Estos son los tipos de obleas usadas e CPU y GPU en la historia

Estos son los tipos de obleas usadas e CPU y GPU en la historia

Javier López

Uno de los apartados cruciales para la industria de los semiconductores es sin duda el de las obleas de silicio. Un componente que da vida a los corazones de todos los dispositivos actuales y además a otros productos derivados como las memorias RAM. Los tipos de obleas han ido avanzando con el paso de los años, pero también es cierto que se han encontrado con muchos problemas. Hoy haremos un repaso sobre las que había, hay y habrá en el futuro.

No vamos a entrar en el proceso de fabricación de una oblea como tal, ya que eso daría para otro artículo aparte y además habría que generalizar mucho. Pero lo que sí diremos y definiremos es el concepto de oblea en sí mismo, ya que es importante de cara a comprender todo lo que vamos a explicar a continuación.

Una oblea, también llamada como Slice o Substrate, no es más que una capa muy fina de un material semiconductor, normalmente silicio, la cual tiene una forma circular por su proceso de fabricación y donde serán grabados los chips que más tarde darán vida a nuestras CPU o tarjetas gráficas.

Su complejidad radica en su pureza, ya que el material debe ser un 99,9999999 puro (se le conoce como 9N) y formará con ello y tras varios procesos las láminas redondas con una serie de diámetros y grosores específicos.

El tamaño y grosor de la oblea determinan el número de chips operativos

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Lo primero que tenemos que tener en cuenta es que los tamaños y grosores que vamos a especificar son genéricos, ya que cada una de las funciones a lo largo de los años ha optado por su propio método de fabricación. De manera, que definir estas medidas como estándar no solo es complicado, sino que en algunos casos fueron usadas por unas compañías y en otros casos por otras.

Los tamaños hacen referencia a su diámetro, que es la unidad de medida para hacer referencia a cada tipo de oblea.

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Esto ha permitido que conforme se avance en el tiempo el tamaño aumente, haciendo más y más rentable cada oblea, ya que a mayor tamaño se logra extraer un mayor número de chips operativos.

El problema lógicamente es crear unas obleas de un mayor tamaño pero manteniendo la calidad y pureza de estas. Además, a mayor tamaño se tiene que aumentar el grosor, lo que dificulta el grabado, pero permite un mayor número de capas al mismo tiempo.

Tipos de obleas

Tamaño-obleas

Fue en el año 1960 cuando se creó la primera oblea, y como tal, no se podía esperar demasiado de ella. En aquel año fue un hito que marcaría una nueva industria 70 años después. El primer tamaño fue de 23 mm, aunque se desconoce su grosor total, pero debía ser extremadamente bajo, apenas unos pocos micrómetros.

En 1962 y tras un perfeccionamiento de la técnica se lograron obleas de 25 mm, donde de nuevo no se desveló el grosor total, aunque se cree que estaría sobre los 130 micrómetros aproximadamente. Solo un año después, en 1963, se dio el paso a los 28 mm de diámetro y con ello el grosor volvió a aumentar, aunque no hay datos oficiales sobre ello, ya que era demasiado complicado de medir por aquel entonces, pero se estima que estarían entre los 180 y 190 micrómetros.

Los primeros chips y semiconductores entraron con fuerza en el mercado y causaron una revolución por lo que el sector no dejó de crecer, hasta que en 1969 llegaron las obleas de 51 mm casi duplicando el tamaño en apenas 6 años. El grosor ya si pudo ser medido (275 micrómetros).

Con la industria totalmente volcada para mejorar las obleas, en 1972 llegaron con un diámetro de 75 mm, donde se aumentó el rendimiento de los chips, gracias en parte al grosor de 375 micrómetros. La industria veía un potencial muy grande en las obleas y el ritmo de crecimiento siguió más o menos estable, ya que en 1976 se lanzaron las obleas de 100 mm y 525 micrómetros.

wafer-oblea-125-mm

Fue otro paso adelante que rentabilizó el precio de los chips en gran medida y propició un crecimiento de la industria. En 1981 el tamaño aumentó hasta los 125 mm y 625 micrómetros, lo que suponía un crecimiento de un 25% por oblea en solo 5 años.

