Intel SuperFin 10 nm: la tecnología que redefine los transistores

Intel SuperFin 10 nm: la tecnología que redefine los transistores

Rodrigo Alonso

Para aquellos interesados en la industria de los semiconductores -y procesadores dentro de ella- ha sido difícil perderse las recientes noticias sobre los problemas en el proceso de fabricación de Intel. En resumen, la litografía a 10 nm de la marca no ha cumplido las expectativas en términos de rendimiento, ha llegado un par de años más tarde de lo que debería y no tiene capacidad para competir en el mercado. Así pues, Intel ha optado por un acercamiento a los 10 nm desde una perspectiva diferente a la que han llamado SuperFin, la cual os vamos a explicar a continuación.

Incluso meses después de su lanzamiento, los procesadores a 10 nm de Intel tienen un volumen de producción muy bajo, y se espera que Tiger Lake sea el primer ejemplo de verdad de lo que se suponía que debería ser la visión de los 10 nm de Intel.

Los procesos de fabricación de Intel

Antes de entrar en materia con SuperFin, vamos a ver un poco de la historia que propició su nacimiento. El siguiente paso del cambio de fundición en la fabricación de Intel, el paso a los 7 nm con tecnología EUV (Extreme Ultra Violet), también lleva retraso (anunciado por la propia Intel). Con noticias como esta, Intel está luchando por mantener la confianza de que pueden lanzar una tecnología de fabricación líder en la industria que sea competitiva en el mercado. Esta solía ser la posición que Intel mantuvo hasta que comenzaron los problemas y los retrasos con su nodo a 10 nm.

Intel Roadmap nodos

Las divulgaciones de Intel sobre su tecnología de fabricación varían en complejidad dependiendo del éxito que se perciba internamente en el producto. Cuando anunciaron por primera vez el proceso FinFET en su nodo de 22 nm en mayo de 2011, había mucha información ya desde el principio y el nodo tuvo un gran éxito. Con la siguiente generación, los 14 nm, hubo algunos retrasos con la generación de procesadores inicial (Broadwell) pero finalmente la compañía explicó en detalle el proceso en un evento propio, hacia agosto de 2014.

El nodo de proceso a 14 nm ha sido el más rentable de Intel hasta la fecha, y las continuas mejoras intranodo a lo largo de los años así lo demuestran (14+, 14 ++, 14 +++, 14 ++++), dándole a la empresa una mejora eficaz equivalente a una actualización de nodo pura dentro de una misma generación de procesadores.

Nomenclatura procesos Intel

Cuando hablamos de los 10 nm, la situación no es sin embargo tan optimista, incluso si lo comparamos con los retrasos sufridos en los 14 nm. Hasta la fecha, Intel ha tenido dos generaciones de productos a 10 nm en cuanto a CPUs, una de las cuales la compañía evita incluso mencionarla en público. Cannon Lake, el primer producto a 10 nm, se abrió camino en los mini PCs Crimson Canyon NUC de la marca, y fue todo un desastre: solo dos núcleos, sin gráfica integrada y aunque lo incluyeron en el informe de ingresos de 2017, la compañía lo descatalogó rápidamente.

Ice Lake fue la lanzadera adecuada para Intel en los 10 nm, ofreciendo cuatro núcleos y unos buenos gráficos integrados Gen 11 con solo 15W de TDP. Se ha abierto camino en más de 50 diseños de portátiles, pero a pesar de ofrecer un aumento de rendimiento bruto de hasta el 20% clock a clock, la disminución de la velocidad de reloj en un 10-20% ha hecho que la mejora final sea nimia. Los gráficos Ice Lake siguen siendo mucho mejores que los de 14 nm y la compatibilidad con Thunderbolt 3 e instrucciones vectoriales de 512 bits todavía han supuesto un punto positivo, no obstante.

En su forma actual, debido a que Intel no quiere considerar Cannon Lake como una parte real de su herencia, Ice Lake se consideró un producto plano de «10 nm» sin ventajas adicionales. Después, Ice Lake se convirtió en Tiger Lake, construido en un nodo llamado 10+.

La tecnología SuperFin de Intel

La tecnología SuperFin a 10 nm es sobre la que se basa la arquitectura Tiger Lake, y representa el nuevo nombre 10+ de su litografía.

SuperFin Intel

Como parte del proceso 10FS de Intel, vamos a echar un vistazo a lo que hace que éste sea diferente de los 10 nm Ice Lake, así como las actualizaciones en algunas partes clave del diseño de los transistores que componen este proceso, y que han hecho que Intel afirme que han redefinido la manera de fabricar transistores.

10SD se basa en los 10 nm al introducir un diseño FinFET redefinido (¿cuarta generación?). Con un mayor rendimiento por Fin y un nuevo diseño de condensador SuperMIM (Metal-Insulator-Metal, metal-aislante-metal), el diseño de SuperFin se centra en tres áreas:

Diseño SuperFin

A través de nuevas técnicas de fabricación, se ha mejorado el crecimiento epitaxial de las estructuras cristalinas en la fuente y el drenaje, aumentando la deformación para reducir la resistencia y permitir que fluya más corriente a través de los canales.

Una arquitectura de fuente / drenaje mejorada y un proceso de fabricación de las compuertas de los transistores mejorado ayudan a impulsar una mayor movilidad de canal adicional, lo que permite que los portadores de carga se muevan más rápidamente y que mejore el rendimiento de cada uno de los transistores.

Además, un paso de puerta más grande para permitir una mayor corriente de accionamiento para ciertas funciones del chip, también colabora en mejorar el rendimiento. Normalmente, un paso de puerta más grande nos sonaría a que el transistor también lo es, y sin embargo hacer que el transistor sea más grande con un rendimiento mejorado en realidad significa que se necesitan menos búferes en las bibliotecas de células de alto rendimiento y, en última instancia, el tamaño de la celda se ve disminuido como resultado.

En cuanto a la pila de metal, Intel hace algunas afirmaciones que podríamos calificar de «audaces» y en las que se implica una tecnología bastante interesante.

Intel SuperFin FinFET

En las capas inferiores de la pila, Intel introduce un nuevo conjunto de materiales de barrera que las hace más delgadas, lo que también ayuda a reducir la resistencia de las vías hasta en un 30%, permitiendo que el metal de cada una tenga una proporción mayor de flujo. La reducción de la resistencia mejora el rendimiento de la interconexión entre capas de metal.

Otra de las mejoras en este proceso SuperFin es que en los niveles superiores, Intel introduce el nuevo condensador SuperMIM del que hemos hablado antes. Según el fabricante, este nuevo diseño ofrece un aumento 5 veces superior en la capacitancia sobre un límite MIM estándar de la industria ocupando el mismo espacio.

Esto genera una reducción de voltaje que finalmente conduce a un rendimiento drásticamente mejorado del producto y del transistor. Intel afirma que este es un diseño líder en la industria, habilitado a través de la deposición cuidadosa de nuevos materiales Hi-K en capas delgados, inferiores a 0,1 nm, para formar una especie de «súper rejilla» entre dos o más tipos de materiales.

Intel SuperFin capas

En conjunto, Intel afirma que todas estas características de SuperFin suponen la «mejora más grande en la historia de Intel», y permiten un rendimiento de transistores entre un 17 y un 18% superior a partir de los diseños a 10 nm. Esto hace que el proceso 10SF sea equivalente a una mejora completa de todo el nodo sobre el proceso base de 10 nm de Intel. Para establecer un paralelismo con los 14 nm de la marca, 10SF es el equivalente de Coffee Lake (14 +++) a Broadwell (14 nm).