¿Por qué Intel, IBM y Samsung adelantarán a TSMC en transistores GAA?

La tecnología actual para los procesadores y tarjetas gráficas, así como casi para cualquier chip, está en el momento más álgido en cuanto a innovación. Cada vez se tiene que emplear más dinero, más tiempo y más ingenieros para poder solventar los problemas que van surgiendo al reducir la escala nanométrica para añadir cada vez más transistores. En esta carrera TSMC ha apostado por un modelo complicado, que les dejará por un lado por delante temporalmente, mientras que al final irán por detrás en evolución. ¿Por qué no usan ya transistores GAA?

Estamos inmersos en un cambio generacional que llevará a la industria de los semiconductores a una nueva época. FinFET como tecnología va a decirnos adiós y llegará para sustituirla la tecnología GAA, pero los caminos en las tres principales compañías para dar vida a sus nuevas obleas son totalmente distintos y donde unos llevan ventaja ahora, luego y al parecer, se tornará en un problema.

El número de fábricas que pueden trabajar con GAA es muy reducido

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Aunque parezca mentira, el mundo de los semiconductores es cada vez más exclusivo. No hay músculo financiero para soportar todo el desembolso que se tiene que hacer para llevar a cabo un nuevo nodo, unas nuevas obleas.

Para poner todo en contexto, la nueva FAB de TSMC para obleas de 300 mm que alberga los procesos presentes y futuros de EUV costó la friolera de 20.000.000.000 de dólares, es decir, veinte mil millones de dólares, casi nada … Eso solo en la planta, ahora hay que añadirle todo el I+D, sueldos y derivados para hacerlo posible, y no hablemos de hacerlo rentable porque si no se nos escapa la risa floja.

¿Merece la pena pasar de FinFET a GAA? No se trata de querer o no querer, ni siquiera de poder o no poder, se trata de la necesidad de avanzar si quieres seguir en el mercado. El problema es que el coste total de cada proceso litográfico avanza y escala demasiado rápido, por lo que la cadencia de lanzar más mejoras o nuevos nodos se ha ralentizado para conseguir ser rentables.

El problema es que estamos casi en el límite físico que determina cuando se necesita un cambio de estructura en los transistores, porque los 5 nm de TSMC con EUV están cerca del mismo, y sus 3 nm serán los últimos con este tipo de transistores, puesto que no hay más margen de mejora posible.

¿Por qué no es posible mejorar los FinFET y cuáles son sus fortalezas?

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El concepto es simple: fugas de energía, el cual va relacionado con la potencia y el rendimiento de cada nodo. Y es que antes los saltos eran enormes de una generación a otra y de un nodo a otro, pero como estamos viendo últimamente, esto se ha frenado y ahora las mejoras rondan el 10-15% tanto en rendimiento como en energía ahorrada a misma densidad.

El problema para no poder mejorar esta tecnología de transistores es el llamado CPP o Contacted Poly Pitch, el cual mide la distancia desde la puerta del transistor hasta el contacto con la puerta del dispositivo adyacente, que normalmente es otro transistor. En cambio, los transistores Gate-All-Around, o GAA, son una estructura modificada donde la puerta contacta con el canal desde todos los lados y permite un escalado vertical y continuo. Esto proporciona un control del canal y de su energía mucho mejor frente a FinFET, dejando a este obsoleto.

Además, GAA tiene más ventajas sobre FinFET, ya que este cuantifica el ancho del transistor como tal para realizar ciertas valoraciones. Sin embargo, en GAA NanoSheet los fabricantes tienen la capacidad de variar el ancho de la hoja del transistor, es decir, si el fabricante decide crear un transistor con una hoja más grande, tendrá más corriente y rendimiento general, en el caso contrario es al revés, pero también se ocupa un área más pequeña.

Intel y Samsung ya trabajan en esta tecnología, la cual debería estar lista para el año 2023 como mucho, mientras que TSMC se va a quedar con FinFET hasta los 3 nm,  momento en el que dará el salto, pero para entonces y si se equivocan, podría ser demasiado tarde con ellos.