¿Cuánto le cuesta a Intel, TSMC o Samsung fabricar CPU y memorias RAM?

A diario utilizamos hardware informático, ya sea en el ordenador del trabajo, en la consola de videojuegos, el móvil, incluso el televisor en tú hogar. Pero, ¿te has preguntado alguna vez cuál es el coste de fabricación de los chips más avanzados? Os lo explicamos.

El coste de fabricación es uno de los factores más importantes a la hora no solo de diseñar la siguiente tarjeta gráfica, CPU o incluso un sistema completo, sino también a la hora de escoger proveedores de cara a llegar a ciertas especificaciones y volumen de producción.

El coste de las obleas

Coste Diseño Chips

El primer punto es el coste de las obleas, sobre las cuales se imprime la circuitería de varios chips iguales, para que luego los láseres recorten los diferentes chips. Pero, ¿Cuánto cuesta una oblea? Es difícil decirlo, ya que no solo depende de los materiales de la oblea, sino que trae consigo una serie de costes indirectos añadidos. Entre los que se incluyen los siguientes:

  • El coste de despliegue de un nuevo nodo de fabricación que supone montar literalmente una fábrica entera.
  • La tasa impositiva del país donde está situada la fábrica o fundición ,
  • El coste energético de mantener la fábrica funcionando
  • El salario de los trabajadores, el cual suele ser alto, ya que se requiere una alta cualificación.
  • La investigación y desarrollo de nuevos nodos.

Con cada nuevo nodo, el coste va aumentando, lo cual era se podía ignorar gracias a la Ley de Moore, pero en los últimos nodos dicha ley se está cumpliendo más lentamente y el coste por mm2 de cada una de las obleas ha aumentado. Por lo que si comparamos en igualdad de área los nuevos nodos con los anteriores veremos un aumento del precio. Eso sí, hay que aclarar que un nuevo nodo de fabricación supone siempre un aumento de los transistores por área.

El coste del chip

Oblea Coste Chips

En términos simples, el coste del chip dependerá siempre de la cantidad de chips completos que se puedan imprimir en una oblea, la cual siempre tiene forma circular. Pensad en la oblea como una especie de masa para pastelería o panadería a la que a través de un molde vamos sacando trozos para hornear.

Para ello lo primero que necesitamos conocer es el área de la oblea, nos dan siempre el diámetro que suele ser de 300 mm que se traduce en un radio de 150 mm, y dado que la fórmula para el área de una circunfería es π*R^2, donde π como sabréis es 3,1459. Haciendo el cálculo rápido tenemos que el área en mm^2 de la oblea es de 70.685,83 mm^2. ¿La cantidad de chips que caben por oblea? Solo tenemos que dividir el área de la oblea por el área de cada chip para saber cuántos chips podemos obtener por oblea.

Pero realmente esto es ignorando la tasa de defectos, lo cual se traduce en una tasa de defectos por mm^2, lo que

¿Qué son los yields a la hora de fabricar un procesador?

Tasa de defectos densidad

Muchas veces hemos oído el término yields en las noticias, el cual se suele utilizar de cara a la eficiencia a la hora de fabricar un chip. Pues bien, los yields están relacionados con lo que llamamos la tasa de defectos por mm^2. La cual se traduce en que cuanto más grande es el chip más porcentaje de que salga defectuoso y tenga que ser descartado por no ser válido para la comercialización.

La tasa de defectos por mm^2 es la que lleva a que cuanto más grande es un chip menos yields se sacan de la oblea, ya que hay más oportunidades de que un defecto en la oblea toque una parte crucial del chip. Para calcular los yields utilizamos la fórmula de Bose-Einstein:

Yields = 1/(1+(tasa de defectos por área * área del chjp/2)^N)

En el que N es factor de complejidad de fabricación, el cual mide el nivel de madurez del nodo de fabricación, ya que cada uno de ellos puede tener varias generaciones que se consiguen puliendo los procesos de fabricación para obtener un mayor rendimiento, lo que se traduce en mayor cantidad de chips.

Coste de los chips teniendo en cuenta los yields

Obleas Coste hardware

Una vez que conocemos los yields, y por tanto la eficiencia de la fundición a la hora de fabricar el chip, ya podemos saber su coste a través de la siguiente fórmula:

Coste por Chip = Coste por Oblea / Número de chips por oblea * yields.

Pero con ello no hemos terminado, ya que el chip necesita ser encapsulado para que pueda ser montado en el socket de una placa base o en una tarjeta gráfica.

Coste del encapsulado del hardware

Server CPU

El siguiente punto es el de encapsular el chip, esto significa montarlo sobre un interposer en solitario si hablamos de un chip monolítico o con varios chips si hablamos de un MCM.

Hay diferentes tipos de encapsulados con diferentes materiales para mercados distintos y por tanto con precios diferentes que afectarán a su coste final. Todos ellos están pensados para proteger el chip de diferentes inclemencias y en algunos casos concretos se suelen utilizar encapsulados especiales, como es el caso de los ordenadores a bordo de las sondas espaciales que tienen que estar preparados para aguantar la radiación espacial.

En la actualidad, el coste del encapsulado es algo que al igual que la tasa de defectos y la eficiencia del proceso de fabricación no suelen revelar las diferentes fábricas de procesadores al público.

Yields paramétricos y su influencia en el coste del hardware

CPU NPU Render

El último punto son los llamados yields paramétricos, estos no dependen de la tasa de defectos del proceso de fabricación, sino que dependen de elementos como la velocidad de reloj, el voltaje. Por ejemplo puede ser que necesitemos fabricar una GPU para una tarjeta gráfica cuyas especificaciones en calor y consumo energético ya están cerradas y en producción, esto significaría que cualquier chip funcional que no cumpliese esos parámetros no podría ser colocado en la placa de dicha tarjeta gráfica y por tanto se han de descartar o buscarles otra salida.

Los Yields paramétricos no se suelen tener en el coste final de un chip y la mayoría de fabricantes de hardware reciclan en nuevos productos los chips previamente descartados.

Coste final de los chips en el hardware

CPU ? Interrogante

El coste final viene definido por la siguiente formula:

Coste del circuito integrado = (Coste final del Chip + Coste del Encapsulado + Coste de los test de calidad).

Todo chip que no supere los test de calidad y que sea descartado afectará al coste de los que sí que acaben siendo comercializados, a no ser que se le pueda dar una salida en otro producto. Por lo que dependiendo de cuál sea la aplicación a la que se dirija el chip el descarte de chips durante el proceso de calidad puede aumentar en mayor o menor medida el coste del hardware final.