La industria de semiconductores entra en la era de la nanotecnología

La industria de semiconductores ha iniciado la producción comercial de chips con tecnología de 90 nanómetros y obleas de 300 milímetros de diámetro. Así, continúa creciendo de forma exponencial la densidad de los chips, con el consiguiente ahorro de coste y aumento del volumen de producción.

Se espera que el ritmo de integración que ha caracterizado a la industria de semiconductores desde hace 40 años se mantenga hasta el año 2016 como mínimo, cuando se alcancen reglas de diseño de 22 nanómetros.

La mayoría de chips se fabrica ahora con tecnología de 130 nanómetros (0,13 micras o 130 milmillonésimas de metro) y obleas de 200 milímetros de diámetro.

Hace dos años que se está poniendo a punto la maquinaria para fabricar chips con reglas de diseño de 90 nanómetros y ya se está implantando en fase totalmente comercial en varias factorías de todo el mundo.

A lo largo de este año se entrará de pleno en la era de la nanotecnología, con la distancia entre transistores inferior a 100 nanómetros.

El transistor es el elemento fundamental de cualquier chip. Hoy en día se fabrican chips con 100 millones de transistores, que se conectan entre sí a través de diversas capas de metal superpuestas (hasta siete) y forman un circuito integrado.

Al ser el transistor más pequeño, se reduce el tamaño del chip o aumenta el número de funciones del chip con más transistores. Al ser el chip más denso, los electrones tienen que recorrer menos distancia para hacer una función determinada, con lo cual el proceso es más rápido y también el consumo de energía es más bajo.

La reducción del tamaño del transistor, debido a que el ancho de las pistas de los chips es más pequeño por la mejora del proceso litográfico, explica que la funcionalidad de un chip, medida por su número de transistores o por su capacidad de proceso, se haya duplicado cada año y medio o dos años en un entorno de precios constante. Es lo que se conoce como Ley de Moore, porque esta progresión la observó Gordon Moore en 1965 y se ha cumplido de manera consistente en los últimos 40 años.

Las otras causas que explican que se cumpla la Ley de Moore son los continuos avances en el diseño de circuitos y el empleo de obleas más grandes. En las obleas de 300 milímetros de diámetro, frente a las de 200 milímetros, caben 2,4 chips más del mismo tamaño.

El coste por chip es el 30% más bajo en una oblea de 300 milímetros que en una de 200, se utiliza el 40% menos de energía por oblea y la mitad de mano de obra por chip. Así salen chips progresivamente más pequeños, más potentes y más baratos.

El propio Gordon Moore se mostró convencido hace un año en un homenaje que le rindió la industria, de que "el crecimiento exponencial que ha caracterizado a la fabricación de chips mantendrá su ritmo al menos otra década".

Moore reconoció que el crecimiento histórico tiene un límite debido a varios factores, como la disipación de la energía de los chips, el aumento de su complejidad y la verificación del funcionamiento y el coste de las nuevas fábricas, pero las innovaciones que se producirán a nivel de circuitos, arquitecturas y dispositivos mantendrán el crecimiento.

Duplicación anual

Cada año se duplica el número de transistores fabricados. Se estima que el año pasado se fabricaron del orden de un trillón de transistores (10 elevado a 18 o un uno seguido de 18 ceros). Para poner de manifiesto lo que significa esta cifra, Moore calcula que en el mundo se imprimen cada año entre 100.000 billones y un trillón de caracteres sobre papel y existen entre 10.000 y 100.000 billones de hormigas en la Tierra. El precio del transistor es irrisorio: una memoria RAM actual cuesta 1 dólar aproximadamente y contiene unos 50 millones de transistores.

El próximo microprocesador Power5 de IBM contará con 275 millones de transistores. Los procesadores de Intel y AMD tienen del orden de 100 millones de transistores y se calcula que hacia 2006 se alcanzarán los 1.000 millones de transistores en un único microprocesador. Los chips se fabricarán hacia 2007 con anchos de 65 nanómetros y a final de la década con 45 nanómetros.

Son cantidades increíblemente minúsculas: el virus del sida tiene un diámetro de unos 100 nanómetros y el grosor de un cabello humano es mil veces superior al virus del sida.

Aunque existe un consenso generalizado entre los científicos del progreso exponencial en la fabricación de chips, cada vez existen más requerimientos tecnológicos para los cuales no existe solución conocida. El informe recién publicado de ITRS, que describe la fabricación de los chips en el periodo 2003-2016, está repleto de incógnitas a partir de 2010. Se cree que la solución provendrá de la integración de varias tecnologías que ahora se desconocen, como pasó anteriormente.

Jerry Sanders, presidente honorario de AMD, sostiene que la industria de semiconductores está lejos de alcanzar su madurez, aunque se tienda en los próximos años a reducir el crecimiento de la facturación.

El problema no está en aumentar la funcionalidad de los chips a precio constante, porque Sanders está seguro de que se conseguirá, sino en qué hacer con estas funciones adicionales. Para el presidente de AMD no hay otro remedio que realizar una innovación genuina en los propios chips y en sus aplicaciones y no perpetuar modelos de negocio caducos.

Michael Splinter, presidente ejecutivo de Applied Materials, empresa que hace maquinaria para fabricar chips, alerta de que pasan dos años y medio antes de que se amortice una planta de fabricación de chips. "Es mucho tiempo y debemos cooperar los fabricantes de maquinaria con los de chips para reducirlo".