prueba los procesadores en las fábricas y los laboratorios de Intel durante la fase de desarrollo de nuevos productos o en la fase previa a la producción a gran escala de un determinado tipo de CPU. La placa base para test que podéis ver en la siguiente fotografía me llamó la atención por su tamaño, y, sobre todo, por su grosor. Cada una de estas placas permite poner a prueba varios procesadores simultáneamente en condiciones de trabajo extremadamente rigurosas.
Además de comprobar la integridad a nivel eléctrico de cada CPU las máquinas de verificación de Intel someten a todos y cada uno de sus subsistemas a un estrés muy intenso para determinar si todos los núcleos funcionan correctamente, si las cachés tienen el rendimiento esperado, si la lógica gráfica lleva a cabo su función de la forma adecuada, etc. En definitiva, la batería de tests diseñada por los ingenieros de las plantas de Kulim y Penang persigue garantizar que todos los procesadores que salen de las fábricas de Intel funcionan correctamente.
La última prueba de calidad a la que Intel somete cada procesador antes de que salga de sus fábricas se llama SLT (System Level Test), y emula un escenario de uso real parecido al que cualquiera de nosotros define en su día a día. Los técnicos de Intel ejecutan todo tipo de aplicaciones sobre múltiples sistemas operativos y juegos para cerciorarse de que cada CPU rinde adecuadamente en los escenarios de uso a los que va a tener que enfrentarse fuera de las fábricas. La mayor parte de estos procesos está automatizada, aunque algunos de ellos requieren cierta intervención de los operarios.
Imágenes: Intel
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