Las CPU y GPU de gama alta, ¿son realmente más caras de fabricar que las de gama baja?

Estamos totalmente acostumbrados al hecho de que una GPU o CPU cuanto más rápida sea más cara va a costar. Pero desde el punto de vista de los costes para el fabricante, ¿esto es realmente así? es decir, ¿tiene un coste mayor un procesador o tarjeta gráfica de gama alta frente a uno de gama baja? Vamos a intentar poner luz a un asunto complejo donde existen diferentes verdades.

Es un asunto realmente complicado que requiere un estudio profundo en lo referente a la disparidad que se ofrece entre GPU y CPU. Teniendo en cuenta los distintos procesos litográficos que se usan y las necesidades y arquitecturas para unos y otros, hay que tener en cuenta que gran parte del costo deriva precisamente en el tamaño y el tipo de oblea.

El tamaño de la oblea y el chip son determinantes

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Aun con todas las diferencias que tienen procesadores y tarjetas gráficas, hay algo que les une desde hace años: usan el mismo tamaño de oblea y el precio por chip viene determinado por el tamaño de estos.

Actualmente y desde el año 2002 aproximadamente, el tamaño de las obleas preferido por los fabricantes (Intel, NVIDIA, AMD principalmente) es de 300 mm, es decir, 12 pulgadas. Hasta dicho año, se habían estado utilizando obleas de 200 mm, pero si miramos al inicio de los tiempos del silicio, veremos que hemos pasado por distintas etapas en el proceso desde 1960 con las obleas de 23 mm.

¿Por qué es importante tener en cuenta esta perspectiva? Porque una oblea más grande implica mayores beneficios si la tasa de éxito de los chips es igual o superior al tamaño de la oblea a la que precede. Esto implica que una oblea debe estar bien fabricada para albergar procesos litográficos cada vez de menor tamaño, lo cual implica distintos grosores para albergar mayor tensión o deformación.

El diseño del tamaño de una oblea para la industria cuesta miles de millones de dólares durante muchos años de desarrollo, por lo cual es un salto lento y seguro que pone en jaque a toda la industria. El salto de 200 mm a 300 mm costó 10 mil millones y el salto para dentro de 5 años a los 450 mm que están en desarrollo se estima que tendrá un coste total de entre 25 a 40 mil millones de dólares, de ahí que la rentabilidad de los chips sea tan importante para fundiciones y fabricantes.

El riesgo de no retorno a la inversión está más presente que nunca

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Como hemos dicho, el tamaño es la clave para las obleas y vuelve a serlo para los chips. Un chip de gama alta normalmente incluye una cantidad de transistores mucho más alta que el resto de la gama que le sigue hacia abajo. Por lo tanto, una mayor cantidad de transistores implica un mayor espacio físico en la oblea gastado por cada chip, ergo implica un menor número de chips por oblea totales.

Suponiendo que la tasa de éxito supera el 70% de chips válidos cómodamente, el coste de la oblea será seguramente rentable para el fabricante de dicho chip a la hora de comercializar su producto para el mercado común o de servidor.

Pero los fabricantes deben calcular dichas ventas en función del precio final del producto y de la demanda, por lo que encargar obleas tal y como está el mercado es una jugada de riesgo, sobre todo vistas las tasas de éxito antes de la llegada de EUV. Por ello, las tres grandes trazaron hace tiempo una estrategia a seguir: maximizar el número de chips sin importar el éxito de la oblea mediante diferentes matrices.

Esto implica que en la grabación de la oblea se procederá a usar una matriz específica que albergará varios chips distintos para el mercado, donde el corte para unos y para otros dependerá de su tasa de éxito, siempre en referente al chip con características completas.

Es decir, si un chip en concreto no cumple con lo establecido para la gama más alta, pasará a una gama inferior con menores prestaciones, ya sea velocidad, núcleos, caché o parámetros de la arquitectura como iGPU o controladores de memoria. Esto solo se cumple hasta cierto punto, ya que si las características difieren demasiado es más rentable crear otra matriz más pequeña y maximizar el número de chips con éxito por oblea.

Un chip más pequeño es más rentable, ya que se crean muchos más y la tasa de éxito lógicamente sube porcentualmente.

¿Cuesta realmente más la gama alta que la gama baja en cuanto a sus chips se refiere?

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La realidad es que sí, y según se avanza en arquitecturas la brecha se acrecienta precisamente porque los procesos litográficos han estado en stand by algún tiempo.

La llegada de EUV a las grandes fundiciones y empresas supone un alivio momentáneo que debería simplificar y abaratar los costes de producción por oblea y chip, ya que se necesitan muchos menos patrones por grabación, la tasa de éxito por chip será más alta y con ello la productividad por oblea rentará mucho más a los fabricantes.

Esto no tiene por qué verse reflejado en el precio final de los procesadores y tarjetas gráficas, ya que la inversión en I+D o el salto de rendimiento pueden hacer que el precio final para el consumidor se mantenga.

Lo que está claro es que un chip de gama alta, sea CPU o GPU, por puro espacio físico en la oblea, costará más caro que uno de gama baja, a veces por una cantidad desproporcionada entre ellos. Otro tema será si, efectivamente, este coste está justificado en una y otra gama como un producto final, donde ahí entran otros factores diferenciadores que tendrían que tenerse en cuenta.