Los desafíos que enfrentan Intel y AMD para reducir los nanómetros

Los desafíos que enfrentan Intel y AMD para reducir los nanómetros

Javier López

Aunque hemos hablado anteriormente de ciertos problemas que van a tener a Intel y AMD sin dormir durante años, también es cierto que lo hemos hecho de forma bastante general cuando nos hemos referido a los nanómetros en sí mismos. En este aspecto y aunque AMD es espectador, todo se concentra en la lucha de Intel y TSMC, los cuales van a tener que implementar grandes cambios en la interconexión si quieren bajar de nanómetros. ¿Qué problemas tienen actualmente?

Todo parece fácil y maravilloso, la tecnología avanza, llegan nuevos productos más rápidos a mismo precio o ligeramente por encima y todos nos regocijamos en luchas entre empresas para ver quien se lleva nuestro dinero.

Pero desde el backstage, hay cientos de ingenieros por cada empresa que están dando lo mejor de sí para mantener esta industria a flote, porque recordemos, si no se logra bajar de nanómetros, en pocos años el rendimiento se estancaría y tanto AMD, como Intel o NVIDIA tendrían que enfocar todos sus esfuerzos en técnicas como el apilamiento vertical.

Aun así, se llegaría al límite muy rápido y volveríamos al problema inicial. Por lo tanto, la industria la domina el mejor nodo y la mejor arquitectura, el problema es que a partir de ahora, los paradigmas en las obleas tienen que cambiar.

La interconexión entre obleas, nuevo cuello de botella de difícil solución

Wafer-oblea-PC

Como bien sabemos, las capas de las obleas junto con sus máscaras son un problema que toda la industria intenta resolver, sobre todo de cara a EUV como nueva forma de grabado. Pero a medida que los transistores se van haciendo más y más pequeños, a medida que los chips aumentan de tamaño y sobre todo logran trabajar más información por segundo, la forma de crear esos mismos chips comienza a llegar a su límite.

Los 7 nm pre-EUV serán los últimos en mantener la estructura inicial típica en cuanto a materiales para TSMC. En Intel se representa mediante los 14 nm ++ y en Samsung serán igualmente sus 7 nm sin EUV los que mantendrán las reglas del juego intactas.

Las capas de interconexión de las obleas están sufriendo serios problemas en los siguientes procesos litográficos, sobre todo entre las llamadas M0 y M1. Reducir la escala de los nanómetros va a implicar a partir de ahora unos revestimientos entre capas más delgados, barreras más finas y metales con menores resistencias para garantizar la estructura de dichas obleas.

Las obleas actuales usan cobre ultrapuro para dichas interconexiones, pero aunque el cobre lleva con nosotros ya más de 10 años (130 nm), no es estable a partir de los nanómetros anteriormente comentados y los ingenieros están buscando un sustituto que tenga sus propiedades y minimice sus defectos.

El primero en mover ficha ha sido Intel, sus 10 nm incluyen en sus dos primeras capas (las más delicadas en cuanto a estructura e interconexiones) un material tan conocido como el cobalto, donde dicho material es usado en los revestimientos y enlaces. Curiosamente el resto de capas vuelven a usar cobre por su menor coste y estabilidad, sobre todo en capas superiores.

¿Por qué el cobre ha pasado a ser una solución a un problema?

Por las propiedades del propio material, el cobre a medida que las reducciones de los nanómetros avanzan, tiene un efecto contraproducente en las interconexiones de las obleas: se difunde con los materiales circundantes.

Lo que se ha estado haciendo para evitar este efecto es recubrirlo con una capa a modo de barrera que debido a las reducciones nombradas ha pasado a ser tan delgada que no es viable. Hablamos de capas de 1 o 2 nm de espesor para dicho material, algo que no logra solucionar el problema del cobre, solo lo palía y cuando un fabricante se enfrenta a un nueva reducción, la perfección es sinónimo de viabilidad para dicho nodo.