La ralentización llegó a la industria y con ella los problemas

Dos años después y tras el soplo de aire nuevo que supuso los 125 mm de diámetro, ya en 1983 la industria llegó a los 150 mm por oblea, sentando el precedente de las pulgadas como medida más sencilla para denominar a las obleas.

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La equivalencia era de 6 pulgadas y se logró gracias a un grosor de 675 micrómetros.

El salto en el tamaño fue de un 20%, pero se logró en solo dos años. A partir de 1983 tanto Intel como el resto de fundiciones se encontraron con una papeleta difícil de resolver, ya que requerían un nuevo proceso de creación de las obleas para seguir aumentando su tamaño, además, los materiales usados necesitaban de un procesamiento distinto en cuanto a impurezas y por supuesto, un grosor mayor para ser consistentes.

200-mm

Tuvieron que pasar 9 años hasta 1992 cuando se lanzaron las obleas de 200 mm o de 8 pulgadas, donde el grosor pasó de los 675 micrómetros a los 725 micrómetros. De nuevo supuso una mayor rentabilidad y rendimiento por oblea en la industria, pero la desaceleración era patente y no tenía visos de mejorar.

Diez años tardó la industria en dar el siguiente salto evolutivo en las obleas, donde en 2002 llegaron las actuales de 300 mm o 12 pulgadas, donde una vez más el grosor aumentó hasta los 775 micrómetros. Supuso un salto de un 50% en la rentabilidad y volvió a insuflar oxígeno en los pulmones de la industria.

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El coste total fue estratosférico, hasta el punto en que nadie de la industria ha logrado fijarlo con exactitud sumando las grandes fundiciones del mundo. Se cree que la cifra ronda las 20 cifras, algo que se ha rentabilizado puesto que llevamos 18 años con las mismas obleas.

El futuro es incierto, la inversión monstruosa y el salto evolutivo mayúsculo para las obleas

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Estamos en pleno 2020 y tras largos años de promesas y más promesas, la industria no consigue fabricar obleas de mayor tamaño pese a la ingente cantidad de dinero que todas las fundiciones han invertido. En este caso la cifra es desconocida, pero muchos analistas afirman que las nuevas obleas de 450 mm con 925 micrómetros están siendo unas devoradoras de dinero.

Insaciables y sin vistas a una fecha concreta que frene dicha inversión. La fecha de lanzamiento para estas obleas no será antes de 2025, ya que el proceso al que están siendo sometidas requiere un «cultivo» con materiales añadidos al silicio para poder manejar la tensión y deformación que se requiere en el proceso de corte.

Se rumorea que la integridad estructural de estas obleas es el principal problema que enfrentan, ya que aunque algunas logran mantenerse perfectas tras el corte primigenio, otras sufren deformaciones durante el procesamiento o manipulación de las mismas, dejándolas con ello inútiles.

El problema está llegando hasta tal punto, que es posible que lleguemos antes al límite físico de los nanómetros que antes del límite físico de las obleas, por lo que podría darse el caso de que toda la industria terminase destinando los recursos en exclusiva a la creación de mayores diámetros en vez de reducir el tamaño de los transistores.

Igualmente, la reciente incorporación de China a los semiconductores puede ser un punto de inflexión, no solamente por capital invertido, sino por el hecho de que son actualmente los que más rápido desarrollan tecnología. El problema es que primero tienen que ponerse al día y luego finalmente innovar, por lo que la fecha de 2025 puede quedarse algo corta si siguen los problemas y el sector no tiene mucho más margen de maniobra, ya que Intel ha pisado el acelerador y obligará a TSMC y Samsung a hacer lo propio.