La realidad sobre los nanómetros en procesos de fabricación de CPUs y GPUs

por Mikel Aguirre 18/10/2017 21

Prácticamente desde la invención del circuito integrado semiconductor a finales de los años 50, la informática y la tecnología giran inevitablemente en torno a la industria de los semiconductores.

Un semiconductor es un elemento capaz de cambiar su conductividad eléctrica en función de diversos factores como por ejemplo la aplicación de un campo magnético, campo eléctrico, la presión, etc. El material semiconductor más usado en el mundo tecnológico es el silicio.

Los productos semiconductores abarcan todos los procesadores, GPUs y SoCs, sean AMD, Intel, NVIDIA, Qualcomm, Mediatek, Samsung, etc. Por si esto fuera poco también los son todos los chips de algún tipo, chipsets de placas base, chips de sonido, chips controladores de ethernet, chips de memoria RAM, los chips NAND de los SSD, centralitas de los coches, TVs, equipos de música y hoy en día, gracias al Internet del as cosas, hasta tu lavadora y tu tostadora es probable que tengan microchips semiconductores.

En el mundo de los semiconductores diferenciamos dos tipos de empresas:

  • Arquitectos: el que diseña el chip, su arquitectura, la distribución de los transistores, la caché necesaria, etc. Generalmente los arquitectos también son encargados de comercializarlos y desarrollarlo como solución completa con el firmware o el software que requiera. Ejemplos: AMD, NVIDIA, Qualcomm, Mediatek, etc.
  • Fundiciones: Son empresas menos conocidas responsables de fabricar los chips diseñados por los arquitectos.

Fábrica fundición de Intel

Fábrica fundición de Intel

Por poner un ejemplo, los ingenieros de NVIDIA diseñan su arquitectura Pascal para tarjetas gráficas y otros dispositivos. Su experiencia en el sector y la agudeza de sus ingenieros les permite trabajar en la arquitectura a fondo para conseguir una relación de rendimiento por vatio nunca vista en tarjetas gráficas hasta ahora. Sin embargo, los chips son fabricados por TSMC en un proceso dicen es de 16nm, cuya tecnología es propietaria de TSMC.

Esto supone que las empresas de semiconductores que no tienen fundición, es decir, la inmensa mayoría salvo casos especiales como Intel o Samsung, dependen en gran medida de las tecnologías y procesos de fabricación que les ofrece la fundición que al fin y al cabo fabrica su chip.

Volviendo al ejemplo anterior, por muy bien hecha que esté la arquitectura de NVIDIA, ésta ha sido desarrollada teniendo en cuenta las propiedades del proceso de producción a 16nm de TSMC, que juega un papel vital en el éxito de NVIDIA en la obtención de dicho rendimiento por vatio con su arquitectura.

Aunque empresas de tipo “Arquitectos” que diseñan sus propias arquitecturas hay muchas, la fabricación de los chips de todas esas empresas se reparte principalmente entre tan solo 4 grandes fundiciones a nivel mundial debido a que son los únicos fuertemente preparados tanto a nivel de tecnologías de fabricación como en capacidad de producción:

  • Intel: el gigante de los procesadores que tiene sus propias fábricas, apodado como “chipzilla”. Ahora de hecho también fabrican para terceros.
  • Global Foundries: Las antiguas fábricas de AMD que ahora pertenecen a este consorcio y sigue teniendo una estrecha relación con el mismo. Todos los procesadores de la arquitectura Zen de AMD los fabrica Global Foundries y así es también con los chips gráficos Vega.
  • TSMC: Fabricante taiwanés que fabrica todo tipo de chips para multitud de empresas como NVIDIA, Apple, Mediatek, etc.
  • Samsung: El conocido conglomerado gigante de los smartphones, fabricante de TVs y otros productos de consumo dispone también de una división con fábricas propias dedicadas a la producción de semiconductores. Producen por ejemplo los procesadores Exynos que llevan algunos smartphones Samsung, aunque también fabrican para terceros, como por ejemplo para Qualcomm.

Es importante destacar que progresar en los procesos de fabricación de semiconductores es tremendamente complejo, equiparable por ejemplo a progresar en aeronáutica. El I+D necesario para mejorar es gigante y la maquinaria e instalaciones necesarias requieren de una inversión grande y constante. Por poner un ejemplo, Intel está invirtiendo 7 mil millones de dólares en su nueva fábrica para los chips que fabriquen en un futuro basados en un proceso de fabricación de 7nm. Cada paso adelante en el proceso de fabricación puede suponer la diferencia entre estar en pérdidas o tener un negocio tremendamente lucrativo, así de competitivo y duro es el mercado.

Esto hace que tan solo estas 4 empresas gigantes y con grandes recursos sean las que consiguen hoy en día ser relevantes como fundiciones de semiconductores.

Un caso aparte a destacar es ARM, que aunque puede considerarse un arquitecto, realmente no comercializan chips. Se dedican a diseñar los chips y vender y licenciar sus arquitecturas a otros arquitectos como Qualcomm, HiSilicon de Huawei, Mediatek y otros tantos.