Una falta de solo unos átomos y el efecto de las barreras desaparece, perjudicando la estructura y rendimiento de la oblea, por lo que como vemos, la precisión es de tal calibre que deja de ser un método a seguir y hay que buscar otros caminos que no requieran un gasto tan importante y que tiene tan poco futuro. A esto hay que sumarle los ciclos térmicos, el cobre es muy dependiente de ellos y la electromigración pasa factura.

La electromigración, un efecto fundamental para anular los defectos

Electromigración-2

Los nuevos materiales que están en desarrollo buscan no solo sustituir al cobre como tal, sino mejorar en cuanto a migración de los átomos se refiere. La limitación en este apartado es clave, ya que evitan que entre capas se contamine una oblea.

Dos capas mal aisladas pueden echar a perder sin duda no solo la oblea afectada, sino miles o millones puesto que el efecto será replicado en todas y cada una de ellas. Por lo tanto, el proceso de creación de la estructura es cada vez más complejo y perfecto.

Debido a esto dos materiales se están utilizando en el desarrollo de procesos litográficos como los 5 nm de Intel o los 3 nm de TSMC/AMD: cobalto y rutenio. Las principales bazas de estos dos es que limitan cualquier tipo de migración donde pueden actuar como barrera o como conductor.

El cobalto no es nuevo en la industria como tal, no así el rutenio que representa el mayor reto para los ingenieros. El problema es que los fabricantes como tal son muy reacios y casi podíamos tacharlos de conservadores a la hora de hacer cambios, lo cual está llevando a la industria a ser cada vez menos rentable en el precio de las obleas.

La lucha se tornará entre la necesidad y ese conservadurismo que puede definir los procesos litográficos del futuro. Por lo tanto, la industria en general necesita de un material que no necesite revestimientos y pueda cumplir con todo lo que hacía el cobre, es decir, tener todas sus virtudes y ningún defecto.

Los costes son y serán un problema, podría haber una segmentación en las obleas

La industria tan reacia como es a implementar cambios que se haya tragado miles de millones en inversión previa no va a dejar de pensar en los costes finales a los que puede vender una oblea. Por lo tanto y aunque tendrán que ceder para mantener el avance, se especula con el hecho de que podría darse el caso de que a un mismo nodo se le atribuyesen dos o más tipos de obleas.

La primera y más barata intentaría ser la que use materiales y patrones comunes y tenga menos innovación. La segunda podría ser aquella que, con un precio más alto, implemente los mejores materiales y las últimas técnicas de interconexión, logrando incluso reducir aun más los nanómetros que su oblea hermana.

Algo así estamos viendo hoy en día con Samsung y sus 7 nm y 8 nm respectivamente, donde los coreanos son capaces de mejorar la densidad gracias a ciertos compuestos y diversas optimizaciones menores. Lógicamente ofrecen dos precios distintos por cada tipo de oblea, así que en el futuro no solo podríamos ver LP, LPP con diferentes tipos de transistores, sino obleas con diferentes densidades que en base están fabricadas del mismo modo con pocas diferencias, segmentación lo llaman.

Los transistores se reducen, pero los cables de interconexión van más lentos, ¿cuándo serán un problema?

Full-wafer-map-of-350-m-2-LED-die-performance-of-a-wafer-grown-under-Condition-B-a

Los llamados «cables de interconexión» además enfrentarán otro problema y no es más que su tamaño. Los transistores se reducen, pero los primeros se mantienen más o menos estables y representarán un problema en no demasiado tiempo.

Lo más avanzado hasta ahora al parecer y según diversos estudios que se van publicando rondan los 12 nm, siendo la tónica 18 nm para cada uno de ellos. Esto multiplicado por millones de cables representan un área total demasiado grande para procesos litográficos de 3 nm.

Ganar densidad y con ello espacio para albergar más transistores por mm2 puede verse entorpecido si los cables de interconexión no mejoran su tamaño y escalan de forma similar a estos. Aunque hay ciertos avances significativos al respecto, no hay ni mucho menos un consenso y pruebas definitorias que evidencien una mejora real en este apartado.

Por lo tanto, es otro aspecto que la industria tiene que solucionar al mismo tiempo que los materiales, solo esperemos que el precio por oblea no aumente y que a ser posible termine bajando para que los precios finales al menos no aumenten.