El corazón de cualquier dispositivo electrónico moderno es el procesador. La palabra la conocemos todos, pero hay personas que ni siquiera se plantean cómo funcionan los procesos internos.
El proceso de fabricación más avanzado actualmente en la producción de chips es el de 2 nm. Empresas como TSMC y Samsung desarrollan activamente tecnologías de 2 nm y planean iniciar la producción en masa hacia 2025. ¿Qué son exactamente estos procesos, los nanómetros y demás? Se puede entender.
Fundamentos del funcionamiento del procesador
El procesador es una creación de ingeniería extraordinariamente compleja. En una diminuta oblea de silicio se colocan miles de millones de transistores, cada uno de los cuales funciona como un interruptor microscópico. Sin embargo, su principio de funcionamiento es simple: el transistor o bien permite el paso de corriente eléctrica (estado «1»), o bien la bloquea (estado «0»). Precisamente esos conmutaciones generan el código binario sobre el que se basa toda la informática moderna.
Estructura del transistor
- fuente
- drenador
- compuerta
- canal entre la fuente y el drenador
Cuando se aplica una tensión a la compuerta, esta abre o cierra el canal entre la fuente y el drenador, lo que determina el estado del transistor.
Los nanómetros en la fabricación de procesadores
Un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro, una dimensión comparable al tamaño de una cadena de varios átomos. Cuando hablamos de un proceso medido en nanómetros, es importante comprender el sentido físico de esas medidas. En la fabricación de microchips, históricamente el proceso definía dos parámetros clave: la longitud de la compuerta del transistor y el semi‑paso metálico, es decir, la mitad de la distancia entre pistas conductoras adyacentes en el chip.
Hasta la década de 1990 esas cifras reflejaban tamaños físicos reales. En un proceso de 130 nanómetros la longitud de la compuerta del transistor era aproximadamente 130 nm. Sin embargo, el avance tecnológico y la transición a estructuras tridimensionales de transistores cambiaron la situación. Ahora la designación del proceso es más un indicador de la generación tecnológica que de un tamaño físico real.
En los procesadores modernos los elementos pueden ser considerablemente mayores que el tamaño nominal del proceso. Por ejemplo, en chips de 5 nm los tamaños reales de algunas estructuras pueden alcanzar 20–30 nanómetros. La medición se complica aún más por el uso de construcciones multicapa y de distintos materiales en la fabricación.
Proceso tecnológico: de micrones a nanómetros
La historia de la reducción del tamaño de los transistores comenzó con las tecnologías de micrones. Los primeros procesadores Intel 4004, a comienzos de los años 1970, se fabricaban con un proceso de 10 micrones. Para comparar: un micrón equivale a 1000 nanómetros. Hacia finales de los años 1990 los fabricantes pasaron a tecnologías submicrón y luego a las de escala nanométrica.
Por qué el tamaño importa
Reducción del consumo de energía:
- distancias más cortas para el paso de electrones
- menor tensión para conmutar estados
- reducción de las corrientes de fuga
Aumento del rendimiento:
- trayectos de señal más cortos
- posibilidad de aumentar la frecuencia de reloj
- más transistores por unidad de área
Ventajas económicas:
- más chips por oblea de silicio
- reducción del coste unitario en producción masiva
- mejor eficiencia energética de los dispositivos finales
Marketing frente a la realidad: desmontando el mito de los nanómetros
La designación del proceso en nanómetros indicaba originalmente la longitud de la compuerta del transistor. Con el tiempo los fabricantes comenzaron a emplear estructuras tridimensionales más complejas, donde ya no es posible medir simplemente la longitud de la compuerta.
Características técnicas de los procesos modernos:
- estructura multicapa
- arquitectura FinFET
- uso de distintos materiales para diversas capas
- geometría compleja de los elementos
Detalles de fabricación
La transición al proceso de 3 nm exige tecnologías aún más precisas que sus predecesores. El método principal de producción es la litografía ultravioleta extrema (EUV), que se utiliza para crear transistores más compactos. Y lo más importante: una reducción del consumo energético de hasta un 30%, manteniendo al mismo tiempo un alto nivel de rendimiento.
El proceso de 2 nm es el siguiente paso importante en la miniaturización de componentes semiconductores. Gracias a la litografía mejorada y a nuevos materiales, los chips de 2 nm reducen el consumo de energía en un 35% y aumentan el rendimiento en un 15% en comparación con la generación anterior. Además, la arquitectura de 2 nm incorpora la nueva tecnología de transistores GAAFET, que ofrece un mejor control de la corriente en los canales. Esto reduce aún más las fugas de energía y aumenta la densidad de transistores.
Actores clave del mercado y sus estrategias
TSMC domina el mercado: fabrica chips para Apple, AMD y Qualcomm. La empresa invierte activamente en el desarrollo de tecnologías de 3 nm. La construcción de nuevas instalaciones de producción requiere inversiones de miles de millones de dólares.
Intel está algo rezagada respecto a sus competidores. La compañía está pasando de una arquitectura monolítica a una basada en chiplets y planea introducir una nomenclatura en angstroms. También invierte enormes sumas en la modernización de sus plantas de fabricación.
Samsung produce sus propios procesadores móviles y compite con TSMC por los pedidos de otras empresas. Para ello la compañía ha creado un ambicioso programa de desarrollo.
Aplicaciones prácticas de los procesadores de 5 nm
En dispositivos móviles:
- Apple A14 Bionic en iPhone 12
- Apple A15 Bionic en iPhone 13
- Snapdragon 888 en smartphones Android de gama alta
- Exynos 2100 en Samsung Galaxy S21
En informática de ordenadores:
- procesadores AMD Ryzen de próxima generación
- procesadores de servidor EPYC
- soluciones especializadas para centros de datos
- procesadores gráficos de nueva generación
Perspectivas de desarrollo tecnológico
Nuevos materiales:
- grafeno
- nanotubos de carbono
- semiconductores bidimensionales
Arquitecturas alternativas:
- GAAFET
- transistores verticales
- elementos de computación cuántica
Nuevos métodos de fabricación:
- fabricación con precisión atómica
- autoensamblaje de nanostructuras
- disposición tridimensional de transistores
